1

4. Poluprovodnike diode

Dioda je poluprovodnika komponenta koja poseduje usmerako svojstvo. Usmerako svojstvo diode ogleda se u injenici da provodi znaajnu struju samo u

jednom smeru, od anode A ka katodi K. Anoda je kontakt na P strani, a katoda

kontakt na N strani PN spoja.

Dioda i njena ematska oznaka: A anoda (P-tip), K katoda (N-tip)

Statika strujno-naponska karakteristika diode dobija se mnoenjem gustine struje

PN spoja, ( 1)D

T

V

V

SJ J e , 2 ( )NPS i

P d N a

DDJ qn

L N L N , sa povrinom PN spoja:

/ /1 1D T D TD S SV V V VI J S J S e I e , gde je:

SI - inverzna struja zasienja diode, (treba da bude to je mogue manja!),

/ 26[mV]TV kT q termiki napon za Si poluprovodnik na 3000K,

DV - napon na diodi (uvek u smeru anoda-katoda D AKV V ! ).

Statika karakteristika diode i principsko kolo za snimanje

DV - napon na diodi kada provodi znaajnu struju, tipino 0.6 0.7[V]DV

DTV V - napon praga provoenja diode, tipino 0.5 0.6[V]DTV V ,

DBV - probojni napon diode, od nekoliko volti do nekoliko stotina volti.

Vremenski promenljive veliine obeleavaju se malim slovima, a vremenski konstantne

(jednosmerne) veliine velikim poetnim slovima. Prethodna relacija vai i za spore

+

2

promene napona diode Dv i struje diode Di , kada glasi / 1D TD S v Vi I e , pri direktnoj i

inverznoj polarizaciji diode, ali ne vai u oblasti proboja.

Reim rada kada su naponi i struje na komponenti vremenski konstantni naziva se statiki reim.

Statika karakteristika diode lako se snima pomou principske eme sa prethodne slike.

Statika karakteristika diode zavisi od temperature diode. Sa porastom temperature raste

inverzna struja saturacije spoja IS i opada napon na provodnoj diodi VD.

Reavanje jednostavnih kola sa diodama statiki reim

Za kolo sa slike vai:

/ 1D TD S v Vi I e , zavisnost trenutne vrednosti struje od napona na diodi (eksponencijalna kriva).

D DD Dv V Ri , tj. ( ) /D DD Di V v R jednaina naponske ravnotee (radna prava).

Zbog prirode jednaina najjednostavnije je grafiki reiti dati sistem. U preseku

karakteristike diode (eksponencijalna kriva) i radne prave nalazi se tzv. (mirna) radna

taka diode ( , )DQ DQQ V I ije koordinate DQV i DQI odreuju napon i struju diode u kolu

sa slike. Ipak, grafiki metod reavanja je krajnje nepraktian i neprecizan.

Kako se gornji sistem sastavljen od jedne linearne i jedne nelinearne jednaine ne moe

tano reiti u zatvorenom obliku, pribegava se numerikom reavanju sa zadatom

tanou. Ovakav pristup je zahvaljujui digitalnim raunarima danas veoma popularan.

Numeriko reavanje je raunski isuvie intenzivno za oveka, pa se u praktinim

primenama esto koriste jednostavniji modeli diode.

Idealna dioda (naponom kontrolisani idealni prekida)

Statika karakterisitka idealne diode

Model idealne diode je naponom

kontrolisani idealni prekida.

vDVDD

R

D

+

iD

provodi

zatvoren prekida

ne provodi

otvoren prekida

3

Kada je direktno polarisana dioda se ponaa kao zatvoreni prekida.

Kada je inverzno polarisana dioda se ponaa kao otvoreni prekida.

Na idealnoj diodi nema pada napona kada provodi, niti proticanja struje kada ne provodi.

Takoe, njen probojni napon je beskonano veliki.

Linearizovani model diode

Dioda provodi kada napon direktne

polarizacije premai prag provoenja

PN spoja DTV V , tj. kada spoljanji

napon polarizacije premai napon

potencijalne barijere PN spoja.

VD je pad napona na diodi u reimu

provoenja znaajnih struja, tipino

0.6 0.7[V]DV .

Model diode se onda moe predstaviti

ekvivalentnim kolom sa slike:

Generalizovani linearni model diode

Statika karakteristika diode se aproksimira linearnim segmentima.

Model diode se moe predstaviti

ekvivalentnim kolom sa slike:

provodi zatvoren

prekida

ne provodi

otvoren prekida

VD

realna dioda

A K

V D

A K

idealna dioda

R B

=

A K =

realna dioda idealna dioda

A K

VD

V

1D

D B

di

dv R

DBV

1

BVR

4

Uzima se u obzir i otpornost tela diode RB (baze diode) pri provoenju struje. Otpornost

tela diode (baze) izraunava se kao reciprona vrednost provodnosti, tj. kao reciprona

vrednost nagiba linearnog segmenta karakteristike u provodnoj oblasti. Analogno, RBV je

otpornost tela diode u reimu proboja.

U reimu malih signala, kada se jednosmernom naponu polarizacije diode superponira

mali, naizmenini, pobudni signal najee se koristi tzv. model za male signale.

Model diode za male signale dinamiki reim

Jednosmerna baterija DDV obezbeuje polarizaciju diode, tj. postavljanje mirne radne

take 0Q u eljeni deo karakteristike, u naem sluaju, na sredinu linearnog segmenta u

provodnoj oblasti. Promenljiva sinusna komponenta gv , prikazana u donjem desnom

uglu statike karakteristike, je mali naizmenini signal. Ukupan napon na diodi je onda

zbir jednosmerne i naizmenine komponente: D DD gv V v .

Pod dejstvom malog, naizmeninog, pobudnog napona gv radna taka se ciklino

pomera po statikoj karakteristici izmeu taaka 1Q i 2Q , kreui se smerom

2 0 1Q Q Q pri porastu napona i 1 0 2Q Q Q pri opadanju napona.

Ovakvoj pobudi odgovara struja diode D DQ di I i prikazana u gornjem levom uglu

karakteristike. Kao to se vidi, varijacija naizmenine komponente struje diode di je

viestruko vea od varijacije napona gv . Odnos varijacije struje diode di i napona gv

odreen je recipronom vrednou nagiba karakteristike u mirnoj radnoj taki Q0:

0

1 1 1Td

DQ DQ dD

TD Q

Vr

I I gdi

Vdv

i naziva se dinamika otpornost diode ili otpornost diode za mali signal. Reciprona

vrednost gd naziva se dinamika provodnost diode.

Napomena: Nagib karakteristike moe se odrediti grafiki ili analitiki:

0

/ / 1( 1)T TDQ DQ

DQDS S

D D T TQ

v V v V Idi dI e I e

dv dv V V

.

5

Iskorieno je / TDQ

DQ S

v VI I e , jer je u reimu voenja znaajnih struja

/1TDQ

v Ve .

Sada konano moemo pisati d d dv r i ili d d di g v .

Parametar 1/d dr g dinamika otpornost diode zavisi od poloaja mirne radne

take, tj. od struje kroz diodu.

Tako dolazimo do modela diode za male, sporo promenljive signale:

, gde je

0

1 1 Td

d DQD

D Q

Vr

g Idi

dv

.

Ako je pobudni signal brzo promenljiv, moramo uzeti u obzir difuzionu i kapacitivnost

oblasti prostornog tovara diode.

Potpuni model diode za male (naizmenine) signale za visoke

frekvence u provodnom reimu.

Reavanje kola sa diodama primenom principa superpozicije:

1. Anuliraju se sve vremenski promenljive (naizmenine) pobude u kolu. Odredi se poloaj mirne radne take svake diode u jednosmernom reimu.

2. Odredi se dinamika otpornost svake diode u mirnoj radnoj taki (za brzo promenljive pobude i kapacitivnosti svake diode).

3. Anuliraju se svi jednosmerni izvori u kolu, aktiviraju naizmenini, a diode zamene dinamikim modelom za male signale. Zatim se izrauna odziv na naizmenine

pobude.

Specijalne diode

otkijeva dioda - brza usmeraka dioda, poseduje usmeraki i omski kontakt.

Integrisana otkijeva dioda

rd

A K

rd

A K

CD

CT

Poluprovodnik N-tipa

Al

N+

SiO2

K A

Prostorni tovar

Al

6

Usmeraki kontakt. Metalni aluminijumski kontakt se u dodiru sa Si poluprovodnikom

N tipa ponaa kao primesa P tipa. Energija slobodnih elektrona u N oblasti (provodna

zona) je vea od energije elektrona u metalu, gde se valentna i provodna zona

preklapaju. Elektroni slobodno prelaze iz Si u metal, ali obrnuto, zbog energetske

barijere ne mogu. Kao posledica, Si N tipa e se naelektrisati pozitivno, a metalni

kontakt negativno. Zato se na anodnom spoju Al(N tip) Si stvara napon potencijalne

barijere, pa se ovaj spoj ponaa kao usmeraki. Napon praga provoenja ovog "PN"

spoja je V0.20.3V, a cela oblast prostornog tovara lei u Si poluprovodniku. Vreme

rastereivanja i nagomilavanja nosilaca u prekidakom reimu je vrlo kratko jer u

procesu provoenja struje uestvuju samo slobodni elektroni kao veinski nosioci.

Omski kontakt. Katodni spoj Al(N+ostrvo) Si je omski kontakt, jer je zbog vrlo visoke

koncentracije primesa napon potencijalne barijere ovog spoja vrlo mali i moe se

zanemariti. Elektroni prolaze kroz ovaj spoj tuneliranjem (sloen kvantno-mehaniki

efekat). Ovaj spoj nema usmeraki karakter, ve predstavlja isto omski kontakt vrlo

male otpornosti.

Zener dioda referentni izvor termiki stabilnog napona.

Radi u reimu tzv. Zenerovog proboja, pri inverznoj polarizaciji. Formira se od PN spoja

sa vrlo visokom koncentracijom primesa. Odlikuje se relativno malim probojnim

naponom i poveanom kapacitivnou (nije pogodna za prekidaki reim rada).

Kada napon inverzne polarizacije Zv dostigne probojni Zenerov napon ZDV , inverzna

struja kroz diodu Zi naglo raste, dok napon na diodi ostaje priblino konstantan. Koristi

se za stabilizaciju napona i izradu referentnih naponskih izvora. Vrednosti probojnog

napona ZDV su od 2[V] do nekoliko stotina volti. Imaju izuzetno dobru temperaturnu

stabilnost Zenerovog probojnog napona.

Varikap dioda dioda sa promenljivom kapacitivnou.

Radi u inverznom reimu, kada je dominantna kapacitivnost

oblasti prostornog tovara. Promenom inverznog napona na diodi

menja se kapacitivnost OPT, pa se ponaa kao naponom

kontrolisana kapacitivnost. Primenjuje se za stabilizaciju i

podeavanje uestanosti oscilovanja.

+

vD

iD

radna oblast

7

Tunel dioda karakteristika "negativne otpornosti".

Imaju vrlo veliku koncentraciju primesa. Mehanizam tunelskog proboja omoguava

proboj i pri vrlo malim naponima inverzne polarizacije. Koriste se za realizaciju

oscilatora, pojaavaa i brzih prekidaa. U jednom delu karakteristike imaju osobinu tzv.

negativne otpornosti, kada se pri porastu napona na diodi struja diode smanjuje.

LED (Light Emitting Diode) dioda emituje svetlost.

LED diode emituju svetlost pri direktnoj polarizaciji. Svetlost se

emituje tokom rekombinacije elektrona sa upljinama.

Jaina svetlosti je srazmerna naponu direktne polarizacije, a

boja zavisi od vrste poluprovodnikog materijala. Uglavnom se

koriste jedinjenja Galijuma (GaAs, GaP,...).

Pad napona na provodnoj diodi je tipino izmeu 1 i 2 V.

Koriste se kao izvori nekoherentnog svetlosnog zraenja u

vidljivom i nevidljivom delu spektra.

Poznat je 7-segmentni LED display.

Takoe, koriste se kao svetlosni emiteri u optikim kablovima.

Fotodioda pretvara svetlosnu u elektrinu energiju.

Rade u reimu inverzne polarizacije, kada je inverzna struja

zasienja spoja proporcionalna jaini osvetljenosti diode.

Nosioci naelektrisanja generisani u oblasti prostornog tovara

pomou svetlosnih fotona (fotogeneracija) pod dejstvom

zaprenog polja u OPT bivaju lako transportovani kroz spoj do

kontakata pojaavajui tako inverznu struju zasienja.

Osetljivost fotodiode zavisi od talasne duine upotrebljene

svetlosti.

Koriste se za izradu detektora razliitih vrsta zraenja, a

grupisane u tzv. solarne panele (elije) kao izvori elektrine

energije. Solarne elije rade, naravno, bez spoljanje polarizacije.

+

V D

I D

0UI

I

P

VP VV vD

iD

IV dioda

tunel dioda

8

Optokapler povezivanje elektronskih kola bez galvanske veze.

Optokapler sainjavaju LED i fotodioda u istom kuitu. Optokapler slui za

povezivanje elektronskih kola bez

direktnog oiavanja. Omoguava

efikasno povezivanje raznorodnih

sistema, kao na primer pogonskog

dela i kontrolne elektronike, ili

visokonaponskog i niskonaponskog

dela nekog ureaja. Galvansko

razdvajanje spreava da eventualni

incident u pogonskom delu oteti

kontrolnu elektroniku.