Полупроводниковый диод устройство: типы, классификация, принцип действия, характеристики, устройство и использование

Содержание

типы, классификация, принцип действия, характеристики, устройство и использование

Полупроводниковые диоды широко применяются в электронике и электронной промышленности. Они используются как самостоятельно, так и в качестве p-n-перехода транзисторов и многих других устройств. Как дискретный компонент диоды являются ключевой частью многих электронных схем. Они находят множество применений, начиная от маломощных приложений до выпрямителей тока.

Что такое диод?

В переводе с греческого название данного электронного элемента буквально обозначает «два вывода». Они называются анодом и катодом. В цепи ток проходит от анода к катоду. Полупроводниковый диод является односторонним элементом, и движение тока в противоположном направлении блокируется.

Принцип действия

Устройство полупроводниковых диодов очень разное. Это является причиной того, что существует много их типов, которые различаются как по номиналу, так и по исполняемым ими функциям. Тем не менее в большинстве случаев основной принцип работы полупроводниковых диодов одинаков. Они содержат р-n-переход, который и обеспечивает их базовую функциональность.

Этот термин обычно используется по отношению к стандартной форме диода. В действительности же он применим практически к любому их типу. Диоды составляют основу современной электронной промышленности. Все – от простых элементов и транзисторов до современных микропроцессоров – базируется на полупроводниках. Принцип действия полупроводникового диода основан на свойствах полупроводников. Технология опирается на группу материалов, внесение примесей в кристаллическую решетку которых позволяет получить участки, в которых носителями заряда являются дырки и электроны.

Р-n-переход

Диод р-n-типа получил свое название потому, что в нем используется р-n-переход, который позволяет току течь только в одном направлении. Элемент обладает и другими свойствами, которые также находят широкое применение. Полупроводниковые диоды, например, способны излучать и регистрировать свет, изменять емкость и регулировать напряжение.

P-n-переход является базовой полупроводниковой структурой. Как следует из названия, он представляет собой соединение между областями p- и n-типа. Переход позволяет носителям заряда двигаться только в одном направлении, что, например, дает возможность преобразовывать переменный ток в постоянный.

Стандартные диоды обычно производятся из кремния, хотя также используется германий и другие полупроводниковые материалы, в основном для специальных целей.

Вольт-амперная характеристика

Диод характеризуется вольт-амперной кривой, которую можно разделить на 2 ветви: прямую и обратную. В обратном направлении ток утечки близок к 0, но с ростом напряжения он медленно увеличивается и при достижении напряжения пробоя начинает резко возрастать. В прямом направлении ток быстро нарастает с увеличением приложенного напряжения выше порога проводимости, который составляет 0,7 В для диодов из кремния и 0,4 В из германия. Элементы, в которых используются другие материалы, имеют другие вольт-амперные характеристики и напряжения порога проводимости и пробоя.

Диод c р-n-переходом можно рассматривать как устройство базового уровня. Он широко используется во многих приложениях – от сигнальных цепей и детекторов до ограничителей или подавителей переходных процессов в индукционных или релейных катушках и выпрямителей высокой мощности.

Характеристики и параметры

Спецификации диодов предоставляют большой объем данных. При этом точные пояснения того, что они собой представляют, не всегда доступны. Ниже приведены подробные сведения о различных характеристиках и параметрах диода, которые приводятся в спецификациях.

Материал полупроводника

Материал, используемый в р-n-переходах, имеет первостепенное значение, поскольку он влияет на многие основные характеристики полупроводниковых диодов. Наиболее широко применяется кремний, поскольку он отличается высокой эффективностью и низкими производственными издержками. Еще одним часто используемым элементом является германий. Другие материалы, как правило, применяются в диодах специального назначения. Выбор полупроводникового материала важен, поскольку от него зависит порог проводимости – около 0,6 В для кремния и 0,3 В для германия.

Падение напряжения в режиме прямого тока (U пр.)

Любая электрическая цепь, через которую проходит ток, вызывает падение напряжения, и этот параметр полупроводникового диода имеет большое значение, особенно для выпрямления, когда потери мощности пропорциональны U пр. Кроме того, электронные элементы часто должны обеспечивать небольшое падение напряжения, поскольку сигналы могут быть слабыми, но им все же необходимо преодолеть его.

Это происходит по двум причинам. Первая заключается в самой природе р-n-перехода и является результатом напряжения порога проводимости, которое позволяет току преодолеть обедненный слой. Вторая составляющая – нормальные резистивные потери.

Показатель имеет большое значение для выпрямительных диодов, по которым могут проходить большие токи.

Пиковое обратное напряжение (U обр. max)

Это наибольшее обратное напряжение, которое полупроводниковый диод может выдержать. Его нельзя превышать, иначе элемент может выйти из строя. Это не просто среднеквадратичное напряжение входящего сигнала. Каждая цепь должна рассматриваться по существу, но для простого выпрямителя с одной полуволной со сглаживающим конденсатором следует помнить, что конденсатор будет удерживать напряжение, равное пику входного сигнала. Затем диод будет подвергаться действию пика входящего сигнала в обратном направлении, и поэтому в этих условиях будет иметь место максимальное обратное напряжение, равное пиковому значению волны.

Максимальный прямой ток (U пр. max)

При проектировании электрической цепи необходимо удостовериться в том, что не превышаются максимальные уровни тока диода. По мере увеличения силы тока выделяется дополнительное тепло, которое необходимо отводить.

Ток утечки (I обр.)

В идеальном диоде обратного тока не должно быть. Но в реальных р-n-переходах он есть из-за присутствия в полупроводнике неосновных носителей заряда. Сила тока утечки зависит от трех факторов. Очевидно, что наиболее значимым из них является обратное напряжение. Также ток утечки зависит от температуры – с ее ростом он значительно повышается. Кроме того, он сильно зависит от типа полупроводникового материала. В этом отношении кремний намного лучше германия.

Ток утечки определяется при определенном обратном напряжении и конкретной температуре. Обычно он указывается в микроамперах (μA) или пикоамперах (pA).

Емкость перехода

Все полупроводниковые диоды обладают емкостью перехода. Обедненная зона представляет собой диэлектрический барьер между двумя пластинами, которые формируются на краю обедненного участка и области с основными носителями заряда. Фактическое значение емкости зависит от обратного напряжения, которое приводит к изменению переходной зоны. Его увеличение расширяет обедненную зону и, следовательно, уменьшает емкость. Этот факт используется в варакторах или варикапах, но для других применений, особенно радиочастотных, этот эффект необходимо свести к минимуму. Параметр обычно указывается в pF при заданном напряжении. Для многих радиочастотных применений доступны специальные низкоомные диоды.

Тип корпуса

В зависимости от назначения полупроводниковые диоды производятся в корпусах разного типа и формы. В некоторых случаях, особенно при использовании в схемах обработки сигналов, корпус является ключевым элементом в определении общих характеристик этого электронного элемента. В силовых цепях, в которых важно рассеивание тепла, корпус может определять многие общие параметры диода. Устройствам большой мощности необходимо иметь возможность крепления к радиатору. Небольшие элементы могут производиться в свинцовых корпусах или в качестве устройств для поверхностного монтажа.

Типы диодов

Иногда бывает полезно ознакомиться с классификацией полупроводниковых диодов. При этом некоторые элементы могут относиться к нескольким категориям.

Обращенный диод. Хотя он и не так широко используется, представляет собой разновидность элемента р-n-типа, который по своему действию очень похож на туннельный. Отличается низким падением напряжения в открытом состоянии. Находит применение в детекторах, выпрямителях и высокочастотных переключателях.

Инжекционно-пролетный диод. Имеет много общего с более распространенным лавинно-пролетным. Используется в СВЧ-генераторах и системах сигнализации.

Диод Ганна. Не относится к р-n-типу, но представляет собой полупроводниковое устройство с двумя выводами. Он обычно используется для генерации и преобразования сигналов СВЧ в диапазоне 1-100 ГГц.

Светоизлучающий или светодиод – один из наиболее популярных типов электронных элементов. При прямом смещении ток, протекающий через переход, вызывает излучение света. В них используются составные полупроводники (например, арсенид галлия, фосфид галлия, фосфид индия), и они могут светиться разными цветами, хотя первоначально ограничивались только красным. Существует множество новых разработок, которые меняют способ функционирования и производства дисплеев, примером которых являются OLED-светодиоды.

Фотодиод. Используется для обнаружения света. Когда фотон попадает на p-n-переход, он может создавать электроны и дырки. Фотодиоды обычно работают в условиях обратного смещения, при которых можно легко обнаружить даже небольшой ток, возникающий в результате действия света. Фотодиоды можно использовать для генерации электроэнергии. Иногда в качестве фотоприемников применяются элементы pin-типа.

Pin-диод. Название электронного элемента хорошо описывает устройство полупроводникового диода. У него стандартные области р- и n-типа, но между ними существует внутренняя область без примесей. Она оказывает эффект увеличения площади области истощения, которая может быть полезна для переключения, а также в фотодиодах и т. д.

Стандартный р-n-переход можно рассматривать как обычный или стандартный тип диода, который используется сегодня. Они могут применяться в радиочастотных или других низковольтных устройствах, а также в высоковольтных и высокомощных выпрямителях.

Диоды Шоттки. Имеют более низкое прямое падение напряжения, чем стандартные кремниевые полупроводники р-n-типа. При малых токах оно может составлять от 0,15 до 0,4 B, a не 0,6 В, как у кремниевых диодов. Для этого они изготавливаются не как обычно – в них используется контакт металл-полупроводник. Они широко применяются в качестве ограничителей, выпрямителей и в радиоаппаратуре.

Диод с накоплением заряда. Представляет собой разновидность СВЧ-диода, используемого для генерации и формирования импульсов на очень высоких частотах. Его работа основана на очень быстрой характеристике отключения.

Лазерный диод. Отличается от обычного светоизлучающего, поскольку производит когерентный свет. Лазерные диоды применяются во многих устройствах – от DVD и CD-приводов до лазерных указок. Они намного дешевле других форм лазеров, но значительно дороже светодиодов. Отличаются ограниченным сроком эксплуатации.

Туннельный диод. Хотя сегодня он широко не используется, ранее применялся в усилителях, генераторах и переключающих устройствах, схемах синхронизации осциллографов, когда он был эффективнее других элементов.

Варактор или варикап. Используется во многих радиочастотных устройствах. У данного диода обратное смещение меняет ширину слоя истощения в зависимости от приложенного напряжения. В этой конфигурации он действует как конденсатор с областью истощения, выполняющей роль изолирующего диэлектрика, и пластинами, образованными проводящими областями. Применяется в генераторах, управляемых напряжением, и радиочастотных фильтрах.

Стабилитрон. Является очень полезным типом диода, поскольку обеспечивает стабильное опорное напряжение. Благодаря этому стабилитрон используется в огромных количествах. Работает в условиях обратного смещения и пробивается при достижении определенной разницы потенциалов. Если ток ограничен резистором, то это обеспечивает стабильное напряжение. Широко используется для стабилизации источников питания. В стабилитронах имеют место 2 вида обратного пробоя: разложение Зинера и ударная ионизация.

Таким образом, различные типы полупроводниковых диодов включают элементы для маломощных и высокомощных применений, излучающие и обнаруживающие свет, с низким прямым падением напряжения и переменной емкостью. В дополнение к этому существует ряд разновидностей, которые используются в СВЧ-технике.

Типы полупроводниковых диодов

Полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом, работа которого заключается в преобразования одних электрических значений в другие, называют диодом. В конструкции данного изделия предусматривается два вывода для монтажа.

Диоды полупроводниковые

На принципиальных электрических схемах полупроводниковые диоды изображаются в виде треугольника и отрезка, расположенного на одной из его вершин и находящегося параллельно противолежащей стороне.

В зависимости от разработки диода его обозначение может включать дополнительные символы. В любом случае вершина треугольника, примыкающая к осевой линии диода, указывает на направление протекания тока.

В той части обозначения, где располагается треугольник, находится p-область, которую ещё называют анодом или эмиттером, а со стороны, где к треугольнику примыкает отрезок, находится n-область, которую соответственно называют катодом, или базой.

Полупроводниковые диоды, назначение которых заключается в преобразовании переменного тока в постоянный ток, называются выпрямительными. Выпрямление переменного тока с использованием полупроводникового диода построено на основе его односторонней электропроводности, которая заключается в том, что диод создаёт очень малое сопротивление току, текущему в прямом направлении, и достаточно большое сопротивление обратному току.

Для того чтобы выпрямить ток большой силы не опасаясь теплового пробоя, конструкция диодов должна предусматривать значительную площадь p—n-перехода. В связи, с чем в выпрямительных полупроводниковых диодах задействуют специальные

p—n-переходы соответствующие последнему слову науки и техники.

Технология создания p—n-перехода получается, за счёт ввода в полупроводник p-или n-типа примеси, которая создаёт в нем область с противоположным значением электропроводности. Примеси можно добавлять методом сплавления или диффузии.

Диоды, получаемые методом сплавления, называют «сплавными», а изготавливаемые методом диффузии «диффузионными».

Простейший выпрямитель

В ходе положительного полупериода входного напряжения U₁ диод V работает в прямом направлении, его сопротивление маленькое и на нагрузке R_H напряжение U₂ практически равно входящему напряжению.

График напряжения на входе и выходе простейшего однополупериодного выпрямителя

При отрицательном полупериоде данного входного напряжения диод включен в направлении обратно, где его сопротивление формируется значительно больше, чем сопротивление на нагрузке, и почти все входящее напряжение падает на диоде, а напряжение на нагрузке приближается к нулю. В такой схеме для получения выпрямленного напряжения используется всего лишь один полупериод входящего напряжения, поэтому такой тип выпрямителей называется однополупериодным.

Полупроводниковые диоды, которые используются для стабилизации постоянного напряжения на нагрузке, называют стабилитронами. В стабилитронах задействован участок обратной участка вольтамперной характеристики в поле электрического пробоя.

Схема простейшего стабилизатора напряжения

В данном случае при изменении тока, проходящего через стабилитрон, от I_{ст. мин.} до

I_{ст. макс.} напряжение на нем практически не изменяется. Если нагрузка R_H включена параллельно стабилитрону, уровень напряжения на ней также будет оставаться неизменным в указанных пределах изменения тока, проходящего через стабилитрон.

График стабилитрона

Такими диодами стабилизируют уровень напряжения примерно от 3,5 В и выше. Для стабилизации постоянного напряжения до 1 вольта применяют стабисторы. У стабисторов работает не обратная, а прямая часть вольтамперной характеристики. Поэтому их подсоединяют не в обратном, как делают со стабилитронами, а в прямом направлении. Электронные компоненты, такие как стабисторы и стабилитроны, как правило, изготовляются, из кремния.

Вольтамперная характеристика стабистора

Плоскостные диоды обладают с высокими ёмкостными характеристиками. С увеличением частоты емкостное сопротивление понижается, что приводит к нарастанию его обратного тока. На больших частотах вследствие того в диоде есть ёмкость, величина его обратного тока может достичь значения прямого тока, и этот диод, таким образом, утратит свое основное свойство односторонней электропроводности. Для сохранения своих функциональных качеств необходимо снизить емкость диода. Это достигается с помощью всевозможных технологических и конструктивных методов, направленных на сокращения площади

p—n-перехода.

В диодах, используемых в схемах, работающих с высокочастотным током, применяют изделия с точечными и микросплавными p—n-переходами. Нужный точечный p—n-переход, получается в месте контакта заостренного окончания специальной металлической иглы с полупроводником. При этом применяют способ электроформования, заключающемся в том, что через соединение проволоки и кристалла полупроводники протекают импульсы электрического тока, формирующие в месте их контакта p—

n-переход. Микросплавными называются такие диоды, у которых p—n-переход создаётся при электроформовании контакта между пластинкой полупроводника и металлическим предметом с плоским торцом.

Устройство и принцип работы полупроводниковых диодов | Electrotechnical Laboratory

Всем привет мои дорогие друзья, подписчики и коллеги.

Сегодня я хочу рассказать про то как устроены и работают полупроводниковые диоды.

Полупроводниковый диод, это электронный прибор, который способен пропускать электрический ток, только в одном направлении. Такие приборы как правило применяются в выпрямительных устройствах, а также в электрических и электронных схемах, где нужно конкретное направление тока.

Схема однофазного мостового выпрямителя

Основным элементом диода, являются полупроводники, как правило это кремний или германий. Но сами полупроводники обладают высокими сопротивлениями и низкой проводимостью, из-за того, что эти элименты являются четырехвалентными, и каждый его электрон на внешней орбите атома имеет связь с другим электроном другого атома. Для того, чтобы полупроводники могли проводить электрический ток, в них добавляют примеси, в виде доноров и акцепторов.

Кристаллическое строение атома кремния

Диод имеет две зоны проводимости это р — зона и n — зона. В зону p — типа добавляют акцепторы, в виде трехвалентных химических элементов, которые образуют дырки, а в зону n — типа — доноры — пятивалентные химические элементы, которые образуют свободные электроны.

Пример примесей доноров и акцепторов

Две эти зоны соединены на кристаллическом уровне. Сам диод имеет два вывода, анод и катод.

При подачи на диод прямое напряжение, (к аноду — плюс, к катоду — минус) свободные электроны начнут переходить из области — n, в область — p, а дырки начнут перемещаться из области — p в область — n. При этом его сопротивление уменьшится и диод будет проводить электрический ток.

При подачи на диод обратного напряжения, (к аноду — минус, к катоду — плюс) свободные электроны сместиться к выводу катода, а дырки к выводу анода, в зоне p-n перехода образуется запирающий слой, который увеличит сопротивление диода, который не позволит диоду пропускать электрический ток. А точнее ток будет протекать очень слабый, который называется обратным током.

Вольт-Амперная характеристика полупроводникового диода и прямая — обратная подача напряжения на диод

Если вам понравился это материал, то поставьте ему лайк, а также не забудьте подписаться на наш канал и нажать на колокольчик, чтобы не пропускать новые выпуски. Всем пока.

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод — это полупроводниковый прибор с одним электронно-дырочным переходом (основная часть) и двумя выводами. Примеры внешнего вида диодов приведены на рис. 1.

Рис. 1. Полупроводниковые диоды.

По конструкции полупроводниковые диоды могут быть плоскостными и точечными. Устройство плоскостного диода показано на рис. 2. К кристаллодержателю припаивается пластинка полупроводника n-типа.

Кристалложержатель – это металлическое основание плоскостного диода. Сверху в пластинку полупроводника вплавляется капля трёхвалентного металла, обычно индия. Атомы индия диффундируют (проникают) в полупроводниковую пластинку и образуют у её поверхности слой р-типа. Между слоями р- и n-типов образуется электронно-дырочный переход (ЭДП). К кристаллодержателю и индию припаиваются проводники, которые служат выводами диода. Для предохранения диода от механических повреждений, попадания света, пыли и влаги на полупроводник, его помещают в герметичный корпус.

На рис. 2 позиция 1 – это вывод р-области, позиция 2 – вывод n-области.

Рис. 2. Устройство плоскостного диода.

Точечный полупроводниковый диод состоит из пластинки полупроводника n-типа и заострённой пружинки из вольфрама или фосфористой бронзы диаметром около 0,1 мм. Через прижатую к полупроводниковой пластинке пружинку пропускают электрический ток большой силы, в результате чего металлическая пружинка сваривается с полупроводниковой пластинкой, образуя под своим остриём р-область. Между р-областью и полупроводником n-типа возникает электронно-дырочный переход.

На рис. 3 приведены условные графические обозначения (УГО) различных диодов. Острая вершина треугольника в УГО указывает на направление протекания прямого тока через диод. То есть для того, чтобы диод пропускал ток, включать его нужно так, чтобы на основание треугольника подавался «плюс» (или на прямолинейный отрезок подавался «минус»). Если включить диод в обратном направлении, то он не будет пропускать ток (потому и называется полупроводником – пропускает ток только в одном направлении). Пример включения диода показан на рис. 4. Пример применения диода можно увидеть на рис. 5.

Рис. 3. Условное графическое обозначение (УГО) диодов.

р-область диода (то есть вывод, на который в прямом направлении подаётся «плюс») носит название анод. Противоположный вод называется катод.

Рис. 4. Включение диода.

1. Общие сведения и принцип работы полупроводникового диода

Если вкратце, полупроводниковый диод — устройство, пропускающее ток в одном направлении. Это определение достаточно поверхностное, однако на первых порах этого будет достаточно. Как и у всех электронных компонентов, у диода есть свое графическое изображение, которое показано ниже:

Диод имеет два вывода: анод (А) и катод (К). Он будет пропускать ток, если напряжение на аноде выше, чем на катоде на определенную величину. Назовем эту величину «потенциалом отпирания». Давайте рассмотрим вольт-амперную характеристику диода:

Для удобства будем рассматривать только правую часть графика, из которой видно, что при достижении напряжения некой величины,ток через диод начнет лавинообразно нарастать. Это и есть тот самый потенциал отпирания диода. Величина его зависит от многих параметров, таких как степень легирования полупроводника, температуры, материала, и т. д. На практике, для кремния, величина отпирания примерно равна 0,65 Вольт. Давайте рассмотрим, откуда берется этот потенциал.

В момент соединения двух полупроводников разных типов проводимости, в о дном из которых основными носителями заряда являются электроны (проводимость n-типа), а в другом — дырки (проводимость p-типа), на стыках соединения формируется область пространственного заряда (ОПЗ). Ниже, условно изображен процесс, протекающий при этом:

Поскольку заряды разноименные (изображены кружками со стрелочками), они стремятся друг к другу, а на их месте остаются ионы, имеющие заряд противоположный заряду, который его занимал, то есть, если электрон устремился в область p-типа, на его месте остался ион с положительным зарядом. Та же самая ситуация касается и дырок, причем, первыми начнут свое движение частицы, которые находятся ближе к стыку соединения, поскольку там расстояние между противоположными зарядами меньше. Так вот, устремившись друг к другу, эти заряды «оставляют за собой» неподвижные ионы, которые формируют электрическое поле на границе стыка. Чем больше количество электронов и дырок покинут свое место, тем больше будет потенциал поля, сформированного ионами. Электроны и дырки перестанут двигаться друг к другу тогда, когда величина поля сформированного ионами станет достаточной для того, чтобы препятствовать движению противоположных зарядов друг к другу. В этом случае, наступает равновесие. Рассмотрим, что будет происходить при подключении внешнего источника.

Прямое включение диода

При прямом включении, к аноду подключается положительный потенциал, а к катоду отрицательный потенциал внешнего источника, как показано ниже:
В этом случае, потенциал отпирания диода компенсируется внешним источником, если величина электрического поля внешнего источника больше.Также, внешний источник устремляет электроны и дырки друг к другу. Через диод практически беспрепятственно начинает протекать ток.

Обратное включение диода

Обратным включением диода называется такое соединение, при котором положительный потенциал внешнего источника подключен к катоду диода, а отрицательный — к аноду. Рассмотрим, что происходит в таком случае:

В такой ситуации, электроны и дырки будут устремляться друг от друга, поскольку электроны будут притягиваться к положительному потенциалу, а дырки — к отрицательному потенциалу внешнего источника. К тому же, величина внутреннего электрического поля диода будет расти, поскольку на тех местах, откуда устремились электроны и дырки к потенциалам внешнего источника, остаются неподвижные ионы, которых стало больше,чем было изначально. По идее, в этом случае электрический ток не должен идти. Однако это не совсем так. Ток в такой цепи течет, но он очень, очень маленький (десятки наноампер на практике). Связано это вот с чем. Выше я упоминал, что при соединении двух полупроводников противоположных типов проводимостей, их свободные заряды устремляются друг к другу. При таком контакте, электрон, попав в полупроводник p-типа остается там, он никуда не исчезает. Тоже самое касается и дырок. Такие заряды называют неосновными. Из-за этих зарядов и протекает ток в обратном включении. Но их очень мало, по сравнению с основными. Соответственно, величина этого тока (обратного) будет намного меньше по сравнению с прямым током.
Итак, резюмируя: полупроводниковый диод — устройство, величина тока которого при прямом включении намного больше, чем в обратном.
На этом пока все). В следующий раз перейдем к практической части.

Диод полупроводниковый — Энциклопедия по машиностроению XXL

Диод полупроводниковый, полупроводниковый [c.318]

Стандарты устанавливают буквенно-цифровые позиционные обозначения для наиболее распространенных элементов. Например, резистор-R конденсатор — С дроссель и катушка индуктивности-L амперметр — РЛ вольтметр-Р С/ батарея аккумуляторная (или гальваническая)-GB выключатель (переключатель, ключ, контроллер и т. n.)-S генератор-G транзистор и диод полупроводниковый, выпрямительное устройство — V двигатель (мотор)-М предохранитель-F трансформатор-Г электромагнит (или муфта электромагнитная) — У. [c.278]

Диод полупроводниковый вентиль полупроводниковый [c.224]

Выпрямитель твердый—см. диод полупроводниковый. [c.141]

Диод полупроводниковый диффузионный — плоскостной диод, изготовленный диффузионным методом, имеет неоднородный эмиттерный слой и плавный р — п переход [3]. [c.143]

Динамика машин и механизмов 29, 30 Диоды полупроводниковые 420 Дороги подвесные канатные 173, 176, 180 [c.434]

Диод полупроводниковый 213 Диполь электрический 207 Директива (программирование) 160 Дисперсия 114 [c.446]

При работе генератора ток в обмотку возбуждения генератора поступает от кремниевых диодов полупроводникового выпрямителя, смонтированного в генераторе. [c.136]

I. Диод — полупроводниковый прибор, обладающий свойствами пропускать электрический ток. .. [c.65]

Полупроводниковый диод. Полупроводниковый выпрямитель (столб полупроводниковый) [c.372]

Туннельный диод — полупроводниковый диод, имеющий вольт-ам-перную характеристику (рис. 3.18), отличающуюся наличием участка с отрицательным сопротивлением при прямом включении и способностью пропускать ток в обратном направлении. Основными параметрами туннельных диодов являются ток пика и ток впадины / , причем сила тока / , =0,1… 00 тА, / .// =5…20. [c.469]

Из арсенида галлия изготовляют фотоэлементы с к. п. д. порядка 7%, дозиметры рентгеновского излучения, туннельные диоды, полупроводниковые лазеры. [c.361]

Диод полупроводниковый. Выпрямитель полупроводниковый (столб полупроводниковый) ФЬ [c.165]

Диод полупроводниковый Выпрямительное устройство [c.166]

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ диод — ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ТРИОД [c.123]

Диод полупроводниковый 53—58 —, вольт-амперная характеристика [c.203]

Генератор переменного тока (рис. 127) — это трехфазная 12-полюсная синхронная электромашина с блоком полупроводниковых выпрямителей— кремниевых диодов. Полупроводниковые диоды, собранные в мостовую схему, преобразуют переменный ток генератора в постоянный. Диоды не пропускают ток в обратном направлении, и это обстоятельство позволило отказаться от применения реле обратного тока в электрооборудовании автомобиля. [c.161]

Электронно-дырочный переход обладает односторонней (униполярной) проводимостью, аналогично выпрямляющему действию двухэлектродной лампы — диода (П1.3.8.3°). Поэтому полупроводник с одним р—-п-переходом называется полупроводниковым диодом. Полупроводниковые диоды обладают целым рядом преимуществ перед электронными двухэлектродными лампами (экономия энергии для получения носителей тока, миниатюрность, высокая надежность и большой срок службы). Недостатком полупроводниковых диодов является ограниченный интервал температур, в котором они работают (приблизительно от —70 до +125 °С). [c.249]

Диод полупроводниковый, общее обозначение [c.356]

Диод полупроводниковый высокочастотный — диод, предназначенный для выпрямления т. в. ч. или преобразования частоты обычно точечный [3]. [c.143]

Диод полупроводниковый импульсный — диод, обладающий малой барьерной емкостью и малым временем восстановления обратного сопротивления (1 мкс и менее) используется в импульсных схемах и как ключевой элемент [3]. [c.143]

Диод полупроводниковый — электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом (переходами), имеющий два вывода [3, 4]. [c.143]

ТУННЕЛЬНЫЙ ДИОД (Эсаки диод) — полупроводниковый диод, содержащий р—л-переход с очень малой толщиной запирающего слоя. Действие Т, д. основано на прохождении свободных носителей заряда (электронов) сквозь узкий потенн- барьер благодаря квантовомеханич, процессу туннелирования (см. Туннельный эффект). Поскольку вероятность туннельного просачивания электронов через барьер в значит, мере определяется шириной области пространств, заряда в р — -переходе, Т. д. изготовляют на основе вырожденных полупроводников (с кон-центрагшей примесей до Ю — —10 м ). При этом получается резкий р—п-переход с толщиной запирающего слоя [c.174]

Диод полупроводниковый. Выпрямитель полупроводниковый (столб полупроводниковый) Примечание. Вершина треугольника указывает направление наибольшей проводимости [c.141]

Диод полупроводниковый. Выпрямитель неполупроводниковый (столб полупроводниковый), состоящий из одного или нескольких последовательно, параллельно смешанно-соединенных диодов (вершина треугольника указывает направление наибольшей проводимости) [c.54]

Шумы в полупроводниках обычно также разделяют на тепловой, дробовой и фликкер-шум. Однако, учитывая своеобразие процессов, протекающих в полупроводниках, различают а) Г е п е -р а ц и о п н о — р е к о м б и н а ц и о н II ы й шум, создаваемый спонтанными Ф. скоростей генерации, рекомбинации, улавливания и т. д. носителей заряда (электронов и дырок), что приводит к Ф. плотности свободных носителей. Для полупроводниковых приборов, содержащих р—п-переходы (полупроводниковый диод, полупроводниковый триод), этот шум значительно ближе к дробовому, чем для полупроводниковых льатериалов (термисторы, фотосопротивления). [c.322]

gaz.wiki — gaz.wiki

Navigation

Main page

Languages

Deutsch
Français
Nederlands
Русский
Italiano
Español
Polski
Português
Norsk
Suomen kieli
Magyar
Čeština
Türkçe
Dansk
Română
Svenska

Полупроводниковый прибор | электроника | Britannica

Полупроводниковые материалы

Твердотельные материалы обычно делятся на три класса: изоляторы, полупроводники и проводники. (При низких температурах некоторые проводники, полупроводники и изоляторы могут стать сверхпроводниками.) На рисунке 1 показаны удельные проводимости σ (и соответствующие удельные сопротивления ρ = 1 / σ), которые связаны с некоторыми важными материалами каждого из трех классов. Изоляторы, такие как плавленый кварц и стекло, имеют очень низкую проводимость, порядка от 10 ⁻¹⁸ до 10 ⁻¹⁰ сименс на сантиметр; а проводники, такие как алюминий, обладают высокой проводимостью, обычно от 10 ⁴ до 10 ⁶ сименс на сантиметр.Электропроводность полупроводников находится между этими крайними значениями.

Проводимость полупроводника обычно чувствительна к температуре, освещению, магнитным полям и незначительным количествам примесных атомов. Например, добавление менее 0,01 процента примеси конкретного типа может увеличить электрическую проводимость полупроводника на четыре или более порядков (, то есть в 10000 раз). Диапазоны проводимости полупроводников за счет примесных атомов для пяти распространенных полупроводников приведены на рисунке 1.

Изучение полупроводниковых материалов началось в начале 19 века. За прошедшие годы было исследовано множество полупроводников. В таблице показана часть периодической таблицы, относящаяся к полупроводникам. Элементарные полупроводники состоят из отдельных видов атомов, таких как кремний (Si), германий (Ge) и серое олово (Sn) в столбце IV и селен (Se) и теллур (Te) в столбце VI. Однако существует множество сложных полупроводников, состоящих из двух или более элементов.Например, арсенид галлия (GaAs) представляет собой бинарное соединение III-V, которое представляет собой комбинацию галлия (Ga) из колонки III и мышьяка (As) из колонки V.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Часть периодической таблицы элементов, относящихся к полупроводникам
период	столбец
период	II	III	IV	V	VI
2		бор B	углерод C	азот N
3	магний мг	алюминий Al	кремний Si	фосфор P	сера S
4	цинк Zn	галлий Ga	германий Ge	мышьяк As	селен Se
5	кадмий Cd	индий В	олово Sn	сурьма Sb	теллур Te
6	ртуть Hg		свинец Pb

Тройные соединения могут быть образованы элементами из трех разных колонок, как, например, теллурид ртути и индия (HgIn ₂ Te ₄), соединение II-III-VI.Они также могут быть образованы элементами из двух столбцов, такими как арсенид алюминия-галлия (Al _x Ga _{1 — x} As), который представляет собой тройное соединение III-V, где как Al, так и Ga происходят из столбец III и нижний индекс x относятся к составу двух элементов от 100 процентов Al ( x = 1) до 100 процентов Ga ( x = 0). Чистый кремний является наиболее важным материалом для применения в интегральных схемах, а бинарные и тройные соединения III-V являются наиболее важными для излучения света.

До изобретения биполярного транзистора в 1947 году полупроводники использовались только как двухполюсные устройства, такие как выпрямители и фотодиоды. В начале 1950-х годов германий был основным полупроводниковым материалом. Однако он оказался непригодным для многих применений, поскольку устройства, изготовленные из этого материала, демонстрируют высокие токи утечки только при умеренно повышенных температурах. С начала 1960-х годов кремний стал практическим заменителем, фактически вытеснив германий в качестве материала для производства полупроводников.Для этого есть две основные причины: (1) кремниевые устройства демонстрируют гораздо более низкие токи утечки и (2) высококачественный диоксид кремния (SiO ₂), который является изолятором, легко производить. Кремниевая технология в настоящее время является самой передовой среди всех полупроводниковых технологий, а устройства на основе кремния составляют более 95 процентов всего полупроводникового оборудования, продаваемого во всем мире.

Многие сложные полупроводники обладают электрическими и оптическими свойствами, отсутствующими в кремнии.Эти полупроводники, особенно арсенид галлия, используются в основном для высокоскоростных и оптоэлектронных приложений.

Электронные свойства

Полупроводниковые материалы, рассматриваемые здесь, представляют собой монокристаллы — т. Е. атомов расположены в трехмерном периодическом порядке. На рис. 2А показано упрощенное двумерное представление кристалла собственного кремния, который очень чистый и содержит пренебрежимо малое количество примесей. Каждый атом кремния в кристалле окружен четырьмя ближайшими соседями.Каждый атом имеет четыре электрона на своей внешней орбите и делит эти электроны со своими четырьмя соседями. Каждая общая электронная пара представляет собой ковалентную связь. Сила притяжения электронов обоими ядрами удерживает два атома вместе.

При низких температурах электроны связаны в своих соответствующих положениях в кристалле; следовательно, они недоступны для электропроводности. При более высоких температурах тепловая вибрация может разрушить некоторые ковалентные связи. Разрыв связи дает свободный электрон, который может участвовать в проводимости тока.Как только электрон удаляется от ковалентной связи, в этой связи возникает недостаток электронов. Этот недостаток может быть восполнен одним из соседних электронов, что приводит к смещению местоположения недостатка с одного сайта на другой. Таким образом, этот недостаток можно рассматривать как частицу, подобную электрону. Эта фиктивная частица, названная дыркой, несет положительный заряд и движется под действием приложенного электрического поля в направлении, противоположном направлению движения электрона.

Для изолированного атома электроны атома могут иметь только дискретные уровни энергии.Когда большое количество атомов объединяется, чтобы сформировать кристалл, взаимодействие между атомами заставляет дискретные уровни энергии расширяться в энергетические зоны. Когда нет тепловой вибрации (, то есть при низкой температуре), электроны в полупроводнике полностью заполняют ряд энергетических зон, оставляя остальные энергетические зоны пустыми. Полоса с самым высоким заполнением называется валентной полосой. Следующая более высокая зона — это зона проводимости, которая отделена от валентной зоны запрещенной зоной.Эта запрещенная зона, также называемая запрещенной зоной, представляет собой область, обозначающую энергии, которыми электроны в полупроводнике не могут обладать. Большинство важных полупроводников имеют ширину запрещенной зоны от 0,25 до 2,5 эВ. Ширина запрещенной зоны кремния, например, составляет 1,12 эВ, а ширина запрещенной зоны арсенида галлия — 1,42 эВ.

Как обсуждалось выше, при конечных температурах тепловые колебания разрывают некоторые связи. Когда связь разрывается, свободный электрон вместе со свободной дыркой приводит к , то есть : электрон обладает достаточной тепловой энергией, чтобы пересечь запрещенную зону в зону проводимости, оставляя дырку в валентной зоне.Когда к полупроводнику прикладывают электрическое поле, как электроны в зоне проводимости, так и дырки в валентной зоне получают кинетическую энергию и проводят электричество. Электропроводность материала зависит от количества носителей заряда ( т.е. свободных электронов и свободных дырок) в единице объема и от скорости, с которой эти носители перемещаются под действием электрического поля. В собственном полупроводнике существует равное количество свободных электронов и свободных дырок.Однако электроны и дырки обладают разной подвижностью, то есть они движутся с разными скоростями в электрическом поле. Например, для собственного кремния при комнатной температуре подвижность электронов составляет 1500 квадратных сантиметров на вольт-секунду (см ² / В · с) — , то есть электрон будет двигаться со скоростью 1500 сантиметров в секунду под электрическим током. поле в один вольт на сантиметр — при подвижности дырок 500 см ² / В · с. Подвижности данного полупроводника обычно уменьшаются с повышением температуры или с увеличением концентрации примесей.

Электрическая проводимость в собственных полупроводниках довольно низкая при комнатной температуре. Чтобы добиться более высокой проводимости, можно намеренно ввести примеси (обычно до концентрации одной части на миллион атомов хозяина). Это так называемый процесс допинга. Например, когда атом кремния заменяется атомом с пятью внешними электронами, такими как мышьяк (рис. 2C), четыре электрона образуют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами кремния. Пятый электрон становится электроном проводимости, который «дарится» зоне проводимости.Кремний становится полупроводником типа n из-за добавления электрона. Атом мышьяка является донором. Точно так же на рисунке 2C показано, что, когда атом с тремя внешними электронами, такими как бор, заменяется атомом кремния, дополнительный электрон «принимается» для образования четырех ковалентных связей вокруг атома бора, и в атоме бора создается положительно заряженная дырка. валентная полоса. Это полупроводник типа p , в котором бор является акцептором.

Как работают полупроводники | HowStuffWorks

Устройство, которое блокирует ток в одном направлении, позволяя току течь в другом направлении, называется диодом .Диоды можно использовать по-разному. Например, устройство, которое использует батареи, часто содержит диод, который защищает устройство, если вы вставляете батареи задом наперед. Диод просто блокирует выход любого тока из батареи, если он перевернут — это защищает чувствительную электронику в устройстве.

Поведение полупроводникового диода не идеально, как показано на этом графике:

Когда смещает в обратном направлении, идеальный диод блокирует весь ток. Настоящий диод пропускает около 10 микроампер — немного, но все же не идеально.А если вы приложите достаточное обратное напряжение (В), соединение разорвется и пропустит ток. Обычно напряжение пробоя намного больше напряжения, чем когда-либо увидит схема, поэтому это не имеет значения.

Когда смещен в прямом направлении , для запуска диода требуется небольшое напряжение. В кремнии это напряжение составляет около 0,7 вольт. Это напряжение необходимо для запуска процесса комбинации дырка-электрон на переходе.

Другой важной технологией, связанной с диодом, является транзистор.У транзисторов и диодов много общего.

Транзисторы

Транзистор создается с использованием трех слоев , а не двух слоев, используемых в диоде. Вы можете создать сэндвич NPN или PNP. Транзистор может действовать как переключатель или усилитель.

Транзистор выглядит как два последовательно соединенных диода. Вы можете представить, что через транзистор не может протекать ток, потому что диоды, соединенные спиной к спине, блокируют ток в обоих направлениях. И это правда. Однако, когда вы прикладываете небольшой ток к центральному слою сэндвича, через сэндвич в целом может протекать гораздо больший ток.Это дает транзистору поведение при переключении . Небольшой ток может включать и выключать больший ток.

Кремниевый чип — это кусок кремния, который может содержать тысячи транзисторов. С транзисторами, действующими как переключатели, вы можете создавать логические вентили, а с логическими вентилями вы можете создавать микропроцессорные микросхемы.

Естественный переход от кремния к легированному кремнию, транзисторам и микросхемам — вот что сделало микропроцессоры и другие электронные устройства такими недорогими и повсеместными в современном обществе.Основные принципы удивительно просты. Чудо — это постоянное совершенствование этих принципов до такой степени, что сегодня десятки миллионов транзисторов можно без больших затрат собрать на одном кристалле.

Для получения дополнительной информации о полупроводниках, диодах, микросхемах и многом другом перейдите по ссылкам на следующей странице.

Первоначально опубликовано: 25 апреля 2001 г.

Термоэмиссионные и полупроводниковые диоды

Диоды — это небольшие электрические устройства, которые используются для передачи электрического тока в одном направлении и для предотвращения движения встречного тока в противоположном.У них есть два вывода, каждый с электродом — один электрод заряжен положительно, а другой — отрицательно. Способность диода передавать ток только в одном направлении также называется выпрямляющим свойством. Когда диод пропускает ток в одном направлении, это называется состоянием прямого смещения; состояние обратного смещения возникает, когда диод блокирует движение тока в противоположном направлении. Однако способность диода быть однонаправленной зависит от типа диода и используемой технологии.Различные типы диодов, такие как термоэлектронные и различные типы полупроводниковых диодов, используют разные технологии для передачи тока.

Термоэлектронные диоды, также называемые вакуумными трубками, представляют собой диоды, которые закрывают электроды в стеклянном вакууме — ранние модели выглядели как миниатюрные лампочки. Нить накала нагревателя используется для передачи тепла, которое вызывает тепловую эмиссию электронов в вакууме и нагревает катод. В этом случае анод становится положительным и притягивает электроны, передавая ток в одном направлении.Поскольку анод не будет выпускать электроны даже при понижении температуры, электроны могут двигаться только в одном направлении, и процесс не может изменить направление.

Хотя термоэлектронные диоды были распространенной ранней формой диодов, большинство современных диодов являются полупроводниковыми диодами определенного типа. Такие материалы, как кремний и германий, часто используются, потому что в них нет свободных электронов, а это означает, что они не могут легко передавать электричество и, как правило, служат изоляторами. Однако путем легирования этих материалов их химические свойства могут быть изменены.При легировании кремния есть два типа примесей, которые могут быть добавлены для превращения кремния в полупроводящий материал: N-тип и P-тип.

Примесь N-типа представляет собой фосфор или мышьяк. Каждый из них имеет пять внешних электронов, тогда как кремний имеет четыре, поэтому лишнему электрону фосфора или мышьяка не с чем связываться. Вместо этого дополнительный электрон служит средством передачи энергии. Только небольшое количество фосфора или мышьяка необходимо, чтобы генерировать достаточно свободных электронов для передачи тока через кремний.Поскольку электроны несут отрицательный заряд, этот тип примеси известен как N-тип.

При легировании P-типа используется одна из двух различных примесей: бор или галлий. Каждая из этих примесей имеет только три внешних электрона, поэтому при добавлении к кремнию они образуют дырки, в которых отсутствует электрон, а также положительный заряд. Положительный заряд позволяет бору или галлию принимать соседние электроны, что, по сути, выталкивает дырку внутри решетки электронов. Наличие дырок — это то, что обеспечивает передачу токов и движение электронов, что делает кремний с примесью P-типа проводящим материалом.Название P-тип происходит от положительного заряда материала. Легирование как N-типа, так и P-типа превращает кремний в проводник, но не в очень прочный — поэтому легированный кремний называется полупроводником.

Кремний P-типа и N-типа используются вместе в полупроводниковых диодах. Чтобы создать диод P-N, кремниевый материал P-типа составляет анод и передает ток на катод N-типа. Из-за зарядов и свойств материалов ток не может передаваться в обратном направлении.В других типах полупроводниковых диодов для создания одного контакта используется металл, а в качестве другого контакта используется полупроводник P-типа или N-типа. При использовании в условиях обратного смещения блокирует большую часть тока. При использовании в режиме прямого смещения передается достаточно напряжения для запуска диода и может начаться передача электронов.

Полупроводниковые диоды — обзор

6.10.1 Введение и история вопроса

С момента первых демонстраций когерентного излучения света и генерации в полупроводниковых диодах в 1960-х годах (Hall et al., 1962 г .; Holonyak and Bevacqua, 1962), полупроводниковые лазеры стали ключевым компонентом для широкого круга приложений, включая телекоммуникации, оптическую память, накачку твердотельных лазеров, медицинскую визуализацию и общую хирургию. По стоимости, производительности, надежности и компактности полупроводниковый лазер выгодно отличается от любых других типов лазеров. Что еще более важно, электрическая инжекция может быть достигнута в диодном лазере. Резкое улучшение рабочих характеристик стало возможным за последние четыре десятилетия за счет включения двойных гетероструктур, квантовых ям и, недавно, квантовых точек в активную область полупроводникового лазера.Чтобы лучше понять недавний прогресс полупроводниковых лазеров и, что более важно, максимальную производительность таких устройств с включением квантовых точек в качестве усиливающей среды, важные рабочие параметры полупроводникового лазера, включая пороговый ток ( Дж _th), характеристическая температура ( T ₀), ширина полосы модуляции ( f _{-3 дБ}), коэффициент увеличения ширины линии (или α-параметр) и ЛЧМ.

Важным параметром полупроводникового лазера является пороговая плотность тока, которая представляет собой минимальную плотность тока инжекции, необходимую для получения генерации. Общее выражение для порогового тока полупроводникового лазера приведено ниже (Bhattacharya, 1996):

(1) Jth = Jth0 + qdΓηiτr∂g∂n [γ + 12lln1R1R2]

, где Jth0 — ток прозрачности, d толщина активного слоя, Γ коэффициент оптического ограничения, η _i внутренний квантовый выход, τ _r время жизни излучательной рекомбинации, ∂ г / ∂ n дифференциальный коэффициент усиления, γ потери в оптическом резонаторе, l длина резонатора, а R ₁ и R ₂ обозначают отражательную способность граней.Хотя пороговый ток полупроводникового лазера зависит от ряда материалов и параметров устройства, фундаментальным соображением при создании устройств с низким порогом является улучшение дифференциального усиления. Пороговый ток полупроводникового лазера обычно имеет температурную зависимость, которую можно описать следующим эмпирическим соотношением:

(2) Jth = Jth0exp (TT0)

, где T ₀ — пороговый температурный коэффициент, а T температура устройства. T ₀ зависит от материалов активной области и лазерных структур. Видно, что большое значение T ₀ приводит к небольшой температурной зависимости порогового тока. Факторы, которые обычно ограничивают значения T ₀, включают разброс носителей в зоне проводимости и валентной зоне, безызлучательную оже-рекомбинацию и утечку носителей из активной области лазера. Полупроводниковые лазеры с низким пороговым током и высокотемпературной стабильностью (большой T ₀) требуются практически для каждого практического применения.

Еще одним важным аспектом полупроводникового лазера является частотная характеристика или временное поведение устройства, когда ток возбуждения модулируется на высоких частотах. Для приложений в высокоскоростной оптической связи крайне желательно, чтобы выходной импульс лазера мог полностью повторять импульс тока инжекции. Частотная характеристика лазера описывается полосой модуляции слабого сигнала f _— _3dB, которая напрямую связана с резонансной частотой устройства f _r (Bhattacharya, 1996). :

(3) fr = 12πcΓ∂g / ∂nqnrd (J − Jth)

, где n _r — показатель преломления оптического резонатора, а c — скорость света в свободном пространстве.Ширина полосы модуляции слабого сигнала пропорциональна квадратному корню из дифференциального усиления. Кроме того, ширина полосы модуляции увеличивается с увеличением тока инжекции. Однако высокие уровни инжекции могут генерировать значительное количество горячих носителей в активной области лазера, тем самым приводя к неквазифермиевским распределениям носителей. Результирующее сжатие усиления сильно ограничивает максимально достижимую ширину полосы модуляции. Важным моментом при разработке полупроводниковых лазеров для приложений в оптической связи является оптимизация полосы модуляции устройств.

Фактор увеличения ширины линии, или параметр α, напрямую связан с влиянием изменения показателя преломления при изменении тока инжекции на динамические характеристики полупроводникового лазера. Коэффициент увеличения ширины линии может быть выражен как (Генри, 1982)

(4) α = −4πλdn / dNdg / dN

, где λ — рабочая длина волны, а ∂ n _r/ ∂ n и ∂ g / ∂ n — дифференциальный показатель преломления и дифференциальный коэффициент усиления, соответственно.Для многих приложений очень желателен небольшой или близкий к нулю параметр α. Небольшой параметр α обычно приводит к небольшому чирпу, вызванному модуляцией, что приводит к малой динамической ширине линии и, следовательно, к малой дисперсии сигнала в оптических волокнах. Параметр α также напрямую связан с характеристиками выходного луча лазера. Большой параметр α может привести к филаментации, антинаправлению и самофокусировке луча в лазере и вреден для операций с высокой мощностью (Marciante and Agrawal, 1996 Gehrig et al., 2004 г.). Чирп полупроводникового лазера прямо пропорционален коэффициенту увеличения ширины линии. При прямой модуляции моды Фабри – Перо полупроводникового лазера сдвигают длину волны, что приводит к расширению динамической ширины линии каждой моды. Для приложений в оптической связи требуются как небольшие значения параметра α, так и чирп.

Очевидно, рабочие характеристики полупроводникового лазера в значительной степени определяются коэффициентом усиления и дифференциальным коэффициентом усиления.Следовательно, оптимизация усиления и дифференциального усиления путем настройки зонной структуры и плотности состояний активной области была фундаментальным соображением при разработке высокоэффективных полупроводниковых лазеров. В этом отношении резко улучшенные характеристики были достигнуты за счет включения в качестве усиливающей среды гетероструктур с квантовыми ямами, проволокой и, в последнее время, точечных гетероструктур. В предельном случае лазера на квантовых точках трехмерное квантовое ограничение носителей приводит к дискретной плотности состояний, что приводит к чрезвычайно большому усилению и дифференциальному усилению.Было предсказано и дополнительно продемонстрировано, что в лазере на квантовых точках можно достичь почти идеальных характеристик, включая сверхнизкий пороговый ток, температурно-инвариантный режим работы, а также близкий к нулю параметр α и чирп.

Предложения по лазерам на квантовых точках были впервые сделаны Динглом и Генри (1976) и Аракавой и Сакаки (1982). Однако практические лазеры на квантовых точках стали возможны только с разработкой самоорганизующихся гетероструктур на квантовых точках в режиме роста Странского – Крастанова во время эпитаксиального роста.К числу впервые продемонстрированных лазеров на квантовых точках относятся лазеры InAlAs видимого диапазона и InGaAs ближнего инфракрасного диапазона с краевым излучением квантовых точек на подложках из GaAs (Kirstaedter et al. , 1994; Fafard et al. , 1996; Kamath et al. , 1996; Мирин и др. , 1996; Шоджи и др. , 1996), за которыми вскоре последовали лазеры на квантовых точках 1,3 и 1,5 мкм (Huffaker и др. , 1998; Леденцов и др. , 2003; Mi и др., 2006а). Также были разработаны лазеры на основе квантовых точек с вертикальным резонатором и поверхностным излучением (VCSEL) на основе GaAs (Saito et al. , 1996; Huffaker et al. , 1997a; Lott et al. , 1997). Тем временем были исследованы эпитаксиальный рост и характеристики квантовых точек других материальных систем, в том числе квантовых точек InAs / InP, InP / GaInP, InGaN / GaN и CdSe / ZnSe. Были продемонстрированы лазеры на квантовых точках с длинами волн излучения от ∼0,4 до ∼2,0 мкм.Значительное улучшение рабочих характеристик стало возможным благодаря детальному пониманию динамики носителей заряда и разработке специальных методов р-легирования и туннельной инжекции (Щекин и др. , 2002a; Бхаттачарья и др. , 2003 ). В результате производительность и надежность лазеров на квантовых точках сравнимы или лучше, чем у их аналогов на квантовых ямах.

Цель этой главы — дать широкий обзор последних разработок лазеров на квантовых точках, от дизайна, эпитаксиального роста до современного состояния, а также провести углубленный анализ их фундаментальной динамики носителей и предельные эксплуатационные характеристики.Хотя в этой главе основное внимание уделяется лазерам с квантовыми точками In (Ga, Al) As на подложках GaAs и InP, также описывается недавний прогресс в полупроводниковых лазерах с использованием гетероструктур с квантовыми точками InP, Ga (In) N и CdSe. . В разделе 6.10.2 мы представляем обзор явных преимуществ использования квантовых точек в качестве среды усиления лазера. В разделе 6.10.3 описывается эпитаксиальный рост гетероструктур In (Ga) As / GaAs и InAs / InP на квантовых точках для применения в высокоэффективных лазерах на квантовых точках.В разделе 6.10.4 получены значения оптического усиления и скорости спонтанного излучения квантовых точек In (Ga) As / GaAs. Уникальная динамика носителей и связанные с ней проблемы инжекции носителей в лазерах на квантовых точках In (Ga) As / GaAs представлены в разделе 6.10.5. В разделе 6.10.6 описана конструкция высокоэффективных лазеров с краевым излучением на квантовых точках с использованием специальных методов р-легирования и туннельной инжекции. В разделе 6.10.7 рассказывается о недавнем прогрессе в разработке лазеров с краевым излучением на квантовых точках с рабочими длинами волн видимого диапазона 1.1, 1,3 и 1,55 мкм. Раздел 6.10.8 посвящен VCSEL с квантовыми точками In (Ga) As. Полупроводниковые лазеры, включающие в себя другие гетероструктуры с квантовыми точками, включая квантовые точки InP, (ln, Ga) N и CdSe, представлены в разделе 6.10.9. Наконец, выводы сделаны в разделе 6.10.10.

Что такое полупроводниковый диод? Прямое и обратное соединение диода

p n переход известен как полупроводниковый диод . Переход p n используется с целью выпрямления, так как он ведет только в одном направлении.Он также известен как кристалл , , диод , , поскольку он сделан из кремния или германия, подобного кристаллу. Обозначение полупроводникового диода показано ниже.

Имеет два терминала. Он ведет себя только тогда, когда он смещен вперед. Это означает, что клемма, соединенная со стрелкой, имеет более высокий потенциал, чем клемма, подключенная к шине, как показано на рисунке выше. Когда полупроводниковый диод имеет обратное смещение, он практически не проводит через него ток.

Вольт-амперные характеристики полупроводникового диода

Вольт-амперная или ВАХ полупроводникового диода — это кривая между напряжением на переходе и током цепи.

Схема схем показана ниже.

Резистор R включен последовательно с PN переходом, который ограничивает прямой ток диода от превышения предписанного предельного значения. Характеристики изучаются в трех разделах, т.е.нулевое внешнее напряжение, прямое смещение и обратное смещение. Они подробно описаны ниже.

Нулевое внешнее напряжение

Когда внешнее напряжение не подается, т. Е. Цепь разомкнута на ключе K, ток через цепь не течет. Это обозначено точкой 0 на графике, показанном ниже:

Прямое смещение

Когда ключ K замкнут, а переключатель двойного хода переведен в положение 1, как показано на приведенной выше принципиальной схеме A. PN-переход смещен в прямом направлении, поскольку полупроводник p-типа подключен к положительной клемме, а n-тип — к отрицательной. терминал питания.Теперь при увеличении напряжения питания изменением переменного резистора Rh. Ток в цепи увеличивается очень медленно, и кривая является нелинейной, показанной на приведенном выше характеристическом рисунке B как OA.

Медленный рост тока в этой области связан с тем, что приложенное извне напряжение используется для преодоления потенциального барьера 0,3 В для Ge и 0,7 для Si PN перехода. Однако, как только потенциальный барьер устранен, и внешнее напряжение питания увеличивается.PN-переход ведет себя как обычный проводник, и ток в цепи очень резко возрастает, что представлено областью AB.

В этот момент ток ограничен последовательным сопротивлением R и небольшим значением прямого сопротивления перехода R _f. Кривая почти линейная. Если ток превышает номинальное значение диода, диод может быть поврежден.

Напряжение колена

Прямое напряжение (0,3 В для Ge и 0,7 В для Si-диодов), при котором ток через диод или p-n-переход начинает резко возрастать, известно как Knee Voltage .

Обратное смещение

Когда двухполюсный переключатель двойного направления (DPDT) переведен в положение 2, как показано на рисунке A. PN переход имеет обратное смещение, поскольку полупроводник p-типа подключается к отрицательной клемме, а n-тип — к положительной клемме поставка. При этом условии потенциальный барьер на переходе увеличивается. Следовательно, сопротивление перехода R _{— r} становится очень большим, и ток по цепи практически не течет.

Однако на практике в цепи протекает очень небольшой ток порядка микроампер.Этот ток известен как обратный ток и возникает из-за неосновных носителей заряда, доступных при комнатной температуре.

Обратный ток немного увеличивается с увеличением напряжения питания обратного смещения. Если обратное напряжение постоянно увеличивается, наступает стадия, когда кинетическая энергия электронов (неосновных носителей заряда) становится настолько высокой, что они выбивают электроны из полупроводниковых связей. В точке C происходит пробой перехода, и сопротивление области барьера R _r внезапно падает.

Следовательно, обратный ток сильно возрастает до большого значения. Это может навсегда разрушить соединение. Обратное напряжение, при котором происходит разрыв pn перехода, известно как напряжение пробоя .

Из всего вышеприведенного обсуждения можно сделать следующие выводы.

При нулевом внешнем напряжении ток через цепь или диод не протекает.
При прямом смещении ток немного увеличивается до тех пор, пока барьерный потенциал не исчезнет.
После напряжения колена прямой ток резко возрастает.
Прямой ток ограничен последовательным сопротивлением R и небольшим значением сопротивления перехода Rf.
Диод разрушается, когда прямой ток превышает номинальное значение диода.
Обратный ток немного увеличивается с увеличением напряжения из-за неосновных носителей. Максимальное значение обратного тока для Si-диода составляет всего 1 мкА. Для Ge это около 100 мкА.
Обратное напряжение, при котором происходит разрыв перехода, известно как напряжение пробоя .
При обратном напряжении при обрыве перехода диод может выйти из строя.

Это все о полупроводниковых диодах.

Что такое полупроводниковый лазерный диод?

1. Световое излучение полупроводникового лазера
Полупроводниковый лазер (LD) — это устройство, которое вызывает генерацию лазера, пропуская электрический ток к полупроводнику.Механизм излучения света такой же, как у светодиода (LED). Свет генерируется путем пропускания прямого тока к p-n переходу. При прямом смещении слой p-типа соединяется с положительным выводом, а слой n-типа соединяется с отрицательным выводом, электроны входят из слоя n-типа, а дырки — из слоя p-типа. Когда они встречаются на стыке, электрон падает в дыру, и в это время излучается свет.

2. Базовая структура полупроводниковых лазеров
Основная структура полупроводникового лазера показана на рисунке 1.Активный слой (светоизлучающий слой), расположенный между слоями оболочки p- и n-типа (двойная гетероструктура), сформирован на подложке n-типа, и напряжение подается через p-n переход от электродов. Оба края активного слоя имеют зеркальную поверхность. При приложении прямого напряжения электроны соединяются с дырками на p-n-переходе и излучают свет. Этот свет еще не лазер; он ограничен активным слоем, потому что показатель преломления слоев оболочки ниже, чем у активного слоя.Кроме того, оба конца активного слоя действуют как отражающее зеркало, где свет возвращается в активный слой. Затем свет усиливается процессом вынужденного излучения и генерируется лазерная генерация.

Рис.1 Базовая структура полупроводникового лазера

3. Типы полупроводникового лазера
Центральная длина волны полупроводникового лазера в основном зависит от энергии запрещенной зоны активного слоя полупроводника. Однако детали лазерных спектров различаются в зависимости от типа ЛД, даже если энергии запрещенной зоны одинаковы.

(1) Полупроводниковый лазер Фабри-Перо
Этот лазер имеет простейшую конструкцию и используется во многих приложениях, включая оптические датчики для CD, DVD и BD; лазерные принтеры; и возбуждение волоконных лазеров. Он характеризуется использованием плоскости спайности лазерного кристалла для отражения света, излучаемого в активном слое, как показано на рисунке 1. Плоскость спайности кристалла чрезвычайно гладкая и может использоваться в качестве отражающего зеркала. Поскольку Fabry perot-LD не имеет механизма для выбора определенной длины волны колебаний, многократная генерация лазера происходит в пределах полосы усиления, как показано на рис.2. Колебания на множестве длин волн вызывают уширение импульса при передаче по оптическому волокну, и поэтому они не могут применяться для связи на большие расстояния.

Рис.2 Принципиальная схема полупроводникового лазера типа Фабри-Перо

(2) Полупроводниковый лазер DFB
DFB-лазер (лазер с распределенной обратной связью) имеет решетку под или над активным слоем и колеблется на одной длине волны, определяемой длиной волны Брэгга решетки. Рисунок 3 иллюстрирует схему структуры.Он демонстрирует превосходные характеристики, в том числе узкую ширину спектра и низкий уровень шума, и, следовательно, используется в качестве источника оптического сигнала при оптической связи на большие расстояния.

(3) Полупроводниковый лазер со стабилизированной длиной волны FBG
Хотя DFB-лазер имеет отличные характеристики, такие как генерация на одной длине волны, он является дорогостоящим из-за сложности производства. Более экономичный лазер для генерации на одной длине волны — это лазерный диод, стабилизирующий длину волны с помощью ВБР. Рисунок 4 иллюстрирует схему структуры.В этом случае резонатор лазера состоит из торцевой поверхности активного слоя с покрытием HR и ВБР с низким коэффициентом отражения. На рисунке 4 изображена только сердцевина волокна. Другой конец активного слоя и падающий конец волокна имеют просветляющее покрытие для предотвращения отражения света. Кроме того, падающий конец волокна обрабатывается до конфигурации линзы для сбора света. Поскольку ВБР, образующаяся в сердцевине волокна, отражает только определенную длину волны, возникает колебание одной длины волны.

Фиг.4 Принципиальная схема полупроводникового лазера со стабилизированной длиной волны ВБР

Поставщики и ресурсы беспроводной связи RF

О компании RF Wireless World

Веб-сайт RF Wireless World является домом для поставщиков и ресурсов радиочастотной и беспроводной связи. На сайте представлены статьи, руководства, поставщики, терминология, исходный код (VHDL, Verilog, MATLAB, Labview), тестирование и измерения, калькуляторы, новости, книги, загрузки и многое другое.

Сайт RF Wireless World охватывает ресурсы по различным темам, таким как RF, беспроводная связь, vsat, спутник, радар, оптоволокно, микроволновая печь, wimax, wlan, zigbee, LTE, 5G NR, GSM, GPRS, GPS, WCDMA, UMTS, TDSCDMA, Bluetooth, Lightwave RF, z-wave, Интернет вещей (IoT), M2M, Ethernet и т. Д.Эти ресурсы основаны на стандартах IEEE и 3GPP. В нем также есть академический раздел, который охватывает колледжи и университеты по инженерным дисциплинам и MBA.

Статьи о системах на основе Интернета вещей

Система обнаружения падений для пожилых людей на основе Интернета вещей : В статье рассматривается архитектура системы обнаружения падений, используемой для пожилых людей. В нем упоминаются преимущества или преимущества системы обнаружения падений Интернета вещей. Читать дальше➤
Также обратитесь к другим статьям о системах на основе Интернета вещей следующим образом:
• Система очистки туалетов самолета. • Система измерения столкновений • Система отслеживания скоропортящихся продуктов и овощей • Система помощи водителю • Система умной торговли • Система мониторинга качества воды. • Система Smart Grid • Система умного освещения на базе Zigbee • Умная парковка на базе Zigbee • Система умной парковки на основе LoRaWAN

RF Статьи о беспроводной связи

В этом разделе статей представлены статьи о физическом уровне (PHY), уровне MAC, стеке протоколов и сетевой архитектуре на основе WLAN, WiMAX, zigbee, GSM, GPRS, TD-SCDMA, LTE, 5G NR, VSAT, Gigabit Ethernet на основе IEEE / 3GPP и т. Д. .стандарты. Он также охватывает статьи, относящиеся к испытаниям и измерениям, по тестированию на соответствие, используемым для испытаний устройств на соответствие RF / PHY. УКАЗАТЕЛЬ СТАТЬИ ДЛЯ ССЫЛКИ >>.

Физический уровень 5G NR : Обработка физического уровня для канала 5G NR PDSCH и канала 5G NR PUSCH рассмотрена поэтапно. Это описание физического уровня 5G соответствует спецификациям физического уровня 3GPP. Читать дальше➤

Основы повторителей и типы повторителей : В нем объясняются функции различных типов ретрансляторов, используемых в беспроводных технологиях.Читать дальше➤

Основы и типы замирания : В этой статье описываются мелкомасштабные замирания, крупномасштабные замирания, медленные, быстрые и т. Д., Используемые в беспроводной связи. Читать дальше➤

Архитектура сотового телефона 5G : В этой статье рассматривается блок-схема сотового телефона 5G с внутренними модулями 5G Архитектура сотового телефона. Читать дальше➤

Основы помех и типы помех: В этой статье рассматриваются помехи в соседнем канале, помехи в совмещенном канале, Электромагнитные помехи, ICI, ISI, световые помехи, звуковые помехи и т. Д.Читать дальше➤

5G NR Раздел

В этом разделе рассматриваются функции 5G NR (New Radio), нумерология, диапазоны, архитектура, развертывание, стек протоколов (PHY, MAC, RLC, PDCP, RRC) и т. Д. 5G NR Краткий указатель ссылок >>
• Мини-слот 5G NR • Часть полосы пропускания 5G NR • 5G NR CORESET • Форматы DCI 5G NR • 5G NR UCI • Форматы слотов 5G NR • IE 5G NR RRC • 5G NR SSB, SS, PBCH • 5G NR PRACH • 5G NR PDCCH • 5G NR PUCCH • Эталонные сигналы 5G NR • 5G NR m-последовательность • Золотая последовательность 5G NR • 5G NR Zadoff Chu Sequence • Физический уровень 5G NR • Уровень MAC 5G NR • Уровень 5G NR RLC • Уровень 5G NR PDCP

Учебные пособия по беспроводным технологиям

В этом разделе рассматриваются учебные пособия по радиочастотам и беспроводной связи.Он охватывает учебные пособия по таким темам, как сотовая связь, WLAN (11ac, 11ad), wimax, bluetooth, zigbee, zwave, LTE, DSP, GSM, GPRS, GPS, UMTS, CDMA, UWB, RFID, радар, VSAT, спутник, WLAN, волновод, антенна, фемтосота, тестирование и измерения, IoT и т. Д. См. УКАЗАТЕЛЬ >>

Учебное пособие по 5G — В этом учебном пособии по 5G также рассматриваются следующие подтемы по технологии 5G:
Учебное пособие по основам 5G. Частотные диапазоны руководство по миллиметровым волнам Волновая рама 5G мм Зондирование волнового канала 5G мм 4G против 5G Испытательное оборудование 5G Сетевая архитектура 5G Сетевые интерфейсы 5G NR канальное зондирование Типы каналов 5G FDD против TDD Разделение сети 5G NR Что такое 5G NR Режимы развертывания 5G NR Что такое 5G TF

В этом учебном пособии GSM рассматриваются основы GSM, сетевая архитектура, сетевые элементы, системные спецификации, приложения, Типы пакетов GSM, структура или иерархия кадров GSM, логические каналы, физические каналы, Физический уровень GSM или обработка речи, вход в сеть мобильного телефона GSM, установка вызова или процедура включения питания, MO-вызов, MT-вызов, VAMOS, AMR, MSK, модуляция GMSK, физический уровень, стек протоколов, основы работы с мобильным телефоном, Планирование RF, нисходящая линия связи PS и восходящая линия связи PS.
➤Подробнее.

LTE Tutorial , охватывающий архитектуру системы LTE, охватывающий основы LTE EUTRAN и LTE Evolved Packet Core (EPC). Он обеспечивает связь с обзором системы LTE, радиоинтерфейсом LTE, терминологией LTE, категориями LTE UE, структурой кадра LTE, физическим уровнем LTE, Стек протоколов LTE, каналы LTE (логические, транспортные, физические), пропускная способность LTE, агрегация несущих LTE, передача голоса по LTE, расширенный LTE, Поставщики LTE и LTE vs LTE продвинутые.➤Подробнее.

RF Technology Stuff

Эта страница мира беспроводной радиосвязи описывает пошаговое проектирование преобразователя частоты RF на примере преобразователя RF UP от 70 МГц до диапазона C. для микрополосковой платы с использованием дискретных радиочастотных компонентов, а именно. Смесители, гетеродин, MMIC, синтезатор, опорный генератор OCXO, колодки аттенюатора. ➤Подробнее.
➤Проектирование и разработка радиочастотного трансивера ➤Конструкция RF-фильтра ➤Система VSAT ➤Типы и основы микрополосковой печати ➤ОсновыWaveguide

Секция испытаний и измерений

В этом разделе рассматриваются контрольно-измерительные ресурсы, испытательное и измерительное оборудование для тестирования DUT на основе Стандарты WLAN, WiMAX, Zigbee, Bluetooth, GSM, UMTS, LTE.ИНДЕКС испытаний и измерений >>
➤Система PXI для T&M. ➤ Генерация и анализ сигналов ➤Измерения слоя PHY ➤Тест устройства на соответствие WiMAX ➤ Тест на соответствие Zigbee ➤ Тест на соответствие LTE UE ➤Тест на соответствие TD-SCDMA

Волоконно-оптическая технология

Оптоволоконный компонент , основы, включая детектор, оптический соединитель, изолятор, циркулятор, переключатели, усилитель, фильтр, эквалайзер, мультиплексор, разъемы, демультиплексор и т. д.Эти компоненты используются в оптоволоконной связи. Оптические компоненты INDEX >>
➤Учебное пособие по оптоволоконной связи ➤APS в SDH ➤SONET основы ➤SDH Каркасная конструкция ➤SONET против SDH

Поставщики и производители радиочастотной беспроводной связи

Сайт RF Wireless World охватывает производителей и поставщиков различных радиочастотных компонентов, систем и подсистем для ярких приложений, см. ИНДЕКС поставщиков >>.

Поставщики радиочастотных компонентов, включая радиочастотный изолятор, радиочастотный циркулятор, радиочастотный смеситель, радиочастотный усилитель, радиочастотный адаптер, радиочастотный разъем, радиочастотный модулятор, радиочастотный трансивер, PLL, VCO, синтезатор, антенну, генератор, делитель мощности, сумматор мощности, фильтр, аттенюатор, диплексор, дуплексер, микросхема резистора, микросхема конденсатора, индуктор микросхемы, ответвитель, оборудование ЭМС, программное обеспечение для проектирования радиочастот, диэлектрический материал, диод и т. д.Производители RF компонентов >>
➤Базовая станция LTE ➤RF Циркулятор ➤RF Изолятор ➤Кристаллический осциллятор

MATLAB, Labview, встроенные исходные коды

Раздел исходного кода RF Wireless World охватывает коды, связанные с языками программирования MATLAB, VHDL, VERILOG и LABVIEW. Эти коды полезны для новичков в этих языках. ИНДЕКС ИСХОДНОГО КОДА >>
➤3-8 декодер кода VHDL ➤Код MATLAB для дескремблера ➤32-битный код ALU Verilog ➤T, D, JK, SR триггеры labview коды

* Общая информация о здоровье населения *

Выполните эти пять простых действий, чтобы остановить коронавирус (COVID-19).
СДЕЛАЙТЕ ПЯТЬ
1. РУКИ: часто мойте их.
2. КОЛЕНО: Откашляйтесь.
3. ЛИЦО: не трогайте его
4. НОГИ: держитесь на расстоянии более 3 футов (1 м) друг от друга
5. ЧУВСТВОВАТЬ: Болен? Оставайся дома

Используйте технологию отслеживания контактов >>, соблюдайте >> рекомендации по социальному дистанцированию и установить систему видеонаблюдения >> чтобы спасти сотни жизней. Использование концепции телемедицины стало очень популярным в таким странам, как США и Китай, остановить распространение COVID-19, поскольку это заразное заболевание.

RF Беспроводные калькуляторы и преобразователи

Раздел «Калькуляторы и преобразователи» охватывает ВЧ-калькуляторы, беспроводные калькуляторы, а также преобразователи единиц измерения. Сюда входят такие беспроводные технологии, как GSM, UMTS, LTE, 5G NR и т. Д. СПРАВОЧНЫЕ КАЛЬКУЛЯТОРЫ Указатель >>.
➤ Калькулятор пропускной способности 5G NR ➤5G NR ARFCN против преобразования частоты ➤Калькулятор скорости передачи данных LoRa ➤LTE EARFCN для преобразования частоты ➤Калькулятор антенн Яги ➤ Калькулятор времени выборки 5G NR

IoT-Интернет вещей Беспроводные технологии

Раздел IoT охватывает беспроводные технологии Интернета вещей, такие как WLAN, WiMAX, Zigbee, Z-wave, UMTS, LTE, GSM, GPRS, THREAD, EnOcean, LoRa, SIGFOX, WHDI, Ethernet, 6LoWPAN, RF4CE, Bluetooth, Bluetooth Low Power (BLE), NFC, RFID, INSTEON, X10, KNX, ANT +, Wavenis, Dash7, HomePlug и другие.Он также охватывает датчики Интернета вещей, компоненты Интернета вещей и компании Интернета вещей.
См. Главную страницу IoT >> и следующие ссылки.
➤ НИТЬ ➤EnOcean ➤Учебник по LoRa ➤Учебник по SIGFOX ➤WHDI ➤6LoWPAN ➤Zigbee RF4CE ➤NFC ➤Lonworks ➤CEBus ➤UPB