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

Přechod PN- bez předpětí Kontakty P N Difuze Neustálený stav EA ED EFP EFN Vyprázdněná oblast (bez pohyblivých nosičů) P N Ustálený stav E0 EFP = EFN = EF eD EC EV

Přechod PN s předpětím v závěrném směru Vyprázdněné oblasti se zvětší, protéká pouze velmi malý proud P N lN lP Akumulovaný náboj donorů a akceptorů na přechodu: Q = QD = eNDlN S= QA =eNAlP S 1) Velikost nahromaděného náboje se mění s napětím U  kapacita přechodu Cj 2) Vzdálenost nábojů (lN , lP) se mění s velikostí napětí  kapacita Cj závisí na napětí

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

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

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 EF lD D N P + _ EC EV

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 ISn a děr ISp 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.

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 Přechod Zaleptání mesa - výstupků kovový kontakt - Anoda kontaktní vrstva P+ aktivní vrstva P aktivní vrstva N kontaktní vrstva N+ kovový kontakt - katoda Koncentrace příměsí ND  1027 m-3 ND  1020 m-3 NA  1022m-3 NA  1027m-3 Základ. materiál n x Anoda Přechod Katoda - Ex(x)

PN dioda – VA charakteristika Průběh ideálního přechodu P-N: I = Is.exp(eU/kT) - 1 Parazitní sériový odpor Voltampérová charakteristika: U - propustný směr I IF UF RF = UF/IF rz = UB/IB IB UB Lavinová ionizace nebo Zenerův jev Is UBR(T) Schematická značka: A K UF

Použití PN diod v elektrotechnice 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 oblast I oblast II oblast III U I

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

Jednocestné usměrnění - odporová zátěž U, I D1 U1 I UL, I U1 = U10sin(t) UL RL t t I = 0 pokud U1 - UL  UF = (U1 - UF)/(RL+RF) U1 - UL  UF I = I0 + I1 sin(t) + I2 sin(2t) + ... UL = U0 + U1sin(t) + U2sin(2t) + ... Napětí naprázdno: U00 = U10/ =(2/)U1ef Střed. proud diodou: ID0 = I0 Max. proud diodou: IDmax = .I0

Jednocestné usměrnění - kapacitní zátěž UL UZ U, I t 20 U1 = U10sin(t) RL I CS IC D1 Napětí naprázdno: U00 = U10 = 2.U1ef Zvlnění: UZ  U10 /(f0.CS.RL) Činitel zvlnění: Z = (UZ/U0).100%  (I0/U0)( 0/) Úhel otevření: 20 Střed. proud diodou: ID0 = I0 ... stejně jako u odpor. zátěže Max. proud diodou: IDmax = (/20)I0  . I0

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

Stabilizace / omezování napětí Zapojení stabilizovaného zdroje U0 I0 RS D1 IZ R2 U2 I2 U0 .... vstupní, nestab. napětí RS .... stabilizační odpor D1 .... Zenerova dioda R2 .... odpor zátěže U2 .... stabilizované napětí I0 = IZ + I2 , U0 = RS I0 + U2 , U2 = I2 R2 = UZ + rZ IZ ,  při rZ  0 stabilizované napětí U2  UZ

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

Dynamické vlastnosti přechodu PN - II Přechod P-N při náhlé reverzaci napětí N P +  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

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

Generování úzkých impulzů RG UG UL RL C1 L1 D1 napětí UG t U Vznik úzkého impulzu UL Proud diodou napětí UL

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

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 ED x E Kov Polovodič typu N Valenční zóna Společná Fermiho hladina Vodivostní zóna Přechod kov – polovodič v rovnováze (ED je výška bariéry) ED

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

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 ED a tím velikost saturačního proudu Is Schottkyho dioda je citlivější na statickou elektřinu, na tepelné přetížení apod.

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)

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: U1 I1 A1 I2 U2 U3 I3 I4 A2 Náhradní schéma diody D1 ID CD U1 U3 I1 I2 I3 I4 A1 A2 D1 U2

Náhradní schéma diody PN A) Přechod P-N: Cj Ij Uj P N pro Uj > UB pro Uj < UB pro Uj < 0 pro Uj > 0

Náhradní schéma diody PN B) Dioda P-N (chip): Cj Ij Cp1 RS RS … sériový odpor diody (polovodičový materiál, kontakty) Cp1 … paralelní kapacita kontaktů

Náhradní schéma diody PN C) Dioda P-N v pouzdře: Cj Ij Cp1 RS Cp2 LS LS … sériová indukčnost pouzdra (přívody ke kontaktům) Cp2 … paralelní kapacita pouzdra Schottkyho diody mají podobné náhradní schéma ale s odlišným vztahem pro Cj