Post on 13-Jan-2016
description
Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc
ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY
2. Diody PN, Schottkyho diody
Přechod PN- bez předpětí
Kontakty
PN
Difuze
Difuze
Neustálený stav
PN
EA
ED EFP
EFN
Vyprázdněná oblast(bez pohyblivých nosičů)
PN
Ustálený stavE0
EFP = EFN = EF
eD
EC
EV
Přechod PNs předpětím v závěrném směru
Akumulovaný náboj donorů a akceptorů na přechodu:Q = QD = eNDlN S= QA =eNAlP S
1) Velikost nahromaděného náboje se mění s napětím U
kapacita přechodu Cj
2) Vzdálenost nábojů (lN , lP) se mění s
velikostí napětí kapacita Cj závisí na napětí
U
Vyprázdněné oblasti se zvětší, protéká pouze velmi malý proud
PN
lN lP
Ce N N
U N NjD A
D D A
2
Přechod PNs předpětím v propustném směru
U
PN
• Vyprázdněná vrstva zaniká
• Elektrony z vrstvy N jsou přitahovány do vrstvy P, kde rekombinují s dírami a naopak
• Protéká vysoký proud
• Elektrony ve vrstvě P a díry ve vrstvě N (minoritní nosiče) než zrekombinují představují určitý náboj:
QN = IN. N , QP = IP. P kde: IN, IP ... jsou proudy elektronů a děr přes přechod
N, P …jsou doby života nosičů
• Tyto náboje představují t. zv. Difúzní kapacitu přechodu:
CD = QN/U = (IN. N)/U,
která je funkcí proudu
Přechod PNproud přechodem
Ideální průběh:
I = IS.[exp(eU/kT)-1]
kde: IS … saturovaný (zbytkový) proud – teplotně silně závislý
e … náboj elektronu
k … Boltzmannova konstanta
T … absolutní teplota
U
II S
~10-6
A
Propustný směr
Závěrný směrUF ~ 0,7 V
Průrazy přechodů v závěrném směru- Zenerův průraz
• Struktura energetických pásů na tenkém přechodu bez předpětí
• Tentýž přechod při vyšším předpětí v závěrném směru – elektrony z valenčního pásma vrstvy P přecházejí přímo do vodivost. pásma vrstvy N
EF
lD
D
N P
+_
N PEC
EV
EC
EV
Průrazy přechodů v závěrném směru - lavinový průraz
vyprázdněná oblast
Drift elektronů
Drift děr
drift děr drift elektr.
nevyprázdněná oblast N
nevyprázdněná oblast P
Iniciátorem jsou saturační proudy elektronů ISn a děr ISp
Jakmile dosáhne energie elektronů a děr při driftu vyprázdněnou oblastí dostatečné hodnoty, postačující k ionizaci atomů mřížky, rozvine se lavinová ionizace
Napětí zůstává při růstu proudu prakticky konstantní.
Polovodičová dioda PN
• Součástka se dvěmi elektrodami: anodou (A) a katodou (K)
• Je tvořena dvěmi funkčními vrstvami polovodiče P, N mezi nimiž je jeden přechod PN
• Struktura a konstrukce diody PN
Zaleptání mesa - výstupkůPřechod
Koncentrace příměsí
ND 1027 m-3
ND 1020 m-3
NA 1022m-3
NA 1027m-3
Základ. materiál n
xAnoda Přechod Katoda
- Ex(x)
kovový kontakt - Anoda
kontaktní vrstva P+
aktivní vrstva P
aktivní vrstva N
kontaktní vrstva N+
kovový kontakt - katoda
PN dioda – VA charakteristika
Průběh ideálního přechodu P-N:I = Is.exp(eU/kT) - 1
Parazitní sériový odpor
Voltampérová charakteristika:
U - propustný směr
I
IF
UF
RF = UF/IF
rz = UB/IB
IB
UB
Lavinová ionizacenebo Zenerův jev
Is
UBR(T)
Schematická značka:
A
KUF
Použití PN diod v elektrotechnice
oblast Ioblast II
oblast III
U
I Oblast I: Usměrňování střídavého prouduDetekce nízkofrekven.
signálůOvládání (spínání)Omezování napětí, stabilizaceNelineární zpracování signáluNásobení kmitočtuDetekce světla (fotodioda)Generování světla (LED,
lasery)
Oblast II: Proměnné kapacity (varikapy)Detekce záření
Oblast III: Stabilizace a omezování napětíGenerování vysokých
kmitočtůGenerování šumu na
vysokých kmitočtechDetekce záření
Usměrňovače s diodami PNZjednodušení V-A charakteristikyI = 0 ... pro U UF
I = (U – UF)/RF … pro U UF
UF
I
U
Rozdělení typů usměrňovánía) podle uspořádání :
jednocestné, dvojcestné jednoduché, dvojcestné, můstkové
b) podle zátěže:
s odporovou, kapacitní nebo induktivní zátěží
Jednocestné usměrnění - odporová zátěž
I = I0 + I1 sin(t) + I2 sin(2t) + ...
UL = U0 + U1sin(t) + U2sin(2t) + ...
Napětí naprázdno: U00 = U10/ =(2/)U1ef
Střed. proud diodou: ID0 = I0
Max. proud diodou: IDmax = .I0
t
U, I U1
U1 = U10sin(t) UL RL
I
UL, I
t
I = 0 pokud U1 - UL UF
= (U1 - UF)/(RL+RF) U1 - UL UF
D1
Jednocestné usměrnění - kapacitní zátěž
Napětí naprázdno: U00 = U10 = 2.U1ef
Zvlnění: UZ U10 /(f0.CS.RL)
Činitel zvlnění: Z = (UZ/U0).100% (I0/U0)( 0/)
Úhel otevření: 20
Střed. proud diodou: ID0 = I0 ... stejně jako u odpor. zátěže
Max. proud diodou: IDmax = (/20)I0 . I0
U1
UL UZ
U, I
t20
U1 = U10sin(t)
UL
RL
I
CS
IC
IC
D1
Stabilizace / omezování napětí (Zenerovy diody)
Zjednodušený průběh charakteristiky:
I = 0 pro U UZ ,
I = (U-UZ)/rZ pro U UZ
rZ = U/I
V oblasti průrazu:
I při velkých změnách proudu kolísá napětí jen velmi málo
I
U
Skutečný průběh
charakteristiky U
I
U
I
UZ
Stabilizace / omezování napětí Zapojení stabilizovaného zdroje
U0
I0
RS D1
IZ
R2
U2
I2
U0 .... vstupní, nestab. napětí
RS .... stabilizační odporD1 .... Zenerova diodaR2 .... odpor zátěžeU2 .... stabilizované
napětí
I0 = IZ + I2 , U0 = RS I0 + U2 , U2 = I2 R2 = UZ + rZ IZ ,
U
Ur
RU
1r
R
r
R
2
ZZ
S0
Z
2
Z
S
při rZ 0 stabilizované napětí U2 UZ
Dynamické vlastnosti přechodu PN
Přechod P-N, polarizovaný v propustném směru
N P +
Díry vstupují do oblasti přechodu z části P.
Elektrony vstupují do oblasti přechodu z části N.
V prostoru přechodu se tyto nosiče hromadí (akumulují) a postupně vzájemně rekombinují.
Diodou protéká velký proud v propustném směru.Oblast
rekombinace nosičů
Dynamické vlastnosti přechodu PN - II
Díry vystupují z oblasti přechodu do části P.
Elektrony vystupují z oblasti přechodu do části N.
Prostor přechodu se postupně vyprazdňuje.
Diodou protéká velký proud v závěrném směru.
Oblast rekombinace nosičů se
vyprazdňuje
Přechod P-N při náhlé reverzaci napětí
N P+
Časový průběh proudu přechodem P-N při reverzaci napětí
napětí v propustném
směru
reverzace napětí
napětí v závěrném směru
okamžik vyprázdnění přechodu
napětí na diodě
proud diodou
t
U, I
Vysoká strmost vypnutí proudu
Generování úzkých impulzůRG
UGULRLC1
L1
D1
napětí UG
t
U
Vznik úzkého impulzu UL
Proud diodou
napětí UL
Nevýhody diod PN Vysoká kapacita při předpětí v propustném směru
o Příčina: difúzní kapacita – hromadění minoritních nosičů náboje u přechodu
o Důsledek: omezení funkčnosti na vysokýchkmitočtech
Malá křivost v okolí U = 0 V
o Příčina: nízká hustota saturačního proudu
o Důsledek: nízká detekční citlivost
Řešení: Schottkyho diody
Přechod kov – polovodič
x
EKov
Polovodič typu N
Valenční zóna
Fermiho hladina v
polovodičiFermiho
hladina v kovu
Kov a polovodič před ustavením
rovnováhy
Vodivostní zóna
ED
x
E Kov Polovodič typu N
Valenční zóna
Společná Fermiho hladina
Vodivostní zónaPřechod
kov – polovodič v rovnováze(ED je výška
bariéry)
ED
Přechod kov – polovodič
x
E Kov +Polovodič
typu N -
Valenční zóna
Vodivostní zóna
Přechodkov – polovodič, polarizovaný v
propustném směru
Přemisťují se pouze elektrony
=>Nevzniká difúzní
kapacita
x
E Kov -Polovodič typu N +
Valenční zóna
Pseudo-Fermiho hladina
Vodivostní zónaPřechod
kov – polovodič polarizovaný v
závěrném směru
Schottkyho dioda=
dioda s přechodem kov - polovodič
Vlastnosti:
Statická V-A charakteristika je podobná P-N diodě (kov = anoda): I = Isexp(eU/kT)-1
Není difúzní kapacita dioda pracuje do velmi vysokých kmitočtů (100 GHz)
Volbou materiálu kovové elektrody lze snadno nastavit výšku bariéry ED a tím velikost saturačního proudu Is
Schottkyho dioda je citlivější na statickou elektřinu, na tepelné přetížení apod.
Schottkyho dioda - Aplikace
Vysokofrekvenční součástky, směšovače, spínače (do 100 GHz)
Velmi citlivé detektory (0,1 W/ 20 GHz)
Rychlé spínací a logické obvody (doba sepnutí 100 ps)
Náhradní schémata diod
Náhradní schéma součástky (Equivalent Circuit):
Kdybychom zapojili obvod podle „náhradního schématu“ do jakéhokoliv vnějšího obvodu místo skutečné součástky, proudy a napětí ve vnějším obvodu by se nezměnily:
U1 U3
I1 I2
I3
I4
A1 A2D1
U2U1
I1A1I2
U2
U3
I3
I4
A2
Náhradní schéma diody D1ID
CD
Náhradní schéma diody PN
ADjD
ADj NNUΦ2
NεNeC
A) Přechod P-N:
1
kT
eUexpII j
Sj
d
Bjj r
UUI
pro Uj > UB
pro Uj < UB Cj
Ij
Uj
P
N
pro Uj < 0
D
střj Φ
IτC pro Uj > 0
Náhradní schéma diody PN
B) Dioda P-N (chip):
RS … sériový odpor diody (polovodičový materiál, kontakty)
Cp1 … paralelní kapacita kontaktů
Cj
Ij
Cp1
RS
Náhradní schéma diody PN
C) Dioda P-N v pouzdře:
LS … sériová indukčnost pouzdra (přívody ke kontaktům)
Cp2 … paralelní kapacita pouzdra
Cj
Ij Cp1
RS
Cp2LS
Schottkyho diody mají podobné náhradní schéma ale s odlišným vztahem pro Cj