Методическая разработка Полупроводниковые диоды

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Методическая разработка

по ОП.03 Электротехника и электроника

на тему

 «Полупроводниковые диоды»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2021

 

Цель занятия:

1.     Изучить тему Полупроводниковые диоды

Время:  2 часа

 

Место: кабинет Электротехники и электроники

 

Учебно - материальное обеспечение:

Плакаты, презентации, лабораторное оборудование.

 

Распределение времени занятия:

Вступительная часть                                                                      5 мин;

Проверка подготовки обучающихся к занятию                             5 мин;

Учебные вопросы занятия                                                              25 мин;

Домашнее задание                                                                         5 мин;

Заключение                                                                                    5 мин.

 

Содержание занятия

 

Вступительная часть

 

–        принять рапорт дежурного по группе;

–        проверить наличие студентов и их готовность к занятию;

–        ответить на вопросы, которые возникли при подготовке к занятию на самостоятельной работе;

–        провести опрос по ранее изученному материалу:

–        Опрос рекомендуется провести устно, задавая вопросы и вызывая одного-двух студентов для ответа,

 

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод (ПД) – прибор с одним  переходом и двумя выводами.

Он хорошо пропускает ток одного направления и плохо пропускает ток противоположного направления.

Эти токи и соответствующие им напряжения между выводами полупроводникового диода называются прямыми I_пр и обратными I_обр токами, прямыми U_пр и обратными U_обр напряжениями.

На рисунке 8.1 приведено условное изображение полупроводникового диода в схемах электрических цепей и его идеализированная вольтамперная характеристика (ВАХ).

Прямой ток I_пр в ПД направлен от одного вывода (анода) к другому (катоду).

Анализ ВАХ ПД позволяет сделать вывод, что ПД – нелинейный элемент и сопротивление его зависит от величины и направления тока.

Так, прямое сопротивление ПД составляет обычно не выше нескольких десятков Ом, а обратное сопротивление – не ниже нескольких сотен кОм.

Вольтамперная характеристика ПД имеет ярко выраженные три участка, которые называются прямой (I), обратной (II) ветвями и ветвью стабилизации (III).

Полупроводниковые диоды, у которых рабочим участком является участок стабилизации III, называются стабилитронами. Они имеют значительное обратное сопротивление и применяются в схемах стабилизации напряжения.

Рис. 8.1. Вольтамперная характеристика ПД и его условное обозначение

 

8.2.1 Полупроводниковые фотоэлектрические приборы

Фотоэлектрическими приборами называют преобразователи энергии оптического излучения в электрическую энергию.

К оптическим относят ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучения с длиной волны от десятков нанометров до десятых долей миллиметра. Как известно, видимое излучение лежит в диапазоне длин волн 0,38–0,76 мкм.

Работа полупроводниковых фотоэлектрических приборов основана на так называемом внутреннем фотоэффекте – ионизации квантами света атомов кристаллической решетки, в результате чего изменяется концентрация свободных носителей заряда, а следовательно, и электрические свойства вещества. В металлах внутренний фотоэффект не наблюдается.

Фоторезисторы. Фоторезистором называют полупроводниковый прибор с двумя выводами, электрической проводимостью которого можно управлять с помощью оптического излучения.

Рис. 8.2. Устройство (а), схема включения (б) фоторезистора и его ВАХ (в)

при различных освещенностях

 

Устройство фоторезистора показано на рис. 8.2,а. Пластина или пленка полупроводникового материала I закреплена на подложке 2 из непроводящего материала – стекла, керамики или кварца. Световой поток падает на фотоактивный материал через защищенное слоем прозрачного лака специальное отверстие – окно.

Если к неосвещенному фоторезистору подключить источник питания Е (см. рис. 8.2,.б), то в электрической цепи появится небольшой ток, называемый темповым током, обусловленный наличием в неосвещенном полупроводнике некоторого количества свободных носителей заряда.

При освещении фоторезистора ток в цепи существенно возрастает за счет увеличения концентрации свободных носителей заряда. Типичные ВАХ фоторезистора для различных световых потоков Ф изображены на рис. 8.2,в.

Фототок (разность токов при наличии и отсутствии освещения) зависит также от спектрального состава светового потока. Спектральные свойства фоторезисторов принято характеризовать длиной волны λ_макс,соответствующей максимуму чувствительности, и порогом фотоэффекта, равным длине волны λ₀, при которой чувствительность составляет 1% максимальной.

Фоторезисторы обладают значительной инерционностью, обусловленной временем генерации и рекомбинации электронов и дырок, происходящих при изменении освещенности фоторезистора. Максимальная частота модуляции светового потока, при которой могут работать фоторезисторы, достигает значения порядка 10⁵ Гц.

Темновое сопротивление неосвещенных фоторезисторов различных типов имеет широкий диапазон: от 10² до 10⁹ Ом. Значение рабочего напряжения фоторезистора, которое зависит от его размеров, т.е. от расстояния между электродами, выбирают в пределах от нескольких единиц вольт до 100 В.

Достоинства фоторезисторов: высокая чувствительность, возможность использования в инфракрасной области спектра излучения, небольшие габариты и применимость для работы как в цепях постоянного, так и переменного токов.

Фотодиоды. Фотодиодом называют полупроводниковый фотоэлектрический прибор с двумя выводами, имеющий один р–n- переход.

Структура фотодиода не отличается от структуры обычного диода. На границе р- и n-областей образуется лишенный подвижных носителей заряда запирающий слой, электрическое поле которого, обусловленное контактной разностью потенциалов, препятствует движению основных носителей заряда. При освещении фотодиода (световой поток направляется перпендикулярно плоскости р-n-перехода) в результате ионизации фотонами в р- и n-областях образуются электронно-дырочные пары, которые диффундируют к р-n-переходу (разность концентраций). Под действием электрического поля р-n-перехода пары разделяются и носители заряда перебрасываются в области, где они становятся основными     (рис. 8.3), т.е. неосновные носители заряда n-области – дырки – переходят в р-область, а электроны р-области переходят в n-область. Это приводит к созданию на выводах фотодиода при разомкнутой внешней цепи разности потенциалов, называемой фото-ЭДС, предельно возможное значение которой равно контактной разности потенциалов, составляющей десятые доли вольта. Так, например, у селеновых и кремниевых фотодиодов фото-ЭДС достигает 0,5–0,6 В, у фотодиодов из арсенида галлия – 0,87 В.

Если замкнуть зажимы освещенного фотодиода через резистор, то в электрической цепи появится ток, значение которого зависит от фото-ЭДС и сопротивления резистора.

Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов – без внешнего источника электрической энергии (режим фотогенератора) либо с внешним источником электрической энергии (режим фотопреобразователя).

Схема включения и ВАХ фотодиода в фотогенераторном режиме для различных освещенностей показаны на рис.8.4. В этом режиме световая энергия непосредственно преобразуется в электрическую. Из рис. 8.4 видно, что при R_H = 0 ток короткого замыкания I_к фотодиода будет максимальным, а при размыкании нагрузочного резистора максимальным будет напряжение холостого хода U_x фотодиода.

 

Рис. 8.3. Устройство фотодиода

Рис. 8.4. Схема включения (а) и ВАХ (б) фотодиода в фото генератор ном режиме

 

Фотодиоды, работающие в режиме фотогенератора, часто применяют в качестве источников питания, преобразующих энергию солнечного излучения в электрическую. Они называются солнечными элементами и входят в состав солнечных батарей, используемых на, космических кораблях. КПД кремниевых солнечных элементов составляет около 20%, а у пленочных солнечных элементов он может иметь значительно большее значение. Важными техническими параметрами солнечных батарей являются отношения их выходной мощности к массе и площади, занимаемой солнечной батареей. Эти параметры достигают значений 200 Вт/кг и 1 кВт/м² соответственно.

При работе фотодиода в фотопреобразовательном режиме источник питания Е включается в цепь в запирающем направлении (рис. 8.5,а). Используются обратные ветви ВАХ фотодиода при различных освещенностях (рис. 8.5,б). Ток и напряжение на нагрузочном резисторе R_н могут быть определены графически по точкам пересечения ВАХ фотодиода и линии нагрузки, соответствующей сопротивлению резистора R_н. При отсутствии освещенности фотодиод работает в режиме обычного диода.

                  

Рис. 8.5. Схема включения (а) и ВАХ (б) фотодиода в фотопреобразовательном режиме

   

Темновой ток у германиевых фотодиодов равен 10–30 мкА, у кремниевых – 1–3 мкА.

Спектральные характеристики фотодиодов зависят от материалов, используемых для их изготовления. Селеновые фотодиоды имеют спектральную характеристику, близкую по форме к спектральной зависимости чувствительности человеческого глаза, поэтому их широко применяют в фото- и кинотехнике. Германиевые и кремниевые фотодиоды чувствительны как в видимой, так и в инфракрасной частях спектра излучения.

По сравнению с фоторезисторами фотодиоды являются более быстродействующими, но имеют меньшую чувствительность.

Частотные характеристики зависят от материалов фотодиода. В настоящее время созданы высокочастотные (быстродействующие) фотодиоды на основе германия и арсенида галлия, которые могут работать при частотах модуляции светового потока в несколько сотен мегагерц.

Существенным недостатком фотодиодов является зависимость значений их параметров от температуры, при этом следует иметь в виду, что кремниевые фотодиоды более стабильны.

Если в фотодиодах использовать обратимый электрический пробой, сопровождающийся лавинным умножением носителей заряда, как в полупроводниковых стабилитронах, то фототок, а следовательно, и чувствительность значительно возрастут. Чувствительность лавинных фотодиодов может быть на несколько порядков больше, чем у обычных фотодиодов (у германиевых – в 200 – 300 раз, у кремниевых – в 10⁴–10⁶ раз). Лавинные фотодиоды являются быстродействующими фотоэлектрическими приборами, их частотный диапазон может достигать 10 ГГц. Недостатком лавинных фотодиодов является более высокий уровень шумов по сравнению с обычными фотодиодами.

Лавинные фотодиоды можно применять для обнаружения световых сигналов и счета световых импульсов в релейных устройствах автоматики.

 

 

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

-      подвести итоги занятия;

-      напомнить тему, цели и учебные вопросы;

-      объявить оценки;

-      ответить на вопросы;

-      отметить активность и дисциплину на занятии;

-      дать задание на самоподготовку.

 

Список используемой литературы

1.       Славинский, А. К. Электротехника с основами электроники : учебное пособие / А. К. Славинский, И. С. Туревский. — Москва : ФОРУМ : ИНФРА-М, 2020. — 448 с.

2.       Маркелов, С. Н. Электротехника и электроника : учебное пособие / С.Н. Маркелов, Б.Я. Сазанов. — Москва : ИНФРА-М, 2020. — 267 с.