Vodivost v pevných látkách
způsobují ji volné elektrony, tzv. vodivostní valenční elektrony jsou vázány, nemohou být nosiči proudu
Pásový model atomu
znázorňuje energetické stavy elektronů elektrony mohou mít jen určité množství energie mohou být jen ve valenčním nebo vodivostním nemohou být v zakázaném pásu
pásu
Vodiče
valenční a vodivostní pás se překrývají vodivostních elektronů je velké množství látky vedou velmi dobře elektrický proud
Izolanty
zakázaný pás je široký k překročení zakázaného pásu je třeba velká energie vodivostních elektronů je nepatrné množství látky prakticky nevedou proud
Polovodiče zakázaný pás je úzký k překročení zakázaného pásu je třeba málo energie potřebnou energii lze dodat přivedením
tepelné energie – zahřátím elektrické energie – průchodem proudu energie elektromagnetického záření – světlo, UV či IR záření
látky vedou proud a s rostoucí teplotou se vodivost zvyšuje
Vlastní vodivost polovodiče
překročí-li valenční elektron zakázané pásmo, stane se vodivostním na místě uvolněného elektronu zůstane kladný náboj – díra pár elektron – díra se generuje vždy současně návrat elektronu do díry se nazývá rekombinace pohyb elektronů zapřičiňuje pohyb děr opačným směrem
Křemík (Si)
nejdůležitější polovodičový prvek má 4 vazební elektrony k sousedním atomům (čtyřstěn) pohyb elektronů a děr vytváří vlastní (intrinsickou) vodivost
Příměsová vodivost polovodiče typu N vznikne přidání pětimocného prvku (např. fosforu P) do Si struktury příměs je označována jako donor (dárce elektronů) jeden z pěti valenčních elektronů nenajde vazbu na křemík tento elektron se snadno uvolní a stane se vodivostním na místě uvolněného elektronu zbude kladný nepohyblivý náboj
vodivost látky se výrazně zvýší elektrony jsou většinovými (majoritními) nosiči náboje elektronová vodivost = vodivost typu N děr vlastního polovodiče je málo – jsou menšinové (minoritní) často se účinek minoritních nosičů výrazně neprojevuje
Příměsová vodivost polovodiče typu P vznikne přidání třímocného prvku (např. bóru B) do Si struktury příměs je označována jako akceptor (příjemce elektronů) chybějící vazba se vytvoří „uloveným“ vodivostním elektronem tento elektron pochází z atomu Si, kde po něm zbude díra atom příměsi vytvoří se čtvrtým vazebním elektronem záporný nepohyblivý náboj
vodivost látky se výrazně zvýší díry jsou většinovými (majoritními) nosiči náboje děrová vodivost = vodivost typu P elektronů vlastního polovodiče je málo – jsou menšinové (minoritní)
Vznik
přiložením polovodiče typu P a typu N k sobě
Přechod PN bez napětí
majoritní elektrony z oblasti N odejdou do P a tam rekombinují s dírami v oblasti N zůstanou nevykompenzované kladné náboje donorů majoritní díry z oblasti P odejdou do N a tam rekombinují s elektrony v oblasti P zůstanou nevykompenzované záporné náboje akceptorů vznikne oblast prostorového náboje (OPN) OPN obsahuje nepohyblivé náboje příměsí v OPN je vysoká intenzita el. pole E el. pole vytváří difúzní napětí UD UD u křemíku bývá asi 0,6 V OPN se chová jako kapacita
Přechod PN v propustném směru je přiloženo napětí zdroje UF: kladný pól k oblasti P, záporný k N UF působí proti UD , majoritní nosiče se přiblíží k přechodu a zaplní OPN elektrony přestupují do oblasti P, rekombinují s dírami jsou odsávány kladným pólem zdroje a tím vznikají nové díry díry postupující přes přechod do oblasti N a rekombinují zde s elektrony ze záporného pólu zdroje jsou dodávány další elektrony, které zaplňují díry přicházející z P přechodem PN začne procházet proud, ale až po překonání OPN.
Přechod PN v závěrném směru je přiloženo napětí zdroje UR: kladný pól k oblasti N, záporný k P UR působí ve směru UD v oblasti P elektrony přicházející ze záporného pólu zdroje zaplňují díry v oblasti N jsou odsávány elektrony do kladného pólu zdroje v obou částech se vytvářejí další nepohyblivé náboje – OPN se rozšiřuje přechodem neprochází proud vyvolaný majoritními nosiči pro minoritní nosiče (díry v N, elektrony v P) je přechod polarizován propustně je jich velmi málo, proud v závěrném směru je proto zanedbatelný
dioda – nejjednodušší polovodičová součástka s jedním přechodem PN vývody: anoda A – katoda K voltampérová charakteristika diody je závislost proudu na napětí skládá se ze dvou částí:
propustný směr A – K (index F – forward); přechod PN je v propustném směru závěrný směr K – A (index R – reverse); přechod PN je v závěrném směru
obě části mají zcela jiné měřítko
charakteristické hodnoty:
UTO - prahové napětí (Threshold), bývá u Si diod 0,6 – 0,7 V; dioda se při něm otevře UBR - průrazné napětí (Breakdown), nastává při něm lavinový jev, jeho překročením se přechod PN prorazí IFM nebo IFAV - (Forward Maximum – Average) maximální trvalý propustný proud URM - (Reverse Maximum) maximální trvalé závěrné napětí Pmax - maximální ztrátový výkon v propustném směru (přibližně součin IFM . UTO) je ho nutno odvést, nestačí-li pouzdro diody, použije se chladič – zvětšení chladicí plochy
v katalozích se uvádějí také: opakovatelné závěrné napětí URRM (Reverse Recovery Maximum) neopakovatelné závěrné napětí URSM (Surge) pro případ nahodilých špiček opakovatelný špičkový proud IFRM (Forward Recovery Maximum) neopakovatelný špičkový proud IFSM pro jednorázové impulsy
Lavinový jev nastává v závěrném směru po dosažení určité E získá elektron dostatečnou energii k vyražení dalšího elektronu z atomu Si tím vznikne pár elektron – díra následují další srážky, vznik dalších nosičů → nárůst proudu a průraz přechodu PN jde o nárazovou ionizaci běžná dioda – průraz je destruktivní, dioda se zničí
Tunelový (Zenerův) jev elektron v závěrném směru překoná energetickou bariéru, i když má menší energii, než kterou představuje bariéra elektron z valenčního pásu polovodiče P přejde do vodivostního pásu polovodiče N pomocí klasické fyziky jev vysvětlit nelze uplatňuje se jen u tenkých přechodů PN
Kapacita diody
v závěrném směru se OPN chová jako izolační vrstva, protože náboje jsou nepohyblivé S C lze ji chápat jako dielektrikum kondenzátoru d změnou závěrného napětí se mění šířka OPN, tedy tloušťka pomyslného dielektrika větší závěrné napětí → menší kapacita
Doba zotavení po přepólování diody z propustného do závěrného směru se z přechodu musí odčerpat volné nosiče to se projeví jako proudový impuls v závěrném směru trr – doba zotavení (Reverse Recovery Time) bývá v řádech ms až ns
Usměrňovací diody
slouží k usměrňování střídavých proudů o síťové frekvenci nebo max. desítek kHz vysoké hodnoty URM (až 10 kV) a IFM (až jednotky kA) je nutná velká tloušťka (kvůli URM ) a velká plocha přechodu (kvůli IFM) relativně velká kapacita (velká plocha) relativně dlouhá doba zotavení (objemný náboj v OPN) provedení: s vývody (vlevo), pastilkové
též můstkové provedení – 4 diody v 1 pouzdře
Vysokofrekvenční diody též signálové slouží k usměrňování střídavých proudů o vysoké frekvenci (stovky kHz až desítky GHz) je nutná co nejmenší parazitní kapacita proto musí být nepatrná plocha přechodu mají velmi krátkou dobu zotavení, až jednotky ns konstrukce: dříve hrotové diody – bodový kontakt (obr. vlevo) v současnosti speciální technologie (C-class) též provedení SMD (vpravo)
Varikapy – kapacitní diody využívají změny kapacity v závěrném směru při změně napětí S C kapacita klesá s rostoucím závěrným napětím d např. napětí v řádu jednotek V, kapacita v řádu jednotek až desítek pF užití: ladění rezonančních obvodů, napětím řízené oscilátory (VCO)
Zenerovy diody
pracují v závěrné části V-A charakteristiky využívají Zenerův jev (asi do 8 V) nebo lavinový jev průraz je nedestruktivní mají malý diferenciální odpor (při velké změně proudu se napětí mění nepatrně) užití: jako stabilizátor napětí, zdroj referenčního napětí, ochrana proti přepětí
Clarence M. Zener (1905 – 1993)
PIN diody
mezi oblastí P a N je oblast I (intrinsická) polovodiče bez příměsi funkce:
při průchodu stejnosměrného propustného proudu dochází k injekci nosičů z P i N do I přidáme-li malý střídavý vf proud s periodou kratší, než je doba průletu nosičů I vrstvou, nestačí se při změně polarity vyprázdnit oblast I od nosičů a vf proud prochází diodou jako odporem s rostoucím stejnosměrným proudem klesá odpor diody pro vf proud
použití: jako vysokofrekvenční řízený odpor nebo spínač
Vznik
přiložením polovodiče typu N a kovu (např. Al) k sobě – přechod MN méně obvyklý je usměrňující přechod typu P a kovu
Usměrňující kontakt (Schottkyho)
energie potřebná k uvolnění elektronu z polovodiče je menší než z kovu elektrony z oblasti N proto odejdou snadno do kovu v oblasti N se vytvoří kladná OPN kladný náboj OPN je kompenzován zanedbatelně tenkou vrstvou elektronů
Schottkyho dioda
usměrňující přechod MN v propustném směru je UTO kolem 0,3 V (poloviční vzhledem k PN diodě) proto jsou menší ztráty v propustném směru závěrný proud je větší než u PN diod průrazné napětí UBR je menší než u PN diod doba zotavení trr je extrémně krátká (jednotky až desetiny ns)
Použití Schottkyho diod:
vysokofrekvenční technika (až stovky GHz) – díky krátké trr výkonové usměrňovače – zatím nižší URM – stovky V
Ohmický kontakt
Walter Schottky (1886 – 1976) nemá usměrňující vlastnosti vznikne při vysoké koncentraci příměsi polovodiče N nebo P energie potřebná k uvolnění elektronu z kovu je menší než z polovodiče elektrony přecházejí z kovu do polovodiče N (či z P) po přiložení napětí se snadno pohybují oběma směry odpor přechodu je velmi malý použití: připojení vývodů k polovodičům
Skupina A
Skupina B
Nakreslete a popište pásový model vodivosti vodičů. Vysvětlete příměsovou vodivost polovodičů typu N. Jak se chová přechod PN v propustném směru? Nakreslete VA charakteristiku diody v závěrném směru a označte na ní významné hodnoty. Vysvětlete pojem doba zotavení diody. Čím se vyznačují a kde se používají varikapy? Jaké vlastnosti mají Schottkyho diody?
Nakreslete a popište pásový model vodivosti izolantů. Vysvětlete příměsovou vodivost polovodičů typu P. Jak se chová přechod PN v závěrném směru? Nakreslete VA charakteristiku diody v propustném směru a označte na ní významné hodnoty. Vysvětlete lavinový jev na přechodu PN. Jaké vlastnosti musejí mít vf diody? Vysvětlete Schottkyho usměrňující kontakt.
