Vodivost v pevných látkách způsobují ji volné elektrony, tzv. vodivostní valenční elektrony jsou vázány, nemohou být nosiči proudu Pásový model atomu znázorňuje energetické stavy elektronů elektrony mohou mít jen určité množství energie mohou být jen ve valenčním nebo vodivostním pásu nemohou být v zakázaném pásu
Vodiče valenční a vodivostní pás se překrývají vodivostních elektronů je velké množství látky vedou velmi dobře elektrický proud Izolanty zakázaný pás je široký k překročení zakázaného pásu je třeba velká energie vodivostních elektronů je nepatrné množství látky prakticky nevedou proud
Polovodiče zakázaný pás je úzký k překročení zakázaného pásu je třeba málo energie potřebnou energii lze dodat přivedením tepelné energie zahřátím elektrické energie průchodem proudu energie elektromagnetického záření světlo, UV či IR záření látky vedou proud a s rostoucí teplotou se vodivost zvyšuje
Vlastní vodivost polovodiče překročí-li valenční elektron zakázané pásmo, stane se vodivostním na místě uvolněného elektronu zůstane kladný náboj díra pár elektron díra se generuje vždy současně návrat elektronu do díry se nazývá rekombinace pohyb elektronů zapřičiňuje pohyb děr opačným směrem Křemík (Si) nejdůležitější polovodičový prvek má 4 vazební elektrony k sousedním atomům (čtyřstěn) pohyb elektronů a děr vytváří vlastní (intrinsickou) vodivost
Příměsová vodivost polovodiče typu N vznikne přidání pětimocného prvku (např. fosforu P) do Si struktury příměs je označována jako donor (dárce elektronů) jeden z pěti valenčních elektronů nenajde vazbu na křemík tento elektron se snadno uvolní a stane se vodivostním na místě uvolněného elektronu zbude kladný nepohyblivý náboj vodivost látky se výrazně zvýší elektrony jsou většinovými (majoritními) nosiči náboje elektronová vodivost = vodivost typu N děr vlastního polovodiče je málo jsou menšinové (minoritní) často se účinek minoritních nosičů výrazně neprojevuje
Příměsová vodivost polovodiče typu P vznikne přidání třímocného prvku (např. bóru B) do Si struktury příměs je označována jako akceptor (příjemce elektronů) chybějící vazba se vytvoří uloveným vodivostním elektronem tento elektron pochází z atomu Si, kde po něm zbude díra atom příměsi vytvoří se čtvrtým vazebním elektronem záporný nepohyblivý náboj vodivost látky se výrazně zvýší díry jsou většinovými (majoritními) nosiči náboje děrová vodivost = vodivost typu P elektronů vlastního polovodiče je málo jsou menšinové (minoritní)
Vznik přiložením polovodiče typu P a typu N k sobě Přechod PN bez napětí majoritní elektrony z oblasti N odejdou do P a tam rekombinují s dírami v oblasti N zůstanou nevykompenzované kladné náboje donorů majoritní díry z oblasti P odejdou do N a tam rekombinují s elektrony v oblasti P zůstanou nevykompenzované záporné náboje akceptorů vznikne oblast prostorového náboje (OPN) OPN obsahuje nepohyblivé náboje příměsí v OPN je vysoká intenzita el. pole E el. pole vytváří difúzní napětí U D U D u křemíku bývá asi 0,6 V OPN se chová jako kapacita
Přechod PN v propustném směru je přiloženo napětí zdroje U F : kladný pól k oblasti P, záporný k N U F působí proti U D, majoritní nosiče se přiblíží k přechodu a zaplní OPN elektrony přestupují do oblasti P, rekombinují s dírami jsou odsávány kladným pólem zdroje a tím vznikají nové díry díry postupující přes přechod do oblasti N a rekombinují zde s elektrony ze záporného pólu zdroje jsou dodávány další elektrony, které zaplňují díry přicházející z P přechodem PN začne procházet proud, ale až po překonání OPN.
Přechod PN v závěrném směru je přiloženo napětí zdroje U R : kladný pól k oblasti N, záporný k P U R působí ve směru U D v oblasti P elektrony přicházející ze záporného pólu zdroje zaplňují díry v oblasti N jsou odsávány elektrony do kladného pólu zdroje v obou částech se vytvářejí další nepohyblivé náboje OPN se rozšiřuje přechodem neprochází proud vyvolaný majoritními nosiči pro minoritní nosiče (díry v N, elektrony v P) je přechod polarizován propustně je jich velmi málo, proud v závěrném směru je proto zanedbatelný
dioda nejjednodušší polovodičová součástka s jedním přechodem PN vývody: anoda A katoda K voltampérová charakteristika diody je závislost proudu na napětí skládá se ze dvou částí: propustný směr A K (index F forward); přechod PN je v propustném směru závěrný směr K A (index R reverse); přechod PN je v závěrném směru obě části mají zcela jiné měřítko
charakteristické hodnoty: U TO - prahové napětí (Threshold), bývá u Si diod 0,6 0,7 V; dioda se při něm otevře U BR - průrazné napětí (Breakdown), nastává při něm lavinový jev, jeho překročením se přechod PN prorazí I FM nebo I FAV - (Forward Maximum Average) maximální trvalý propustný proud U RM - (Reverse Maximum) maximální trvalé závěrné napětí P max - maximální ztrátový výkon v propustném směru (přibližně součin I FM. U TO ) je ho nutno odvést, nestačí-li pouzdro diody, použije se chladič zvětšení chladicí plochy v katalozích se uvádějí také: opakovatelné závěrné napětí U RRM (Reverse Recovery Maximum) neopakovatelné závěrné napětí U RSM (Surge) pro případ nahodilých špiček opakovatelný špičkový proud I FRM (Forward Recovery Maximum) neopakovatelný špičkový proud I FSM pro jednorázové impulsy
Lavinový jev nastává v závěrném směru po dosažení určité E získá elektron dostatečnou energii k vyražení dalšího elektronu z atomu Si tím vznikne pár elektron díra následují další srážky, vznik dalších nosičů nárůst proudu a průraz přechodu PN jde o nárazovou ionizaci běžná dioda průraz je destruktivní, dioda se zničí
Tunelový (Zenerův) jev elektron v závěrném směru překoná energetickou bariéru, i když má menší energii, než kterou představuje bariéra elektron z valenčního pásu polovodiče P přejde do vodivostního pásu polovodiče N pomocí klasické fyziky jev vysvětlit nelze uplatňuje se jen u tenkých přechodů PN
Kapacita diody v závěrném směru se OPN chová jako izolační vrstva, protože náboje jsou nepohyblivé S C lze ji chápat jako dielektrikum kondenzátoru d změnou závěrného napětí se mění šířka OPN, tedy tloušťka pomyslného dielektrika větší závěrné napětí menší kapacita
Doba zotavení po přepólování diody z propustného do závěrného směru se z přechodu musí odčerpat volné nosiče to se projeví jako proudový impuls v závěrném směru t rr doba zotavení (Reverse Recovery Time) bývá v řádech ms až ns
Usměrňovací diody slouží k usměrňování střídavých proudů o síťové frekvenci nebo max. desítek khz vysoké hodnoty U RM (až 10 kv) a I FM (až jednotky ka) je nutná velká tloušťka (kvůli U RM ) a velká plocha přechodu (kvůli I FM ) relativně velká kapacita (velká plocha) relativně dlouhá doba zotavení (objemný náboj v OPN) provedení: s vývody (vlevo), pastilkové též můstkové provedení 4 diody v 1 pouzdře
Vysokofrekvenční diody též signálové slouží k usměrňování střídavých proudů o vysoké frekvenci (stovky khz až desítky GHz) je nutná co nejmenší parazitní kapacita proto musí být nepatrná plocha přechodu mají velmi krátkou dobu zotavení, až jednotky ns konstrukce: dříve hrotové diody bodový kontakt (obr. vlevo) v současnosti speciální technologie (C-class) též provedení SMD (vpravo)
Varikapy kapacitní diody využívají změny kapacity v závěrném směru při změně napětí kapacita klesá s rostoucím závěrným napětím např. napětí v řádu jednotek V, kapacita v řádu jednotek až desítek pf užití: ladění rezonančních obvodů, napětím řízené oscilátory (VCO) S C d
Zenerovy diody pracují v závěrné části V-A charakteristiky využívají Zenerův jev (asi do 8 V) nebo lavinový jev průraz je nedestruktivní mají malý diferenciální odpor (při velké změně proudu se napětí mění nepatrně) užití: jako stabilizátor napětí, zdroj referenčního napětí, ochrana proti přepětí Clarence M. Zener (1905 1993)
PIN diody mezi oblastí P a N je oblast I (intrinsická) polovodiče bez příměsi funkce: při průchodu stejnosměrného propustného proudu dochází k injekci nosičů z P i N do I přidáme-li malý střídavý vf proud s periodou kratší, než je doba průletu nosičů I vrstvou, nestačí se při změně polarity vyprázdnit oblast I od nosičů a vf proud prochází diodou jako odporem s rostoucím stejnosměrným proudem klesá odpor diody pro vf proud použití: jako vysokofrekvenční řízený odpor nebo spínač
Vznik přiložením polovodiče typu N a kovu (např. Al) k sobě přechod MN méně obvyklý je usměrňující přechod typu P a kovu Usměrňující kontakt (Schottkyho) energie potřebná k uvolnění elektronu z polovodiče je menší než z kovu elektrony z oblasti N proto odejdou snadno do kovu v oblasti N se vytvoří kladná OPN kladný náboj OPN je kompenzován zanedbatelně tenkou vrstvou elektronů
Schottkyho dioda usměrňující přechod MN v propustném směru je U TO kolem 0,3 V (poloviční vzhledem k PN diodě) proto jsou menší ztráty v propustném směru závěrný proud je větší než u PN diod průrazné napětí U BR je menší než u PN diod doba zotavení t rr je extrémně krátká (jednotky až desetiny ns)
Použití Schottkyho diod: vysokofrekvenční technika (až stovky GHz) díky krátké t rr výkonové usměrňovače zatím nižší U RM stovky V Ohmický kontakt nemá usměrňující vlastnosti vznikne při vysoké koncentraci příměsi polovodiče N nebo P energie potřebná k uvolnění elektronu z kovu je menší než z polovodiče elektrony přecházejí z kovu do polovodiče N (či z P) po přiložení napětí se snadno pohybují oběma směry odpor přechodu je velmi malý použití: připojení vývodů k polovodičům Walter Schottky (1886 1976)
Skupina A Nakreslete a popište pásový model vodivosti vodičů. Vysvětlete příměsovou vodivost polovodičů typu N. Jak se chová přechod PN v propustném směru? Nakreslete VA charakteristiku diody v závěrném směru a označte na ní významné hodnoty. Vysvětlete pojem doba zotavení diody. Čím se vyznačují a kde se používají varikapy? Jaké vlastnosti mají Schottkyho diody? Skupina B Nakreslete a popište pásový model vodivosti izolantů. Vysvětlete příměsovou vodivost polovodičů typu P. Jak se chová přechod PN v závěrném směru? Nakreslete VA charakteristiku diody v propustném směru a označte na ní významné hodnoty. Vysvětlete lavinový jev na přechodu PN. Jaké vlastnosti musejí mít vf diody? Vysvětlete Schottkyho usměrňující kontakt.