Електроніка та мікропроцесорна техніка

1.2 Диоды

Полупроводниковые материалы

Полупроводниковыми свойствами могут обладать как неорганические, так и органические вещества, кристаллические и аморфные, твердые и жидкие, немагнитные и магнитные. Несмотря на существенные различия в строении и химическом составе, материалы этого класса роднит одно замечательное качество- способность сильно изменять свои электрические свойства под влиянием небольших внешних энергетических воздействий.
Полупроводниковые материалы

кремнийкремний, Si
германий, германий, Ge
серое олово,серое олово, α-Sn
карбид кремния, карбид кремния, SiC
нитрид боранитрид бора, BN
нитрид алюминиянитрид алюминия, AlN
фосфид алюминияфосфид алюминия, AlP
арсенид алюминияарсенид алюминия, AlAs
нитрид галлиянитрид галлия, GaN
фосфид галлияфосфид галлия, GaP
арсенид галлияарсенид галлия, GaAs
антимонид галлияантимонид галлия, GaSb
фосфид индияфосфид индия, InP
арсенид индияарсенид индия, InAs
антимонид индияантимонид индия, InSb
селенид цинкаселенид цинка, ZnSe
селенид кадмияселенид кадмия, CdSe
теллурид кадмиятеллурид кадмия, CdTe
теллурид цинкателлурид цинка, ZnTe
теллурид ртутителлурид ртути, HgTe
оксид цинкаоксид цинка, ZnO
сульфид свинцасульфид свинца, PbS
теллурид свинцателлурид свинца, PbTe
теллурид олователлурид олова, SnTe
органические полупроводники
Полупроводниковые материалы

Зонная теория проводимости твердых тел
Для пояснения отличительной особенности изоляторов, проводников и полупроводников используют зонную теорию, согласно которой электроны вращаясь вокруг своего ядра на разных орбитах, обладают различной энергией.
Энергетические зоны изолятора (а), проводника (б) и полупроводника (в).
http://www.youtube.com/watch?v=w12Ehm6BSB4

Уровень энергий в которой находятся валентные электроны образуют валентную зону.
Уровень энергий в которой находятся свободные электроны, участвующие в проводимости образуют зону проводимости.
Валентная зона и зона проводимости разделяются запрещенной зонной.
Ширина запрещенной зоны:
•Германий (Ge) 0,85 эВ;
•Кремний (Si) 1,1 эВ;
•Фосфид индия (JnP) 1,26 эВ;
•Металлы (Cu) 0 эВ;
•Изоляторы >3 эВ.
Электропроводность веществ определяется содержанием свободных электронов.
В металлах в 1 см3 содержаться около 1022 э/см3, а в полупроводниках 109÷1010 э/см3.
Для создания тока I=1A необходимо пропускать ne≈1018 электронов в секунду.

Электронная и дырочная проводимость
1. Собственная проводимость
Для изготовления полупроводниковых приборов используют главным образом германий и кремний.
Эти материалы имеют кристаллическое строение, для которого характерно закономерное и упорядоченное расположение атомов в пространстве. Между атомами кристаллической решетки существуют связи, образуемые внешними (валентными) электронами, которые взаимодействуют не только с ядром своего атома, но и с ядрами соседних атомов, образуя ковалентные связи.
Пространственная схема кристаллической решетки кремния или германия (а)

Электронная и дырочная проводимость
1. Собственная проводимость
При уходе электрона со своей орбиты в зону проводимости происходит разрыв ковалентных связей между атомами и образуются свободные электроны , а на месте разрыва – дырки .
В химически чистом полупроводнике ne=nd .
схема связей между атомами в элементарной ячейке кристалла (б): 1 – двойная электронная связь; 2 – внешняя оболочка; 3 – атом; 4 – ядро

2. Примесная проводимость полупроводников
В кристалле полупроводника можно создать искусственным путем такие условия при которых число электронов не будет равно числу дырок и, следовательно, электропроводность его будет вызываться движением электрических зарядов преимущественно какого-либо одного знака: либо электронов, либо дырок. При этом проводимость полупроводника резко возрастает.
Получение n полупроводников
Для получения полупроводников с избытком электронов, названные n полупроводниками, необходимо в химически чистый полупроводник внедрить примеси элементов 5 группы (например мышьяк As или сурьма Sb).
Примеси, увеличивающие число свободных электронов в полупроводнике, называют донорными примесями (донор – поставщик).

Кристаллическая решетка кремния Si с введенными атомами мышьяка As
– основные носители;
– неосновные носители;
– неподвижные положительные ионы.
ne=nd+nИ
Рассмотрим изменения в кристаллической решетке кремния при введении примесей мышьяка As.

Получение p полупроводников
Для получения полупроводников с избытком дырок, названных p полупроводниками, необходимо в химически чистый полупроводник внедрить примеси элементов третьей группы (например индий Jn, галий Ga).
Примеси, создающие в полупроводнике дырочную проводимость, называются акцепторными (акцептировать – захватывать).

Получение p полупроводников
Рассмотрим изменения в кристаллической решетке кремния при введении примесей индия Jn.
Кристаллическая решетка кремния Si с введенными атомами индия Jn
– основные носители;
– неосновные носители;
– неподвижные отрицательные ионы.
nd=ne+nИ

Твердотельная электроника
Основные твердотельные приборы,
используемые в электронных устройствах:
диоды плоскостные и точечные;
диоды для усиления и генерации СВЧ-мощности: туннельный диод, лавинно-пролетный диод, диод Ганна;
инжекционные и лавинные S-диоды (диоды S -типа), динисторы и тиристоры.
биполярные транзисторы;
полевые транзисторы — транзисторы с p-n-переходом в качестве затвора и с изолированным затвором;
аналоговые транзисторы со статической индукцией, с проницаемой базой и с металлической базой

Электрические переходы
Электрическим переходом в полупроводнике называется граничный слой между двумя областями, физические характеристики которых имеют существенные физические различия.
Различают следующие виды электрических переходов:
электронно-дырочный или p-n-переход – переход между двумя областями полупроводника, имеющие разный тип электропроводности;
переходы между двумя областями, если одна из них является металлом, а другая полупроводником p- или n-типа (переход металл – полупроводник);
переходы между двумя областями с одним типом электропроводности, отличающиеся значением концентрации примесей;
переходы между двумя полупроводниковыми материалами с различной шириной запрещенной зоны (гетеропереходы).

Граница между двумя областями монокристалла полупроводника, одна из которых имеет электропроводность р-типа, другая – n-типа,
называется электронно-дырочным переходом (р-n-переходом).
Электронно-дырочный переход

Считаем что
граница раздела монокристаллов плоская,
место соединения является идеальным,
внешнее электрическое поле отсутствует.
Обычно концентрация примесей существенно различна Nа >> ND или Nа << ND.
Концентрация основных носителей значительно больше концентрации неосновных .

Электронно-дырочный переход
С одной стороны введена акцепторная примесь, обусловившая возникновение здесь электропроводности типа p, а с другой стороны введена донорная примесь, благодаря которой там возникла электропроводность типа n.
Каждому подвижному положительному носителю заряда в области p (дырке)
соответствует отрицательно заряженный ион акцепторной примеси, находящийся неподвижно в узле кристаллической решетки, а в области n каждому свободному электрону соответствует положительно заряженный ион донорной примеси, в результате чего весь монокристалл остается электрически нейтральным.
Начальный момент образования p-n-перехода

-
+
+
р-
n-
−
−
−
−

Следовательно, в такой структуре имеется градиент концентрации подвижных носителей заряда каждого знака.

Под действием разности концентраций электроны из n-области будут перемещаться в p-область,
а дырки из р-области – в n-область.
63
-
-
-
-
+
+
n
-

На месте ушедшей дырки в p-области навелся отрицательный заряд да еще электрон пришел из n-области, на месте ушедшего электрона
n-области навелся положительный заряд впридачу пришел положительный заряд из
р-области.
64
-
-
-
-
+
+
n
-

В результате на границах р-n-перехода слева сформировался отрицательный пространственный заряд, а справа - положительный пространственный заряд.
65
-
-
-
-
+
n
-

Этот двойной электрический слой создаёт электрическое поле с напряжённостью Е0 и приводит к появлению внутри полупроводника потенциального барьера φ0.
Это поле вызывает также направленное движение неосновных носителей заряда через переход – дрейфовый ток, направленный навстречу диффузному току
Iдр = IДРр + IДРn

p-n-переход при отсутствии внешнего напряжения
Между этими зарядами возникает электрическое поле, которое называют полем потенциального барьера, а разность потенциалов на границе раздела двух зон, обусловливающих это поле, называют контактной разностью
Электронно-дырочный переход
потенциалов ∆φк. Это электрическое поле начинает действовать на подвижные носители электрических зарядов, препятствуя протеканию электрического тока, образуя так называемый запирающий слой.

В конце концов эти токи сравняются
IДР = IДИФ
Наступит равновесное состояние и результирующий ток окажется равным нулю

n
-
l
0
Структуру с повышенной концентрацией носителей принято обозначать символом p+.
+
-
U

Подключение внешнего источника напряжения к p-n-переходу
Подключим к p-n-переходу внешний источник напряжения U плюсом (+) к p-, а (-) к n-слою.
Изменится высота потенциального барьера φ0 Внешнее напряжение окажется приложенным в основном к запирающему слою как к участку с наибольшим сопротивлением.
U
-
+
Iпр
+
-
p-
-
n-
E
0
Прямое (согласное) включение p-n-перехода

Напряжение U оказалось включенным встречно с внутренним электрическим полем Ео. В результате высота потенциального барьера снижается на величину внешнего напряжения U.

Количество носителей, обладающих энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера, увеличивается.
Увеличивается диффузионная составляющая Iдиф тока через p-n-переход.
В каждой области появляются дополнительные избыточные концентрации носителей.
При этом нарушается условие равновесного состояния.

Учитывая, что концентрации неосновных много меньше концентрации основных носителей, можно отметить, что дрейфовый ток Iдр этих носителей от приложенного напряжения зависит очень слабо.
Таким образом, результирующий ток через
p-n-переход
Носители собственной электропроводности также начнут встречено движение, образуя дрейфовый ток.

Нарушенное условие равновесного состояния р-n-структуры должно быть восстановлено за счет источника внешнего напряжения. Ушедшие из
р-слоя дырки восполняются положительными зарядами источника U, ушедшие электроны – электронами источника U.
В результате появляется ток во внешних выводах р-n-структуры.

Этот ток далее будем называть
прямым током.
Внешнее напряжение при таком включении
– прямым Uпр.
р-n-структура - включена согласно.
Высота потенциального барьера φ0 составляет доли вольта. Поэтому достаточно приложить напряжение Uпр доли вольта, чтобы p-n-переход начал открываться.
74

Уменьшение результирующего поля у
p-n-перехода приводит к уменьшению объёмного заряда и уменьшению длины запирающего слоя l0.
75

Процесс внедрения носителей заряда в какую-либо область полупроводника,
для которой они являются неосновными, называется инжекцией.

Включение p-n-перехода в обратном
направлении
Включим внешнее напряжение U (+) к
n-области. При этом увеличивается высота потенциального барьера на величину
77

Поле p-n-перехода втягивает все подошедшие к нему неосновные носители независимо от высоты потенциального барьера.
Uобр
-
+
I
обр
+
-
p
+
n-
E
0
φ0
U
78

Ток неосновных носителей через
p-n-переход называется обратным.
Внешнее напряжение при таком подключении далее будем называть обратным и обозначать Uобр.
Обратный ток называют ещё тепловым током, т.к. его величина очень сильно зависит от температуры p-n-перехода.
79

В связи с тем, что прямой ток много больше обратного тока Iпр >> Iобр можно говорить об однонаправленной проводимости p-n-перехода.
При обратном включении p-n-перехода суммарная напряжённость электрического поля возрастает.
Поэтому возрастает заряд электрического слоя, а также ширина перехода l0.
Причём возрастает в основном за счёт высокоомного n-слоя.
80

Процесс втягивания неосновных носителей заряда при обратном включении называется экстракцией.
U Е0
+ +
(Е0 +U)

Таким образом
При U>0 переход включен в прямом направлении (согласно) и ток возрастает
82

Резюме. Вентильные свойства p-n-перехода
p-n-переход, обладает свойством изменять свое электрическое сопротивление в зависимости от направления протекающего через него тока. Это свойство называется вентильным, а прибор, обладающий таким свойством, называется электрическим вентилем.
Прямое включение – электрическое внешнее поле компенсирует внутреннее.
Обратное – электрическое внешнее поле суммируется с внутренним, барьер больше.

Вольт-амперная характеристика
p-n-перехода (ВАХ)
Зависимость тока через p-n-переход от приложенного к нему напряжения хорошо описывается экспоненциальной зависимостью
(1)
- температурный потенциал.
(2)
83

Вольт-амперная характеристика
p-n-перехода (ВАХ)
(1)
k – постоянная Больцмана,
q – заряд электрона,
T – температура,
I0 – обратный ток.
При T = 293ºК = 20ºС
(2)
84

При прямом включении и Uпр > 0,1B
При обратном включении
Uобр > (0,1 - 0,2)B
ВАХ p-n-перехода
85

Зависимость тока через p-n-переход от приложенного к нему напряжения, выраженная в графическом виде, называется
вольт-амперной характеристикой (ВАХ).
IP-n = f (U)
86

На основании выражения можно построить ВАХ
p-n-перехода
U* - режим
отпирания
p-n-перехода
I
пр
Ge
Si
U
пр
U
*
0,2
0,4
0,6
I
0
I
обр
U
B
обр
B
87
1)

Запишем (1) иначе
(3)

Обратное напряжение – сотни вольт,
обратный ток – единицы-десятки микроампер.
Таким образом Свойство односторонней электропроводности
p-n-перехода отражено в вольтамперной характеристике.
Прямое падение напряжения составляет доли вольта, (для Si 0.64 - 0.69 В),
прямой ток – десятки-сотни миллиампер.
89

Вольт-амперная характеристика р-n-перехода

Переходный слой, в котором существует контактное электрическое поле при контакте «металл – полупроводник», называется переходом Шоттки, по имени немецкого ученого Вальтера Германа Шоттки, который в 1938 г. первый получил основные математические соотношения для электрических характеристик переходов.
Контактное электрическое поле на переходе Шоттки сосредоточено практически в полупроводнике, так как концентрация носителей заряда в металле значительно больше концентрации носителей заряда в полупроводнике. Перераспределение электронов в металле происходит в очень тонком слое, сравнимом с межатомным расстоянием.
В зависимости от типа электропроводности полупроводника и соотношения работ выхода в кристалле может возникать обедненный, инверсный или обогащенный слой носителями электрических зарядов.
Контакт «металл – полупроводник»

Переход Шоттки возникает на границе раздела металла и полупроводника n-типа, причём металл должен иметь работу выхода электрона большую, чем полупроводник. Обратный ток через переход Шоттки будет полностью отсутствовать, так как в металле не существует неосновных носителей зарядов.
Переход Шоттки «металл-полупроводник»

Полупроводниковые диоды
Полупроводниковый диод — это полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом и двумя внешними выводами, в котором используется то или иное свойство выпрямляющего перехода.
В качестве выпрямляющего электрического перехода в полупроводниковых диодах может быть электронно-дырочный переход, гетеропереход или контакт металл — полупроводник.
Структура полупроводниковых диодов:
а – с электронно-дырочным переходом;
б – с выпрямляющим контактом металл-полупроводник;
В – выпрямляющие контакты;
Н – невыпрямляющие контакты.

Полупроводниковые диоды
Одна из областей р-n-структуры, называемая эмиттером, имеет большую концентрацию основных носителей заряда, чем другая область, на­зываемая базой.
База и эмиттер с помощью электродов Э соединяются с металлическими выводами В, посредством которых диод включается в электрическую цепь.
Основным структурным элементом полупроводникового диода, определяющим его функциональные свойства, является р-п-переход — тонкий промежуточный слой между р-n-областями.

Полупроводниковые диоды
В зависимости от соотношения линейных размеров p-n - перехода и характеристической длины различают плоскостные и точечные диоды.
Характеристической длиной для диода является наименьшая из двух величин: средняя длина диффузии неосновных носителей в базе или толщина базы.
У плоскостного диода линейные размеры, значительно больше, а у точечного меньше характеристической длины.
Диод с толстой базой — это диод, толщина базы которого значительно превышает диффузионную длину неосновных носителей заряда (Wn>Lp).

1) Активное сопротивление.
Для диода с толстой базой в области низких частот сопротивление не зависит от частоты.
При высоких частотах сопротивление падет обратно пропорционально корню квадратному из частоты, что в логарифмическом масштабе дает прямую линию
2) Диффузионная емкость.
Диффузионная емкость диода с толстой базой не зависит от частоты на низких частотах и обратно пропорциональна корню квадратному из частоты при высоких частотах.
Низкочастотное значение диффузионной емкости диода с тонкой базой значительно меньше, чем диода с толстой базой.
3) Постоянная времени.
При низких частотах постоянная времени диода с толстой базой много больше постоянной времени диода с тонкой базой. При высоких частотах постоянные времени любого диода должны быть равны между собой и равны 1/ω.
Параметры диода

Пробой диода
Пробой диода — это явление резкого увеличения обратного тока через диод при достижении обратным напряжением некоторого критического для данного диода значения. В зависимости от физических явлений, пробои различают:
лавинный, туннельный и тепловой.
Лавинный пробой связан с образованием лавины носителей заряда под действием сильного электрического поля, при котором носители приобретают энергии, достаточные для образования новых электронно-дырочных пар в результате ударной ионизации атомов полупроводника.
Процесс ударной ионизации характеризуют коэффициентами ударной ионизации. Чтобы количественно охарактеризовать увеличение тока из-за процесса ударной ионизации в р-n-переходе диода вводят коэффициенты лавинного умножения Мп и Мр, показывающие, во сколько раз увеличивается ток данных носителей в результате ударной ионизации.

Туннельным пробоем электронно-дырочного перехода называют электрический пробой перехода, вызванный квантовомеханическим туннелированием носителей заряда сквозь запрещенную зону полупроводника без изменения их энергии. Туннелирование электронов возможно при условии, если ширина потенциального барьера, который необходимо преодолеть электронам, достаточно мала. При одной и той же ширине запрещенной зоны (для одного и того же материала) ширина потенциального барьера определяется напряженностью электрического поля, т. е. наклоном энергетических уровней и зон. Следовательно, условия для туннелирования возникают только при определенной напряженности электрического поля или при определенном напряжении на электронно-дырочном переходе — при пробивном напряжении. Значение этой критической напряженности электрического поля составляет примерно 8*105 В/см для кремниевых переходов и 3*105 В/см —для германиевых. Так как вероятность туннелирования очень сильно зависит от напряженности электрического поля, то внешне туннельный эффект проявляется как пробой диода.
Пробой диода

Особенности теплового пробоя в реальных диодах
Тепловой пробой в реальных диодах всегда происходит с образованием так называемого «шнура» или канала высокой проводимости, температура в котором превышает среднюю температуру остальной части р-n-перехода. В свою очередь, образование шнура может быть вызвано либо дефектами в реальном р-n-переходе, либо статистической флуктуацией плотности обратного тока по площади р-n-перехода. Действительно, если в каком-нибудь месте р-n-перехода в некоторый момент времени плотность обратного тока оказалась несколько выше плотности обратного тока в остальной части р-n-перехода, то температура этого места р-n-перехода будет выше из-за большей выделяющейся там удельной мощности. Увеличение температуры приведет к росту плотности обратного тока в данном месте р-n-перехода в связи с увеличением тепловой генерации носителей либо в самом переходе, либо в областях полупроводника, прилегающих к р-n-переходу. Локальное увеличение плотности тока вызовет локальное увеличение температуры, увеличение температуры вызовет увеличение плотности тока и т. д.
Пробой диода

Выпрямительные плоскостные диоды

Вольт-амперные характеристики германиевого диода при различных температурах окружающей среды.
Выпрямительные плоскостные диоды

Селеновые выпрямители
Селеновые выпрямительные пластины изготавливают на стальной или алюминиевой подложке (основании). В целях обеспечения возможно меньшего переходного сопротивления на подложку наносят дополнительное покрытие. На стальные основания гальваническим методом осаждают никель, а на алюминиевые — тонкий слой (1—2 мкм) висмута или никеля (висмут наносят испарением в вакууме).
Линейная плотность тока

Кремниевые выпрямительные плоскостные диоды
Выпрямительный полупроводниковый диод — это полупроводниковый диод, предназначенный для выпрямления переменного тока.

Выпрямительные точечные
высокочастотные диоды
Конструкция германиевого точечного диода показана на рисунке. Диод состоит из кристалла германия, припаянного к кристаллодержателю, контактного электрода в виде тонкой проволочки и стеклянного баллона.
Структура точечного р-n-перехода:
1 — металлический проволочный электрод;
2 — слой полупроводника с
электропроводностью р-типа в
полупроводнике n-типа
Вольт-амперная характеристика германиевого точечного диода

Сверхвысокочастотный диод
Сверхвысокочастотный диод — полупроводниковый диод, предназначенный для работы в сантиметровом диапазоне волн. Диод содержит между двумя сильно легированными областями высокой проводимости n+ и p+ активную базовую i-область с низкой проводимостью и большим временем жизни носителей заряда, то есть p-i-n-переход. Это позволяет снизить его емкость и повысить частоту работы элемента.

Конструкция СВЧ- диодов:
а — патронная;
б — коаксиальная;
в — волноводная;
1 — верхний фланец;
2 — настроечный штифт;
3 — керамическая втулка;
4 — контактная пружинка;
5 — кристалл полупроводника;
6 — кристаллодержатель;
7 — нижний фланец
Сверхвысокочастотный диод

Отступление
Эквивале́нтная схе́ма (схема замещения, эквивалентная схема замещения) — электрическая схема, в которой все реальные элементы заменены максимально близкими по функциональности цепями из идеальных элементов.

Сверхвысокочастотный диод
Эквивалентная схема СВЧ-диода:
L — индуктивность контактной пружины;
Cбaр барьерная емкость р-n-перехода;
rпер — сопротивление р-n-перехода;
Скорп — емкость корпуса;
rб — сопротивление растекания.

Переключательные диоды
В переключательных диодах используется резкое изменение сопротивления диода переменному току при подаче на него прямого и обратного постоянного смещения. Переключательные диоды можно подразделить на резонансные и нерезонансные.
Преобразовательные диоды
Преобразовательные СВЧ-диоды применяют в качестве смесителей, умножителей и модуляторов. Все эти функции диоды могут выполнять благодаря нелинейности вольт-амперной характеристики.
СВЧ - диоды

Обращенные диоды
Обращенным называют диод на основе полупроводника с критической концентрацией примесей, в котором проводимость при обратном напряжении вследствие туннельного эффекта значительно больше, чем при прямом напряжении.
Энергетическая диаграмма (а) и вольт-амперные характеристики (б)
обращенных диодов

Импульсные диоды
Импульсный полупроводниковый диод — это полупроводниковый диод, предназначенный для применения в импульсных режимах. Импульсные диоды чаще всего работают при больших сигналах.
Осциллограммы токов и напряжений для импульсных диодов при его работе в схемах c генератором напряжения (а) и с генератором тока (б)

Варикапы
Варикап — это полупроводниковый диод, в котором используется зависимость емкости от величины обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью.
Основные параметры
Емкость варикапа Св — емкость, измеренная между выводами варикапа при заданном обратном напряжении. Для различных варикапов емкость может быть от нескольких единиц до нескольких сотен пикофарад.
Коэффициент перекрытия по емкости Кс — отношение емкостей варикапа при двух заданных значениях обратных напряжений. Значение этого параметра составляет обычно несколько единиц.
Добротность варикапа Qв — отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте переменного сигнала к сопротивлению потерь при заданном значении емкости или обратного напряжения. Добротность — это величина, обратная тангенсу угла диэлектрических потерь. Добротность варикапов измеряют обычно при тех же напряжениях смещения, что и емкость. Значение добротности — от нескольких десятков до нескольких сотен.

Туннельные диоды
Туннельный диод — это полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольт-амперной характеристике при прямом напряжении участка отрицательной дифференциальной проводимости.
Вольт- амперная характеристика и энергетические диаграммы туннельного диода при:
а — отсутствии напряжения;
б — небольшом прямом напряжении;
в — напряжении пика;
г — напряжении, соответствующем отрицательному дифференциальному сопротивлению;
д — напряжении впадины;
е — напряжении, вызывающем значительный инжекционный ток;
ж — обратном напряжении

Пример использования диодов и варикапов
Пример включения диодов

Стабилитроны
При лавинном и туннельном пробое диодов происходит резкое увеличение обратного тока, а обратное напряжение изменяется очень мало. Это свойство использовано для создания стабилизаторов напряжения — полупроводниковых стабилитронов.
До наступления пробоя через стабилитрон протекают незначительные токи утечки, а его сопротивление весьма высоко. При наступлении пробоя ток через стабилитрон резко возрастает, а его дифференциальное сопротивление падает до величины, составляющей для различных приборов от долей Ома до сотен Ом. Поэтому в режиме пробоя напряжение на стабилитроне поддерживается с заданной точностью в широком диапазоне обратных токов

Стабилитроны
Вольт-амперная характеристика и схема включения стабилитронов

Стабилитроны

Стабилизацию постоянного напряжения можно также получить при использовании диода, включенного в прямом направлении. Диод, в котором для стабилизации напряжения используется прямая ветвь вольт-амперной характеристики, называют стабистором.
Стабилитроны

Супрессоры
Компоненты с симметричной ВАХ, подобной характеристике стабилитрона. Принцип действия этих приборов следующий (см. рис.). В случае повышения входного напряжения (более напряжения срабатывания прибора), прибор резко уменьшает свое сопротивление (создается короткое замыкание), в результате чего возрастает ток в цепи и либо сгорает предохранитель, либо излишняя мощность выделяется в виде тепла на резисторе. Таким образом оборудование оказывается полностью защищенным от бросков напряжения. Термин «ДВУНАПРАВЛЕННЫЙ» указывает на возможность работы прибора с двуполярными напряжениями, «ОДНОНАПРАВЛЕННЫЙ» - только с напряжениями одной полярности.

Диоды Гана
Диод Ганна - тип полупроводниковых диодов, использующийся для генерации и преобразования колебаний в диапазоне СВЧ на частотах от 0,1 до 100 ГГц. В отличие от других типов диодов, принцип действия диода Ганна основан не на свойствах p-n-переходов, т.е. все его свойства определяются не эффектами, которые возникают в местах соединения двух различных полупроводников, а собственными свойствами применяемого полупроводникового материала.

Диоды Гана
Эффект Гана проявляется в полупроводниках n-типа проводимости в сильных электрических полях.
Сущность эффекта Гана состоит в том, что если в полупроводнике создать напряжённость электрического поля, большую Екр, но меньшую Епор, на участке характеристики, то в полупроводнике возникнут электрические колебания сверхвысокой частоты (СВЧ) до 3 ТГц. Эффект Гана применяется в диодах Гана, которые используются как маломощные генераторы СВЧ.

Диоды Гана
В иностранной же литературе диоду Ганна соответствует термин ТЭД (Transferred Electron Device).

Электрически управляемые генераторы на диоде Ганна
Радар
3A703B
Диоды Гана
генераторные и усилительные диоды, применяемые в качестве генераторов накачки в параметрических усилителях, гетеродинов в супергетеродинных приемниках, генераторов в маломощных передатчиках и в измерительной технике.

Диоды Холла
Эффект Холла проявляется в полупроводниках n-типа проводимости с протекающими через них токами и помещёнными в магнитное поле.

Эффект Холла
1. Электроны
2. Зонд
3. Магниты
4. Магнитное поле
5. Источник ток

Датчики Холла
Эффект Холла, в некоторых случаях, позволяет определить тип носителей заряда (электронный или дырочный) в металле или полупроводнике, что делает его достаточно хорошим методом исследования свойств полупроводников.
http://web.archive.org/web/20080120010611/www.effects.ru/science/72/index.htm
На основе эффекта Холла работают датчики Холла: приборы, измеряющие напряжённость магнитного поля. Датчики Холла получили очень большое распространение в бесколлекторных, или вентильных, электродвигателях (сервомоторах). Датчики закрепляются непосредственно на статоре двигателя и выступают в роли ДПР (датчика положения ротора). ДПР реализует обратную связь по положению ротора, выполняет ту же функцию, что и коллектор в коллекторном ДПТ.

Датчики Холла
Датчик Холла, используемый для измерения силы тока в проводнике. В отличие от трансформатора тока, измеряет также и постоянный ток.

Диоды Шоттки
http://www.youtube.com/watch?v=M5Yg0L4GHGY
Диод Шоттки — полупроводниковый диод с малым падением напряжения при прямом включении. Используют переход металл-полупроводник в качестве барьера Шоттки (вместо p-n перехода, как у обычных диодов). На практике большинство диодов Шоттки применяется в низковольтных цепях при обратном напряжении порядка единиц и нескольких десятков вольт.

Диоды Шоттки
Наиболее важными характеристиками диодов Шоттки, определяющими их использование, являются низкое прямое падение напряжения, высокое быстродействие, фактическое отсутствие заряда обратного восстановления. Чаще всего они применяются в мощных выпрямителях на высоких скоростях переключения, могут быть также использованы в импульсных источниках питания, конверторах, устройствах заряда батарей. Температурный диапазон зависит от корпуса и составляет обычно -55...+150 оС для пластмассовых и -65...+150 'С для металлических корпусов.
Диоды Шоттки для поверхностного монтажа
Диоды Шоттки для объемного монтажа
Модули на диодах Шоттки
Выпрямительные диоды в пластмассовых корпусах

КАРБИДОКРЕМНИЕВЫЕ ДИОДЫ СЕМЕЙСТВА THINQ
Карбидокремниевые диоды семейства ThinQ с барьером Шоттки обладают всеми достоинствами традиционных диодов Шоттки при значительно более высоком рабочем напряжении. Область применения: корректоры коэффициента мощности и выпрямительные цепи источников электропитания радиопередающего и телекоммуникационного оборудования.
Ток: до 20 А.
Напряжение: до 600 В.
Мощность: до 90 Вт.
Система обозначений: SD Р 06 S 60
1 2 3 4
Диод семейства ThinQ
Тип корпуса: D–TO-252 (D-Pak), B–TO-263, (D2-Pak), P–TO-220-3,T–TO-220-2
Ток нагрузки, А
Максимальное рабочее напряжение (х10), В

БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЕ ДИОДЫ СЕРИИ EmCon
Область применения:
силовые электроприводы,
источники бесперебойного питания,
сварочные аппараты.
Ток: 3 - 45 А.
Напряжение: до 600 – 1200 В.
Мощность: до 143 Вт.
Система обозначений: ID Р 06 Е 60

Диодные сборки
Выпрямительные диодные сборки
Диодные сборки состоят из двух диодов, имеющих общий вывод катодов, и предназначены для работы в выпрямительных схемах.
Однофазные мосты
Трехфазные диодные мосты
Защитные диоды
TRANSIENT VOLTAGE SUPPRESSORS (TVS) - диоды для защиты цепей от импульсных выбросов напряжения
Макс, имп. ток, до 150 А
Стабилизаторы напряжения

Фотодиоды
Фотодиод — приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе. Фотодиод, работа которого основана на фотовольтаическом эффекте (разделение электронов и дырок в p- и n- области, за счёт чего образуется заряд (ЭДС)) называется солнечным элементом.
1 — кристалл полупроводника;
2 — контакты;
3 — выводы;
Ф — поток электромагнитного излучения;
Е — источник постоянного тока;
RH — нагрузка.
ФД-10-100 активная площадь-10х10 мм2

Солнечные батареи
Плоские
(стандартные батареи)
Сферические (Повышенный КПД)
Прозрачные
(для покрытия стекол зданий)
Индивидуальная электростанция
Солнечное поле

Стрелочный привод Hydra-Switch 3000LP
Cтрелочный привод типа Hydra-Switch 3000LP компании Global Signaling (США) имеет безредукторный переводной механизм, дистанционное управление по радиосвязи или с использованием глобальной коммуникационной сети. Он имеет гидравлический привод, сервомотор которого может получать питание от солнечной батареи.

В Бельгии пущен в эксплуатацию первый в Европе поезд, движимый энергией Солнца. Солнечные панели установлены на крыше туннеля, где проходит состав.
Уникальный транспортный проект, объединяющий два технологических новшества - высокую скорость и использование возобновляемого источника энергии, запущен в Европе. 6 июня 2011г. открыта скоростная железнодорожная линия, использующая для своих нужд энергию солнца. Участок дороги, который обошелся создателям в 15,6 млн евро, находится на линии, связывающей Париж и Амстердам. Отныне поезд, минуя Антверпен (Бельгия), проходит в туннеле, кровля которого покрыта 16 тыс. квадратных солнечных панелей. Длина «эко-туннеля» составляет 3,6 километров, площадь солнечных батарей - 50 тыс. квадратных метров, что примерно равно площади восьми футбольных полей.
Солнечный поезд

преобразователи электроэнергии в электромагнитное излучение видимого диапазона
Светодиоды
Спектрограмма красного, зелёного, голубого и белого светодиодов
Светодиод в пластиковой оболочке

Светодио́д или светоизлучающий диод (СД, СИД, LED англ. Light-emitting diode) — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра. Его спектральные характеристики зависят во многом от химического состава использованных в нём полупроводников. Иными словами, кристалл светодиода излучает конкретный цвет (если речь идёт об СД видимого диапазона), в отличие от лампы, излучающей более широкий спектр, и где конкретный цвет отсеивается внешним светофильтром.
При пропускании электрического тока через p-n переход в прямом направлении, носители заряда — электроны и дырки — рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).
Светодиоды

Группы
Светоизлучающие диоды общего назначения
7-ми сегментные (цифровые) индикаторы
16-ти сегментные (буквенно-цифровые) индикаторы
Точечные матрицы
Световые линейки
Свойства
1. Различных цветов и яркости :
Одноцветные: В - синие/голубые (MB, МВК - 455 нм; РВ, РВ-Е - 465 нм); G -зеленые (VG - 520 нм; VG-E - 525 нм; PG - 555 нм; G, SG, MG - 568 нм; MGK - 570 нм); Y - желтые (PY - 585 нм; Y, SY - 588 нм; SY-H - 589 нм; SYK - 590 нм); Or - оранжевые (SE, SEK - 601 нм; N - 610 нм; SE-E - 621 нм; Е - 625 нм); R - красные (I - 625 нм; SUR - 628 нм; SURK, SUR-E - 630 нм; SR, UR - 640 нм; Н - 660 нм).
Двух- и трехцветные (R/Y, G/Y, R/Y/G).
Яркость от 0,1 до 3000 мКд при токе от 10 до 20 мА
Светодиоды

2. Различного конструктивного исполнения:
Поверхностного монтажа, прямоугольные, треугольные, цилиндрические, круглые, большого размера, в корпусе, для монтажа в панель
Инфракрасные излучающие диоды
Кластеры
ЧИП - светодиоды
7-ми и 16-ти сегментные индикаторы для поверхностного монтажа
Цокольные светодиоды
3. С различными типами линзы:
W (white diffused) - белая матовая; D (color diffused) - цветная матовая; С (water clear) - прозрачная; Т (color transparent) - цветная, полупрозрачная.
4. Светодиоды с дополнительными характеристиками:
Мигающие (содержат встроенный генератор), малопотребляющие, с резистором (содержат встроенный ограничительный резистор) У большинства диапазон рабочих температур -40...+70 ° С, есть модели с расширенным температурным диапазоном
Светодиоды

Светодиоды
SMD-индикаторы
Матричные
Буквенно- цифровые дисплеи
Кластеры
Цокольные

Светодиодные лампы

В качестве индикации можно подключить светодиоды непосредственно на порт микро-ЭВМ, при этом коммутация должна производиться на общую цепь питания микросхемы.
Подключение светодиодов
Так как номинальное прямое напряжение светодиода примерно равно 1,6В, а напряжение питания микросхемы +5В, то лишнее напряжение должно падает на сопротивлении.
Подключение светодиодов
к микро-ЭВМ

Подключение нагрузки по матричной схеме
В случае большого количества объектов управления коммутацию можно производить по матричной схеме. Основной недостаток - в невозможности одновременной адресации разных строк и столбцов. Эффективно – при создании матричного изображения. Для исключения мерцания скорость развёртки должна превосходить инерционность ламп. Иногда учитывается стробоскопический эффект.
Матричное включение светодиодов

Светодиодные экраны
- по принципу построения делятся на два типа – кластерные и матричные. В кластерных экранах каждый пиксель, содержащий от трех до десятков светодиодов, объединен в отдельном светоизолированном корпусе, который залит герметизирующим компаундом. Такой конструктивный элемент называется кластером. Кластеры, образующие информационное поле экрана, закреплены при помощи винтов на лицевой поверхности экрана. От каждого кластера отходит жгут проводов к соответствующей управляющей плате, к которой они подключаются посредством электрических разъемов. Такой способ построения светодиодных экранов постепенно отмирает, уступая место более технологичному матричному принципу. В этом случае кластеры и управляющая плата объединены в единое целое – матрицу

Лазеры
Ла́зер (англ. laser, акроним от light amplification by stimulated emission of radiation «усиление света посредством вынужденного излучения»), или опти́ческий ква́нтовый генера́тор — это устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.
Полупроводниковый лазер — твердотельный лазер, в котором в качестве рабочего вещества используется полупроводник. В таком лазере, в отличие от лазеров других типов (в том числе и других твердотельных), используются излучательные переходы не между изолированными уровнями энергии атомов, молекул и ионов, а между разрешенными энергетическими зонами или подзонами кристалла.

Лазеры
Поскольку в полупроводниковом лазере возбуждаются и излучают коллективно атомы, составляющие кристаллическую решётку, сам лазер может обладать очень малыми размерами.
Другими особенностями полупроводниковых лазеров являются высокий КПД, малая инерционность, простота конструкции.
Типичным представителем полупроводниковых лазеров является лазерный диод — лазер, в котором рабочей областью является полупроводниковый p-n переход. В таком лазере излучение происходит за счет рекомбинации электронов и дырок.

Лазеры
Фрагмент печатной платы, изготовленной методом прямого лазерного формирования проводящей структуры
Поперечная накачка электронным пучком
Продольная накачка электронным пучком

Лазерный драйвер с цепью компенсации уровня модуляции
MAX3863 создан для непосредственной модуляции лазерного диода на скоростях до 2.7 Гбит/с. Цепь автоматического контроля мощности предназначена для постоянного поддержания среднего уровня оптической мощности. Цепь компенсации модулирующего тока предназначена для увеличения модуляционного тока лазера относительно его тока смещения. В результате, удается поддерживать оптимальный уровень оптического гашения лазера во всем диапазоне рабочих температур и на протяжении всего срока службы.

Лазерный драйвер с цепью компенсации уровня модуляции

Лазерный драйвер с цепью компенсации уровня модуляции