Тема 2. Напівпровідникові діоди

Співпраця із громадськими організаціями, добро­вільними рухами та ініціативами взаємодопомоги є важливим чинником у розвитку соціальної роботи, сприяє формуванню солідарності в суспільстві, орієнтує людей, які добровільно, на громадських засадах прилу­чилися до подолання певних соціальних проблем, на здобуття фахових знань.

Діяльність центру здійснюється у співпраці з дер­жавними організаціями, покликаними сприяти поліп­шенню ситуації у молодіжному середовищі — Центром соціальних служб для молоді, Держдепартаментом Ук­раїни з питань виконання покарань, відповідними під­розділами МВС України, Держадміністрацією м. Киє­ва, Спостережними радами районних держадміністра­цій та ін.

Соціальні працівники повинні знати, які організації діють в районі, місті, області, на яку допомогу від них можна розраховувати. Бо якщо державні соціальні служ би мають більш-менш універсальні (однакові для всіх ре­гіонів) критерії соціального обслуговування або іншої під­тримки клієнтів, то недержавні організації надають соці­альну допомогу в міру своїх можливостей і за самостійно встановленими критеріями. Вони можуть співпрацювати з державними організаціями й виконувати їхнє замовлен­ня з надання послуг представникам соціально вразливих груп, отримуючи за це відповідну компенсацію.

Напівпровідниковим діодом називається прилад, який містить один pn -перехід, має два зовнішні виводи анод А та катод К, і характеризується двома усталеними станами: відкритим та закритим.

Схемне позначення напівпровідникового діода, його структура та вольт-амперна характеристика (ВАХ) наведені на рис. 2.1.

Анод – це електрод (вивід) діода, під’єднаний до зони з p -типом про­від­ності.

Катод – електрод (вивід), під’єднаний до зони з n -типом про­від­ності.

а) б)

Рис. 2.1. Випрямляючий діод: позначення та структура (а), ВАХ (б)

Вольт-амперна характеристика діода (ВАХ) – це залежність струму, який протікає через діод, від напруги, прикладеної до нього (рис. 2.1.б). На ВАХ виді­ляють дві гілки – пряму, яка характеризує залежність прямого струму від­критого діода від прямої напруги , та зворотну – за­лежність зворот­ного струму закритого діода від зворотної напруги .

Зовнішня напруга, прикладена до діода, називається прямою, якщо її додатний потенціал прикладається до анода, а від'ємний відповідно до ка­тода, інакше напруга називається зворотною.

Характерною особливістю всіх типів діодів є їх здатність пропускати струм лише в одному напрямку – від анода до катода – у випадку прикладення до них прямої напруги.

Завдяки таким властивостям діоди отримали назву вентильних елементів.

Залежно від призначення виділяють декілька типів діодів, кожен з яких має власне графічне позначення (рис. 2.2.а-є).

а) б) в) г) д) е) є)

Рис. 2.2. Схематичні позначення напівпровідникових діодів: а) – випрямляючі або силові, б) – стабілітрони, в) – тунельні діоди, г) – варікапи, д) – діоди Шоттки, е) – фотодіоди, є) – світло діоди

Позначення на рис. 2.2.б відповідає стабілітронам – напівпровіднико­вим приладам, для яких робочою є зворотна гілка ВАХ, точніше та її діля­н­ка, яка характеризується незначними змінами зворотної напруги (U _зв.min – U _зв.max) при зміні зворотного струму в діапазоні (І _ст.min – І _ст.max) (рис. 2.3.а).

а)

б)

Рис. 2.3. ВАХ стабілітрона та стабістора (а), схема вмикання стабілітрона (б)

Стабілітрони застосовуються для стабілізації напруги, наприклад в параметричному стабілізаторі, схема якого наведена на рис. 2.3.б. В цій схемі напруга на навантаженні визначається зворотною напругою стабіліт­рона VD, і майже не змінюється при зміні струму стабілітрона в широ­ких межах.

Основними параметрами стабілітрона є напруга стабілізації , міні­мальний та максимальний струми стабілізації (рис. 2.3.а), а та­кож динамічний опір, що визначається як , і характеризує зміну напруги стабілітрона при зміні його струму. Чим менше значення динамічного опору, тим краще стабілізується напруга.

Інколи для стабілізації напруги використовують стабістори – прилади, для яких характерна стабілізація напруги при прямому вмиканні.

Позначення, зображене на рис. 2.2.в, належить тунельним діодам – напівпровідниковим приладам, що мають на ВАХ ділянку з від'ємним ди­намічним опором (інтервал напруг с на ВАХ рис. 2.4). Вони застосо­вуються в генераторах високої частоти та імпульсних перемикачах.

Основними параметрами тунельного діода є пікове (максимальне) значення струму та відношення пікового значення струму до струму впадини (мінімального струму).

Рис. 2.4. Вольт-амперна характеристика тунельного діода

На рис. 2.2.г наведено позначення варікапів – діодів, бар’єрна ємність pn -переходу яких змінюється залежно від прикладеної до них зворотної напруги. Варікапи застосовуються в схемах автоматичного підстроювання частоти, амплітудної та частотної модуляції, схемах параметричних підси­лювачів.

Приклад вольтфарадної залежності для варікапа КВ117А наве­дено на рис. 2.6. Як бачимо, зі зростанням значення зворотної напруги єм­ність pn -переходу зменшується.

Рис. 2.6. Залежність бар’єрної ємності варікапа від прикладеної до нього зворот­ної напруги

В сучасних пристроях електроживлення для перетворення змінної напруги в постійну найчастіше застосовуються діоди Шоттки – напівпровідникові діоди з малим падінням напруги при прямому вмиканні, в яких замість pn -переходу використовують перехід метал-напівпровідник.

Перевагами діодів Шоттки є:

- менша електрична ємність переходу бар'єру Шоттки, що дозволяє помітно підвищити робочу частоту. Ця властивість використовується в інтегральних мікросхемах, де діодами Шоттки закорочуються переходи транзисторів логічних елементів. У силовій електроніці мала ємність переходу (тобто малий час відновлення вентильних властивостей) дозволяє будувати випрямлячі на частоти в сотні кілогерц і вище. Наприклад, діод MBR4015 (15 В, 40 А), оптимізований під високочастотне випрямлення, нормований для роботи при швидкості зміни напруги до 1000 В/мс.

- знижений рівень завад, тому вони кращі в традиційних трансформаторних блоках живлення аналогової апаратури.

Фотодіод, схематичне позначення якого наведено на рис. 2.2.е, це напівпровідниковий діод в корпусі якого зроблено отвір над зоною pn -переходу. Світловий потік, потрапляючи на pn -перехід, при­зводить до появи в одній з областей додаткових неосновних носіїв заряду, тим самим збільшуючи зворотний струм. Таким чином, струм фотодіода (фотострум) залежить від його освітленості. ВАХ фотодіода наведена на рис. 2.10,а.

а) б)

Рис. 2.10. Вольтамперна характеристика фотодіода (а) та схема його вмикання з на­вантаженням (б)

При зростанні освітленості характеристика зміщується вниз, оскільки зростає кількість вільних носіїв заряду в результаті внутрішнього фото­ефекту, а отже зростає зворотний струм (рис. 2.10.а, характеристики для світ­лових потоків ).

Явище внутрішнього фотоефекту по­лягає в тому, що кванти світла поглинаються електронами напівпровід­ника, тим самим збільшуючи їх енергію і сприяючи розриву ковалентних зв'язків та вивільненню електронів.

Для виникнення фотоефекту необхідно, щоб енергія квантів світла була рівною чи більшою за роботу виходу електрона: , де е – заряд електрона, h – стала Планка, – частота випромінювання, – ро­бота виходу. Частота випромінювання має бути не меншою за граничну частоту . Для кремнію гранична частота лежить в інфрачерво­ному діапазоні.

Фотострум визначається як різниця струмів – світлового (струм при ) і темнового (струм при ) струмів:

.

Без вмикання навантаження фотодіод може працювати в двох режи­мах: короткого замикання та холостого ходу. При вмиканні з навантаженням (рис.2.10,б) фотодіод вмикається в зворотному зміщенні і використовується як керований світлом змінний опір.

У світлодіодах (рис. 2.2.є) відбувається зворотний процес – електри­чна енергія зовнішнього джерела перетворюється у світлове випроміню­вання в результаті рекомбінації електронів та дірок.

Рекомбінація, в ре­зультаті якої випромінюється світло, називається фотонною рекомбіна­цією. Зазвичай таке випромінювання відбувається у вузькому діапазоні час­тот. Для зміни довжини хвилі випромінювання необхідно або зміню­вати матеріал, з якого виготовлений світлодіод, або змінювати силу струму, що через нього протікає. Для виготовлення світлодіодів найбільш часто використовують фосфід галію або арсенід галію. Для діодів види­мого випромінювання використовують фосфід-арсенід-галію. З окремих світлодіодів збирають блоки і матриці, які дозволяють висвічувати зобра­ження фігур, літер та цифр.

На основі світлодіодів будуються світлосигнальні індикатори, які широко застосовуються в будь-якому промисловому устаткуванні.

Дата добавления: 2014-01-07