ТИРИСТОРИ

Терморезистори

Тиристори

5.3.2 Випромінювальні діоди

5.3.3 Напівпровідникові лазери

5.3.4 Фотоелектричні прилади

Тиристор– це електроперетворювальний напівпровідниковий прилад з двома стійкими станами, який складається з трьох або більше n-p-переходів і може перемикатися із закритого стану у відкритий і навпаки.Тиристори відносять до перемикаючих напівпровідникових приладів, головним застосуванням яких є безконтактна комутація електричних кіл.

Тиристори класифікують за кількістю:

– діодні тиристори (диністори), що мають тільки два виводи – анод та катод (рис. 5.22);

– тріодні тиристори (триністори), що мають три виводи (два основні і один клерувальний) – анод, катод і керований електрод (рис. 5.24);

– чотириелектродні (тетродні) тиристори, що мають чотири виводи (два вхідні і два вихідні).

Рис. 5.22 Будова та вмикання диністора

Рис. 5.23 Умовне позначення диністора

Рис. 5.24 Будова триністора

Рис. 5.25 Умовне позначення триністора

При прямому ввімкненні диністора джерело живлення зміщує n-p-переходи П₁ та П₃

в прямому напрямку, а П₂ – в зворотньому, диністор знаходиться в закритому стані і вся прикладена до нього напруга падає на переході П₂. Струм приладу визначається струмом витікання , значення якого знаходиться в межах від сотих частин мікроампера до декількох мікроампер (ділянка ОА на рис. 5.26).

Рис. 5.26 Вольт-амперна характеристика диністора

Коли напруга досягає напруги перемикання (вона близька до напруги пробою n-p-переходу П₂), струм диністора різко зростає, а напруга на переході П₂ падає. Прилад знаходиться у відкритому стані, робоча точка диністора на ділянці БВ. Щоб вимкнути диістор, потрібно щоб був менше стуму утримки .

Якщо до диністора прикладено зворотню напругу, то перехід П₂ відкритий, а переходи П₁ та П₃ закриті. В цьому стані струм приладу визначається зворотнім струмом витікання , якщо прикладена напруга не перевищує , що залежить від властивостей переходів П₁ та П₃ (ділянка ОГ).

З вольт-амперної характеристики диністора видно, що ділянка АБ має від'ємний нахил. При наближенні роботи диністора до ділянки АБ проходить перемикання його з одного стану в інший. Диністори відносять до некерованих комутуючих елементів.

Триністори відносять до керованих комутуючих елементів.Чотирьохшарова стуктура триністора має три виводи: два від крайніх областей (аноду А і катоду К, як в диністорі) і третій – керуючий вивід КЕР – від одної із середніх (базових) областей (рис. 5.24).

Рис. 5.27 Вольт-амперна характеристика триністора

Вольт-амперні характеристики для трьох значень керуючих струмів (рис. 5.27). При керуючому струмі пропадає ділянка з від’ємним нахилом, тобто проходить випрямлення вольт-амперної характеристики.

5.3.2 ВИРОМІНЮВАЛЬНІ ДІОДИ

Випромінювальні діоди (світлодіоди) –це напівпровідникові прилади з одним або декількома електричними переходами, які перетворюють електричну енергію в енергію електромагнітних коливань оптичного та інфрачервоного діапазону.

Фізичною основою роботи випромінювальних діодів є електролюмінісценція. Для створення світло діодів використовують фосфід галію, арсенід галію, нітрид галію, карбід кремнію, а також деяк сполуки галію, арсеніду фосфору. Уведення до цих напівпровідників різних домішок дає можливість отримати світіння різного кольору.

Рис. 5.28 Будова та схема вмикання світло діода

Структуру та схему вмикання світлодіоду показано на рис. 5.28. n-p-перехід світлодіоду зміщується джерелом напруги в прямому напрямку. У такому режимі електрони з n-області напівпровідника інжектують в p-область, де вони є неосновними носіями заряду, а дірки –в зустрічному напрямку. Далі відбувається рекомбінація зайвих неосновних носіїв заряду з електричними зарядами протилежного знаку. Зазвичай випромінювальною є область лише з одного боку n-p-переходу.

Різновидом світло діодів є кольоровий сигнальний індикатор з кольором світіння, що плавно змінюється. На основі світлодіодів створено різні аналогові шкали, знакові та сегментарні індикатори.

5.3. НАПІВПРОВІДНИКОВІ ЛАЗЕРИ

Напівпровідниковий лазер (оптичний квантовий генератор) –це випромінювальний напівпровідниковий прилад, який перетворює електричну енергію або енергію некогерентного випромінювання в енергію когерентного випромінювання.

У напівпровідникових лазерах випромінювання, як і у світлодіодів здійснюється рекомбінацією електронів і дірок. Однак ця рекомбінація є не спонтанною, а вимушеною (стимульованою).

Для формування когерентного випромінювання потрібно створити енергетичний стан з інверсною заселеністю(верхні енергетичні рівні заповнені більше, ніж нижні).Середовище, в якому підтримується такий стан називаєтьсяактивним середовищем.В напівпровідникових лазерах для створення такого середовища n-p-перехід вмикають в прямому напрямку. Чим більший струм проходить через n-p-перехід, тим з більшим запасом виконується умова створення активного середовища.

Потрібно також створити умови для внутрішнього підсилення випромінювання, коли створення фотонів за рахунок вимушеного випромінювання переважає втрати випромінювання на поглинання а розсіювання. Таке підсилення оптичного випромінювання, яке ґрунтується на використанні вимушеної рекомбінації, називають лазерним підсилюванням.

Для реалізації лазерного підсилення потрібно забезпечити проходження кожного кванта світла в площині n-p-переходу декілька разів. Для цього в лазерах формують оптичні резонатори, що складаються з двох дзеркал. Для виведення випромінювання дзеркала роблять прозорими.

В напівпровідникових лазерах дві протилежні грані монокристалу роблять строго паралельними і ретельно полірують. Після багаторазового відбиття від полірованих торців n-p-переходу світло виходить з напівпровідника. Кванти світла, які рухаються строго перпендикулярно до торців кристалу, можуть багато разів пройти через активну область з інверсною заселеністю і тим самим створити велику лавину світла.

Рис. 5.29 Будова напівпровідникового лазера:

1 – поліровані поверхні кристалу напівпровідника;

2 – верхній електрод; 3 – область з електропровідністю p-типу; 4 – активна область з інверсною заселеністю; 5 - область з електропровідністю n -типу; 6 – нижній електрод; 7 – випромінювання.

Для виготовлення напівпровідникових лазерів використовують арсенід галію, арсенід-фосфід галію, арсенід індію, фосфід індію. Типовий лазер виготовляють у формі прямокутного паралелепіпеда (рис. 5.29. ). ККД напівпровідникового лазера досягає 70 %.

Лазерне випромінювання високохроматичне – це високоякісна форма енергії. Лазерні генератори широко використовують в системах обробки та передачі інформації, в інформаційно-вимірювальних системах, лініях оптоелектронного зв'язку, технологічній електроніці, медицині.

5.3.4 ФОТОЕЛЕКТРИЧНІ ПРИЛАДИ

Фотоелектричні напівпровідникові прилади (фотоелементи) –це прилади, які перетворюють енергію оптичного випромінювання в електричну енергію.До фотоелементів відносять фотодіод, фоторезистор, фототранзистор і фототиристор.

Фотодіод –це напівпровідниковий прилад принцип дії якого оснований зростанні зворотнього струму n-p-переходу при його освітленні (рис. 5.30). Фотодіод застосовується без додаткового джерела живлення, оскільки сам є генератором стуму, причому сила стуму пропорційна освітленості.

Рис. 5.30 Умовне позначення та вмикання фотодіоду

Фотодіоди використовують як швидкодіючі чутливі елементи оптичних приймачів та приймальних модулів волоконно-оптичних ліній зв'язку, координатно-чутливі елементи автоматики, первинні перетворювачі освітленості.

Фотодіоди з великою площею n-p-переходу, призначені спеціально для отримання електричної енергії із світлової, називають сонячними батареями.

Фоторезистор –це напівпровідниковий прилад, опір якого залежить від освітленості(рис. 5.31).Такі прилади виготовляють на основі сульфіду або селеніду кадмію. При збільшеності освітленості опір фоторезистора зменшується тому, що зростає кількість вільних носіїв заряду за рахунок генерації нових вільних носіїв заряду.

Рис. 5.31 Будова фоторезистора

Рис. 5.32 Умовне позначення та схема вмикання фоторезистора

Фототранзистор –це напівпровідниковий прилад у якого n-p-перехід колектор-база є фотодіодом (рис. 5.33).

Рис. 5.33 Умовне позначення фототранзистора

Якщо в одному корпусі світло діод і фотоелемент, то вхідний струм можна перетворювати у вихідний повним гальванічним розділенням кіл.Такі елементи називаютьоптронами або оптопарами(рис.5.34).

Рис. 5.34 Умовне позначення оптопари

Фототиристор –це напівпровідниковий прилад у якого напруга вмикання зменшується зі збільшенням освітленості (рис. 5.35).

Рис. 5.35 Умовне позначення фототиристора