F1301 Bevezetés az elektronikába Félvezető diódák

DE, Kísérleti Fizika Tanszék

F1301 Bevezetés az elektronikába

Félvezető diódák

F1301 Bev. az elektronikába


FÉLVEZETŐ DIÓDÁK Félvezető P-N átmeneti réteg (P-N átmenet, kiürített réteg): A félvezető kristály két ellentétesen szennyezett tartományának határán kialakuló réteg. A szennyezés után a P és az N típusú tartományok találkozási felületén diffúzió indul meg. Az N típusú részből nagyszámú elektron lép át a P típusú részbe, ahol az ott többségben levő lyukakkal találkozva azokkal rekombinálódnak. Az eredetileg semleges tartományok határmenti rétegében a P típusú oldalon negatív töltéstöbblet, az N típusú oldalon pedig pozitív töltéstöbblet alakul ki, és ezek között elektromos tér épül fel (és potenciálkülönbség alakul ki). P-N P N P N

1. diffúzió megindulása

E0

2. + és - tértöltések kialakulása



Az átmeneti rétegben az elektromos tér olyan irányú, hogy gátolja a további diffúziót (további töltéshordozók nem lépnek át egyik oldalról a másikra), sőt a tér még a hőmérsékleti gerjesztés miatt létrejövő kisebbségi töltéshordozókat is kitaszítja a P-N átmeneti rétegből ⇒ kialakul a kiürített réteg. (Az átmeneti réteg vastagsága függ az anyag típusától és a szennyezés mértékétől.) P N P-N P N Félvezető dióda: Félvezető kristály két ellentétesen szennyezett, fémkivezetéssel ellátott tartománnyal. E0 Záróirányú külső feszültség E0 P N A külső feszültséggel még jobban megnöveltük a pot. különbséget a P és az N oldal között ⇒ a kiürített réteg kiszélesedik ⇒ csak a P-N átmeneti rétegben a termikus Ek gerjesztésekkel létrejövő és az el. térben szétváló töltéshordozó párok kitaszításából származó kis IR0 maradékáram folyik

IR0Ge ≈ 2 μA

IR0Si ≈ 10 nA



Nyitóirányú külső feszültség A külső feszültség ekkor ellene hat a nyugalmi a pot. különbségnek a P és az N oldal között ⇒ a kiürített réteg a fesz. növelésével elvékonyodik ⇒ az elvékonyodó rétegen egyre könnyebben

E0

P

N

Ek

tudnak átjutni a töltéshordozók, így növekszik a diódán átfolyó I áram.

⎛ − qkTeU ⎞ Addig amíg teljesen el nem tűnik az átmeneti réteg: I ~ ⎜⎜ e − 1⎟⎟ ⎝ ⎠ Adott Uf küszöbfeszültség felett az átmeneti réteg eltűnése után: I ~ U Félvezető dióda jelleggörbéje:

I 30 mA

Ideális dióda

Ge

Si

I U

20 mA

UZSi UZGe

A

10 mA

-10 nA

U

U 0.7 V

-2 μA

0.3 V

Rf =

U I f →∞ ⎯⎯⎯→ 0Ω If

Rr =

U I r =0 ⎯⎯ ⎯→ ∞Ω Ir


Si

A félvezető dióda jelleggörbéje hőmérsékletfüggő:

I 30 mA

200°C 100°C 25°C -75°C

20 mA 10 mA -10 nA

Lavina- és Zener-effektus


U 0.7 V

-2 μA

Zener-effektus: Ha a kiürített rétegben elég nagy az elektromos térerősség (vékony réteg, nagy külső záróirányú feszültség), akkor az elektronokat képes kiszakítani a kötésekből ⇒ szabad töltéshordozók jelennek meg. Lavina-effektus: A szabad töltéshordozók elegendően nagy (104-105V/cm) térerősség hatására a kiürített rétegben annyira felgyorsulhatnak, hogy elegendő energiájuk lesz, hogy ütközéssel újabb töltéshordozókat szakítsanak ki kötött állapotukból, amelyek szintén felgyorsulnak és újabb töltéshordozókat keltenek …⇒ lavinaszerűen sokszorozódik a szabad töltéshordozók száma. A Zener- és a lavina-effektus miatt adott nagyságú záróirányú feszültségnél hirtelen megnő a félvezető dióda árama.

Zener-dióda:

speciális tulajdonságú dióda, a konstrukciótól függően különböző letörési feszültségek alakíthatók ki.



Diódák fontosabb jellemzői: (egy adott típus pontos adatai a gyártó adatlapján találhatók meg) Ge Si I Ge küszöb nyitófesz.: Uf 0.3V 0.7V 30 mA ≈200V ≈3000V max. zárófesz.: URM 20 mA 5-10Ω 2-50Ω nyitóir. ellenállás.: RF 10 mA UZSi UZGe

(1mm2 PN átm.)

záróir. ellenállás.: RR visszáram: IR0 PN átm.max.hőm.: Tj

Si

0.1-10MΩ 1-3000MΩ ≈2μA ≈10nA 90°C 200°C

-10 nA

U

0.7 V -2 μA

0.3 V

Dinamikus jellemzők: feléledési idő (tRR ): a PN átmenet vezető állapotból záró állapotba történő átalakulásának ideje (az az idő, amíg az átmenetben tárolt töltések eltávoznak) kisteljesítményű diódáknál ≈10ns-100ns nagyteljesítményű diódáknál ~μs Schottky (fém-félvezető átmenetű) diódáknál ≈100ps !



Felépítés: gyártás lépései: egykristály növesztés, szeletelés, csiszolás, szennyezés (hőm. diffúzió, ionimplantáció), tokozás rétegdióda

planárdióda

tűs dióda

teljesítménydióda

kis rétegkapacitás ≈0.2pF

kis RF ellenállás ≈50mΩ

Au, In P

N

P

N

N

hegesztés

Schottky dióda igen kis rétegkapacitás

fém (Mo, Pt, Cr, W) N

kiürített réteg

Si



Félvezető diódák alkalmazása I

Egyenirányítók:

30 mA

Egyutas egyenirányító

U1 ~

Rt

Si

20 mA

U2

10 mA

U 0.7 V

- ha U1 > 0.7 V akkor ⇒ U2=U1 - 0.7 V

-2 μA

- ha U1 ≤ 0.7 V akkor ⇒ U2= 0 V

U 0.7 V

-0.7 V

U1 U2 t



Egyutas egyenirányító + szűrőfokozat:

R U1 ~

U 0.7 V

U1

Rt

C

U2’

U2’

ΔU

U2

-0.7 V

T

t

Ha τ =RC >> T=1/f akkor feltehető, hogy az I állandó így ΔQ = I ⋅ Δt

ΔQ I ⋅ Δt I = ≈ és ezzel ΔU = C C C⋅ f



Kétutas egyenirányítók

Középkivezetéses kétutas egyenirányító A

D1

U 0.7 V

~ B

D2

Rt

U2

UA

U2ideális U2

-0.7 V

középkivezetés esetén: UA = -UB = UAB /2 Ideális diódákkal: - ha UA > 0 V akkor D1 nyit, így U2= UA és az áram iránya → - ha UA < 0 V (vagyis UB > 0 V ) akkor D2 nyit, így U2= -UA és az áram iránya → mindkét esetben az ellenálláson ugyanaz az áramirány ⇒ kétutas egyenirányítás Valódi Si diódákkal: - ha UA > 0.7 V ⇒ D1 nyit és U2= UA – 0.7 V - ha UA < -0.7 V vagyis UB > 0.7 V ⇒ D2 nyit és U2= -UA – 0.7 V - ha -0.7 V ≤ UA ≤ 0.7 V

⇒ U2= 0 V

t



Graetz-híd kapcsolású kétutas egyenirányító D1 U1=UA -UB

A

D4

B

U

D3

1.4 V

D2

Rt

U2

U1

U2ideális

U2

-1.4 V

Ideális diódákkal: - ha UA > UB (vagyis U1 > 0 V ) akkor D1 ,D3 nyit, így az áram iránya → - ha UA < UB (vagyis U1 < 0 V ) akkor D2 ,D4 nyit, így az áram iránya → mindkét esetben az ellenálláson ugyanaz az áramirány ⇒ kétutas egyenirányítás Valódi Si diódákkal: - ha U1 > 1.4 V

⇒ U2= U1 - 1.4 V

- ha -1.4 V ≤ U1 ≤ 1.4 V ⇒ U2= 0 V - ha U1 < -1.4 V ⇒ U2= -U1 - 1.4 V

t



Félvezető diódák alkalmazása Feszültséghatároló (voltage limiter): U1

R

D Uref

Rt

U2

U

U1

Uref+0.7 V

U2 t

- ha U1 > UR + 0.7 V + Uref ⇒ D nyit és U2=Uref + 0.7 V - ha U1 ≤ UR + 0.7 V + Uref ⇒ D zár és U2=U1 - UR

Feszültségkétszerezés: (két sorba kapcsolt félhullámú egyenirányító) U2 A U D1

~ B

D2

U2

Rt

0.7 V

t

-0.7 V

UAB



Speciális tulajdonságú diódák Zener dióda: a Zener- és a lavinaeffektust hasznosítja Adott nagyságú záróirányú feszültségnél hirtelen megnő a félvezető dióda árama. Konstrukciótól függően különböző letörési feszültségek alakíthatók ki. Zener-effektus: Ha a kiürített rétegben elég I UZ1 UZ2 U nagy az elektromos térerősség (vékony réteg+

nagy külső záróirányú feszültség), akkor az elektronokat képes kiszakítani a kötésekből ⇒ szabad töltéshordozók jelennek meg.

Lavina-effektus: A szabad töltéshordozók

IZk IZmin

-5 mA

ΔU Z rZ = ΔI Z

Δ IZ

IZmax

működési tartomány

elegendően nagy (104-105V/cm) térerősség hatására a kiürített rétegben annyira felgyorsulhatnak, hogy elegendő energiájuk lesz, hogy ütközéssel újabb töltéshordozókat szakítsanak ki kötött állapotukból, amelyek szintén felgyorsulnak és újabb töltéshordozókat keltenek …⇒ lavinaszerűen sokszorozódik a szabad DZ1 DZ2 töltéshordozók száma.

UZk hőmérsékletfüggő ⇒ szükséges ennek kiegyenlítése: UZke =UZk1+UZk2 ahol DZ1 pozitív DZ2 negatív hőm. koeff.

UZke



Zener-dióda alkalmazása

UE

Feszültségstabilizátor:

UZk a Zener dióda küszöbfeszültsége Feltesszük, hogy Ube > UZk -Terhelés nélkül (Rt=∞ )

Ube

RE

UD

Rt Uki

U D = U Zk U be − U Zk ( I t =0 ) I t =0 U E = U be − U Zk ⎯⎯ ⎯→ I max = I E = RE

RE-t olyan nagyra kell választani, hogy adott Ube mellett a Zener-diódán átfolyó, külső terhelés nélkül maximális (Imax) áram ne lépje túl az IZmax megengedett értéket.

-Véges Rt -vel terhelve( vagyis Rt értékét csökkentve)

It növekedni kezd ( ID pedig ugyanennyivel csökken) és eközben UD

először nem változik, mivel a dióda letörési szakaszán a feszültség állandó.

I E = ID + It Ha It eléri IE értékét, akkor ID=0

U Zk I t = I E U Zk U Zk Rt = RE ⎯⎯⎯→ = It I D U be − U Zk

már nem folyik a Zener diódán áram, itt megszűnik a szabályozóképessége. Tovább csökkentve Rt értékét már viszont csökkenni fog az addig stabil UD


P

P-N


N

Kapacitásdióda:

Záróirányú feszültségnél a félvezető dióda PN átmeneti rétege kiszélesedik, ezáltal megváltozik az átmeneti réteg kapacitása. Minél nagyobb a záróirányú UR feszültség, annál nagyobb a tértöltés tartományok átlagos távolsága, és annál kisebb lesz az átmeneti réteg kapacitása. Jellemző értékek: C= (50 – 200 pF), (20 – 50 pF), (3 – 10 pF) max. ( 1 : 5 ) Alkalmazás: pl.: rezgőkörök feszültségvezérelt hangolása

E0 P

E0

N

Ek

C 100 pF

UR -20V -10V

Ube



Fotodióda:

Fény félvezető kölcsönhatás: A félvezetőben a fény - ha elegendően nagy az energiája - elektron-lyuk párt képes létrehozni, többlet töltéshordozók jelennek meg. hc Vezetési sáv λh = határhullámhossz: hν Wg Si Si Wg ≈1.1eV ⇒ λh ≈ 1.12μm Wg

WgGe ≈0.7eV ⇒ λhGe ≈ 1.72μm kvantumhatásfok:

η=

Valencia sáv

N elektron −lyuk N foton

Ifoto működési

üresjárási feszültségek

U Fotodióda: a PN átmenetben keltett ellentétes töltésű töltéshordozókat az átmenet elektrosztatikus tere szétválasztja és a dióda két ellentétes oldalára taszítja. Rt1 < Rt2 megvilágítás Záróirányú feszültség hatására kiszélesedik az átmeneti rövidrezárási réteg ⇒ megnövekszik az érzékeny tartomány térfogata áramok A fény intenzitásának növekedésével arányosa a záróirányba előfeszített dióda fotoáramának nagysága is növekszik ⇒ fényérzékelésre alkalmas eszköz tartomány


Felépítés: planárdióda fényáteresztő ablakkal

Gyors működés: határfrekvencia kb. 10 MHz (PIN-fotodióda kb. 1 GHz) Spektrális érzékenység:




LED (Light Emitting Diode, fénydióda):

A nyitóirányban előfeszített diódában az erősen szennyezett rétegben az elektron-lyuk párok gyakori rekombinációja során a félvezető anyagra jellemző energiaspektrumú (hullámhosszeloszlású) fény sugárzódik ki. A fényspektrum domináns tartománya alapján különböztetnek meg ultraibolya (UV), látható és infravörös (IR) ledeket. Gyors működés: ~ GHz Az infravörös ledek hatásfoka kb. 1-5%, a többi típusoké kisebb, mint 0,05%. szín

domináns λ

alapanyag

fénytelj.10mA áramnál

infravörös

900 nm

GaAs

100-500 μW

vörös

655 nm

GaAsP

1-2 μW

sárga

583 nm

GaAsP

3-8 μW

zöld

565 nm

GaP

1.5-8 μW

kék

490 nm

GaNi

1.5-6 μW

p++ n

Felépítés: Speciális tokozás (optika) ⇒ nagy felületi fényesség A nyitóirányú áramot korlátozni kell ⇒ soros előtétellenállással (200Ω-1kΩ)

~1μm

F1301 Bevezetés az elektronikába Félvezető diódák

Recommend Documents