1
DIODY PÓŁPRZEWODNIKOWE
Wpr_Dio/Zlą_pn2.doc,10s, 218kB
Dioda półprzewodnikowa jest najprostszym dwuzaciskowym dwustanowym
niesterowalnym przyrządem o pojedynczym złączu p-n.
1. Właściwości złączy p-n
6. Diody pojemnościowe
2. Rodzaje i parametry diod
7. Diody Zenera
3. Diody prostownicze
8. Diody elektroluminescencyjne
4. Diody impulsowe
9. Diody tunelowe
5. Diody Schottky’ego
Złączem nazywa się atomowo ścisły styk dwóch kryształów ciała stałego. Złącze
p-n stanowi warstwę przejściową między obszarem półprzewodnika typu p i
półprzewodnika typu n. Domieszki akceptorowe w obszarze typu p sprawiają, że
koncentracja dziur w tym obszarze jest większa niż elektronów. Natomiast
domieszki donorowi w obszarze typu n prowadzą do przewagi elektronów w tym
obszarze. (Rys. 1...)
Rys. 1. Złącze p-n bez polaryzacji: nośniki w obszarach p i n
Dziury w obszarze p stanowią nośniki większościowe, a elektrony w tym
obszarze nazywają nośnikami mniejszościowymi, natomiast w obszarze n
odwrotnie: elektrony stanowią nośniki większościowe, a dziury - nośniki
mniejszościowe.
Po zetknięciu dwóch obszarów elektrony z obszaru przyłączowego n
dyfundują do obszaru p, podobnie dziury z obszaru p przechodzą do obszaru n. W
wyniku tego w obszarach przyłączowych powstaje nadmiar ładunków jonów w
obszarze n oraz ładunku elektronów w obszarze p. (Rys. 1...)
Więc powstaje podwójna warstwa nie skompensowanych ładunków, nazywana
ładunkiem przestrzennym. Między nimi powstaje różnica potencjałów, nazywana
napięciem dyfuzyjnym Ud.
*
Bariera potencjału, nazywa się napięciem dyfuzyjnym w temperaturze
bliskiej pokojowej dla złączy krzemowej U
D
≈ 0,6÷0,8V,
a dla złączy germanowych U
D
≈ 0,1÷0,3V.
*W stanie równowagi prądy dyfuzyjne nośników większościowych jest równe
prądom unoszenia nośników mniejszościowych:
I
pd
+I
pu
=0; I
nd
+I
nu
= 0.
2
Rys. 2. Polaryzacja złącza w kierunku przewodzenia, tzn. tak, że do obszaru p jest
dołączony biegun dodatni źródła zasilania,, a do obszaru n – ujemny
Bariera potencjału zmniejsza się do wartości U
D
-U
z.
Zmniejszenie bariery
potencjału powoduje wzrost prądu dyfuzyjnego, w obwodzie zewnętrznym płynie
prąd
1
U
U
s
D
z
T
z
e
I
R
U
U
I
,
gdzie
U
T
=
mV
26
q
kT
- oznacza tzw. potencjał termodynamiczny, wynoszący
26mV przy 300 K; I
S
– prąd zerowy (nasycenia) złącza.
Prądy unoszenia (prąd wsteczny) I
pu
i I
nu
pozostają przy tym praktycznie
niezmienne. Jest on dość mały (10
-6
÷10
-12
)A.
Rys. 3. Złącze p-n spolaryzowane w kierunku wstecznym I
u
Napięcie zewnętrzne U
z
ma kierunek zgodny z napięciem U
D
. Zwiększa się bariera
potencjału, która powoduje zmniejszenie dyfuzji nośników. Bariera nie stanowi
przeszkody dla przepływu prądu unoszenia – prądu wstecznego. Jest on jednak
niewielki (10
-6
÷10
-12
)A i nieznacznie zależy od wartości napięcia zewnętrznego.
3
RODZAJE I PARAMETRY DIOD
Dwa podstawowe rodzaje to diody ostrzowe i warstwowe.
Główna cechą diod ostrzowych jest bardzo mała powierzchnia złącza
(rzędu 10
-3
÷10
-4
mm
2
) i związana z tym nieznaczna pojemność. Dlatego
diody ostrzowe można stosować w zakresie wielkich częstotliwości.
Z punktu widzenia użytkownika najważniejszy jest podział diod
związany z ich zastosowaniem. Według tego kryterium wyróżnia się
diody prostownicze, diody uniwersalne, diody impulsowe, diody
stabilizacyjne, diody pojemnościowe itp.
Rys. 5. Symbole graficzne diody: a) symbol ogólny; b) symbol diody tunelowej;
c) stabilizacyjnej; d) pojemnościowej; e) fotodiody;
f) diody elektroluminescencyjnej
4
Charakterystyka prądowo-napięciowa diody proswowniczej
Rys. 6. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody prostowniczej:
a) rzeczywista; b) aproksymująca
U
T0
- napięcie progowe, poniżej którego prąd ma bardzo małą wartość,
dla diod germanowych jest rzędu 0,2÷ 0,3V, a dla diod
krzemowych rzędu 0,6 … 0,8 V.
U
BR
– napięcie przebicia (patrz Rys.6);
U
Rmax
– maksymalne napięcie wsteczne, określane jako równe
np. 0,8U
BR
;
I
Rmax
– często podaje się maksymalny prąd wsteczny.
DLA KIERUNKU PRZEWODZENIA ZWYKLE WYMIENIA SIĘ:
I
F
– wartość prądu płynącego przez diodę przy określonym napięciu U
F
(0,5 lub 1V);
I
F AV
– dopuszczalny prąd średni, jaki może przepływać przez diodę (te
wartości wynoszą od kilkudziesięciu mA do kilku kA);
U
F AV
– dopuszczalne średnie napięcie przewodzenia;
P
tot max
– maksymalne straty mocy przy danej temperaturze otoczenia
(zwykle 298 K, czyli 25
0
C);
5
Ze względu na dopuszczalne straty mocy diody prostownicze dzieli się
na:
P
tot max
< 1 W
– diody malej mocy;
1 W < P
tot max
< 10 W
– diody średniej mocy;
10 W < P
tot max
– diody dużej mocy;
T
j max
– dopuszczalna temperatura złącza (dla diod germanowych
stanowi ok. 353 K, czyli 80
0
C, dla diod krzemowych ok. 423 K, czyli
150
0
C).
*Temperatura diody T
j
, moc wydzielana w diodzie P
tot
i temperatura
otoczenia T
a
są związane za sobą zależnością
Tj = P
tot
R
th
+ T
a
(*)
gdzie R
th
– rezystancja cieplna, określona jako spadek temperatury na
drodze ciepła, przypadający na 1W mocy.
Rys. 7. Obudowy diod prostowniczych produkcji polskiej:
a) malej mocy; b) średniej mocy; c) dużej mocy
6
RADIATORY. Moc wydzielana w diodzie i jej temperatura są związane
ze sobą. W celu odprowadzenia ciepła z obudowy do otoczenia
energetyczne diody wyposaża się w radiatory .
DIODY PROSTOWNICZE
Dążenie do osiągnięcia jak najwyższych dopuszczalnych prądów
przewodzenia zmusza konstruktorów do budowania diod warstwowych
o dużych powierzchniach złącza. Ich dopuszczalne prądu sięgają około
tysięcy amperów.
Należy jednak mieć na uwadze wzrost pojemności dyfuzyjnej C
d
oraz złączowej C
j
bocznikujące złącze. W szczególności zmagazynowany
w złączu ładunek nośników mniejszościowych przy zmianie polaryzacji
może powracać przez barierę potencjału i dawać w wyniku efekt
„przeciągania sygnału” (patrz Rys.8). Do opisania tego zjawiska służy
parametr t
rr
, zwany czasem odzyskiwania zdolności zaworowej.
Pasożytnicze pojemności złącza można zmniejszyć ograniczając
jego powierzchnie oraz stosując półprzewodniki charakteryzujące się
krótkim czasem rekombinacji, jak również minimalizując obszar
przyłączowy o niewielkiej koncentracji domieszek, co zapobiega
gromadzenie się nośników mniejszościowych.
*Ograniczenie powierzchni złącza związane jest jednak ze
zmniejszeniem dopuszczalnego prądu diody.
7
*Dlatego diody o małych czasach t
rr
nie mogą być stosowane przy
wielkich natężeniach prądów i odwrotnie: diody o dużych prądach nie są
szybkie.
Rys.8. P rzebiegi przy przełączaniu diody (t
rr
– czas odzyskiwania
zdolności zaworowej)
W celu zwiększenia obciążalności prądowej stosuje się połączenie
równoległe diod prostowniczych. Tak łączone diody powinny mieć
identyczne charakterystyki w kierunku przewodzenia, aby przez każdą z
nich płynął jednakowy prąd (Rys.9,a). Wymaga to uprzedniej selekcji
diod lub wyrównania prądów np. rezystorami (Rys.9,b).
Rys.9. Połączenie równoległe diod:
a) prądy diod o różnych charakterystykach statycznych;
b) schemat układu z rezystorami wyrównującymi rozpływ prądu
8
Połączenie szeregowe diod stosuje się w celu zwiększenia dopuszczalnego
napięcia wstecznego. Rozrzut charakterystyk wstecznych może
doprowadzić do znacznych różnic w rozkładach napięcia wstecznego na
poszczególnych diodach (Rys.10,a). Konieczne jest zatem stosowanie
dzielników rezystancyjno -pojemnościowych, wyrównujących rozkład
napięć.
Rys.10. Połączenie szeregowe diod:
a) rozkład napięć na diodach o różnych charakterystykach statycznych;
b) schemat układu z dwójnikami RC wyrównującymi rozkład napięć
9
DIODY IMPULSOWE są przeznaczeni do pracy w układach
impulsowych, wyróżniające się bardzo szybką reakcją na zmiany
polaryzacji napięć zasilania.
Jako diody impulsowe stosowano diody ostrzowe, wyróżniające się
małą powierzchnią złącza (rzędu 10
-3
÷10
-4
mm
2
) i związaną z tym
nieznaczną pojemnością dyfuzyjną złącza C
d
.
Im mniejsza jest pojemność C
d
, tym mniejsza wartość czasu
odzyskiwania właściwości zaworowych t
rr
.(tzn. praktycznie zerowa)
oraz tym mniejsze są zniekształcenia przekazywanych impulsów
elektrycznych.
W nowoczesnych diodach impulsowych wykorzystuje się złącza p-n
domieszkowane złotem oraz złącza m-p (diody Szottky’ego) , czasy
przełączania których jest mniejszy niż 1ns (1ns =1∙10
-9
s).
Układy do oceny parametrów dynamicznych diody
(czasu załączania i czasu wyłączania)
Rys.11. Ocena czasy wyłączania diody:
a)schemat układu przełączania diody w kierunku wstecznym;
b) przebiegi napięcia i prądu diody przy przełączaniu diody w kierunku
wstecznym
10
Rys.12. Ocena czasy załączania diody:
a) schemat układu przełączania diody w kierunku przewodzenia;
b) przebiegi napięcia i prądu diody