Előadást letölteni
Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon
KiadtaBálint Tamás Megváltozta több, mint 8 éve
1
A félvezető dióda
2
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 Az ábra torzított, a keresztmetszeti méretek általában sokkal kisebbek mint az oldalirányúak Planáris szerkezet A=anód, K=katód ( P, As, Sb ) ( B, Al, Ga, In ) Kiindulás: Si egykristály „szelet”, majd: oxidálás, ablaknyitás, n diffúzió, fémezés, darabolás, felforrasztás, tokozás Kiindulás: Si egykristály „szelet”, majd: oxidálás, ablaknyitás, n diffúzió, fémezés, darabolás, felforrasztás, tokozás
3
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 N D =N A. 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 Adaléksűrűség a mélység függvényében A „kompenzált” félvezető Donor-akceptor: nettó adalékolás
4
Vizsgálati módszerünk 1. Egydimenziós vizsgálat, „kihasított hasáb” 2. Homogén adalékolás, „abrupt” profil 3. Egyik oldal erősebben adalékolt (legyen ez az n oldal) 2. Homogén adalékolás, „abrupt” profil 3. Egyik oldal erősebben adalékolt (legyen ez az n oldal) N d >> N a
5
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 (P, As, Sb) (B, Al, Ga, In) A kialakult elektromos erőtér hatására a pn átmeneten egyensúlyban létrejön egy beépített feszültség (diffúziós potenciál)
6
A pn átmenet töltésviszonyai 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 ( P, As, Sb ) ( B, Al, Ga, In )
7
A pn átmenet töltésviszonyai 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 A töltésegyensúlyból: ( B, Al, Ga, In ) ( P, As, Sb )
8
Az ideális pn átmenet (dióda) jelleggörbe egyenlete Ez az ideális dióda egyenlet, vagy Schottky egyenlet, ahol I o a pn átmenet telítési (saturation) vagy záróáram állandója, csak anyagállandóktól és az adaléksűrűségektől függ, a kisebbségi töltéshordozó-sűrűséggel arányos I o 10 -14 A - 10 -15 A U T =kT/q=26 mV, a termikus feszültség szobahőmérsékleten, k=8,62x10 -5 eV/K, a Boltzmann állandó T a hőmérséklet Kelvinben q=1,602x10 -19 Coulomb az elektron töltése előjel nélkül
9
Ideális dióda-jelleggörbe számítása Kérdés: Egy Si dióda telítési árama I 0 =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? PÉLDA
10
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: U F 0,7V Záró (reverse) tartomány I ~ 10 -12 A/mm 2 (Si, T=300 K) Nyitó (forward) tartomány I ~ exp(U/U T ) Karakterisztikája: I(U) U F 0,7V I U Egyenirányít!
11
A dióda jelleggörbe egyszerűsített alakjai Az ideális kapcsoló: A dióda valóságos és törtvonalas közelítés ű jelleggörbéje: Törtvonalas közelítésű jelleggörbe (letöréses szakasz nélkül) U F 0,7V I [mA] U [V]
12
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
13
Valóságos dióda karakterisztika A soros ellenállás A félvezető rétegek ohmos ellenállása nagy áramoknál jelentős Megoldás pl.: epitaxiális szerkezet
14
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
15
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: I R 10 -9 A -10 -10 A –n i miatt erősen hőmérséklet függő
16
Valóságos dióda karakterisztika Letörés Egy adott kritikus zárófeszültségnél, az un. V BR 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)
17
A Zener letörés Fizikai ok: az alagúthatás A Zener dióda A Zener letörésen alapul
18
A Zener letörés felhasználása A Zener dióda A Zener dióda áramköri alkalmazása: Feszültség referencia Feszültség szabályozás (stabilizálás, kis fogyasztásnál)
19
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
20
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
21
Eszközmodellek 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
22
A dióda kisjelű működése Az r d differenciális ellenállás munkapontfüggő!
23
A dióda differenciális ellenállása Nyitó tartomány, I >> I 0 : Ha a soros ellenállással is számolunk:
24
A dióda differenciális ellenállása Egy dióda soros ellenállása 2 ohm Számítsuk ki a differenciális ellen- állását az I=1 mA, 10 mA, 100 mA munkapontokban! PÉLDA
25
A dióda kapacitásai Minden pn átmenethez két kapacitás értéket rendelhetünk A kiürített réteg egy síkkapacitás A kiürített réteg által képviselt síkkondenzátor kapacitása a C T 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 C D diffúziós (más néven tárolási) kapacitással modellezhető Tértöltéskapacitás (C T ) a záró tartományban uralkodó Tértöltéskapacitás (C T ) a záró tartományban uralkodó Diffúziós kapacitás ( C D ) csak a nyitó tartományban alakul ki Diffúziós kapacitás ( C D ) csak a nyitó tartományban alakul ki
26
A diódák gyakorlati kivitele Kisáramú Nagyáramú
27
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
28
Diódák elektronikai alkalmazásai Nagyon sokrétű, elsődlegesen analóg áramkörökben használják Néhány példa: Egyenirányítás Feszültség szabályozás/stabilizálás (pl.: Zener dióda) Hőmérséklet mérés Fénykibocsátás (LED-ek)
Hasonló előadás
© 2024 SlidePlayer.hu Inc.
All rights reserved.