Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc

ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY

2. Diody PN, Schottkyho diody

Přechod PN- bez předpětí

Kontakty

PN

Difuze

Difuze

Neustálený stav

PN

EA

ED EFP

EFN

Vyprázdněná oblast(bez pohyblivých nosičů)

PN

Ustálený stavE0

EFP = EFN = EF

eD

EC

EV

Přechod PNs předpětím v závěrném směru

Akumulovaný náboj donorů a akceptorů na přechodu:Q = QD = eNDlN S= QA =eNAlP S

1) Velikost nahromaděného náboje se mění s napětím U

kapacita přechodu Cj

2) Vzdálenost nábojů (lN , lP) se mění s

velikostí napětí kapacita Cj závisí na napětí

U

Vyprázdněné oblasti se zvětší, protéká pouze velmi malý proud

PN

lN lP

Ce N N

U N NjD A

D D A

2

Přechod PNs předpětím v propustném směru

U

PN

• Vyprázdněná vrstva zaniká

• Elektrony z vrstvy N jsou přitahovány do vrstvy P, kde rekombinují s dírami a naopak

• Protéká vysoký proud

• Elektrony ve vrstvě P a díry ve vrstvě N (minoritní nosiče) než zrekombinují představují určitý náboj:

QN = IN. N , QP = IP. P kde: IN, IP ... jsou proudy elektronů a děr přes přechod

N, P …jsou doby života nosičů

• Tyto náboje představují t. zv. Difúzní kapacitu přechodu:

CD = QN/U = (IN. N)/U,

která je funkcí proudu

Přechod PNproud přechodem

Ideální průběh:

I = IS.[exp(eU/kT)-1]

kde: IS … saturovaný (zbytkový) proud – teplotně silně závislý

e … náboj elektronu

k … Boltzmannova konstanta

T … absolutní teplota

U

II S

~10-6

A

Propustný směr

Závěrný směrUF ~ 0,7 V

Průrazy přechodů v závěrném směru- Zenerův průraz

• Struktura energetických pásů na tenkém přechodu bez předpětí

• Tentýž přechod při vyšším předpětí v závěrném směru – elektrony z valenčního pásma vrstvy P přecházejí přímo do vodivost. pásma vrstvy N

EF

lD

D

N P

+_

N PEC

EV

EC

EV

Průrazy přechodů v závěrném směru - lavinový průraz

vyprázdněná oblast

Drift elektronů

Drift děr

drift děr drift elektr.

nevyprázdněná oblast N

nevyprázdněná oblast P

Iniciátorem jsou saturační proudy elektronů ISn a děr ISp

Jakmile dosáhne energie elektronů a děr při driftu vyprázdněnou oblastí dostatečné hodnoty, postačující k ionizaci atomů mřížky, rozvine se lavinová ionizace

Napětí zůstává při růstu proudu prakticky konstantní.

Polovodičová dioda PN

• Součástka se dvěmi elektrodami: anodou (A) a katodou (K)

• Je tvořena dvěmi funkčními vrstvami polovodiče P, N mezi nimiž je jeden přechod PN

• Struktura a konstrukce diody PN

Zaleptání mesa - výstupkůPřechod

Koncentrace příměsí

ND 1027 m-3

ND 1020 m-3

NA 1022m-3

NA 1027m-3

Základ. materiál n

xAnoda Přechod Katoda

- Ex(x)

kovový kontakt - Anoda

kontaktní vrstva P+

aktivní vrstva P

aktivní vrstva N

kontaktní vrstva N+

kovový kontakt - katoda

PN dioda – VA charakteristika

Průběh ideálního přechodu P-N:I = Is.exp(eU/kT) - 1

Parazitní sériový odpor

Voltampérová charakteristika:

U - propustný směr

I

IF

UF

RF = UF/IF

rz = UB/IB

IB

UB

Lavinová ionizacenebo Zenerův jev

Is

UBR(T)

Schematická značka:

A

KUF

Použití PN diod v elektrotechnice

oblast Ioblast II

oblast III

U

I Oblast I: Usměrňování střídavého prouduDetekce nízkofrekven.

signálůOvládání (spínání)Omezování napětí, stabilizaceNelineární zpracování signáluNásobení kmitočtuDetekce světla (fotodioda)Generování světla (LED,

lasery)

Oblast II: Proměnné kapacity (varikapy)Detekce záření

Oblast III: Stabilizace a omezování napětíGenerování vysokých

kmitočtůGenerování šumu na

vysokých kmitočtechDetekce záření

Usměrňovače s diodami PNZjednodušení V-A charakteristikyI = 0 ... pro U UF

I = (U – UF)/RF … pro U UF

UF

I

U

Rozdělení typů usměrňovánía) podle uspořádání :

jednocestné, dvojcestné jednoduché, dvojcestné, můstkové

b) podle zátěže:

s odporovou, kapacitní nebo induktivní zátěží

Jednocestné usměrnění - odporová zátěž

I = I0 + I1 sin(t) + I2 sin(2t) + ...

UL = U0 + U1sin(t) + U2sin(2t) + ...

Napětí naprázdno: U00 = U10/ =(2/)U1ef

Střed. proud diodou: ID0 = I0

Max. proud diodou: IDmax = .I0

t

U, I U1

U1 = U10sin(t) UL RL

I

UL, I

t

I = 0 pokud U1 - UL UF

= (U1 - UF)/(RL+RF) U1 - UL UF

D1

Jednocestné usměrnění - kapacitní zátěž

Napětí naprázdno: U00 = U10 = 2.U1ef

Zvlnění: UZ U10 /(f0.CS.RL)

Činitel zvlnění: Z = (UZ/U0).100% (I0/U0)( 0/)

Úhel otevření: 20

Střed. proud diodou: ID0 = I0 ... stejně jako u odpor. zátěže

Max. proud diodou: IDmax = (/20)I0 . I0

U1

UL UZ

U, I

t20

U1 = U10sin(t)

UL

RL

I

CS

IC

IC

D1

Stabilizace / omezování napětí (Zenerovy diody)

Zjednodušený průběh charakteristiky:

I = 0 pro U UZ ,

I = (U-UZ)/rZ pro U UZ

rZ = U/I

V oblasti průrazu:

I při velkých změnách proudu kolísá napětí jen velmi málo

I

U

Skutečný průběh

charakteristiky U

I

U

I

UZ

Stabilizace / omezování napětí Zapojení stabilizovaného zdroje

U0

I0

RS D1

IZ

R2

U2

I2

U0 .... vstupní, nestab. napětí

RS .... stabilizační odporD1 .... Zenerova diodaR2 .... odpor zátěžeU2 .... stabilizované

napětí

I0 = IZ + I2 , U0 = RS I0 + U2 , U2 = I2 R2 = UZ + rZ IZ ,

U

Ur

RU

1r

R

r

R

2

ZZ

S0

Z

2

Z

S

při rZ 0 stabilizované napětí U2 UZ

Dynamické vlastnosti přechodu PN

Přechod P-N, polarizovaný v propustném směru

N P +

Díry vstupují do oblasti přechodu z části P.

Elektrony vstupují do oblasti přechodu z části N.

V prostoru přechodu se tyto nosiče hromadí (akumulují) a postupně vzájemně rekombinují.

Diodou protéká velký proud v propustném směru.Oblast

rekombinace nosičů

Dynamické vlastnosti přechodu PN - II

Díry vystupují z oblasti přechodu do části P.

Elektrony vystupují z oblasti přechodu do části N.

Prostor přechodu se postupně vyprazdňuje.

Diodou protéká velký proud v závěrném směru.

Oblast rekombinace nosičů se

vyprazdňuje

Přechod P-N při náhlé reverzaci napětí

N P+

Časový průběh proudu přechodem P-N při reverzaci napětí

napětí v propustném

směru

reverzace napětí

napětí v závěrném směru

okamžik vyprázdnění přechodu

napětí na diodě

proud diodou

t

U, I

Vysoká strmost vypnutí proudu

Generování úzkých impulzůRG

UGULRLC1

L1

D1

napětí UG

t

U

Vznik úzkého impulzu UL

Proud diodou

napětí UL

Nevýhody diod PN Vysoká kapacita při předpětí v propustném směru

o Příčina: difúzní kapacita – hromadění minoritních nosičů náboje u přechodu

o Důsledek: omezení funkčnosti na vysokýchkmitočtech

Malá křivost v okolí U = 0 V

o Příčina: nízká hustota saturačního proudu

o Důsledek: nízká detekční citlivost

Řešení: Schottkyho diody

Přechod kov – polovodič

x

EKov

Polovodič typu N

Valenční zóna

Fermiho hladina v

polovodičiFermiho

hladina v kovu

Kov a polovodič před ustavením

rovnováhy

Vodivostní zóna

ED

x

E Kov Polovodič typu N

Valenční zóna

Společná Fermiho hladina

Vodivostní zónaPřechod

kov – polovodič v rovnováze(ED je výška

bariéry)

ED

Přechod kov – polovodič

x

E Kov +Polovodič

typu N -

Valenční zóna

Vodivostní zóna

Přechodkov – polovodič, polarizovaný v

propustném směru

Přemisťují se pouze elektrony

=>Nevzniká difúzní

kapacita

x

E Kov -Polovodič typu N +

Valenční zóna

Pseudo-Fermiho hladina

Vodivostní zónaPřechod

kov – polovodič polarizovaný v

závěrném směru

Schottkyho dioda=

dioda s přechodem kov - polovodič

Vlastnosti:

Statická V-A charakteristika je podobná P-N diodě (kov = anoda): I = Isexp(eU/kT)-1

Není difúzní kapacita dioda pracuje do velmi vysokých kmitočtů (100 GHz)

Volbou materiálu kovové elektrody lze snadno nastavit výšku bariéry ED a tím velikost saturačního proudu Is

Schottkyho dioda je citlivější na statickou elektřinu, na tepelné přetížení apod.

Schottkyho dioda - Aplikace

Vysokofrekvenční součástky, směšovače, spínače (do 100 GHz)

Velmi citlivé detektory (0,1 W/ 20 GHz)

Rychlé spínací a logické obvody (doba sepnutí 100 ps)

Náhradní schémata diod

Náhradní schéma součástky (Equivalent Circuit):

Kdybychom zapojili obvod podle „náhradního schématu“ do jakéhokoliv vnějšího obvodu místo skutečné součástky, proudy a napětí ve vnějším obvodu by se nezměnily:

U1 U3

I1 I2

I3

I4

A1 A2D1

U2U1

I1A1I2

U2

U3

I3

I4

A2

Náhradní schéma diody D1ID

CD

Náhradní schéma diody PN

ADjD

ADj NNUΦ2

NεNeC

A) Přechod P-N:

1

kT

eUexpII j

Sj

d

Bjj r

UUI

pro Uj > UB

pro Uj < UB Cj

Ij

Uj

P

N

pro Uj < 0

D

střj Φ

IτC pro Uj > 0

Náhradní schéma diody PN

B) Dioda P-N (chip):

RS … sériový odpor diody (polovodičový materiál, kontakty)

Cp1 … paralelní kapacita kontaktů

Cj

Ij

Cp1

RS

Náhradní schéma diody PN

C) Dioda P-N v pouzdře:

LS … sériová indukčnost pouzdra (přívody ke kontaktům)

Cp2 … paralelní kapacita pouzdra

Cj

Ij Cp1

RS

Cp2LS

Schottkyho diody mají podobné náhradní schéma ale s odlišným vztahem pro Cj