ZADANIA DO ĆWICZEŃ Z ELEMENTÓW ELEKTRONICZNYCH temat: Diody. prowadzący Piotr Płotka, tel , pok.

Podobne dokumenty
ZADANIA DO ĆWICZEŃ Z ELEMENTÓW ELEKTRONICZNYCH temat: Diody. prowadzący Piotr Płotka, tel , pok.

Ćwiczenie 1 LABORATORIUM ELEKTRONIKI POLITECHNIKA ŁÓDZKA KATEDRA PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH I OPTOELEKTRONICZNYCH

IA. Fotodioda. Cel ćwiczenia: Pomiar charakterystyk prądowo - napięciowych fotodiody.

WYZNACZANIE STAŁEJ PLANCKA Z POMIARU CHARAKTERYSTYK PRĄDOWO-NAPIĘCIOWYCH DIOD ELEKTROLUMINESCENCYJNYCH. Irena Jankowska-Sumara, Magdalena Krupska

I. DIODA ELEKTROLUMINESCENCYJNA

III. TRANZYSTOR BIPOLARNY

14 Modulatory FM CELE ĆWICZEŃ PODSTAWY TEORETYCZNE Podstawy modulacji częstotliwości Dioda pojemnościowa (waraktor)

BADANIE DIOD PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

EL08s_w03: Diody półprzewodnikowe

1 Źródła i detektory. I. Badanie charakterystyki spektralnej nietermicznych źródeł promieniowania elektromagnetycznego

4. Diody DIODY PROSTOWNICZE. Są to diody przeznaczone do prostowania prądu przemiennego.

IV. Wyznaczenie parametrów ogniwa słonecznego

Lasery półprzewodnikowe. przewodnikowe. Bernard Ziętek

Modelowanie diod półprzewodnikowych

Rekapitulacja. Detekcja światła. Rekapitulacja. Rekapitulacja

Zadania z podstaw elektroniki. Zadanie 1. Wyznaczyć pojemność wypadkową układu (C1=1nF, C2=2nF, C3=3nF):

Tranzystory bipolarne. Małosygnałowe parametry tranzystorów.

POLITECHNIKA ŁÓDZKA INSTYTUT FIZYKI. Temperaturowa zależność statycznych i dynamicznych charakterystyk złącza p-n

Badanie diod półprzewodnikowych

Złącze p-n powstaje wtedy, gdy w krysztale półprzewodnika wytworzone zostaną dwa obszary o odmiennym typie przewodnictwa p i n. Nośniki większościowe

Dioda półprzewodnikowa OPRACOWANIE: MGR INŻ. EWA LOREK

Urządzenia półprzewodnikowe

Elementy elektroniczne Wykłady 5,6: Tranzystory bipolarne

Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego nr 13

Budowa. Metoda wytwarzania

Ćw. III. Dioda Zenera

EUROELEKTRA Ogólnopolska Olimpiada Wiedzy Elektrycznej i Elektronicznej Rok szkolny 2015/2016

Ćwiczenie nr 34. Badanie elementów optoelektronicznych

Wykład V Złącze P-N 1

Optyczne elementy aktywne

SYMBOLE GRAFICZNE. Tyrystory. Struktura Charakterystyka Opis

Diody półprzewodnikowe

3. ZŁĄCZE p-n 3.1. BUDOWA ZŁĄCZA

Diody półprzewodnikowe

Repeta z wykładu nr 5. Detekcja światła. Plan na dzisiaj. Złącze p-n. złącze p-n

!!!DEL są źródłami światła niespójnego.

Równanie Shockley a. Potencjał wbudowany

Półprzewodniki. złącza p n oraz m s

Cel ćwiczenia. Podstawowe informacje. eu exp mkt ] 1 (1) I =I S[

PARAMETRY MAŁOSYGNAŁOWE TRANZYSTORÓW BIPOLARNYCH

Ć w i c z e n i e 1 6 BADANIE PROSTOWNIKÓW NIESTEROWANYCH

Badanie diody półprzewodnikowej

Fotoelementy. Symbole graficzne półprzewodnikowych elementów optoelektronicznych: a) fotoogniwo b) fotorezystor

Efekt fotoelektryczny

BADANIE CHARAKTERYSTYK FOTOELEMENTU

Teoria pasmowa ciał stałych Zastosowanie półprzewodników

PRZEŁĄCZANIE DIOD I TRANZYSTORÓW

Diody półprzewodnikowe. Model diody półprzewodnikowej Shockley a. Dioda półprzewodnikowa U D >0 model podstawowy

Ćwiczenie nr 4 Charakterystyki I= f(u) złącza p-n.

Diody półprzewodnikowe

kierunek: Automatyka i Robotyka Zadania uzupełniające do wykładu i ćwiczeń laboratoryjnych z Elektroniki sem. II

Katedra Przyrządów Półprzewodnikowych i Optoelektronicznych Laboratorium Przyrządów Półprzewodnikowych. Ćwiczenie 2

Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego nr 13

1 Źródła i detektory. V. Fotodioda i diody LED Cel ćwiczenia: Pomiar charakterystyk prądowo - napięciowych fotodiody i diod LED.

Ćwiczenie: "Właściwości wybranych elementów układów elektronicznych"

Elementy przełącznikowe

WYZNACZENIE STAŁEJ PLANCKA NA PODSTAWIE CHARAKTERYSTYKI DIODY ELEKTROLUMINESCENCYJNEJ

Wykład IV. Półprzewodniki samoistne i domieszkowe

Diody i tranzystory. - prostownicze, stabilizacyjne (Zenera), fotodiody, elektroluminescencyjne, pojemnościowe (warikapy)

WZMACNIACZ NAPIĘCIOWY RC

7. Tyrystory. Tyrystor SCR (Silicon Controlled Rectifier)

Ćwiczenie 2 LABORATORIUM ELEKTRONIKI POLITECHNIKA ŁÓDZKA KATEDRA PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH I OPTOELEKTRONICZNYCH

Aleksandra Banaś Dagmara Zemła WPPT/OPTOMETRIA

V. DIODA ELEKTROLUMINESCENCYJNA

Badanie własności diód krzemowej, germanowej, oraz diody Zenera

LABORATORIUM ELEKTRONIKI ĆWICZENIE 4 POLITECHNIKA ŁÓDZKA KATEDRA PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH I OPTOELEKTRONICZNYCH

Base. Paul Sherz Practical Electronic for Inventors McGraw-Hill 2000

LABORATORIUM ELEKTRONIKI

Elementy elektroniczne Wykłady 4: Diody półprzewodnikowe

Ćwiczenie 7 PARAMETRY MAŁOSYGNAŁOWE TRANZYSTORÓW BIPOLARNYCH

Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego nr 6a

Rys.1. Struktura fizyczna diody epiplanarnej (a) oraz wycinek złącza p-n (b)

A6: Wzmacniacze operacyjne w układach nieliniowych (diody)

Fotodetektory. Fotodetektor to przyrząd, który mierzy strumień fotonów bądź moc optyczną przetwarzając energię fotonów na inny użyteczny sygnał

Światło fala, czy strumień cząstek?

ELEKTRONIKA ELM001551W

Liniowe układy scalone

V. Fotodioda i diody LED

Badanie charakterystyk elementów półprzewodnikowych

Skończona studnia potencjału

Ćwiczenie 1 Podstawy opisu i analizy obwodów w programie SPICE

Dioda półprzewodnikowa

Wiadomości podstawowe

L E D light emitting diode

Pracownia Automatyki i Elektrotechniki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 1. Połączenia szeregowe oraz równoległe elementów RC

Wykład X TRANZYSTOR BIPOLARNY

PRAWO OHMA DLA PRĄDU PRZEMIENNEGO

Ćwiczenie nr 2 Charakterystyki I= f(u) złącza p-n.

Ćwiczenie 4. Parametry statyczne tranzystorów polowych JFET i MOSFET

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej STUDIA DZIENNE. Wpływ oświetlenia na półprzewodnik oraz na złącze p-n

Własności i zastosowania diod półprzewodnikowych

CEL ĆWICZENIA: Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z zastosowaniem diod i wzmacniacza operacyjnego

1 Źródła i detektory VI. FOTOTRANZYSTOR

A-6. Wzmacniacze operacyjne w układach nieliniowych (diody)

1. Właściwości materiałów półprzewodnikowych 2. Półprzewodniki samoistne i domieszkowane 3. Złącze pn 4. Polaryzacja złącza

Tranzystory bipolarne. Właściwości dynamiczne wzmacniaczy w układzie wspólnego emitera.

Wykład Drgania elektromagnetyczne Wstęp Przypomnienie: masa M na sprężynie, bez oporów. Równanie ruchu

Ćwiczenie 1. Pomiary parametrów diod półprzewodnikowych

W celu obliczenia charakterystyki częstotliwościowej zastosujemy wzór 1. charakterystyka amplitudowa 0,

Transkrypt:

ZAANA O ĆWCZEŃ Z ELEMENTÓW ELEKTONCZNYCH temat: iody prowadzący Piotr Płotka, e-mail pplotka@eti.pg.gda.pl, tel. 347-634, pok. 30 ZAANE. ioda krzemowa o napięciu przebicia większym od 400 V pracuje w układzie prostownika jak na rys... W karcie katalogowej tej diody podano, że wartość bezwzględna prądu wstecznego diody nie przekracza m = 0-6 A dla napięcia wstecznego Vm < 400 V. ana jest amplituda Em = 20 V. Pulsacja 2 50 /s jest tak mała, że w analizie można pominąć pojemności diody. Określ wartości prądu diody id0 i napięcia na diodzie vd0 dla e0 = 0 V. Jakie są przybliżone wartości id i vd dla e = +20 V oraz id2 i vd2 dla e2 = -20 V? Zinterpretuj wynik graficznie. Naszkicuj przebiegi prądu diody id(t) oraz napięcia na diodzie. vd(t). ys.. ozwiązanie: Zauważmy, że wartość amplitudy Em jest dużo większa od spadku napięcia w kierunku przewodzenia na diodzie krzemowej równego w przybliżeniu VF 0,7 V. Będziemy zatem analizować działanie diody jako elementu nieliniowego pobudzonego dużym sygnałem. la układu z rys.. słuszne jest oczywiście równanie oczkowe e = id + vd (.) Zal. (.) możemy interpretować jako równanie prostej obciążenia diody, gdzie elementem obciążającym jest rezytor. ozwiązanie, (id, id), musi również należeć do charakterystyki diody. (a) Niech e(t) = e0 = 0 V. (.2) ys..2a ys..2b nterpretację graficzną rozwiązania dla e = e0 = 0 V przedstawia rys..2. Widzimy, że rozwiązaniem jest vd0 = 0 V, id0 = 0 A. - -

(b) Niech e(t) = e = +20 V. (.3) ównanie oczkowe wg zal. (.) oczywiście obowiązuje, przy czym prosta obciążenia jest przesunięta tak, że jej punkt przecięcia z osią V wypada dla V = e = 20 V, a punkt przecięcia z osią wypada dla i = e / = 20 V / k = 20 ma. nterpretację graficzną rozwiązania przedstawia rys..3. ys..3b ys..3a Widzimy, że przez diodę płynie prąd w kierunku przewodzenia, o znacznej wartości. Z uwagi na wykładniczą zależność prądu od napięcia charakterystyki statycznej diody krzemowej spolaryzowanej przewodząco, w inżynierskiej praktyce projektowania i analizy układów często jest wystarczające jest przybliżenie napięcia na diodzie spolaryzowanej przewodząco VF 0,7 V: vd VF 0,7 V (.4) W takim razie z zal. (.) otrzymujemy przybliżenie natężenia prądu płynącego przez diodę spolaryzowaną przewodząco: e VF e 0,7 V (.5) id 9,3 ma ozwiązaniem dla e = e = +20 V jest vd 0,7 V, id 9,3 ma. (c) Niech e(t) = e2 = -20 V. (.3) ównanie oczkowe wg zal. (.) oczywiście musi być spełnione, przy czym prosta obciążenia jest przesunięta tak, że jej punkt przecięcia z osią V wypada dla V = e2 = -20 V, a punkt przecięcia z osią wypada dla i = e2 / = -20 V / k = -20 ma. nterpretację graficzną rozwiązania przedstawia rys..4. Widzimy, że punkt przecięcia charakterystyki diody i prostej obciążenia leży w pobliżu punktu (e2 = -20 V, 0 ma). Przez diodę płynie prąd id2 w kierunku wstecznym, o nieznacznej wartości. Możemy dokonać oszacowania 0 > id2 > - m = - 0-6A (.4) Wobec tego, korzystając z równania prostej obciążenia wg. zal. (.) vd 2 e2 id 2 (.5) możemy dokonać oszacowania: -2-

ys..4b ys..4a 6 20 V e2 vd 2 e2 m 20 V 0 A k 9.999 V (.6) Widzimy, że z dobrym przybliżeniem vd2 e2 = -20 V (.7) ozwiązaniem zatem jest vd2-20 V, id2 - m = - 0-6 A. W praktyce inżynierskiej, przy wstecznej polaryzacji diody często wystarczająco dokładne jest przybliżenie vd2 e2, id2 0 A. Uwaga Analiza przypadków (a) (c) doprowadziła do wniosku, że napięcie na diodzie w układzie z rys.. zmienia się od ok. -20 V do +0,7 V, czyli w szerokim zakresie. ównież w szerokim zakresie zmienia się prąd płynący przez diodę, od ok. - µa do ok. 9 ma. Słusznie zatem postąpiliśmy dokonując analizy w oparciu o nieliniowy model diody. Popełnilibyśmy błąd analizując pracę diody w oparciu o model małosygnałowy będący wynikiem linearyzacji jej charakterystyki. Przeprowadzona analiza przypadków (a) (c) pozwala zauważyć, że wartość prądu diody id można przybliżyć jako: i d ( t) 0 dla e ( t) 0,7 V (.8) e( t) 0,7 V i d ( t) dla e ( t) 0,7 V (.9) Uzasadnione jest także przybliżenie: v d ( t) e( t) dla e ( t) 0,7 V (.0) v d ( t) 0,7 V dla e ( t) 0,7 V (.) Zal. (.8) zal. (.) odpowiadają przybliżeniu charakterystyki diody dwoma półprostymi pod kątem 90, jak na rys..5. ys..5-3 -

Przeprowadzona analiza pozwala zatem naszkicować przebiegi prądu diody id(t) oraz napięcia na diodzie vd(t) w układzie z rys.. jak na rys..6. ys..6 ZAANE 2. (według zad. 2.32 ze skryptu W. Janke, W. J. Stepowicz,. Tollik, L. Tomczak, "Zadania Z Elementów Elektronowych", Wyd. Politechniki Gdańskiej, wyd., 983) ioda o danej charakterystyce (V), jak na rys. 2. pracuje w układzie jak na rys. 2.2. Wyznaczyć składową stałą Vdc i amplitudę składowej zmiennej napięcia na diodzie Vd dla wartości napięcia zasilania: (a) E0 = 20 V oraz (b) E0 = -20 V. ane: e(t) = E0 + Em sin(t), Em = V, S = 0-2 A, = k, T = 300 K, nideal =. Pulsacja 2 50 /s jest tak mała, że w analizie można pominąć pojemności diody. ys. 2. ys. 2.2 ozwiązanie: - 4 -

(a) Kierunek przewodzenia. E0 = 20 V Składową stałą liczymy metodą kolejnych przybliżeń. Przybliżenie zerowe rys. 2.3 - Zgrubnie przybliżamy prąd diody: V in 0 (2.) 0 = max = E/ = 20 ma (2.2) Z równania charakterystyki diody: qv dc dc s exp (2.3) nidealkbt wyznaczamy zerowe przybliżenie napięcia diody: n idealkbt 0 s V 0 ln (2.4) q s ys. 2.3a. Punkt pracy dla polaryzacji w kierunku przewodzenia: V dc oraz dc. ys. 2.3b. Przybliżenie "zerowe" 0 oraz V 0. V0 VT ln(0/s) 62 mv (2.5) gdzie VT = kbt/q, kb,38 0-23 J/K 8,62 0-5 ev/k, q,6 0-9 C, VT 25 mv przy T = 300 K. W punkcie odpowiadającym przybliżeniu zerowemu aproksymujemy charakterystykę diody linią prostą, styczną do niej jak na rys. 2.4. czyli 0 d dv V 0, 0 V V 0 (2.6) ys. 2.4. Aproksymacja charakterystyki diody przez prostą styczną do niej w punkcie zerowego przybliżenia. - 5 -

q V V (2.7) 0 0 0 nidealkbt Z równania oczkowego wynika, że prostą obciążenia przedstawia zal. (2.8) E V 0 (2.8) ozwiązujemy układ równań liniowych złożony z równania przybliżonej charakterystyki diody zal. (2.7) - i równania prostej obciążenia zal. (2.8). Otrzymaną wartość traktujemy jako następne, czyli pierwsze przybliżenie dc rys. 2.5. ys. 2.5. pierwsze przybliżenie dc. 9,4 ma (2.9) Korzystamy ponownie z równania charakterystyki diody zal. (2.3) i obliczamy pierwsze przybliżenie Vdc rys. 2.6. V 6 mv. (2.0) Możemy kontynuować przybliżając charakterystykę statyczną diody prostą styczną w punkcie V,. ozwiązujemy odpowiedni układ równań liniowych otrzymując 2. Z ys. 2.6. Pierwsze przybliżenie: oraz V charakterystyki diody wyznaczamy V2. - 6 -

tak dalej liczymy kolejne przybliżenia składowych stałych prądu i napięcia diody Zatrzymujemy ten proces gdy uznamy, że wystarczająco dokładnie obliczyliśmy Vn oraz n. Na przykład - gdy Vn-Vn- < 0-6 V. W naszym przypadku: V0 = 62 mv, 0 = 20 ma (2.) 9,4 ma, V 6 mv (2.2) W kolejnej iteracji obliczona wartość napięcia zmieniła się o ok. mv. Przyjmujemy, że dc 9,4 ma, Vdc V 6 mv (2.3) ys. 2.7. Małosygnałowy schemat zastępczy układu z rys. 2.2 dla E 0 = 20 V, dla polaryzacji w kierunku przewodzenia. Składową zmienną napięcia na diodzie wyznaczamy korzystając z małosygnałowego schematu zastępczego przedstawionego na rys. 2.7, gdzie g r n ideal dc VT s n ideal V dc T (2.4) obliczamy r,33 (2.5) więc amplituda składowej zmiennej napięcia na diodzie r Vd Em,33 mv (2.6) r (b) Kierunek zaporowy. Charakterystykę statyczną diody dla napięć Vdc < - VZ0 przybliżamy zależnością: V VZ 0 (2.7) rz gdzie VZ0 oraz rz wyznaczone są z rys. 2. VZ0 = -9,9 V (2.8) rz = V/ = 0 (2.9) Zauważmy, że również dla polaryzacji zaporowej z równania oczkowego otrzymujemy równanie prostej obciążenia w postaci zal. (2.8). Zgodnie z poleceniem (b) przyjmujemy E0 = -20 V (2.20) Aby znaleźć składową stałą rozwiązujemy równanie zal. (2.7) wraz z zal. (2.8). Otrzymujemy - 7 -

Vdc = -0 V (2.2) dc = -0 ma (2.22) ys. 2.9. E 0 = -20 V. Punkt pracy dla polaryzacji w kierunku zaaporowym: V dc oraz dc. ys. 2.0. Małosygnałowy schemat zastępczy układu z rys. 2.2 dla E 0 = -20 V, dla polaryzacji w kierunku zaporowym. Amplitudę składowej zmiennej napięcia na diodzie dla polaryzacji zaporowej wyznaczamy z dzielnika napięciowego: rz Vd Em 9,9 mv (2.23) r Z ZAANE 3. Naszkicować przebieg wartości napięcia chwilowego vd(t) na diodzie stabilizacyjnej w układzie jak na rys. 3., dla zakresu 0 t 2. Obliczyć inżyniersko przybliżone wartości ekstremalne przebiegu vd(t). ane: = 450 e(t) = 2V sin(t), T = 300 K. ane modelu diody dla kierunku przewodzenia: S = 0-2 A, nideal =. ane modelu diody dla kierunku wstecznego: 0 dla - VZ0 <V<0, VZ0 = 6 V, rz = 50. Przyjąć, że wartość rezystancji szeregowej diody rs 0 Pulsacja = 2 50 /s jest tak mała, że w analizie można pominąć pojemności diody. - 8 -

ys. 3. ys. 3.2 ozwiązanie: Napięcie źródła napięciowego zmienia się sinusoidalnie z czasem od e(t) = Em = 2 V do e(t2) = -Em = -2 V. e(t) = 2V sin(t) (3.) Te zmiany zachodzą wolno, z pulsacją 2 50 /s. Wpływ tych zmian można zatem rozpatrywać analizując przesuwanie się prostej obciążenia ys. 3.3 Wolnozmiennemu pobudzeniu układu z rys. 3. odpowiada przesuwająca się prosta obciążenia. e( t) V jak na rys. 3.3. (3.2) Widzimy, że dlat0 = 0, e(t0) = 0 V, rozwiązaniem jest vd(t0) = 0, id(t0) = 0 (3.3) - 9 -

la diody spolaryzowanej w kierunku przewodzenia, gdy e(t) > 0,7 V to vd(t) 0,7 V = VF (3.4) oraz id można przybliżyć jako: e( t) VF Em sin( t) 0,7 V id ( t) (3.5) 450 W szczególności dla t = /2 prąd id ma wartość ekstremalną: Em VF 2 V 0,7 V id ( t) 25, ma (3.6) 450 la diody spolaryzowanej w kierunku zaporowym, gdy e(t) < - VZ0 = -6 V to e( t) V E sin( t) V v ( t) V r V r Z 0 m Z 0 d Z 0 Z Z 0 Z rz rz oraz v ( ) sin( ) d t V E Z 0 m t V id ( t) r r Z Z Z 0 (3.7) (3.8) W szczególności dla t2 = 3/2 prąd id oraz napięcie vd przybierają wartości ekstremalne: Em VZ 0 id ( t 2 ) 2 ma (3.9) r Z Em VZ 0 vd ( t 2 ) VZ 0 rz 6,6 V (3.0) r Z Gdy dioda jest spolaryzowana przewodząco, lecz e(t) 0,7 V lub gdy dioda jest spolaryzowana zaporowo, lecz - VZ0 e(t) 0 to id(t0) 0 (3.) vd(t0) e(t) = Em sin(t) (3.2) ozwiązania te naszkicowano na rys. 3.4. - 0 -

ys. 3.4 Szkic przebiegów prądów i napięć w układzie z rys. 3.. ZAANE 4. ioda o pojemności 40 pf przy Vdc = -3 V oraz o pojemności 5 pf przy Vdc2 = -30 V wykorzystana została do przestrajania obwodu rezonansowego jak na rys. 4.. Obliczyć minimalną i maksymalną częstotliwość rezonansową obwodu, gdy V zmienia się w przedziale [0 V; -30 V]. Przyjąć wartość napięcia wbudowanego bi = 0,7 V. L = 00 nh, rezystancja rl 0. la składowej zmiennej pojemność CZ stanowi zwarcie, a rezystancja - rozwarcie. ys. 4. ównoległy obwód rezonansowy strojony pojemnością złączową diody. ozwiązanie: Zależność pojemności złączowej Cj diody od napięcia polaryzującego Vdc można aproksymować zależnością - -

C j0 C j ( Vdc ) (4.) m V dc bi gdzie bi jest wartością napięcia wbudowanego. Nie znamy wartości Cj0 =Cj(Vdc=0), ani m. Wartość współczynnika m możemy wyznaczyć posługując się znanymi wartościami Cj(Vdc) dla dwóch znanych wartości wstecznych napięć polaryzujących Vdc=- V oraz Vdc =- V2 : m V dc2 C V dc ( ) bi m C2( Vdc2) V dc bi (4.2) co w wyniku logarytmowania daje: C ( Vdc ) ln C2( Vdc2) m bi Vdc2 ln bi Vdc (4.3) Przyjmując, że Vdc = -3 V oraz Vdc2 = -30 V otrzymujemy m 0,46, to jest wartość bliską wartości m dla złącza skokowego. Wartość Cj0 wyznaczamy z Zal. (4.) jako: czyli Cj0 86 pf. C V ( (4.4) dc j0 C j Vdc 0) C( Vdc ) bi Małosygnałowy schemat zastępczy układu można przedstawic jak na rys. 4.2. Częstotliwości rezonansowe tego układu wyznaczamy zgodnie z zależnością m oraz ys. 4.2 Schemat zastępczy obwodu rezonansowego strojonego pojemnością złączową diody. Schemat jest słuszny dla zaporowej polaryzacji stałoprądowej oraz dla polaryzacji w kierunku przewodzenia niewielkim napięciem V dc, tak małym że można zaniedbać przewodność dynamiczną diody g oraz pojemność dyfuzyjną C d. f max f min 2 2 LC j ( V dc LC j ( V dc 30V) 0) otrzymując fmin 54 MHz oraz fmax 30 MHz. (4.5) (4.6) - 2 -

ZAANE 5. (według zad. 2.60 ze skryptu W. Janke, W. J. Stepowicz,. Tollik, L. Tomczak, "Zadania Z Elementów Elektronowych", Wyd. Politechniki Gdańskiej, wyd., 983) W jakim przedziale powinny być zawarte szerokości przerw energetycznych materiałów półprzewodnikowych, które są używane do emisji światła widzialnego w diodach świecących? Stała Plancka h 6,62 0-34 Js. ozwiązanie: Zakres światła widzialnego rozciąga się od barwy czerwonej, o długości fali max 700 nm, do barwy niebieskiej, o długości fali min 400 nm. Energia fotonu jest odwrotnie proporcjonalna do długości fali świetlnej : hc E h (5.) gdzie c jest prędkością rozchodzenia się fali światła w próżni, c 3 0 8 m/s, a jest częstotliwością. Energię fotonu światła czerwonego Emin obliczamy jako: 34 8 9 hc 6,62 0 Js 30 m 9 2,830 E min 2,830 J ev (5.2) 7 9 max 7 0 m s,6 0 czyli E min,77ev (5.3) Analogicznie obliczamy energię fotonu światła niebieskiego Emax: 34 8 hc 6,62 0 Js 30 m 9 E max 4,97 0 J 3,0 ev (5.4) 7 min 4 0 m s Generacja fotonów w diodach elektroluminescencyjnych następuje w wyniku promienistej rekombinacji elektronu w paśmie przewodnictwa półprzewodnika z dziurą w paśmie walencyjnym. Generowany foton ma energię równą różnicy energii elektronu i dziury. Jest bliska wartości przerwy energetycznej Eg. Zatem, dla półprzewodnika emitującego światło czerwone: E g E,77eV (5.5) min min Oraz dla półprzewodnika emitującego światło niebieskie: E g E 3,0 ev (5.6) max max Wartości szerokości przerw energetycznych Eg materiałów półprzewodnikowych używanych do emisji światła widzialnego w diodach świecących powinny zawierać się w przedziale:,77 ev E E E 3,0 ev (5.7) g min g g max Uwaga: Uzyskana odpowiedź jest poprawna dla diod elektroluminescencyjnych, w których najmniejszy rozmiar materiału emitującego światło jest dużo większy od długości fali de Broglie'a dla elektronu e l >> e (5.8) gdzie l jest długością, szerokością lub wysokością materiału emitującego światło. Wartości długości fali de Broglie'a dla elektronu e są rzędu kilku nanometrów. Zatem wartość l powinna być większa od kilkudziesięciu nanometrów aby nasze oszacowanie Eg było słuszne. W przypadku materiałów niskowymiarowych, to jest studni kwantowych, drutów kwantowych lub kropek kwantowych, w których wartość l jest porównywalna z e, zarówno Egmin jak i Egmax - 3 -

są mniejsze od oszacowanych powyżej. Wynika to z zasad mechaniki kwantowej. Zgodnie z tymi zasadami najniższy dozwolony poziom energetyczny elektronu w paśmie przewodnictwa jest wyższy od poziomu dna pasma przewodnictwa. Podobnie, najwyższy dozwolony poziom energetyczny dziury w paśmie walencyjnym jest niższy od poziomu szczytu pasma walencyjnego. ZAANE 6. Fotodioda pracuje w układzie jak na rys. 6.. la napięć -0 V < Vdc < - V pojemność złączowa fotodiody jest niemal niezależna od napięcia Cj pf. Jaka powinna być wartość rezystancji L aby omawiany układ mógł być użyty do detekcji sygnału świetlnego o częstotliwości f = 0 GHz? la tych wartości L i f oblicz wartość amplitudy napięcia wyjściowego Vout przy założeniu, że strumień światła padającego na diodę wytwarza składową zmienną fotoprądu o amplitudzie f = 0 µa. Napięcie polaryzujące zaporowo diodę wynosi E = 5 V. ługość warstwy opróżnionej w diodzie wynosi ld = µm. Przyjąć wartości prędkości unoszenia dziur i elektronów równe wartościom nasycenia vdrift vsatn vsatp 0 5 m/s. ozwiązanie: Stała czasowa f narastania lub zanikania fotoprądu w odpowiedzi na skokową zmianę natężenia oświetlenia wynosi: f C 2 t (6.) 2 t L j gdzie tt jest czasem przelotu elektronów i dziur przez warstwę opróżnioną złącza pn. Taka stała czasowa odpowiada górnej wartości częstotliwości granicznej pasma przetwarzania sygnału świetlnego na prąd: f0 (6.3) 2 f 2 t 2 C Stąd: ys. 6. L C j 2 f 0 t 2 2 t L 2 t j (6.4) Obliczamy wartość czasu przelotu tt ld t 0 t s (6.5) vsat Podstawienie tej wartości do zal. (6.4) oraz przyjęcie f0 = f (6.6) - 4 -

pozwala obliczyć wartość L (6.7) odpowiadającą biegunowi pasma przenoszenia przy częstotliwości bieguna f0 = f. Amplituda składowej zmiennej napięcia wyjściowego Vout wynosi 5 V out f L 0 A 2 85 V (6.8) 2 2 W zal. (6.8) występuje dzielenie przez pierwiastek z 2, co związane jest z istnieniem bieguna funkcji przenoszenia przy częstotliwości dla której obliczamy Vout. - 5 -