Жартылай өткізгішті диодтардың арнайы типтері Орындаған : Қалыбек А. Тексерген : Айнабекова Қ.
Жартылайөткізгішті диодтардың түрлері. Арнайы жартылайөткізгішті диодтарға p-n-ауысуының ерекше қасиеттері қолданылатын құралдар жатады: басқарылатын жартылай өткізгішті сыйымдылық-варикаптар және варакторлар; зереновский көшкіндік ақаустабилитрондар; туннелді эффект-тунелді және обращенный диодтар; фотоэффект фотодиодтар; зарядтарды тасымалдаушылардың фотонды рекомбинациясы - жарық диодтары; көпқабатты диодтар-динисторлар. Диодтарға тиристорлар мен екібазалы диодтар сияқты үш шығысы бар құралдар да жатады.
Варикаптар - бұл құрамында p-nауысуының барьерлі сыйымдылығы бар жартылайөткізгішті диодтар. Бұл сыйымдылық диодқа салынған кері кернеуге тәуелді және оны көбейткенде азаяды. Варикаптың барьерлі сыйымдылығының добротность диодтың кері ығысуы кезіндегі жоғары кедергімен шунтируется біршама үлкен болуы мүмкін.
Варикаптың сұлбалық бейнеленуі 3. 1 а суретінде, ал оның вольтфарадты сипаттамасы — 3. 1 б суретінде көрсетілген. Варикаптың шартты белгіленуі бес элементтен тұрады. Бірінші элемент варикаптың жасалған материалын білдіреді (К — кремний). Екінші элемент диодтың варикап класс тармағына жататындығын көрсетеді (В — варикап). Үшінші элемент - варикаптың назначение білдіретін сан (1 -өзгертпелі варикаптар үшін, 2 – арттыратын варикаптар үшін). Төртінші элемент - өңдеудің реттік номері. Бесінші элемент-параметрлері бойынша өңдеуге сәйкес келеді.
3. 1 б суретінде КВ 117 А варикабының сипаттамасы көрсетілген. Варикап сыйымдылығының теоретикалық мағынасы мына формуламен анықталады: (3. 1) Мұндағы С 0 — Uв=0 кезінде варикаптың бастапқы сыйымдылығы , Uв — варикаптағы кернеу , к— потенциалдардың контакті айырымы. Варикаптың негізгі параметрлері: Со бастапқы сыйымдылығы, Qc добротность, Кс сыйымдылық бойынша бөгеу коэффициенті. Варикаптың добротность Q реактивті қуатының P қуатына қатынасымен анықталады: (3. 2) ***Келесіде барлық диодтар (яғни п-р ауысуы бар екі электронды құралдар) 3. 1 суреттегідей VD немесе D деп белгіленеді.
Сыйымдылықты бөгеу коэффициенті варикаптың Сmax максималды сыйымдылығының Cmin минималды сыйымдылығының қатынасына тең. (3. 3) Варикаптың с= С/ T сыйымдылықтың температуралық коэфициенті және fшек варикаптың добротностының Q=1 дейін төмендейтін шекті жиілігі жиі көресетіледі. Варикаптың добротность кері кернеуді көбейтіп, жұмыс жиілігін төмендеткен кезде көбееді. КВ 117 А варикап добротность кері кернеуге және жиілікке тәуелділігінің графиктері 3. 2 суретте көрсетілген.
Варикаптың эквивалентті сұлбасы 3. 3 суретте көрсетілген, мұндағы Cб — барьерлі сыйымдылық, Rш — ауысу кедергісі және варикаптың конструкциясымен шартталған оны шунтирующих азаюлары, Rп — жартылай өткізгіштікті материалдың p-n-облысының және контакттің кедергісі. 3. 3 суретте Q добротность галий арсенидінен және кремнийден жасалған варикаптардың жиілікке тәуелділігі көрсетілген. Графиктерден галий арсенидінен жасалған варикаптар үшін тиімді жиілік 1 к. Гц-ке, ал кремнийден жасалған варикаптар үшін ол 1 МГц-ке тең екені көрінеді. Варикаптың толық кедергісі келесі формуламен анықталады:
Варикап төзіміділігін жиілігі төмен бөліктерде (3. 4) формуласына сәйкес табуға болады: жиілік өскен сайын ол артады. C б. Rш>>1 шарты орындалған кезде жоғарғы жиіліктерде Rн есепке алмасақ, варикап добротность оның жиілігіне тәуелділігін көруге болады: Яғни жиілік өссе, ол азаяды. Варикап добротность максимумы төмендегі жиілікке сәйкес келеді: жиілікке сәйкес: Осыдан максималды добротность мына формуламен табуға болады:
Варикаптарды әр түрлі электронды сұлбаларда қолданады: модуляторлар, қайта құрылған резонастық контурлар, электронды күйге келтіретін генераторлар, параметрлік күшейткіш пен генераторлар және т. б. Uп тұрақты кернеу көмегі арқылы электронды қайта құрылған резонастық контур сұлбасы 3. 4 суретінде бейнеленген. Қайта құру кернеуі Rқ қосымша резисторы арқылы екі қарсы келген тізбектей жалғанған VD 1 және VD 2 варикаптардың орта нүктесін беріледі. Варикаптардың осылайша қосылуы қайта құру крутизнасы ұлғаяды және бөлетін конденсатордың қажеттілігін жояды. Осындай сұлбалар үшін өндірісте қабатталған КВС 111 немесе КВС 120 типті варикаптары шығарылады.
Стабилитрондар — көшкіндік режимде жұмыс істейтін жартылайөткізгішті диодтар. жартылайөткізгішті диодтың кері ығысуы кезінде p-n-ауысуының электрлік көшкіндік ақауы пайда болады. Кең диапозонда токты диод арқылы өзгерту кезінде кернеу мүлдем өзгермейді. токты шектеу үшін стабилитрон арқылы кедергіні тізбектей қосады. Егер ақау режимі кезінде шығындалатын қуат шектелген мүмкін мәннен аспаса, онда осындай режимде стабилитрон шексіз көп жұмыс істей алады. Стабилитрондардың сұлбалық бейнеленуі 3. 5 а суретте, ал вольтамперлік сипаттамалары 3. 5 б суретте көрсетілген.
Стабилитрондардың стабилизация кернеуі температураға тәуелді. 3. 5 б суретінде температураның көтерілуі кезіндегі вольт-амперлік сипаттамаларының орын ауыстырылуы штрихталған сызықпен көрсетілген. Ucт > 5 B кезінде температураның көтерілуі көшкіндік ақау режимінің кернеуін көбейтеді және Ucт < 5 В кезінде азайтады. Басқаша айтқанда, стабилизация кернеуі 5 В-тен жоғары стабилитрондар оң, ал Ucт<5 В кезінде —теріс температуралық кернеу коэффициентіне (ТКК) ие. Ucт=6. . . 5 B кезінде нөлге жақын.
Кейде кернеу стабилизация үшін диодтағы кернеудің тікелей кемуін колданады. Осындай құрылғыларды стабисторлар деп атайды. р-n-ауысуының тікелей ығысу облысында кернеу мәні 0, 7. . . 2 В-қа тең және токқа тәуелді емес. Осыдан, стабисторлар тек шағын кернеулерді (2 В артык емес) тұрақтандырады. Стабистор арқылы токты шектеу үшін онымен кедергіні тізбектей қосады. температураны көбейткенде, диодтағы тура кернеудің ТКК теріс болғандықтан стабисторда кернеу кемиді. Стабилитронның қосылу сұлбасы 3. 6 а суретінде, ал стабистордің қосылу сұлбасы — 3. 6 б суретінде көрсетілген. Стабилитрондар кернеуінің температуралық тәуелділігінің сипаттамасына олардағы ақаулар себепші болады. Өріс кернеулігінің кең ауысуында көшкіндік ақаулар 5*104 B/см-ге дейін болады. Осындай ақау ауысуындағы кернеу>6 В болса, температуралық коэффициентке ие.
Электр өрісінің үлкен кернеулігі (1, 4*106 В артық) кезінде тар ауысуларда зенеровский деп аталатын ақаулар байқалады. Мұндай ақау ауысуда төмен кернеу(5 В көп емес) кезінде және теріс температуралық коэффициентіпен сипатталады. Ауысудағы кернеу 5 тен 6 Вқа дейін кезінде ақаудың екі түрі де болады, сондықтан температуралық коэффициент нөлге жақын. 3. 7. суретінде ТKКст температуралық коэффициенттің Uст стабилизация кернеуінен тәуелділігінің графигі көрсетілген.
Стабилитрондардың негізгі параметрлері: • Uст стабилизацияның кернеуі; • ТККст стабилизация кернеуінің температуралық коэфициенті; • Iст. доп стабилитрон арқылы өтетін мүмкін ток; • rст стабилитронның дифференциалды кедергісі. Сонымен қатар, импульсті стабилитрондар үшін tвкл стабилитронның қосылу уақыты, ал екі жақты стабилитрондар үшін U ст = Uст1 – Uст2 стабилизация кернеуінің симметриялы еместігі қалыптастырылады.
Стабилитронның дифференциалды кедергісі —бұл ақау облысында вольт-амперлік сипаттамасының иілуін сипаттайтын параметр. 3. 8 а суретінде дифференциалды кедергісін анықтауға болатын және 3. 8 б суретінде көрсетілген ауыстырылу сұлбасын құрауға болатын стабилитронның линеаризированная сипаттамасы келтірілген. 3. 8 б суретте көрсетілген ауыстырылу сұлбасын қолданып, 3. 9 а суретінде көрсетілген қарапайым кернеуін стабилизаторын есептеу сұлбасын алуға болады. Сурет 3. 8. а) Стабилитронның линеаризованный сипаттамасы және б) оның ауыстырылу сұлбасы
Стабилитронды ауыстырылу сұлбасымен алмастырып, ол 3. 9 б суретінде көрсетілген есептеу сұлбасын алуға болады. Бұл сұлба үшін келесі теңдеулер жүйесін жазуға болады: (3. 9) теңдеулер жүйесін есептеу нәтижесінде стабилитронның шығысындағы кернеуді аламыз:
Iн мәнін қойып, келесіні аламыз: Стабилитронның шартты белгіленуі келесілерден тұрады: жартылай өткізгіш материалы (К — кремний); стабилитронның класс тармағы ұғымы (С әрпі); стабилитронның қуатын көрсететін сан; стабилизация кернеуіне сәйкес екі сан; конструкцияның және корпустың ерекшелігін көрсететін әріп. Мысалы, КС 168 А стабилитроны - аз қуатты (ток кем дегенде 0, 3 А) стабилизация кернеуі 6, 8 В-қа тең, метал корпустағы стабилитронға сәйкес келеді. Кернеу стабилизациясынан басқа стабилитрондары импульстарды шектеу үшін және әр түрлі элементтердің қорғау сұлбаларында кернеу жоғарылауынан сақтайды.
Туннельді диодтар. Туннельді эффект диодтар p-n-ауысуы арқылы токтың туннельді өтуінде негізделеді. Бұдан ток кернеудегі потенциалдардың қатынас түрлілігінің аздығынан өтуді бастайды. Туннельді эффект өте жіңішке қабаттың өрбітілуіне жетеді, ол туннельді диодта 0, 01 мкмге жетеді. Осындай жіңішке қабаттан онда тіпті 0, 6. . . 0, 7 В кернеуі кезінде жиек кернеуі (5. . . 7)*105 В/смге жетеді. осындай жіңішке p-n-ауысудан маңызды ток өтеді.
Бұл ток екі бағдарда да өтеді, тек тура ауысу ауданында ток алғашында өседі, ал U 1 кернеуі кезінде Imax мәніне жеткенде, шұғыл түрде U 2 кернеуінен Iminге шейін кемиді. Токтың төмендеуі туннельді ауысу жасай алатын электрондардың кернеу өсімі бойынша тура жолда саны азаюына байланысты. U 2 кернеуі бойынша электрондардың саны нөлге тең болады және туннельді ток жойылады. Келесі кернеудің U 2 -ден жоғарылауы кезінде тура токтың өтуі де жай диодтікіндей болады, және диффузиямен анықталады.
Р-n-ауысуының қабаты өте кіші болғандықтан ауысудың өту уақыты өте аз (1013 – 1014 с дейін), сондықтан туннельді диод — іс жүзінде инерционсыз құрал. Ал қарапайым диодтарда электрондар диффузиянның арқасында ауысудан өтеді, яғни өте баяу. Туннельді диодтың вольт-амперлі сипаттамасы 3. 10 а суретінде, ал оның сұлбалық бейнесі — 3. 10 б суретінде көрсетілген. Туннельді диодтың вольт-амперлі сипаттамасында үш маңызды бөліктерді қарастыруға болады: ток нүктесінің 0 ден Imaxге шейін өсуінің бастапқы бөлігі, токтың Imax нан Iminге шейін құлдырау бөлігі және токтың Iminнен әрі қарай өсуінің бөлігі. Әлбетте кернеудің оң приращение>0 Iге сәйкес, U құлдырау бөлігінде теріс кедергісі бар
Азсигналды терiс кедергiнiң бөлiгіндегі таңдаған жұмыс нүктесiнде туннелдi диод алмастыру сұлбасы үшiн 3. 10 -шi сурет келтiрiлген сияқты. Бұл сұлбада, С — вольт-амперлік сипаттаманың минимум нүктесіндегі диодтың ортақ сыйымдылығы, -G - құлдырау бөлiгіндегi терiс өткiзу қабiлетi, rн - ысыраптың бiртiндеу кедергiсi, L - шығыс индуктивтiлiгі.
Туннелдi диодтағы өндiргiштiң сұлбасы 3. 11 б сурет көрсетiлген. Осы сұлбада ТД туннелдiк триод жүктемемен және Е тұрақты кернеудiң көзiмен тізбектей қосылған. Бұл сұлбада тербелістердің пайда болуы үшін 2 шартты орындау керек. Бірінші шарт: Е кернеу көзі теріс кедергі бөлігінде ТД жұмыс нүктесін табуды қанағаттандыру керек. Екінші шарт: ТД теріс кедергісі RH жүктемесінің оң кедергісінен көп болу қажет. (яғни, 1/G > RH) RH жүктеме кедергісі берілген Е қорек көзінің кернеуін қалай таңдау керек екені 3. 11 б суретте көрсетілген. ТД-тың вольт-амперлiк сипаттамасындағы осьтерде екі нүкте кейiнге қалдырылады. Кернеудiң осінде тұйықтандырылған RH жүктемесіндегі диод кернеуіне сәйкес келетін Е қорек көзінің кернеуі, ал осьте тұйықтандырылған ТД –ға сәйкес келетін E/RH тоғы кейiнге қалдырылады. Осы екі нүкте жүктемелік деп аталған түзу сызықпен қосылады. RH жүктеме сызығының және ТД вольт-амперлiк сипаттама сызығының қиылысуы олардың (олардың тізбектей қосуына керек) бiрдей тоғына сәйкес келедi және жұмыс нүктесiнiң жағдайын анықтайды.
3. 11 б суретте көрсетілгендей құлдырау бөлігіндегі жұмыс нүктесi жүктеме сызығын өткiзуiнің екi тәсiлiмен қамтылады. Е 1 және E 1/RH 1 сызықтары арқылы өтетін ТД-тың вольт-амперлік сипаттамасын А, В, С үш нүктелерiнде жүктеме сызығы қиып өтеді. Ток көзін сұлбаға қосқан кезде бірінші болып ТД-тың кедергісі оң болатын А жұмыс нүктесі қосылатыны анық және бұл генерация болмайды деген сөз. E 2/ RH 2 және Е 2 сызықтары арасында өткізілген 2 жүктемелік сызығы ТД-ның вольт-амперлік сипаттамасын тек В бір нүктесінде қиып өтеді. Е 2 қорек көзінің және RH 2 жүктемені осылай таңдау сұлбада тербелістердің пайда болуына мүмкіндік береді. Жүктеменің мүмкін болатын кедергісін табамыз.
Жүктеменің мүмкін болатын кедергісін табамыз. ТД-ның теріс кедергісін табу үшін алмастыру сұлбасын пайдаланып, ТД толық кедергiсін анықтаймыз( 3. 10 б сурет): Ал 3. 11 а суреттің сұлбасындағы толық белсендi кедергi келесідей болады: Егер бұл кедергі Rа<0 шартын қанағаттандырса, онда бұл сұлбадағы тербелістер болуы мүмкін. Тербелістердің пайда болуының сындық жиілігі Rн=0 шарты орындалғанда анықталады, және келесі мәнге ие: Яғни ТД параметрлерімен ғана толық анықталады. Меншікті тербелістердің жиілігін анықтау үшін толық кедергінің жалған бөлігін нөлге теңестіру керек (3. 13): (3. 15) Теңдеуін резонансты жиілікке қатысты есептей отырып, 3. 11 а суретінің сұлбасындағы тербелістер жиілігін табамыз: 3. 11 суретінің сұлбасындағы генераторда тербелістердің болуы үшін келесі шарттың орындалуы қажет:
Тербелістерде гармоника болмауы үшін, олардың амплитудасы 0, 1 Uo-ден артық болмауы қажет. Сондықтан ТД генераторларындағы тербелiстер амплитудасы шамамен 10. . . 20 Мв құрайды. Тербелiстердің максималды амплитудасы U 2 -U 1 ≈ 100 м. В-қа тең. ТД генераторының жұмыс жиiлiгi 1 Ггцтен асады. Обращенный диод туннелдiк диодтың вырожденный болып табылады. Ауысуда сыртқы жылжу болмаған кезде зоналардың шекаралары жабылмай керісінше, сәйкес келетіндей қоспалардың концентрациясын таңдау арқылы оң кернеулер аумағындағы қарапайым диодты сипаттаманы алуға болады. Оның үстіне теріс кедергі бөлігі болмайды. Обращенный диодтың вольт-амперлік сипаттамасы 3. 12 асуретте, ал оның шартты белгіленуі 3. 12 б-суретте көрсектілген. Обращенный диодтарды өте жоғары жиіліктегі өте кіші кернеулерді түзету үшін қолданады. Бірақ Обращенный диодты қолданған кезде анод пен катодтың орнын ауыстыру қажет, себебі түзету аймағы орындарымен ауысады. диодтың Обращенный деп аталу себебі осыдан.
Фотодиод (ФД ) ашық p-n-ауысуы бар диод болып табылады. Ашық p-n-ауысуғатүсетін жарық ағыны бөліктердің біреуінде қосымша негізгі емес заряд тасымалдаушыларын туғызады, соның нәтижесінде кері ток көбееді. Жалпы жағдайда фотодиод келесі формуламен анықталады: (3. 18) Мұндағы Iф = Si. Ф - фототок, Si - интегралдық сезгiштiк, Ф - жарық ағыны. ФД вольтамперлiк сипаттамалары 3. 1 а-суретте, ал оның сұлбалық бейнелеуi 3. 13 б-суретте көрсетілген.
Қысқа мерзімді тұйықталу режимінде диодтағы кернеу 0 -ге тең және диодтағы ток фототокка тең, яғни I = -Iф = -Si. Ф. Қорыта келгенде, қысқа мерзімді тұйықталу режимінде диодтағы ток пен жарық ағыны арасында тура пропорционалдық сақталады. Мұндай пропорционалдық 67 реттеріндегі шектерінде жақсы сақталады.
Бос жүрiс режимі кезінде диодта ток жоқ, ал 3. 13 а-суретінде белгіленген бос жүрiс кернеуi горизонталь осьте жатыр. (3. 18 ) формуласын логарифмдеп Uхх кернеуін анықтауға болады: (3. 19) Е=0 кезінде Р аумағы оң, ал N аумағы терiс зарядталады және фотодиодтың электродтары арасында жарықтандыру кезінде фото-эдс деп аталатын потенциалдар айырмы пайда болады. Фото – эдс Uхх кернеуіне тең және потенциалдар айырымынан аса алмайды. кремнилiк фотодиодтары үшiн Uхх <0, 7 B. Бос жүрiс режимі үшiн шығыс кернеуiнің жарықтылықтан логарифмдiк тәуелдiлiгi тән, оның үстіне шығыс кернеуі кез келген жарықтылық кезінде белгiлi бiр мәннен аспайды. Фотодиодтың қысқа мерзімді тұйықталуын тудыру үшін операциондық күшейткiштi қолданады (8 -дәрісті қараңыз), ал қысқа мерзісді тұйықталу режимінің пракктикада жүзеге асырылуы өте қиын. Бұл жағдайда белгілі бір жүктемеге фотодиод жұмысы туралы айтуға болады. Фотодиодтың жүктемеге қосылу сұлбасы 3. 14 а суретте, жүктеме сипаттамасы - 3. 14 б суретте көрсетiлген. Жүктемелік түзуді құру үшiн тунелльдік диод режимінің анализі кезіндегі қолданылған әдiстемесін қолдануға болады. Ол үшін горизонталь осьте Е қорек көзінің кернеуін, ал вертикаль осьте – E/RH қыска мерзімді тұйықталу тоғын орналастыру керек. Осы нүктелерді қосатын түзу жүктемелік түзу болып табылады. Жүктемелік түзудің фотодиодтың вольт-амперлік сипаттамаларымен қиылысуы RH жүктемедегі кернеуді анықтауға мүмкіндік береді. Ол үшін қиылысу нүктелерінен горизонталь осьпен қиылысуға дейін перпиндикулярлар тұрғызу қажет. Бұл қиылысу нүктелері жүктемедегі кернеу мәнін көрсетеді.
Егер жарықтандыру болмаса, фотодиодтағы кернеу Uтемн максималды болады. Жарықтандыруды ұлғайтқан кезде фотодиодтағы ток өседі, ал ондағы кернеу азаяды. Жүктемедегі қорек көзінің кернеуі және фотодиод кернеуінің айырымы ретінде анықталады. Uн=f(Ф) тәуелдiлiгінің графигі 3. 14 в суретте көрсетілген.
Фотодиодтағы оптикалық сәулелену қабылдағыштары ретінде қолданылады. Фотодиодтардың негiзгi сипаттамалары мыналар болып табылады: қабылданатын сәулеленудің толқындарының ұзындығының диапазоны, Si интегралдық сезгiштiгi, тұрақты τ уақытының Iт қараңғылық тоғы. Фотодиодтардың көбісі толқын ұзындықтарының көрінетін диапазонында да =0, 4. . . 2 мкм диапазонында да жұмыс істейді. Интегралды сезгiштiк және p-n-ауысуының көрінбейтін сәулелену облысына тәуелді және 10 -3… 1 мк. А/люкс шектерінде өлшене алады. Әдетте темновой ток үлкен емес және 10 -2… 1 мк. А мәнге ие. Фотодиодтардың белгіленуі ФД әрiптерден және өндірудің ретінен тұрады. Мысалы, ФД 24 К 0, 5 мк. А/лк интегралдық сезгiштiгi мен 1 мк. А Темновой токка ие. Шығыс сигналының аз деңгейіне байланысты фотодиодтар күшейткішпен жұмыс істейді. Күшейткіштер сыртқы немесе фотоқабылдағышпен бірге біріктірілген болуы мүмкін.
Жарық шығарушы диодтар (ЖШД) электрондар мен кемтіктердің рекомбинация есебінен электр энергиясын жарқ сәулесіне түрлендіреді. Қарапайым диодтарда электрондар мен кемтіктердің рекомбинациясы (қосылуы) жылудың бөлінуі арқылы, яғни жарықтық сәулеленусіз өтеді. Мұндай рекомбинация фонондық деп аталады. ЖШД-да фотондық деп аталатын жарық шығаратын рекомбинация басымырақ. Әдетте мұндай сәулелену резонансты болады және жиіліктердің жіңішке жолында жатады. Сәулеленудің толқындарының ұзындығын өзгерту үшін жарық диоды жасалған материалды немесе токты өзгертуге болады. Жарық диодының сұлбалық бейнеленуі 3. 15 а суретте, ал сәулеленудің спектральдық сипаттамалары 3. 15 б суретте көрсетілген. Жарық диодын жасау үшін галий фосфидін немесе галий арсенидін жиі қолданылады. Диодтардың көрінетін сәулеленуі үшін галийдің фосфидарсенидін қолданылады. Бөлек жарық диодтарынан сандар мен әріптер бейнеленуін көрсететін блоктар мен матрицаларды жинайды.
Инжекционды лазер - деп монохромдық сәуле шығаратын диодты айтады. Когерентті монохромдық сәулелену белгілі бір тоғы бар инжекция кезінде заряд тасымалдау кезінде пайда болатын фотонды рекомбинацияға жағдай жасайды. Ынталандыратын фотонды рекомбинация басым болатын минималды ток шекті деп аталады. Шекті токтан жоғары токты ұлғайтқан кезде монохромдық сәулелену мәні нашарлайды. соңы
Скачать презентацию Жартылай өткізгішті диодтардың арнайы типтері Орындаған Қалыбек
Асылбек диод.pptx