A félvezető dióda

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 Pl. Dióda megvalósítás (B, Al, Ga, In) (P, As, Sb) A=anód, K=katód Az ábra torzított, a keresztmetszeti méretek általában sokkal kisebbek mint az oldalirányúak Planáris szerkezet Kiindulás: Si egykristály „szelet”, majd: oxidálás, ablaknyitás, n diffúzió, fémezés, darabolás, felforrasztás, tokozás

PN átmenet, félvezető dióda A p típusú hordozóba (substrate) diffúzióval juttatják be az n típusú adalékot A létrejövő adalékeloszlás, az un adalékprofil A tulajdonképpeni pn átmenet ott van, ahol ND=NA. Ez a metallurgiai átmenet (ahol az anyag úgy viselkedik, mintha intrinsic lenne). Ugrásszerű (abrupt) sűrűségváltást tekintünk, ezt könnyebb számolni Adaléksűrűség a mélység függvényében A „kompenzált” félvezető Donor-akceptor: nettó adalékolás

Vizsgálati módszerünk 1. Egydimenziós vizsgálat, „kihasított hasáb” 2. Homogén adalékolás, „abrupt” profil 3. Egyik oldal erősebben adalékolt (legyen ez az n oldal) Nd >> Na

A pn átmenet töltésviszonyai (B, Al, Ga, In) (P, As, Sb) 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)

A pn átmenet töltésviszonyai (B, Al, Ga, In) (P, As, Sb) Anionok (negatív töltésű ionok) Kationok (pozitív töltésű ionok) 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 (P, As, Sb) (B, Al, Ga, In) A töltésegyensúlyból: A kiürített réteg annál keskenyebb, minél nagyobb az adaléksűrűség az adott tartományban A valóságban általában több nagyságrend különbség van a két oldal adaléksűrűsége között  a kiürített réteg az átmenetnek főként az egyik oldalára terjed ki

Az ideális pn átmenet (dióda) jelleggörbe egyenlete Ez az ideális dióda egyenlet, vagy Schottky egyenlet, ahol Io a pn átmenet telítési (saturation) vagy záróáram állandója, csak anyagállandóktól és az adaléksűrűségektől függ, a kisebbségi töltéshordozó-sűrűséggel arányos Io10-14A - 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

Ideális dióda-jelleggörbe számítása PÉLDA Kérdés: Egy Si dióda telítési árama I0=0,1 pA. Mekkora a nyitófeszültség, ha az áram 10 mA? Megoldás: Mennyivel kell a nyitó feszültséget növelni ahhoz, hogy a nyitó áram tízszeres legyen?

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, gyakorlatilag feszültség-független áram A szokásos nyitófeszültség értéke: UF 0,7V Karakterisztikája: I(U) Egyenirányít! I Nyitó (forward) tartomány I ~ exp(U/UT) Záró (reverse) tartomány I ~ 10-12 A/mm2 (Si, T=300 K) U UF0,7V

A dióda jelleggörbe egyszerűsített alakjai Az ideális kapcsoló: Törtvonalas közelítésű jelleggörbe A dióda valóságos és törtvonalas közelítésű jelleggörbéje: ID [mA] UBD UD [V] UF 0,7V Letörési szakasz

Valóságos (nem ideális) dióda jelleggörbe Az alábbi másodlagos jelenségek (hatások) módosítják a dióda jelleggörbéjét: Kis áramoknál a tértöltésrétegben kialakuló áramok, amit az ideális jelleggörbe-egyenlet számításánál nem vettünk figyelembe Nyitó tartományban: rekombinációs áram Záró tartományban: generációs áram Nagy áramoknál: Nyitó tartományban: soros ellenállás Záró tartományban: letörés

Valóságos dióda karakterisztika A soros ellenállás A félvezető rétegek ohmos ellenállása nagy áramoknál jelentős Megoldás pl.: epitaxiális szerkezet

Valóságos dióda karakterisztika Rekombinációs áram Nyitóirányban a tértöltésrétegben a töltéshordozó injekció hatására megnő a töltéshordozó sűrűség Ez megnöveli a rekombinációt Azaz a valóságban ez is áramnövekedésként jelentkezik Ennek, és egyéb másodlagos jelenségeknek a figyelembe vételével  ahol n2

Valóságos dióda karakterisztika A generációs áram Zárófeszültségek esetén a tértöltésrétegben az egyensúlyinál kisebb sűrűség miatt megnő a párkeltés (generáció) Ez többlet töltéshordozó áramot (un.generációs áram) eredményez.  Szokásos értéke: IR 10-9A -10-10A ni miatt erősen hőmérséklet függő

Valóságos dióda karakterisztika Letörés Egy adott kritikus zárófeszültségnél, az un. VBR letörési feszültségnél a dióda záróárama hirtelen megnő és viszonylag nagy áramok folynak a diódán nagyon kis további feszültségemelkedéssel Hatására a záróáram megsokszorozódik 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 Fizikai ok: az alagúthatás A Zener dióda A Zener letörésen alapul

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 (operating point, quiescent point) működik Ezt a pontot az áramkörben a vizsgált nemlineáris elemet körülvevő elemek határozzák meg

A dióda munkapontja Az áramkörre felírt huroktörvényből egy egyenes, az un. munkaegyenes egyenlete adódik ez tulajdonképpen az áramkörben a diódán kívül előforduló elem „karakterisztikája” a dióda feszültségének függvényében Az áramkörben kialakuló munkapontot a két függvény metszéspontja adja

Eszközmodellek Nagyjelű modell Kisjelű modell A félvezető eszközökre kétféle modellt használunk: Nagyjelű modell Az egyenáramú viselkedést, a munkaponti jellemzőket modellezi Nemlineáris (általában) Egy jelleggörbével, vagy az azt leíró egyenlettel adható meg Kisjelű modell A váltakozó áramú viselkedést modellezi Adott munkapontban a munkapont körüli kis megváltozások esetét írja le Munkapontfüggő, különböző munkapontokban eltérő egy eszköz kisjelű modellje Lineáris A munkapontban a jelleggörbét érintővel helyettesíti

A dióda kisjelű működése Az rd differenciális ellenállás munkapontfüggő!

A dióda differenciális ellenállása Nyitó tartomány, I >> I0 : Ha a soros ellenállással is számolunk:

A dióda differenciális ellenállása PÉLDA Egy dióda soros ellenállása 2 ohm Számítsuk ki a differenciális ellen-állását az I=1 mA, 10 mA, 100 mA munkapontokban!

A dióda kapacitásai Diffúziós kapacitás (CD) Tértöltéskapacitás (CT) 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) a záró tartományban uralkodó Diffúziós kapacitás (CD) csak a nyitó tartományban alakul ki

A diódák gyakorlati kivitele Nagyáramú Kisáramú

Fénykibocsátó dióda (LED) Light-Emitting Diodes Villamos áram hatására fényt bocsát ki A különféle összetételű vegyület félvezetők eltérő fényű LED-eket eredményeznek Egyedül is és szelvénybe rendezetten is használják, ez utóbbira példa a képen látható hét-szelvényes (seven-segment) kijelző

Diódák elektronikai alkalmazásai Nagyon sokrétű, elsődlegesen analóg áramkörökben használják Néhány példa: Egyenirányítás Feszültség szabályozás/stabilizálás (pl.: Zener dióda) Hőmérséklet mérés Fénykibocsátás (LED-ek)