Варикапы. 
Электроника

Напомним, что при подаче обратного напряжения р-п-структура уподобляется конденсатору, пластинами которого являются р- и n-области, разделенные диэлектриком (переходом, почти свободным от носителей заряда). Образующаяся при этом барьерная емкость может быть использована в качестве конденсатора в электронной аппаратуре. Варикапы — это полупроводниковые диоды, работа которых основана на явлении барьерной емкости запертого р-п-перехода. Поскольку размеры области p-n-перехода зависят от значения приложенного к нему обратного напряжения, то и величина барьерной емкости изменяется вместе с этим напряжением.

Внешнее обратное напряжение, втягивая электроны вглубь n-области, а дырки — вглубь p-области, расширяет p-n-переход и изменяет барьерную емкость. Основной характеристикой варикапа является зависимость его емкости от значения обратного напряжения — вольт-фарадная характеристика. Основными параметрами варикапов являются номинальная емкость и диапазон ее изменения, а также допустимые обратное напряжение и мощность. Варикапы применяются для электрической настройки колебательных контуров в радиоаппаратуре.

Светодиоды

На основе явлений, происходящих в р-п-переходе при протекании через него прямого тока, можно получать полупроводниковые приборы, способные генерировать оптическое излучение. Такими приборами являются полупроводниковые светодиоды. Работа светодиодов основана на инжекционной электролюминесценции, т. е. генерации оптического излучения в p-n-переходе, находящемся под прямым внешним напряжением. Под воздействием внешней энергии электроны в атомах переходят в возбужденное состояние с более высоким уровнем энергии W2, называемым метастабильным уровнем возбуждения. При возвращении этих электронов с метастабильного уровня W2 на исходный W1 происходит испускание фотонов с длиной волны, определяемой соотношением:

К преимуществам полупроводниковых светодиодов относятся высокий по сравнению с лампами накаливания КПД, относительно узкий спектр излучения и хорошая диаграмма направленности, высокое быстродействие и малое напряжение питания. Все это обеспечивает удобство согласования с интегральными микросхемами, высокую надежность, долговечность и технологичность. Спектр излучения, а следовательно и его цвет, зависит от используемого полупроводникового материала. Светодиоды изготавливают не на основе кремния или германия, как большинство полупроводниковых приборов, а на основе арсенида-фосфида галлия. Яркость свечения пропорциональна прямому току светодиода. Тока в несколько миллиампер уже достаточно для отчетливой индикации. Светодиоды изготавливают как в виде отдельных индикаторов, так и в виде семисегментных или точечных матриц. Семисегментные матрицы состоят из семи светящихся полосок — сегментов, из которых можно синтезировать изображение любой цифры от 0 до 9 (такие матрицы используются, например, в электронных часах с цифровой индикацией). В точечных матрицах изображение формируется из светящихся точек. На основе точечных матриц можно синтезировать изображение уже не только цифры, но и любого индицируемого знака (буквы, специального символа и т. д.).

Фотодиоды

Простейший фотодиод представляет собой обычный полупроводниковый диод (см. рис. 1.4, я), в котором обеспечивается возможность воздействия оптического излучения на р-n-переход. В равновесном состоянии, когда поток излучения полностью отсутствует, концентрация носителей, распределение потенциала и энергетическая зонная диаграмма фотодиода полностью соответствуют обычной р-n-структуре.

При воздействии излучения в направлении, перпендикулярном плоскости р-n-перехода, в результате поглощения фотонов с энергией, большей, чем ширина запрещенной зоны, в n-области возникают электронно-дырочные пары. Эти электроны и дырки называют фотоносителями. При диффузии фотоносителей вглубь n-области основная доля электронов и дырок не успевает рекомбинировать и доходит до границы p-n-перехода. Здесь фотоносители разделяются электрическим нолем р-n-перехода, причем дырки переходят в p-область, а электроны не могут преодолеть иоле перехода и скапливаются у границы р-n-перехода и n-области.

Таким образом, ток через p-n-переход обусловлен дрейфом неосновных носителей — дырок. Дрейфовый ток фотоносителей называется фототоком Iф. Фотоносители — дырки — заряжают p-область положительно относительно n-области, а фотоносители — электроны — заряжают n-область отрицательно по отношению к p-области. Возникающая разность потенциалов называется фотоЭДС — Еф. Генерируемый ток в фотодиоде — обратный, он направлен от катода к аноду. Причем его величина тем больше, чем больше освещенность.

Фотодиоды могут использоваться для получения электрической энергии. Так, солнечные батареи изготавливают на основе фотодиодов с большой площадью р-n-перехода.

Оптроны

Светодиоды и фотодиоды часто используются в парс. При этом они помещаются в один корпус таким образом, чтобы светочувствительная площадка фотодиода располагалась напротив излучающей площадки светодиода. Полупроводниковые приборы, использующие нары «светодиод-фотодиод», называются оптронами (рис. 1.7). Они широко используются в электронной аппаратуре для гальванической развязки входных и выходных цепей.

Рис. 1.7. Оптрон:

1 — светодиод; 2 — фотодиод Входные и выходные цепи в таких приборах оказываются электрически никак не связанными, поскольку передача сигнала осуществляется через оптическое излучение.

Использование оптронов в электронно-вычислительных устройствах является одним из основных методов повышения помехоустойчивости аппаратуры.

Основной носитель помех в радиоэлектронной аппаратуре — корпус. Корпус используется как один из полюсов электропитания, поэтому подключение к нему разных силовых устройств приводит к наведению кратковременных импульсных помех при коммутациях сильноточных цепей. В то же время для передачи информации чисто электрическим путем между устройствами — источником и приемником информации — должна быть электрическая связь по корпусу. Если к этому же корпусу подключены силовые цепи, то помехи, вызванные коммутациями в этих цепях, приводят к сбоям в работе других устройств, подключенных к корпусу.

Передача информации с помощью оптронов позволяет развязать электрические цепи питания источника и приемника информации, так как носителем информации является электрически нейтральное оптическое излучение. Таким образом, устройства могут иметь разные корпуса, т. е. оказываются гальванически развязанными и не подверженными воздействию помех.

Кроме защиты от воздействия помех, гальваническая развязка на основе оптронов позволяет решить еще одну задачу — совместную работу устройств, находящихся под разными потенциалами. Любая, даже небольшая, разность потенциалов не позволяет чисто электрически соединять разные устройства, поскольку это приведет к выходу их из строя. Передача сигнала в оптроне возможна, даже если цепи светодиода и фотодиода находятся под разными (в некоторых оптронах до 500 В) напряжениями. Таким образом, устройства, информационно связанные с помощью оптронов, могут находиться под разными потенциалами.