PN átmenet kivitele
• A pn átmenet: Olyan egykristályos félvezető tartomány, amelyben egymással érintkezik egy p és egy n típusú övezet. • Egy pn átmenetből álló eszköz a dióda.
(B, Al, Ga, In) A=anód, K=katód
(P, As, Sb)
A pn átmenet töltésviszonyai
=> (P, As, Sb)
(B, Al, Ga, In)
A többségi töltéshordozók az átmenet környezetében átdiffundálnak a túloldalra töltéshordozóktól kiürített réteg v. tértöltésréteg jön létre az átmenetnél. Egyensúly: A többségi töltéshordozók diffúziós árama egyensúlyban van a kisebbségi töltéshordozók sodródási áramával, I=0.
A pn átmenet töltésviszonyai
Mindkét oldal többségi hordozói diffúzióval áramolnak a túloldal felé. A mozgóképes töltések diffúziója után helyhez kötött, ellensúlyozatlan töltések maradnak az átmenet két oldalán. Ezért megszűnik a semlegesség. Így elektromos erőtér jön létre.
A kialakult elektromos erőtér hatására a pn átmeneten egyensúlyban létrejön egy beépített feszültség (diffúziós potenciál)
Az ideális pn átmenet (dióda) jelleggörbe egyenlete
I I0 e
U UT
I0
Az ideális dióda egyenlete, ahol Io: a pn átmenet telítési- (saturation), vagy záróáram állandója, a kisebbségi töltéshordozó-sűrűséggel arányos Io10-14 - 10-15A UT=kT/q=26 mV, a termikus feszültség szobahőmérsékleten, • k=8,62x10-5eV/K, a Boltzmann állandó • T a hőmérséklet Kelvinben • q=1,602x10-19 Coulomb az elektron töltése előjel nélkül
A dióda legfőbb tulajdonságai Pozitív feszültségekre (p típusú anyag pozitívabb potenciálon, nyitófeszültség), a szerkezeten a feszültségtől exponenciálisan függő áram folyik. Negatív feszültségekre (p oldal negatívabb, zárófeszültség) a szerkezeten nagyon kis, szinte feszültségfüggetlen áram. A szokásos nyitófeszültség értéke: UF 0,7V. Záró (reverse) tartomány I ~ 10-12 A/mm2
I
Nyitó (forward) tartomány I ~ exp(U/UT)
A dióda jelleggörbe egyszerűsített alakjai Az ideális kapcsoló:
A dióda valóságos és törtvonalas közelítésű jelleggörbéje:
Törtvonalas közelítésű jelleggörbe
ID [mA]
UBD
UD [V] UF 0,7V
Letörési szakasz
A Letörés • Egy adott kritikus zárófeszültségnél, az ún. letörési feszültségnél a dióda záróárama hirtelen megnő és viszonylag nagy áramok folynak a diódán, nagyon kis további feszültségemelkedéssel. • Ha kívülről korlátozzuk az átfolyó áramot, akkor a letörésben való működés nem teszi tönkre a diódát. • A letörés okai: Zener átütés (alagúthatás) Lavina sokszorozódás (ütközési ionizáció).
A Zener letörés felhasználása A Zener-dióda
A Zener-dióda áramköri alkalmazása: •Feszültség-referencia; •Feszültség-szabályozás (stabilizálás, kis fogyasztásnál).
A dióda munkapontja • A dióda karakterisztika egyenlete a dióda működése során lehetséges, összetartozó áram és feszültségértékeket adja meg. • A tényleges működés során a dióda, ill. tetszőleges nemlineáris karakterisztikájú elem a karakterisztika egy pontjában, az un. munkapontban működik. • Ezt a pontot az áramkörben a vizsgált nemlineáris elemet körülvevő elemek határozzák meg.
A dióda munkapontja
I=I(U)
I=(Ut-U)/Rt
• Az áramkörre felírt huroktörvényből -Ut+IR+U=0 • egy egyenes, az un. munkaegyenes egyenlete adódik, mely az áramkörben a diódán kívül előforduló elem „karakterisztikája” a dióda feszültségének függvényében. • Az áramkörben kialakuló munkapontot a két függvény metszéspontja adja.
A dióda kisjelű működése
u1 U rd i1 I
Az rd differenciális ellenállás munkapontfüggő!
A dióda differenciális ellenállása I U U T ln 1 I0 U UT UT rd I I I0 I Nyitó tartomány, I >> I0 :
UT rd I Ha a soros ellenállással is számolunk:
UT rd rs I
A dióda kapacitásai Minden pn átmenethez két kapacitás értéket rendelhetünk • A kiürített réteg egy síkkapacitás A kiürített réteg által képviselt síkkondenzátor kapacitása a CT tértöltéskapacitás (más néven diódakapacitás) • Az injektált kisebbségi töltéshordozók által képviselt Q töltés felépítéséhez időre van szükség kapacitív hatás Az injektált kisebbségi töltéshordozók által képviselt diffúziós töltés létrehozásának időigénye kis frekvenciákon a CD diffúziós (más néven tárolási) kapacitással modellezhető
Tértöltéskapacitás (CT)
Diffúziós kapacitás (CD)
a záró tartományban uralkodó
csak a nyitó tartományban alakul ki
A LED-ek jellemzői
A kapacitásdiódák feszültség-kapacitás karakterisztikája
Az alagút- (Tunnel) dióda nyitóirányú karakterisztikája
