STATYCZNY SCHEMAT ZASTĘPCZY DIODY

Jeżeli wypadkową rezystancję szeregową obszarów „p” oraz „n” oznaczymy przez R_S, natomiast rezystancję upływu warstwy zaporowej oznaczymy przez R_U, wówczas rzeczywistą diodę p.p. można przedstawić:

R_S waha się od setek omów w diodach małej mocy do ułamków oma w diodach dużej mocy ⇒ spadek napięcia U_R nie przekracza pojedynczych mV. R_S zależy również od rodzaju p.p.: R_SSi < R_SGe.

R_U wynosi od kilkuset MΩ w diodach małej mocy do kilkudziesięciu kΩ w diodach dużej mocy. W takiej samej temperaturze R_USi >> R_UGe.

PARAMETRY DIODY

1. Rezystancja statyczna

2. Rezystancja dynamiczna

Jeżeli napięcie na diodzie zmienia się wokół pewnej stałej wartości U₀, to można mówić tylko o uśrednionej rezystancji tej diody:

Konduktancja dynamiczna: g_d=1/r_d

3. Moc admisyjna

- maksymalna moc P_a , która może być wydzielana w diodzie bez jej uszkodzenia:

4. Maksymalne napięcie polaryzacji wstecznej U_RMAX

5. Maksymalna temperatura złącza T_j

PARAMETRY DYNAMICZNE DIODY „TEORETYCZNEJ”

Przyjmując, że U=U_D, I=I_D otrzymujemy:

Różniczkując
można wyznaczyć konduktancję dynamiczną złącza:

I. Dla polaryzacji przewodzenia I_D >> I_S ⇒

lub

II. Przy polaryzacji zaporowej, dla napięć

 

otrzymujemy

DYNAMICZNY SCHEMAT ZASTĘPCZY DIODY

W dostatecznie małym otoczeniu punktu pracy U₀ diodę „teoretyczną” można zastąpić dwójnikiem o konduktancji g_d:

Aby schemat zastępczy był słuszny również w zakresie wyższych częstotliwości musi uwzględniać on elementy reaktancyjne.

POJEMNOŚCI W DIODZIE P.P.

Pojemność elektryczna warstwy zaporowej złącza C_t tzw. pojemność bariery związana jest z gromadzeniem ładunku jonów na granicy złącza:

W celu uzyskania dużego zakresu zmian C_t(U) stosuje się odpowiednie technologie budowy złącza. Otrzymane w taki sposób elementy p.p. nazywane są diodami pojemnościowymi.

Podział diod pojemnościowych:

• warikapy - są to elementy o zmiennej pojemności stosowane głównie w układach automatycznego przestrajania obwodów rezonansowych,

• waraktory - są diodami o zmiennej reaktancji spełniającymi funkcję elementów czynnych w układach parametrycznych, są nazywane diodami parametrycznymi. Są przeznaczone do pracy przy bardzo wielkich częstotliwościach.

Przy polaryzacji przewodzenia obserwowana pojemność złącza wiąże się z gromadzeniem nośników mniejszościowych na granicy obszarów „p” oraz „n” i nazywana jest pojemnością dyfuzyjną C_d.

Teraz można skonstruować schemat zastępczy złącza p-n słuszny również w zakresie dużych częstotliwości:

Znajomość elementów tego schematu pozwala na obliczenie granicznej pulsacji pracy diody:

Uwaga! Istnieje możliwość powstania rezonansu elektrycznego (L_S,C_j,C₀)

DIODA STABILIZACYJNA - ZENERA

Silne domieszkowanie prowadzi do postania bardzo cienkiego złącza (rzędu 10^-8 m), w którym natężenie pola elektrycznego ma bardzo dużą wartość (np. 10⁸ V/m).

Przy zaporowej polaryzacji takiego złącza, pasmo przewodnictwa obszaru „n” zachodzi na pasmo podstawowe obszaru „p”:

Z modelu pasmowego ⇒ możliwość przechodzenia nośników przez złącze bez dostarczania im dodatkowej energii (niezbędną energię dostarcza źródło polaryzacji zewnętrznej).

Takie przechodzenie nośników przez złącze nazywane jest przebiciem Zenera, a diodę w której ono występuje - diodą Zenera.

W wyniku zderzeń występujących w trakcie przebicia lawinowego powstają pary elektron-dziura, zwiększające (lawinowo) prąd wsteczny złącza.

PARAMETRY DIODY ZENERA

1. Napięcie Zenera U_Z - wynosi od kilku do kilkudziesięciu voltów

2. Rezystancja dynamiczna DZ

3. Temperaturowa stabilność napięcia Zenera:

Współczynnik ten zależy od koncetracji domieszek i ma tym większą wartość im złącze jest silniej domieszkowane; typowo: [2÷10]⋅10^-4 1/K.

DZ znajduje zastosowanie w układach stabilizacji napięcia jako źródło napięcia odniesienia:

Przy założeniu, że napięcie wejściowe zmienia się w zakresie od U₁^'do U₁^'', przeprowadzimy analizę graficzną obwodu:

Jaka charakterystyka diody stabilizacyjnej zapewni
, czyli idealną stabilizację napięcia? Ile wynosi wtedy rezystancja dynamiczna?

-----------------------------------------------------------------------------------------

Analiza stabilizatora napięcia z DZ może być prowadzona ze względu na wartość rezystancji obciążenia:

 

DIODA TUNELOWA - ESAKIEGO

W złączu utworzonym z obszarów „n” i „p” p.p. zdegenerowanego warstwa zaporowa jest tak cienka, że bez polaryzacji zewnętrznej E ≅ 10⁸ V/m.

W takim złączu przebicie Zenera może wystąpić już przy bardzo małym napięciu polaryzacji zaporowej a nawet przy polaryzacji przewodzenia.

Przy zwiększaniu dodatniego napięcia polaryzacji zewnętrznej, przebicie Zenera zanika (bo E↓). Dla powstrzymania zjawiska Zenera wystarcza napięcie przewodzenia 0,1÷0,2 V.

Przy dalszym zwiększaniu napięcia przewodzenia pojawia się wstrzykiwanie do warstwy zaporowej nośników mniejszościowych (co obniża barierę potencjału) a wtedy prąd wzrasta ponownie:

Symbol graficzny DT

 

DIODY IMPULSOWE

DI stosowane są głównie w układach impulsowych gdzie pełnią funkcję elementów przełączających (kluczy).

Element przełączający powinien charakteryzować się:

• bardzo małą rezystancją w stanie włączenia r_on

• bardzo dużą rezystancją w stanie wyłączenia r_off

• małą bezwładnością → krótkim czasem przełączania t_rr

Wymagania te spełniają:

- epitaksjalno-planarne (epiplanarne) złącza p-n domieszkowane złotem, dla których osiągalny czas przełączania wynosi około 0,1ns ⇒ f_gr≅10 GHz

• diody ze złączem metal-półprzewodnik np. złoto-german (m-s, nazywane diodami Schottky'ego), dla których f_gr≅100 GHz

• 
  diody ostrzowe, dla których f_gr≅2000 GHz

Schemat konstrukcyjny diody epitaksjalno-planarnej

Diody epitaksjalno-planarne (epiplanarne): na materiale wyjściowym typu n⁺ silnie domieszkowanym zwanym podłożem, osadza się cienką warstwę epitaksjalną o słabym domieszkowaniu, tego samego typu co podłoże. Warstwę epitaksjalną pokrywa się dwutlenkiem krzemu (SiO₂), a następnie przez specjalnie przygotowane okno w SiO₂ wprowadza się domieszkę donorową tworzącą obszar p. Na ten obszar nakłada się kontakt metalowy.

Schemat konstrukcyjny diody ostrzowej

Główną cechą diod ostrzowych jest bardzo mała powierzchnia złącza (rzędu od 10^-3 do 10^-4 mm²), związana w tym nieznaczna pojemność, dlatego diody ostrzowe można stosować w zakresie wielkich częstotliwości.

DIODA PROSTOWNICZA

DP stosuje się głównie w układach prostowniczych urządzeń zasilających, gdzie spełniają funkcję jednokierunkowego zaworu przekształcającego prąd przemienny w jednokierunkowy prąd pulsujący.

Charakterystyka diody prostowniczej

W projektowaniu układów prostowniczych należy uwzględnić wartości graniczne prądów i napięć:

1. Dopuszczalny średni prąd przewodzenia I_F(AV), jaki może przepływać przez diodę w kierunku przewodzenia. Wartości prądu I_F(AV) wynoszą od kilkudziesięciu mA do kilku kA.

2. Dopuszczalne średnie napięcie przewodzenia U_F(AV).

3. Maksymalne straty mocy P_max przy danej temperaturze otoczenia (zwykle 300K). Wynoszą one od kilkuset mW do kilku kW.

4. Dopuszczalna temperatura złącza T_jmax (dla diod germanowych 353K czyli 80°C, dla diod krzemowych 423K czyli 150°C).

5. Współczynnik prostowania k_pr

Współczynnik ten jest równy stosunkowi prądu przewodzenia do prądu wstecznego lub stosunkowi rezystancji wstecznej R_R do rezystancji przewodzenia R_F - przy jednakowych wartościach napięć przewodzenia i wstecznego, czyli:

Połączenie równoległe diod

Stosuje się je w celu zwiększenia obciążalności prądowej. Tak łączone diody powinny mieć identyczne charakterystyki w kierunku przewodzenia. Aby przez każdą z nich płynął jednakowy prąd wymaga to uprzedniej selekcji diod lub też wyrównania rozpływu prądów np. rezystorami.

Połączenie szeregowe diod

Stosuje się w celu zwiększenia dopuszczalnego napięcia wstecznego. Rozrzut charakterystyk wstecznych może doprowadzić do znacznych różnic w rozkładach napięcia na poszczególnych diodach. Konieczne jest zatem stosowanie układów wyrównujących rozkład napięć, np. dzielników rezystancyjno - pojemnościowych.

DIODA ELEKTROLUMINESCENCYJNA -LED

LED emituje promieniowanie optyczne wytwarzane w procesie rekombinacji promienistej nośników. Potrzebną energię nośniki uzyskują ze źródła zewnętrznego, polaryzującego diodę w kierunku przewodzenia. Rekombinujące nośniki, tracąc energię równą szerokości pasma zabronionego emitują promieniowanie o długości fali hf.

Właściwości diody LED

U_F - napięcie przewodzenia dla diody świecącej

na czerwono: ok. 1,6 V

na zielono: ok. 2,6 V

I_F(AV) - średni prąd przewodzenia: 20÷100 mA

U_RRM - maksymalne napięcie wsteczne: 3÷5 V

I_V - światłość jest proporcjonalna do prądu przewodzenia I_F

FOTODIODA

Działanie fotodiody jest oparte o zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne:

Czułość fotodiody zależy od długości fali padającego promieniowania i dla diod krzemowych jest największa dla fali około 0,7 μm.

W fotoogniwie, pod wpływem oświetlenia wytwarzana jest siła elektromotoryczna polaryzująca złącze w kierunku przewodzenia, a kierunek płynącego prądu jest przeciwny do kierunku przewodzenia diody.  

PODSTAWY ELEKTRONIKI Jacek Zientkiewicz

__________________________________________

POLITECHNIKA LUBELSKA 68

Symbol graficzny fotodiody

Symbol graficzny diody elektroluminescencyjnej - LED.

Barwa promieniowania zależy od rodzaju p.p. i domieszek. Diody IR wytwarzane są z GaAs domieszkowanego cynkiem Zn i krzemem Si. Diody z fosforku galu GaP emitują promieniowanie o barwie zielonej, a diody z arsenofosforku galu GaAsP o barwie czerwonej, pomarańczowej i żółtej.

Diody ostrzowe wykonuje się poprzez elektryczne wtopienie ostrza metalowego do półprzewodnika typu n. W procesie zgrzewania pod ostrzem tworzy się mikroobszar typu p. Na granicy obszaru z półprzewodnikiem powstaje złącze p-n.

Fotodiodę polaryzuje się zaporowo zewnętrznym źródłem napięcia. Padające na złącze kwanty energii jonizują atomy p.p. i w ten sposób zwiekszają liczbę swobodnych nośników w złączu p-n. Zatem przez fotodiodę płynie prąd wsteczny, który zwiększa się ze wzrostem strumienia świetlnego.

Dioda Schottky'ego spolaryzowana wstępnie w kierunku przewodzenia jest znacznie lepszym kluczem niż dioda ostrzowa ponieważ ma mniejszą rezystancję w kierunku przewodzenia r_on, większą rezystancję w kierunku zaporowym r_off, a także ma współczynnik szumów własnych oraz dużą stabilność pracy.

Poza wymienionymi zastosowaniami DT mogą być wykorzystywane w układach przełączających, do kształtowania impulsów o stromych zboczach.

Diody tunelowe są najczęściej wytwarzane z germanu i arsenku galu.

W pewnym zakresie napięć DT wykazuje ujemną konduktancję dynamiczną → zastosowanie DT do wzmacniania i generacji przebiegów elektrycznych, zwłaszcza w pasmie mikrofalowym (do kilkuset GHz).

W przypadku ogólnym, zarówno napięcie wejściowe jak i R_O są jednocześnie zminne.

Synteza (projektowanie) tego typu stabilizatorów znajdzie się w programie ćwiczeń audytoryjnych.

Ponieważ

układ stabilizuje zmiany napięcia wejściowego.

⇒

Przebicie Zenera nie niszczy złącza w odróżnieniu od przebicia lawinowego w zwykłym złączu bo złącze Zenera ma szerokość < długości średniej drogi swobodnej nośników (pomiędzy zderzeniami) → nie ma zderzeń nośników z siecią pp.

Charakterystyka diody Zenera

Pojemność dyfuzyjna zależy od wartości natężenia prądu płynącego przez złącze:

C_d ≈ I ≈ exp(U)

Należy zauważyć, że dla U < 0, C_d = 0.

Symbol graficzny diody pojemnościowej

R_S - szeregowa rezystancja p.p. i połączeń elektrycznych

L_S - szeregowa indukcyjność doprowadzeń diody

C₀ - pojemność „oprawki” diody

Ponieważ grubość warstwy zaporowej d zależy od napięcia polaryzacji zewnętrznej U, to pojemność bariery C_t jest funkcją U:

gdzie: K - współczynnik zależny od powierzchni przekroju złącza (okładek) i koncentracji domieszek.

bo I_D=-I_S

skąd dla T=300K

b) różniczkowej:

a) przyrostowej:

U=U₀

U=U₀

R_st zależy od warunków pomiaru czyli od usytuowania punktu pracy, co nie zachodzi w przypadku biernych rezystorów liniowych.

U=U₀

Symbol graficzny diody Zenera

Napięcie progowe U_(TO) wynosi 0,2 ÷ 0,3 V dla diod Ge, 0,6 ÷ 0,8 V a dla diod Si.

Napięcie przebicia U_(BR) i powtarzalne napięcie wsteczne U_RRM, przyjmowane jako 80% wartości napięcia przebicia. Wartości napięcia U_RRM wynoszą od kilku V do kilku kV.

---