光电二极管放大路工作原理

光电二极管放大路工作原理
光电二极管放大路工作原理

光电二极管放大路工作原理

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光电二极管放大电路工作原理

在用于光检测的固态检波器中,光电二极管仍然是基本选择。光电二极管广泛用于光通信和医疗诊断。其他应用包括色彩测量、信息处理、条形码、相机曝光控制、电子束边缘检测、传真、激光准直、飞机着陆辅助和导弹制导。

设计过程中,经常会优化用于光电模式或光敏模式的光电二极管。响应度是检波器输出与检波器输入的比率,是光电二极管的关键参数。其单位为 A/W 或 V/W。

前置放大器在高背景噪声环境中提取传感器生成的小信号。光

电导体的前置放大器有两类:电压模式和跨导(图 2)。

图 3c 所示的跨导放大器结构产生的精密线性传感性能是通过“零偏压”光电二极管实现的。在此配置中,光电二极管发现输出间存在短路,按照公式 3 (Isc =Ilight),基本上不存在“暗”电流。

光电二极管暴露在光线下且使用图 2c 的电路时,电流将流到运

算放大器的反相节点,如图 3 所示。若负载(RL)为0 Ω且 VOUT = 0 V,则理论上光电二极管会出现短路。实际上,这两种状况都绝对不会出现。RL 等于 Rf/Aopen_loop_Gain,而 VOUT 是放大器反馈配置施加的虚拟地。

图 4所示电路是一个高速光电二极管信号调理电路,具有暗电流补偿功能。系统转换来自高速硅PIN光电二极管的电流,并驱动20 MSPS模数转换器(ADC)的输入。该器件组合可提供400 nm至1050 nm的频谱敏感度和49 nA的光电流敏感度、91 dB的动态范围以及2 MHz的带宽。信号调理电路采用±5 V电源供电,功耗仅为40 mA,适合便携式高速、高分辨率光强度应用,如脉搏血氧仪。

光电二极管工作时采用零偏置(光伏)模式或反向偏置(光导)模式。光伏模式可获得最精确的线性运算,而让二极管工作在光导模式可实现更高的开关速度,但代价是降低线性度。在反向偏置条件下,存在少量的电流(称为暗电流),它们甚至在没有光照度的情况下也会流动。可在运算放大器的同相输入端使用第二个同类光电二极管消除暗电流误差,如图4所示。

图4. 具有暗电流补偿功能的光电二极管前置放大器系统(原理示意图:未显示所有连接和去耦)

本电路还适合其它应用,如模拟光隔离器。它还能满足需要更高带宽和更低分辨率的应用,如自适应速度控制系统。

本电路笔记讨论图4中所示电路的优化设计步骤,以满足特定带宽应用的要求,这些步骤包括:稳定性计算、噪声分析和器件选择考虑因素。

光电二极管属于高阻抗传感器,用于检测光的强度。它没有内部增益,但相比其它光检测器,可在更高的光级度下工作。

有三个因素影响光电二极管的响应时间:

处于光电二极管耗尽区域内载波的充电采集时间

处于光电二极管未耗尽区域内载波的充电采集时间

二极管电路组合的RC时间常数

由于结电容取决于光电二极管的扩散区以及施加的反向偏置,采用扩散区较小的光电二极管并施加较大的反向偏置即可获得更快的上升时间。在 CN-0272电路笔记中,采用 SFH 2701 PIN光电二极管,其结电容典型值为3 pF,0 V偏置下的最大值为5 pF.1 V反向偏置时的典型电容为2 pF,5 V 反向偏置时为1.7 pF.本电路的测量均在5 V反向偏置下进行。

图5 光电二极管电路的噪声电路分析

该软件环境提供了光电二极管的 LabVIEW跨导模型,允许根据设计示例中使用的具体光电二极管进行定制(图 5a)。必须先运行仿真,再构建任何板卡。由于噪声增益路径(图 5b)中引入了零点,所以可能会出现不稳定。MultiSim 仿真说明了噪声增益路径中引入零点造成的不稳定(图 5b)。改变反馈电阻上的电容会影响可用的带宽(图 5c)。

如上文所述,必须在反馈电阻上放置 2 pF 电容来引入一个极点,从而取消此零点。 2 pF 反馈电容是理论值。可以分析不同值

对设计电路可用带宽的影响(图 5c)。还可以通过监控输出来校验电路带宽,其-3 dB 带宽为 1 kHz。

肖特二极管的工作原理是什么.doc

肖特二极管的工作原理是什么 SBD是肖特基势垒二极管(Schottky Barrier Diode,缩写成SBD)的简称。SBD不是利用P型半导体与N型半导体接触形成PN结原理制作的,而是利用金属与半导体接触形成的金属-半导体结原理制作的。因此,SBD也称为金属-半导体(接触)二极管或表面势垒二极管,它是一种热载流子二极管。 肖特基二极管是近年来问世的低功耗、大电流、超高速半导体器件。其反向恢复时间极短(可以小到几纳秒),正向导通压降仅0.4V左右,而整流电流却可达到几千毫安。这些优良特性是快恢复二极管所无法比拟的。中、小功率肖特基整流二极管大多采用封装形式。 肖特基二极管是贵金属(金、银、铝、铂等)A为正极,以N型半导体B为负极,利用二者接触面上形成的势垒具有整流特性而制成的金属-半导体器件。因为N型半导体中存在着大量的电子,贵金属中仅有极少量的自由电子,所以电子便从浓度高的B中向浓度低的A中扩散。显然,金属A中没有空穴,也就不存在空穴自A向B的扩散运动。随着电子不断从B扩散到A,B表面电子浓度逐渐降低,表面电中性被破坏,于是就形成势垒,其电场方向为B→A。但在该电场作用之下,A中的电子也会产生从A→B的漂移运动,从而消弱了由于扩散运动而形成的电场。当建立起一定宽度的空间电荷区后,电场引起的电子漂移运动和浓度不同引起的电子扩散运动达到相对的平衡,便形成了肖特基势垒。 典型的肖特基二极管基整流管的内部电路结构是以N型半导体为基片,在上面形成用砷作掺杂剂的N-外延层。阳极使用钼或铝等材料制成阻档层。用二氧化硅(SiO2)来消除边缘区域的电场,提高管子的耐压值。N型基片具有很小的通态电阻,其掺杂浓度较H-层要高100%倍。在基片下边形成N+阴极层,其作用是减小阴极的接触电阻。通过调整结构参数,N型基片和阳极金属之间便形成肖特基势垒,当在肖特基势垒两端加上正向偏压(阳极金属接电源正极,N型基片接电源负极)时,肖特基势垒层变窄,其内阻变小;反之,若在肖特基势垒两端加上反向偏压时,肖特基势垒层则变宽,其内阻变大。 综上所述,肖特基整流管的结构原理与PN结整流管有很大的区别通常将PN结整流管称作结整流管,而把金属-半导管整流管叫作肖特基整流管,近年来,采用硅平面工艺制造的铝硅肖特基二极管也已问世,这不仅可节省贵金属,大幅度降低成本,还改善了参数的一致性。 肖特基二极管是贵金属(金、银、铝、铂等)A为正极,以N型半导体B为负极,利用二者接触面上形成的势垒具有整流特性而制成的金属-半导体器件。因为N型半导体中存在着大量的电子,贵金属中仅有极少量的自由电子,

PIN二极管结构及工作原理

一、PIN二极管的结构 PIN二极管的基本结构有两种,即平面的结构和台面的结构,如图2所示。对于Si-pin133结二极管,其中I层的载流子浓度很低(约为10cm数量级)电阻率很高、(约为k-cm数量级),厚度W一般较厚(在10~200m 之间);I层两边的p型和n型半导体的掺杂浓度通常很高。 平面结构和台面结构的I层都可以采用外延技术来制作,高掺杂的p+层可以采用热扩散或者离子注入技术来获得。平面结构二极管可以方便地采用常规的平面工艺来制作。而台面结构二极管还需要进行台面制作(通过腐蚀或者挖槽来实现)。台面结构的优点是: ①去掉了平面结的弯曲部分,改善了表面击穿电压; ②减小了边缘电容和电感,有利于提高工作频率。 图2 PIN二极管的两种结构 二、PIN二极管在不同偏置下的工作状态 1、正偏下 PIN二极管加正向电压时,P区和N区的多子会注入到I区,并在I区复合。当注入载流子和复合载流子相等时,电流I达到平衡状态。而本征层由于积累了大量的载流子而电阻变低,所以当PIN二极管正向偏置时,呈低阻特性。正向偏压越大,注入I层的电流就越大,I层载流子越多,使得其电阻越小。图3是正偏下的等效电路图,可以看出其等效为一个很小的电阻,阻值在0.1Ω和10Ω之间。

图3 正向偏压下PIN二极管的等效电路图 正向偏压电流与正向阻抗特性曲线图 2、零偏下 当PIN二极管两端不加电压时,由于实际的I层含有少量的P型杂质,所以在IN交界面处,I区的空穴向N区扩散,N区的电子向I区扩散,然后形成空间电荷区。由于I区杂质浓度相比N区很低,多以耗尽区几乎全部在I区内。在PI交界面,由于存在浓度差(P区空穴浓度远远大于I区),也会发生扩散运动,但是其影响相对于IN交界面小的多,可以忽略不计。所以当零偏时,I区由于存在耗尽区而使得PIN二极管呈现高阻状态。 3、反偏下 反偏情况跟零偏时很类似,所不同的是内建电场会得到加强,其效果是使IN结的空间电荷区变宽,且主要是向I区扩展。此时的PIN二极管可以等效为电阻加电容,其电阻是剩下的本征区电阻,而电容是耗尽区的势垒电容。图4是反偏下PIN二极管的等效电路图,可以看出电阻范围在1Ω到100Ω之间,电容范围在0.1pF到10pF之间。当反向偏压过大,使得耗尽区充满整个I区,此时会发生I区穿通,此时PIN管不能正常工作了。 图4 反向偏压下PIN二极管的等效电路图和反向偏压电流与反向电容特性曲线 三、PIN二极管作为射频开关 3.1 工作原理

光电二极管前置放大器设计

光电二极管前置放大器设计 许多常用传感器的输出阻抗超过几兆欧,因此,其相应的信号调理电路必须仔细设计,以满足低偏置电流、低噪声和高增益的要求。本文分析介绍光电二极管前置放大器,文中讨论了与高阻抗传感器信号调理电路有关的问题,并提供了实际解决方案。 光电二极管前置放大器设计 光电二极管在受到光照时,会产生一个与照度成正比的小电流,因此是很好的光电传感器,可广泛应用于精密光度计、高速光纤接收器等领域。 光电二极管的等效电路如图1所示。光电二极管灵敏度的标准规定方法之一是对来自严格定义的光源给定的光强确定它的短路电流ISC。最常用的光源是工作在2 850K色温下的白炽钨灯。在100fc(呎-烛光)照度(相当于阴天的光强)下,对于小面积(小于1mm2)二极管的短路电流通常是数皮安(pA)到数百微安(μA)。 短路电流在6~9个数量级的光强范围呈理想线性变化,因此常被用作绝对光强的测量。光电二极管两端的开路电压随光强呈对数变化,但因为其温度系数很大,所以二极管电压很少用于光强的精密测量。 分路电阻RSH在室温下通常是1000MΩ左右,且温度每增加10 ℃就减少1/2。二极管电容CJ随结面积和二极管偏压而变化,对于结面积很小的二极管,零偏压时的典型CJ是50pF。

光电二极管可以以两种模式工作,一是零偏置工作(光伏模式,如图2a),一是反偏置工作(光导模式,如图2b)。在光伏模式时,光电二极管可非常精确地线性工作;而在光导模式时,光电二极管可实现较高的切换速度,但要牺牲线性。在反偏置条件下,即使无光照,仍有一个很小的电流,叫做暗电流(无照电流)。在零偏置时则没有暗电流,这时二极管噪声基本上是分路电阻产生的热噪声。在反偏置时,由于导电产生的散粒噪声成为附加的噪声源。在设计光电二极管过程中,通常是针对光伏或光导两种模式之一进行最优化设计的,而不是两种模式的使用都是最优化。 将光电二极管电流转换为可用电压的简便方法,是用一个运算放大器作为电流——电压转换器(如图3所示)。二极管偏置由运算放大器的虚地维持在零电压,短路电流即被转换为电压。在最高灵敏度时,该放大器必须能检测30pA的二极管电流。这意味着反馈电阻必须非常大,而放大器偏置电流必须极小。例如,对于30pA的偏置电流,1000MΩ反馈电阻将产生30mV的相应电压。因为再大的电阻是不切实际的,所以对于最高灵敏度的情况使用1000MΩ。这样对于10pA的二极管电流,放大器将给出10mV输出电压;而对于10nA的二极管电流,输出电压为10V。这样便给出60dB的动态范围。对于更大的光强值,必须使用较小的反馈电阻来降低电路增益。对于这个最高灵敏度范围,我们应能很容易区分无月夜的光强(0.001fc)和满月夜的光强(0.1fc)。

整流二极管的作用及其整流电路

整流二极管的作用及其整流电路 整流二极管的作用及其整流电路 一种将交流电能转变为直流电能的半导体器件。通常它包含一个PN结,有阳极和阴极两个端子。 P区的载流子是空穴,N区的载流子是电子,在P区和N区间形成一定的位垒。外加使P区相对N区为正的电压时,位垒降低,位垒两侧附近产生储存载流子,能通过大电流,具有低的电压降(典型值为0.7V),称为正向导通状态。 若加相反的电压,使位垒增加,可承受高的反向电压,流过很小的反向电流(称反向漏电流),称为反向阻断状态。整流二极管具有明显的单向导电性,。 整流二极管可用半导体锗或硅等材料制造。硅整流二极管的击穿电压高,反向漏电流小,高温性能良好。通常高压大功率整流二极管都用高纯单晶硅制造。这种器件的结面积较大,能通过较大电流(可达上千安),但工作频率不高,一般在几十千赫以下。整流二极管主要用于各种低频整流电路。 二极管整流电路 一、半波整流电路 图5-1、是一种最简单的整流电路。它由电源变压器B 、整流二极管D 和负载电阻Rfz ,组成。变压器把市电电压(多为220伏)变换为所需要的交变电压e2,D 再把交流电变换为脉动直流电。 下面从图5-2的波形图上看着二极管是怎样整流的。

变压器砍级电压e2,是一个方向和大小都随时间变化的正弦波电压,它的波形如图5-2(a)所示。在0~K时间内,e2为正半周即变压器上端为正下端为负。此时二极管承受正向电压面导通,e2通过它加在负载电阻Rfz上,在π~2π时间内,e2为负半周,变压器次级下端为正,上端为负。这时D承受反向电压,不导通,Rfz,上无电压。在π~2π时间内,重复0~π时间的过程,而在3π~4π时间内,又重复π~2π时间的过程…这样反复下去,交流电的负半周就被"削"掉了,只有正半周通过Rfz,在Rfz上获得了一个单一右向(上正下负)的电压,如图5-2(b)所示,达到了整流的目的,但是,负载电压Usc。以及负载电流的大小还随时间而变化,因此,通常称它为脉动直流。 这种除去半周、留下半周的整流方法,叫半波整流。不难看出,半波整说是以"牺牲"一半交流为代价而换取整流效果的,电流利用率很低(计算表明,整流得出的半波电压在整个周期内的平均值,即负载上的直流电压 Usc =0.45e2 )因此常用在高电压、小电流的场合,而在一般无线电装置中很少采用。 二、全波整流电路(单向桥式整流电路) 如果把整流电路的结构作一些调整,可以得到一种能充分利用电能的全波整流电路。图5-3 是全波整流电路的电原理图。

PIN光电二极管

PIN光电二极管 1. 工作原理 在上述的光电二极管的PN结中间掺入一层浓度很低的N型半导体,就可以增大耗尽区的宽度,达到减小扩散运动的影响,提高响应速度的目的。由于这一掺入层的掺杂浓度低,近乎本征(Intrinsic)半导体,故称I层,因此这种结构成为PIN光电二极管。I层较厚,几乎占据了整个耗尽区。绝大部分的入射光在I层内被吸收并产生大量的电子-空穴对。在I层两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体,P层和N层很薄,吸收入射光的比例很小。因而光产生电流中漂移分量占了主导地位,这就大大加快了响应速度。 通过插入I层,增大耗尽区宽度达到了减小扩散分量的目的,但是过大的耗尽区宽度将延长光生载流子在耗尽区内的漂移时间,反而导致响应变慢,因此耗尽区宽度要合理选择。通过控制耗尽区的宽度可以改变PIN观点二极管的响应速度。 2. PIN光电二极管的主要特性 (1) 截止波长和吸收系数 只有入射光子的能量 PIN型光电二极管 也称PIN结二极管、PIN二极管,在两种半导体之间的PN结,或者半导体与金属之间的结的邻近区域,在P区与N区之间生成I型层,吸收光辐射而产生光电流的一种光检测器。具有结电容小、渡越时间短、灵敏度高等优点。 目录 PIN型光电二极管的结构 PIN结的导电特性 PIN型光电二极管的主要参数 PIN型光电二极管的典型应用

PIN型光电二极管的结构 pin结二极管的基本结构有两种,即平面的结构和台面的结 构,如图1所示。对于Si-pin133结二极管,其中i型层的载流子浓度很低(约为10cm数量级)电阻 率很高、(约为k-cm数量级),厚度W一般较厚(在10~200m 之间);i型层两边的p型和n型半导体的掺杂浓度通常很高(即为重掺杂)。 平面结构和台面结构的i型层都可以采用外延技术来制作,高掺杂的p+层可以采用热扩散或者离子注入技术来获得。平面结构二极管可以方便地采用常规的平面工艺来制作。而台面结构二极管还需要进行台面制作(通过腐蚀或者挖槽来实现)。台面结构的优点是:①去掉了平面结的弯曲部分,改善了表面击穿电压;②减小了边缘电容和电感,有利于提高工作频率。 PIN结的导电特性 pin 结就是在 pin 结的空间电荷区分别在 i 型层两边的界面处,而整个的 i 型层中没有空间电荷,但是存在由两边的空间电荷所产生出来的电场——内建电场,所以 pin 结的势垒区就是整个的 i 型层。 ①基本概念: 众所周知,一般 p-n 结的导电(较大的正向电流以及很小的反向电流)主要是由于少数载流子在势垒区以外的两边扩散区中进行扩散所造成的;扩散区是不存在电场的电中性区。在此实际上也就暗示着载流子渡越势垒区的速度很快,即忽略了存在强电场的势垒区的阻挡作用;当然,这种处理也只有在势垒区较薄(小于载流子的平均自由程)时才是允许的。而对于势垒区厚度较大(≈载流子平均自由程)的p-n 结,则就需要考虑载流子在渡越势垒区的过程中所造成的影响,这种影响主要就是将增加一定的产生-复合电流。

光电二极管电荷灵敏前置放大器设计

光电二极管电荷灵敏前置放大器设计. 摘要 本论文论述了将电荷灵敏放大器作为硅PIN光电二极管的前置放大电路,实现光电二极管的电荷信号转换为电压信号,并具备电压信号放大功能,以满足低偏置电流、低噪声和高增益的要求,能够探测微弱光信号。文中设计的电荷灵敏前置放大器采用低噪声场效应晶体管和电流型集成运算放大器构成,其等效输入噪声≤2.2keV。该电荷灵敏前置放大电路结构简单、体积小、输出信号上升时间快、噪声低、稳定性好. 关键词:硅PIN光电二极管.电荷灵敏放大器.微弱光信号检测。 Photoelectric diode sensitive charge preamplifier designed. This paper discusses the sensitive charge amplifier as will the preamplifier circuit of photoelectric diode, photoelectric diode charge signals are converted to voltage signal, and voltage signal amplifier functions, in order to meet the low offset currents, low noise and high gain requirement, and can detect weak light signals. This paper designs the sensitive charge preamplifier with low noise field effect transistors and the current model integrated operational amplifier, the equivalent input noise than 2.2 keV. This sensitive charge preamplifier circuit is simple in structure, small volume, the output signal is rising fast time, low noise, good stability. Keywords: silicon photoelectric diode. PIN sensitive charge amplifier. Faint light signal detection。

整流二极管的作用及其整流电路

整流二极管的作用及其整流电路 Rectifier diode 整流二极管一种用于将交流电转变为直流电的半导体器件。通常它包含一个PN结,有阳极和阴极两个端子。其结构如图1所示。P区的载流子是空穴,N区的载流子是电子,在P区和N区间形成一定的位垒。外加使P 区相对N区为正的电压时,位垒降低,位垒两侧附近产生储存载流子,能通过大电流,具有低的电压降(典型值为0.7V),称为正向导通状态。若加相反的电压,使位垒增加,可承受高的反向电压,流过很小的反向电流(称反向漏电流),称为反向阻断状态。整流二极管具有明显的单向导电性。整流二极管可用半导体锗或硅等材料制造。硅整流二极管的击穿电压高,反向漏电流小,高温性能良好。通常高压大功率整流二极管都用高纯单晶硅制造(掺杂较多时容易反向击穿)。这种器件的结面积较大,能通过较大电流(可达上千安),但工作频率不高,一般在几十千赫以下。整流二极管主要用于各种低频半波整流电路,如需达到全波整流需连成整流桥使用。一种将交流电能转变为直流电能的半导体器件。通常它包含一个PN结,有阳极和阴极两个端子。 二极管整流电路 一、半波整流电路 图5-1是一种最简单整流电路。它由电源变压器B 、整流二极管D 和负载电阻Rfz 组成。变压器把市电电压(多为220V)变换为所需要的交变电压E2、D 再把交流电变换为脉动直流电。下面从图5-2的波形图上看着二极管是怎样整流的。

图5-7 示出了二极管并联的情况:两只二极管并联、每只分担电路总电流的一半,三只二极管并联,每只分担电路总电流的三分之一。总之,有几只二极管并联,"流经每只二极管的电流就等于总电流的几分之一。但是,在实际并联运用时",由于各二极管特性不完全一致,不能均分所通过的电流,会使有的管子困负担过重而烧毁。因此需在每只二极管上串联一只阻值相同的小电阻器,使各并联二极管流过的电流接近一致。这种均流电阻R一般选用零点几欧至几十欧的电阻器。电流越大,R应选得越小。 图5-8示出了二极管串联的情况。显然在理想条件下,有几只管子串联,每只管子承受的反向电压就应等于总电压的几分之一。但因为每只二极管的反向电阻不尽相同,会造成电压分配不均:内阻大的二极管,有可能由于电压过高而被击穿,并由此引起连锁反应,逐个把二极管击穿。在二极管上并联的电阻R,可以使电压分配均匀。 整流二极管的选用 1N4001整流二极管一般为平面型硅二极管,用于各种电源整流电路中。选用整流二极管时,主要应考虑其最大整流电流、最大反向工作电流、截止频率及反向恢复时间等参数。 普通串联稳压电源电路中使用的整流二极管,对截止频率的反向恢复时间要求不高,只要根据电路的要求选择最大整流电流和最大反向工作电流符合要求的整流二极管即可。例如1N系列、2CZ系列、RLR系列等。 开关稳压电源的整流电路及脉冲整流电路中使用的整流二极管,应选用工作频率较高、反向恢复时间较短的整流二极管(例如RU系列、EU系列、V系列、1SR系列等)或选择快恢复二极管,还有一种肖特基整流二极管。

功率二极管结构和工作原理

功率二极管结构和工作原理 在本征半导体中掺入P型和N型杂质,其交界处就形成了PN结,在PN结的两端引出两个电极,并在外面装上管壳,就成为半导体二极管。如果一杂质半导体和金属形成整流接触,并在两端引出两个电极,则成为肖特基二极管。 二极管的结构和工作原理: PN结的形成及二极管的单向导电性描述如下: 如下图1所示,对于一块纯净的半导体,如果它的一侧是P区,另一侧为N区,则在P区和N区之间形成一交界面。N区的多子(电子)向P区运动,P区的多子(空穴)向N区运动,这种由于浓度差异而引起的运动称为“扩散运动”。扩散到P区的电子不断地与空穴复合,同时P区的空穴向N区扩散,并与N区中的电子复合。交界面两侧多子复合的结果就出现了由不能移动的带电离子组成的“空间电荷区”。N区一侧出现正离子区,P区一侧出现负离子区,正负离子在交界面两侧形成一个内电场。这个内电场对多子的扩散运动起阻碍作用的同时,又有利于N区的少子(空穴)进入P区,P区的少子(电子)进入N区,这种在内电场作用下少子的运动称为“漂移运动”。扩散运动有助于内电场的加强,内电场的加强将阻碍多子的扩散,而有助于少子的漂移,少子漂移运动的加强又将削弱内电场,又有助于多子的扩散,最终扩散运动和漂移运动必在一定温度下达到动态平衡。即在单位时间内P区扩散到N区的空穴数量等于由P区漂移到N区的自由电子数量,形成彼此大小相等,方向相反的漂移电流和扩散电流,交界面的总电流为零。在动态平衡时,交界面两侧缺少载流子的区域称为“耗尽层“,这就形成了PN结。

如图2所示,当PN结处于正偏,即P区接电源正端,N区接电源负端时,外加电场与PN 结内电场方向相反,内电场被削弱,耗尽层变宽,打破了PN结的平衡状态,使扩散占优势。多子形成的扩散电流通过回路形成很大的正向电流,此时PN结呈现的正向电阻很小,称为“正向导逋”。当PN结上流过的正向电流较小时,二极管的电阻主要是作为基片的低掺杂N区的欧姆电阻,其阻值较高且为常量,因而管压降随正向电流的上升而增加;当PN结上流过的正向电流较大时,注入并积累在低掺杂N区的少子空穴浓度将很大,为了维持半导体电中性条件,其多子浓度也相应大幅度增加,使得其电阻率明显下降,也就是电导率大大增加,这就是电导调制效应。电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低,维持在1V左右,所以正向偏置的PN结表现为低阻态,为保护PN结,通常要在回路中串联一个限流电阻。

稳压二极管原理及应用.(DOC)

什么是稳压二极管稳压二极管(又叫齐纳二极管)它的电路符号是:,稳压二极管是一种用于稳定电压的单PN结二极管。此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。在这临界击穿点上,反向电阻降低到一个很少的数值,在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定,稳压二极管是根据击穿电压来分档的,因为这种特性,稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用。 稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用,通过串联就可获得更多的稳定电压。 稳压管的应用: 1、浪涌保护电路(如图2):稳压管在准确的电压下击穿,这就使得它可作为限制或保护之元件来使用,因为各种电压的稳压二极管都可以得到,故对于这种应用特别适宜。图中的稳压二极管D是作为过压保护器件。只要电源电压VS超过二极管的稳压值D就导通。使继电器J吸合负载RL就与电源分开。 2、电视机里的过压保护电路(如图3):EC是电视机主供电压,当EC电压过高时,D导通,三极管BG导通,其集电极电位将由原来的高电平(5V)变为低电平,通过待机控制线的控制使电视机进入待机保护状态。 3、电弧抑制电路如图4:在电感线圈上并联接入一只合适的稳压二极管(也可接入一只普通二极管原理一样)的话,当线圈在导通状态切断时,由于其电磁能释放所产生的高压就被二极管所吸收,所以当开关断开时,开关的电弧也就被消除了。这个应用电路在工业上用得比较多,如一些较大功率的电磁吸控制电路就 用到它。

4、串联型稳压电路(如图5):在此电路中。串联稳压管BG的基极被稳压二极管D钳定在13V,那么其发射 极就输出恒定的12V电压了。这个电路在很多场合下都有应用 国产稳压二极管产品的分类 二极管的击穿通常有三种情况,即雪崩击穿、齐纳击穿和热击穿。 (1)雪崩击穿 对于掺杂浓度较低的PN结,结较厚,当外加反向电压高到一定数值时,因外电场过强,使PN结内少数载流子获得很大的动能而直接与原子碰撞,将原子电离,产生新的电子空穴对,由于链锁反应的结果,使少数载流子数目急剧增多,反向电流雪崩式地迅速增大,这种现象叫雪崩击穿。雪崩击穿通常发生在高反压、低掺杂的情况下。 (2)齐纳击穿 对于采用高掺杂(即杂质浓度很大)形成的PN结,由于结很薄(如0.04μm)即使外加电压并不高(如4V),就可产生很强的电场(如)将结内共价键中的价电子拉出来,产生大量的电子一空穴对,使反向电流剧增,这种现象叫齐纳击穿(因齐纳研究而得名)。齐纳击穿一般发生在低反压、高掺杂的情况下。(3)热击穿 在使用二极管的过程中,如由于PN结功耗(反向电流与反向电压之积)过大,使结温升高,电流变大,循环反复的结果,超过PN结的允许功耗,使PN结击穿的现象叫热击穿。热击穿后二极管将发生永久性损坏。

光电二极管检测电路的组成及工作原理

光电二极管及其相关的前置放大器是基本物理量和电子量之间的桥梁。许多精密应用领域需要检测光亮度并将之转换为有用的数字信号。光检测电路可用于CT扫描仪、血液分析仪、烟雾检测器、位置传感器、红外高温计和色谱分析仪等系统中。在这些电路中,光电二极管产生一个与照明度成比例的微弱电流。而前置放大器将光电二极管传感器的电流输出信号转换为一个可用的电压信号。看起来好象用一个光电二极管、一个放大器和一个电阻便能轻易地实现简单的电流至电压的转换,但这种应用电路却提出了一个问题的多个侧面。为了进一步扩展应用前景,单电源电路还在电路的运行、稳定性及噪声处理方面显示出新的限制。 本文将分析并通过模拟验证这种典型应用电路的稳定性及噪声性能。首先探讨电路工作原理,然后如果读者有机会的话,可以运行一个SPICE模拟程序,它会很形象地说明电路原理。以上两步是完成设计过程的开始。第三步也是最重要的一步(本文未作讨论)是制作实验模拟板。 1 光检测电路的基本组成和工作原理 设计一个精密的光检测电路最常用的方法 是将一个光电二极管跨接在一个CMOS输入 放大器的输入端和反馈环路的电阻之间。这种 方式的单电源电路示于图1中。 在该电路中,光电二极管工作于光致电压 (零偏置)方式。光电二极管上的入射光使之 产生的电流I SC从负极流至正极,如图中所示。由于CMOS放大器反相输入端的输入阻抗非常高,二极管产生的电流将流过反馈电阻R F。输出电压会随着电阻R F两端的压降而变化。 图中的放大系统将电流转换为电压,即 V OUT = I SC×R F(1) 图1 单电源光电二极管检测电路 式(1)中,V OUT是运算放大器输出端的电压,单位为V;I SC是光电二极管产生的电流,单位为A;R F是放大器电路中的反馈电阻,单位为W 。图1中的C RF是电阻R F的寄生电容和电路板的分布电容,且具有一个单极点为1/(2p R F C RF)。 用SPICE可在一定频率范围内模拟从光到电压的转换关系。模拟中可选的变量是放大器的反馈元件R F。用这个模拟程序,激励信号源为I SC,输出端电压为V OUT。 此例中,R F的缺省值为1MW ,C RF为0.5pF。理想的光电二极管模型包括一个二极管和理想的电流源。给出这些值后,传输函数中的极点等于1/(2p R F C RF),即318.3kHz。改变R F 可在信号频响范围内改变极点。

第1章 晶体二极管和二极管整流电路

第1章 晶体二极管和 二极管整流电路 教学重点 1.了解半导体的基本知识:本征半导体、掺杂半导体;掌握PN 结的基本特性。 2.理解半导体二极管的伏安特性和主要参数。 3.了解几种常用的二极管:硅稳压二极管、变容二极管、发光二极管、光电二极管等。 4.掌握单相半波、桥式全波整流电路的电路组成、工作原理与性能特点;了解电容滤波电路的工作原理。 5.了解硅稳压管的稳压特性及稳压电路的稳压原理。 教学难点 1.PN 结的单向导电特性。 2.整流电路和滤波电路的工作原理。 3.硅稳压管稳压电路的稳压过程。 学时分配 1.1 晶体二极管 1.1.1 晶体二极管的单向导电特性 ???体三极管等器件:晶体二极管、晶 等、变压器、电感电容、 元件:电阻电子元器件T)()()()(L C R

1.晶体二极管 (1) 外形 如图1.1.1(a )所示,晶体二极管由密封的管体和两条正、负电极引线所组成。管体外壳的标记通常表示正极。 (2) 图形、文字符号 如图1.1.1(b )所示,晶体二极管的图形由三角形和竖杠所组成。其中,三角形表示正极,竖杠表示负极。V 为晶体二极管的文字符号。 2.晶体二极管的单向导电性 动画 晶体二极管的单向导电性 (1) 正极电位>负极电位,二极管导通; (2) 正极电位<负极电位,二极管截止。 即二极管正偏导通,反偏截止。这一导电特性称为二极管的单向导电性。 [例1.1.1] 图1.1.3所示电路中,当开关S 闭合后,H 1、H 2两个指示灯,哪一个可能发光? 解 由电路图可知,开关S 闭合后,只有二极管V 1 正极电位高于负极电位,即处于正向导通状态,所以H 1指示灯发光。 1.1.2 PN 结 二极管由半导体材料制成。 动画 PN 结 1.半导体 导电能力介于导体与绝缘体之间的一种物质。如硅(Si )或锗(Ge )半导体。 半导体中,能够运载电荷的的粒子有两种: —载流子—均可运载电荷量的正电空穴:带与自由电子等自由电子:带负电???? ?? 载流子:在电场的作用下定向移动的自由电子和空穴,统称载流子。如图1.1.4所示。 2.本征半导体 不加杂质的纯净半导体晶体。如本征硅或本征锗。 本征半导体电导率低,为提高导电性能,需掺杂,形成杂质半导体。 3.杂质半导体 为了提高半导体的导电性能,在本征半导体(4价)中掺入硼或磷等杂质所形成的半导体。 根据掺杂的物质不同,可分两种: 图1.1.4 半导体的两种载流子 图1.1.3 [例1.1.1]电路图 图1.1.1 晶体二极管的外形和符号

功率二极管结构和工作原理

功率二极管结构和工作原理 功率二极管结构和工作原理 在本征半导体中掺入P型和N型杂质,其交界处就形成了PN结,在PN结的两端引出两个电极,并在外面装上管壳,就成为半导体二极管。如果一杂质半导体和金属形成整流接触,并在两端引出两个电极,则成为肖特基二极管。 二极管的结构和工作原理: PN结的形成及二极管的单向导电性描述如下:如下图1所示,对于一块纯净的半导体,如果它的一侧是P区,另一侧为N区,则在P区和N 区之间形成

一交界面。N区的多子(电子)向P 区运动,P区的多子(空穴)向N区运动,这种由于浓度差异而引起的运动称为"扩散运动”。扩散到P区的电子不断地与空穴复合,同时P 区的空穴向N区扩散,并与N区中的电子复合交界面两侧多子复合的结果就出现了由不能移动的带电离子组成的“空间电荷区”。N区一侧出现正离子区,P区一侧出现负离子区,正负离子在交界面两侧形成一个内电场。这个内电场对多子的扩散运动起阻碍作用的同时,又有利于N 区的少子(空穴)进入P区,P区的少子(电子)进入N区,这种在内电场作用下少子的运动称为"漂移运动”。扩散运动有助于内电场的加强,内电场的加强将阻碍多子的扩散,而有助于少子的漂移,少子漂移运动的加强又将削弱内电场,又有助于多子的扩散,最终扩散运动和漂移运动必在一定

温度下达到动态平衡。即在单位时间内P区扩散到N 区的空穴数量等于由P区漂移到N区的自由电子数量,形成彼此大小相等,方向相反的漂移电流和扩 散电流,交界面的总电流为 零。在动态平衡时,交界面两侧缺少载流子的区 域称为“耗尽层“,这就形成了PN结。 囹!PN结空间电荷区 如图2所示,当PN结处于正偏,即P区接电源正端,N区接电源负端时,外加电场与PN结内电场方向相反,内电场被削弱,耗尽层变宽,打破了PN 结的平衡状态,使扩散占优势。多子形成的扩散电流通过回路形成很大的正向电流,此时PN结呈现的正向电阻很小,称为“正向导逋”。当PN结上流过

光电二极管教程光电二极管术

光电二极管教程 工作原理 结光电二极管是一种基本器件,其功能类似于一个普通的信号二极管,但在结半导体的耗尽区吸收光时,它会产生光电流。光电二极管是一种快速,高线性度的器件,在应用中具有高量子效率,可应用于各种不同的场合。 根据入射光确定期望的输出电流水平和响应度是有必要的。图1描绘了一个结光电二极管模型,它由基本的独立元件组成,这样便于直观了解光电二极管的主要性质,更好地了解Thorlabs光电二极管工作过程。 图1: 光电二极管模型 光电二极管术 响应度 光电二极管的响应度可以定义为给定波长下,产生的光电流(I PD)和入射光功率(P)之比: 工作模式(光导模式和光伏模式) 光电二极管可以工作在这两个模式中的一个: 光导模式(反向偏置)或光伏模式(零偏置)。工作模式的选择根据应用中速度和可接受暗电流大小(漏电流)而定。 光导模式

处于光导模式时,有一个外加的偏压,这是我们DET系列探测器的基础。电路中测得的电流代表器件接受到的 光照; 测量的输出电流与输入光功率成正比。外加偏压使得耗尽区的宽度增大,响应度增大,结电容变小,响应 度趋向直线。工作在这些条件下容易产生很大的暗电流,但可以选择光电二极管的材料以限制其大小。(注: 我 们的DET器件都是反向偏置的,不能工作在正向偏压下。) 光伏模式 光伏模式下,光电二极管是零偏置的。器件的电流流动被限制,形成一个电压。这种工作模式利用了光伏效应, 它是太阳能电池的基础。当工作在光伏模式时,暗电流最小。 暗电流 暗电流是光电二极管有偏压时的漏电流. 工作在光导模式时, 容易出现更高的暗电流, 并与温度直接相关. 温度 每增加 10 °C, 暗电流几乎增加一倍, 温度每增加 6 °C, 分流电阻增大一倍. 显然, 应用更大的偏压会降低结电 容, 但也会增加当前暗电流的大小. 当前的暗电流也受光电二极管材料和有源区尺寸的影响. 锗器件暗电流很大, 硅器件通常比锗器件暗电流小.下 表给出了几种光电二极管材料及它们相关的暗电流, 速度, 响应波段和价格。 Material Dark Current Speed Spectral Range Cost Silicon (Si) Low High Speed Visible to NIR Low Germanium (Ge) High Low Speed NIR Low Gallium Phosphide (GaP) Low High Speed UV to Visible Moderate Indium Gallium Arsenide (InGaAs) Low High Speed NIR Moderate Indium Arsenide Antimonide (InAsSb) High Low Speed NIR to MIR High High High Speed NIR High Extended Range Indium Gallium Arsenide (InGaAs) High Low Speed NIR to MIR High Mercury Cadmium Telluride (MCT, HgCdTe) 结电容 结电容(C j)是光电二极管的一个重要性质,对光电二极管的带宽和响应有很大影响。需要注意的是,结区面积 大的二极管结体积也越大,也拥有较大的充电电容。在反向偏压应用中,结的耗尽区宽度增加,会有效地减小结 电容,增大响应速度。 带宽和响应 负载电阻和光电二极管的电容共同限制带宽。要得到最佳的频率响应,一个50欧姆的终端需要使用一条50欧姆 的同轴电缆。带宽(f BW)和上升时间响应(t r)可以近似用结电容(C j)和负载电阻(R load)表示:

光电二极管检测电路的工作原理及设计方案

?光电二极管及其相关的前置放大器是基本物理量和电子量之间的桥梁。许多精密应用领域需要检测光亮度并将之转换为有用的数字信号。光检测电路可用于CT扫描仪、血液分析仪、烟雾检测器、位置传感器、红外高温计和色谱分析仪等系统中。在这些电路中,光电二极管产生一个与照明度成比例的微弱电流。而前置放大器将光电二极管传感器的电流输出信号转换为一个可用的电压信号。看起来好象用一个光电二极管、一个放大器和一个电阻便能轻易地实现简单的电流至电压的转换,但这种应用电路却提出了一个问题的多个侧面。为了进一步扩展应用前景,单电源电路还在电路的运行、稳定性及噪声处理方面显示出新的限制。 本文将分析并通过模拟验证这种典型应用电路的稳定性及噪声性能。首先探讨电路工作原理,然后如果读者有机会的话,可以运行一个SP IC E模拟程序,它会很形象地说明电路原理。以上两步是完成设计过程的开始。第三步也是最重要的一步(本文未作讨论)是制作实验模拟板。 1 光检测电路的基本组成和工作原理 设计一个精密的光检测电路最常用的方法是将一个光电二极管跨接在一个CMOS 输入放大器的输入端和反馈环路的电阻之间。这种方式的单电源电路示于图1中。 在该电路中,光电二极管工作于光致电压(零偏置)方式。光电二极管上的入射光使之产生的电流ISC从负极流至正极,如图中所示。由于CMOS放大器反相输入端的输入阻抗非常高,二极管产生的电流将流过反馈电阻RF。输出电压会随着电阻RF两端的压降而变化。 图中的放大系统将电流转换为电压,即 VOUT = ISC ×RF (1)

图1 单电源光电二极管检测电路 式(1)中,VOUT是运算放大器输出端的电压,单位为V;ISC是光电二极管产生的电流,单位为A;RF是放大器电路中的反馈电阻,单位为W 。图1中的CRF是电阻RF的寄生电容和电路板的分布电容,且具有一个单极点为1/(2p RF CRF)。 用SPICE可在一定频率范围内模拟从光到电压的转换关系。模拟中可选的变量是放大器的反馈元件RF。用这个模拟程序,激励信号源为ISC,输出端电压为VOUT。 此例中,RF的缺省值为1MW ,CRF为0.5pF。理想的光电二极管模型包括一个二极管和理想的电流源。给出这些值后,传输函数中的极点等于1/(2p RFCRF),即318.3kHz。改变RF可在信号频响范围内改变极点。 遗憾的是,如果不考虑稳定性和噪声等问题,这种简单的方案通常是注定要失败的。例如,系统的阶跃响应会产生一个其数量难以接受的振铃输出,更坏的情况是电路可能会产生振荡。如果解决了系统不稳定的问题,输出响应可能仍然会有足够大的“噪声”而得不到可靠的结果。 实现一个稳定的光检测电路从理解电路的变量、分析整个传输函数和设计一个可靠的电路方案开始。设计时首先考虑的是为光电二极管响应选择合适的电阻。第二是分析稳定性。然后应评估系统的稳定性并分析输出噪声,根据每种应用的要求将之调节到适当的水平。 这种电路中有三个设计变量需要考虑分析,它们是:光电二极管、放大器和R//C反馈网络。首先选择光电二极管,虽然它具有良好的光响应特性,但二极管的寄生电容将对电路的噪声增益和稳定性有极大的影响。另外,光电二极管的并联寄生电阻在很宽的温度范围内变化,会在温度极限时导致不稳定和噪声问题。为了保持良好的线性性能及较低的失调误差,运放应该具有一个较小的输入偏置电流(例如CMOS工艺)。此外,输入噪声电压、输入共模电容和差分电容也对系统的稳定性和整体精度产生不利的影响。最后,R//C反馈网络用于建立电路的增益。该网络也会对电路的稳定性和噪声性能产生影响。 2 光检测电路的SPICE模型

整流桥工作原理

整流桥-桥式整流工作原理 整流桥-桥式整流工作原理(2009-10-12 13:24:27) 分类:电子元器件 整流桥-桥式整流工作原理 整流桥 有多种方法可以用整流二极管将交流电转换为直流电,包括半波整流、全波整流以及桥式整流等。整流桥,就是将桥式整流的四个二极管封装在一起,只引出四个引脚。四个引脚中,两个直流输出端标有+或-,两个交流输入端有~标记。 应用整流桥到电路中,主要考虑它的最大工作电流和最大反向电压。 图一整流桥(桥式整流)工作原理

图二各类整流桥 (有些整流桥上有一个孔,是加装散热器用的) 这款电源的整流桥部分采用了一体式的整流桥,整流桥的作用就是能够通过二极管的单向导通的特性将电平在零点上下浮动的交流电转换为单向的直流电,通常电源中采用的整流桥除了这种单颗集成式的还有采用四颗二极管实现的,它们的原理完全相同 作用就是整流,把交流电变为直流电。实质上就是把4个硅二极管接成桥式整流电路之后封装在一起用塑料包装起来,引出4个脚,其中2个脚接交流电源,用~~符号表示,2个脚是直流输出,用+ -表示。 特点是方便小巧。不占地方。 规格型号一般直接用参数表示:50伏1安,100伏5安等等。 如果你要使用整流桥,选择的时候留点余量,例如要做12伏2安培输出的整流电源,就可以选择25伏5安培的桥。 选择整流桥要考虑整流电路和工作电压. 整流桥堆 整流桥堆一般用在全波整流电路中,它又分为全桥与半桥。 全桥是由4只整流二极管按桥式全波整流电路的形式连接并封装为一体构成的,图是其外形。 全桥的正向电流有0.5A、1A、1.5A、2A、2.5A、3A、5A、10A、20A、35A、50A等多种规格,耐压值(最高反向电压)有25V、50V、100V、200V、300V、400V、500V、600V、800V、1000V等多 种规格。 常用的国产全桥有佑风YF系列,进口全桥有ST、IR等。 整流桥命名规则 一般整流桥命名中有3个数字,第一个数字代表额定电流,A;后两个数字 代表额电压(数字*100),V 如:KBL410 即4A,1000V RS507 即5A,700V 整流这一个术语,它是通过二极管的单向导通原理来完成工作的,通俗的来说二极管它是正向导通和反向截止,也就是说,二极管只允许它的正极进正电和负极进负电。二极管只允许电流单向通过,所以将其接入交流电路时它能使电路中的电流只按单向流动,即所谓“整流”,用两只管是半泼整流, 四只是全泼整流。

稳压二极管工作原理

稳压二极管工作原理 一、稳压二极管原理及特性 一般三极管都是正向导通,反向截止;加在二极管上的反向电压如果超过二极管的承受能力,二极管就要击穿损毁。但是有一种二极管,它的正向特性与普通二极管相同,而反向特性却比较特殊:当反向电压加到一定程度时,虽然管子呈现击穿状态,通过较大电流,却不损毁,并且这种现象的重复性很好;只要管子处在击穿状态,尽管流过管子的电在变化很大,而管子两端的电压却变化极小起到稳压作用。这种特殊的二极管叫稳压管。 稳压管的型号有2CW、2DW 等系列,它的电路符号如图5-17所示。 稳压管的稳压特性,可用图5一18所示伏安特性曲线很清楚地表示出来。 稳压管是利用反向击多区的稳压特性进行工作的,因此,稳压管在电路中要反向连接。稳压管的反向击穿电压称为稳定电压,不同类型稳压管的稳定电压也不一

样,某一型号的稳压管的稳压值固定在口定范围。例如:2CW11的稳压值是3.2伏到4.5伏,其中某一只管子的稳压值可能是3.5伏,另一只管子则可能是4,2伏。 在实际应用中,如果选择不到稳压值符合需要的稳压管,可以选用稳压值较低的稳压管,然后串联几只硅二极管“枕垫”,把稳定电压提高到所需数值。这是利用硅二极管的正向压降为0.6~0.7伏的特点来进行稳压的。因此,二极管在电路中必须正向连接,这是与稳压管不同的。 稳压管稳压性能的好坏,可以用它的动态电阻r来表示: 显然,对于同样的电流变化量ΔI,稳压管两端的电压变化量ΔU越小,动态电阻越小,稳压管性能就越好。 稳压管的动态电阻是随工作电流变化的,工作电流越大,动态电阻越小。因此,为使稳压效果好,工作电流要选得合适。工作电流选得大些,可以减小动态电阻,但不能超过管子的最大允许电流(或最大耗散功率)。各种型号管子的工作电流和最大允许电流,可以从手册中查到。 稳压管的稳定性能受温度影响,当温度变化时,它的稳定电压也要发生变化,常用稳定电压的温度系数来表示,这种性能例如2CW19型稳压管的稳定电压Uw= 12伏,温度系数为0.095%℃,说明温度每升高1℃,其稳定电压升高11.4毫伏。为提高电路的稳定性能,往往采用适当的温度补偿措施。在稳定性能要求很高时,需使用具有温度补偿的稳压,如2DW7A、2DW7W、2DW7C 等。 二、稳压二极管稳压电路图 由硅稳压管组成的简单稳压电路如图5- l9(a)所示。硅稳压管DW与负载Rfz,并联,R1为限流电阻。

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