A félvezető dióda.

Slides:



Advertisements
Hasonló előadás
1/15 NPN rétegsorrendű, bipoláris tranzisztor rajzjele az elektródák nevének jelölésével.
Advertisements

Dióda, Tirisztor, GTO, Tranzisztor
MIKROELEKTRONIKA Nemlineáris elektromos jelenségek, eszközök
Az optikai sugárzás érzékelése
Az optikai sugárzás érzékelése  Belső fényelektromos hatás  Záróréteges fényelektromos hatás  Külső fényelektromos hatás  Termo-elektromos hatás.
Az integrált áramkörökben (IC-kben) használatos alapáramkörök
Elektromos alapismeretek
Félvezető fotodetektorok és napelemek elmélete és gyakorlati megvalósítása 2 dr. Mizsei János, 2006.
A bipoláris tranzisztor és alkalmazásai
A félvezető dióda (2. rész)
Az elektronika félvezető fizikai alapjai
A félvezető dióda.
A térvezérelt tranzisztorok I.
FÉLVEZETŐ-FIZIKAI ÖSSZEFOGLALÓ
MOS integrált áramkörök alkatelemei
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 1. zárthelyi megoldásai október 18.
Si egykristály előállítása
A membrántranszport molekuláris mechanizmusai
MIKROELEKTRONIKA 2. - Elektromos vezetés, , hordozók koncentrációja, mozgékonyság, forró elektronok, Gunn effektus, eszközök Adalékolás (növesztésnél,
Félvezető technika.
MIKROELEKTRONIKA 3. 1.Felületek, felületi állapotok. 2.Térvezérlés. 3.Kontakt effektusok a félvezetőkben. 4.MES átmenet, eszközök.
MIKROELEKTRONIKA 6. A p-n átmenet kialakítása, típusai és alkalmazásai
Kovalens kötés a szilícium-kristályrácsban
Speciális tranzisztorok, FET, Hőmodell
Erősítők.
Fizika 7. Félvezető eszközök Félvezető eszközök.
2. Félvezetőlézerek Lézerközeg: p-szennyezett és n-szennyezett félvezető anyag közötti határréteg Az elektromos vezetés szilárdtest-fizikai alapjai szükségesek.
Áramköri alaptörvények
A bipoláris tranzisztor modellezése
Elektron transzport - vezetés
Gáztöltésű detektorok Szcintillátorok Félvezetők
Félvezető fotodetektorok és napelemek elmélete és gyakorlati megvalósítása 1 dr. Mizsei János,
MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306
MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306
MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306
MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306
Bipoláris technológia Mizsei János Hodossy Sándor BME-EET
Félvezető napelemek elmélete és gyakorlati megvalósítása (Bevezetés) Habilitációs előadás dr. Mizsei János, 2003.
A bipoláris tranzisztor I.
Félvezető fotodetektorok és napelemek elmélete és gyakorlati megvalósítása (Bevezetés) Habilitációs előadás dr. Mizsei János, 2003.
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306 Félvezető fizikai alapok.
Villamos tér jelenségei
A bipoláris tranzisztor és alkalmazásai
A félvezetők működése Elmélet
Elektronika 2 / 3. előadás „Bemelegítés”: Visszacsatolt kétpólusú erősítő maximálisan lapos átvitelének feltétele. Feltételek: 2/1›› 1 és H0 ›› 1.
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 1. zárthelyi megoldásai október 11.
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 1. zárthelyi megoldásai október 10.
Az elektromos áram.
Teljesítményelektronika
MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306
MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306 A pn átmenet működése: Sztatikus.
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Zárthelyi előkészítés október 10.
Készült a HEFOP P /1.0 projekt keretében Az információtechnika fizikája XII. Előadás Elektron és lyuk transzport Törzsanyag Az Európai.
Áramkörök : Hálózatanalizis
Villamos töltés – villamos tér
MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306
A villamos és a mágneses tér kapcsolata
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Minőségbiztosítás a mikroelektronikában A monolit technika.
A félvezető dióda. PN átmenet kivitele A pn átmenet: Olyan egykristályos félvezető tartomány, amelyben egymással érintkezik egy p és egy n típusú övezet.
A félvezető dióda. PN átmenet kivitele A pn átmenet: Olyan egykristályos félvezető tartomány, amelyben egymással érintkezik egy p és egy n típusú övezet.
Elektromosságtan.
Félvezető alapeszközök
Napelemek laboratórium 1. gyakorlat
Készítette:Ágoston Csaba
Elektronika Tranzisztor (BJT).
Járművillamosság és elektronika II.
A félvezető dióda Segédanyag a Villamosmérnöki Szak Elektronika I. tárgyához Belső használatra! BME Villamosmérnöki és Informatikai Kar Elektronikus Eszközök.
Járművillamosság és elektronika II.
Zárthelyi előkészítés
Előadás másolata:

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)