Электроника полупроводников

ШУМОВЫЕ ДИОДЫ

Полупроводниковый шумовой диод работает в начальном участке лавинного пробоя (рис.12), когда процесс ударной ионизации оказывается неустойчивым. В качестве генератора шума можно использовать диод в диапазоне обратных токов от Iпроб.min до Iпроб.max. Результатом случайной генерации новых носителей заряда при ударной ионизации являются шумы с широким спектром частот.


Основными параметрами шумового диода являются: спектральная плотность шума  при заданном токе пробоя Iпроб и граничная частота равномерности спектра fгр на которой мощность шумового сигнала уменьшается в два раза по сравнению с мощностью шумового сигнала на более низких частотах.

ТУННЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ

В отличие от всех остальных полупроводниковых диодов для изготовления туннельных диодов используют вырожденные полупроводники с высокой концентрацией примесей N=1018÷1020 см−3. Вследствие чего толщина p-n-перехода оказывается малой порядка 10−2мкм. Сквозь такие тонкие потенциальные барьеры возможно туннелирование носителей заряда.

ВАХ туннельного диода приведена на рис.13. На рисунке отмечены точки, для которых построены зонные диаграммы. Для упрощения рисунков на зонных диаграммах не изображены источники питания.

В диоде без внешнего смещения (точка а) происходит туннелирование электронов из n-области в p-область и обратно. Встречные потоки электронов равны, поэтому суммарный ток через диод равен нулю.

При небольшом прямом напряжении на туннельном диоде (точка б) энергия электронов в n-области увеличивается, и уровни энергии смещаются вверх. При этом происходит преимущественное туннелирование электронов из n-области в p- область, кроме того, возникает небольшой диффузионный ток электронов через понизившийся потенциальный барьер.

При прямом напряжении на диоде Uпика (точка в), когда занятые электронами уровни энергии в n-области окажутся на одной высоте со свободными энергетическими уровнями в p-область туннельный ток Iпика станет максимальным.

При дальнейшем увеличении прямого напряжения (точка г) туннельный ток будет уменьшаться, ток как из-за смещения уровней энергии уменьшится количество электронов способных туннелировать из n-области в p- область.

Туннельный ток через диод окажется равным нулю при напряжении Uвпадины (точка д), когда для свободных электронов в n-области в p- области не окажется свободных энергетических уровней. Однако при этом через диод будет проходить прямой ток Iвпадины, связанный с диффузией электронов через понизившийся потенциальный барьер.

Далее при увеличении прямого напряжения (точка е) прямой ток будет нарастать, как в обычных выпрямительных диодах.

При обратном напряжении на туннельном диоде (точка ж) снова возникают условия для туннелирования электронов из p-области в n-область. Возникающий при этом обратный ток будет расти по абсолютному значению с ростом по абсолютному значению обратного напряжения. Можно считать, что у туннельного диода происходит туннельный пробой при малых (по абсолютной величине) обратных напряжениях.

Таким образом, в интервале напряжений от Uпика до Uвпадины, туннельный диод обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением. Как и всякий прибор с отрицательным дифференциальным сопротивлением туннельный диод может быть использован для генерации и усиления электромагнитных сигналов.

Основные параметры туннельных диодов:

1. Пиковый ток Iпика – ток в точке максимума ВАХ, при котором производная . Этот ток может составлять от десятых долей миллиампера до сотен миллиампер.

2. Ток впадины Iвпадины – ток в точке минимума ВАХ при котором .

3. Отношение токов туннельного диода Iпика/ Iвпадины. Для туннельных диодов из арсенида галлия Iпика/ Iвпадины ≥10. для германиевых диодов Iпика/ Iвпадины =3÷6.

4. Напряжение пика Uпика – прямое напряжение соответствующее пиковому току. Для туннельных диодов из арсенида галлия Uпика =100÷150мВ, для германиевых диодов Uпика =40÷60мВ.

5. Напряжение впадины Uвпадины – прямое напряжение соответствующее току впадины. Для туннельных диодов из арсенида галлия Uвпадины =400÷500мВ. для германиевых диодов Uвпадины =250÷350мВ.

6. Напряжение раствора Uрр – прямое напряжение большее напряжения впадины, при котором ток равен пиковому току.

7. Удельная емкость туннельного диода Сд/Iпика – отношение емкости туннельного диода, измеренной при Iпика к пиковому току.

Расчет переходных процессов методом численного интегрирования дифференциальных уравнений на ЭВМ Система дифференциальных уравнений, которыми описывается состояние любой электрической цепи, может быть решена методом численного интегрирования на ЭВМ (метод последовательных интервалов или метод Эйлера).

Способы соединения четырехполюсников Сложная цепь или схема может содержать несколько четырехполюсников, соединенных между собой тем или иным образом. При расчете таких схем отдельные группы четырехполюсников можно заменить эквивалентными одиночными четырехполюсниками и, таким образом, упростить схему цепи и, соответственно, решение задачи.

Основные понятия и определения электрических фильтров Электрическим фильтром называется четырехполюсник, предназначенный для выделения (пропускания) сигналов определенной полосы частот. В зависимости от пропускаемого спектра частот фильтры подразделяют на 4 основных вида

Электрические цепи с распределенными параметрами Параметры электрических цепей в той или иной мере всегда распределены вдоль длины отдельных участков. В большинстве практических случаев распределением параметров вдоль длины пренебрегают и представляют электрическую цепь эквивалентной схемой с сосредоточенными схемными элементами R , L и C.

Линия с распределенными параметрами в различных режимах Расчет токов и напряжений в линии с распределенными параметрами при произвольной нагрузке  на основе совместного решения полученных ранее комплексных уравнений. Уравнения режима линии дополняются уравнениями закона Ома для начала и конца линии

Линия с распределенными параметрами без потерь Для кабельных линий с распределенными параметрами, работающих на высоких частотах (линии связи), реактивные параметры значительно превосходят активные   и . При расчете режимов таких линий можно без особого ущерба для точности расчета пренебречь активными параметрами и принять их равными нулю . В таком случае линия становится идеальной или без потерь.

Расчет отраженных волн в линии с распределенными параметрами при подключении ее к источнику ЭДС

Синтез электрических цепей Характеристика задач синтеза Синтезом электрической цепи называют определение структуры цепи и параметров составляющих ее элементов R, L и С по известным свойствам (характеристикам), которым должна удовлетворять цепь. Задачи синтеза цепей противоположны по цели и содержанию задачам анализа. В отличие от задач анализа, имеющих, как правило, единственное решение, задачи синтеза могут иметь несколько решений, удовлетворяющих заданным условиям. В этом случае выбирают наиболее рациональное решение (например, по стоимости, по габаритам, по массе, по числу элементов и т. д.) Кроме того, физического решения может не существовать вообще, так как из существующих реальных элементов не всегда можно построить электрическую цепь, удовлетворяющую заданным условиям.

Теория нелинейных цепей Нелинейные цепи постоянного тока Нелинейные элементы, их характеристики и параметры

Графический метод расчета нелинейной цепи с несколькими источниками ЭДС Графический метод расчета можно применять также и для более сложных схем с несколькими источниками ЭДС. Последовательность графических операций при решении одной и той же задачи может быть различной и зависит от выбора алгоритма решения.

Нелинейные магнитные цепи постоянного потока Основные понятия и законы магнитной цепи Электромагнитное поле, которое лежит в основе всех многообразных явлений и процессов, исследуемых в электротехнике, имеет две равнозначные стороны – электрическую и магнитную. Как известно, в электрической цепи под воздействием источников энергии возникают электрические токи, которые протекают по электрическим проводам. Подобно электрическим цепям существуют также магнитные цепи, состоящие из магнитных проводов или кратко магнитопроводов, в которых под воздействием магнитодвижущих сил (МДС) возникают и замыкаются магнитные потоки Ф. Формальную схожесть или аналогию между электрическими и магнитными цепями в дальнейшем будем именовать принципом двойственности.

Расчет неразветвленной магнитной цепи Пусть требуется выполнить расчет магнитной цепи электромагнитного реле, эскизный вид которого и схема магнитной цепи показана на рис. 2а, б. Будем считать, что геометрические размеры участков и основная кривая намагничивания материала B=f(H) заданы.

Расчет магнитной цепи с постоянным магнитом Постоянные магниты находят применение в автоматике, измерительной технике и других отраслях для получения постоянных магнитных полей. В основе их принципа действия лежит физическое явление остаточного намагничивания. Известно, что любой ферромагнитный материал, будучи намагниченным от внешнего источника, способен сохранять некоторые остатки магнитного поля после снятия внешней намагничивающей силы. Ферромагнитные материалы, способные длительное время сохранять остаточное поле, получили название магнитотвердых.

Резонансные явления в нелинейных цепях Резонанс в цепи, содержащей нелинейную катушку с ферромагнитным сердечником и линейный конденсатор, получил название феррорезонанса. Для качественного исследования явления феррорезонанса воспользуемся методом эквивалентных синусоид.

Лекции и задачи по физике Примеры решений контрольной работы