ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY 2. Diody PN, Schottkyho diody

1. ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY2. Diody PN, Schottkyho diody Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc

2. Neustálený stav N P N P EFN EA Difuze ED EFP Difuze Kontakty Ustálený stav N P E0 EC eD EFP = EFN = EF EV Vyprázdněná oblast (bez pohyblivých nosičů) Přechod PN- bez předpětí

3. U N P lN lP Vyprázdněné oblasti se zvětší, protéká pouze velmi malý proud 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 napětímU kapacita přechodu Cj 2) Vzdálenost nábojů (lN , lP) se mění s velikostí napětí  kapacita Cj závisí na napětí

4. Vyprázdněná vrstva zaniká Elektrony z vrstvy N jsou přitahovány do vrstvy P, kde rekombinují s dírami a naopak Protéká vysoký proud U N P Přechod PNs předpětím v propustném směru • 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

5. 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 I Propustný směr IS~10-6 A UF~ 0,7 V U Závěrný směr Přechod PNproud přechodem

6. 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 D N P EC EV N P EC + _ EV EF lD Průrazy přechodů v závěrném směru- Zenerův průraz

7. nevyprázdněná oblast N nevyprázdněná oblast P vyprázdněná oblast drift děr drift elektr. Drift děr Drift elektronů Průrazy přechodů v závěrném směru - lavinový průraz 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.

8. Koncentrace příměsí - Ex(x) ND  1027 m-3 NA  1027m-3 NA  1022m-3 Základ. materiál n ND  1020 m-3 x Anoda Přechod Katoda 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 - výstupků Přechod kovový kontakt - Anoda kontaktní vrstva P+ aktivní vrstva P aktivní vrstva N kontaktní vrstva N+ kovový kontakt - katoda

9. Voltampérová charakteristika: Parazitní sériový odpor Průběh ideálního přechodu P-N: I = Is.exp(eU/kT) - 1 I Schematická značka: A IF RF = UF/IF UBR(T) UF Is K U - propustný směr rz = UB/IB IB Lavinová ionizace nebo Zenerův jev UB PN dioda – VA charakteristika UF

10. I oblast I oblast II U oblast III Použití PN diod v elektrotechnice • Oblast I:Usměrňování střídavého proudu Detekce nízkofrekven. signálů Ovládání (spínání) Omezování napětí, stabilizace Nelineární zpracování signálu Násobení kmitočtu Detekce světla (fotodioda) Generování světla (LED, lasery) • Oblast II:Proměnné kapacity (varikapy) Detekce záření • Oblast III:Stabilizace a omezování napětí Generování vysokých kmitočtů Generování šumu na vysokých kmitočtech Detekce záření

11. I U UF Usměrňovače s diodami PN Zjednodušení V-A charakteristiky I = 0 ... pro U  UF I = (U –UF)/RF … pro U  UF Rozdělení typů usměrňování a) podle uspořádání: jednocestné, dvojcestné jednoduché, dvojcestné, můstkové b) podle zátěže: s odporovou, kapacitní nebo induktivní zátěží

12. D1 Jednocestné usměrnění - odporová zátěž I = I0 + I1 sin(t) + I2 sin(2t) + ... UL = U0 + U1sin(t) + U2sin(2t) + ... Napětí naprázdno: U00 = U10/ =(2/)U1ef Střed. proud diodou: ID0 = I0 Max. proud diodou: IDmax = .I0 U, I U1 I UL, I U1 = U10sin(t) UL RL t t I = 0 pokud U1 - UL UF = (U1 - UF)/(RL+RF) U1 - UL UF

13. U, I U1 D1 IC I UZ UL CS U1 = U10sin(t) UL t RL 20 IC 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: 20 Střed. proud diodou: ID0 = I0 ... stejně jako u odpor. zátěže Max. proud diodou: IDmax = (/20)I0. I0

14. I Skutečný průběh charakteristiky I U U UZ Stabilizace / omezování napětí (Zenerovy diody) Zjednodušený průběh charakteristiky: I = 0 pro U  UZ , I = (U-UZ)/rZ pro U  UZ rZ = U/I I U V oblasti průrazu: I při velkých změnách proudu kolísá napětí jen velmi málo

15. I0 IZ I2 RS D1 U2 R2 U0 Stabilizace / omezování napětí Zapojení stabilizovaného zdroje U0 .... vstupní, nestab. napětí RS .... stabilizační odpor D1 .... Zenerova dioda R2 .... odpor zátěže U2 .... stabilizované napětí I0 = IZ + I2 , U0 = RS I0 + U2 , U2 = I2 R2 = UZ + rZ IZ ,  při rZ 0 stabilizované napětí U2 UZ

16. Přechod P-N, polarizovaný v propustném směru  + P N Dynamické vlastnosti přechodu PN • 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

17. Přechod P-N při náhlé reverzaci napětí  + N P 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

18. napětí na diodě U, I okamžik vyprázdnění přechodu reverzace napětí Vysoká strmost vypnutí proudu t napětí v propustném směru napětí v závěrném směru proud diodou Časový průběh proudu přechodem P-N při reverzaci napětí

19. U napětí UG Proud diodou Vznik úzkého impulzu UL t L1 napětí UL RG UL UG RL C1 D1 Generování úzkých impulzů

20. Nevýhody diod PN • Vysoká kapacita při předpětí v propustném směru • Příčina: difúzní kapacita – hromadění minoritních nosičů náboje u přechodu • Důsledek: omezení funkčnosti na vysokých kmitočtech • Malá křivost v okolí U = 0 V • Příčina: nízká hustota saturačního proudu • Důsledek: nízká detekční citlivost Řešení: Schottkyho diody

21. E Polovodič typu N Kov Vodivostní zóna Kov a polovodič před ustavením rovnováhy ED Fermiho hladina v polovodiči Valenční zóna Fermiho hladina v kovu x Přechod kov – polovodič v rovnováze (ED je výška bariéry) ED Kov Polovodič typu N E Vodivostní zóna Společná Fermiho hladina Valenční zóna x Přechod kov – polovodič

22. Polovodič typu N - Přechod kov – polovodič, polarizovaný v propustném směru Přemisťují se pouze elektrony => Nevzniká difúzní kapacita Kov + E Vodivostní zóna Valenční zóna x Kov - E Polovodič typu N + Vodivostní zóna Přechod kov – polovodič polarizovaný v závěrném směru Pseudo-Fermiho hladina Valenční zóna x Přechod kov – polovodič

23. Schottkyho dioda= dioda s přechodem kov - polovodič Vlastnosti: • Statická V-A charakteristika je podobná P-N diodě (kov = anoda): I = Isexp(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.

24. 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)

25. Náhradní schéma diody D1 ID D1 A1 A2 I1 I2 A1 I1 I2 A2 I4 I4 I3 CD I3 U1 U3 U2 U1 U3 U2 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:

26. P Ij Cj Uj N Náhradní schéma diody PN A) Přechod P-N: pro Uj>UB pro Uj < UB pro Uj < 0 pro Uj > 0

27. RS Ij Cp1 Cj Náhradní schéma diody PN B) Dioda P-N (chip): RS … sériový odpor diody (polovodičový materiál, kontakty) Cp1 … paralelní kapacita kontaktů

28. LS Cp2 RS Ij Cp1 Cj Náhradní schéma diody PN C) Dioda P-N v pouzdře: LS … sériová indukčnost pouzdra (přívody ke kontaktům) Cp2 … paralelní kapacita pouzdra Schottkyho diody mají podobné náhradní schéma ale s odlišným vztahem pro Cj