Base. Paul Sherz Practical Electronic for Inventors McGraw-Hill 2000

Transkrypt

1 Złącze p-n

2 Base Paul Sherz Practical Electronic for Inventors McGraw-Hill 2000

3 Dyfuzja aż do stanu równowagi 6n+3p+6D Dipol ładunku elektrycznego 6p+3n+6A Pole elektryczne Nadmiarowe nośniki mniejszościowe rekombinują Obszar zubożony, (wymieciony) Warstwa zaporowa, Obszar ładunku przestrzennego

4 Dyfuzja prąd dyfuzji odsłania D(+) i A(-) rekombinacja n. mn. dipol ładunku obszar zubożony hamujące pole E prąd unoszenia Proces niestacjonarny aż do osiągnięcia równowagi tzn.: j j j j 0 ( j j ) 0 d d u u n p n p n p ud, A w stanie stacjonarnym trwa, aż do kolejnej zmiany warunków +j j u n j d p h + : (-j d ) e - : (-j u ) p -q +q n +E h + : (+j u ) e - : (+j d ) j u p j d n

5 Podobnie jak w połączonych naczyniach z wodą wyrównuje się poziom lustra wody tak w połączonych galwanicznie materiałach zawierających mobilne nośniki ładunku (elektrony i dziury) następuje wyrównanie poziomu Fermiego E F. Przemieszczenie ładunków pociąga za sobą wytworzenie skoku potencjału elektrycznego w pewnym wąskim obszarze samego złącza pn. W tym obszarze poziom Fermiego jest oddalony od pasm dozwolonych i mamy tu niemobilne jony i brak mobilnych nośników ładunku, a zatem obszar złego przewodnictwa elektrycznego!

6 Złącze p-n cd. Napięcie dyfuzyjne. Zerowa polaryzacja. Dipol ł. el. pole E rozkład potencjału napięcie (delta pot.) 2 dv 2 dx 0 r kt N N E gradv Ubi 2 q n ln A D i U V V D k p

7 założenia: pole elektryczne występuje tylko w warstwie zaporowej, pozostałe obszary mają zerową rezystancję ruchy nośników poza obszarem złącza dyfuzyjne pominięcie generacji i rekombinacji nośników w obszarze złącza pomija się zjawiska przebicia obszary p i n są nieskończone i jednorodne mała gęstość prądu

8 Złącze PN jest elementem dwukońcówkowym. Ze względu na rozkład domieszki w pp wyróżnia się dwie główne kategorie złącz: - złącza skokowe - złacza liniowe N ND NA D N A ax Obszar p Obszar n Obszar p Obszar n Złącze skokowe Złącze liniowe

9 Polaryzacja w kierunku przewodzenia Zasada 3p : plus na p przewodzenie U A 0 U bariery ( konc. n. wstrzykiwanych ) j dyfuzji

10 Prawo złącza Przy polaryzacji złącza w kierunku przewodzenia: U A >0; iloczyn konc. n. mn. na granicach obszaru zubożonego: 2 qu A kt pn ni exp ; 26 mv ( dla T 300 K) kt q U A 0 U bariery j dyfuzji ( konc. n. mn.) I Is e qu kt 1 Wzór Schockley a

11 Źródła prądu: Kierunek przewodzenia: Kierunek zaporowy: E C E Fp E V W qv E C qv bi V qv V L n qv bi E Fp E Fn E V E Fn W L p Głównym składnikiem prądu w kier. przewodzenia jest prąd dyfuzji nośników mniejszościowych Zaporowy prąd nasycenia jest powodowany nośnikami większościowymi zbieranymi z odległości L D od granic obszaru zubożonego

12

13 E Cp E Cn E Fn E Fp E Vp E Vn E Cp E Cn E Fp E Fn E Vp E Vn

14 E Cp E Cn E Fp E Fn E Vp E Vn E Cp E Cp E Cn E Fp E Fn E Fp E Cn E Vp E Vn E Vp E Fn E Vn

15 I Is e qu kt 1 dla U 100mV I I S k. zaporowy I I e S eu kt k. przewodzenia

16

17 5.5 Dioda rzeczywista. Rezystancja szeregowa

18 5.6 Dioda rzeczywista. Rezystancja równoległa. Przebicie

19 5.7 Dioda. Punkt pracy 1N4001 P1 (589mV, 1.36mA) P2 (554mV, 0.692mA) P3 (510mV, 0.296mA)

20 Analiza układowa diody Modele Matematyczny Układowy

21 Model matematyczny I Is e qu kt 1 dla U 100mV I I S k. zaporowy I I e S eu kt k. przewodzenia

22 Model układowy a) Uproszczony b) Stałego spadku napięcia c) Małosygnałowy d) Wysokoczęstotliwościowey e) Diody Zenera

23 i D nachylenie 1 r d v D (b) Model uproszczony charakterystyki diody w kierunku przewodzenia (a) i jego reprezentacja układowa (b)

24 Model stałonapięciowy charakterystyki diody w kierunku przewodzenia (a) i jego reprezentacja układowa (b)

25 Układ zastępczy diody dla małych sygnałów m.cz. I Forward D. rzecz. p. pracy Q di I r du U 1 F F d F F U F r d I Q 0.8mA model m.cz. U Q 0.55V U Forward

26 Klasyfikacja diod Materiał krzemowe germanowe AIII-BV organiczne Konstrukcję ostrzowe i warstwowe stopowe i dyfuzyjne mesa planarne i epiplanarne Strukturę fizyczną złącza p-n p-i-n MS MIS Heterozłącza Zastosowanie o prostownicze o uniwersalne o impulsowe o stabilitrony (Zenera) o pojemnościowe (warikapy i waraktory) o tunelowe o mikrofalowe (detekcyjne mieszające) o fotodiody o diody elektroluminescencyjne Przebiegające zjawiska Zenera Gunna lawinowe tunelowe

27 Punkt pracy. Prąd zmienny

28

29 Prostownik jednopołówkowy VG1 VM VM m 40.00m 60.00m Time (s)

30 Filtrowanie napięcia R=1k VG VM2[1] VM2[2] VM2[3] VM2[4] m 40.00m 60.00m Time (s) C = 1μF C = 10μF C = 100μF C = 1000μF

31 Prostownik dwupołówkowy TR VM2 D1 VM3 240V N1 N2 N3 D2 R1 1k VM VM1 VM VM m 40.00m 60.00m Time (s)

32 Wartości przebiegów okresowych root mean square (RMS lub rms), znane też jako średnia kwadratowa lub częściej wartośc skuteczna T 1 f () 2 RMS f t dt T 0 Przebieg y Asin(2 ft) RMS A 2 240V (w. skuteczna) ampl. A=338.4V A pp = 2A= 676.8V 1.00 V skuteczne = 0.707V ampl Voltage (V) m 40.00m 60.00m Time (s)

33 Prostownik Graetza Voltage (V) m 10.00m 15.00m 20.00m Time (s)

34 U I R S I S S eu kt I I e I e S U 26mV

35 n - wsp. doskonałości wstrzykiwania emisyjności n1,2 qu2 U2 mv 10I IS exp IS exp nkt n26mv I U 1 IS exp U U mv n26mv U mv U mv 10 exp n26mv U2mV U1mV 2.3 n26mv n 59.8mV mv I F 10I I U 1 U 2 U F

36 Ogranicznik diodowy <0.7V ampl >0.7V ampl

37

38 Układ przeniesienia poziomu (składowej stałej) (ang. clamp cuircuit )

39 Przebicie tunelowe Przebicie tunelowe zachodzi w b. mocno domieszkowanych złączach o grubości obszaru zubożonego około 10nm Złącze niespolaryzowane Modele pasmowe Złącze spolaryzowane w kierunku przewodzenia W F W C W Fp W Fn W C W W V W W V

40 Dioda tunelowa (Esakiego)

41 Złącze spolaryzowane w kierunku zaporowym Napięcie przebicia, V BR, jest określane z warunku: I ( V ) 10I t BR S Kiedy T, E g i I t. E Fp E Fn E C E V

42

43 Mechanizm przebicia lawinowego W F p W C W Fn W V Generacja nadmiarowych par elektron-dziura jest spowodowana jonizacją zderzeniową Schematyczna reprezentacja procesu w obszarze ładunku przestrzennego

44 Diody Zenera. Stabilizatory parametryczne. I U F I R I F U U R 1

45 i Z U Z U ZK u Z I MIN optymalny punkt pracy I Z i Z P MAX u Z I MAX

46

47 Parametry katalogowe U Z - napięcie Zenera r z - rezystancja różniczkowa (Zenera) I zmax - prąd maksymalny P zmax maksymalna moc rozproszenia P zmax = I zmax U z

48 i Z U Z U ZK u Z I MIN optymalny punkt pracy I Z i Z P MAX u Z I MAX

49 Pzmax = Izmax Uz

50 Rezystancja różniczkowa

51 S U U U 2 1

52 Stabilizator z diodą Zenera

53 Najprostszym stabilizatorem napięcia jest układ z wykorzystaniem diody Zenera. Takie i podobne układy nazywane są również stabilizatorami parametrycznymi. Zmiany napięcia wejściowego ΔU we pociągają za sobą zmiany prądu diody ΔI D, to jednak nie pociąga za sobą dużych zmian napięcia wyjściowego ΔU wy. Można przyjąć, że pozostaje ono stałe i równe napięciu Zenera U Z.

54 DMM1 DMM2 + 24V 14.8V V A V A N V 50Hz N1 N2 N3 C1 1m Z1 RL 1k

55 Stabilizatory parametryczne stosowane są zazwyczaj tylko przy małych mocach wyjściowych i niezbyt wygórowanych wymaganiach jakościowych. Charakteryzują się one małą sprawnością, a ich współczynniki stabilizacji mają umiarkowaną wartość przy zmianach obciążenia i napięcia wejściowego. Wartość napięcia stabilizowanego jak i prądu wyjściowego zależą głównie od parametrów elementu nieliniowego. Jest to istotna wada tego typu układów ponieważ w przypadku konieczności zmiany tych wielkości, konieczna jest wymiana elementu nieliniowego (diody Zenera).

56 200mV 0 C 100 C du F 2 mv / C dt

57 T=0,10,20,30ºC di dt I R R ~ 10% / C

58 Dioda pojemnościowa Diody pojemnościowe są to diody w których wykorzystuje się zjawisko zmian pojemności warstwy zaporowej złącza PN pod wpływem doprowadzonego z zewnątrz napięcia polaryzacji.

59 Dioda pojemnościowa - dioda półprzewodnikowa, w której wykorzystuje się zjawisko zmiany pojemności złącza p-n pod wpływem zmiany napięcia przyłożonego w kierunku zaporowym. Wyróżnia się dwa rodzaje diod pojemnościowych: Warikapy o pojemnościach rzędu pf, używane głównie w układach automatycznego strojenia jako elementy obwodów rezonansowych. Waraktory o pojemnościach rzędu 0,2-20 pf, używane głównie w zakresie bardzo wysokich częstotliwości, (5-200 GHz); znajdują zastosowanie np. w powielaczach częstotliwości.

60 C CC 1 2 C C 1 2 CC C 1 2 C C 1 2

61 Pojemność złączowa

62 Pojemność dyfuzyjna

63 C j V C U 1 U j0 D m m=1/3 m=1/2 liniowe skokowe