Радиоэлектроника-с компьютером и паяльником - Генрих Кардашев

В полевом транзисторе с каналом p-типа полярности источников обратны. Поскольку входное сопротивление полевого транзистора составляет сотни мегаом. то не трудно сообразить, что ток, протекающий через затвор, очень мал (составляет единицы наноампер, а для МОП транзисторов даже единицы пикоампер). В отсутствие напряжения на затворе ток через него практически равен нулю. В этом, собственно, и заключается основная особенность полевых транзисторов по сравнению с биполярными, обусловившая их широкое распространение в микроэлектронике.

В отличие от виртуальной электроники, в реальной обращение с МОП- и МДП-транзисторами требует большой осторожности. Дело в том, что большая рабочая чувствительность транзисторов связана с использованием тончайших пленок окислов или диэлектрика. Подобные пленки могут быть разрушены даже такими небольшими статическими зарядами, которые возникают на теле человека. Это приносило массу неприятностей при работе с полевыми транзисторами. Для того чтобы избежать повреждения, МОП-транзисторы обычно поставляются с соединенными вместе выводами с использованием специальной упаковки. Особые меры предосторожности принимаются при их монтаже (заземление рабочего инструмента и руки с помощью металлического браслета на запястье и т. п.). К счастью, новейшие МОП-транзисторы теперь частично защищены с помощью стабилитронов, включенных внутри транзистора между затвором и истоком.

Тем не менее, положительные свойства полевых транзисторов таковы, что именно широкое использование МОП-транзисторов в интегральных микросхемах в свое время революционизировало всю цифровую электронику.

Оптоэлектронные компоненты

В различных электронных устройствах широко используются физические сигналы в виде света в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом участках спектра. В связи с этим существует два вида первичных оптоэлектронных устройств: приемники и излучатели света. В первых происходит преобразование энергии света в электрическую энергию или световой сигнал преобразуется в электрический сигнал (здесь, конечно, тоже происходит преобразование энергии, но важны временные параметры). Во вторых происходит обратное преобразование энергии. Наконец, существуют компоненты, в которых происходит двойное преобразование сигнала (энергии) по схеме: «электричество->свет->электричество».

Многие из рассмотренных выше полупроводниковых устройств в той или иной степени обладают свойствами подобных преобразователей, и их развитие привело к созданию в виде отдельных компонентов с определенными характеристиками.

Работа оптоэлектронных приборов основана на открытиях физиков: Беккереля, Герца, Столетова, Эйнштейна, Басова, Прохорова, Таунса и др.

Фоторезисторы

Фоторезистор включают в цепь последовательно с источником напряжения и резистором нагрузки. За счет внутреннего фотоэффекта под действием света он уменьшает свое сопротивление: фотоны переводят электроны в зону проводимости, в результате чего возрастает концентрация носителей электричества (электронов и дырок) и сопротивление уменьшается. В качестве светочувствительного материала в фоторезисторах используют сульфид или селенид кадмия, которые наносят на изолирующую подложку.

В отсутствие светового потока в фоторезисторах протекает небольшой темновой ток, обуславливающий их темновое сопротивление от 1 до 100 МОм. С ростом светового потока их сопротивление может уменьшиться в 1000 раз.

Фоторезисторы являются сравнительно инерционными приборами: их постоянная времени составляет 10…100 мс.

Основными параметрами фоторезисторов являются: темновое сопротивление и кратность его изменения, рабочее напряжение и ток.

Фотогальванические (солнечные) элементы

Фотогальванический элемент представляет собой источник тока, выполненный на основе р-n перехода в полупроводниковых материалах (кремний). Принцип их действия также основан на внутреннем фотоэффекте, но наличие р-n перехода приводит к разделению зарядов на электродах и, следовательно, к возникновению фото-ЭДС. Для одного элемента величина ЭДС невелика и при токе 50 мА составляет 0,45 В. Для увеличения тока элементы выполняют с большой плоской поверхностью, а для увеличения напряжения соединяют последовательно в батарею. КПД преобразования энергии света в электрическую энергию у них также не высок (15 %), но зато они являются экологически чистыми возобновляемыми источниками электроэнергии.

Фотодиоды

Устройство фотодиода подобно устройству фотогальванического элемента, а использование аналогично фоторезистору или гальваническому элементу.

Существует два типа фотодиодов с обычным р-n переходом и так называемым p-i-n переходом. В p-i-n фотодиоде, как и в упомянутом выше пин-диоде, между р и n областями, имеется прослойка из нелегированного полупроводника. Это приводит к улучшению ряда их характеристик, например быстродействия. В корпусе фотодиода имеется стеклянное окошко, позволяющее свету попадать на р-n переход (рис. 15, а, б).

Рис. 15. Оптоэлектронные компоненты (внешний вид, УГО и компоненты EWB):

а, б — фото- и светодиоды; в, г — цифровые индикаторы

Основными параметрами фотодиодов являются: темновой ток, рабочее напряжение и чувствительность по отношению к световому потоку.

Фотодиод может работать в двух режимах как фоторезистор и в генераторном режиме, когда внешний источник отсутствует и с его зажимов снимается фото-ЭДС.

Фототранзисторы

Фототранзисторы устроены аналогично обычным транзисторам, но, как и в фотодиоде, в их корпусе имеется светопрозрачное окошко, через которое свет попадает на базу прибора. Благодаря этому в базе генерируются дополнительные носители заряда, что эквивалентно подаваемому на нее сигналу управления.

Фототранзистор может и не иметь электрического вывода от базы (диодное включение). По сравнению с фотодиодами фототранзисторы имеют большие выходные токи из-за своих усилительных свойств, хотя их инерция немного больше.

Основными параметрами фототранзисторов служат: рабочее напряжение и темновой ток при этом напряжении; наибольший ток при освещении прибора и его интегральная чувствительность.

Фототранзисторы выполняют также на основе так называемых однопереходных транзисторов (или двухбазовых диодов).

Фототиристоры

В фототиристоре, как и в обычном тиристоре, используется четырехслойная полупроводниковая структура р-n-р-n; конструктивно он выполняется так, чтобы свет попадал на высокоомную n-базовую область. Таким образом, световой импульс играет роль импульса управляющего тока, отпирающего тиристор. Так же, как и обычный тиристор, он остается включенным после действия импульса и для его выключения надо выключить приложенное к нему внешнее напряжение.

Светоизлучающие диоды

Светоизлучающий диод или сокращенно светодиод представляет собой полупроводниковый диод, преобразующий электрические сигналы в световые. Работа светодиодов основана на физическом явлении, называемом электролюминесценцией. Возбуждение полупроводниковой структуры сопровождается рекомбинацией электронов и дырок с последующим излучением квантов света. Для получения требуемого цвета свечения используются специально подобранные многокомпозитные полупроводники. В результате использования карбида кремния получают красно-оранжевый цвет свечения, антимонида галлия — желтый, а теллурида цинка — зеленый.

Чаще всего светодиоды выпускают в круглых пластмассовых корпусах диаметром 3 или 5 мм (рис. 15, а, б). Для вывода света базовая область светодиода выполняется в виде полусферической линзы (либо имеет аналогичное покрытие).

Светодиоды широко используются в качестве индикаторов общего применения, заменяя лампы накаливания, так как имеют меньшие габариты и меньшее энергопотребление.

Прямые токи светодиодов составляют 5…22 мА, а прямое напряжение около 2…6 В. Максимальное обратное напряжение у отдельных типов светодиодов составляет 5 В.

Комбинируя светодиоды, создают специальные знаковые индикаторы. Примером может служить одноразрядный семисегментный индикатор, позволяющий за счет внешней коммутации сегментов высвечивать цифры от 0 до 9 (рис. 15, г).

Светодиоды могут иметь несколько р-n переходов на одном кристалле — матричные светодиоды. Из подобных структур создают многоразрядные знакосинтезирующие индикаторы (рис 15, в).