ESCA)

Polovodičové diody varikap, usměrňovací dioda, Zenerova dioda, lavinová dioda, tunelová dioda, průrazy diod

Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

Polovodičové diody z z z z z z z z z

(diode)

součástky s 1 PN přechodem varikap usměrňovací dioda Zenerova dioda lavinová dioda Schottkyho dioda LED dioda fotodioda speciální diody Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

Varikap (Variable Capacitance) (varicap) z z z z z z z

kapacitní dioda využívá se kapacity vyčerpané oblasti kapacita řiditelná přiloženým vnějším napětím rovinný kondenzátor, jehož elektrody jsou tvořeny polovodiči N a P dielektrikum je tvořeno vyčerpanou oblastí tloušťka řiditelná napětím varikap pracuje jen v závěrném směru – statická kapacita


Varikap dQ C= dU

Q = eN D d

eε 0ε r N D ε 0ε r S C= = 2(U D − U ) d

2ε 0ε r (U D − U ) ≈ K − U d= eN D

C = K (− U )

−n

n=1/2 pro strmý přechod Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

n=1/3 pro pozvolný přechod

Varikap z z

z

Farad-voltová charakteristika aplikace z ladící kondenzátor z integrované obvody (i pro pevné C) !!! induktor nelze vytvořit polovodičově !!! - není nutný pro IO – nelze, aby napětí předbíhalo proud


Usměrňovací dioda z z z z z z

(rectifier diode)

nelineární dvojpól s typickým průběhem V-A charakteristiky ⎛ qU ⎞ kT I = I 0 ⎜⎜ e − 1⎟⎟ propustný a závěrný stav ⎝ ⎠ platí Shockleyho rovnice kolem 0 V dioda neusměrňuje – platí Ohmův zákon saturační proud I0 (menšinové nosiče) - způsobuje teplotní závislost ideální usměrňovač z propustný směr – jen I, U=0 V z závěrný směr – jen U, I=0 A


Usměrňovací dioda z

z

z

z

qU kT

3kT → I = I 0e U> propustný směr q kT q oblast kolem 0 V U << → I = I0 U q kT 3kT závěrný směr U < − → I = −I0 q V-A charakteristika v I. a IV. kvadrantu – vždy jako spotřebič



odpor diody – propustný i závěrný směr z statický dU U rd = Rs = z dynamický dI I

z

pracovní bod – oblast propustné charakteristiky

z

difúzní kapacita – souvisí s difúzními proudy, vstřikem nosičů z propustný směr z závěrný směr – neuvažuje se, převládá statická

q (Lp pn + Ln n p )e =S 2kT Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA) 2

Cdif

qU kT


ztráty na diodě – přeměna na teplo z statické – propustný a závěrný směr

Pzt = iU D z

Pzt = (− U )(− I )

dynamické – způsobené skokovou změnou stavů z propustný → závěrný – velké ztráty (velké napětí, velký proud) z závěrný → propustný


Průrazy diod z z z

z

z

(breakdown)

překročení určité meze (UBR) závěrného napětí rychlý nárůst proudu velikost průrazného napětí určena oblastí s menší koncentrací příměsí mechanizmus závisí na typu přechodu, materiálu polovodiče, tvaru napětí, teplotě 4 druhy průrazů z průraz el. polem (tunelový) z průraz lavinový z průraz tepelný z průraz povrchový Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

Tepelný průraz

dI 0 I 0 = f (T ) >0 (thermal breakdown) dt z vznik tepla průchodem saturačního proudu z špatný odvod tepla – nárůst koncentrace menšinových nosičů (ionizace valenčního pásu) → nárůst saturačního proudu → nárůst tepla

(−U ) ↑⇒ Pzt ↑⇒ T ↑⇒ I 0 ↑⇒ Pzt ↑ z z z z

kladná zpětná vazba destruktivní průraz průraz – koleno v závěrném směru doba trvání jevu – 10-6 s → polovodičové zařízení nelze chránit tavnou pojistkou (doba vybavení poj. – 10-3 s) Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

Tunelový (Zenerův) průraz (tunnel breakdown) z

přechod elektronů z valenčního pásu typu P do vodivostního pásu typu N


Tunelový (Zenerův) průraz z z z z z z

z

způsoben většinovými nosiči IT = f závislé na šířce vyčerpané oblasti podmínkou je velmi úzká vyčerpaná oblast dI T nutná vysoká koncentrace příměsí nedestruktivní průraz dt pravděpodobnost tunelování klesá s teplotou – záporná zpětná vazba tunelové proudy max. mA

(T ) <0

(−U ) ↑⇒ Pzt ↑⇒ T ↑⇒ I T ↓⇒ Pzt ↓⇒ T ↓ Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

Zenerova dioda (Zener diode) z z z z z z

z

pro U>Uz platí Shockleyův vztah pro U
dU rd = ≈0 dI Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

Zenerova dioda z

z

Zenerovo napětí dáno technologií – nelze měnit (změna dána změnou technologie) materiál pro Zenerovy diody - Si


Tunelová dioda z z z z

(tunnel (Esaki) diode)

difúzní + tunelové proudy úzká vyčerpaná oblast polovodiče s vysokou koncentrací nosičů V-A charakteristika typu N

inverzní dioda = tunelová dioda s málo vyjádřenými extrémy Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

Tunelová dioda • přechod polarizován v závěrném směru • elektrony z valenčního pásu (P) přecházejí do vodivostního pásu (N) pomocí tunelování • dioda je ve vodivém stavu

• není přiloženo vnější napětí • tepelná rovnováha


Tunelová dioda • zvyšování napětí • tunelování elektronů z vodivostního pásu (N) do valenčního pásu (P) • dioda je ve vodivém stavu • elektrony ve vodivostním pásu (N) proti zakázanému pásu • s velkostí napětí narůstá oblast zakázaného pásu

dU rd = <0 dI

• nosiče nemohou tunelovat • pokles tunelového proudu • záporný dynamický odpor


Tunelová dioda • uplatnění tepelné složky proudu od určitého napětí • nárůst proudu

• s větším napětí větší teplota a větší proud •přímý přechod elektronů z vodivostního pásu (N) do vodivostního pásu (P) Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

Lavinový průraz (cascade (avalanche) breakdown) z z z z z

elektrony ve vyčerpané oblasti pod vlivem vnějšího el. pole velká kinetická energie elektronů náraz na neionizovaný atom vyvolá ionizaci – vyražení elektronu vyražené elektrony způsobí ionizaci dalších atomů dochází k lavinovému násobení → nárůst proudu


Lavinový průraz z z z z

z

z z

získání dostatečné energie → vliv vnějšího el. pole, dlouhý pobyt ve vyčerpané oblasti vyčerpaná oblast dostatečně široká širší PN přechod → větší proud lavinového průrazu nedestruktivní průraz – šířka vyčerpané oblasti klesá s teplotou, tím klesá pravděpodobnost lavinového násobení záporná zpětná vazba – nastavení dynamické rovnováhy lavinová dioda tyristor Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

Lavinová dioda (avalanche diode) z z z z z

z z

dU pro U>UL platí Shockleyův vztah r = ≈0 d dI pro U
|UZ| stabilizace vyšších napětí generace vysokých kmitočtů


Přechod kov-polovodič (metal-semiconductor junction) z

z

z

vytvoří se při každé konstrukci polovodičových součástek, vytvoří se při každém měření polovodičových materiálů 2 varianty z usměrňující kontakt (Schottkyho) z neusměrňující kontakt (ohmický)


Schottkyho bariéra (Schottky‘s barrier) z

z

z z

typ přechodu je určen výstupní prací elektronů z jednotlivých materiálů výstupní práce – energie potřebná k přenosu elektronu z Fermiho hladiny na hladinu o nulové energii (ve vakuu) Φ - výstupní potenciál výstupní práce pro Al – 4,3 eV, pro Au - 4,8 eV, pro Si (N) - 4 eV – závisí na typu a dotaci

W = qΦ Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

Schottkyho bariéra z z

z

z

z

z

vytvoření kontaktu – termodynamická rovnováha přechod elektronů z polovodiče do kovu – vyrovnání Fermiho hladin vznik vyčerpané oblasti – ochuzená o volné nosiče náboje rovnovážný kontaktní potenciál (difúzní napětí) UD – brání difúzi elektronů z vodivostního pásu do kovu elektronová afinita χ - rozdíl mezi hladinou vakua a dnem vodivostního pásu potenciálový rozdíl lze snižovat přiloženým vnějším napětím – výška bariéry se však nemění Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

Schottkyho bariéra qΦM – výstupní práce kovu qΦS – výstupní práce polovodiče ΦB - výška potenciálové Schottkyho bariéry

U D = ΦM − ΦS

U D = ΦM − ΦS

U D = ΦM − ΦS

ΦB = ΦM − χ Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

Usměrňující kontakt kovpolovodič (rectifier contact) z z z

kov-polovodič typu N: kov-polovodič typu P: vznik ochuzené vrstvy

ΦM <ΦS

ΦM > ΦS

snížení UD – kov(+), polovodič (–) - difúze elektronů - zvýšení proudu

zvýšení UD – kov(-), polovodič (+)

Usměrňující kontakt kovpolovodič propustný směr

závěrný směr Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

Neusměrňující kontakt kovpolovodič (non-rectifier contact) z z z z

kov-polovodič typu N: ΦM < ΦS ΦM > ΦS kov-polovodič typu P: vznik obohacené vrstvy tok elektronů z kovu do polovodiče – vyrovnání Fermiho hladiny, hromadění v blízkosti přechodu - vznik nízké potenciálové bariéry - snadno překonatelná pro nízká napětí

Kontakt kov-polovodič – tunelový jev z z z

z z

při vytváření ohmických kontaktů kontakt kovu se silně dotovaným polovodičem vyšší koncentrace nosičů → užší potenciálová bariéra pro úzkou bariéru prochází elektrony tunelováním nezáleží na výstupních pracech materiálů


Schottkyho dioda (Schottky diode) z z

z z z z

využívá přechodu kontakt kov-polovodič výborné dynamické vlastnosti (teoreticky doba zotavení = 0) výborné vf a spínací vlastnosti malý úbytek napětí v propustném směru – 0,3 – 0,5 V velký závěrný proud používá se Si nebo GaAs


Supresorové diody (suppressor diodes) z

transil a trisil

z

ochrana proti přepětí rychlá odezva na přepěťovou vlnu- ns změna VA charakteristiky impulzní proud A až kA

z

z z


Transil (transil) z z z z z

z

ochrana před napěťovými špičkami jednosměrný nebo obousměrný velký klidový odpor zanedbatelný odpor při přepětí VA charakteristika podobná Zenerově diodě nelze nahradit Zenerovou diodou → zničení


Trisil (trisil) z z z z z z

z

ochrana před napěťovými špičkami obousměrný velký klidový odpor zanedbatelný odpor při přepětí VA charakteristika podobná triaku vypnutí – pokles proudu pod určitou hodnotu nelze nahradit triakem → zničení


Děkuji za pozornost


ESCA)

Recommend Documents