Полупроводниковые приборы — диод
Каждый технически грамотный человек должен знать электронику. Подавляющее большинство устройств современной электроники изготавливаются из полупроводниковых материалов. По этому в рамках этой статьи, я бы хотел рассказать о диодах. Конечно, не зная основных свойств полупроводников, нельзя понять, как работает транзистор. Но одного знакомства только со свойствами полупроводников не достаточно. Необходимо разобраться в очень интересных и не всегда простых явлениях.
Краткая справка
Электро-дырочный переход (p-n переход) — это переходный слой между двумя областями полупроводника с разной электропроводностью, в котором существует диффузионное электрическое поле.
Диоды — это полупроводниковые приборы, основой которых является p-n переход. В основе применения полупроводниковых диодов лежит ряд их свойств, таких как асимметрия вольт-амперной характеристики, пробой электро-дырочного перехода, зависимость барьерной емкости от напряжения и т.д.
- Выпрямительный — асимметрия вольт-амперной характеристики
- Стабилитрон — пробой
- Варикап — барьерная ёмкость
- Импульсный — переходные процессы
Выпрямительные диоды
Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного сигнала в постоянный.
Рассмотрим принцип действия простейшего однополупериодного выпрямителя на полупроводниковом диоде.
Описание работы
При поступлении от первичного источника переменного напряжения, диод будет открыт на положительной полуволне и закрыт на отрицательной. В результате на полуволне через диод и сопротивление нагрузки будет протекать ток. конденсатор при этом заряжается до значения, близкого к пиковому. При уменьшении напряжения во входной цепи диод запирается. При этом конденсатор начинает разряжаться через сопротивление нагрузки.
Недостатком является то, что выпрямительное напряжение сильно зависит от сопротивления нагрузки и имеет большую амплитуду пульсаций. Поэтому такие выпрямители применяются только при высокомерных нагрузках. Для формирования Импульсов применяются амплитудные ограничители, которые могут быть последовательными и параллельными. В последовательных диодных ограничителях диод включается последовательно с сопротивлением нагрузки.
Варикапы
Варикап — полупроводниковый диод, используемый в качестве электрически управляемой емкости.
Эти параметрические диоды работают в обратном направлении, от которого зависит барьерная емкость. Таким образом, варикапы представляют собой конденсаторы переменной емкости, управляемой не механически, а электрически, при изменении обратного напряжения.
Варикапы применяются главным образом для настройки колебательных контуров. Простейшая схема включения варикапа в колебательный контур на рисунке.
Описание работы
Настройка колебательного контура на резонансную частоту может осуществляться двумя способами. Во-первых, посредством варьирования частоты проводимого к контуру переменного входного напряжения Uвх. Во-вторых, за счет изменения частоты собственных колебаний Wо, которая обусловлена индуктивностью и емкостью колебательного контура. Изменяя величину обратного напряжения Uобр., можно регулировать емкость варикапа, а следовательно и менять резонансную частоту контура. Конденсатор Cp является разделительным. Он необходим для предотвращения шунтирования варикапа индуктивностью.
Стабилитроны
Стабилитрон — это полупроводниковый диод, используемый для стабилизации напряжения.
Участок соответствующий электрическому пробою Uпроб. на котором напряжение слабо зависит от тока, является рабочим. При использовании стабилитрона для стабилизации постоянного напряжения, его включают параллельно нагрузке. Наиболее часто стабилитрон работает в таком режиме, когда напряжение источника нестабильно, а сопротивление нагрузки Rн постоянно. Для установления и поддержания правильного режима стабилизации в этом случае сопротивление Rогр. должно иметь определенное значение. Для исключения температурного дрейфа напряжение используют последовательно соединенный диод. Подобные диоды называются термокомпенсированными стабилитронами.
Импульсные диоды
Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов и предназначены для работы в качестве коммутирующих элементов. Существуют различные типы импульсных диодов: сплавные, точечные меза-диоды, диоды Шоттки.
Импульсные диоды широко используют в качестве коммутирующих элементов, т.е. устройств, имеющих два устойчивых состояния: «открыто», когда сопротивления прибора мало и «закрыто», когда велико.
При использовании диода в качестве ключа, могут комбинироваться различные диодные и диодно-транзисторные схемы, предназначенные для работы в цифровой аппаратуре.
Импульсные диоды
Импульсный диод – это диод с малой длительностью переходных процессов, предназначенный для применения в импульсных режимах работы. Они применяются в качестве коммутирующих элементов (например, в ЭВМ), для детектирования высокочастотных сигналов и для других целей.
При быстрых изменениях напряжения на диоде в — переходе возникают переходные процессы, обусловленные двумя основными процессами. Первое – это накопление неосновных носителей в базе диода при его прямом включении, т.е. заряд диффузионной емкости. А при смене напряжения на обратное (или при его уменьшении) — рассасывание этого заряда. Второе явление – это перезарядка барьерной емкости, которая тоже происходит не мгновенно, а характеризуется постоянной времени , где — дифференциальное сопротивление диода (сопротивление по переменному току), а — барьерная емкость — перехода.
Первое явление играет основную роль при больших плотностях прямого тока через диод, заряд барьерной емкости в этом случае играет второстепенную роль. При малых плотностях тока переходные процессы в диоде определяются вторым явлением, а второстепенную роль играет уже накопление неосновных носителей заряда в базе.
Рассмотрим процесс переключения диода из состояния высокой проводимости (диод открыт) в состояние низкой проводимости (диод закрыт) (рисунок 1.11 )При приложении прямого напряжения возникает значительный прямой ток, что приводит к накоплению неосновных носителей заряда в области базы (это высокоомная n — область).
При переключении диода с прямого направления на обратное в начальный момент через диод идет большой обратный ток, ограниченный, в основном, объемным сопротивлением базы. Со временем накопленные в базе неосновные носители рекомбинируют или уходят через — переход, и обратный ток уменьшается до своего стационарного значения. Весь этот процесс занимает время восстановления обратного сопротивления – интервал времени от момента прохождения тока через нуль после переключения диода до момента достижения обратным током заданного низкого значения. Это один из основных параметров импульсных диодов, и по его значению они делятся на шесть групп: >500 нс; =150…500 нс;=30…150 нс, =5…30 нс; =1…5 нс и <1 нс.
Рисунок 1.11 — Процесс переключения диода из открытого состояния в закрытое
При пропускании импульса тока в прямом направлении наблюдается выброс напряжения в первый момент после включения (рисунок 1.12 ), что связано с повышением напряжением до тех пор, пока не закончится накопление неосновных носителей в базе диода. После этого сопротивление базы понижается и напряжение уменьшается.
Рисунок 1.12 -. Процесс переключения диода из закрытого состояния в открытое
Этот процесс характеризуется вторым параметром импульсного диода – временем установления прямого напряжения , равным интервалу времени от начала импульса тока до достижения заданного значения прямого напряжения.
Значения этих параметров зависят от структуры диода и от времени жизни неосновных носителей заряда в базе диода. Для уменьшения времени жизни неосновных носителей в базу вводится небольшое количество примеси золота. Атомы золота служат дополнительными центрами рекомбинации, в результате их введения уменьшается время жизни носителей заряда, а следовательно, и диффузионная емкость — перехода. Уменьшение барьерной емкости достигается технологическим и конструктивным методами. Импульсные диоды изготавливаются на основе планарной технологии, эпитаксиального наращивания, ионно-лучевой технологии. Основным полупроводниковым материалом при этом служит кремний.
В быстродействующих импульсных цепях широко используют диоды Шоттки (рисунок 1.13) в которых переход выполнен на основе контакта металл-полупроводник. Условное обозначение показано на рис.16.
Рисунок 1.13- Условное обозначение диода Шоттки
У этих диодов не затрачивается время на накопление и рассасывание зарядов в базе, их быстродействие зависит только от скорости процесса перезарядки барьерной емкости. Вольт-амперная характеристика диодов Шоттки напоминает характеристику диодов на основе — переходов. Отличие состоит в том, что прямая ветвь в пределах 8 — 10 декад приложенного напряжения представляет почти идеальную экспоненциальную кривую, а обратные токи — малы (доли-десятки наноампер).
Конструктивно диоды Шоттки выполняют в виде пластины низкоомного кремния, на которую нанесена высокоомная эпитаксиальная пленка с электропроводностью того же типа. На поверхность пленки вакуумным напылением нанесен слой металла.
Диоды Шоттки применяют также в выпрямителях больших токов и в логарифмирующих устройствах.
Импульсные диоды принцип работы. назначение.обозначение. вольт-амперная характеристика. маркировка
— диод, предназначенный для работы в высокочастотных импульсных схемах.
Обычно представляет собой полупроводниковый диод с p-n-переходом, оптимизированный по собственной ёмкости корпуса, барьерную ёмкости и имеет малое времени восстановления обратного сопротивления (рассасывания неосновных носителей накопленных в базе диода при прямом токе).
Для уменьшения собственной ёмкости при изготовлении умышленно уменьшают площадь p-n-перехода и для снижения времени жизни неосновных носителей применяют сильно легированные полупроводниковые материалы, например, кремний легируют золотом для снижения времени обратного восстановления, поэтому импульсные диоды имеют невысокие предельные импульсные токи (до сотен ) и небольшие предельные обратные напряжения (до десятков вольт), а также увеличенные обратные токи.
Также выпускаются импульсные диоды с барьером Шоттки.
Типичная барьерная ёмкость импульсного диода менее единиц пикофарад и время восстановления обратного сопротивления обычно не более 4 нс.
Принцип действия импульсного диода не отличается от принципа действия обычного выпрямительного полупроводникового диода с p-n-переходом, при приложении прямого напряжения диод хорошо проводит электрический ток. При смене полярности приложенного напряжения диод запирается. Запирание происходит не сразу, сначала происходит резкое увеличение обратного тока, затем, после рассасывания неосновных носителей, восстанавливается высокое сопротивление p-n-перехода и диод запирается.
Импульсные диоды
Импульсный диод –
это диод с малой длительностью переходных процессов, предназначенный для применения в импульсных режимах работы. Они применяются в качестве коммутирующих элементов (например, в ЭВМ), для детектирования высокочастотных сигналов и для других целей.
При быстрых изменениях напряжения на диоде в — переходе возникают переходные процессы, обусловленные двумя основными процессами. Первое – это накопление неосновных носителей в базе диода при его прямом включении, т.е. заряд диффузионной емкости. А при смене напряжения на обратное (или при его уменьшении) — рассасывание этого заряда. Второе явление – это перезарядка барьерной емкости, которая тоже происходит не мгновенно, а характеризуется постоянной времени , где — дифференциальное сопротивление диода (сопротивление по переменному току), а — барьерная емкость — перехода.
Первое явление играет основную роль при больших плотностях прямого тока через диод, заряд барьерной емкости в этом случае играет второстепенную роль. При малых плотностях тока переходные процессы в диоде определяются вторым явлением, а второстепенную роль играет уже накопление неосновных носителей заряда в базе.
Рассмотрим процесс переключения диода из состояния высокой проводимости (диод открыт) в состояние низкой проводимости (диод закрыт) (рисунок 1.11 )При приложении прямого напряжения возникает значительный прямой ток, что приводит к накоплению неосновных носителей заряда в области базы (это высокоомная n
При переключении диода с прямого направления на обратное в начальный момент через диод идет большой обратный ток, ограниченный, в основном, объемным сопротивлением базы. Со временем накопленные в базе неосновные носители рекомбинируют или уходят через — переход, и обратный ток уменьшается до своего стационарного значения. Весь этот процесс занимает время восстановления обратного сопротивления
– интервал времени от момента прохождения тока через нуль после переключения диода до момента достижения обратным током заданного низкого значения. Это один из основных параметров импульсных диодов, и по его значению они делятся на шесть групп: >500 нс; =150…500 нс;=30…150 нс, =5…30 нс; =1…5 нс и <1 нс.
Рисунок 1.11 — Процесс переключения диода из открытого состояния в закрытое
При пропускании импульса тока в прямом направлении наблюдается выброс напряжения в первый момент после включения (рисунок 1.12 ), что связано с повышением напряжением до тех пор, пока не закончится накопление неосновных носителей в базе диода. После этого сопротивление базы понижается и напряжение уменьшается.
Рисунок 1.12 -. Процесс переключения диода из закрытого состояния в открытое
Этот процесс характеризуется вторым параметром импульсного диода – временем установления прямого напряжения
, равным интервалу времени от начала импульса тока до достижения заданного значения прямого напряжения.
Значения этих параметров зависят от структуры диода и от времени жизни неосновных носителей заряда в базе диода. Для уменьшения времени жизни неосновных носителей в базу вводится небольшое количество примеси золота. Атомы золота служат дополнительными центрами рекомбинации, в результате их введения уменьшается время жизни носителей заряда, а следовательно, и диффузионная емкость — перехода. Уменьшение барьерной емкости достигается технологическим и конструктивным методами. Импульсные диоды изготавливаются на основе планарной технологии, эпитаксиального наращивания, ионно-лучевой технологии. Основным полупроводниковым материалом при этом служит кремний.
В быстродействующих импульсных цепях широко используют диоды Шоттки (рисунок 1.13) в которых переход выполнен на основе контакта металл-полупроводник. Условное обозначение показано на рис.16.
Рисунок 1.13- Условное обозначение диода Шоттки
У этих диодов не затрачивается время на накопление и рассасывание зарядов в базе, их быстродействие зависит только от скорости процесса перезарядки барьерной емкости. Вольт-амперная характеристика диодов Шоттки напоминает характеристику диодов на основе — переходов. Отличие состоит в том, что прямая ветвь в пределах 8 — 10 декад приложенного напряжения представляет почти идеальную экспоненциальную кривую, а обратные токи — малы (доли-десятки наноампер).
Конструктивно диоды Шоттки выполняют в виде пластины низкоомного кремния, на которую нанесена высокоомная эпитаксиальная пленка с электропроводностью того же типа. На поверхность пленки вакуумным напылением нанесен слой металла.
Диоды Шоттки применяют также в выпрямителях больших токов и в логарифмирующих устройствах.
Импульсные лазерные диоды и лавинные фотодиоды для промышленных и коммерческих применений
Авторы: Winfried Reeb, Laser Components GmbH
Использование импульсных лазерных диодов и лавинных фотодиодов позволяет быстро, точно и бесконтактно измерить расстояние в различных оптоэлектронных применениях. В зависимости от требований к производительности и сроку службы системы в качестве излучателя могут использоваться как одноэлементные, так и многоэлементные импульсные лазерные диоды (стеки), в то время как в качестве фотоприемника применяются лавинные фотодиоды разной внутренней структуры.
Импульсные лазерные диоды и лавинные фотодиоды берут свое начало в военных применениях. Благодаря пиковой мощности импульсных лазерных диодов более 200 Вт и высокой чувствительности лавинных фотодиодов они идеально подходят для дальнометрии основанной на «времяпролетном» методе. Развитие технологии и уменьшение себестоимости открыли для данных устройств новые области промышленных, коммерческих и автомобильных применений.
Импульсные лазерные диоды
Большинство лазерных диодов предназначены для работы в режиме непрерывного излучения с мощностью от нескольких мВт до нескольких Вт. Такие лазерные диоды нельзя перегружать, т.к. если напряжение питания будет превышено даже на короткое время, резонатор лазера может выйти из строя, и как следствие излучение прекратится.
Импульсные лазерные диоды, в свою очередь, предназначены для перегрузки по питанию на короткие промежутки времени. Для достижения максимальной пиковой мощности необходимой для конкретного применения, коэффициент заполнения может принимать очень маленькие значения, обычно он составляет 0,1%. Например, после импульса длительностью 100 нс идет пауза 100 мс, это означает, что очень короткие импульсы могут идти с частотой следования на уровне кГц. Максимальная длительность импульса находится на уровне нескольких сотен нс. Для получения таких импульсов лазерные токи могут достигать уровня нескольких десятков ампер, что требует применения быстро переключающихся транзисторов и подходящей схемы с минимально допустимыми электрическими соединениями для снижения индукционных потерь.
Рис.1. Импульсные лазерные диоды и лавинные фотодиоды фирмы Laser Components в различных вариантах корпусов.
Важным критерием для выбора лазерных диодов является длина волны излучения. В первую очередь она зависит от материала активного и пассивного слоя полупроводника. Для большинства коммерческих применений доступны следующие длины волн излучения — 850-870 нм, 905 нм, 1550 нм. Структура AlGaAs лазеров на 905 нм широко известна за свою надежность, качество пучка и температурную стабильность. Высокая эффективность (порядка 1 Вт/А) позволяет получить пиковую мощность до 40 Вт с одного эмиттера и до 220 Вт с многоэлементного (несколько эмиттеров — стэковый) лазерного диода при длительности импульса 100 нс. При меньше длительности импульса достижима пиковая мощность более 500 Вт. Преимуществом длины волны излучения 905 нм является то, что максимум спектральной чувствительности кремниевых лавинных фотодиодов как раз лежит в этой области. Лазерные диоды с длиной волны, лежащей в средней ИК области — 1550 нм, доступны с более высокой выходной мощностью по сравнению с диодами на 905 нм, тем не менее они также безопасны для человеческого глаза ввиду того, что излучение не фокусируется непосредственно на сетчатку.
Лазерные диоды на 1550 нм основаны на материале InP с дополнительными слоями InGaAs, которые можно получить как путем молекулярно-лучевой эпитаксии, так и путем осаждения металлорганических соединений из паровой фазы. Благодаря эффективности на уровне 0,35 Вт/A выходная пиковая мощность излучения многоэлементных лазерных диодов может достигать 50 Вт при длительности импульса 150 нс. Из-за необходимости использования теплоотвода эти лазерные диоды в большинстве своем доступны в корпусе 9-мм и TO-18, в то время как импульсные лазерные диоды с длинами волн 850-870 нм и 905 нм также доступны в недорогих пластиковых корпусах.
Наряду с длиной волны излучения и электрооптическими характеристиками, надежность является еще одним важным критерием при выборе прибора. Как и для большинства источников излучения, особенно это касается полупроводниковых лазеров, срок службы импульсных лазерных диодов сильно зависит от условий эксплуатации. Лазерные диоды могут подвергаться значительному перенапряжению на короткие промежутки времени, а также уменьшению энергии импульса за счет сокращения длительности импульса до единиц нс без угрозы повреждения. Пользователь должен выбирать подходящий лазерный диод и настройку драйвера исходя из требований применения и необходимого срока службы устройства. В то время как для некоторых военных применений требуемый срок службы лазерного диода может составлять менее часа, например, в тиристорном зажигании, для таких применений как промышленный сканер безопасности, работающий круглосуточно, надежность диода должна составлять десятки тысяч часов.
Многолетний опыт в области работы с импульсными лазерными диодами помог составить формулу средней наработки на отказ в качестве функции нескольких характеристик:
MTTF = k · (P/L)-6 · tw-2 · F-1 · f(T)
где MTTF – средняя наработка на отказ в часах, k – константа, зависящая от материала, которая составляет 1.14 · 1020 для импульсного лазерного диода фирмы Laser Components с длиной волны излучения 905 нм, P – выходная оптическая мощность в мВт, L – длина эмиттера в мм, tw – длительность импульса в нс, F – частота следования импульсов в кГц, f(T) – температурно-зависимый коэффициент усиления (равен 1 при 25°С).
Лавинные фотодиоды
Для распознавания коротких импульсов лазерных диодов измерительные системы используют как PIN фотодиоды, так и лавинные фотодиоды (ЛФД) в качестве фотоприемника. Срок службы данных компонентов не столь важен, т.к. при правильной эксплуатации они могут работать практически вечно. В обычных фотодиодах поступающие фотоны образуют электронно-дырочные пары, также называемые носителями заряда, что в свою очередь отражается на измеряемом фототоке. Мощность регистрируемых фотонов преобразуется в электрическую энергию. В данном случае лавинные фотодиоды пошли гораздо дальше. Лавинные фотодиоды отличаются от «обычных» PIN фотодиодов тем, что регистрируемые фотоны внутри фотодиода вызывают лавину зарядов. Она возникает вследствие приложения к лавинному фотодиоду обратно смещённого напряжения для расширения слоя поглощения «А». В лавинных фотодиодах носители заряда, высвобожденные светом, ускоряются в электрическом поле таким образом, что образуют дополнительные электронно-дырочные пары за счет ударной ионизации. Если напряжение обратного смещения ниже, чем напряжение пробоя, лавина утихнет из-за потери на трение внутри полупроводника. Таким образом единичный фотон может возбудить сотни или даже тысячи электронов. При напряжении выше напряжения пробоя ускорение носителей заряда находится на достаточном уровне для поддержания лавины. Единичный фотон может генерировать постоянный ток, который, в свою очередь, можно измерить внешним электронным оборудованием. Сгенерированный ток рассчитывается следующим образом:
I = R0 · M · Ps
где R0 (А/Вт) – это спектральная чувствительность лавинного фотодиода, М – это внутренний коэффициент усиления, Ps (Вт) – оптическая мощность падающего излучения. Коэффициент усиления лавинного фотодиода зависит от приложенного напряжения обратного смещения (см. рис. 2).
Рис. 2. Типовая зависимость коэффициента усиления от рабочего напряжения для кремниевых лавинных фотодиодов при разных температурах, где активная область D = 500 мкм.
Наиболее важными параметрами лавинного фотодиода, которые необходимо учитывать при выборе, являются — спектральный диапазон, размер активной области, внутренние шумы и полоса пропускания. Лавинные фотодиоды доступны в спектральном диапазоне от 300 нм до 1700 нм. Кремниевые лавинные фотодиоды, в зависимости от их структуры, подходят для диапазона от 300 нм до 1100 нм, германиевые фотодиоды от 800 нм до 1600 нм, фотодиоды на основе InGaAs от 900 нм до 1700 нм. Кремниевые лавинные фотодиоды представлены наибольшим количеством моделей. Для конкретных применений возможно получение специальных параметров лавинных фотодиодов в зависимости от процесса изготовления. Обзор наиболее важных параметров представлен в Таблице 1.
Таблица 1. Сравнительный обзор различных структур и характеристик кремниевых лавинных фотодиодов
| Типы кремниевых лавинных фотодиодов | Со скошенным краем | Эпитаксиальный | Сквозной |
| Структура | |||
| Область «поглощения» | большая | малая | средняя |
| Область «умножения» | большая | малая | малая |
| Типовой размер (диаметр) | до 16 мм | до 5 мм | до 5 мм |
| Коэффициент усиления | от 50 до 1000 | от 1 до 1000 | от 10 до 300 |
| Фактор «избыточного шума» | очень хороший | хороший | от хорошего до очень хорошего |
| (k = 0.0015) | (k = 0.03) | (k = 0.02 до 0.002) | |
| Рабочее напряжение | от 500 до 2000 В | от 80 до 300 В | от 150 до 500 В |
| Время нарастания | медленное | быстрое | быстрое |
| Емкость | малая | большая | малая |
| Чувствительность к синему спектру (400 нм) | хорошая | слабая | слабая |
| Чувствительность к красному спектру (650 нм) | хорошая | хорошая | хорошая |
| Чувствительность в ближнем ИК спектре (905 нм) | очень хорошая | хорошая | очень хорошая |
По сравнению с германиевыми лавинными фотодиодами лавинные фотодиоды на основе InGaAs имеют значительно меньшие шумы, более широкую полосу пропускания относительно активной области и расширенную спектральную чувствительность до 1700 нм. Как бы то ни было, лавинные фотодиоды на основе InGaAs имеют один недостаток — они дороже германиевых лавинных фотодиодов. Германиевые лавинные фотодиоды в первую очередь рекомендуется использовать в недорогих применениях или в системах подвергающихся электромагнитному воздействию, и в которых вторичный шум усилителя значительно выше. Очевидно, что лавинные фотодиоды с меньшей активной областью имеют меньшую стоимость по сравнению с детекторами с большой активной областью, т.к. в этом случае при производстве чипов на одной пластине изготавливается большее количество изделий. Поэтому в первую очередь необходимо определить минимально допустимую активную область для получения оптической структуры. Иногда более предпочтительными в использовании могут оказаться лавинные фотодиоды с большей активной областью, т.к. специальная оптика, фокусирующая излучение на малую активную область может быть дороже чем использование детектора с первоначально большей активной областью. Для сравнения эффективности лавинных и PIN фотодиодов недостаточно просто сравнить шумовые характеристики детекторов. Решающее значение имеет отношение сигнал-шум всей системы. В случае с PIN фотодиодами необходимо также учитывать соответствующий предусилитель. Его шумовые характеристики, помимо всего прочего, зависят от частоты. Лавинные фотодиоды превосходят PIN фотодиоды, т.к. они могут значительно увеличить уровень сигнала без серьезного увеличения шумов всей системы. Таким образом, ЛФД предпочтительно использовать там, где необходимо регистрировать световой сигнал низкой интенсивности на средних или высоких частотах. Оптимальный внутренний коэффициент усиления выбирается тогда, когда шум детектора приблизительно равен входному шуму вторичного усилителя (или сопротивлению нагрузки). В таком случае лавинный фотодиод не влияет на шум системы. Независимо от того какой детектор используется, лавинный или PIN фотодиод, шум увеличивается пропорционально пропускной способности системы. Следовательно, очень важно уменьшить пропускную способность настолько, на сколько это практически возможно.
Самое распространенное применение оптопары в виде импульсного лазерного диода + лавинного фотодиода — это дальнометрия, основанная на «времяпролетном» методе. Один из вариантов применения – измеритель скорости автомобиля. Используя импульсы длительностью в несколько нс и мощностью в десятки Вт, можно легко измерить скорость транспортного средства, движущегося со скоростью до 250 км/ч. Расстояние между лазерным устройством измерения скорости (будь то базовая станция или полицейский с ручным измерителем скорости) и движущимся транспортным средством может достигать 1000 м. Точность таких измерений лежит в пределах 1-3%.
Охотники используют безопасные для глаза дальномеры для определения расстояния до цели. Ни оленю, в которого целится охотник, ни кому-либо другому, находящемуся рядом не стоит беспокоиться о своем зрении. В этом случае лазерный дальномер первого класса предоставляет точную информацию в течение 1 секунды с точностью до 2 м на расстоянии 600 м. Также данные полученные с помощью дальномера используются в гольфе для улучшения результатов игрока, или в автомобилестроении для предупреждения об опасном приближении к препятствию или впереди идущему автомобилю (рис. 3).
Рис. 3. Измерение расстояния и относительной скорости в автомобильной промышленности с использованием импульсных лазерных диодов и лавинных фотодиодов.
Лазерные устройства детектирования также широко используются в навигационных целях для кораблей, в особенности в портах и гаванях, для измерения высоты облаков в аэропортах, а также в области геодезии и строительства, когда необходимо провести обмеры карьера или отвала, измерить высоту зданий, деревьев или других объектов. Лазерные сканеры безопасности, построенные на импульсных лазерных диодах и высокочувствительных лавинных фотодиодах, создают завесу лазерного излучения, которая регистрирует наличие человека или объекта в потенциально опасных областях, например, на автоматизированной производственной линии (рис. 4).
Рис. 4. Лазерные сканеры безопасности, создают завесу лазерного излучения, которая регистрирует наличие человека или объекта в потенциально опасных областях.
Импульсные лазерные диоды и лавинные фотодиоды идеально подходят для применений связанных с дальнометрией. Комбинации различных длин волн и мощности излучателя найдут соответствующие оптимальные аналоги среди различных структур лавинных фотодиодов исходя из требований применения. Прогресс в области производства открыл возможности для ряда новых коммерческих и промышленных применений.
Дополнительные ссылки:
Более подробную информацию о продукции, описываемой в данной статье можно найти, перейдя по следующим ссылкам:
Чем отличается импульсный диод от выпрямительного
Огромное количество современных электронных устройств используют в своей работе электрические импульсы. Это могут быть слаботочные сигналы или токовые импульсы (что гораздо серьезнее в техническом отношении) в цепях блоков питания и прочих импульсных преобразователей, инверторов и т.д.
А действие импульсов в преобразователях — это всегда критичность к длительности форнтов и спадов, имеющих временные границы примерно того же порядка, что и переходные процессы в электронных компонентах, в частности — в тех же диодах. Поэтому, при использовании в импульсных схемах диодов, следует обязательно принимать во внимание переходные процессы в самих диодах — во время их включения и выключения (во время открывания и закрывания p-n-перехода).
В принципе, чтобы сократить время переключения диода из неповодящего состояния — в проводящее и обратно, в некоторых низковольтных схемах целесообразно прибегать к использованию диодов Шоттки.
Диоды данной технологии отличаются от обычных выпрямительных диодов наличием перехода металл-полупроводник, который хоть и обладает выраженным выпрямительным эффектом, но в то же самое время имеет сравнительно малую проходную емкость перехода, заряд в которой накапливается в настолько некритичных количествах и так быстро рассасывается, что схема с диодами Шоттки может работать на достаточно высокой частоте, когда время переключения имеет порядок единиц наносекунд.
Еще один плюс диодов Шоттки — падение напряженя на их переходе составляет всего около 0,3 вольт. Итак, главное достоинство диодов Шоттки — в них не затрачивается времени на накопление и рассасывание зарядов, быстродействие здесь зависит только от скорости перезаряда небольшой барьерной емкости.
Что касается выпрямительных диодов, то изначальное предназначение данных компонентов вообще не предполагает работу в импульсных режимах. Импульсный режим для выпрямительного диода — это нетипичный, нештатный рижим, поэтому и особо высоких требований к быстродействию выпрямительных диодов разработчиками не предъявляется.
Выпрямительные диоды используются в основном для преобразования низкочастотного переменного тока в постоянный или пульсирующий, где вовсе не требуется малая проходная емкость p-n-перехода и быстродействие, чаще нужны просто большая проводимость и соответственно высокая стойкость к относительно длительному непрерываному току.
Выпрямительные диоды отличаюстя поэтому малым сопротивлением в открытом состоянии, большей площадью p-n-перехода, способностью пропускать большие токи. Но за счет значительной площади перехода емкость диода получаетсвя больше — порядка сотен пикофарад. Это очень много для импульного диода. Для сравнения, у диодов Шоттки проходная емкость имеет порядок десятков пикофарад.
Итак, импульсные диоды — это специально разрабатываемые диоды для работы именно в импульсных режимах в высокочастотных цепях. Их принципиальной отличительной особенностью от выпрямительных диодов является кратковременность переходных процессов в силу очень малой емкости p-n-перехода, которая может доходить до единиц пикофарад и быть еще меньше.
Уменьшение емкости p-n-перехода в импульсных диодах достигается путем уменьшения площади перехода. Как следствие, рассеиваемая на корпусе диода мощность не должна быть очень большой, средний ток через переход малой площади не должен превышать максимально допустимого значения, указываемого к документации на диод.
Часто в качестве быстродействующих диодов используют диоды Шоттки, однако они редко отличаются высоким обратным напряжением, поэтому импульсные диоды выделены как отдельный тип диодов.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика