Материал: 2072
выделением квантов света – фотонов. В большинстве ПП, в том числе в германии и кремнии, выделяемая при рекомбинации энергия в основном превращается в тепловую, а энергия излучения мала. Кроме того, излучение происходит в невидимой области спектра. В некоторых ПП, имеющих большую ширину запрещенной зоны 0 и содержащих, например, арсенид галлия ( 0= 1,5 эВ), фосфид галлия ( 0= 2,2 эВ), рекомбинация сопровождается выделением квантов света в видимой части спектра.
|
Рекомбинация и излучение |
Квант света |
Квант света |
VD1 
|
+ |
- |
+ |
+ |
- |
|
+ |
- |
+ |
||||
К |
||||||
А |
+ |
- |
+ |
|
||
+ |
+ |
|
|
|
|
|
+ + |
- |
++ |
|
|
||
p+ |
|
|
||||
Iпр |
|
- |
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
||
|
+ |
UАК |
|
|
|
а
Ф
К
б
Форма и размер СД типа АЛI02А
Линза
n p
А
в
4
К 
г
3
А
Рис. 8.14. Светодиод: а – структура; б – условное графическое и позиционное обозначение; в, г – конструкция
При подаче на диод прямого напряжения снижается потенциальный барьер, и через p–n-переход протекает за счет инжекции большой ток. В результате n-область вблизи перехода насыщается дырками, а p-область
– электронами. Происходит их интенсивная рекомбинация, сопровождаемая излучением. Интенсивность излучения пропорциональна количеству
111
инжектированных зарядов. Чтобы получить достаточный для практического использования световой поток, требуется создать прямой ток СД в пределах 5 – 100 мА.
При рекомбинации электронов и дырок происходит переход электрона из зоны проводимости в валентную зону. В результате энергия электрона уменьшается на величину Wз (рис. 8.15) и выделяется квант энергии, равный Wз . Но внутри кристалла этот квант не поглощается, так как его энергии недостаточно для поглощения другими атомами. Чтобы валентные электроны перешли в зону проводимости, требуется энергияW Wa 2 W , так как нижние разрешенные уровни зоны проводимости заняты, а верхние разрешенные уровни валентной зоны свободны.
W
WЗ
W
Занятые уровни 
в зоне проводимости
Рекомбинация
Свободные уровни (дырки) валентной зоны
Рис. 8.15. Энергетическая диаграмма светодиода
Поэтому квант энергии выделяется из кристалла в пространство в виде фотонов. Длина волны излучения ch
Wз зависит от материала СД. Различные типы СД могут дать красное, оранжевое, желтое, зеленое, голубое свечение и инфракрасное излучение, то есть перекрывают видимую часть спектра. Длина волны излучения может лежать в пределах
0,45 – 0,9 мкм.
Отношение числа излученных во внешнее пространство фотонов к числу инжектированных через p–n-переход зарядов называется квантовой эффективностью излучения или квантовым выходом. Квантовый выход СД составляет 0,1 – 0,3 %.
Характеристики светодиодов
Основными характеристиками СД являются: вольт-амперная, яркостная и спектральная (рис. 8.16).
112
мА Iпр |
В |
|
|
Зеленый СД |
|
|
B |
||
4 |
|
|
|
Желтый СД |
|
|
|
Bmax |
|
3 |
|
|
1 |
Красный СД |
|
|
|
||
2 |
|
|
0,5 |
|
1 |
|
|
|
|
U |
Iпр |
|
l |
|
|
|
|||
0 0,5 1,0 1,5 |
В 0 |
Iпор |
0 |
0,5 0,6 0,7 0,8 мкм |
а |
|
б |
|
в |
|
Рис. 8.16. Характеристики светодиода: |
|||
а – вольт-амперная; |
б – яркостная; в – спектральная |
|||
ВАХ светодиода имеет такой же вид, как и у обычного диода. Отличается большим падением напряжения в прямом направлении. Яркостная (люкс-амперная) характеристика – зависимость яркости излучаемого диодом света B от величины протекающего через него прямого тока Iпр (см.
рис. 8.16) B f Iпр . Излучение СД становится заметным при Iпр Iпор. Спектральная характеристика B f зависит от типа материала. Свето-
диоды имеют высокое быстродействие: постоянная времени СД составляет
10 7 10 9 с.
9.СИЛОВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
9.1.Биполярные транзисторы с изолированным затвором
Биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ) выполнены как сочетание входного униполярного (полевого) транзистора с изолированным затвором (ПТИЗ) и выходного биполярного n–p–n-транзистора (БТ). Имеется много различных способов создания таких приборов, однако наибольшее распространение получили приборы Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT), в которых удачно сочетаются особенности полевых транзисторов с вертикальным каналом и дополнительных биполярных транзисторов.
Структура транзистора IGBT (рис. 9.1, а) состоит из двух транзисторов VT1 и VT2 и имеет глубокую внутреннюю положительную обратную связь, так как ток коллектора транзистора VT2 влияет на ток базы транзистора VT1, а ток коллектора транзистора VT1 определяет ток базы транзистора VT2. Принимая, что коэффициенты передачи тока эмиттера транзисторов
113
VT1 и VT2 имеют значения 1 и 2 соответственно, найдем Iк2 Iэ2 2 ;
Iк1 Iэ1 1 и Iэ Iк1 Iк2 Ic.
Из последнего уравнения можно определить ток стока полевого тран-
зистора: |
|
Ic Iэ 1 1 2 . |
(9.1) |
Коллектор 
Iэ2=Iк
Ic
VT
Затвор
Ic
uзэ
А Iк
20
15
10 
5 
0 2 4
|
VT2 |
|
R1 |
Iк2 |
|
|
||
Iк1 |
uкэ |
|
VT1 |
||
|
||
Iэ1 |
R2 |
Iэ
Эмиттер
а
|
8 В |
|
7 |
|
6 |
|
Uзэ=5 |
6 8 |
Uкэ |
В |
б
Рис. 9.1. Схема замещения транзистора типа IGBT (а) и его ВАХ (б)
114
Ток стока Ic можно определить через крутизну S и напряжение Uз на затворе, используя выражение Ic SU . Определим ток IGBT транзистора:
Iк Iэ Ic |
1 1 2 SUз |
1 1 2 SэUз , |
(9.2) |
где Sэ S
1 1 2 – эквивалентная крутизна биполярного транзистора с изолированным затвором.
Очевидно, что при 1 2 1 эквивалентная крутизна значительна. Регулировать значения 1 и 2 можно изменением сопротивлений R1 и R2 при изготовлении транзистора. На рис. 9.1, б приведены вольтамперные характеристики IGBT-транзистора. Так, например, для транзистора типа BUP 402 получено значение крутизны 15 А/В.
Другим достоинством IGBT транзистора является значительное снижение падения напряжения на замкнутом ключе. Последнее объясняется тем, что последовательное сопротивление R1 канала шунтируется двумя
насыщенными транзисторами VТ1 и VТ2, включенными последовательно. Схематическое изображение этого транзистора приведено на рис. 9.2. Это обозначение подчеркивает его гибкость.
АIк
Коллектор |
10 |
Uзэ=15 B |
ОБР при tи=10 мкс |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
||
Затвор |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
Эмиттер |
|
|
|
|
|
|
|
Uкэ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
200 |
400 |
600 |
800 |
1000 |
1200 |
В |
а |
|
|
|
|
б |
|
|
|
Рис. 9.2. Схематическое изображение (а) и область безопасной работы (б) транзистора БТИЗ
Быстродействие БТИЗ несколько ниже быстродействия полевых транзисторов, но значительно выше быстродействия биполярных транзисторов. Исследования показали, что для большинства транзисторов типа IGBT времена включения и выключения не превышают 0,5…1,0 мкс.
115