Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Термоелектричні напівпровідникові прилади

Уперше явище виникнення ЕРС під дією теплоти, назване термоелектрикою, спостерігав в 1821р. німецький фізик Т.І. Зеєбек. Процес отримання термо-ЕРС відбувається таким чином. Нехай є, наприклад, напівпровідник n- типу (рис.8.24.а), у якого один кінець (на малюнку лівий) нагрітий сильніше, ніж інший (правий). Тоді на лівому, «гарячому» кінці концентрація і енергія рухливих носіїв заряду (електронів) буде більшою, ніж на правому, «холодному» кінці, і станеться дифузія електронів від «гарячого» кінця до «холодного» (зліва направо). У результаті на правому кінці утвориться надлишок електронів, тобто від’ємний заряд, а на лівому кінці - додатний заряд. Між цими зарядами виникне електричне поле, яке буде прагнути рухати електрони в зворотному напрямку і перешкоджати подальшому зростанню заряду. Встановиться урівноважений стан, який характеризується деякою різницею потенціалів, яка і є термо-ЕРС. Вона може складати до 0,5 мВ на кожний градус різниці температур. Аналогічне явище може відбуватися і в напівпровіднику
р -типу (рис.8.24.б), в якому будуть дифундувати дірки і виникнуть заряди протилежних знаків в порівнянні з отриманими в напівпровіднику n -типу. Практично для отримання термо-ЕРС застосовують так звані термоелементи, або термопари (рис.8.25), в яких нагрівається контакт двох напівпровідників n - і р -типу. Термо-ЕРС, яка при цьому виникає, тим більша, чим вища різниця температур між «гарячим» контактом термоелемента і його «холодними» кінцями. Термоелементи можуть бути також складені з двох різних металів або з металу і напівпровідника. Однак термоелемент з двох напівпровідників дає найбільшу термо-ЕРС. При нагріві до 600^о С можна отримати термо-ЕРС до 0,3 В.

Спочатку термоелементи використовувалися головним чином у вимірювальних приладах і в різних давачах температури, а надалі з них стали будувати термоелектрогенератори або джерела постійного струму, в яких велика кількість термоелементів сполучена послідовно або змішано (послідовно-паралельно). У створенні таких генераторів особливо велику роль зіграли роботи фізиків під керівництвом академіка А. Ф. Іоффе. Під час Великої Вітчизняної війни партизанські радіостанції живилися іноді від термоелектрогенераторів, які надягали на скло гасової лампи. Потужність термоелектрогенераторів може бути від одиниць до сотень ват і навіть більш, а ККД - до десятків відсотків.

У 1834 р. французький фізик Ж. Ш. А. Пельтьє відкрив ефект, який назвали його ім'ям і зворотний ефекту Зеєбека. Ефект Пельтьє полягає в тому, що при протіканні струму через контакт двох різнорідних металів або напівпровідників цей контакт нагрівається або охолоджується в залежності від напряму струму. На цьому ефекті заснований принцип дії термоелектричних холодильників, що застосовуються в науці і техніці. Такі холодильники є батареєю послідовно сполучених термоелементів. Вони не можуть конкурувати із звичайними холодильниками великого об'єму, але зате особливо зручні для побудови приладів малого розміру.

ОПТОЕЛЕКТРОНІКА

ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ

Робота різних напівпровідникових приймачів випромінювання (фоторезистори, фотодіоди, фототранзистори, фототиристори) заснована на використанні внутрішнього фотоефекту, який полягає в тому, що під дією випромінювання в напівпровідниках відбувається генерація пар носіїв заряду електронів і дірок. Ці додаткові носії збільшують електричну провідність. Така додаткова провідність, зумовлена дією фотонів, отримала назву фотопровідності. У металах явище фотопровідності практично відсутнє, оскільки у них концентрація електронів провідності дуже велика (приблизно 10²² см^-3) і не може помітно збільшитися під дією випромінювання. У деяких приладах за рахунок фотогенерації електронів і дірок виникає ЕРС, яку прийнято називати фото- ЕРС, я тоді ці прилади працюють як джерело струму. А внаслідок рекомбінації електронів і дірок в напівпровідниках утворюються фотони, і при деяких умовах напівпровідникові прилади можуть працювати як джерела випромінювання.

У наступних параграфах розглядаються напівпровідникові прилади, що найбільш широко застосовуються, і які працюють як приймачі або джерела випромінювання, а також прилади, що є поєднанням джерел і приймачів випромінювання і що отримали назву оптронов. Багато які з описаних в цьому розділі приладів виготовляються не тільки у вигляді дискретних елементів для РЕА, але вже входять і до складу інтегральних мікросхем.

ФОТОРЕЗИСТОРИ

Фоторезистор – це напівпровідниковий резистор, опір якого змінюється під дією випромінювання. Принцип побудови фоторезистора пояснюється на рис.9.1,.а). На діелектричну пластину 1 нанесений тонкий шар напівпровідника 2 з контактами 3 по краях. Схема ввімкнення фоторезистора наведена на рис.9.1.б). Полярность джерела живлення не відіграє ролі.

Якщо опромінення немає, то фоторезистор має деякий великий опір R_т, який називають темновим. Він є одним з параметрів фоторезистора і становить (10⁴ ÷ 10⁷) Ом. Відповідний струм через фоторезистор називають темновим струмом. При дії випромінювання з достатньою енергією фотонів на фоторезистор в ньому відбувається генерація пар рухливих носіїв заряду (електронів і дірок) і його опір зменшується.

Для фоторезисторов застосовують різні напівпровідники, що мають необхідні властивості. Так, наприклад, сірчистий свинець найбільш чутливий до інфрачервоних, а сірчистий кадмій - до видимих променів. Фоторезистори характеризуються питомою чутливістю, тобто інтегральною чутливістю, віднесеною до 1 В прикладеної напруги:

S_пит = І_ф / (ФU), (9.1)

де Ф - світловий потік.

Звичайно питома чутливість становить декілька сотень або тисяч мікроампер на
вольт-люмен.

Фоторезистори мають лінійну вольт-амперну і нелінійну енергетичну характеристику (рис.9.2). До параметрів фоторезисторів крім темнового опору і питомої чутливості потрібно ще віднести максимально допустиму робочу напругу (до 600 В), кратность зміни опори (може бути до 500), температурний коефіцієнт фотострума ТКФ = I_ф /(I_ф T). Значна залежність опору від температури, характерна для напівпровідників, є недоліком фоторезисторов. Істотним недоліком треба вважати також їх велику інерційність, що пояснюється досить великим часом рекомбінації електронів і дірок після припинення опромінення. Практично фоторезистори застосовуються лише на частотах не вище декількох сотень герц або одиниць кілогерц. Власні шуми фоторезисторов значні. Проте фоторезистори широко застосовуються в різних схемах автоматики і в багатьох інших пристроях.

ФОТОДІОДИ

Фотодіоди - це напівпровідникові діоди, в яких використовується внутрішній фотоефект. Світловий потік керує зворотним струмом фотодіодов. Під впливом світла на електронно-дірковий перехід і прилеглі, до нього області відбувається генерація пар носіїв заряду, провідність діода зростає і зворотний струм збільшується. Такий режим роботи називається фотодіодним (рис.9.3). Вольт-амперні характеристики I_ф = f (U) при Ф =const для фотодіодного режиму (рис.9.4) нагадують вихідні характеристики біполярного транзистора, ввімкненого в схемі із загальною базою. Якщо світловий потік відсутній, то через фотодіод протікає звичайний початковий зворотний струм I₀, який називають темновим. А під дією світлового потоку струм у діоді зростає і характеристика розташовується вище. Чим більший світловий потік, тим більший струм. З підвищенням зворотної напруги на діоді струм дещо зростає. Але при деякому значенні напруги виникає електричний пробій (характеристики позначені штриховими лініями). Енергетичні характеристики фотодіода I_ф = f (Ф) при U = const лінійні і мало залежать від напруги (рис.9.5). Інтегральна чутливість фотодіода звичайно складає десятки міліампер на люмен. Вона залежить від довжини хвилі світлових променів і має максимум при деякій довжині хвилі, різній для різних напівпровідників. Інерційність фотодіодів невелика. Вони можуть працювати на частотах до декількох сотень мегагерц. А у фотодіодів зі структурою р-i-n граничні частоти підвищуються до десятків гігагерц. Робоча напруга у фотодіодів переважно складає (10÷30) В. Темновий струм не перевищує 20 мкА для германієвих приладів і 2 мкА для кремнієвих. Струм при освітленні складає сотні мікроампер. Останнім часом розроблені фотодіоди на складних напівпровідниках, які більш чутливі до інфрачервоного випромінювання. Більшість фотодіодов виготовляється за планарною технологією (рис. 9.6).

Є декілька різновидностей фотодіодів. У лавинних фотодіодів відбувається лавинне розмноження носіїв в n-p -переході і за рахунок цього в десятки разів зростає чутливість. В фотодіодах з бар'єром Шоткі є контакт напівпровідника з металом. Це діоди з підвищеною швидкодією. Поліпшеними властивостями відрізняються фотодіоди з гетеропереходами. Всі фотодіоди можуть працювати і як генератори ЕРС.

ФОТОЕЛЕМЕНТИ

Напівпровідникові фотоелементи, які називають також вентильними або фотогальванічними, служать для перетворення енергії випромінювання в електричну енергію. Властиво, вони є фотодіодами, які працюють без джерела зовнішньої напруги і створюють власні ЕРС під дією випромінювання.

Фотони, впливаючи на
n-р -перехід і прилеглі до нього області, викликають генерацію пар носіїв заряду. Електрони і дірки, які виникли в n - і р -областях дифундують до переходу, і якщо вони не встигли рекомбінувати, то попадають під дію внутрішнього електричного поля, що є в переході. Це поле також діє і на носії заряду, які виникають у самому переході. Поле розділяє електрони і дірки. Для неосновних носіїв, наприклад для електронів, що виникли в р -області, поле переходу є прискорюючим. Воно перекидає електрони в п -область. Аналогічно дірки перекидаються полем з n -області в р -область. А для основних носіїв, наприклад дірок в р -області, поле переходу є таким, що гальмує, і ці носії залишаються в своїй області, тобто дірки залишаються в р -області, а електрони - в п -області (рис.9.7).

Внаслідок такого процесу в п - і р -областях нагромаджуються надмірні основні носії, тобто створюються відповідно заряди електронів і дірок і виникає різниця потенціалів, яку називають фото- ЕРС (Е_ф). Зі збільшенням світлового потоку фото- ЕРС зростає за нелінійним законом (рис.9.8). Значення ЕРС може досягати декількох десятих долей вольта. При під’єднанні напівпровідникового фотоелемента до навантаження (рис.9.9) виникає фотострум I_ф = Е_ф / (R_н + R_і), де R_і, - внутрішній опір самого фотоелемента.

Перші вентильні фотоелементи з геміоксиду (закису міді) були розроблені ще в 1926 р. Надалі особливо широко застосовувалися селенові фотоелементи, виготовлені на основі селену р- типу. У пластинці такого селену створювався тонкий шар п- типу, на який діяв світловий потік. Інтегральна чутливість селенових фотоелементів доходила до декількох сотень мікроампер на люмен. Вони мали спектральну характеристику майже таку ж, як у людського ока, що було зручно для різних фотометричних методів. Значний інтерес представляли сірнистоталієві фотоелементи. У них чутливість досягала тисяч мікроампер на люмен. Недолік вентильних фотоелементів - незадовільні частотні властивості і значна залежність інтегральної чутливості від температури.

У цей час важливе значення мають кремнієві фотоелементи, які використовуються як сонячні перетворювачі. Вони перетворюють енергію сонячних променів в електричну, і ЕРС їх досягає 0,5 В. З таких елементів шляхом послідовного і паралельного з'єднання створюються сонячні батареї, які мають порівняно високий ККД (до 20%) і можуть розвивати потужність до декількох кіловат. Сонячні батареї з кремнієвих фотоелементів - це основні джерела живлення на штучних супутниках Землі, космічних кораблях, автоматичних метеостанціях і інш. Практичне застосування сонячних батарей неухильно розширюється.

ФОТОТРАНЗИСТОРИ

Значно вища, в порівнянні з фотодіодами, інтегральна чутливість у фототранзисторів. Біполярний фототранзистор є звичайний транзистор, але в корпусі його зроблене прозоре «вікно», через яке світловий потік може попадати на область бази. Схема ввімкнення біполярного фототранзистора типу р-п-р з «вільною», тобто нікуди непід’єднаною, базою, наведена на рис.9.10. Як звичайно, на емітерному переході напруга пряма, а на колекторному - зворотна.

Фотони викликають в базі генерацію пар носіїв заряду електронів і дірок. Вони дифундують до колекторного переходу, в якому відбувається їх розділення так само, як і в фотодіоді. Дірки під дією поля колекторного переходу переходять з бази в колектор і збільшують струм колектора. А електрони залишаються в базі і підвищують пряму напругу емітерного переходу, що підсилює інжекцію дірок в цьому переході. За рахунок цього додатково збільшується струм колектора. У транзисторі типу n-р-n все відбувається аналогічно.

Інтегральна чутливість у фототранзистора в десятки разів більша, ніж у фотодіода, і може досягати сотень міліампер на люмен. Фототранзистор з «вільною» базою має низьку температурну стабільність. Для усунення цього недоліку необхідно застосовувати схеми стабілізації режиму за постійним струмом. При цьому, звичайно, повинен бути використаний вивід бази. На цей вивід можна також подавати постійну напругу зміщення або електричні сигнали і здійснювати спільну дію цих сигналів і світлових.

Вихідні характеристики фототранзистора зображені на рис.9.9. Вони аналогічні до вихідних характеристик для ввімкнення транзистора в схемі із спільним емітером, різні криві відповідають різним значенням світлового потоку, а не струму бази.

З характеристик видно, що при підвищеному значенні напруги виникає електричний пробій (ділянки позначені штриховими лініями).

Параметри фототранзисторів - інтегральна чутливість, робоча напруга (10÷15) В, темновий струм (до сотень мікроампер), робочий струм (до десятків міліампер), максимальна допустима потужність (до десятків міліват), яка розсіюється, гранична частота. Фототранзистори, виготовлені сплавним методом, мають граничні частоти до декількох кілогерців, а виготовлені дифузійним методом (планарні) можуть працювати на частотах до декількох мегагерц. Недолік фототранзисторов, це порівняно високий рівень власних шумів.

Крім розглянутого біполярного фототранзистора застосовуються і інші. Складовий фототранзистор являє собою фототранзистор, сполучений із звичайним транзистором. Складовий транзистор має коефіцієнт підсилення за струмом, рівний добутку коефіцієнтів підсилення двох транзисторів β = β _1· β ₂. У результаті інтегральна чутливість у складового фототранзистора в десятки разів більша, ніж у звичайного, і в тисячі разів більша, ніж у фотодіодів. Висока чутливість і висока швидкодія досягаються при поєднанні фотодіода з високочастотним транзистором.

Крім біполярний фототранзисторів як приймачі випромінювання використовуються і польові фототранзистори. На рис.9.12 показаний польовий фототранзистор з каналом n- типу. При опроміненні n- каналу в ньому і в прилеглій до нього р -області (області затвора) генеруються електрони і дірки. Перехід між n -каналом і р -областю знаходиться під зворотною напругою, і тому під дією поля цього переходу відбувається розділення носіїв заряду. У результаті підвищується концентрація електронів в n -каналі, зменшується його опір і збільшується концентрація дірок в р -області. Струм каналу (струм стоку) зростає. Крім того, виникає фотострум у колі затвора. Цей струм створює спад напруги на резисторі R_з, за рахунок чого зменшується зворотна напруга на керуючому переході канал-затвор. Це, в свою чергу, приводить до збільшення товщини каналу, а отже, до додаткового зменшення його опору і зростання струму стоку. Таким чином здійснюється керування струмом стоку за допомогою світла.

Представляють інтерес МДН -фототранзистори з індукованим (інверсним) каналом. Вони мають напівпрозорий затвор, через який освітлюється область напівпровідника під затвором. У цій області відбувається фотогенерація носіїв заряду. За рахунок цього змінюється значення порогової напруга, при якій виникає індукований канал, а також крутизна, що є основним параметром такого транзистора. На затвор іноді подають постійну напругу для встановлення початкового режиму.

Ще одна різновидність фототранзисторів - одноперехідні фототранзистори, в яких при опроміненні світлом знижується напруга вмикання.

ФОТОТИРИСТОРИ

Тиристорні чотиришарові структури p-n-p-n (рис.9.13) можуть керуватися світловим потоком, подібно тому як тріодні тиристори керуються напругою, що подається на один з емітерних переходів. При дії світла на область бази p₁ в цій області генеруються електрони і дірки, які дифундують до п-р -переходу. Електрони, попадаючи в область переходу П₂, що знаходиться під зворотною напругою, зменшують його опір. За рахунок цього відбувається перерозподіл напруг, прикладеної до тиристора: напруга на переході П₂ дещо зменшується, а напруга на переходах П ₁ і П ₃ дещо збільшуються. Але тоді підсилюється інжекція в переходах П ₁ і П ₃ до переходу П ₂ приходять инжектовані носії, його опір знову зменшується і відбувається додатковий перерозподіл напруг, ще більше підсилюється інжекція в переходах П ₁ і П ₃, струм лавиноподібно наростає (див. штрихові лінії на рис.9.14), тобто тиристор відпирається.

Чим більший світловий потік, який діє на тиристор, тим при меншій напрузі вмикається тиристор. Це наочно показують вольт-амперні характеристики фототиристора, які наведені на рис.9.14. Після ввімкнення на тиристорі встановлюється, як звичайно, невелика напруга і майже вся напруга джерела Е падає на навантажені. Іноді у фототиристора буває зроблений вивід від однієї з базових областей (p ₁ або n ₂). Якщо через цей вивід подавати на відповідний емітерний перехід пряму напругу, то можна зменшувати напругу ввімкнення. Саме ввімкнення як і раніше буде здійснюватися дією світлового потоку.

Фототиристори можуть успішно застосовуватися в різних автоматичних пристроях як безконтактні ключі для комутації значних напруг і потужностей. Важливі переваги фототиристорів - мала споживана потужність у ввімкненому стані, малі габарити, відсутність іскріння, малий (частки секунди) час вмикання.

⇐ Предыдущая 1 2 345 Следующая ⇒