Wykłady 4: Diody półprzewodnikoweue.pwr.wroc.pl/ppt/ue1/wyk/W4.pdf · 2013. 12. 5. · 1 Q I Dmax U Dmax. Nieliniowy model statyczny - zastosowania Wyznaczenie zmian napięcia

Elementy elektroniczne

Wykłady 4: Diody

półprzewodnikowe

Część pierwsza

Diody - wprowadzenie

Diody półprzewodnikowe -

wprowadzenie

Podstawowe równanie:

1exp

T

AKR

m

UII

Uproszczenia w zakresie

przewodzenia dla diod małej i

średniej mocy : m=1 i pomijamy

we wzorze „1”. Wtedy:

T

AKR

UII

exp


wprowadzenie


wprowadzenie

Charakterystyka diody

UF – napięcie w kierunku przewodzenia (FORWARD)

IF – prąd w kierunku przewodzenia

UR – napięcie w kierunku zaporowym (REVERSE)

IR – prąd w kierunku zaporowym


wprowadzenie

Diody półprzewodnikowe – wpływ temperatury

Wpływ temperatury na charakterystykę diody w kierunku przewodzenia

1N4001

Diody półprzewodnikowe - parametry

1. Prąd przewodzenia IF (forward) :

- AV(M) (average) – średni, maksymalny

- RMS (root mean square) – skuteczny

- SM (surge maximum) – impulsowy maksymalny, niepowtarzalny

2. Napięcie przewodzenia UF (forward)

3. Prąd wsteczny IR (reverse); (M) - maksymalny

4. Napięcie wsteczne UR (reverse) :

- RMM (repetitive reverse maksimum) – maksymalne, powtarzalne

- SM (surge maximum) – impulsowe maksymalne

5. Czas powrotu trr (recovery time)


6. Szybkość narastania UR dUR/dt

7. Moc

8. Zakres temperatur pracy

9. Rezystancja cieplna

Inne parametry:


Diody półprzewodnikowe - budowa

Diody półprzewodnikowe - budowa

Uproszczone modele stałoprądowe

Model odcinkowo - liniowy


Model o stałym spadku napięcia


Model idealny

Modele diod – nieliniowy model statyczny

Dla polaryzacji w kierunku przewodzenia i zaporowej:

A K

rU

rS

I(U)

1exp1

2exp

T

S

T

Gm

UI

UIUI

Modele diod– nieliniowy model statyczny

Dla polaryzacji w kierunku przewodzenia:

A K

rS

I(U)

1exp

T

Rm

UIUI

GSR III

IR – wypadkowy prąd wsteczny podawany w

katalogach (typowa wartość dla Si 10-14 A)

m – współczynnik niedoskonałości równy 1 do

2

rS – wypadkowa

rezystancja szeregowa

strat na złączach i

doprowadzeniach

równa 0...5

Nieliniowy model statyczny - zastosowania

Zastosowania modelu:

- obliczenia stałoprądowe (układów polaryzacji diody)

- zmiana napięcia na diodzie przy stałym prądzie –2mV/0C

- podwojenie wartości prądu wstecznego na 80C:

R

TI

ImU ln

- badanie wpływu temperatury na punkt pracy diody:

- zależność na spadek napięcia na diodzie wyznaczona z równania

na wartość prądu, pomijając ‘-1’ we wzorze:

801

01

2

TT

RR TITI


Iteracyjne wyznaczanie punktu pracy diody:

1R

UUI DCC

D

Równania opisujące układ:

1) 2)

S

DTD

I

IU ln

R1

ID

UD

UCC

kR

VU

m

mV

AI

CC

T

R

1

9

1

26

10

1

14


Algorytm iteracji:

1. Założyć UD np. równe 650mV

2. Obliczyć z równania 1 ID

3. Obliczyć z równania 2 nową wartość UD

4. Wrócić do punktu nr 2 algorytmu

k UD

[mV]

ID

[mA]

0 650

1

2

3


Graficzne wyznaczanie parametrów układu polaryzacji diody

R1I

D

UD

UCC

?

2

1

1

26

10

1

14

R

VU

mAI

m

mV

AI

CC

D

T

R


1. Korzystając z zależności:

1exp

T

AKR

m

UII

wyznaczamy charakterystykę I=f(U) diody, zaznaczając na niej punkt Q dla ID =

1mA

2. Równanie analizowanego układu ma postać:

1RIUU DDCC

Jest to równanie prostej w postaci:

CCDD URIU 1


3. Znajduję punkt przecięcia prostej z osią ‘x’ (ID=0): UDmax = UCC =

2V

4. Łączę wyznaczony punkt, z punktem Q tworząc prostą. Znajduję

przecięcie tej prostej z osią ‘y’ (UD = 0): IDmax = UCC/R1 = 1.7mA

5. Wyznaczam wartość rezystora:

kkI

UccR

D

2.1176.1max

1


0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

0.5

1

1.5

1.7

ID [mA]

UD [V]

1exp

T

AKR

m

UII

1RIUU DDCC

Q

IDmax

UDmax


Wyznaczenie zmian napięcia na diodzie w funkcji temperatury

ID

UDI

DC

Cq

K

Jk

K

CT

mVKU

m

AKI

D

R

19

23

0

0

9

106.1

1038.1

313283

4010

586300

984.1

1011.14300


Obliczenia można przeprowadzić:

- korzystając z zależności analitycznej opisującej spadek napięcia

na diodzie:

TI

ITmTU

R

DT ln

801

01

2

TT

RR TITI

q

kTTT

- z wykorzystaniem temperaturowego współczynnika zmian

napięcia na złączu PN równego –2mV/0C

- z wykorzystaniem programu Pspice (rozbudowany model diody)


ID = 1.3mA ID = 13mA

T T

[mV]

IR

10-9

[A]

UD

[mV] (równ.)

UD

[mV] (wsp.)

UD

[mV] (Pspice)

T

[mV]

IR

10-9

[A]

UD

[mV] (równ.)

UD

[mV] (wsp.)

UD

[mV] (Pspice)

100C 24.4 3.23 625 620 620 24.4 3.23 736 739 732

270C 25.9 14.1 586 586 586 25.9 14.1 705 705 705

400C 27 43.5 552 560 560 27 43.5 675 679 684

avg (dU/

dT)

-2.43

mV/K

-2

mV/K

-2

mV/K

-2

mV/K

-2

mV/K

-1.6

mV/K


ID1

UCC

IDC1 I

DC2

ID2

UR

q

kTTT

TI

ITmTU

R

DT ln

1

212 ln

D

DTDDR

I

ImUUU

1

2lnD

DR

I

I

q

nk

dT

dU

Diody półprzewodnikowe – nieliniowy model

statyczny

A K

rU

I

SGR IIII

Dla polaryzacji w kierunku zaporowym:

Gdzie ru jest rezystancją upływu.

Dla zwykej diody ważne są parametry graniczne:

maksymalne napięcie UR i prąd IR wsteczne.

Nieliniowy model dynamiczny (wielkosygnałowy) –

pojemność złączowa i dyfuzyjna

I(U)

1exp1

2exp

T

S

T

Gm

UI

UIUI

A K

rU

rS

Cj

Cd

C0

D

dU

IC

2

m

D

j

j

U

U

CC

1

0

C0 – pojemność obudowy diody

Nieliniowy model dynamiczny (wielkosygnałowy) -

zastosowania

Zastosowania – analiza pracy diody w układach

impulsowych, np. jako klucz (przełącznik).

UG

R

UD

ID

L


zastosowania


zastosowania

UD

ID

EG

-EG

t

t

t

ts

tf

trr

IF

IOFF

=IF

Imax

UF

Imax

- ładowanie pojemności złączowej

S

FG

FRR

UEI

OFF

FS

I

It ln

jSf CRRt 3.2

fSrr ttt

trr – (reverse

recovery time) –

parametr

katalogowy

Nieliniowy model dynamiczny - Pspice

1exp1

t

dSd

NV

VTII

t

dd

V

VBVIBVI exp2

TNOMNV

TNOMTEG

TNOM

TIareaTI

t

N

XT

SS exp_

1

Dodatkowo w modelu Pspice parametry: Cj, Vj i EG zmieniają wartości

ze zmianą temperatury.

Nieliniowy model dynamiczny - Pspice

Liniowy model dynamiczny

A K

rU

rS

cj

cd

C0

D

dU

Ic

2

m

D

j

j

U

U

Cc

1

0

rd

T

Dd

Ir


Po co polaryzacja wstępna??? Co to jest punkt pracy???




Zastosowania modelu liniowego - małosygnałowego:

- obliczenia parametrów roboczych układów

elektronicznych

- wyznaczanie częstotliwości granicznych układów

elektronicznych

Liniowy model dynamiczny Pspice

NV

V

NV

TIg

t

d

t

Sd exp

t

d

t

zV

VBV

V

IBVg exp

M

j

d

j

j

TV

V

TCc

1

0

NV

V

NV

TITTc

t

d

t

sd exp

rg

1

Część druga

Rodzaje diod

Diody prostownicze

Symbol i charakterystyka

rd

UF

=

F

Fd

I

Ur

URmax

IR

IF

UF

UD

ID

IFmax

IF

UF

Diody prostownicze

Cechy charakterystyczne:

- duża powierzchnia warstw zaporowych

- niewielkie częstotliwości pracy (głównie 50 lub 100

Hz); chyba, że szykie np.. Schottkye’go

- szeroki zakres mocy dopuszczalnych

- stosowane głównie w układach zasilających do

prostowania prądów przemiennych

Diody prostownicze

Hzf

VV

V

amp

50

3

:1

U

F=912mV

UD

ID

U1

t

t

IR1

Diody prostownicze

Diody prostownicze

Diody detekcyjne i mieszające

Charakterystyki i symbol takie jak dla diody prostowniczej

(oprócz diody wstecznej).


- szeroki zakres częstotliwości pracy: Hz – GHz

- bardzo mała powierzchnia złącz – małe pojemności: pF

- praca ze znacznie mniejszymi prądami w porównaniu do

diod prostowniczych.

Do grupy tej należą: diody ostrzowe germanowe lub

krzemowe, diody Schottkye’go, diody wsteczne.

Diody detekcyjne i mieszające – diody

ostrzowe

Parametry dynamiczne:

- pojemność diody przy określonej częstotliwości i określonym napięciu

wstecznym

- sprawność detekcji: stosunek mocy sygnału zdemodulowanego do

mocy sygnału zmodulowanego

- czułość prądowa – zdolność do oddawania przez diodę użytecznych

sygnałów wyjściowych dla danego sygnału zmodulowanego w. cz.

- względna temperatura szumów diody – stosunek mocy szumów diody

w danym paśmie do mocy szumów cieplnych idealnego rezystora

liniowego mającego tą samą temperaturę co dioda

- moc admisyjna


ostrzowe

Małosygnałowy schemat zastępczy:

A K

rU

rS

cj

cd

C0

D

dU

IC

2

m

D

j

j

U

U

CC

1

0

rd

L0

T

FQ

d

Ir


ostrzowe

Zastosowania:

- detektory

- mieszacze

- ograniczniki napięcia


Schottkye’go

Symbol Charakterystyka, taka jak dla diod

prostowniczych i detekcyjnych z wiekszą

stromością w zakresie przewodzenia–

szybsze działanie, mała pojemność złącza

metal - półprzewodnik

Cechy:

- szybsze działanie, mała pojemność złącza metal –

półprzewodnik

- mała wartość rS,

- mały poziom szumów własnych

- duża odporność na wstrząsy i udary


Schottkye’go

Diody detekcyjne i mieszające – dioda

wsteczna

Powstaje przy koncentracji

domieszek w obszarach P i

N nieco mniejszych niż

wymagane do wystąpienia

efektu tunelowego w

kierunku przewodzenia.

Dla kierunku

przewodzenia zachowuje

się jak zwykła dioda.

U

I

część użyteczna charakterystyki

Rodzaj diody tunelowej.


wsteczna


- małe napięcie progowe (wzros prądu praktycznie od

zerowego napięcia)

- duża szybkość działania (praca na nośnikach

większościowych)

- duża odpornośc na wpływ temperatury i

promieniowania

- mały poziom szumów własnych


wsteczna

Zastosowanie:

- mikrofalowe

detektory małych

sygnałow

- mieszacze

mikrofalowe

Diody impulsowe


- bardzo mała rezystancja w kierunku przewodzenia i bardzo

duża w kierunku zaporowym

- bezzwłoczna reakcja na impulsy czyli brak opóźnień i

zniekształceń impulsów

Ważne parametry dynamiczne:

- czas przełączania trr (ładunek przełaczania Qrr) przy określonych

warunkach: wysterowaniu i obciążeniu diody

- pojemność diody przy określonej częstotliwości i określonym napięciu

wstecznym

Diody impulsowe

Diody impulsowe

Diody ładunkowe: diody impulsowe mogące pracować z bardzo krótkimi

impulsami, posiadające bardzo krótkie czasy zaniku.

Poprzez odpowiedni rozkład domieszek w półprzewodniku wytwarza się pole,

które przeciwdziała przepływowi wstrzykiwanych nośników mniejszościowych do

bazy diody – zasada działania diod ładunkowych.

Diody stabilizacyjne Zenera (stabilitrony)

Symbol, charakterystyka układ polaryzacji

U

I

Izmin

Izmax

Uz

Uzmax

Pmax

R

Uwe

Uwy

= UZQ

+

-

IZQ

Diody stabilizacyjne Zenera (stabilitrony)

dZZQZZQ rIIUU min

dla:

maxmin ZZQZ III U

I

Izmin

UZ

Pmax

UZQ

IZQ

IZ

Z

Zd

I

Ur

UZ

rd

UZ

=

Diody stabilizacyjne Zenera - parametry

- napięcie stabilizowane zależne od IZmin i Pmax

- rezystancja dynamiczna (najmniejsza dla napięcia 7.5V)

Z

Zd

dU

dIr

- temperaturowy współczynnik zmian napięcia

stabilizowanego TWUZ (zerowy dla diod o napięciu 5 – 7V)

00 1 TTTWUUU ZZZ



- rezystancja statyczna (w punkcie pracy)

ZQ

ZQ

STI

UR

- współczynnik stabilizacji

d

ST

ZQ

Z

ZQ

Z

r

R

U

dU

I

dI

S

- moc admisyjna Pmax

- rezystancja cieplna (sposób chłodzenia diody)


Zastosowania???

Diody stabilizacyjne Zenera – parametryczny

stabilizator napięcia

R1

Uwe

IZQ

Uwy RL

IL

WE

WYU

ZQ

WE

WY

L

d

Z

Z

dU

dUS

R

I

VU

VU

R

r

VU

mAI

VCDioda

?

?

9

25.5

510

10

1.5

3

15_

1

min

Diody pojemnościowe

Rozróżniamy dwa typy (zastosowania i różne

częstotliwości pracy):

- warikapy (VARiable CAPacitance) – o zmiennej

pojemności (np.. przestrajane obwody rezonansowe)

- waraktory (VARiable reaCTOR) – o zmiennej reaktancji

pojemnościowej (np. elementy czynne nieliniowe w

układach w. cz.)

Symbole: C

0

Ls

Rs

RU

Cj

Diody pojemnościowe - warikapy

Parametry charakterystyczne:

- pojemność złącza Cj przy określonej częstotliwości i określonym napięciu

wstecznym

- stosunek pojemności Cj przy dwóch różnych (granicznych) wartościach napięcia

polaryzacji wstecznej

- rezystancja szeregowa Rs lub dobroć przy określonej częstotliwości i napięciu


- zakres częstotliwości pracy


Schemat zastępczy i charakterystyki:

Rs

RU

Cj


Zależności:

SUj

U

S

Uj

RRCR

R

RCQ

221

Dla Q = 1:

sj

Uj

RCf

RCf

2

1

2

1

max

min

Diody pojemnościowe - waraktory


- pojemność złącza Cj przy określonej częstotliwości i określonym napięciu

wstecznym (zwykle maksymalna)

- stosunek pojemności Cj przy dwóch różnych (granicznych) wartościach napięcia


- prąd wsteczny IR przy okreslonym napięciu wstecznym UR

- częstotliwość maksymalna przy określonym napięciu polaryzacji wstecznej

- parametry pasożytnicze: Ls, C0 i Rs

Diody pojemnościowe - waraktory

Schemat zastępczy:

C0

Ls

Rs

RU

Cj

Diody pojemnościowe

Mikrofalowe diody modulacyjne, tłumiące i

przełaczające typu PIN

Budowa a) i schematy zastępcze: b) polaryzacja

zaporowa, c) polaryzacja w kierunku przewodzenia

W kierunku zaporowym dioda stanowi kondensator o

niewielkiej pojemności.



W kierunku przewodzenia do obszaru o dużej rezystywności

‘I’ (półprzewodnik samoistny) wstrzykiwane są dziury z ‘P’ i

elektrony z ‘N’, powodując wzrost konduktywności tego

obszaru proporcjonalny do płynącego prądu.

Zastosowania:

- modulator amplitudy

- klucz

- tłumik



Mikrofalowe diody generacyjne – diody

tunelowe

Symbol i

charakterystyka


tunelowe

UP

UV

IP

IV

U

I

U

I

I

Urd

Główna właściwość – ujemna

rezystancja dynamiczna:

Odtłumianie obwodów

rezonansowych -

generator


tunelowe


- współrzędne punktów (UP, IP) oraz (UV, IV) lub współrzędne wierzchołka

(UP, IP) oraz stosunek prądów IP/IV

- ujemna rezystancja dynamiczna:

P

Pd

I

Ur 2min minimalna:

średnia:

- pojemność warstwy zaporowej Cj

- rezystancja szeregowa RS

PV

PVdAVG

II

UUr


tunelowe

-wartości elementów pasożytniczych: LS i C0

- graniczna częstotliwość odtłumiania

Parametry graniczne:

- maksymalny prąd w kierunku przewodzenia IF i w kierunku

zaporowym IR

- maksymalną temperaturę pracy C

0

Ls

Rs-r

d

Cj

Schemat zastępczy:


tunelowe


tunelowe

Generator mikrofalowy

j

g

dL

CCLf

gG

002

1

Mikrofalowe diody generacyjne. Diody

lawinowe: Reada, Impatt, Trapatt

W diodach lawinowo-przelotowych ujemną konduktancję

dynamiczną uzyskuje się w efekcie przesunięci fazowego

pomiędzy prądem a napięciem o kąt 1800.

Opóźnienie to jest wywołane procesem lawinowym i

skończonym czasem przelotu nośników przez występującą

w strukturze diody warstwę ‘I’, zbudowaną z półprzewodnika

samoistnego, w której tworzy się rozkład ładunku

przestrzennego.

Zastosowania: generatory mikrofalowe.

Mikrofalowe diody generacyjne - diody

Gunna

Efekt Gunna – wzbudzenie się oscylacji elektrycznych w

półprzewodnikach (np. GaAs) typu ‘n’, wynikający z powstawania

ujemnej rezystancji dynamicznej wywołanej międzydolinowymi

przejściami elektronów w pasmie przewodnictwa pod wpływem

odpowiednio dużych pól elektrycznych.

Documents

Wykłady 4: Diody półprzewodnikoweue.pwr.wroc.pl/ppt/ue1/wyk/W4.pdf · 2013. 12. 5. · 1 Q I Dmax U Dmax. Nieliniowy model statyczny - zastosowania Wyznaczenie zmian napięcia