Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY 2. Diody PN, Schottkyho diody.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY 2. Diody PN, Schottkyho diody."— Transkript prezentace:

1 Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY 2. Diody PN, Schottkyho diody

2 Přechod PN- bez předpětí Kontakty PN Difuze Neustálený stav PN EAEA EDED E FP E FN Vyprázdněná oblast (bez pohyblivých nosičů) PN Ustálený stav E0E0 E FP = E FN = E F eDeD ECEC EVEV

3 Přechod PN s předpětím v závěrném směru Akumulovaný náboj donorů a akceptorů na přechodu: Q = Q D = eN D l N S= Q A =eN A l P S 1) Velikost nahromaděného náboje se mění s napětím U  kapacita přechodu Cj 2) Vzdálenost nábojů (l N, l P ) se mění s velikostí napětí  kapacita Cj závisí na napětí U Vyprázdněné oblasti se zvětší, protéká pouze velmi malý proud P N lNlN lPlP

4 Přechod PN s předpětím v propustném směru U P N Vyprázdněná vrstva zaniká Elektrony z vrstvy N jsou přitahovány do vrstvy P, kde rekombinují s dírami a naopak Protéká vysoký proud Elektrony ve vrstvě P a díry ve vrstvě N (minoritní nosiče) než zrekombinují představují určitý náboj: Q N = I N.  N, Q P = I P.  P kde: I N, I P... jsou proudy elektronů a děr přes přechod  N,  P …jsou doby života nosičů Tyto náboje představují t. zv. Difúzní kapacitu přechodu: CD = Q N /U = (I N.  N )/U, která je funkcí proudu

5 Přechod PN proud přechodem Ideální průběh: I = I S.[exp(eU/kT)-1] kde: I S … saturovaný (zbytkový) proud – teplotně silně závislý e … náboj elektronu k … Boltzmannova konstanta T … absolutní teplota U I I S ~10 -6 A Propustný směr Závěrný směr U F ~ 0,7 V

6 Průrazy přechodů v závěrném směru - Zenerův průraz Struktura energetických pásů na tenkém přechodu bez předpětí Tentýž přechod při vyšším předpětí v závěrném směru – elektrony z valenčního pásma vrstvy P přecházejí přímo do vodivost. pásma vrstvy N EFEF lDlD DD NP + _ N P ECEC EVEV ECEC EVEV

7 Průrazy přechodů v závěrném směru - lavinový průraz vyprázdněná oblast Drift elektronů Drift děr drift děr drift elektr. nevyprázdněná oblast N nevyprázdněná oblast P Iniciátorem jsou saturační proudy elektronů I Sn a děr I Sp Jakmile dosáhne energie elektronů a děr při driftu vyprázdněnou oblastí dostatečné hodnoty, postačující k ionizaci atomů mřížky, rozvine se lavinová ionizace Napětí zůstává při růstu proudu prakticky konstantní.

8 Polovodičová dioda PN Součástka se dvěmi elektrodami: anodou (A) a katodou (K) Je tvořena dvěmi funkčními vrstvami polovodiče P, N mezi nimiž je jeden přechod PN Struktura a konstrukce diody PN Zaleptání mesa - výstupků Přechod Koncentrace příměsí N D  m -3 N D  m -3 N A  m -3 N A  m -3 Základ. materiál n x Anoda PřechodKatoda - E x (x) kovový kontakt - Anoda kontaktní vrstva P+ aktivní vrstva P aktivní vrstva N kontaktní vrstva N+ kovový kontakt - katoda

9 PN dioda – VA charakteristika Průběh ideálního přechodu P-N: I = I s.  exp(eU/kT) - 1  Parazitní sériový odpor Voltampérová charakteristika: U - propustný směr I IFIF UFUF R F =  U F /  I F r z =  U B /  I B IBIB UBUB Lavinová ionizace nebo Zenerův jev IsIs U BR (T) Schematická značka: A K UFUF

10 Použití PN diod v elektrotechnice oblast I oblast II oblast III U I Oblast I:Usměrňování střídavého proudu Detekce nízkofrekven. signálů Ovládání (spínání) Omezování napětí, stabilizace Nelineární zpracování signálu Násobení kmitočtu Detekce světla (fotodioda) Generování světla (LED, lasery) Oblast II:Proměnné kapacity (varikapy) Detekce záření Oblast III:Stabilizace a omezování napětí Generování vysokých kmitočtů Generování šumu na vysokých kmitočtech Detekce záření

11 Usměrňovače s diodami PN Zjednodušení V-A charakteristiky I = 0... pro U  U F I = (U – U F )/R F … pro U  U F UFUF I U Rozdělení typů usměrňování a) podle uspořádání : jednocestné, dvojcestné jednoduché, dvojcestné, můstkové b) podle zátěže: s odporovou, kapacitní nebo induktivní zátěží

12 Jednocestné usměrnění - odporová zátěž I = I 0 + I 1 sin(  t) + I 2 sin(2  t) +... U L = U 0 + U 1 sin(  t) + U 2 sin(2  t) +... Napětí naprázdno: U 00 = U 10 /  =(  2/  )U 1ef Střed. proud diodou:I D0 = I 0 Max. proud diodou:I Dmax = .I 0 tt U, I U1U1 U 1 = U 10 sin(  t) ULUL RLRL I U L, I tt I = 0 pokud U 1 - U L  U F = (U 1 - U F )/(R L +R F ) U 1 - U L  U F D1D1

13 Jednocestné usměrnění - kapacitní zátěž Napětí naprázdno: U 00 = U 10 =  2.U 1ef Zvlnění:U Z  U 10 /(f 0.C S.R L ) Činitel zvlnění:  Z = (U Z /U 0 ).100%  (I 0 /U 0 )(  0 /  ) Úhel otevření:2  0 Střed. proud diodou:I D0 = I 0... stejně jako u odpor. zátěže Max. proud diodou:I Dmax = (  /2  0 )I 0  . I 0 U1U1 ULUL UZUZ U, I tt 2020 U 1 = U 10 sin(  t) ULUL RLRL I CSCS ICIC ICIC D1D1

14 Stabilizace / omezování napětí (Zenerovy diody) Zjednodušený průběh charakteristiky: I = 0 pro U  U Z, I = (U-U Z )/r Z pro U  UZ r Z =  U/  I V oblasti průrazu: I při velkých změnách proudu kolísá napětí jen velmi málo I U Skutečný průběh charakteristiky UU II U I UZUZ

15 Stabilizace / omezování napětí Zapojení stabilizovaného zdroje U0U0 I0I0 RSRS D1D1 IZIZ R2R2 U2U2 I2I2 U vstupní, nestab. napětí R S.... stabilizační odpor D Zenerova dioda R odpor zátěže U stabilizované napětí I 0 = I Z + I 2, U 0 = R S I 0 + U 2, U 2 = I 2 R 2 = U Z + r Z I Z,  při r Z  0 stabilizované napětí U 2  U Z

16 Dynamické vlastnosti přechodu PN Přechod P-N, polarizovaný v propustném směru N P +   Díry vstupují do oblasti přechodu z části P.  Elektrony vstupují do oblasti přechodu z části N.  V prostoru přechodu se tyto nosiče hromadí (akumulují) a postupně vzájemně rekombinují.  Diodou protéká velký proud v propustném směru. Oblast rekombinace nosičů

17 Dynamické vlastnosti přechodu PN - II  Díry vystupují z oblasti přechodu do části P.  Elektrony vystupují z oblasti přechodu do části N.  Prostor přechodu se postupně vyprazdňuje.  Diodou protéká velký proud v závěrném směru. Oblast rekombinace nosičů se vyprazdňuje Přechod P-N při náhlé reverzaci napětí N P + 

18 Časový průběh proudu přechodem P-N při reverzaci napětí napětí v propustném směru reverzace napětí napětí v závěrném směru okamžik vyprázdnění přechodu napětí na diodě proud diodou t U, I Vysoká strmost vypnutí proudu

19 Generování úzkých impulzů RGRG UGUG ULUL RLRL C1C1 L1L1 D1D1 napětí U G t U Vznik úzkého impulzu U L Proud diodou napětí U L

20 Nevýhody diod PN  Vysoká kapacita při předpětí v propustném směru o Příčina: difúzní kapacita – hromadění minoritních nosičů náboje u přechodu o Důsledek:omezení funkčnosti na vysokých kmitočtech  Malá křivost v okolí U = 0 V o Příčina:nízká hustota saturačního proudu o Důsledek:nízká detekční citlivost Řešení: Schottkyho diody

21 Přechod kov – polovodič x E Kov Polovodič typu N Valenční zóna Fermiho hladina v polovodiči Fermiho hladina v kovu Kov a polovodič před ustavením rovnováhy Vodivostní zóna EDED x E KovPolovodič typu N Valenční zóna Společná Fermiho hladina Vodivostní zóna Přechod kov – polovodič v rovnováze (E D je výška bariéry) EDED

22 Přechod kov – polovodič x E Kov + Polovodič typu N - Valenční zóna Vodivostní zóna Přechod kov – polovodič, polarizovaný v propustném směru Přemisťují se pouze elektrony => Nevzniká difúzní kapacita x E Kov - Polovodič typu N + Valenční zóna Pseudo- Fermiho hladina Vodivostní zóna Přechod kov – polovodič polarizovaný v závěrném směru

23 Schottkyho dioda = dioda s přechodem kov - polovodič Vlastnosti:  Statická V-A charakteristika je podobná P-N diodě (kov = anoda): I = Is  exp(eU/kT)-1   Není difúzní kapacita  dioda pracuje do velmi vysokých kmitočtů (100 GHz)  Volbou materiálu kovové elektrody lze snadno nastavit výšku bariéry E D a tím velikost saturačního proudu I s  Schottkyho dioda je citlivější na statickou elektřinu, na tepelné přetížení apod.

24 Schottkyho dioda - Aplikace  Vysokofrekvenční součástky, směšovače, spínače (do 100 GHz)  Velmi citlivé detektory (0,1  W/ 20 GHz)  Rychlé spínací a logické obvody (doba sepnutí   100 ps)

25 Náhradní schémata diod Náhradní schéma součástky (Equivalent Circuit): Kdybychom zapojili obvod podle „náhradního schématu“ do jakéhokoliv vnějšího obvodu místo skutečné součástky, proudy a napětí ve vnějším obvodu by se nezměnily: U1U1 U3U3 I1I1 I2I2 I3I3 I4I4 A1A1 A2A2 D1D1 U2U2 U1U1 I1I1 A1A1 I2I2 U2U2 U3U3 I3I3 I4I4 A2A2 Náhradní schéma diody D 1 IDID CDCD

26 Náhradní schéma diody PN A) Přechod P-N: pro U j > U B pro U j < U B CjCj IjIj UjUj P N pro U j < 0 pro U j > 0

27 Náhradní schéma diody PN B) Dioda P-N (chip): R S … sériový odpor diody (polovodičový materiál, kontakty) C p1 … paralelní kapacita kontaktů CjCj IjIj C p1 RSRS

28 Náhradní schéma diody PN C) Dioda P-N v pouzdře: L S … sériová indukčnost pouzdra (přívody ke kontaktům) C p2 … paralelní kapacita pouzdra CjCj IjIj C p1 RSRS C p2 LSLS Schottkyho diody mají podobné náhradní schéma ale s odlišným vztahem pro C j


Stáhnout ppt "Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY 2. Diody PN, Schottkyho diody."

Podobné prezentace


Reklamy Google