Фотодиоды.

Если подать на диод обратное смещение, он может использоваться в качестве фотоприемника, ток которого зависит от освещения. При достаточно больших обратных напряжениях вольт-амперная характеристика (рис. 2) запишется так:

I=-( Iнас+ Iф)=- Iнас- qcB SФ

т. е. ток не зависит от напряжения, а определяется только интенсивностью света.

Для увеличения чувствительности фотодиода может использоваться эффект лавинного умножения носителей в области объемного заряда p-n-перехода. К недостаткам лавинного фотодиода следует отнести, во-первых зависимость М от интенсивности света и, во-вторых, жесткие требования к стабильности питающего напряжения (0, 01. . . 0, 2 %), так-как коэфициент умножения М сильно зависит от напряжения.

Инерционные свойства фотодиодов можно характеризовать предельной рабочей частотой (частота модуляции света, на которой амплитуда фотоответа уменьшается до 0, 7 от максимальной), постоянной времени фотоответа (определяемой по времени наростания импульса фотоответа до 0, 63 до максимального, при прямоугольном импульсе света), сдвигом фаз между входным (световым) и выходным (электрическим) сигналом.

В общем случае, инерционность фотодиодов определяется тремя основными параметрами: временем диффузии неравновесных носителей через базу ; временем их полета через область объемного заряда p-n-перехода ; RC-постоянной . Время диффузии носителей через базу определено как:

=W /2 Dp Время полета носителей через область область объемного заряда (шириной d) можно оценить как = d/Vmax, где Vmax - максимальная скорость движения носителей в электрическом поле, которая при больших полях не зависит от напряженности электрического поля вследствии уменьшения подвижности в силовых полях.

Светодиоды.

Энергетической характеристикой излучающих диодов (светодиодов) является квантовая эффективность, которая определяется как отношение числа излучаемых во вне фотонов к числу электронов, проходящих через p-n-переход. Хотя эта величина теоретически может достигать 100%, практически она порядка 0, 1. . . 1%. Это объясняется большой долей безизлучательных переходов в общем рекомбинационном процессе и малостью доли фотонов, выходящих из светодиода. С понижением температуры вероятность излучательной рекомбинации растет и квантовая эффективность увеличивается.

Отличительными особенностями светодиодов по сравнению с обычными источниками света являются малые размеры, малые рабочие напряжения, высокое быстродействие (~10 c) и большой срок службы. Светодиоды находят широкое применение для схем автоматики, световых табло, оптронов.

Туннельные Диоды.

Туннельный диод - полупроволниковый прибор, принцип действия которого основан на туннельном эффекте в тонких p-n переходах и предназначен для генерирования и усиления электрических сигналов.

Структура и принцип работы туннельного диода

В основу туннельных диодов положено структуру p⁺-n^-, то есть туннельные диоды получают на основе сильнолеггированых (вырожденных) полупроводников. Концентрация примесей в областях p и n достигает 10¹⁹...10²⁰ см^-3, в результате чего ширина переходов туннельных диодов на два порядка меньше, чем у обычных, и не превышает 10^-2мкм. При таких условиях создается возможность туннелирования носителей заряда через потенциальный барьер p-n перехода. Для изготовления туннельных диодов используют такие полупроводниковые материалы: германий, кремний, арсенид галлия, антимонид индия.

Основная особенность туннельных диодов - наличие отрицательного дифференциального сопротивления на некотором участке прямой ветки ВАХ. Попробуем это объяснить.

С увеличением концентрации донорных и акцепторных примесей вследствие взаимодействия атомов примесные уровни расщепляются, образовывая зоны, которые могут сливаться с зоной приводимости или валентной зоной полупроводника. Уровень Ферми приближается ко дну зоны приводимости в полупроводнике n-типа и к "потолку" валентной зоны в проводнике p-типа. При некоторой достаточно большой концентрации уровень Ферми может оказаться в средине собственных зон, то есть происходит "вырождение" полупроводника. В соответствии со статистикой Ферми-Дирака энергетические уровни в областях p и n, ниже уровня Ферми, практически полностью заняты, а те что выше уровня Ферми - практически свободны. В p-n переходах на основе вырожденных полупроводников искривление энергетических уровней настолько велико, что происходит перекрывание зон, то есть в некотором интервале энергий допустимые уровни валентной зоны области p имеют ту же энергию, что и допустимые уровни зоны проводимости в области n. Так как эти уровни разделены узким потенциальным барьером, то оказывается возможным туннельный переход электронов на свободные уровни из одной области в другую. Без сместительного напряжения на диоде устанавливается такое состояние, когда вероятность туннельного перехода электронов из области p в n-область и из n-области в p-область оказывается одинаковой, и суммарный ток через диод равен нулю(точка 0 на ВАХ, а на энергетической диаграмме).

Вольт-амперная характеристика туннельного диода

При подаче на диод сместительного напряжения в обратном направлении высота потенциального барьера p-n перехода увеличивается и увеличивается перекрытие энергетических зон в соседних областях. Свободные уровни зоны проводимости n-области размещаются напротив занятых уровней валентной зоны p-области, а занятые уровни зоны проводимости n-области - напротив полностью занятых уровней валентной зоны p-области. (б на рисунке). При этом вероятность перехода электронов из валентной зоны p-области увеличивается, а вероятность обратного перехода уменьшается. Равновесие нарушается и через диод будет проходить туннельный ток в обратном направлении (точка 1 на ВАХ). Значение этого тока резко увеличивается в с повышением обратного напряжения, так как при этом все большее количество электронов из валентной зоны p-области может туннелировать в зону проводимости n-области.

С подачей на диод напряжения в прямом направлении вследствие уменьшения потенциального барьера перекрытие зон уменьшается. Часть заполненных уровней зоны проводимости n-области размещается напротив зоны свободных уровней валентной зоны p-области (в на зонной диаграмме). Поток электронов из зоны проводимости в валентную зону увеличивается, а обратный поток уменьшается. Через диод проходит прямой туннельный ток(точка 2 на ВАХ). С повышением напряжения увеличивается количество занятых уровней зоны проводимости, которые перекрываются с свободными уровнями валентной зоны, и прямой ток растет. При некотором прямом напряжении U_p, когда уровень Ферми в зоне проводимости будет напротив верха валентной зоны, полностью занятые уровни зоны проводимости n-области максимально перекрываются со свободными уровнями валентной зоны p-области(г на зонной диаграмме), и туннельный ток диода в прямом направлении достигает максимума (точка 3 на ВАХ). Далее с повышением напряжения туннельный ток начинает уменьшатся(точка 4 на ВАХ), то есть появляется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Причина уменьшения туннельного тока состоит в том, что при U>U_p часть занятых уровней в зоне проводимости перестает перекрываться со свободными уровнями валентной зоны (д на зонной диаграмме) и размещается напротив запрещенной зоны p-области. Когда напряжение на диоде будет равно U_v, перекрытии зон прекратится (г на зонной диаграмме) и туннельный ток будет равен нулю(точка 5 на ВАХ). Дальнейшее повышение напряжение снижает потенциальный барьер настолько, что оказывается возможным переход носителей над барьером, то есть появляется диффузионный ток, который растет с повышением напряжения так же, как и в обычном диоде.

В реальных туннельных переходах при напряжении U_v ток никогда не будет равен нулю, так как при этом напряжении уже возможна небольшая диффузия и кроме того, еще присутствует туннельная составляющая тока. Последняя вызвана наличием в запрещенной зоне системы допустимых уровней(уровней дефектов примесей которые глубоко находятся), из них возможно туннелирование. Этот ток называют избыточным.

Основные параметры туннельных диодов

В статическом режиме основными параметрами туннельного диода являются тока и напряжения в точках экстремума ВАХ:  - ток пика I_p - максимальный туннельный ток в прямом направлении  - напряжение пика U_p - напряжение на диоде, которое соответствует току пика  - ток впадины I_v - минимальный туннельный ток диода  - напряжение впадины U_v - напряжение на диоде которое соответствует току впадины  - напряжение на диоде U_F - напряжение, которое соответствует току I_p на диффузионном отрезке ВАХ  - напряжение скачка ΔU = U_V - U_p - наибольший перепад напряжения, который происходит во время работы туннельного диода в схемах релаксационного генератора  - емкость диода С - емкость между выводами диода при заданом напряжении смещения.