A félvezető dióda

1. A félvezető dióda

2. PN átmenet kivitele • A pn átmenet: Olyan egykristályosfélvezető tartomány, amelyben egymással érintkezik egy p és egy n típusú övezet • Egy pn átmenetből álló eszköz a dióda Pl. Dióda megvalósítás (B, Al, Ga, In) (P, As, Sb) A=anód, K=katód • Az ábra torzított, a keresztmetszeti méretek általában sokkal kisebbek mint az oldalirányúak • Planáris szerkezet Kiindulás: Si egykristály „szelet”, majd: oxidálás, ablaknyitás, n diffúzió, fémezés, darabolás, felforrasztás, tokozás

3. PN átmenet, félvezető dióda • A p típusú hordozóba (substrate) diffúzióval juttatják be az n típusú adalékot • A létrejövő adalékeloszlás, az un adalékprofil • A tulajdonképpeni pn átmenet ott van, ahol ND=NA. Ez a metallurgiai átmenet (ahol az anyag úgy viselkedik, mintha intrinsic lenne). • Ugrásszerű (abrupt) sűrűségváltást tekintünk, ezt könnyebb számolni Adaléksűrűség a mélység függvényében A „kompenzált” félvezető Donor-akceptor: nettó adalékolás

4. Vizsgálati módszerünk 1. Egydimenziós vizsgálat, „kihasított hasáb” 2. Homogén adalékolás, „abrupt” profil 3. Egyik oldal erősebben adalékolt (legyen ez az n oldal) Nd>> Na

5. A pn átmenet töltésviszonyai (B, Al, Ga, In) (P, As, Sb) Mindkét oldal többségi hordozói diffúzióval áramolnak a túloldal felé. A mozgóképes töltések diffúziója után helyhez kötött, ellensúlyozatlan töltések maradnak az átmenet két oldalán. Ezért megszűnik a semlegesség Így elektromos erőtér jön létre A kialakult elektromos erőtér hatására a pn átmeneten egyensúlyban létrejön egy beépített feszültség (diffúziós potenciál)

6. A pn átmenet töltésviszonyai (B, Al, Ga, In) (P, As, Sb) Anionok (negatív töltésű ionok) Kationok (pozitív töltésű ionok) • A többségi töltéshordozók az átmenet környezetében átdiffundálnak a túloldalra  töltéshordozóktól kiürített réteg v. tértöltésréteg jön létre az átmenetnél • Egyensúly: A többségi töltéshordozók diffúziós árama egyensúlyban van a kisebbségi töltéshordozók sodródási áramával, I=0

7. A pn átmenet töltésviszonyai (P, As, Sb) (B, Al, Ga, In) A töltésegyensúlyból: • A kiürített réteg annál keskenyebb, minél nagyobb az adaléksűrűség az adott tartományban A valóságban általában több nagyságrend különbség van a két oldal adaléksűrűsége között  a kiürített réteg az átmenetnek főként az egyik oldalára terjed ki

8. Az ideális pn átmenet (dióda) jelleggörbe egyenlete • Ez azideális dióda egyenlet, vagy Schottky egyenlet, ahol • Io a pn átmenet telítési (saturation) vagy záróáram állandója, csak anyagállandóktól és az adaléksűrűségektől függ, a kisebbségi töltéshordozó-sűrűséggel arányos Io10-14A - 10-15A • UT=kT/q=26 mV, a termikus feszültség szobahőmérsékleten, • k=8,62x10-5eV/K, a Boltzmann állandó • T a hőmérséklet Kelvinben • q=1,602x10-19 Coulomb az elektron töltése előjel nélkül

9. Ideális dióda-jelleggörbe számítása PÉLDA Kérdés: Egy Si dióda telítési árama I0=0,1 pA. Mekkora a nyitófeszültség, ha az áram 10 mA? Megoldás: Mennyivel kell a nyitó feszültséget növelni ahhoz, hogy a nyitó áram tízszeres legyen?

10. A dióda legfőbb tulajdonságai • Pozitív feszültségekre (p típusú anyag pozitívabb potenciálon, nyitófeszültség), a szerkezeten a feszültségtől exponenciálisan függő áram folyik • Negatív feszültségekre (p oldal negatívabb, zárófeszültség) a szerkezeten nagyon kis, gyakorlatilag feszültség-független áram • A szokásos nyitófeszültség értéke: UF0,7V Karakterisztikája: I(U) Egyenirányít! I Nyitó (forward) tartomány I ~ exp(U/UT) Záró (reverse) tartomány I ~ 10-12 A/mm2 (Si, T=300 K) U UF0,7V

11. Az ideális kapcsoló: A dióda valóságos és törtvonalas közelítésű jelleggörbéje: A dióda jelleggörbe egyszerűsített alakjai Törtvonalas közelítésű jelleggörbe ID [mA] UBD UD [V] UF 0,7V Letörési szakasz

12. Valóságos (nem ideális)dióda jelleggörbe Az alábbi másodlagos jelenségek (hatások) módosítják a dióda jelleggörbéjét: • Kis áramoknál a tértöltésrétegben kialakuló áramok, amit az ideális jelleggörbe-egyenlet számításánál nem vettünk figyelembe • Nyitó tartományban:rekombinációs áram • Záró tartományban:generációs áram • Nagy áramoknál: • Nyitó tartományban:soros ellenállás • Záró tartományban:letörés

13. Valóságos dióda karakterisztika A soros ellenállás • A félvezető rétegek ohmos ellenállása nagy áramoknál jelentős Megoldás pl.: epitaxiális szerkezet

14. Valóságos dióda karakterisztikaRekombinációs áram • Nyitóirányban a tértöltésrétegben a töltéshordozó injekció hatására megnő a töltéshordozó sűrűség • Ez megnöveli a rekombinációt • Azaz a valóságban ez is áramnövekedésként jelentkezik • Ennek, és egyéb másodlagos jelenségeknek a figyelembe vételével  ahol n2

15. Valóságos dióda karakterisztikaA generációs áram • Zárófeszültségek esetén a tértöltésrétegben az egyensúlyinál kisebb sűrűség miatt megnő a párkeltés (generáció) • Ez többlet töltéshordozó áramot (un.generációs áram) eredményez.  • Szokásos értéke: IR 10-9A-10-10A • ni miatt erősen hőmérséklet függő

16. Valóságos dióda karakterisztikaLetörés • Egy adott kritikus zárófeszültségnél, az un. VBR letörési feszültségnél a dióda záróárama hirtelen megnő és viszonylag nagy áramok folynak a diódán nagyon kis további feszültségemelkedéssel • Hatására a záróáram megsokszorozódik • Ha kívülről korlátozzuk azátfolyó áramot, akkor a letörésben valóműködés nem teszi tönkre a diódát • A letörés okai: • Zener átütés(alagúthatás) • Lavina sokszorozódás(ütközési ionizáció)

17. A Zener letörés Fizikai ok: az alagúthatás A Zener dióda A Zener letörésen alapul

18. A Zener letörés felhasználása A Zener dióda • A Zener dióda áramköri alkalmazása: • Feszültség referencia • Feszültség szabályozás (stabilizálás, kis fogyasztásnál)

19. A dióda munkapontja • A dióda karakterisztika egyenlete a dióda működése során lehetséges, összetartozó áram és feszültségértékeket adja meg • A tényleges működés során a dióda, ill. tetszőleges nemlineáris karakterisztikájú elem a karakterisztika egy pontjában, az un. munkapontban (operating point, quiescent point) működik • Ezt a pontot az áramkörben a vizsgált nemlineáris elemet körülvevő elemek határozzák meg

20. A dióda munkapontja • Az áramkörre felírt huroktörvényből • egy egyenes, az un. munkaegyenes egyenlete adódik • ez tulajdonképpen az áramkörben a diódán kívül előforduló elem „karakterisztikája” a dióda feszültségének függvényében • Az áramkörben kialakuló munkapontot a két függvény metszéspontja adja

21. Eszközmodellek A félvezető eszközökre kétféle modellt használunk: • Nagyjelű modell • Az egyenáramú viselkedést, a munkaponti jellemzőket modellezi • Nemlineáris (általában) • Egy jelleggörbével, vagy az azt leíró egyenlettel adható meg • Kisjelű modell • A váltakozó áramú viselkedést modellezi • Adott munkapontban a munkapont körüli kis megváltozásokesetét írja le • Munkapontfüggő, különböző munkapontokban eltérő egy eszköz kisjelű modellje • Lineáris • A munkapontban a jelleggörbét érintővel helyettesíti

22. A dióda kisjelű működése Az rddifferenciális ellenállás munkapontfüggő!

23. A dióda differenciális ellenállása Nyitó tartomány, I >> I0: Ha a soros ellenállással is számolunk:

24. A dióda differenciális ellenállása PÉLDA Egy dióda soros ellenállása 2 ohm Számítsuk ki a differenciális ellen-állását az I=1 mA, 10 mA, 100 mA munkapontokban!

25. A dióda kapacitásai Minden pn átmenethez két kapacitás értéket rendelhetünk • A kiürített réteg egy síkkapacitás A kiürített réteg által képviselt síkkondenzátor kapacitása a CT tértöltéskapacitás (más néven diódakapacitás) • Az injektált kisebbségi töltéshordozók által képviselt Q töltés felépítéséhez időre van szükség  kapacitív hatás Az injektált kisebbségi töltéshordozók által képviselt diffúziós töltés létrehozásának időigénye kis frekvenciákon a CDdiffúziós (más néven tárolási) kapacitással modellezhető Diffúziós kapacitás (CD) csak a nyitó tartományban alakul ki Tértöltéskapacitás (CT) a záró tartományban uralkodó

26. A diódák gyakorlati kivitele Nagyáramú Kisáramú

27. Fénykibocsátó dióda (LED) • Light-Emitting Diodes • Villamos áram hatására fényt bocsát ki • A különféle összetételű vegyület félvezetők eltérő fényű LED-eket eredményeznek • Egyedül is és szelvénybe rendezetten is használják, ez utóbbira példa a képen látható hét-szelvényes (seven-segment) kijelző

28. Diódák elektronikai alkalmazásai Nagyon sokrétű, elsődlegesen analóg áramkörökben használják Néhány példa: • Egyenirányítás • Feszültség szabályozás/stabilizálás (pl.: Zener dióda) • Hőmérséklet mérés • Fénykibocsátás (LED-ek)