ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY 2. Diody PN, Schottkyho diody

Prezentace na téma: "ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY 2. Diody PN, Schottkyho diody"— Transkript prezentace:

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

2 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

3 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

4 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

5 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

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 EF lD D N P + _ EC EV

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 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.

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 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)

9 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

10 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

11 Usměrňovače s diodami PN
Zjednodušení V-A charakteristiky I = 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

12 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

13 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

14 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

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

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
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

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

20 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

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

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 ED a tím velikost saturačního proudu Is 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: 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

26 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

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

28 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