F1301 Bevezetés az elektronikába Félvezető diódák

F1301 Bevezetés az elektronikába Félvezető diódák

FÉLVEZETŐ DÓDÁK Félvezető P- átmeneti réteg (P- átmenet, kiürített réteg): A félvezető kristály két ellentétesen szennyezett tartományának határán kialakuló réteg. A szennyezés után a P és az típusú tartományok találkozási felületén diffúzió indul meg. Az típusú részből nagyszámú elektron lép át a P típusú részbe, ahol az ott többségben levő lyukakkal találkozva azokkal rekombinálódnak. Az eredetileg semleges tartományok határmenti rétegében a P típusú oldalon negatív töltéstöbblet, az típusú oldalon pedig pozitív töltéstöbblet alakul ki, és ezek között elektromos tér épül fel (és potenciálkülönbség alakul ki). P- P P 1. diffúzió megindulása 2. + és - tértöltések kialakulása E 0

Az átmeneti rétegben az elektromos tér olyan irányú, hogy gátolja a további diffúziót (további töltéshordozók nem lépnek át egyik oldalról a másikra), sőt a tér még a hőmérsékleti gerjesztés miatt létrejövő kisebbségi töltéshordozókat is kitaszítja a P- átmeneti rétegből kialakul a kiürített réteg. (Az átmeneti réteg vastagsága függ az anyag típusától és a szennyezés mértékétől.) P P- P Félvezető dióda: Félvezető kristály két ellentétesen szennyezett, fémkivezetéssel ellátott tartománnyal. Záróirányú külső feszültség E A külső feszültséggel még jobban megnöveltük P 0 a pot. különbséget a P és az oldal között a kiürített réteg kiszélesedik csak a P- átmeneti rétegben a termikus E k gerjesztésekkel létrejövő és az el. térben szétváló töltéshordozó párok kitaszításából származó kis R0 maradékáram folyik Ge R0 2 μa Si R0 10 na E 0

yitóirányú külső feszültség P A külső feszültség ekkor ellene hat a nyugalmi a pot. különbségnek a P és az oldal között a kiürített réteg a fesz. növelésével elvékonyodik az elvékonyodó rétegen egyre könnyebben tudnak átjutni a töltéshordozók, így növekszik a diódán átfolyó áram. Addig amíg teljesen el nem tűnik az átmeneti réteg: Adott f küszöbfeszültség felett az átmeneti réteg eltűnése után: e q e kt ~ E 0 E k 1 ~ Félvezető dióda jelleggörbéje: 30 ma Ge Si deális dióda 20 ma A -10 na Z Si Z Ge 10 ma -2 μa 0.7 V 0.3 V R f R r = = f r f 0Ω =0 Ω r

A félvezető dióda jelleggörbéje hőmérsékletfüggő: Si 30 ma 20 ma 200 C 100 C 25 C -75 C 10 ma Lavina- és Zener-effektus -10 na -2 μa 0.7 V Zener-effektus: Ha a kiürített rétegben elég nagy az elektromos térerősség (vékony réteg, nagy külső záróirányú feszültség), akkor az elektronokat képes kiszakítani a kötésekből szabad töltéshordozók jelennek meg. Lavina-effektus: A szabad töltéshordozók elegendően nagy (10 4-10 5 V/cm) térerősség hatására a kiürített rétegben annyira felgyorsulhatnak, hogy elegendő energiájuk lesz, hogy ütközéssel újabb töltéshordozókat szakítsanak ki kötött állapotukból, amelyek szintén felgyorsulnak és újabb töltéshordozókat keltenek lavinaszerűen sokszorozódik a szabad töltéshordozók száma. A Zener- és a lavina-effektus miatt adott nagyságú záróirányú feszültségnél hirtelen megnő a félvezető dióda árama. Zener-dióda: speciális tulajdonságú dióda, a konstrukciótól függően különböző letörési feszültségek alakíthatók ki.

Diódák fontosabb jellemzői: (egy adott típus pontos adatai a gyártó adatlapján találhatók meg) Ge Si küszöb nyitófesz.: f 0.3V 0.7V max. zárófesz.: RM 200V 3000V nyitóir. ellenállás.: R F 5-10Ω 2-50Ω (1mm 2 P átm.) záróir. ellenállás.: R R 0.1-10MΩ 1-3000MΩ visszáram: R0 2μA 10nA P átm.max.hőm.: T j 90 C 200 C -10 na Si Z Ge Z 30 ma 20 ma 10 ma -2 μa Ge Si 0.7 V 0.3 V Dinamikus jellemzők: feléledési idő (t RR ): a P átmenet vezető állapotból záró állapotba történő átalakulásának ideje (az az idő, amíg az átmenetben tárolt töltések eltávoznak) kisteljesítményű diódáknál 10ns-100ns nagyteljesítményű diódáknál ~μs Schottky (fém-félvezető átmenetű) diódáknál 100ps!

Felépítés: gyártás lépései: egykristály növesztés, szeletelés, csiszolás, szennyezés (hőm. diffúzió, ionimplantáció), tokozás rétegdióda planárdióda tűs dióda teljesítménydióda kis rétegkapacitás 0.2pF kis RF ellenállás 50mΩ P P Au, n Si hegesztés Schottky dióda igen kis rétegkapacitás fém (Mo, Pt, Cr, W) kiürített réteg

Félvezető diódák alkalmazása Egyenirányítók: Egyutas egyenirányító 1 ~ R t 2 30 ma 20 ma 10 ma Si - ha 1 > 0.7 V akkor 2 = 1-0.7 V - ha 1 0.7 V akkor 2 = 0 V -2 μa 0.7 V 1 0.7 V 2-0.7 V t

Egyutas egyenirányító + szűrőfokozat: R 1 ~ C 2 R t 1 2 Δ 0.7 V 2-0.7 V T t Ha τ =RC >> T=1/f akkor feltehető, hogy az állandó így ΔQ = Δt és ezzel Δ = ΔQ C = Δt C C f

Kétutas egyenirányítók Középkivezetéses kétutas egyenirányító A D 1 A 2 ideális ~ 0.7 V 2 B D 2 R t 2-0.7 V t középkivezetés esetén: A = - B = AB /2 deális diódákkal: - ha A > 0 V akkor D 1 nyit, így 2 = A és az áram iránya - ha A < 0 V (vagyis B > 0 V ) akkor D 2 nyit, így 2 = - A és az áram iránya mindkét esetben az ellenálláson ugyanaz az áramirány kétutas egyenirányítás Valódi Si diódákkal: - ha A > 0.7 V D 1 nyit és 2 = A 0.7 V - ha A < -0.7 V vagyis B > 0.7 V D 2 nyit és 2 = - A 0.7 V - ha -0.7 V A 0.7 V 2 = 0 V

Graetz-híd kapcsolású kétutas egyenirányító A D 4 D 1 1 2 ideális 1 = A - B B D 3 1.4 V 2 R t D 2 2-1.4 V t deális diódákkal: - ha A > B (vagyis 1 > 0 V ) akkor D 1,D 3 nyit, így az áram iránya - ha A < B (vagyis 1 < 0 V ) akkor D 2,D 4 nyit, így az áram iránya mindkét esetben az ellenálláson ugyanaz az áramirány kétutas egyenirányítás Valódi Si diódákkal: - ha 1 > 1.4 V 2 = 1-1.4 V - ha -1.4 V 1 1.4 V 2 = 0 V - ha 1 < -1.4 V 2 = - 1-1.4 V

Félvezető diódák alkalmazása Feszültséghatároló (voltage limiter): 1 R D R t 2 ref ref +0.7 V 2 1 t - ha 1 > R + 0.7 V + ref D nyit és 2 = ref +0.7 V - ha 1 R + 0.7 V + ref D zár és 2 = 1 - R Feszültségkétszerezés: (két sorba kapcsolt félhullámú egyenirányító) A 2 ~ B D 1 2 R 0.7 V t D 2-0.7 V t AB

Speciális tulajdonságú diódák Zener dióda: a Zener- és a lavinaeffektust hasznosítja Adott nagyságú záróirányú feszültségnél hirtelen megnő a félvezető dióda árama. Konstrukciótól függően különböző letörési feszültségek alakíthatók ki. Zener-effektus: Ha a kiürített rétegben elég nagy az elektromos térerősség (vékony réteg+ nagy külső záróirányú feszültség), akkor az elektronokat képes kiszakítani a kötésekből szabad töltéshordozók jelennek meg. Lavina-effektus: A szabad töltéshordozók elegendően nagy (10 4-10 5 V/cm) térerősség hatására a kiürített rétegben annyira felgyorsulhatnak, hogy elegendő energiájuk lesz, hogy ütközéssel újabb töltéshordozókat szakítsanak ki kötött állapotukból, amelyek szintén felgyorsulnak és újabb töltéshordozókat keltenek lavinaszerűen sokszorozódik a szabad töltéshordozók száma. D 1 Z D 2 Z Zk hőmérsékletfüggő szükséges ennek kiegyenlítése: Zk e = Zk 1 + Zk 2 ahol D Z 1 pozitív D Z 2 negatív hőm. koeff. r Z Δ = Δ -5 ma Z Z Z 1 Z 2 Zk e Zk Zmin Δ Z Zmax működési tartomány

Kapacitásdióda: P P- Záróirányú feszültségnél a félvezető dióda P átmeneti rétege kiszélesedik, ezáltal megváltozik az átmeneti réteg kapacitása. Minél nagyobb a záróirányú R feszültség, annál nagyobb a tértöltés tartományok átlagos távolsága, és annál kisebb lesz az átmeneti réteg kapacitása. Jellemző értékek: C= (50 200 pf), (20 50 pf), (3 10 pf) max. ( 1 : 5 ) Alkalmazás: pl.: rezgőkörök feszültségvezérelt hangolása P E 0 E 0 E k C 100 pf R -20V -10V be

Fotodióda: Fény félvezető kölcsönhatás: A félvezetőben a fény - ha elegendően nagy az energiája - elektron-lyuk párt képes létrehozni, többlet töltéshordozók jelennek meg. határhullámhossz: λ Vezetési sáv h = hν W g Si 1.1eV λ h Si 1.12μm W g Ge 0.7eV λ h Ge 1.72μm kvantumhatásfok: η = hc W elektron lyuk g foton Fotodióda: a P átmenetben keltett ellentétes töltésű töltéshordozókat az átmenet elektrosztatikus tere tartomány szétválasztja és a dióda két ellentétes oldalára taszítja. Záróirányú feszültség hatására kiszélesedik az átmeneti réteg megnövekszik az érzékeny tartomány térfogata megvilágítás R t1 áramok A fény intenzitásának növekedésével arányosa a záróirányba előfeszített dióda fotoáramának nagysága is növekszik fényérzékelésre alkalmas eszköz W g Valencia sáv foto működési üresjárási feszültségek < R t2 rövidrezárási

Felépítés: planárdióda fényáteresztő ablakkal Gyors működés: határfrekvencia kb. 10 MHz (P-fotodióda kb. 1 GHz) Spektrális érzékenység:

LED (Light Emitting Diode, fénydióda): A nyitóirányban előfeszített diódában az erősen szennyezett rétegben az elektron-lyuk párok gyakori rekombinációja során a félvezető anyagra jellemző energiaspektrumú (hullámhosszeloszlású) fény sugárzódik ki. A fényspektrum domináns tartománya alapján különböztetnek meg ultraibolya (V), látható és infravörös (R) ledeket. Gyors működés: ~ GHz Az infravörös ledek hatásfoka kb. 1-5%, a többi típusoké kisebb, mint 0,05%. szín domináns λ alapanyag fénytelj.10ma áramnál infravörös 900 nm GaAs 100-500 μw vörös 655 nm GaAsP 1-2 μw sárga 583 nm GaAsP 3-8 μw zöld 565 nm GaP 1.5-8 μw kék 490 nm Gai 1.5-6 μw p ++ n ~1μm Felépítés: Speciális tokozás (optika) nagy felületi fényesség A nyitóirányú áramot korlátozni kell soros előtétellenállással (200Ω-1kΩ)