Polovodičové diody Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

Transkript

1 Polovodičové diody varikap, usměrňovací dioda, Zenerova dioda, lavinová dioda, tunelová dioda, průrazy diod

2 Polovodičové diody (diode) součástky s 1 PN přechodem varikap usměrňovací dioda Zenerova dioda lavinová dioda Schottkyho dioda LED dioda fotodioda speciální diody

3 Varikap (Variable Capacitance) (varicap) kapacitní dioda využívá se kapacity vyčerpané oblasti kapacita řiditelná přiloženým vnějším napětím rovinný kondenzátor, jehož elektrody jsou tvořeny polovodiči N a P dielektrikum je tvořeno vyčerpanou oblastí tloušťka řiditelná napětím varikap pracuje jen v závěrném směru statická kapacita

4 Varikap C = dq du Q = en D d C = e 2 ε N ε 0 r D ε 0 ( U U ) d D = ε S r d = 2ε 0 ε r en D ( U U ) K U D C = K ( ) U n n=1/2 pro strmý přechod n=1/3 pro pozvolný přechod

5 Varikap Farad-voltová charakteristika aplikace ladící kondenzátor integrované obvody (i pro pevné C)!!! induktor nelze vytvořit polovodičově!!! - není nutný pro IO nelze, aby napětí předbíhalo proud

6 Usměrňovací dioda (rectifier diode) nelineární dvojpól s typickým průběhem V-A charakteristiky qu propustný a závěrný stav kt I = I 0 e 1 platí Shockleyho rovnice kolem 0 V dioda neusměrňuje platí Ohmův zákon saturační proud I 0 (menšinové nosiče) - způsobuje teplotní závislost ideální usměrňovač propustný směr jen I, U=0 V závěrný směr jen U, I=0 A

7 Usměrňovací dioda propustný směr oblast kolem 0 V závěrný směr U 3kT U > I = I0e q kt U << I = I0 q 3kT < I = I 0 q qu kt q kt U V-A charakteristika v I. a IV. kvadrantu vždy jako spotřebič

8 Usměrňovací dioda odpor diody propustný i závěrný směr statický dynamický R s = U I r d = du di pracovní bod oblast propustné charakteristiky difúzní kapacita souvisí s difúzními proudy, vstřikem nosičů propustný směr závěrný směr neuvažuje se, převládá statická 2 q C dif = S p n + 2 kt qu ( L p L n ) e kt n p

9 Usměrňovací dioda ztráty na diodě přeměna na teplo statické propustný a závěrný směr P = = ( U )( I ) zt iu D P zt dynamické způsobené skokovou změnou stavů propustný závěrný velké ztráty (velké napětí, velký proud) závěrný propustný

10 Průrazy diod (breakdown) překročení určité meze (U BR ) závěrného napětí rychlý nárůst proudu velikost průrazného napětí určena oblastí s menší koncentrací příměsí mechanizmus závisí na typu přechodu, materiálu polovodiče, tvaru napětí, teplotě 4 druhy průrazů průraz el. polem (tunelový) průraz lavinový průraz tepelný průraz povrchový

11 Tepelný průraz (thermal breakdown) di 0 f ( T ) dt vznik tepla průchodem saturačního proudu špatný odvod tepla nárůst koncentrace menšinových nosičů (ionizace valenčního pásu) nárůst saturačního proudu nárůst tepla ( U ) Pzt T I0 kladná zpětná vazba destruktivní průraz průraz koleno v závěrném směru I = 0 > 0 doba trvání jevu 10-6 s polovodičové zařízení nelze chránit tavnou pojistkou (doba vybavení poj s) P zt

12 Tunelový (Zenerův) průraz (tunnel breakdown) přechod elektronů z valenčního pásu typu P do vodivostního pásu typu N

13 Tunelový (Zenerův) průraz způsoben většinovými nosiči závislé na šířce vyčerpané oblasti podmínkou je velmi úzká vyčerpaná oblast nutná vysoká koncentrace příměsí nedestruktivní průraz pravděpodobnost tunelování klesá s teplotou záporná zpětná vazba tunelové proudy max. ma I T = di T dt f (T ) < 0 ( U ) P zt T I T P zt T

14 Zenerova dioda (Zener diode) pro U>U z platí Shockleyův vztah pro U<U z prudký nárůst proudu princip činnosti spočívá v tunelovém průrazu dynamický odpor ~ 0 (ve skutečnosti jednotky Ω) napěťový stabilizátor Zenerův průraz nastane při nižším napětí než tepelný průraz Zenerovy diody úzký PN přechod r d du = di 0

15 Zenerova dioda Zenerovo napětí dáno technologií nelze měnit (změna dána změnou technologie) materiál pro Zenerovy diody - Si

16 Tunelová dioda (tunnel (Esaki) diode) difúzní + tunelové proudy úzká vyčerpaná oblast polovodiče s vysokou koncentrací nosičů V-A charakteristika typu N inverzní dioda = tunelová dioda s málo vyjádřenými extrémy

17 Tunelová dioda přechod polarizován v závěrném směru elektrony z valenčního pásu (P) přecházejí do vodivostního pásu (N) pomocí tunelování dioda je ve vodivém stavu není přiloženo vnější napětí tepelná rovnováha

18 Tunelová dioda zvyšování napětí tunelování elektronů z vodivostního pásu (N) do valenčního pásu (P) dioda je ve vodivém stavu elektrony ve vodivostním pásu (N) proti zakázanému pásu s velkostí napětí narůstá oblast zakázaného pásu nosiče nemohou tunelovat pokles tunelového proudu záporný dynamický odpor r d du = di < 0

19 Tunelová dioda uplatnění tepelné složky proudu od určitého napětí nárůst proudu s větším napětí větší teplota a větší proud přímý přechod elektronů z vodivostního pásu (N) do vodivostního pásu (P)

20 Lavinový průraz (cascade (avalanche) breakdown) elektrony ve vyčerpané oblasti pod vlivem vnějšího el. pole velká kinetická energie elektronů náraz na neionizovaný atom vyvolá ionizaci vyražení elektronu vyražené elektrony způsobí ionizaci dalších atomů dochází k lavinovému násobení nárůst proudu

21 Lavinový průraz získání dostatečné energie vliv vnějšího el. pole, dlouhý pobyt ve vyčerpané oblasti vyčerpaná oblast dostatečně široká širší PN přechod větší proud lavinového průrazu nedestruktivní průraz šířka vyčerpané oblasti klesá s teplotou, tím klesá pravděpodobnost lavinového násobení záporná zpětná vazba nastavení dynamické rovnováhy lavinová dioda tyristor

22 Lavinová dioda (avalanche diode) pro U>U L platí Shockleyův vztah pro U<U L prudký nárůst proudu princip činnosti spočívá v lavinovém průrazu dynamický odpor ~ 0 (ve skutečnosti jednotky Ω) kvalitativně shodná se Zenerovou diodou, ale U L > U Z stabilizace vyšších napětí generace vysokých kmitočtů r d du = di 0

23 Přechod kov-polovodič (metal-semiconductor junction) vytvoří se při každé konstrukci polovodičových součástek, vytvoří se při každém měření polovodičových materiálů 2 varianty usměrňující kontakt (Schottkyho) neusměrňující kontakt (ohmický)

24 Schottkyho bariéra (Schottky s barrier) typ přechodu je určen výstupní prací elektronů z jednotlivých materiálů výstupní práce energie potřebná k přenosu elektronu z Fermiho hladiny na hladinu o nulové energii (ve vakuu) Φ - výstupní potenciál výstupní práce pro Al 4,3 ev, pro Au - 4,8 ev, pro Si (N) - 4 ev závisí na typu a dotaci W = qφ

25 Schottkyho bariéra vytvoření kontaktu termodynamická rovnováha přechod elektronů z polovodiče do kovu vyrovnání Fermiho hladin vznik vyčerpané oblasti ochuzená o volné nosiče náboje rovnovážný kontaktní potenciál (difúzní napětí) U D brání difúzi elektronů z vodivostního pásu do kovu elektronová afinita χ - rozdíl mezi hladinou vakua a dnem vodivostního pásu potenciálový rozdíl lze snižovat přiloženým vnějším napětím výška bariéry se však nemění

26 Schottkyho bariéra qφ M výstupní práce kovu qφ S výstupní práce polovodiče Φ B - výška potenciálové Schottkyho bariéry U D = Φ M Φ S U Φ D B = Φ = Φ M M Φ χ S U D = Φ M Φ S

27 Usměrňující kontakt kovpolovodič (rectifier contact) kov-polovodič typu N: kov-polovodič typu P: vznik ochuzené vrstvy Φ M > Φ S Φ < Φ M S snížení UD kov(+), polovodič ( ) - difúze elektronů - zvýšení proudu zvýšení U D kov(-), polovodič (+)

28 Usměrňující kontakt kovpolovodič propustný směr závěrný směr

29 Neusměrňující kontakt kovpolovodič (non-rectifier contact) kov-polovodič typu N: kov-polovodič typu P: vznik obohacené vrstvy M > Φ S tok elektronů z kovu do polovodiče vyrovnání Fermiho hladiny, hromadění v blízkosti přechodu Φ Φ < Φ M S - vznik nízké potenciálové bariéry - snadno překonatelná pro nízká napětí

30 Kontakt kov-polovodič tunelový jev při vytváření ohmických kontaktů kontakt kovu se silně dotovaným polovodičem vyšší koncentrace nosičů užší potenciálová bariéra pro úzkou bariéru prochází elektrony tunelováním nezáleží na výstupních pracech materiálů

31 Schottkyho dioda (Schottky diode) využívá přechodu kontakt kov-polovodič výborné dynamické vlastnosti (teoreticky doba zotavení = 0) výborné vf a spínací vlastnosti malý úbytek napětí v propustném směru 0,3 0,5 V velký závěrný proud používá se Si nebo GaAs

32 Supresorové diody (suppressor diodes) transil a trisil ochrana proti přepětí rychlá odezva na přepěťovou vlnu- ns změna VA charakteristiky impulzní proud A až ka

33 Transil (transil) ochrana před napěťovými špičkami jednosměrný nebo obousměrný velký klidový odpor zanedbatelný odpor při přepětí VA charakteristika podobná Zenerově diodě nelze nahradit Zenerovou diodou zničení

34 Trisil (trisil) ochrana před napěťovými špičkami obousměrný velký klidový odpor zanedbatelný odpor při přepětí VA charakteristika podobná triaku vypnutí pokles proudu pod určitou hodnotu nelze nahradit triakem zničení

35 Děkuji za pozornost