Стабилитрон (диод Зенера) предназначен для использования в параметрических стабилизаторах напряжения (рис. 1.5). Рабочим участком ВАХ стабилитрона является участок обратной её ветви, соответствующий области обратного электрического пробоя р-n-перехода (рис. 1.6) и ограниченный минимальным и максимальным значениями тока.
При работе в этой области обратное напряжение на стабилитроне Ucm незначительно изменяется при относительно больших изменениях тока стабилитрона Iст.
При прямом включении стабилитрон может рассматриваться как обычный диод, однако в связи с повышенной концентрацией примесей напряжение Unp ~ 0,3...0,4 В мало изменяется при значительных изменениях прямого тока Iпр.
Стабистор. При работе используется участок ветви вольт-амперной характеристики, соответствующий «прямому напряжению» на диоде.
Тунне́льный эффект, туннели́рование — преодоление микрочастицей потенциального барьера в случае, когда её полная энергия (остающаяся при туннелировании неизменной) меньше высоты барьера.
Туннельный эффект — явление исключительно квантовой природы, невозможное в классической механике.
Аналогом туннельного эффекта в волновой оптике может служить проникновение световой волны внутрь отражающей среды (на расстояния порядка длины световой волны) в условиях, когда, с точки зрения геометрической оптики, происходит полное внутреннее отражение.
Явление туннелирования лежит в основе многих важных процессов в атомной и молекулярной физике, в физике атомного ядра, твёрдого тела и т. д.
Туннельным диодом называют полупроводниковый прибор, который сконструирован на основе вырожденного полупроводника (т.е. полупроводника с большим содержанием примеси), в котором при обратном и небольшом прямом напряжении возникает туннельный эффект и вольт-амперная характеристика имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.
Устройство туннельных диодов в принципе почти не сличается от устройства других диодов, но для их изготовления применяют полупроводниковые материалы с большим содержанием примесей (до 10 20 см −3 ). Вследствие этого удельные сопротивления областей р- и n- типов очень малы, а ширина р-n-перехода составляет примерно 0,02 мкм, что в сто раз меньше, чем в других полупроводниковых диодах. Напряженность электрического поля в таких р-n-переходах достигает огромной величины - до 10 6 В/см.
Вольт-амперная характеристика туннельного диода и его условное обозначение в схемах показаны соответственно на рисунке 3.6. Рассмотрим с помощью зонной теории вид вольт-амперной характеристики. В равновесном состоянии системы уровень Ферми постоянен для обеих областей полупроводникового диода. Поэтому другие энергетические уровни искривляются настолько сильно, что нижняя граница дна свободной зоны области n-типа оказывается ниже верхней границы потолка валентной зоны области р-типа, и так как переход очень узкий, то носители заряда могут переходить из одной области в другую без затраты энергии, просачиваться сквозь потенциальный барьер (туннелировать).
При подключении к диоду прямого напряжения потенциальный барьер с ростом напряжения уменьшится. При подаче на туннельный диод обратного напряжения обратный туннельный ток будет резко возрастать. Обратный ток у туннельных диодов во много раз больше, чем у других диодов, поэтому они не обладают вентильным свойством.
Основными параметрами туннельных диодов являются: максимальные Imax и минимальные Imin значения токов на вольтамперной характеристике и соответствующие им напряжения, соответствующее максимальному току в точке а, а также дифференциальное сопротивление Rдиф = -dU/dI, которое определяется примерно на середине участка с отрицательным сопротивлением; общая емкость диода и максимальная частота.
Туннельные диоды обладают усилительными свойствами и могут работать в схемах как активные элементы. Они находят широкое применение в сверхбыстродействующих ЭВМ в качестве быстродействующих импульсных переключающих устройств (скорость переключения составляет доли наносекунды) и в генераторах высокочастотных колебаний.
На туннельных диодах создают схемы мультивибраторов, триггеров, которые служат основой для построения логических схем, запоминающих устройств, регистров и т.д.
Высокая скорость переключения объясняется тем, что туннельные диоды обычно работают на участке вольтамперной характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением, где механизм переноса зарядов связан с их туннельным смещением (через р-n-переход), скорость которого огромна.
Туннельные диоды могут работать в широком диапазоне температур от 4 до 640 К. Они просты по конструкции, малогабаритны. Туннельные диоды изготовляют на основе сильнолегированного германия или арсенида галлия, р-n-переход получают методом вплавления примесей.
На вольт-амперной характеристике имеют область т. н. «отрицательного сопротивления»:
Rд=-dU/dI.
Отношение токов Imax / Imin = 5...10. Это свойство диодов Ганна используют при разработке усилителей, генераторов синусоидальных и релаксационных колебаний, в переключающих устройствах с частотами от 100 МГц до 10 ГГц.
Применяются как усилители, генераторы и пр.
Варикапы - это полупроводниковые диоды, предназначенные для использования их ёмкости, управляемой обратным напряжением Uобр (рис. 1.7).
В качестве варикапов используют диоды при обратном постоянном смещении, когда проявляется только барьерная ёмкость.
Барьерная ёмкость проявляется при приложении к р-n-переходу обратного изменяющегося во времени напряжения. При этом через р-n-переход протекает ток. Та доля тока (ток смещения), которая не связана с движением носителей заряда через p-n-переход, и определяет барьерную ёмкость (появление тока смещения связано с изменением объёмного заряда)
Варикапы применяют в качестве конденсаторов переменной ёмкости в основном в устройствах высоких и сверхвысоких частот, например, для настройки колебательных контуров.
В отличие от обычных диодов, при рекомбинации электронов и дырок в переходе излучают свет в видимом диапазоне, а не в инфракрасном. Однако, выпускаются светодиоды и с излучением в инфракрасном диапазоне, а с недавних пор - и в ультрафиолетовом.
Светодиоды(диоды Генри Раунда) - это излучающие полупроводниковые приборы (индикаторы), предназначенные для непосредственного преобразования электрической энергии в энергию некогерентного («несогласованного») светового излучения.
Когере́нтность (от лат. cohaerens — «находящийся в связи») — согласованность нескольких колебательных или волновых процессов во времени, проявляющаяся при их сложении. Колебания когерентны, если разность их фаз постоянна во времени и при сложении колебаний получается колебание той же частоты.
Классический пример двух когерентных колебаний — это два синусоидальных колебания одинаковой частоты.
В основе принципа функционирования светодиодов лежит преобразование электрической энергии в электромагнитное излучение, спектр которого полностью или частично лежит в видимой области, диапазон длин волн которой составляет 0,45...0,68 мкм.
Светодиодная структура представляет собой р-n-переход, в котором при протекании прямого тока в несколько миллиампер в обеих областях перехода происходит рекомбинация инжектированных электронов и дырок. Инжектирование электронов преобразуется в световую энергию.
Максимальное значение энергии, которое может выделиться при рекомбинации, равно ширине запрещённой зоны данного полупроводника. В полупроводниковых материалах с шириной запрещённой зоны менее 1,8 эВ может возбуждаться излучение с длиной волны более 0,7 мкм, которое лежит за пределами диапазона длин волн видимого света. Поэтому основными полупроводниковыми материалами, применяемыми для изготовления серийных светодиодов, являются фосфид галлия (GaP), твёрдые растворы (GaAsP, GaAlP) и карбид кремния (SiC) с шириной запрещённой зоны более 2 эВ.
Условное изображение и яркостная характеристика В(Iпр) светодиода, где В — яркость света в канделах, приведены на рис. 1.10.
Полупроводниковые лазеры по устройству близки к светодиодам, однако имеют лазерный резонатор, излучают когерентный (направленный) свет.
Фотодиод — это диод, обратный ток которого зависит от освещенности Ф (рис. 1.11, а).
При поглощении квантов света в р-n-переходе или в прилегающих к нему областях кристалла полупроводника образуются новые носители заряда (пары электрон-дырка), поэтому обратный ток (фототок) через фотодиод при освещении возрастает. С увеличением светового потока Ф сопротивление перехода уменьшается (рис. 1.11, б).
