Bevezetés az analóg és digitális elektronikába. V. Félvezető diódák

Átírás

1 Bevezetés az analóg és digitális elektronikába V. Félvezető diódák

2 Félvezető dióda Félvezetőknek nevezzük azokat az anyagokat, amelyek fajlagos ellenállása a vezetők és a szigetelők közé esik. (Si, Ge) A dióda olyan rendszerint két kivezetéses elektronikai alkatrész, amelyet többségében egyenirányításra, híradástechnikai célra, egyszerűbb kapuáramkörökben stb. alkalmaznak.

3 Elektronok és lyukak

4 A szilícium szerkezete, hőmozgás

5 3 és 5 vegyértékű adalékolás Elektron hiány létrehozása a félvezetőben 3 vegyértékű adalékolással (többségi töltéshordozó a lyuk) - P-típusú félvezető Elektron többlet létrehozása a félvezetőben 5 vegyértékű adalékolással (többségi töltéshordozó az elektron) - N-típusú félvezető P-típusú félvezető N-típusú félvezető

6 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. tértöltés réteg jön létre az átmenetnél.

7 PN átmenet kivitele A PN átmenet olyan egykristályos félvezető tartomány, amelyben egymással érintkezik egy P és egy N típusú réteg. Egy PN átmenetből álló eszköz a dióda. (B, Al, Ga, In) (P, As, Sb) A=anód, K=katód

8 Nyitó és záró irányú előfeszítés

9 Karakterisztikák Si esetén a nyitási küszöb: 0,5-0,7 V Ge esetén a nyitási küszöb: 0,2-0,3 V Elmondható tehát, hogy a dióda egyenirányításra alkalmazható.

10 A dióda munkapontja, tokozása Minden esetben szükség van áramkorlátozó közbeiktatására! Tokozását tekintve többségében üveg vagy műgyanta, plasztik vagy fém tokozásban fordul elő.

11 Különleges félvezetők

12 Zener-dióda Olyan különleges félvezető eszközök, amelyek üzemeltetése a letörési tartományon belül sem jár tönkremenetellel. Ezek az eszközök a PN-átmenet azon tulajdonságát használják ki, hogy közelítőleg állandó értékű a záró irányú feszültség a kivezetései közt, ha a letörési tartományban működtetjük. Ezek a diódák különlegesen adalékolt szilícium alapú félvezető eszközök, amelyek kis ohmos veszteséggel és nagyon jó hő elvezető képességgel rendelkeznek. Nyitóirányú működésük megegyezik a normál Si-diódákéval. Záró irányú működtetés során a PN-átmenet U ZK feszültség eléréséig (Zenerfeszültség) nagy ellenállást, míg ez után kis ellenállást mutat. A Zener-diódák adalékoltsága sokkal nagyobb mint más félvezető diódáké, ugyanis így lehet elérni a letörési feszültség értékének csökkentését, valamint a megfelelően kis értékű differenciális ellenállást.

13 Zener-dióda karakterisztikája

14 Zener-dióda működése Az U ZK jellemző Zener-feszültségként a gyártók azt a feszültséget adjak meg, amely esetén egy meghatározott visszáram I ZK folyik (általában 5 ma). A minimális I Zmin és a maximális I Zmax Zener-áram között elhelyezkedő szakaszt működési tartománynak nevezzük.

15 LED (fénykibocsátó dióda) LED Light Emitting Diode (fényt kibocsátó dióda) Ha a diódán nyitóirányú áram folyik keresztül, akkor a PN-átmeneten az N rétegből az elektronok a P rétegbe, a P rétegből a lyukak az N rétegbe diffundálnak. A diffúziós kisebbségi és többségi töltéshordozók között rekombinációs folyamatok indulnak meg, amelyek során a felszabaduló energia fotonok formájában kisugárzódik. A sugárzás az 1 μm széles P rétegben keletkezik. A rekombinációk csupán 1 %-a jár foton kibocsátással. A sugárzási rekombináció csak úgy jöhet létre, ha az elektronok átkerülnek a nagy energiájú vezető sávból a kisebb energiájú vegyértéksávba. A félvezető anyag sávszerkezete határozza meg a kibocsátott fény hullámhosszát.

16 LED-ek alapanyaga A LED-ek alapanyaga rendszerint valamilyen vegyület típusú félvezető, ugyanis ezekben a sugárzási rekombinációk száma sokkal nagyobb mint a szilícium alapú félvezetők esetében. Mivel különböző LED-ek alapanyaga más és más, ezért nyitófeszültségük is eltérő. Jellemzően 1,8V-2,4V. Záróirányú előfeszítés esetén könnyen károsodik! Előnyös tulajdonságai: a működéshez alacsony áram és feszültségszintet igényelnek nagy a kapcsolási sebességük nagy élettartamúak és kis helyigényűek

17 Egyéb speciális diódák Varicap-dióda (Kapacitás dióda) A zárófeszültséggel széles tartományban vezérelhető kapacitású diódák. (max. 300pF) Schottky-dióda (fém-félvezető dióda) Nyitóirányú feszültségük 0,3-0,4 V. A fém-félvezető átmenet kapacitása igen kicsi, ezért nagyfrekvencián jól használható. Általában gyors működésű digitális integrált áramkörök részegységeként alkalmazzák, mert kicsi a késleltetési ideje. Alagút-dióda (Esaki-dióda) Negatív ellenállású szakasza is van. LC oszcillátorokban a rezgőköri veszteségek kompenzálására alkalmazzák. Viszonylagosan ellenállók sugárzással szemben, ezért alkalmazhatók űrjárművekben.

18 Zener-diódák alkalmazása Zener-diódákat az elektronikában leggyakrabban egyenfeszültségek stabilizálására, valamint feszültséghatárolásra használják.

19 LED-ek alkalmazása Felhasználásuk elsősorban jelző és kijelző-elemkent jöhet számításba műszerek előlapján hétszegmenses vagy alfanumerikus kijelzőkben. Manapság már háztartásokban alkalmazható fényforrásként is egyre elterjedtebb.

20 7 szegmenses kijelző Meghajtására célszerű a közkedvelt 7446 és 7447 IC-ket használni.

21 LED-mátrix

22 Egyéb áramköri alkalmazások Védődiódaként Infra adó-vevő egység

23 Egyéb áramköri alkalmazások Referenciaként és szintkijelzésre Összehasonlító áramkör, mely a két bemenetét összehasonlítva billenti a kimenetét vagy pozitív, vagy negatív tápfeszültségre. Ezt a jelölést csak itt használjuk!!!!!

24 Egyéb áramköri alkalmazások Futófény

25 Egyéb áramköri alkalmazások Közlekedési jelzőlámpa