Фотоэлектронные приборы

PAGE 92

Курс лекций Техническая электроника

Лекция 16

фотоэлектронные приборы

16.1. Общие сведения.

Оптоэлектроника – это синтез оптики и электроники. Она занимается вопросами совместного использования оптических и электрических методов обработки, хранения и передачи информации. Оптоэлектронные приборы используют при своей работе электромагнитное излучение оптического диапазона в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра. Освоенной областью считается диапазон длин волн излучения от 0,2 до 50 мкм., что представляет собой небольшую часть спектра

излучений, как видно из рисунка 16.1

Физическую основу оптоэлектроники составляют процессы преобразования оптических сигналов в электрические и, наоборот, – электрических в оптические. Оптоэлектроника изучает также процессы распространения излучения в различных средах и взаимодействие излучения с веществом. К основным разделам оптоэлектроники относятся квантовая электроника, полупроводниковая оптоэлектроника, голография, нелинейная оптика и др.

Элементная база оптоэлектроники включает в себя:

Оптоизлучатели – преобразователи электрической энергии в световую,

Фотоприемники – преобразователи световой энергии в электрическую,

Приборы для электрической изоляции при передаче энергии и информации по световому каналу или оптопары,

Световоды.

16.1. Светоизлучающий диод.

Полупроводниковым излучателем света является светоизлучающий диод. Известно, что при возвращении электрона из зоны проводимости в валентную зону, либо на уровень излучательного центра, созданного в решетке определённым атомом примеси, может излучается либо квант энергии, либо энергия может передаваться атомной решётке безизлучательным образом, что иллюстрирует рисунок 16.2

Таким образом происходит рекомбинация носителей в полупроводнике. Наиболее интенсивно рекомбинация происходит вблизи p-n-перехода, когда основные носители преодолевают потенциальный барьер. У разных полупроводников превалируют различные механизмы рекомбинации. Например, кремний характеризуется безизлучательной рекомбинацией.

Для создания светоизлучающих диодов используют сложные полупроводниковые материалы, у которых квант энергии излучается в оптическом (или инфракрасном ) диапазоне, например, фосфид галлия, арсенид галлия или карбид кремния, а также тройные соединения, например GaAlAs, GaAlP и др. В зависимости от материала и технологии изготовления получают красный, оранжевый, зеленый и даже синий цвета свечения. Это светодиоды видимого диапазона. Чувствительность глаза человека максимальны для длины волны =555нм (глаз воспринимает этот свет - зелёный наиболее ярко) и спадает до нуля при длинах волн от 390 до 770 нм, что демонстрирует рисунок 16.3.

Также выпускаются и диоды с инфракрасным свечением. Светодиоды могут иметь размеры от нескольких миллиметров до долей миллиметров. Потребляемый ими ток составляет десятки миллиампер при напряжении 2…3 В.

Излучение происходит при пропускании через прибор тока в прямом направлении. В этом случае в зоне проводимости накапливается большое количество носителей, которые рекомбинируя по механизму зона-зона или зона-активный центр излучают фотон. Конструкция прибора обеспечивает передачу света от p-n-перехода без значительных потерь в толще полупроводника и наружу.

ВАХ излучающих диодов аналогична характеристикам обычных выпрямительных кремниевых и германиевых диодов.

Светоизлучающие диоды выпускаются в виде отдельных элементов или групп (матриц) для индикации информации в виде букв, цифр и различных символов. Они входят также в состав оптопар. Обозначение светоизлучающего диода на схемах приведено на рис. 16.4.

16.2. Лазеры. (light amplification by stimulated emission of radiation, означающих "усиление света с помощью вынужденного излучения)".

Естественные источники света, в том числе и светоизлучающие диоды и транзисторы излучают некогерентный свет – электромагнитные волны с различными частотами, хаотически изменяющимися фазами и всевозможной поляризацией. Некогерентный свет не удается сфокусировать в достаточно узкий и тонкий луч, хотя бы потому, что источник имеет конечные размеры, причем далеко не малые по сравнению с длиной волны.

Эпоха когерентной оптики наступила с изобретением оптического квантового генератора – лазера. Он открыл невиданные прежде возможности в оптоэлектронике.

Теоретические основы оптического квантового генератора разработали российские ученые Н.Г.Басов и А.М.Прохоров в 1954г (Нобелевская премия в 1964г).

В лазере излучают атомы вещества – рабочего тела лазера. Рабочее тело может быть твердым, жидким (редко) и газообразным. Чтобы атомы излучали, их надо прежде всего возбудить, т.е. сообщить им энергию. В твердотельных лазерах для этого служит оптический генератор накачки – импульсная лампа-вспышка большой мощности. Ее трубка расположена рядом с рабочим телом – кристаллом рубина или неодимового стекла. Твердотельные лазеры, как правило, импульсные, так как при той мощности оптического излучения, которую они генерируют (мегаватты и даже гигаватты), ни одна конструкция не выдержала бы работы более нескольких микросекунд. В газовых лазерах плотность атомов мала, поэтому они работают на малых мощностях (милливатты, ватты) в непрерывном режиме.

Возбужденные атомы рабочего вещества необходимо заставить излучать синхронно на одной и той же волне (частоте), с одной и той же фазой и поляризацией. Различают спонтанное и вынужденное излучение. В лазерах используют последнее. Рабочее вещество подбирают таким образом, чтобы у его атомов был метастабильный (почти стабильный) энергетический уровень. Возбужденные накачкой атомы остаются некоторое время на этом энергетическом уровне. Если в это время мимо возбужденного атома промчится квант света с частотой, соответствующей энергии перехода с метастабильного на более низкий уровень, то атом совершит этот переход и излучит еще один , точно такой же квант. Это и будет индуцированное или вынужденное излучение. Чтобы выполнить все условия для интенсивного индуцированного излучения, надо значительно увеличить число квантов, распространяющихся в рабочем теле лазера. Эту задачу выполняет оптический резонатор – два зеркала, установленные строго параллельно друг другу, называемые резонатором Фабри -Перо. Свет в них переотражается множество раз. Расстояние между зеркалами подбирается с точностью до малых долей микрометра таким образом, чтобы на длине оптического резонатора уложилось целое число полуволн оптического излучения. В этом случае поля переотраженных волн складываются, результирующая напряженность поля возрастает в сотни раз.

Одно из зеркал делается полупрозрчным, пропускающим несколько процентов падающей на него оптической энергии. Оно и служит выходным окном лазера.

Луч лазера очень тонок и слабо расходится в пространстве. На расстоянии в один километр световое пятно, создаваемое лазером на экране, может иметь диаметр не более метра.

Лазерное излучение монохроматично, то есть содержит только один тип излучаемых квантов или одну частоту, или одну длину волны.

Полупроводниковый лазер имеет такой же излучающий p-n-переход, как и светодиод, но структура его существенно отличается от структуры светодиода. Кристалл полупроводника полируют с торцов, чтобы получить зеркальные стенки, между которыми образуется оптический резонатор. Плотность тока через p-n-переход должна быть выше, чтобы интенсивнее переводились атомы на метастабильный уровень. Таким образом осуществляется накачка лазера – током через pn переход. (Вначале, при низких значениях тока, возникает спонтанное излучение, распространяющееся во всех направлениях. При увеличении смещения ток достигает порогового значения, при котором создаются условия для стимулированного излучения). Далее, как и в любом лазере, благодаря оптическому резонатору происходит индуцированное излучение на одной определенной длине волны.

Для гомоструктур (например, для pn переходов на основе GaAs) пороговая плотность тока очень большая и создаёт серьёзные трудности для работы в непрерывном режиме (структура сгорает). С целью уменьшения пороговой плотности тока были реализованы лазеры на гетероструктурах1

Такие лазеры используются в любом компьютере для считывания (и записи) информации с компакт дисков. За создание такого лазера на гетероструктурах ,позволяющих уменьшить пороговую плотность тока, присуждена нобелевская премия 2000г. российскому физику Ж. И. Алферову.

Полупроводниковые лазеры имеют заметно худшую когерентность и больший угол расходимости пучка (вследствие малых размеров резонатора), по сравнению с твердотельными и газовыми. Но зато они имеют такие достоинства, как миниатюрность, экономичность и надежность в работе, низковольтное питание. В ряде случаев эти преимущества являются решающими.

Лекция 17

17.1. Приемники излучения.

К числу полупроводниковых приемников излучения (детекторов) относятся фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, и другие приборы.

В основе работы приемников излучения лежит явление внутреннего фотоэффекта, при котором кванты света выбивают электроны из атомов полупроводника. Ставшие свободными электроны создают дополнительный ток в материале при подаче на него напряжения.

В фотодетекторах на p-n-переход подается обратное напряжение. В темноте обратный ток через диод достаточно мал. При освещении перехода увеличивается число «выбитых» квантами света электронов и образовавшихся на их месте дырок. Увеличивается обратный ток перехода, причем его величина зависит от освещенности перехода: Iобр=f(Ф), где Ф – световой поток. На этом основана работа фотодиода, к которому подключается источник обратного напряжения через сопротивление нагрузки. При увеличении светового потока увеличивается обратный ток и растет падение напряжения на нагрузке. Обозначение фотодиода на схемах и схема с фотодиодом приведены на рис.17.1 (а,б).

Технология изготовления фотодиодов почти не отличается от технологии изготовления обычных полупроводниковых диодов. На кристалле полупроводника создают слои с р и n проводимостями. Один вывод образует контакт с подложкой, а другой – тонкий, прозрачный слой металла. Разработаны более чувствительные и быстродействующие фотодиоды с четырехслойными гетеропереходами, с барьером Шотки, кремниевые p-i-n-диоды, которые все более вытесняют фотодиоды с p-n-переходом. Структура p-i-n-диода(см.рис.17.2) содержит слои полупроводника с р и n проводимостями, разделенные очень тонким i-слоем окиси кремния – изолятором. Обратный ток перехода в p-i-n-структуре чрезвычайно мал, что увеличивает чувствительность к слабым световым потокам. Энергия носителей заряда, возбужденных квантами падающего света, оказывается вполне достаточной, чтобы преодолеть тонкий слой изолятора и создать фототок.

Ниже приводятся наиболее распространённые структуры фотодетекторов.

Также широко используются фотодетекторы, работающие в предпробойном напряжении. У такого прибора, работающего при высоких напряжениях, электрическое поле достигает такой величины, что рождённая фотоном электронно-дырочная пара, приобретает в поле энергию, достаточную для создания новой пары и т.д. (эффект лавины). Исходный фототок усиливается (обычно в сотню раз) и таким прибором можно регистрировать очень малые интенсивности света. Типовая структура лавинного фотодиода приведена на рис.17.4

Работа фототранзистора также основана на фотопроводимости. В транзисторе с «оторванной» базой (IБ=0) коллекторный ток равен

При облучении базы или области коллекторного перехода изменяется обратный ток IКБ0, и следовательно и коллекторный ток. Мощность сигнала в транзисторе с ОЭ из-за большей величины обратного тока (в +1 раз) , чем в фотодиоде, при том же уровне напряжений источника питания. Таким образом, чувствительность фототранзистора выше.

Примерная и обозначение структура фототранзистора приведены на рис. 17.5.

От обычного биполярного транзистора фототранзистор отличается только тем, что у него в области эмиттерного перехода имеется прозрачное окно, пройдя которое свет попадает в базу. Образовавшиеся благодаря квантам света носители заряда создают ток базы.

К пассивным типам фотоприемников можно отнести фоторезисторы. Они изготавливаются из полупроводника, но без p-n-перехода, то есть фоторезисторы ведут себя как обычные омические сопротивления. Темновое сопротивление фоторезистора обычно велико и может достигать нескольких мегаом. Под действием света в толще полупроводника появляются свободные носители заряда, резко снижающие сопротивление фоторезистора (см. рис.17.6).

17.2. Оптопара (оптрон).

Оптопара (или оптрон) состоит из излучателя (светодиод) и фотоприемника (фотодиод или фототранзистор), объединенных в одном непрозрачном корпусе. Между ними включен оптический канал, передающий свет от излучателя к приемнику. Обозначение диодной оптопары приведено на рис.17.7.

Выводы светодиода и фотодиода не соединены друг с другом, поэтому оптрон может служить хорошим элементом связи между электрическими и электронными устройствами В оптопарах полностью отсутствует электрическая и магнитная связь между излучателем и приемником. Электрическая прочность материалов, из которых изготавливают оптопары, позволяет передавать сигналы при разности потенциалов между излучателем и фотоприемником даже в несколько тысяч вольт. При этом полностью исключаются паразитные каналы передачи сигналов через собственные емкости.

Недостатком оптопары является малый коэффициент передачи по току.

При использовании вместо фотодиода фототранзистора может быть получено усиление тока и чувствительности.

Общим недостатком оптопар является нелинейность зависимости выходного сигнала от входного, обусловленная нелинейностью характеристик оптопар.

17.3 Некоторые применения оптоэлектроники

17.3.1. Оптическая линия связи.

Линии оптической связи с лазерами в качестве источников света могут обеспечивать дальность в десятки и сотни километров. Практически дальность ограничивается только поглощением света в атмосфере. В космосе лазерная линия связи может перекрыть миллионы километров благодаря очень малой расходимости в пространстве лазерного луча.

Достоинством оптической линии связи является теоретическая возможность передачи не только большого числа каналов связи , но и иметь сами каналы достаточно широкополосными, что позволяет увеличить скорость передачи информации до 3.1012 бит в секунду, в то время как в диапазоне радиоволн с длиной волны 3 см (частота 1010 Гц), скорость передачи информации ограничена полосой 100 МГц, что соответствует скорости передачи двоичной информации 108 бит в секунду.

В настоящее время скорость передачи информации в оптическом диапазоне ограничена инерционностью фотоприемников, и пределы ее повышения практически не ограничены.

17.3.2. Оптический локатор.

Импульсы мощного лазера, дополнительно сфокусированные оптической системой телескопа, посылаются в направлении исследуемого объекта. Отраженный или рассеянный сигнал достигает приемного устройства второго телескопа и воздействует на фотоприемник. По задержке отраженного импульса определяют расстояние до объекта, а по положению телескопов - его угловые координаты. Точность такого локатора много выше обычных радиолокаторов: угловые координаты можно вычислить с точностью до угловой секунды, а дальность – до нескольких десятков сантиметров. Например, можно на расстоянии 200 км следить за стыковкой двух космических аппаратов, сблизившихся до расстояния в несколько метров.

17.3.3. Светодальномер.

Используется в геодезии и картографии для составления точной карты местности. Светодальномер, в отличие от теодолитов, позволяет получать большую точность, использовать ЭВМ для определения координат. Светодальномер измеряет расстояние в 10 км с погрешностью 1 см, действует в любую погоду при любой видимости.

Принцип работы светодальномера показан на рис.17.8.

Прибор содержит лазер в качестве излучателя света, модулятор и передающую оптику. В модуляторе установлен электрооптический кристалл, изменяющий свои параметры под действием электрического сигнала. Обычно используют гармонический сигнал с частотой 10…150 Мгц (измерительная частота). Промодулированный кристаллом лазерный луч проходит к отражателю, установленном на другом конце измеряемой трассы. Отражателями служат стеклянные призмы с тремя взаимно перпендикулярными гранями (так называемая триппель-призма). Они обладают важным свойством зеркально отражать луч именно в том направлении, из которого этот луч пришел. Поэтому никакого наведения отражателя не требуется, надо лишь поставить его примерно перпендикулярно приходящему лучу. Отраженный свет попадает в приемную оптику и на фотоприемник. На выходе приемника выделяется модулирующий сигнал, но фаза его запаздывает относительно фазы сигнала в модуляторе оптического передатчика. Измерив разность фаз, можно затем рассчитать расстояние до отражателя. Это делает встроенный микропроцессор, результат выдается на цифровой дисплей.

Лекция 18

тиристоры

18.1. Общие сведения.

Тиристор — полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с тремя или более p-n-переходами и имеющий два устойчивых состояния: закрытое состояние, то есть состояние низкой проводимости, и открытое состояние, то есть состояние высокой проводимости.

Тиристор можно рассматривать как электронный выключатель (ключ). Основное применение тиристоров — управление мощной нагрузкой с помощью слабых сигналов, а также переключающие устройства. Существуют различные виды тиристоров, которые подразделяются, главным образом, по способу управления и по проводимости. Различие по проводимости означает, что бывают тиристоры, проводящие ток в одном направлении (например тринистор, изображённый на рисунке) и в двух направлениях (например, симисторы, симметричные динисторы).

Тиристор имеет нелинейную вольт-амперную характеристику (ВАХ) с участком отрицательного дифференциального сопротивления. По сравнению, например, с транзисторными ключами, управление тиристором имеет некоторые особенности. Переход тиристора из одного состояния в другое в электрической цепи происходит скачком (лавинообразно) и осуществляется внешним воздействием на прибор: либо напряжением (током), либо светом (для фототиристора). После перехода тиристора в открытое состояние он остаётся в этом состоянии даже после прекращения управляющего сигнала, если протекающий через тиристор ток превышает некоторую величину, называемую током удержания

18.2 Устройство и основные виды тиристоров

Основная схема тиристорной структуры показана на рис. 18.2.

Она представляет собой четырёхслойный полупроводник структуры p-n-p-n, содержащий три последовательно соединённых p-n-перехода J1, J2, J3. Контакт к внешнему p-слою называется анодом, к внешнему n-слою — катодом. В общем случае p-n-p-n-прибор может иметь до двух управляющих электродов (баз), присоединённых к внутренним слоям. Подачей сигнала на управляющий электрод производится управление тиристором (изменение его состояния). Прибор без управляющих электродов называется диодным тиристором или динистором. Такие приборы управляются напряжением, приложенным между основными электродами. Прибор с одним управляющим электродом называют триодным тиристором или тринистором (иногда просто тиристором, хотя это не совсем правильно). В зависимости от того, к какому слою полупроводника подключён управляющий электрод, тринисторы бывают управляемыми по аноду и по катоду. Наиболее распространены последние.

Описанные выше приборы бывают двух разновидностей: пропускающие ток в одном направлении (от анода к катоду) и пропускающие ток в обоих направлениях. В последнем случае соответствующие приборы называются симметричными (так как их ВАХ симметрична) и обычно имеют пятислойную структуру полупроводника. Симметричный тринистор называется также симистором или триаком (от англ. triac). Следует заметить, что вместо симметричных динисторов, часто применяются их интегральные аналоги, обладающие лучшими параметрами.

Тиристоры, имеющие управляющий электрод, делятся на запираемые и незапираемые. Незапираемые тиристоры, как следует из названия, не могут быть переведены в закрытое состояние с помощью сигнала, подаваемого на управляющий электрод. Такие тиристоры закрываются, когда протекающий через них ток становится меньше тока удержания. На практике это обычно происходит в конце полуволны сетевого напряжения.

18.2.1 Вольтамперная характеристика тиристора

Типичная ВАХ тиристора, проводящего в одном направлении (с управляющими электродами или без них), приведена на рис 18.3. Она имеет несколько участков:

Между точками 0 и 1 находится участок, соответствующий высокому сопротивлению прибора — прямое запирание.

В точке 1 происходит включение тиристора.

Между точками 1 и 2 находится участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Участок между точками 2 и 3 соответствует открытому состоянию (прямой проводимости).

В точке 2 через прибор протекает минимальный удерживающий ток Ih.

Участок между 0 и 4 описывает режим обратного запирания прибора.

Участок между 4 и 5 — режим обратного пробоя.

Вольтамперная характеристика симметричных тиристоров отличается от приведённой на рис. 18.3 тем, что кривая в третьей четверти графика повторяет участки 0—3 симметрично относительно начала координат.

По типу нелинейности ВАХ тиристор относят к S-приборам.

Режим обратного запирания

Два основных фактора ограничивают режим обратного пробоя и прямого пробоя:

- Лавинный пробой.

- Прокол обеднённой области.

В режиме обратного запирания к аноду прибора приложено напряжение, отрицательное по отношению к катоду; переходы J1 и J3 смещены в обратном направлении, а переход J2 смещён в прямом (см. рис. 18.4). В этом случае большая часть приложенного напряжения падает на одном из переходов J1 или J3 (в зависимости от степени легирования различных областей). Пусть это будет переход J1. В зависимости от толщины Wn1 слоя n1 пробой вызывается лавинным умножением (толщина обеднённой области при пробое меньше Wn1) либо проколом (обеднённый слой распространяется на всю область n1, и происходит смыкание переходов J1 и J2). (область 4 на рис.18.3).

Режим прямого запирания

При прямом запирании напряжение на аноде положительно по отношению к катоду и обратно смещён только переход J2. Переходы J1 и J3 смещены в прямом направлении. Большая часть приложенного напряжения падает на переходе J2. Через переходы J1 и J3 в области, примыкающие к переходу J2, инжектируются неосновные носители, которые уменьшают сопротивление перехода J2, увеличивают ток через него и уменьшают падение напряжения на нём. При повышении прямого напряжения ток через тиристор сначала растёт медленно, что соответствует участку 0-1 на ВАХ. В этом режиме тиристор можно считать запертым, так как сопротивление перехода J2 всё ещё очень велико. По мере увеличения напряжения на тиристоре снижается доля напряжения, падающего на J2, и быстрее возрастают напряжения на J1 и J3, что вызывает дальнейшее увеличение тока через тиристор и усиление инжекции неосновных носителей в область J2. При некотором значении напряжения (порядка десятков или сотен вольт), называется напряжением переключения VBF (точка 1 на ВАХ), процесс приобретает лавинообразный характер, тиристор переходит в состояние с высокой проводимостью (включается), и в нём устанавливается ток, определяемый напряжением источника и сопротивлением внешней цепи.

18.2.2 Двухтранзисторная модель

Для объяснения характеристик прибора в режиме прямого запирания используется двухтранзисторная модель. Тиристор можно рассматривать как соединение p-n-p транзистора с n-p-n транзистором, причём коллектор каждого из них соединён с базой другого, как показано на рис. 18.5 для триодного тиристора. Центральный переход действует как коллектор дырок, инжектируемых переходом J1, и электронов, инжектируемых переходом J3. Взаимосвязь между токами эмиттера IE, коллектора IC и базы IB и статическим коэффициентом усиления по току 1 p-n-p транзистора также приведена на рис. 18.5, где IСо— обратный ток насыщения перехода коллектор-база.

Аналогичные соотношения можно получить для n-p-n транзистора при изменении направления токов на противоположное. Из рис. 18.5 следует, что коллекторный ток n-p-n транзистора является одновременно базовым током p-n-p транзистора. Аналогично коллекторный ток p-n-p транзистора и управляющий ток Ig втекают в базу n-p-n транзистора. В результате, когда общий коэффициент усиления в замкнутой петле превысит 1, оказывается возможным регенеративный процесс.

Ток базы p-n-p транзистора равен IB1 = (1 — 1)IA — ICo1. Этот ток также протекает через коллектор n-p-n транзистора. Ток коллектора n-p-n транзистора с коэффициентом усиления 2 равен

IC2 = 2IK + ICo2. (18.1)

Приравняв IB1 и IC2, получим

(1 — 1)IA — ICo1 = 2IK + ICo2.

Так как IK = IA + Ig, то

(18.2)

Это уравнение описывает статическую характеристику прибора в диапазоне напряжений вплоть до пробоя. После пробоя прибор работает как p-i-n-диод. Отметим, что все слагаемые в числителе правой части уравнения малы, следовательно, пока член 1 + 2 < 1, ток IA мал. (Коэффициенты 1 и 2 сами зависят от IA и обычно растут с увеличением тока) Если 1 + 2 = 1, то знаменатель дроби обращается в нуль и происходит прямой пробой (или включение тиристора). Следует отметить, что если полярность напряжения между анодом и катодом сменить на обратную, то переходы J1 и J3 будут смещены в обратном направлении, а J2 — в прямом. При таких условиях пробой не происходит, так как в качестве эмиттера работает только центральный переход и регенеративный процесс становится невозможным.

Можно рассмотреть процесс включения тиристора (режим прямого запирания) на примере смещения энергетических зон.

Ширина обеднённых слоёв и энергетические зонные диаграммы в равновесии, в режимах прямого запирания и прямой проводимости показаны на рис. 18.6

В равновесии обеднённая область каждого перехода и контактный потенциал определяются профилем распределения примесей. Когда к аноду приложено положительное напряжение, переход J2 стремится сместиться в обратном направлении, а переходы J1 и J3 — в прямом. Падение напряжения между анодом и катодом равно алгебраической сумме падений напряжения на переходах: VAK = V1 + V2 + V3. По мере повышения напряжения возрастает ток через прибор и, следовательно, увеличиваются 1 и 2. Благодаря регенеративному характеру этих процессов прибор в конце концов перейдёт в открытое состояние. После включения тиристора протекающий через него ток должен быть ограничен внешним сопротивлением нагрузки, в противном случае при достаточно высоком напряжении тиристор выйдет из строя. Во включенном состоянии переход J2 смещён в прямом направлении (рис. 18.6,в), и падение напряжения VAK = (V1 — |V2| + V3) приблизительно равно сумме напряжения на одном прямосмещенном переходе и напряжения на насыщенном, транзисторе.

Режим прямой проводимости

Когда тиристор находится во включенном состоянии, все три перехода смещены в прямом направлении. Дырки инжектируются из области p1, а электроны — из области n2, и структура n1-p2-n2 ведёт себя аналогично насыщенному транзистору с удалённым диодным контактом к области n1. Следовательно, прибор в целом аналогичен p-i-n (p+-i-n+)-диоду…

Типы тиристоров

тиристор диодный (доп. название "динистор") - тиристор, имеющий два вывода

тиристор диодный, не проводящий в обратном направлении

тиристор диодный, проводящий в обратном направлении

тиристор диодный симметричный (доп. название "диак")

тиристор триодный (доп. название "тринистор") - тиристор, имеющий три вывода

тиристор триодный, не проводящий в обратном направлении (доп. название "тиристор")

тиристор триодный, проводящий в обратном направлении (доп. название "тиристор-диод")

тиристор триодный симметричный (доп. название "триак", неоф. название "симистор")

тиристор триодный асимметричный

запираемый тиристор (доп. название "тиристор триодный выключаемый")

Отличие динистора от тринистора

Принципиальных различий между динистором и тринистором нет, однако если открытие динистора происходит при достижении между выводами анода и катода определённого напряжения, зависящего от типа данного динистора, то в тринисторе напряжение открытия может быть специально снижено, путём подачи импульса тока определённой длительности и величины на его управляющий электрод при положительной разности потенциалов между анодом и катодом, и конструктивно тринистор отличается только наличием управляющего электрода. Тринисторы являются наиболее распространёнными приборами из «тиристорного» семейства.

Отличие тиристора триодного от запираемого тиристора

Переключение в закрытое состояние обычных тиристоров производят либо снижением тока через тиристор до значения Ih, либо изменением полярности напряжения между катодом и анодом.

Запираемые тиристоры, в отличие от обычных тиристоров, под воздействием тока управляющего электрода могут переходить из закрытого состояния в открытое состояние, и наоборот. Чтобы закрыть запираемый тиристор, необходимо через управляющий электрод пропустить ток противоположной полярности, чем полярность, которая вызывала его открытие

Симистор (симметричный тиристор) представляет собой полупроводниковый прибор, по своей структуре является аналогом встречно-параллельного включения двух тиристоров. Способен пропускать электрический ток в обоих направлениях.

Симистор имеет пятислойную структуру полупроводника. Упрощённо симистор можно представить в виде эквивалентной схемы (см. рис.18.8) из двух триодных тиристоров (тринисторов), включённых встречно-параллельно. Следует, однако, заметить, что управление симистором отличается от управления двумя встречно-параллельными тринисторами.

Симиcтop (симметричный триодный тиристор) или триак (от англ. TRIAC — triode for alternating current) — полупроводниковый прибор, являющийся разновидностью тиристоров и используемый для коммутации в цепях переменного тока. В электронике часто рассматривается как управляемый выключатель (ключ). В отличие от тиристора, имеющего катод и анод, основные (силовые) выводы симистора называть катодом или анодом некорректно, так как в силу структуры симистора они являются тем и другим одновременно. Однако по способу включения относительно управляющего электрода основные выводы симистора различаются, причём имеет место их аналогия с катодом и анодом тиристора. На приведённом рисунке верхний по схеме вывод симистора называется выводом 1 или условным катодом, нижний — выводом 2 или условным анодом, вывод справа — управляющим электродом.

Для управления нагрузкой основные электроды симистора включаются в цепь последовательно с нагрузкой. В закрытом состоянии проводимость симистора отсутствует, нагрузка выключена. При подаче на управляющий электрод отпирающего сигнала между основными электродами симистора возникает проводимость, нагрузка оказывается включённой. Характерно, что симистор в открытом состоянии проводит ток в обоих направлениях. Другой особенностью симистора, как и других тиристоров, является то, что для его удержания в открытом состоянии нет необходимости постоянно подавать сигнал на управляющий электрод (в отличие от транзисторa). Симистор остаётся открытым, пока протекающий через основные выводы ток превышает некоторую величину, называемую током удержания. Отсюда следует, что выключение нагрузки в цепи переменного тока происходит вблизи моментов времени, когда ток через основные электроды симистора меняет направление (обычно это совпадает по времени со сменой полярности напряжения в сети).

Симистор был изобретен в г. Саранске на заводе «Электровыпрямитель» в 1962-1963 г. начальником конструкторского бюро Василенко Валентиной Стефановной. Запатентован в СССР с приоритетом от 22 июня 1963 года, на полгода ранее, чем в США.

Рассмотрим рисунок 18.9, поясняющий структуру симистора. Внешне симистор напоминает структуру транзисторную структуру p-n-p типа, но отличается тем, что имеет три дополнительные области с n- проводимостью. Две из них, расположенные у катода "К" и анода "А", выполняют функции только одного полупроводникового слоя - четвёртого. Пятый образует область с n проводимостью, лежащей около управляемого перехода "УЗ".

Благодаря такой структуре при прямом направлении тока, протекающего через прибор, анод и катод выполняют свои основные функции, а при обратном они как бы меняются местами - анод становится катодом, а катод, наоборот, анодом, т.е. симистор можно рассматривать как два встречно-параллельно включённых тиристора.

Представим, что на управляющий переход подан отпирающий сигнал. Когда на аноде прибора напряжение положительной полярности, а на катоде - отрицательной электрический ток потечёт через левый по схеме тринистор. Если полярность напряжение на электродах поменять на противоположную, включится правый по схеме тринистор. Пятый полупроводниковый слой подобно регулировщику на перекрёстке, направляет отпирающий сигнал в зависимости от фазы тока на один из тринисторов. При отсутствии отпирающего сигнала симистор закрыт. Этот вывод подтверждается вольт-амперной характеристикой прибора. Она состоит из двух одинаковых кривых, повёрнутых друг относительно друга на 180. Их форма соответствует вольтамперной характеристике динистора, а области непроводящего состояния, как и у тринистора легко преодолеваются, если на управляющий переход подать отпирающее напряжение (изменяющисия характеристики кривых показаны штриховыми линиями).

Основные параметры тиристоров

1. Напряжение переключения: постоянное – Uпрк, импульсное – Uпрк и (десятки – сотни вольт).

2. Напряжение в открытом состоянии Uос – падение напряжения на тиристоре в открытом состоянии (Uос = 1…3 В).

3. Обратное напряжение Uобр – напряжение, при котором тиристор можетработать длительное время без нарушения его работоспособности (единицы – тысячи вольт).

4. Постоянное прямое напряжение в закрытом состоянии Uзс – максимальное значение прямого напряжения, при котором не происходит включение тиристора (единицы – сотни вольт).

5. Неотпирающее напряжение на управляющем электроде Uу,нот – наибольшее напряжение, не вызывающее отпирание тиристора (доли вольт).

6. Запирающее напряжение на управляющем электроде Uуз – напряжение, обеспечивающее требуемое значение запирающего тока управляющего электрода (единицы – десятки вольт).

7. Ток в открытом состоянии Iоткр max – предельное значение тока открытого тиристора (сотни миллиампер – сотни ампер).

8. Обратный ток Iобр (доли миллиампер).

9. Отпирающий ток Iу от – наименьший ток управляющего электрода, необходимый для включения тиристора (десятки миллиампер).

10. Ток удержания Iуд– минимальный прямой ток, проходящий через тиристор при разомкнутой цепи управления, при котором тиристор еще находится в открытом состоянии.
11. Время включения tВКЛ – это время от момента подачи управляющего импульса до момента снижения напряжения на тиристоре до 10 % от начального значения при работе на активную нагрузку (единицы – десятки микросекунд).

12. Время выключения tВЫКЛ, называемое также временем восстановления управляющей способности тиристора. Это время от момента, когда прямой ток тиристора становится равным нулю, до момента, когда прибор снова будет способен выдерживать прямое напряжение между анодом и катодом. Это время в основном определяется временем рассасывания неосновных носителей в зонах полупроводника (десятки – сотни микросекунд).

18.2.3 Классификация и система обозначений полупроводниковых тиристоров

Система условных обозначений современных типов тиристоров установлена отраслевым стандартом ГОСТ 11 336.919-81. В основу системы обозначений положен буквенно-цифровой код.

Первый элемент обозначает исходный полупроводниковый материал, из которого изготовлен прибор.

Используются буквы или цифры:

Г или 1 – для германия или его соединений;

К или 2 – для кремния или его соединений;

А или 3 – для соединений галлия;

И или 4 – для соединений индия.

Второй элемент – буква, определяющая подкласс (или группу) прибора.

Н – для диодных тиристоров;

У – триодных тиристоров.

Третий элемент – цифра, определяющая функциональные возможности

тиристора.

Подкласс Н – для диодных тиристоров:

1 – для тиристоров с максимально допустимым значением прямого тока

не более 0,3 А;

2 – для тиристоров с максимально допустимым значением прямого тока

от 0,3 А до 10 А;

Подкласс У – для триодных тиристоров.

Незапираемые тиристоры:

1 – для тиристоров с максимально допустимым значением среднего тока в открытом состоянии не более 0,3 А или с максимально допустимым значением импульсного тока в открытом состоянии не более 15 А;

2 – для тиристоров с максимально допустимым значением среднего тока в открытом состоянии не более от 0,3 до 10 А или с максимально допустимым значением импульсного тока в открытом состоянии не более от 15 до 100 А;

7 – для тиристоров с максимально допустимым значением среднего тока в открытом состоянии более 10 А или с максимально допустимым значением импульсного тока в открытом состоянии более 100 А;

Запираемые тиристоры:

3 – для тиристоров с максимально допустимым значением среднего тока воткрытом состоянии не более 0,3 А или с максимально допустимым значением импульсного тока в открытом состоянии не более 15 А;

4 – для тиристоров с максимально допустимым значением среднего тока в открытом состоянии не более от 0,3 до 10 А или с максимально допустимым значением импульсного тока в открытом состоянии не более от 15 до 100 А;

8 – для тиристоров с максимально допустимым значением среднего тока в открытом состоянии более 10 А или с максимально допустимым значением импульсного тока в открытом состоянии более 100 А;

Симметричные тиристоры:

5 – для тиристоров с максимально допустимым значением среднего тока в открытом состоянии не более 0,3 А или с максимально допустимым значением импульсного тока в открытом состоянии не более 15 А;

6 – для тиристоров с максимально допустимым значением среднего тока в открытом состоянии не более от 0,3 до 10 А или с максимально допустимым значением импульсного тока в открытом состоянии не более от 15 до 100 А;

9 – для тиристоров с максимально допустимым значением среднего тока в открытом состоянии более 10 А или с максимально допустимым значением импульсного тока в открытом состоянии более 100 А;

Четвертый элемент – число, обозначающее порядковый номер разработки прибора.

Пятый элемент – буква, условно определяющая классификацию тиристоров по параметрам.

Для бескорпусных приборов в состав обозначения дополнительно через дефис вводится цифра, характеризующая соответствующую модификацию конструктивного исполнения;

1 – с гибкими выводами без кристаллодержателя (подложки);

2 – с гибкими выводами на кристаллодержателе (подложке);

3 – с жесткими выводами без кристаллодержателя (подложки);

4 – с жесткими выводами на кристаллодержателе (подложке);

5 – с контактными площадками без кристаллодержателя (подложки) и без

выводов;

6 – с контактными площадками на кристаллодержателе (подложке) и без

выводов;

Современные тиристоры изготовляют на токи от 1 мА до 10 кА; на напряжения от нескольких В до нескольких кВ; скорость нарастания в них прямого тока достигает 109 А/с, напряжения — 109 В/с, время включения составляет величины от нескольких десятых долей до нескольких десятков мкс, время выключения — от нескольких единиц до нескольких сотен мкс; КПД достигает 99 %

Лекция 19

шумы полупроводниковых приборов

19.1. шум

В радиотехнике термин "шумы" относится к произвольным флуктуациям тока, протекающим через полупроводниковые материалы и приборы и к флуктуациям напряжения на них. Поскольку приборы в основном применяются при использовании слабых сигналов (измерение, усиление, преобразование), то спонтанные флуктуации тока или напряжения ограничивают снизу предел измерения величин или усиливаемых сигналов. Малое изменение сигнала может внести значительные модификации в передаваемую информацию и в конечном счёте привести к её утрате. Важно представлять природу этих шумов и находить способы их уменьшения.

Наблюдаемые шумы обычно подразделяют на тепловой шум, фликкер-шум и дробовой шум.

Тепловой шум возникает в любом проводнике электрического тока и связан с хаотичным движением подвижных носителей заряда, в результате которого на контактах образца появляются флуктуации напряжения. Реактивные цепи не имеют теплового шума. Данный тип шума усиливается с повышением температуры.

Фликкер-шум — электронный шум (мерцательный шум), наблюдаемый практически в любых электронных устройствах; его источниками могут являться неоднородности в проводящей среде, генерация и рекомбинация носителей заряда в транзисторах на поверхностных ловушках и т. п. Обычно упоминается в связи с постоянным током. Шум усиливается с уменьшением частоты сигнала.

Дробовой шум — беспорядочные флуктуации напряжений и токов относительно их среднего значения в цепях радиоэлектронных устройств, обусловленные дискретностью носителей электрического заряда — электронов. Грубо говоря, прибытие каждого электрона сопровождается всплеском тока в цепи.

В отличие от теплового шума, вызванного тепловым движением электронов, дробовой шум не зависит от температуры.

Дробовой шум проявляется, например, в виде акустического шума в динамике радиоприёмника, в виде «снега» на экране телевизора, «травки» на радиолокационном отметчике и т. п.

Дробовой шум — основная составляющая внутренних шумов большинства радиоэлектронных устройств, которые приводят к искажению слабых полезных сигналов и ограничивают чувствительность усилителей.

Термин «дробовой шум» (а также дробовой эффект) возник в связи с тем, что благодаря ему в громкоговорителе, подключённом к выходу усилителя или радиоприёмника, появляется акустический шум, напоминающий шум сыплющихся дробинок.

Принято оценивать состояние шумов отношением полезного сигнала к шумовому.

Отношение сигнал/шум (ОСШ; англ. signal-to-noise ratio, сокр. SNR) — безразмерная величина, равная отношению мощности полезного сигнала к мощности шума.

(19.1)

где P — средняя мощность, а A — среднеквадратичное значение амплитуды. Оба сигнала измеряются в полосе пропускания системы.

Обычно отношение сигнал/шум выражается в децибелах (дБ). Чем больше это отношение, тем меньше шум влияет на характеристики системы.

(19.2)

Другим параметром, характеризующим шумы в приборах и системах является коэффициент шума F - отношение мощности шумов и сигнала на входе к соответствующему отношению на выходе:

(19.3)

Основные причины высокого уровня шума в сигнальных системах:

рассогласованные линии передачи сигнала,

тепловой шум в компонентах системы,

недостаточная разрядность АЦП,

резонансные явления,

паразитные связи,

самовозбуждение системы,

нелинейность передаточных характеристик.

Минимизация шума

При усилении слабых сигналов часто возникает задача минимизации шума, вносимого усилителем в сигнал. Для этого используются специальные малошумящие усилители, однако они спроектированы таким образом, что наименьший коэффициент шума достигается лишь в определенном диапазоне выходного сопротивления источника сигнала. Например, малошумящий усилитель обеспечивает минимальный шум только в диапазоне выходных сопротивлений источника от 1 кОм до 10 кОм; если источник сигнала обладает меньшим выходным сопротивлением (например, микрофон с выходным сопротивлением 30 Ом), то следует применить между источником и усилителем повышающий трансформатор, который повысит выходное сопротивление (а также напряжение сигнала) до необходимого значения.

В аудиотехнике отношение сигнал/шум определяют путем измерения напряжения шума и сигнала на выходе усилителя или другого звуковоспроизводящего устройства среднеквадратичным милливольтметром либо анализатором спектра. Современные усилители и другая высококачественная аудиоаппаратура имеет показатель сигнал/шум около 100—120 дБ.

19.2 Надёжность электронных устройств

Обычно под надёжностью понимают свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования. Также за надёжность принимают вероятность того, что объект выполняет требуемую функцию при определённых условиях в течение заданного интервала времени

Надёжность электронных устройств складывается из надёжности самого устройства и надёжности электроснабжения. Надёжность самого электронного устройства складывается из надёжности элементов, надёжности соединений, надёжности схемы и др. Графически надёжность электронных устройств отображается кривой отказов (зависимость числа отказов от времени эксплуатации).(Рис. 19.1).

Типовая кривая отказов имеет три участка с разным наклоном. На первом участке число отказов уменьшается со временем. Это аномальные или катастрофические отказы, которые, как правило, связаны с дефектами изготовления. На втором участке число отказов стабилизируется и почти постоянно до третьего участка, на третьем участке число отказов постоянно постепенно растёт до полной непригодности эксплуатации устройства. Этот последний этап связан с фактором старения приборов с временем.

Интенсивность отказов — соотношение числа отказавших объектов (образцов аппаратуры, изделий, деталей, механизмов, устройств, узлов и т. п.) в единицу времени к среднему числу объектов, исправно работающих в данный отрезок времени при условии, что отказавшие объекты не восстанавливаются и не заменяются исправными. Другими словами, интенсивность отказов численно равна числу отказов в единицу времени, отнесенное к числу узлов, безотказно проработавших до этого времени.

(19.4)

где N — общее число рассматриваемых изделий;

f(t) — частота отказов узлов (деталей);

P(t) — вероятность безотказной работы;

n(t) — число отказавших образцов в интервале времени от t-(t/2) до t+(t/2);

t — интервал времени;

Nср — среднее число исправно работающих образцов в интервале t:

где Ni — число исправно работающих образцов в начале интервала t;

Ni+1 — число исправно работающих образцов в конце интервала t

Кривая (t) приведена на рис.19.1

Минимизация отказов

С целью снижения интенсивности катастрофических отказов принято проводить на приборах, (ИС) ускоренные испытания (на повышенных температурах, электрических полях и др.), где потенциально ненадёжные приборы после отказа отбраковываются. Эти же испытания позволяют определить природу отказа, что позволяет и устранить сам отказ.

Лекция 20

Приборы с зарядовой связью (ПЗС)

ПЗС — прибор с зарядовой связью (англ. CCD — Charge-Coupled Device). Общее обозначение класса полупроводниковых приборов, в которых применяется технология управляемого переноса заряда в объеме полупроводника.

ПЗС устройство состоит из поликремния, отделённого диэлектриком от кремниевой подложки, у которой при подаче напряжения через поликремневые затворы изменяются электрические потенциалы вблизи электродов. Один элемент ПЗС-матрицы формируется тремя или четырьмя электродами. Положительное напряжение на одном из электродов создаёт потенциальную яму, куда устремляются электроны из соседней зоны. Последовательное переключение напряжения на электродах перемещает потенциальную яму, а следовательно, и находящиеся в ней электроны, в определённом направлении. Так происходит перемещение по одной строке матрицы.

Если речь идёт о ПЗС-линейке, то заряд в её единственной строке «перетекает» к выходным каскадам усиления и там преобразуется в уровень напряжения на выходе микросхемы.

У матрицы же, состоящей из многих видеострок, заряд из выходных элементов каждой строки оказывается в ячейке ещё одного сдвигового устройства, устроенного обычно точно таким же образом, но работающего на более высокой частоте сдвига.

Для использования ПЗС в качестве светочувствительного устройства часть электродов изготавливается прозрачной.

ПЗС используются в быстродействующих запоминающих устройствах ЭВМ и в устройствах преобразования оптических сигналов в электрические. На рис. 20.1 показана структура ячейки ПЗС.

Элементы памяти, основанные на принципе полевого транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом, имеют не один, а несколько изолированных друг от друга затворов, расположенных достаточно близко друг к другу.

При отрицательном напряжении на k - ом затворе ( UЗИ,k < 0) под последним скапливаются дырки, являющиеся неосновными носителями в полупроводнике пластины, а также и дырки, инжектированные истоком (или возникающие в результате генерации пар электрон-дырка при поглощении оптического излучения). Эту совокупность дырок под затвором называют пакетом.

При соответствующем изменении напряжений на затворах пакеты перемещаются от истоку к стоку, осуществляя последовательное считывание или параллельную запись информации.

Считывание фототоков ПЗС-элементов осуществляется так называемыми последовательными регистрами сдвига, которые преобразовывают строку зарядов на входе в серию импульсов на выходе. Данная серия представляет собой аналоговый сигнал, который в дальнейшем поступает на усилитель.

Таким образом, при помощи регистра можно преобразовать в аналоговый сигнал заряды строки из ПЗС-элементов. Фактически, последовательный регистр сдвига в ПЗС-матрицах реализуется с помощью тех же самых ПЗС-элементов, объединённых в строку. Работа такого устройства базируется на способности приборов с зарядовой связью (именно это обозначает аббревиатура ПЗС) обмениваться зарядами своих потенциальных ям. Обмен осуществляется благодаря наличию специальных электродов переноса (transfer gate), расположенных между соседними ПЗС-элементами. При подаче на ближайший электрод повышенного потенциала заряд «перетекает» под него из потенциальной ямы. Между ПЗС-элементами могут располагаться от двух до четырёх электродов переноса, от их количества зависит «фазность» регистра сдвига, который может называться двухфазным, трёхфазным либо четырёхфазным.

Подача потенциалов на электроды переноса синхронизирована таким образом, что перемещение зарядов потенциальных ям всех ПЗС-элементов регистра происходит одновременно. И за один цикл переноса ПЗС-элементы как бы «передают по цепочке» заряды слева направо (или же справа налево). Ну а оказавшийся «крайним» ПЗС-элемент отдаёт свой заряд устройству, расположенному на выходе регистра — то есть усилителю.

Такого рода элементы (рис. 20.2) используются в сканерах.

В целом, последовательный регистр сдвига является устройством с параллельным входом и последовательным выходом. Поэтому после считывания всех зарядов из регистра есть возможность подать на его вход новую строку, затем следующую и таким образом сформировать непрерывный аналоговый сигнал на основе двумерного массива фототоков. В свою очередь, входной параллельный поток для последовательного регистра сдвига (то есть строки двумерного массива фототоков) обеспечивается совокупностью вертикально ориентированных последовательных регистров сдвига, которая именуется параллельным регистром сдвига, а вся конструкция в целом как раз и является устройством, именуемым ПЗС-матрицей.

«Вертикальные» последовательные регистры сдвига, составляющие параллельный, называются столбцами ПЗС-матрицы, а их работа полностью синхронизирована. Двумерный массив фототоков ПЗС-матрицы одновременно смещается вниз на одну строку, причём происходит это только после того, как заряды предыдущей строки из расположенного «в самом низу» последовательного регистра сдвига ушли на усилитель. До освобождения последовательного регистра параллельный вынужден простаивать. Ну а сама ПЗС-матрица для нормальной работы обязательно должна быть подключена к микросхеме (или их набору), подающей потенциалы на электроды как последовательного, так и параллельного регистров сдвига, а также синхронизирующей работу обоих регистров. Кроме того, нужен тактовый генератор.

ПЗС матрицы широко используются в фотоаппаратах.

(ПЗС-матрица (сокр. от «прибор с зарядовой связью») или CCD-матрица (сокр. от англ. CCD, «Charge-Coupled Device») — специализированная аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов, выполненная на основе кремния, использующая технологию ПЗС — приборов с зарядовой связью.) (рисунок 20.3).

Светочувствительность матрицы складывается из светочувствительности всех её фотодатчиков (сенселей) и в целом зависит от:

-интегральной светочувствительности, представляющей собой отношение величины фотоэффекта к световому потоку (в люменах) от источника излучения нормированного спектрального состава;

-монохроматической светочувствительности — отношения величины фотоэффекта к величине световой энергии излучения (в миллиэлектронвольтах), соответствующей определённой длине волны;

Набор всех значений монохроматической светочувствительности для выбранной части спектра света составляет спектральную светочувствительность — зависимость светочувствительности от длины волны света;

1 сочетание полупроводников с разной шириной запрещённой зоны

Фотоэлектронные приборы