Jonizacja. Kiedy atom absorbuje energię ze źródła ciepła lub światła, poziomy energetyczne elektronów podnoszą się. Elektron pobiera energię
i przechodzi na orbitę położoną dalej od jądra.

Jeśli elektron walencyjny zaabsorbuje dostateczną ilość energii, może zostać całkowicie oderwany z powłoki zewnętrznej i znaleźć się poza wpływem atomu. Oderwanie elektronu walencyjnego pozostawia atom, który był poprzednio neutralny, z nadmiarem ładunku dodatniego.

Proces utraty elektronu walencyjnego - jonizacja Zakaz Pauliego (1925) - w atomie, a tym bardziej w krysztale zawierającym wiele atomów, nie mogą występować dwa elektrony o identycznych stanach energetycznych.

Każdy poziom energetyczny rozszczepia się na tyle podpoziomów, ile atomów występuje w rozważanej strukturze.

Energetyczny model pasmowy ciała stałeho:Pasmo przewodnictwa – odpowiada wartościom energii, przy których elektrony stają się swobodnymi
i mogą brać udział w procesie przewodzenia prądu elektrycznego.

Pasmo zabronione – obszar między pasmem walencyjnym a pasmem przewodnictwa o odstępie Wg (Wg_Ge =0,68 eV, Wg_Si =1,08eV), którego elektrony nie mogą obsadzać.

Pasmo walencyjne - odpowiada wartościom energii elektronów walencyjnych.

Półprzewodnik samoistny (intrinsic semiconductor) – idealnie czysty, nie zawierający żadnych domieszek ani defektów sieci krystalicznej. Nośniki swobodne powstają tylko w wyniku generacji par elektron - dziura.

Półprzewodnik domieszkowany (extrinsic semiconductor ) – półprzewodnik zawierający celowo wprowadzone atomy innego pierwiastka , tzw. domieszki.
Wyróżnia się 2 rodzaje domieszek:
- donorowe
- akceptorowe

Tworzenie złącza p-n

• pewna część elektronów przechodzi
  z obszaru n do obszaru p (dyfuzja)

• pewna część dziur przechodzi
  z obszaru p do obszaru n (dyfuzja)

• w obszarze p pozostaje nadmiar nieruchomych jonów ujemnych

• w obszarze n pozostaje nadmiar nieruchomych jonów dodatnich

• wytwarza się obszar ładunku przestrzennego, hamujący dalszy przepływ nośników

• tworzy się pole elektryczne hamujące, reprezentowane przez barierę potencjałów, której wysokość nazywa się napięciem dyfuzyjnym

Wysokość bariery potencjałów nazywa się

napięciem dyfuzyjnym UD.Jest to wielkość

charakterystyczna dla danego rodzaju półprzewodnika:

Si: UD ≈ 0.7V Ge: UD ≈ 0.3V

Polaryzacja w kierunku zaporowym

• elektrony z obszaru n są przyciągane przez biegun dodatni źródła zewnętrznego;

• dziury z obszaru p są przyciągane przez biegun ujemny źródła zewnętrznego;

• warstwa zaporowa rozszerza się,
  co powoduje wzrost rezystancji wewnętrznej złącza.

• bariera potencjałów rośnie o wartość napięcia zewnętrznego;

• polaryzacja zaporowa sprzyja przepływowi bardzo niewielkiego prądu unoszenia, związanego z nośnikami mniejszościowymi, który nasyca się przy wzroście napięcia zewnętrznego.

Polaryzacja w kierunku przewodzenia

• elektrony z obszaru n są odpychane przez biegun ujemny źródła zewnętrznego w kierunku warstwy zaporowej;

• dziury z obszaru p są odpychane przez biegun dodatni źródła zewnętrznego
  w kierunku warstwy zaporowej;

• warstwa zaporowa zwęża się.

• bariera potencjałów maleje o wartość napięcia zewnętrznego

• polaryzacja przewodzenia sprzyja przepływowi coraz większego prądu dyfuzji, związanego z nośnikami większościowymi, który bardzo szybko narasta przy wzroście napięcia zewnętrznego

Przebicie złącza p-n

Przebicie - zjawisko gwałtownego wzrostu prądu przy polaryzacji złącza
w kierunku zaporowym napięciem większym niż pewna charakterystyczna dla danego złącza wartość, zwana napięciem przebicia.

Przebicie Zenera

Zjawisko Zenera - inaczej emisja wewnętrzna – jonizacja elektrostatyczna polegająca na wyrwaniu elektronu
z wiązania kowalencyjnego atomów
w sieci krystalicznej pod wpływem wielkiej wartości natężenia pola elektrycznego w cienkiej warstwie zaporowej przy polaryzacji złącza
w kierunku zaporowym.

Przebicie lawinowe

Inicjowane jest jonizacją zderzeniową. Swobodny nośnik ładunku, rozpędzony w silnym polu elektrycznym rozrywa wiązanie atomów w sieci krystalicznej. Powstaje para nośników elektron-dziura, które przyspieszane w polu elektrycznym mogą uzyskać energię kinetyczną, wystarczającą do jonizacji zderzeniowej. Liczba nośników jest powielana lawinowo.

Jeżeli szerokość warstwy zaporowej jest znacznie większa niż droga swobodna elektronu (droga między dwoma zderzeniami), to liczba nośników swobodnych powiela się w sposób lawinowy, powodując wzrost wartości prądu.

Przebicie odwracalne i nieodwracalne

-Przebicie Zenera i lawinowe nie powodują bezpośrednio uszkodzenia złącza. Są zjawiskami odwracalnymi.

-Przebicie cieplne, podczas którego
w złączu wydziela się zbyt duża moc
i nadmierna ilość ciepła, powoduje trwałe uszkodzenie złącza. Jest zjawiskiem nieodwracalnym (destruktywnym).

Diody

1. Półprzewodnik typu n

2. Półprzewodnik typu p

3. Obudowa hermetyczna

4. Elektroda metalowa

5. Doprowadzenia

Klasyfikacja diod

a)Materiał

-germanowe U_D=0,3V

-krzemowe U_D=0,7V

-A III B V (np. Ga As) U_D>1V

b)konstrukcja:

-ostrzowe;

-mesa;

-planarne;

-epiplanarne.

c)rodzaje zlacz:

• ze złączem p-n

• ze złączem m-s (Schottky’ego)

• ze złączem p-i-n (z warstwą półprzewodnika samoistnego)

• p+-n, p-n+, n+-n (z półprzewodnikiem zdegenerowanym)

• z heterozłączem ( z różnych półprzewodników)

d)Zastosowania:

• Prostownicze

• Uniwersalne

• Impulsowe

• Stabilitrony

• Pojemnościowe

• Tunelowe

• Fotodiody

• Elektroluminescencyjne

• Mikrofalowe

Diody Zenera:

Parametry charakterystyczne

• napięcie przewodzenia UF przy określonym prądzie przewodzenia IF

• prąd wsteczny IR przy określonym napięciu wstecznym UR (najczęściej przy UR = 1V)

• napięcie stabilizacji UZ (napięcie Zenera) – definiowane zwykle jako napięcie odpowiadające 10% maksymalnego prądu stabilizacji

Dopuszczalne parametry graniczne

• maksymalny stały prąd przewodzenia IFM

• maksymalny dopuszczalny prąd stabilizacji Izmax, najczęściej wyznaczany z ilorazu maksymalnej mocy strat do napięcia stabilizacji

• maksymalna moc strat (moc admisyjna) Pad (maksymalna wartość iloczynu prądu przez napięcie stałe, przy którym dioda może pracować w sposób długotrwały)

Dioda pojemnościowe

• Diody pojemnościowe używane są jako pojemności sterowane napięciem.

• Wykorzystują pojemność własną warstwy zaporowej złącza p-n, spolaryzowanego zaporowo.

• Obszary p i n pełnią funkcje okładek kondensatora.

• Warstwa zaporowa działa jak dielektryk

Parametry charakterystyczne

• pojemność złącza Cj przy określonych częstotliwości i napięciu polaryzacji wstecznej (zwykle przy napięciu bliskim wartości maksymalnej URmax)

• prąd wsteczny IR przy określonym napięciu wstecznym UR (najczęściej przy UR = URmax)

• stosunek pojemności Cj przy dwu różnych wartościach napięcia polaryzacji wstecznej: Cmax przy napięciu bliskim zera (UR) i Cmin przy napięciu bliskim wartości maksymalnej (URmax)

zastosowanie

• warikapy (VARIable CAPacitance) – elementy o zmiennej pojemności, stosowane głównie w układach automatycznego (elektrycznego napięciowego) przestrajania obwodów rezonansowych

• waraktory (VARiable reACTOR) – elementy o zmiennej reaktancji spełniające funkcję elementów czynnych w układach parametrycznych – często nazywane diodami parametrycznymi.

Dioda Schottky’ego

• Dioda Schottky’ego jest zbudowana przez połączenie obszaru półprzewodnika domieszkowanego (typu n) z metalem (złoto, srebro, platyna). Stąd nazwa złącze m-s (metal – semiconductor)

• Operuje tylko na nośnikach większościowych, dzięki czemu charakteryzuje się bardzo małym czasem przełączania

Zasada działania

Elektrony z obszaru n są wstrzykiwane do obszaru metalu, gdzie bardzo szybko tracą nadmiar energii. Ponieważ nie ma tu nośników mniejszościowych, odpowiedź na zmianę napięcia polaryzującego jest bardzo szybka.

Diody elektroluminescencyjne

• Dioda elektroluminescencyjna (LED, Light Emitting Diode) emituje strumień fotonów
  w wyniku zamiany energii elektrycznej
  na energię świetlną: elektrony pobierają energię elektryczną ze źródła zasilającego diodę, a oddają energię prądu świetlnego wskutek procesu rekombinacji

• emituje promieniowanie widzialne lub podczerwone przy polaryzacji w kierunku przewodzenia

zasada działania

Przy polaryzacji w kierunku przewodzenia elektrony
z obszaru n przechodzą przez złącze i rekombinują
z dziurami w obszarze p.
W wyniku rekombinacji następuje emisja energii
w postaci promieniowania podczerwonego lub światła widzialnego – elektroluminescencja.

przykłady zastosowań

• wskaźniki, wyświetlacze
  w urządzeniach wszelkiego rodzaju,
  od komercyjnych do aparatury naukowo-badawczej

• wskaźniki 7-segmentowe

• fotoemitery w sprzężeniach optycznych (światłowody)

Fotodiody

• złącze p-n, w którym wykorzystuje się zjawisko generowania mniejszościowych nośników ładunku pod wpływem energii świetlnej

• pracuje przy polaryzacji w kierunku
  zaporowym i oświetlona przez specjalne okienko w obudowie, wykonane
  w postaci soczewki kwarcowej

• przez fotodiody w stanie nieoświetlonym przepływa nieznaczny prąd wsteczny zwany prądem ciemnym powstały wskutek istnienia w złączu nośników mniejszościowych, generowanych termicznie

Zasotsowanie:

• w urządzeniach komutacji optycznej

• w układach zdalnego sterowania

• w szybkich przetwornikach analogowo – cyfrowych

• w układach pomiarowych wielkości elektrycznych i nieelektrycznych np. do pomiaru wymiarów, odległości, stężeń i zanieczyszczeń roztworów, częstotliwości i amplitudy drgań, naprężeń itp.