4.Predavanje_Poluvodičkediode

Predavanje 3/22

ELEKTRONIKELEKTRONIKAA

Doc.dDoc.dr.sc. Slavko r.sc. Slavko RupčićRupčić

4. Predavanje4. PredavanjePOLUVODIČKE POLUVODIČKE

DIODEDIODE

Sveučilište J.J. Strossmayera u Osijeku

Stručni studij računarstva

Predavanje 3/22

Osnovna:

T.Švedek, Poluvodičke komponente i osnovni sklopovi, Svezak I. Poluvodičke komponente, Graphis Zagreb, 2001

Dopunska:

P.Biljanović, Poluvodički elektronički elementi, Školska knjiga, Zagreb, 1996

Organizacija i sadržaj predmeta

Literatura:

Predavanje 3/22

Sadržaj predmeta

4.1. Ispravljačke spojne diode4.2. Prekidačke spojne diode4.3. Diode s površinskom barijerom- Schottkyjeva

diode 4.4. Varaktori - kapacitivne diode 4.5. PIN diode 4.6. Naponske referentne diode - Zener diode 4.7. Tunelske - Esaki diode

Predavanje 3/22

Poluvodičke diode se izrađuju od kristala germanija, silicija ili galij-arsenida, te raznih drugih kombinacija poluvodiča. Sastoje se od jednog PN-spoja (ili ispravljačkog spoja metal-poluvodič) i ne-ispravljačkih (omskih) kontakata i kućišta.

4. POLUVODIČKE DIODE

Poluvodičke diode ilustriraju primjenu mnogih svojstava PN-spoja i spoja metal-poluvodič:

• "osnovna svojstva” - ispravljanje i sklopni režim• "sekundarna svojstva" - naponska referenca, ovisnost kapaciteta o

naponu, ovisnost otpora o struji, negativni otpor

Geometrija i struktura PN-spoja ovisi o načinu izvedbe, pri čemu se najčešće rabe postupci difuzije (Planarna tehnologija na siliciju.).

Predavanje 3/22

Podjela poluvodičkih dioda prema korištenim svojstvima PN spoja (i spoja metal poluvodič) i namjeni:

4.1. Ispravljačke spojne diode (ispravljanje signala)4.2. Prekidačke spojne diode (brzi rad u sklopnom režimu)4.3. Diode s površinskom barijerom- Schottkyjeva diode (brze

prekidačke diode)4.4. Varaktori - kapacitivne diode (naponski promjenjivi kapacitet)4.5. PIN diode (mali otpor propusne polarizacije, mali barijerni

kapacitet neovisan o naponu)4.6. Naponske referentne diode - Zener diode (izvor konstantnog

napona)4.7. Tunelske - Esaki diode (brzi rad u sklopnom režimu, negativan

otpor u propusnom dijelu karakteristike)

4. POLUVODIČKE DIODE

Predavanje 3/22

Dobru ispravljačku diodu odlikuje:

I·10 –3, A

–Upr

–Ipr

ID

–I·10 –12, A

U, VU0 UD

Q(ID,UD)

naponski malo ovisna struja propusne

polarizacije (zanemariv rD!)

niski napon koljena

visoki reverzni napon proboja

zanemariva reverzna struja

zasićenja

Ispunjavanje pojedinih zahtjeva međusobno je suprotstavljeno pa se diode obično izrađuju tako da zadovoljavaju samo neke od njih.

4.1. ISPRAVLJAČKE SPOJNE DIODE

1exp

kT

qUII S

Predavanje 3/22

Simbol diode Tehnološki presjek diode

A Kanoda (A)

N

N+

aluminij (Al)

P

katoda (K)

SiO2


Predavanje 3/22

Idealna dioda (zanemarena reverzna struje zasićenja) modelira se kratkim spojem kod propusne i otvorenim krugom kod nepropusne polarizacije.

I

U

+ –

Kroz većinu propusno polariziranih realnih dioda znatna struja protječe tek kad je napon propusne polarizacije viši od napona koljena U0.

I

UU0

+ –U0

Dodatno poboljšanje modela s dinamičkim otporom rD = dU/dI koji unosi nagib u idealiziranu krivulju diode.

I

UU0

I

UrD d

d + –

U0

rD

4.1. ISPRAVLJAČKE SPOJNE DIODE - modeli

Predavanje 3/22

PN-dioda se obično rabi uz zadanu (konstantnu) struju, jer je u propusnoj polarizaciji I-U karakteristika diode vrlo strma, pa je uz zadani napon teško dobiti zadanu struju.

11

00 R

DT

R

DD I

ImU

I

I

q

mkTU lnln

Strujno područje ID 0,1 do 1 mA 0,1 do 1 A (mili-ampersko) (mikro-ampersko)

Napon koljena Uo 0,7 V 0,5 VAko se na diodu dovede napon koji je za samo 0,1 V (4UT) manji od napona koljena U0 jednog od strujnih područja, struja kroz diodu će biti nekoliko redova veličine manja i može se smatrati da za taj strujni opseg dioda ne vodi!


Napon propusne polarizacije u tom slučaju je određen konstantnom strujom kroz diodu:

Predavanje 3/22

Primjena: Poluvalno ispravljanje

uR(t)

t

ug(t) R

i(t)

uR(t)ug(t)

t

Ugm

Ugm < Upr diode !!!!


Predavanje 3/22

4.1.1. Utjecaj širine energetskog procjepa EG na reverznu struju zasićenja IS i napon U0

Odabirom poluvodiča sa širim EG smanjuje se ni IS.

1

TS U

UII exp

pD

p

nA

niS LN

D

LN

DAqnI 2

)exp(kT

ECTn G

i 32

Dobar rad na višim temperaturama važan je jer se ispravljačka dioda zagrijava zbog vrlo velikih struja propusne polarizacije.

Dioda s većim EG može raditi na višim temperaturama (šire ekstrinsično/ radno područje).

Predavanje 3/22

Snažne ispravljačke diode češće se izrađuju od Si jer ima širi EG, manju reverznu struju zasićenja IS, šire temperaturno područje primjene, viši napon proboja i jednostavnije se proizvodi.

I·10 –3, A

–I·10 –12, A

U, V0,70,5

Ge Si

IS(Si)

IS(Ge) 103·IS(Si)

EG(Si) > EG(Ge) U0(Si) > U0(Ge)

4.1.1. Utjecaj širine energetskog procjepa EG na reverznu struju zasićenja IS i napon U0

Predavanje 3/22

4.1.2. Utjecaj koncentracije primjesa na dinamički otpor rD i napon proboja Upr

Slabije dopiranje N-strane P+N-spoja :• smanjuje maksimalno polje, • povećava napon proboja, i • povećava serijski otpor propusne polarizacije rD (povećanje

temperature diode zbog I2rD gubitaka). Za smanjenje otpora slabo dopirane strane, treba povećati njen presjek, a smanjiti duljinu - geometrija diode! Slabije dopirano N područje

zaključuje se jače dopiranim područjem istog tipa (N+) omski kontakt sa metalom izvoda, npr P+NN+ struktura. Slabije dopirano središnje područje određuje napon proboja!

A

N

N+

P+

K

Predavanje 3/22

4.2. PREKIDAČKE DIODE

Sklopke u digitalnim sklopovima - brzina prelaska iz vodljivog u nevodljivo stanje bitnije svojstvo od male reverzne struje zasićenja i gubitaka u propusnoj polarizaciji!

To znači:• mali difuzijski kapacitet diode Cd (dodavanjem atoma

primjesa npr. zlata stvaraju se R-centri skraćenje vremena života nosilaca)

• mali barijerni kapacitet diode Cb (nesimetrični PN-spojevi)

Za ID = konst. dioda s brzim preklapanjem mora imati: malo akumuliranog naboja na rubu kvazi-neutralnih

područja (Qp, Qn), ili vrlo kratko vrijeme života nosilaca naboja (p, n ) ili oboje.

UU

NqA

dU

dQC

k

Db

2

dpd

p

Tpd g

rU

I

dU

dI

dI

dQ

dU

dQC

Predavanje 3/22

4.2. Difuzijski i barijerni kapacitet

c) kod propusne polarizacije u A-području struja te su dvije kapacitivnosti približno jednake Cb Cd,

d) kod male struje nepropusne polarizacije (ID 10-9 - 10-10A) je Cb >> Cd 0.

Usporedba kapacitivnosti Cb i Cd :

C, nF

0,2

U, V–2 –1

0,4

0,6

0,60,2 0,4

Cb

Cd

0

a) kapacitivnost Cb je funkcija napona nepropusne polarizacije, a Cd struje propusne polarizacije,

b) kod propusne polarizacije u mA-području struja, difuzijska kapacitivnost je za nekoliko redova veličine veća od barijerne (Cd

>> Cb), pa se Cb može zanemariti,

Predavanje 3/22

4.2. Dinamička svojstva PN-dioda. Difuzijski i barijerni kapacitet

Nadomjesni sklop PN-diode u režimu malog signala:

Cb - barijerna kapacitivnost, Cd difuzijska kapacitivnost, rd - dinamički otpor propusno polariziranog PN-spoja, Rs - serijski otpor P- i N-područja PN-spoja, Ck - mali parazitni kapacitet kućišta diode.

Rsrd

Cb

Cd

Ck

nepropusna polarizacija

propusna polarizacija

Predavanje 3/22

A) Utjecaj količine primjesa zlata na skraćenje vremena života nosilaca i skraćenje vremena oporavka diode tr (za P+N-spoj):

N(Au) 1/cm3 vrijeme života p s vrijeme oporavka tr ns

- 1 100 1014 0,1 10 1015 0,01 1

Povećanje koncentracije Au izaziva i porast struje IS, a kada se približi koncentraciji slabije dopiranog materijala, mijenja i ukupnu ravnotežnu koncentraciju PN-spoja.


Predavanje 3/22

B) Slabije dopirana strana kraća od difuzijske duljine manjinskih nosilaca - dioda kratkih strana!


Ako je akumulirani naboj propusne polarizacije vrlo malen - većina injektiranih nosilaca naboja pod djelovanjem električnog polja izravno prelazi slabo dopirano područje. Mali akumulirani naboj = kratko vrijeme preklapanja!

Predavanje 3/22

4.3. DIODE S POVRŠINSKOM BARIJEROM - SCHOTTKYJEVE DIODE

Ispravljačko svojstvo spoja metal-poluvodičBrzinu preklapanja određuje barijerni kapacitet Cb, pa je vrijeme oporavka diode tr u granicama od 0,01 do 0,1 ns (najviša radna frekvencija između 3 i 15 GHz).

1

TS U

UII exp sličnost I-U karakteristika Schottkyjeve i PN-diode

precizna logaritamska komponenta: I-U karakteristika Schottkyjeve diode vrlo slična izrazu za idealnu diodu.

Primjena u:• digitalnim sklopovima (brze sklopke - mala površinu čipa)• energetskim sklopovima (dobro odvođenje topline kroz metalni

kontakt i vođenje velike struje pri nižem naponu koljena U0 )• kao naponski promjenljivi kondenzatori - varaktori.

Predavanje 3/22


Schottkyjeva dioda

U,V

ID, mA

0 0,2 0,4 0,6

–0,2–0,4

– ID, pA

PN-dioda

Napon koljena Schottkyjeve diode je za oko 0,2 V niži jer je njena reverzna struja zasićenja IS (10-12 do 10-13 A) oko tri reda veličine viša od struje zasićenja silicijeve PN-diode.

Predavanje 3/22


2

N

N+

P+

1

aluminij

SiO2

ispravljačkikontakt

omskikontakt

1 2

Simbol diode Tehnološki presjek diode

Predavanje 3/22

Varaktor (engl. VARiable reACTOR) - dioda kod koje se koristi promjena barijernog kapaciteta s naponom nepropusne polarizacije Cb(U).

4.4. VARAKTORI

Varaktori se izrađuju Si ili GaAs. Silicijski varaktori za niže frekvencije često se nazivaju varicap diode (engl. varicap - VARIable CAPacitor).

Primjena: • u ulaznom krugu radioprijemnika kao promjenjivi kapacitet za

podešavanje prijemne frekvencije, • u oscilatorima za naponsku promjenu frekvencije, • u mikrovalnom području za množenje frekvencija ili kao

parametarsko pojačalo.

2

1

2b

Dk

C

NqUU

Uk U

2

1

bC

mjerenjeaproksimacija

Predavanje 3/22

Kapacitet osiromašenog područja Cb ovisan je o vrsti PN-prijelaza (skokoviti ili linearno-postupni) pa općenito vrijedi:

Promjene kapaciteta Cb s naponom veća je za skokoviti (hiper-skokoviti n = 2), no za linearno-postupni PN-spoj.

n

k

b

U

UC

1

1

gdje je n = 1/2 za skokoviti, a 1/3 za linearno-postupni PN-spoj.

Cb(U), pF

– U, V – 50 – 30 – 10

100

200skokoviti

linearno-postupni

4.4. VARAKTORI

Predavanje 3/22

Primjena: Promjenjivi kapacitet titrajnog kruga

nb

U

UCLC 1

1110

)(ω

C(U) L

Za hiper-skokoviti PN prijelaz ( n = 2) dobiva se linearna promjena frekvencije s naponom: U0ω

Hiper-skokoviti PN-prijelazi mogu se samo približno realizirati.

Cv

U

R

polarizacija varicap diode

4.4. VARAKTORI

Predavanje 3/22

PIN-dioda: između dva jako dopirana dobro vodljiva P+ i N+-područja nalazi se slabo vodljivo I područje (gotovo) čistog poluvodiča - intrinsično područje.

4.5. PIN DIODE

Primjena: • kao promjenjivi otpor, • kao posebna vrsta prekidačkih dioda na vrlo visokim frekvencijama i

pri velikim snagama.

N+P+ I

Od PIN diode se traži• vrlo mali otpor u propusnoj polarizaciji, • vrlo mali barijerni kapacitet neovisan o naponu (u zadanom

naponskom području) u nepropusnoj polarizaciji. Brzina prekidanja nije kritična veličina.

Predavanje 3/22

I-područje (RI) se nalazi između dva dobro vodljiva N+ i P+-područja (Rn i Rp), pa je ukupan ekvivalentni otpor određen otporom I-područja, a on se mijenja sa strujom propusne polarizacije I koja eksponencijalno ovisi o naponu propusne polarizacije:

4.5. PIN DIODE4.5.1. Propusna polarizacija PIN diode

Dobiven je naponom upravljivi otpor koji služi kao sklopka ili modulator na vrlo visokim frekvencijama. Kod vrlo velike struje I otpor RI može biti mnogo manji od Rn+Rp.

TRG

TS

III

U

UI

U

UI

U

I

UR

20 exp expRI

RI= f(I)

I = f(expU)

I

Rn+Rp

Predavanje 3/22

U nepropusnoj polarizaciji (U < 0) PIN-dioda predstavlja visoku impedanciju i već se za vrlo male iznose napona nepropusne polarizacije osiromašeno područje širi kroz cijelo I-područje i zahvaća samo vrlo mali dio P+ i N+-strana. Daljnjim porastom napona širina osiromašenog područja se praktički ne mijenja i jednaka je db = w =2x0.

4.5. PIN DIODE4.5.2. Nepropusna polarizacija PIN diode

PIN-dioda djeluje kao pločasti kondenzator vrlo malih gubitaka, čiji kapacitet je neovisan o naponu, jer su promjene širine osiromašenog područja P+ i N+-strane male u odnosu na konstantnu širinu I-područja.

Cb, pF

–U, V 1

Cb f(U)

Predavanje 3/22

4.6. NAPONSKE REFERENTNE DIODE

Imin - struja iznad koje se rz malo mijenja sa strujom,

Imaks - struja određena izvedbom diode i dopuštenom disipacijom.

Unutar opsega Imaks – Imin diferencijalni otpor područja proboja rz iznosi 1 do 100 , tako da u okolici Upr referentna dioda može upotrebljavati kao izvor konstantnog napona i promjenjive struje.

Imin

Ipr

Imaks

-U Upr 0

pr

pr

I

Urz

Upr

Dobra referentna dioda: • mala struju nepropusne polarizacije sve do probojnog napona Upr • što manja promjena napona Upr sa strujom.

Predavanje 3/22


Proboj je reverzibilan (ne oštećuje PN-spoj) ako se struja ograniči izvana dodanim otpornikom R! Disipirana snaga na spoju je uz zadanu struju I kod nepropusne polarizacije veća no kod propusne polarizacije ( napon nepropusne polarizacije viši!). Bez otpornika R može doći do zagrijavanja spoja i njegovog termičkog proboja.

Ograničenje struje vanjskim otpornikom potrebno je i kod propusne polarizacije!

Primjena: Izvor konstantnog napona i promjenjive struje

R

I

Upr= UREFU D

Predavanje 3/22


Naponske referentne diode izrađuju se za Upr od 2 do nekoliko stotina volti.

Razlikuju samo po koncentraciji primjesa početnog materijala. Napon je proboja Upr to viši što je slabije dopirana N i/ili P-strana, a u nesimetričnom spoju, što je niža koncentracija primjesa manje dopirane strane. Proboj uzrokuje mehanizam lavinske multiplikacije ili tunelskog efekta. Vrsta efekta može se prepoznati po ponašanju napona proboja pri promjeni temperature okoline.

Zenerov efekt

TCZ<0

lavinski efekt

TCL>0 –I,A

–U,V 5 0

Predavanje 3/22

4.7. TUNELSKE DIODE

Diode u kojima se zbog vrlo visoke koncentracije primjesa Fermijeve razine obaju tipova poluvodiča nalaze u valentnom (P-tip) i vodljivom (N-tip) pojasu, pa se već u termodinamičkoj ravnoteži preklapaju energetski pojasi

Kod Zenerova proboja do preklapanja dolazi tek pri određenom naponu nepropusne polarizacije Upr!

Pri određenom vanjskom naponu propusne polarizacije dolazi do kvantno-mehaničkog tuneliranja elektrona kroz potencijalnu barijeru pa se u jednom dijelu I-U karakteristike pojavljuje područje negativnog diferencijalnog otpora.

Predavanje 3/22

4.7. TUNELSKE DIODE

Primjena: • vrlo brze sklopke, • zbog negativnog diferencijalnog otpora mogu biti i aktivni

elementi mikrovalnih oscilatora s negativnim otporom.

Često se naziva i Esakijevom diodom po L. Esakiju koji je prvi uočio i protumačio efekt tuneliranja.

C L

1/RD–1/R C

L

R

gubici zavojnice

Predavanje 3/22

4.7. TUNELSKE DIODE

I-U karakteristika

I

U

Ivrh

Idol

Uvrh Uf

- područje negativnog otpora

Predavanje 3/22

4.7. TUNELSKE DIODE

I-U karakteristika U stanju ravnoteže, U = 0, jednaka je vjerojatnost tuneliranja s obje strane pa je ukupna struja kroz

diodu jednaka nuli - .

EFp

P

N

EG

0 EFn

–qU = 0I

U

Ivrh

Idol

Uvrh Uf

Predavanje 3/22

4.7. TUNELSKE DIODE

I-U karakteristika Za U < 0 postoji vrlo velika vjerojatnost tuneliranja elektrona iz valentnog (P) u vodljiv pojas (N) - struja nepropusno polarizirane diode - Zenerov efekt uz Upr =0 (nije potreban dodatan napon za preklapanje energetskih pojasa

i tuneliranje ).

EFp

P

N

EG

0

EFn

–qU

I

U

Ivrh

Idol

Uvrh Uf

Predavanje 3/22

4.7. TUNELSKE DIODE

I-U karakteristika Za U > 0 veća je vjerojatnost tuneliranja elektrona iz vodljivog (N) u valentni pojas (P) - tehnički smjer struje tunelske diode jednak smjeru struje propusno polarizirane diode. Struja raste s naponom U (nasuprot popunjenih

pojavljuje se sve više nepopunjenih stanja) .

EFp

P

N

EG

0 EFn

qU I

U

Ivrh

Idol

Uvrh Uf

Predavanje 3/22

4.7. TUNELSKE DIODE

I-U karakteristika Za još veći napon U energetski pojasi se počinju "mimoilaziti" pa se smanjuje broj nasuprotno popunjenih i nepopunjenih stanja - smanjuje se struja tuneliranja. U tom dijelu I-U karakteristike dinamički otpor (dU/dI) je negativan. Struja

tuneliranja nestaje kad je Evod Eval - .

EFp

PN

EG

0 EFn

qU I

U

Ivrh

Idol

Uvrh Uf

Predavanje 3/22

4.7. TUNELSKE DIODE

I-U karakteristika Uz još veći napon struja počinje ponovno rasti, ali

sada kao difuzijska struja obične PN-diode - . Ta struja postoji i pri nižim naponima propusne polarizacije kod kojih nastaje tuneliranje, ali je u usporedbi sa strujom tuneliranja zanemarivo mala.

I

U

Ivrh

Idol

Uvrh Uf

EFp P N

EG

0

EFn

qU

Predavanje 3/22

4.7. TUNELSKE DIODE

I-U karakteristika tunelske diode oblikom podsjeća na slovo N, pa se takav tip karakteristike obično naziva N-tipom negativnog otpora. Struja tunel diode može se opisati izrazom:

I

U

Ivrh

Idol

Uvrh Uf

vrhvrhvrh exp

U

U

U

UII 1

Ivrh - od 1 mA do 100 mA, Uvrh - od 50mV do 150 mV (ovisno o poluvodiču)

Vremenska promjena struje tuneliranja ne ovisi o nabijanju difuzijskog kapaciteta, pa je prebacivanje sa struje Ivrh na struju Idol, i obrnuto, vrlo brzo 100 ps-

Predavanje 3/22

Ispravljačka dioda

I·10 –3, A

–Upr

–Ipr

ID

–I·10 –12, A

U, VU0 UD

Q(ID,UD)

Struja propusne polarizacije

Napon koljena

Reverzni napon proboja

Reverzna struja zasićenja

Documents

4.Predavanje_Poluvodičkediode