6.B
6.B
6.B
Félvezetı áramköri elemek – Speciális diódák
Ismertesse a Zener-, a varicap-, az alagút-, a Schottky-, a tős-dióda és a LED felépítését, jellemzıit és gyakorlati alkalmazási lehetıségeit! Rajzolja fel a speciális diódák karakterisztikáját és jelképi jelöléseit! Elemezze a karakterisztikák jellegzetes szakaszait! Zener-diódák A Zener-diódák azon különleges félvezetı eszközök, amelyek üzemeltetése a letörési tartományon belül sem jár tönkremenetellel. Ezek az eszközök a PN-átmenet azon tulajdonságát használják ki, hogy közelítıleg állandó értékő a záróirányú feszültség a kivezetései közt, ha a letörési tartományban mőködtetjük. Ezek a diódák különlegesen szennyezett szilícium alapú félvezetı eszközök, amelyek kis ohmos veszteséggel és nagyon jó hıelvezetı képességgel rendelkeznek. Nyitóirányú mőködésük megegyezik a normál Si-diódákéval. Záróirányú mőködtetés során a PN-átmenet UZK feszültség eléréséig (Zener-feszültség) nagy ellenállást, míg ez után kis ellenállást képviselnek.
Zener-diódák szennyezettsége A Zener-diódák szennyezettsége sokkal nagyobb mint más félvezetı diódáké, ugyanis így lehet elérni a letörési feszültség értékének csökkentését, valamint a megfelelıen kis értékő differenciális ellenállást.
Zener-dióda karakterisztikája A Zener dióda karakterisztikája
• • • •
I. nyitótartomány: a dióda diffúziós feszültsége (UD), vagy más néven küszöbfeszültsége kb. 0,7 V. A karakterisztika ezen része teljesen általános. II. zárótartomány: mivel a dióda záróirányú ellenállása nagyon nagy értékő 10−1000 MΩ, így a PN-átmeneten csak nagyon kis értékő visszáram folyik. III. könyöktartomány: ebben a tartományban kezdıdnek meg a letörési jelenségek. Egy erısen szennyezett szilíciumdióda letörési feszültsége 6 V-nál kisebb érték. IV. Letörési tartomány: kis feszültségváltozás hatására a diódán nagy áram kezd folyni. Ezek a változások határozzák meg a kis értékő differenciális ellenállását:
rZ = •
∆U Z ∆I Z
Ennek az értéke a letörési tartományban 1−100 Ω.
1
6.B
6.B
Az UZK jellemzı Zener-feszültségként a gyártók azt a feszültséget adják meg, amely esetén egy meghatározott visszáram IZK folyik (általában 5 mA). A minimális IZmin és a maximális IZmax Zener-áram között elhelyezkedı szakaszt mőködési tartománynak nevezzük.
Zener-dióda jelleggörbéje
Zener-dióda kapcsolása A Zener-dióda mőködési tulajdonságai
Zener-diódák hımérsékletfüggése A Zener-dióda mőködési tulajdonságai meglehetısen hımérsékletfüggık. A dióda karakterisztikája a hımérséklet 0
0
növekedés hatására balra tolódik el. A vastag vonal 25 C anyaghımérsékletre, míg a szaggatott 125 C hımérsékletre vonatkozik. A jelleggörbe hımérséklettıl való függését az αZ hımérsékleti tényezıvel jellemezhetjük:
αZ =
1 U ZK
⋅
∆U ZK ∆T 0
ahol ∆UZK a Zener-feszültség eltolódása és ∆T a záróréteg hımérsékletváltozása 25 C -hoz viszonyítva. A hımérsékleti 0
együttható megadja a Zener-feszültség eltolódásának mértékét C -onként. Zener-diódák legfontosabb adatai: Határértékek: • •
Legnagyobb megengedett üzemi áram: IZmax Legnagyobb megengedett veszteségi teljesítmény: Ptot
•
A záróréteg legnagyobb megengedett hımérséklete:Tj
•
Tárolási hımérséklet tartomány: RthU
Jellemzık: • •
2
Differenciális ellenállás: rZ Zener-feszültség: UZK
6.B
6.B
•
Hımérsékleti tényezı: αZ
•
Hıellenállás: RthU
Zener-diódákat az elektronikában leggyakrabban egyenfeszültségek stabilizálására valamint feszültséghatárolásra használják.
Kapacitásdiódák (varicap-ok) A zárófeszültséggel széles tartományban vezérelhetı kapacitású diódák. A varicap diódák átmenetének kialakítása olyan, hogy visszáramuk igen kicsi, záróellenállásuk nagy, záróirányú kapacitásuk pedig nagyobb (3-7-szeres arányban változtatható), mint az egyszerő diódáké. A záróréteg kapacitásának az értéke függ az átmenet felületétıl, szélességétıl, és a félvezetı anyag dielektromos tulajdonságaitól. A félvezetı-dióda tértöltési tartománya a diódával párhuzamosan kapcsolt kapacitásként viselkedik. A határréteg két oldalán található különbözı típusú töltéshordozók páronként elemi kondenzátorokat alkotnak. Ezeknek az elemi kondenzátoroknak a párhuzamos kapcsolásából kapjuk a záróréteg kapacitásának értékét.
Kapacitásdióda
Kapacitásdióda felépítése
A diódára kapcsolt záróirányú feszültség növelésével megnı a tértöltési tartomány szélessége, ezzel fordított arányban változik a dióda által képviselt kondenzátor kapacitása.
Varicap-diódák A varicap-diódák különleges szilícium-diódák, amelyek igen jellegzetes mőködési karakterisztikával rendelkeznek. A karakterisztikájából megállapítható hogy a zárófeszültség és a záróréteg-kapacitás között az arányosság nem lineáris, hanem a kapacitás a zárófeszültség négyzetének reciprokával egyenlı. A kapacitásdiódák által felölelt kapacitástartomány kb. 1-300 pF. Kapacitásdiódák fontosabb villamos adatai:
• • • •
Záróréteg-kapacitás: Cs Záróirányú feszültség: UR (jellemzı érték: 25-30 V) Záróirányú áram: IR (jellemzı érték: 50-100 nA) Nyitóirányú feszültség: UF (jellemzı érték: 0,8-0,9 V)
A kapacitásdiódákat rezgıkörök feszültségvezérelt hangolására és frekvenciamodulációt megvalósító kapcsolásokban alkalmazzák.
Varicap-dióda régi és új rajzjele
Varikap-dióda karakterisztika
3
6.B
6.B
Alagútdiódák Az alagútdiódák erısen szennyezett, negatív ellenállású, nagyon gyors mőködéső félvezetı eszközök. Alapanyaguk Ge, Si vagy GaAs. Az erıs szennyezés hatására a PN-átmenet környezetében kialakul egy vékony tértöltési zóna, amelyen az elektronok energiaveszteség nélkül haladhatnak át. Az erıs szennyezés következtében, mint az a mőködési karakterisztikából is jól látszik, már kis záróirányú feszültség hatására a félvezetı kis ellenállású állapotba kerül. Nyitóirányú elıfeszítés esetén jól észrevehetı a negatív ellenállású szakasz (PV-szakasz). Up = 50−100mV, Uv = 0,5−0,9V A jelleggörbének ezen része a kvantummechanikai alagúthatás következménye. Az erısen szennyezett rétegek miatt igen vékony kiürített réteg jön létre, amelyben olyan nagy a térerısség, hogy a letörés záróirányban már 0 V-nál bekövetkezik. A dióda nyitóirányú árama két részbıl tevıdik össze. I[mA]
I[mA]
Esaki áram
P
IP
Diffúziós áram
IV
U[V]
V
UP
UV
U[V]
Az Esaki áram abból a jelenségbıl keletkezik, hogy a töltéshordozók hıenergiájuknál nagyobb fékezı potenciáltéren is átjuthatnak véges valószínőséggel, ha a potenciáltér térbeli kiterjedése kicsi. A töltés tehát a fékezıtér potenciális energiájánál kisebb kinetikus energiával, mintegy alagúton juthat át az átmeneten. Az alagúthatás 0,1-0,2 V-os nyitófeszültség tartományban mőködik, felette az átmenet nyitásából eredı diffúziós áram folyik. A karakterisztika a két áram eredıjébıl jön létre. Az alagútdiódát detektálásra, rezgéskeltésre és erısítésre használják.
Schottky-dióda A Schottky-diódák egy fém félvezetı közötti átmenet tulajdonságait használják ki. Az N szennyezettségő félvezetı rétegre vékony aranybevonatot visznek fel a fém vákuumban történı párologtatásával. A fém-félvezetı érintkezési felület körül kialakul egy úgynevezett potenciál gát, amin csak azok a töltéshordozók tudnak áthatolni, amelyek nagyobb energiával rendelkeznek mint a potenciál gát.
Nyitóirányban polarizált Schottky-diódák Nyitóirányú polarizálás esetén nı a félvezetıbıl a fémbe áthaladó elektronok száma. Záróirányú elıfeszítés esetén pedig az átmeneten áthaladó áramot a fémbıl a félvezetıbe vándorló elektronok határozzák meg. A záróirányú áram értéke meglehetısen kis értékő. Nyitóirányú feszültségük 0,3-0,4 V. A vékony aranyréteg miatt csak a félvezetırétegben alakul ki kiürített réteg, amelynek áramvezetı tulajdonságai külsı feszültséggel befolyásolhatók. A fém-félvezetı átmenet kapacitása igen kicsi, ezért nagyfrekvencián jól használható. Általában gyors mőködéső digitális integrált áramkörök részegységeként alkalmazzák, mert kicsi a késleltetési ideje.
4
6.B
6.B
Tősdióda A tős diódák N-típusú szilícium vagy germánium egységkristályból készülnek. A félvezetı alapanyagból kis lemezt szeletelnek, amely felületére egy rugós alakra hajlított volfrám vagy ritkán arany tőt helyeznek, és áramimpulzus segítségével összehegesztik a kristállyal. Ez rövid ideig tartó túlterhelést jelent, amely során a tő és az alaplap érintkezési felületénél létrejön a P típusú szennyezés. A tősdiódák maximális terhelhetısége 20-30 mA.
Tősdióda felépítése A tős diódák nagy elınye, hogy az átmenet kis felülete miatt meglehetısen kis rétegkapacitással (0,2-0,5 pF) rendelkezik, ami nagyfrekvenciás jelek vágására alkalmas. Mőködése hasonló a rétegdiódáéhoz, de kis kapacitása mellett kisebb a záróirányú és nagyobb a nyitóirányú ellenállása. A tős diódáknak van egy különleges fajtája: aranytős dióda. Ezek, nyitóirányú ellenállása nagyon kicsi és 30-50 MHz frekvenciatartományban használható. Elsısorban híradástechnikában, nagyfrekvenciás detektorokban használják. Külön rajzjele nincs, csak a dióda típusjelölése utal arra, hogy tősdiódáról van szó.
LED (Light Emitting Diode) Ha a diódán nyitóirányú áram folyik keresztül, akkor a PN-átmeneten az N rétegbıl az elektronok a P rétegbe, a P rétegbıl a lyukak az N rétegbe diffundálnak. A diffúziós kisebbségi és többségi töltéshordozók között rekombinációs folyamatok indulnak meg, amelyek során a felszabaduló energia fotonok formájában kisugárzódik. A sugárzás az 1 µm széles P rétegben keletkezik. A rekombinációk csupán 1 %-a jár fotonok kibocsátással. A sugárzási rekombináció csak úgy jöhet létre, ha az elektronok átkerülnek a nagy energiájú vezetı sávból a kisebb energiájú vegyértéksávba. A félvezetı anyag sávszerkezete határozza meg a kibocsátott fény hullámhosszát, a következı összefüggés szerint:
λ = h ⋅ ∆W , ahol ∆W = h ⋅ f
.
Sugárzási rekombináció
LED felépítése
Ledek alapanyaga A fénykibocsátó diódák alapanyaga rendszerint valamilyen vegyület típusú félvezetı, ugyanis ezekben a sugárzási rekombinációk száma sokkal nagyobb mint a szilícium alapú félvezetık esetében. A táblázatból egyértelmően kiderül, hogy a legnagyobb hatásfokkal az infravörös fénydióda rendelkezik. A többié 0.005% alatt van, ami miatt a dióda fénye erısebb megvilágítás mellett már nem látszik. A hátrányok mellett számos elınyös tulajdonsággal is rendelkeznek: • • •
a mőködéshez alacsony áram és feszültségszintet igényelnek nagy a kapcsolási sebességük nagy élettartamúak és kis helyigényőek.
5
6.B
6.B
Felhasználásuk elsısorban jelzı és kijelzı-elemként jöhet számításba mőszerek elılapján hétszegmenses vagy alfanumerikus kijelzıkben.
Alapanyag, nyitófeszültség, fényteljesítmény
6
