Dioda i zjawisko Zenera
Dioda Zenera – dioda ta zachowuje się w
kierunku przewodzenia jak zwykła dioda
półprzewodnikowa,ale ma bardzo dokładnie
określone napięcie przebicia w kierunku
zaporowym.Diod tych używa się do pracy w
kierunku zaporowym i wykorzystuje się tzw.
napięcie Zenera Uz(napięcie, przy którym prąd
wsteczny diody gwałtownie rośnie). Dlatego
szeregowo z diodą Zenera należy łączyć
opornik lub inny element ograniczający prąd.
Dopuszczalne napięcie wsteczne diody
jest ograniczone przez napięcie przebicia,
zwane napięciem Zenera (UZ). Dla wysokich
napięć zaporowych natężenie pola
elektrycznego jest tak duże, że generowane w
złączu nośniki są przyspieszane do energii, przy
których zderzając się z siecią krystaliczną
powodują generację wtórnych par elektron-
dziura, które są dalej powielane itd. W
rezultacie w złączu powstaje lawina nośników i
złącze przewodzi. Dla bardzo silnych pól w
złączu dodatkowo zachodzi efekt uwalniania
nośników z sieci krystalicznej w wyniku
odkształcenia pola wiążącego jony. Po
przekroczeniu napięcia przebicia prąd diody
gwałtownie zwiększa się. Dzielnik napięcia z
diodą Zenera wykorzystuje się do stabilizacji
napięć.
Przebicie Zenera występuje w złączach silnie
domieszkowanych, tzn. takich w których
koncentracja domieszek (akceptorów i
donorów) jest bardzo duża i zachodzi dla
napięć wstecznych mnieszych od 5-6V.
Dioda LED
Dioda zaliczana do półprzewodnikowych
przyrządów optoelektronicznych, emitujących
promieniowanie w zakresie światła widzialnego,
jak i podczerwieni.
Działanie diody LED opiera się na zjawisku
rekombinacji nośników ładunku (rekombinacja
promienista). Zjawisko to zachodzi w
półprzewodnikach wówczas, gdy elektrony
przechodząc z wyższego poziomu
energetycznego na niższy zachowują swój
pseudo-pęd. Jest to tzw. przejście proste.
Podczas tego przejścia energia elektronu
zostaje zamieniona na kwant promieniowania
elektromagnetycznego. Przejścia tego rodzaju
dominują w półprzewodnikach z prostym
układem pasmowym, w którym minimum
pasma przewodnictwa i wierzchołkowi pasma
walencyjnego odpowiada ta sama wartość
pędu.
Dioda pojemnościowa
Dioda pojemnościowa - dioda
półprzewodnikowa, w której wykorzystuje się
zjawisko zmiany pojemności złącz P-N pod
wpływem zmiany napięcia przyłożonego w
kierunku zaporowym. Konstrukcja złącz
stosowanych w diodach pojemnościowych jest
specjalnie przystosowane do wykorzystania tej
właściwości; półprzewodnik z jakiego
wykonywane są diody to zazwyczaj krzem lub
arsenek galu.
Wyróżnia się dwa rodzaje diod
pojemnościowych:
- Warikapy (od variable capacitance, zmienna
pojemność) są używane głównie w układach
automatycznego strojenia, jako elementy
obwodów rezonansowych. Pojemności rzędu 10
- 500pF.
- Waraktory (od variable reactor, zmienna
reaktancja (elektryczność)), pojemności rzędu
0,2 - 20pF. Używane głównie w zakresie
wysokich częstotliwości, jak również
mikrofalowym (5 - 200 GHz). Znajdują
zastosowanie np. w powielaczach częstotliwości
Dioda tunelowa
Dioda tunelowa, rzadziej dioda Esakiego -
dioda półprzewodnikowa, która dla pewnego
zakresu napięć polaryzujących charakteryzuje
się ujemną rezystancją dynamiczną.
Charakterystka prądowo-napięciowa diody
tunelowej
Taką charakterystykę uzyskuje się w złączach
silnie domieszkowanych, wówczas możliwe jest
przejście tunelowe nośników z pasma
walencyjnego do pasma przewodzenia zarówno
z obszaru półprzewodnika typu p+ do n+, jak i
z obszaru n+ do p+, także przy polaryzacji
złącza w kierunku przewodzenia (porównaj ze
zjawiskiem Zenera). Czas tunelowego przejścia
nośników jest rzędu 10 − 13s dlatego diody
tego typu wykorzystuje się do wytwarzania,
wzmacniania i detekcji słabych drgań wysokich
częstości (rzędu kilkuset gigaherców), w
układach impulsowych (np. cyfrowych) oraz
jako elementy aktywne generatorów.
Diody tunelowe wykonywane są z krzemu,
arsenku galu, antymonku galu, oraz obecnie
już niezbyt często z germanu.
Dioda wsteczna
Dioda wsteczna (odwrócona, zwrotna,
jednotunelowa) - dioda półprzewodnikowa,
której charakterystyka jest bardzo zbliżona do
idealnego zaworu (jeśli pracuje w kierunku
polaryzacji zaporowej). Z tego powodu jest
stosowana do detekcji i mieszania sygnałów.
Konstrukcyjnie diody wsteczne są podobne do
diod tunelowych, z tym, że z powodu słabszego
domieszkowania złącza znika
charakterystyczny punkt szczytowy.
Fotodioda
Fotodioda jest zbudowana podobnie jak
zwykła dioda krzemowa. Różnica jest w
obudowie, gdyż znajduje się tam soczewka
płaska lub wypukła, umożliwiająca oświetlenie
jednego z obszarów złącza. Fotodiody
wykonuje się z krzemu lub arsenku galu.
Fotodiodę można traktować jako źródło prądu o
wydajności zależnej od natężenia oświetlenia.
Fotodiodę polaryzuje się zaporowo
zewnętrznym źródłem napięcia. Pod wpływem
oświetlenia przez fotodiodę płynie prąd
wsteczny, który zwiększa się ze wzrostem
oświetlenia. Przy braku oświetlenia przez
fotodiodę płynie niewielki ciemny prąd
wsteczny I0 wywołany generacją termiczną
nośników. Prąd ten narasta liniowo wraz ze
wzrostem wartości napięcia wstecznego.
Półprzewodniki
Półprzewodniki - najczęściej substancje
krystaliczne, których konduktywność (zwana
też konduktancją właściwą) jest rzędu 10-8 do
106 S/m (simensa na metr), co plasuje je
między przewodnikami a dielektrykami.
Wartość rezystancji półprzewodnika maleje ze
wzrostem temperatury. Półprzewodniki
posiadają pasmo wzbronione między pasmem
walencyjnym a pasmem przewodzenia w
zakresie 0 - 5 eV (np. Ge 0,7 eV, Si 1,1 eV ,
GaAs 1,4 eV, GaN 3,4 eV). Koncentracje
nośników ładunku w półprzewodnikach można
zmieniać w bardzo szerokich granicach,
zmieniając temperaturę półprzewodnika lub
natężenie padającego na niego światła lub
nawet przez ściskanie lub rozciąganie
półprzewodnika.
W przemyśle elektronicznym najczęściej
stosowanymi materiałami półprzewodnikowymi
są pierwiastki grupy 14 (np. krzem, german)
oraz związki pierwiastków grup 13 i 15 (np.
arsenek galu, azotek galu, antymonek indu)
lub 12 i 16 (tellurek kadmu). Materiały
półprzewodnikowe są wytwarzane w postaci
monokryształu, polikryształu lub proszku.
Półprzewodniki związków chemicznych
Właściwości półprzewodnikowe wykazuje
szereg materiałów w postaci podwójnych
związków typu A(x)B(8-x), gdzie x oznacza
grupę do której należą pierwiastki A, a (8-x)
grupę do której należą pierwiastki B. Związki
typu A(1)B(7) to np. CuBr, KBr, LiF ale bez
szerszego zastosowania związki A(2)B(6) to
tlenki, siarczki, selenki i tellurki metali drugiej
grupy, z których najważniejsze to: CdS, ZnS,
CdSe, ZnSe, HgSe, CdTe, HgTe Zwiazki
A(3)B(5), o szerokim zastosowaniu w
elektronice, takie jak azotki, fosforki, arsenki i
antymonki aluminium, galu, indu: GaAs, GaP,
GaN, InSb, InP, AlAs Zwiazki A(4)B(4), w tym
głównie SiC i SiGe Z innych związków należy
wymienić A(4)B(6): PbS, PbSe, PbTe oraz
związki bardziej złożone i roztwory stałe
GaAlAs, GaAsP, InGaSb, InCdSeTe.
Półprzewodniki typu n i typu p
Wprowadzenie domieszki produkującej
nadmiar elektronów (w stosunku do ilości
niezbędnej do stworzenia wiązań) powoduje
powstanie półprzewodnika typu n, zaś
domieszka taka nazywana jest domieszką
donorową. W takim półprzewodniku powstaje
dodatkowy poziom energetyczny (poziom
donorowy) położony w obszarze energii
wzbronionej bardzo blisko dna pasma
przewodnictwa, lub w samym paśmie
przewodnictwa. Nadmiar elektronów jest
uwalniany do pasma przewodnictwa (prawie
pustego w przypadku półprzewodników
samoistnych) w postaci elektronów
swobodnych zdolnych do przewodzenia prądu.
Mówimy wtedy o przewodnictwie
elektronowym, lub przewodnictwie typu n (z
ang. negative - ujemny).
Wprowadzenie domieszki produkującej
niedobór elektronów (w stosunku do ilości
niezbędnej do stworzenia wiązań) powoduje
powstanie półprzewodnika typu p, zaś
domieszka taka nazywana jest domieszką
akceptorową. W takim półprzewodniku
powstaje dodatkowy poziom energetyczny
(poziom akceptorowy) położony w obszarze
energii wzbronionej bardzo blisko wierzchołka
pasma walencyjnego, lub w samym paśmie
walencyjnym. Poziomy takie wiążą elektrony
znajdujące się w paśmie walencyjnym (prawie
zapełnionym w przypadku półprzewodników
samoistnych) powodując powstanie w nim
wolnych miejsc. Takie wolne miejsce nazwano
dziurą elektronową. Zachowuje się ona jak
swobodna cząstka o ładunku dodatnim i jest
zdolna do przewodzenia prądu. Mówimy wtedy
o przewodnictwie dziurowym, lub
przewodnictwie typu p. Dziury, ze względu na
swoją masę efektywną, zwykle większą od
masy efektywnej elektronów, mają mniejszą
ruchliwość a przez to oporność materiałów typu
p jest z reguły większa niż materiałów typu n.
Prąd zerowy (ruch nośników
mniejszościowych w PN)
W złączu mogą przepływać również nośniki
mniejszościowe - jest to prąd unoszenia i jego
zwrot jest przeciwny do zwrotu prądu
dyfuzyjnego. Ze względu na niską koncentrację
nośników mniejszościowych wartość prądu
unoszenia jest niewielka,rzędu mikroamperów
(10^-6), a nawet pikoamperów (10^-12).
Punkt pracy
Punkt pracy – punkt na charakterystyce
danego urządzenia lub elementu, w którym
zachodzi jego działanie i w którym mogą zostać
określone chwilowe parametry pracy takiego
urządzenia lub elementu.
Charakterystyka pracy może obejmować
dowolne wielkości fizyczne: napięcie
elektryczne, ciśnienie gazu, temperaturę itp.
Określenie punktu pracy danego urządzenia lub
elementu jest istotne z uwagi na parametry
własne urządzenia, jak również i parametry
obwodu w jaki dane urządzenie (element) jest
włączone. W przypadku parametrów własnych
istotne jest określenie optymalnego punktu
pracy, dla którego występują najlepsze
pożądane własności, lub dla którego żywotność
elementu jest najdłuższa itp.
Większość maszyn, urządzeń i elementów ma
określony (przez producenta) nominalny punkt
pracy, który gwarantuje poprawną i
bezawaryjną pracę, najdłuższą żywotność,
maksymalną sprawność itp. Określenie
nominalnego punktu pracy nie jest zawsze
zagadnieniem prostym do rozwiązania. W
przypadku złożonych i nieliniowych systemów
istnieje bardzo wiele czynników jakie należy
wziąć pod uwagę. W takim przypadku
znalezienie globalnego minimum jest bardzo
trudne, a czasami nawet niemożliwe.
Rekombinacja par dziura - elektron
W stanie równowagi termodynamicznej tj.
gdy z zewnątrz nie przyłożono żadnego pola
elektrycznego, w pobliżu styku obszarów P i N
swobodne nośniki większościowe
przemieszczają się (dyfundują), co
spowodowane jest różnicą koncentracji
nośników. Gdy elektrony przemieszczą się do
obszaru typu P, natomiast dziury do obszaru
typu N (stając się wówczas nośnikami
mniejszościowymi) dochodzi do rekombinacji z
nośnikami większościowymi, które nie przeszły
na drugą stronę złącza.Rekombinacja polega na
"połączeniu" elektronu z dziurą, a więc
powoduje "unieruchomienie" tych dwu
swobodnych nośników.
