Оптоэлектроника Электроника полупроводников Волоконно-оптический световод Мультиплексоры и демультиплексоры Фотопроводимость Фотодиоды

Лабораторные работы по оптоэлектронике Передача информации по оптоволокну

Пример. Германиевый полупроводниковый диод, имеющий обратный ток насыщения I0=25 мкА, работает при прямом напряжении, равном 0,1 В, и T = 300 К. Определить: а) сопротивление диода постоянному току R0; б) дифференциальное сопротивление r.

Решение

Найдем ток диода при прямом напряжении (U=0,1 В) по формуле

I=I0exp(qU/kT-1)=

=25∙10-6(exp(1,6∙10-19∙0,1/(1,38∙10-23∙300)-1)=1,17мА.

Тогда сопротивление диода постоянному току

R0 =U/I=0,1/(1,17×10-3)=85Ом.

Вычислим дифференциальное сопротивление:

откуда

r=1/(46×10-3)=21,6Ом.

Или приближенно, с учетом того, что I>>I0,

откуда

Ом.

Пример 4. В равновесном состоянии высота потенциального барьера сплавного германиевого p–n-перехода  равна 0,2 В, концентрация акцепторных примесей NA в p-области много меньше концентрации доноров в ND n-области и равна 3×1014см-3. Требуется: а) вычислить ширину p–n-перехода W для обратных напряжений Uобр, равных 0,1 и 10 В; б) для прямого напряжения Uпр 0,1 В; в) найти барьерную емкость С, соответствующую обратным напряжениям, равным 0,1 и 10 В, если площадь p–n-перехода S=1 мм2.

Решение

В выражении для расчета ширины ОПЗ резкого p–n-перехода

.

По условию задачи NA << ND, следовательно

.

Таким образом

Выбрав в прил. 3 значение диэлектрической проницаемости германия es , произведем вычисления ширины ОПЗ в заданном p–n-переходе при Uобр =0,1 В

,

и Uобр = 10 В

.

Произведем вычисления ширины ОПЗ в заданном p–n-переходе при Uпр =0,1 В

.

Найдем величину барьерной емкости, используя определение электрической емкости

.

Таким образом, величина барьерной емкости в заданном p-n–переходе при Uобр =0,1 В

,

а при Uобр = 10 В

.

Пример 5. К образцу кремния n-типа сделан золотой контакт, образующий барьер Шоттки. Падение напряжения на контакте "металл-полупроводник" j0=0,5 В. Работа выхода электронов из металла qjМ равна 4,75 эВ. Чему равна концентрация легирующей примеси в кремнии. Рассчитать величину максимального значения напряженности электрического поля в области пространственного заряда в кремнии.

Решение

Поскольку

qj =qjМ–qjп=0,5 эВ,

получим

qjп=qjМ-qj0=4,75-0,5=4,25 эВ.

Воспользовавшись рис. 4, можно записать:

qjп-qæ =(Ec-Efn),

откуда следует

Ec-Efn=4,25-4=0,2 эВ;

Efn-Ei=(Ec-Ei)-(Ec-Efn).

Таким образом,

Efn-Ei=0,562-0,2=0,362 эВ.

Теперь, используя уравнение

,

можно рассчитать концентрацию примеси в полупроводнике:

n=ND=niexp(0,362/0,0258)=1,5∙1010exp(0,362/0,0258)=

=1,8∙1016см-3.

Из уравнения, приведенного в пункте 1.3.1, следует, что напряженность электрического поля в ОПЗ максимальна (Em) при U = 0. Рассчитаем вначале ширину ОПЗ при U = 0:

см,

а затем напряженность электрического поля:

 В/см.

Усилительный режим работы транзистора

Рассмотрим мощность, выделяемую на транзисторе в двух возможных режимах: ключевом и усилительном. На графике мощности Pк нагрузочная прямая определяет возможные рабочие точки транзистора. В ключевом режиме мощность, выделяемая на транзисторе, соответствует точке А или В, т.е. всегда меньше максимальной возможной мощности. В усилительном режиме, когда возможно существование любых рабочих точек на нагрузочной прямой, мощность Pк может принимать и максимальное значение.

В усилительном режиме в общем случае входной сигнал может быть знакопеременным, например, синусоидальным. Переход база-эмиттер является диодным p-n переходом. Чтобы входная цепь транзистора могла работать с сигналом переменного тока, необходимо переход база-эмиттер сместить в прямом направлении, т.е. задать в базовой цепи рабочую точку по постоянному току. Относительно этого постоянного тока можно подавать в базовую цепь сигнал переменного тока, который будет усиливаться. Постоянный ток смещения базы Iсм будет определять постоянную составляющую тока коллектора в соответствии с соотношением Iк=Iб×h21Э. В усилительном режиме возможные рабочие точки находятся на нагрузочной прямой между точками А¢ и В¢. Ток смещения должен выводить рабочую точку коллектора транзистора по постоянному току на середину отрезка А¢ В¢, чтобы напряжение на коллекторе могло изменяться от этой середины как в сторону источника питания, так и в сторону общей точки. Способы задания рабочей точки по постоянному току в усилительном режиме. Для задания рабочей точки по постоянному току необходимо в базу транзистора подать ток смещения. При этом необходимо обеспечить стабильность рабочей точки коллектора транзистора по постоянному току, т.е. исключить ее смещение при изменении параметров базовой цепи, при изменении температуры и с течением времени.

Обычно рабочая точка по постоянному току соответствует максимальной мощности Pк (т.е. максимальному нагреву транзистора).

1 ВАРИАНТ.

 Iсм=(Uпит-Uбэ)/Rсм.

Схема отличается простотой, но имеет существенный недостаток: рабочая точка по постоянному току не стабильна. При изменении Rсм, например, из-за температуры, Iсм изменяется. Рабочая точка на коллекторе Iк=Iсм×h21Э также может изменяться из-за изменения коэффициента усиления транзистора h21Э. 

2 ВАРИАНТ.

Ток смещения можно определить по соотношению

Iсм=Uпит/2Rсм.

Эта схема обладает гораздо большей стабильностью. При изменении по какой-либо причине тока смещения базы будет меняться рабочая точка коллектора. Через цепь отрицательной обратной связи с коллектора на базу будет соответствующее воздействие на базовую цепь, уменьшающее эти изменения.

3 ВАРИАНТ.

Здесь потенциал базы

@Uбэ.

Обычно принимают, что ток Iдел через делитель напряжения из резисторов Rсм1 и Rсм2 от источника питания на порядок больше тока Iсм, т.е. задаются

Iдел=(Uпит–Uбэ)/Rсм1 »10×Iсм.

При этом потенциал базы Uб»0,6В и может быть точно определен по входной характеристике транзистора исходя из требуемого тока смещения. Эта схема является достаточно стабильной. Т.к. в схеме задаётся потенциал базы (относительно общей точки), то при изменении сопротивлений Rсм1, Rсм2 они изменяются оба одновременно, их отношение меняется мало, поэтому мало изменяется потенциал базы, т.е. ток смещения.

4 ВАРИАНТ.

Это схема задания рабочей точки обладает очень высокой стабильностью. Увеличение неуправляемых тепловых токов через транзистор приводит к увеличению падения на резисторе Rэ. Это падение призакрывает транзистор, т.е. уменьшает этот ток. Аналогично схема реагирует на изменение коэффициента усиления h21Э. Обычно сопротивление резистора Rэ выбирают из условия, чтобы падение напряжения на нем от постоянного тока эмиттера не превышало 10% от напряжения питания Uпит. Чтобы сигнал переменного тока не создавал на Rэ падения и не уменьшал сигнал на нагрузке Rк, резистор Rэ шунтируют конденсатором Сэ. Должно выполняться соотношение:

Xс=1/wmaxCэ®0,

где wmax=2pfmax – максимальная частота усиливаемого сигнала.

Из этого выражения определяется емкость конденсатора Cэ.

Схема смещения по постоянному току может оказывать влияние на источник входного переменного сигнала. С другой стороны источник входного сигнала может шунтировать схему смещения, если он низкоомный. Для исключения этого источник входного сигнала и цепь смещения отделяют разделительным конденсатором Ср1. Для отделения постоянной составляющей в выходной цепи от полезной переменной составляющей, которая усилилась, так же применяется разделительный конденсатор Ср2.


Полупроводниковые детекторы оптического излучения