6.B Félvezetı áramköri elemek Speciális diódák Ismertesse a Zener-, a varicap-, az alagút-, a Schottky-, a tős-dióda és a LED felépítését, jellemzıit és gyakorlati alkalmazási lehetıségeit! Rajzolja fel a speciális diódák karakterisztikáját és jelképi jelöléseit! Elemezze a karakterisztikák jellegzetes szakaszait! Zener-diódák A Zener-diódák azon különleges félvezetı eszközök, amelyek üzemeltetése a letörési tartományon belül sem jár tönkremenetellel. Ezek az eszközök a PN-átmenet azon tulajdonságát használják ki, hogy közelítıleg állandó értékő a záróirányú feszültség a kivezetései közt, ha a letörési tartományban mőködtetjük. Ezek a diódák különlegesen szennyezett szilícium alapú félvezetı eszközök, amelyek kis ohmos veszteséggel és nagyon jó hıelvezetı képességgel rendelkeznek. Nyitóirányú mőködésük megegyezik a normál Si-diódákéval. Záróirányú mőködtetés során a PN-átmenet U ZK feszültség eléréséig (Zener-feszültség) nagy ellenállást, míg ez után kis ellenállást képviselnek. Zener-diódák szennyezettsége A Zener-diódák szennyezettsége sokkal nagyobb mint más félvezetı diódáké, ugyanis így lehet elérni a letörési feszültség értékének csökkentését, valamint a megfelelıen kis értékő differenciális ellenállást. A Zener dióda karakterisztikája Zener-dióda karakterisztikája I. nyitótartomány: a dióda diffúziós feszültsége (U D ), vagy más néven küszöbfeszültsége kb. 0,7 V. A karakterisztika ezen része teljesen általános. II. zárótartomány: mivel a dióda záróirányú ellenállása nagyon nagy értékő 10 1000 MΩ, így a PN-átmeneten csak nagyon kis értékő visszáram folyik. III. könyöktartomány: ebben a tartományban kezdıdnek meg a letörési jelenségek. Egy erısen szennyezett szilíciumdióda letörési feszültsége 6 V-nál kisebb érték. IV. Letörési tartomány: kis feszültségváltozás hatására a diódán nagy áram kezd folyni. Ezek a változások határozzák meg a kis értékő differenciális ellenállását: U Z rz = I Z Ennek az értéke a letörési tartományban 1 100 Ω. 1
Az U ZK jellemzı Zener-feszültségként a gyártók azt a feszültséget adják meg, amely esetén egy meghatározott visszáram I ZK folyik (általában 5 ma). A minimális I Zmin és a maximális I Zmax Zener-áram között elhelyezkedı szakaszt mőködési tartománynak nevezzük. Zener-dióda kapcsolása Zener-dióda jelleggörbéje A Zener-dióda mőködési tulajdonságai Zener-diódák hımérsékletfüggése A Zener-dióda mőködési tulajdonságai meglehetısen hımérsékletfüggık. A dióda karakterisztikája a hımérséklet növekedés hatására balra tolódik el. A vastag vonal 25 C 0 anyaghımérsékletre, míg a szaggatott 125 C 0 hımérsékletre vonatkozik. A jelleggörbe hımérséklettıl való függését az α Z hımérsékleti tényezıvel jellemezhetjük: α Z = 1 U ZK U T ZK ahol U ZK a Zener-feszültség eltolódása és T a záróréteg hımérsékletváltozása 25 C 0 -hoz viszonyítva. A hımérsékleti együttható megadja a Zener-feszültség eltolódásának mértékét C 0 -onként. Zener-diódák legfontosabb adatai: Határértékek: Legnagyobb megengedett üzemi áram: I Zmax Legnagyobb megengedett veszteségi teljesítmény: P tot A záróréteg legnagyobb megengedett hımérséklete:t j Tárolási hımérséklet tartomány: R thu Jellemzık: Differenciális ellenállás: r Z Zener-feszültség: U ZK 2
Hımérsékleti tényezı: α Z Hıellenállás: R thu Zener-diódákat az elektronikában leggyakrabban egyenfeszültségek stabilizálására valamint feszültséghatárolásra használják. Kapacitásdiódák (varicap-ok) A zárófeszültséggel széles tartományban vezérelhetı kapacitású diódák. A varicap diódák átmenetének kialakítása olyan, hogy visszáramuk igen kicsi, záróellenállásuk nagy, záróirányú kapacitásuk pedig nagyobb (3-7-szeres arányban változtatható), mint az egyszerő diódáké. A záróréteg kapacitásának az értéke függ az átmenet felületétıl, szélességétıl, és a félvezetı anyag dielektromos tulajdonságaitól. A félvezetı-dióda tértöltési tartománya a diódával párhuzamosan kapcsolt kapacitásként viselkedik. A határréteg két oldalán található különbözı típusú töltéshordozók páronként elemi kondenzátorokat alkotnak. Ezeknek az elemi kondenzátoroknak a párhuzamos kapcsolásából kapjuk a záróréteg kapacitásának értékét. Kapacitásdióda Kapacitásdióda felépítése A diódára kapcsolt záróirányú feszültség növelésével megnı a tértöltési tartomány szélessége, ezzel fordított arányban változik a dióda által képviselt kondenzátor kapacitása. Varicap-diódák A varicap-diódák különleges szilícium-diódák, amelyek igen jellegzetes mőködési karakterisztikával rendelkeznek. A karakterisztikájából megállapítható hogy a zárófeszültség és a záróréteg-kapacitás között az arányosság nem lineáris, hanem a kapacitás a zárófeszültség négyzetének reciprokával egyenlı. A kapacitásdiódák által felölelt kapacitástartomány kb. 1-300 pf. Kapacitásdiódák fontosabb villamos adatai: Záróréteg-kapacitás: C s Záróirányú feszültség: U R (jellemzı érték: 25-30 V) Záróirányú áram: I R (jellemzı érték: 50-100 na) Nyitóirányú feszültség: U F (jellemzı érték: 0,8-0,9 V) A kapacitásdiódákat rezgıkörök feszültségvezérelt hangolására és frekvenciamodulációt megvalósító kapcsolásokban alkalmazzák. Varicap-dióda régi és új rajzjele Varikap-dióda karakterisztika 3
Alagútdiódák Az alagútdiódák erısen szennyezett, negatív ellenállású, nagyon gyors mőködéső félvezetı eszközök. Alapanyaguk Ge, Si vagy GaAs. Az erıs szennyezés hatására a PN-átmenet környezetében kialakul egy vékony tértöltési zóna, amelyen az elektronok energiaveszteség nélkül haladhatnak át. Az erıs szennyezés következtében, mint az a mőködési karakterisztikából is jól látszik, már kis záróirányú feszültség hatására a félvezetı kis ellenállású állapotba kerül. Nyitóirányú elıfeszítés esetén jól észrevehetı a negatív ellenállású szakasz (PV-szakasz). U p = 50 100mV, U v = 0,5 0,9V A jelleggörbének ezen része a kvantummechanikai alagúthatás következménye. Az erısen szennyezett rétegek miatt igen vékony kiürített réteg jön létre, amelyben olyan nagy a térerısség, hogy a letörés záróirányban már 0 V-nál bekövetkezik. A dióda nyitóirányú árama két részbıl tevıdik össze. I[mA] Esaki áram I[mA] I P P Diffúziós áram I V V U[V] U P U V U[V] Az Esaki áram abból a jelenségbıl keletkezik, hogy a töltéshordozók hıenergiájuknál nagyobb fékezı potenciáltéren is átjuthatnak véges valószínőséggel, ha a potenciáltér térbeli kiterjedése kicsi. A töltés tehát a fékezıtér potenciális energiájánál kisebb kinetikus energiával, mintegy alagúton juthat át az átmeneten. Az alagúthatás 0,1-0,2 V-os nyitófeszültség tartományban mőködik, felette az átmenet nyitásából eredı diffúziós áram folyik. A karakterisztika a két áram eredıjébıl jön létre. Az alagútdiódát detektálásra, rezgéskeltésre és erısítésre használják. Schottky-dióda A Schottky-diódák egy fém félvezetı közötti átmenet tulajdonságait használják ki. Az N szennyezettségő félvezetı rétegre vékony aranybevonatot visznek fel a fém vákuumban történı párologtatásával. A fém-félvezetı érintkezési felület körül kialakul egy úgynevezett potenciál gát, amin csak azok a töltéshordozók tudnak áthatolni, amelyek nagyobb energiával rendelkeznek mint a potenciál gát. Nyitóirányban polarizált Schottky-diódák Nyitóirányú polarizálás esetén nı a félvezetıbıl a fémbe áthaladó elektronok száma. Záróirányú elıfeszítés esetén pedig az átmeneten áthaladó áramot a fémbıl a félvezetıbe vándorló elektronok határozzák meg. A záróirányú áram értéke meglehetısen kis értékő. Nyitóirányú feszültségük 0,3-0,4 V. A vékony aranyréteg miatt csak a félvezetırétegben alakul ki kiürített réteg, amelynek áramvezetı tulajdonságai külsı feszültséggel befolyásolhatók. A fém-félvezetı átmenet kapacitása igen kicsi, ezért nagyfrekvencián jól használható. Általában gyors mőködéső digitális integrált áramkörök részegységeként alkalmazzák, mert kicsi a késleltetési ideje. 4
Tősdióda A tős diódák N-típusú szilícium vagy germánium egységkristályból készülnek. A félvezetı alapanyagból kis lemezt szeletelnek, amely felületére egy rugós alakra hajlított volfrám vagy ritkán arany tőt helyeznek, és áramimpulzus segítségével összehegesztik a kristállyal. Ez rövid ideig tartó túlterhelést jelent, amely során a tő és az alaplap érintkezési felületénél létrejön a P típusú szennyezés. A tősdiódák maximális terhelhetısége 20-30 ma. Tősdióda felépítése A tős diódák nagy elınye, hogy az átmenet kis felülete miatt meglehetısen kis rétegkapacitással (0,2-0,5 pf) rendelkezik, ami nagyfrekvenciás jelek vágására alkalmas. Mőködése hasonló a rétegdiódáéhoz, de kis kapacitása mellett kisebb a záróirányú és nagyobb a nyitóirányú ellenállása. A tős diódáknak van egy különleges fajtája: aranytős dióda. Ezek, nyitóirányú ellenállása nagyon kicsi és 30-50 MHz frekvenciatartományban használható. Elsısorban híradástechnikában, nagyfrekvenciás detektorokban használják. Külön rajzjele nincs, csak a dióda típusjelölése utal arra, hogy tősdiódáról van szó. LED (Light Emitting Diode) Ha a diódán nyitóirányú áram folyik keresztül, akkor a PN-átmeneten az N rétegbıl az elektronok a P rétegbe, a P rétegbıl 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 fotonok kibocsátással. A sugárzási rekombináció csak úgy jöhet létre, ha az elektronok átkerülnek a nagy energiájú vezetı sávból a kisebb energiájú vegyértéksávba. A félvezetı anyag sávszerkezete határozza meg a kibocsátott fény hullámhosszát, a következı összefüggés szerint: λ = h W, ahol W = h f. Sugárzási rekombináció LED felépítése Ledek alapanyaga A fénykibocsátó diódák alapanyaga rendszerint valamilyen vegyület típusú félvezetı, ugyanis ezekben a sugárzási rekombinációk száma sokkal nagyobb mint a szilícium alapú félvezetık esetében. A táblázatból egyértelmően kiderül, hogy a legnagyobb hatásfokkal az infravörös fénydióda rendelkezik. A többié 0.005% alatt van, ami miatt a dióda fénye erısebb megvilágítás mellett már nem látszik. A hátrányok mellett számos elınyös tulajdonsággal is rendelkeznek: a mőködéshez alacsony áram és feszültségszintet igényelnek nagy a kapcsolási sebességük nagy élettartamúak és kis helyigényőek. 5
Felhasználásuk elsısorban jelzı és kijelzı-elemként jöhet számításba mőszerek elılapján hétszegmenses vagy alfanumerikus kijelzıkben. Alapanyag, nyitófeszültség, fényteljesítmény 6