3. DIODY. Przyrządy dwukońcówkowe, gdzie obszarem roboczym jest złącze.

Transkrypt

1 3. DODY Przyrządy dwukońcówkowe, gdzie obszarem roboczym jest złącze. Ogólny symbol graficzny Przykładając + do anody wymuszamy prąd przewodzenia (forward direction) odwrotny kierunek daje prąd zaporowy (reverse direction) Obszar roboczy diody: złącza p-n, p-i-n, m-s (Schottky)

2 Symbole różnych typów diod półprzewodnikowych Źródło: Wikipedia 2

3 Wygląd diod półprzewodnikowych Źródło: Wikipedia Źródło: 3

4 OZNACZENA - symbole literowo-cyfrowe ustalane przez producentów OZNACZENA POLSKE Pierwsza litera - rodzaj materiału: B - Si C - GaAs, GaP, GaAsP Druga litera - rodzaj i funkcja: A - diody przyłączające, detekcyjne B - diody pojemnościowe P - fotodiody i fototranzystory Q - diody elektroluminescencyjne ( LED-y) Y - diody prostownicze X - diody mikrofalowe Z - diody Zenera Druga część symbolu: litera i cyfry - oznaczenie producenta i rodzaj zastosowań Trzecia część symbolu: oznaczenie wersji, tolerancje napięcia pracy, maks.nap. wsteczne, itp Przykład: BYP dioda krzemowa, prostownicza, producent P, seria 680, szczytowe napięcie wsteczne 600V 4

5 3. Diody prostownicze Służą do prostowania przebiegów elektrycznych, głównie przemiennych napięć sieciowych (prostowniki). Dla innych zastosowań wytwarza się diody prostownicze o różnych poziomach mocy, różnych napięciach wstecznych oraz różnych prądach przewodzenia. Diody prostownicze można podzielić na następujące grupy: A. Diody ogólnego przeznaczenia Prostowanie przebiegów o częst. akustycznych i ultradźwiękowych. Niewielkie wartości F, R, P, typowe F = A R = 500V P = 0,5 W B. Diody mocy Pracują z dużymi mocami rozpraszanymi w diodzie. Dzielą się ponadto w zal. od dopuszczalnego prądu wyprostowanego, napięcia wstecznego, maksymalnej prędkości przełączania kierunku pracy (t rr - reverse recovery time) t rr < 500 ns - szybkie < 00 ns - super szybkie < 50 ns - ultra szybkie 5

6 C. Diody wysokonapięciowe Praca z napięciami większymi od kilkuset woltów. Stosy prostownicze (szeregowe połączenie diod) mają napięcia do 50 kv. D. Diody lawinowe (ang. avalanche) Pracują w obszarze przebicia lawinowego złącza. Mają zdolność tłumienia przepięć w wyniku stanów przejściowych lub wyładowań statycznych (telekomunikacja). 6

7 Dla diod prostowniczych istotne są: Parametry charakterystyczne: ( F, F ) ( R, R ) Parametry admisyjne : Nap. wsteczne rmax ( RWMmax ) Prąd przewodzenia fmax ( FRMmax ) stały max.wart. szczytowa Charakterystyka prądowo-napięciowa Diody p-n : Dla nominalnej wart. F mają F w granicach, -,7V Diody Schottky`ego : F = 0,55-0,75V 7

8 Charakterystyka przewodzenia w skali półlogarytmicznej pozwala wyznaczyć inne parametry diody: qf F S (exp ) nkt q nkt F dla j j n- współcz. nieidealności złącza s - prąd nasycenia α exp F s q F nkt j V T q kt j 40V dla T j = 300K ln F ln s q nkt F j tg n q kt j F j F r s Charakterystyka wsteczna określa prąd, który dla prostownika jest prądem upływu. Zwykłe diody pracują powyżej napięcia przebicia lawinowego. Diody prostownicze lawinowe pracują poniżej tego napięcia (wartość ujemna!). R BR exp ( R BR ) q kt j BR - napięcie przebicia BR - prąd odpow. przebiciu 8

9 Charakterystyka prądowo-napięciowa R BR exp ( R BR ) q kt j Równanie Schockleya: F S (exp q nkt F j ) 9

10 W obliczeniach inżynierskich stosuje się liniową aproksymację charakt. diody: ) Zakres przewodzenia dla F F F F 0 T T T F r F T - nap.prog. 0.7 V p-n 0.3 V Schottky r F - rez. zastępcza w kier. przew. 2) Zakres wsteczny r A - rez. zastępcza w zakr. lawinowym R BR R BR R R r R BR R R r A BR 0

11 Prostowanie w układzie prostownika jednopołówkowego Wartość średnia prądu wyprostowanego: 0 T T 0 i t dt m FAV Moc admisyjna (dopuszczalna) P max diody jest związana z 0max: 0max 2 P r max F 2 T r i max F T R th C T C R r F th T P - temp. obudowy - rezystancja termiczna - rez. zastępcza w kier. przew.

12 3.2. Diody Zenera Przebicie złącza nap. zaporowym może być odwracalne lub nieodwracalne (niszczące). W diodach Zenera proces ten jest odwracalny i celowy. W cienkich złączach (o grubości śr. drogi swob.) pole E powoduje jonizację elektrostatyczną - zjawisko Zenera. Silnie domieszkowane złącze skokowe p + /n + spolaryzowane zaporowo Elektrony wyrwane z wiązań kowalencyjnych tunelują przez barierę potencjału bez zmiany energii Z A exp B E A,B - param. materiałowe E - pole elektr. > 0 6 V/cm 2

13 Charakterystyka diody Zenera w obszarze przebicia posiada duże nachylenie. Zastosowanie: stabilizatory napięcia, ograniczniki napięcia odniesienia itp. Własności diod określają zbiory parametrów: F, F R, R C( R ) param. admisyjne fmax, P max, T jmax Z,, Z (nap. Zenera przy określonym prądzie wstecznym) r z (rez. dynamiczna w zakr. rob.) r Z temp. współcz. napięcia Zenera: Z Z Z T Z Z 3

14 Współczynnik Z zależy od prądu, tj. określa, w jakim stopniu wzrost jest spowodowany zjawiskiem Zenera ( ujemne), a w jakim zjawiskiem jonizacji lawinowej ( dodatnie ). Przebiegi dla dwu diod o różnych napięciach z w różnych temp. otoczenia 4

15 kład pracy diody Zenera kład działa jak dzielnik napięcia out in r Z r Z R Zależy istotnie od α Z r Z - rezystancja dynamiczna diody 5

16 3.3. Diody pojemnościowe Diody p-n wytwarzane pod kątem wykorzystania pojemności barierowej złącza. Dwie grupy: warikapy (zmienne pojemności) waraktory (zmienne reaktancje - w zakr. mikrofal ) Warikapy : przestrajanie obwodów LC we wzm. selekt., generatorach, diody krzemowe Waraktory : diody z GaAs, większa częstotliwość graniczna pracy. 6

17 Pojemność barierowa zależy od zaporowego napięcia polaryzacji ( 0 ) C C 0 V j m V j - napięcie wbudowane m = /2 - złącze skokowe /3 - złącze liniowe 7

18 Schemat zastępczy małosygnałowy diody pojemnościowej zależy od częstości sygnału: ( a) (b) (c) niskie częstości średnie częstości b.w.cz.(mikrofale) C 0 - poj. obudowy, r - rez. szeregowa, L - indukcyjność doprowadzeń g - kondukt. zastępcza (nachylenie () w obszarze pracy) 8

19 Dobroć diody Q Dla schematu (b) Q R m e Z Z my R Y e Y Z Z zastępcza impedancja Y zast. admitancja Q zależy od częstotliwości Dwie różne pojemności wygenerowane napięciem C( ) C2( ) f f d g g 2πC( ) 2πrC( ) częst. graniczne Q f f d f f g Diody pojemnościowe charakteryzują się bardzo niskim poziomem szumów 9

20 Podstawowy układ pracy warikapu Zmiana częstotliwości rezonansowej obwodu: Dla C >>C() f rez 2 LC( ) 20

21 Zastosowanie waraktorów Wzmacniacz parametryczny - w systemach łączności satelitarnej ( 3,7 4,2 GHz) Napięcie pompujące zmienia pojemność waraktora z częstotliwością f p C o poj. średnia V=Q/C Gdy pojemność maleje napięcie sygnału s rośnie f s f p 2 Gdy ładunek osiąga wart. ekstremalną pojemność maleje, gdy q = 0, poj. rośnie Pompowanie powoduje wzrost amplitudy nap. sygnału S czyli wzmocnienie. Po pewnym czasie ustala się równowaga (moc przyrostu = mocy strat). Minimalny poziom szumów (temp. szumowa = temp.otoczenia). 2

22 3.4 Diody p-i-n Są to w istocie struktury typu p + - n - n + lub p + - p - n +, w których materiał n lub p zawiera śladową ilość domieszek (w istocie typ i). Dyfuzja powoduje powstanie wew. pola elektrycznego i zjawisko ustala się V j kt q ln p p p n kt q n ln n n p 22

23 Charakterystyka prądowo - napięciowa diody PN jak dla złącza p-n: S q exp nkt n= 2 duży prąd rekombinacyjny w warstwie, przeważający nad dyfuzyjnym Grubość warstwy przejściowej jest duża d pin = w + d pn grubość obsz. p + + n + Dzięki temu pojemność barierowa jest mała i nie zależy od napięcia. Na częst. mikrofalowych jest to więc zmienna rezystancja, używana do szybkiego kluczowania sygnałów, tłumienia i modulacji. 23

24 Polaryzacja zaporowa Polaryzacja w kier. przewodzenia Zmiana polaryzacji powoduje zmianę dużej imp. wstecznej na zwarcie w kierunku przewodzenia R F = r S + R i R i ~ / F L 0 - indukcyjność doprowadzeń C 0 - pojemność obudowy el.pasożytnicze Zaletą tych diod jest również duże napięcie przebicia. 24

25 3.5 DODA TNELOWA Wynalazca: Leo ESAK (958) NAGRODA NOBLA (973) za odkrycie tunelowania w półprzewodnikach Zjawisko tunelowe Zjawisko kwantowe przejście elektronu przez barierę w przypadku, gdy posiada on energię niższą niż wysokość bariery V 0. V(x) energia potencjalna (x) funkcja falowa elektronu Współczynnik przejścia przez barierę prostokątną: T ~ exp 2a 2m( V 0 W ) 2 Dla niskich (małe V 25 0 ) i wąskich (małe a) barier, współczynnik T może być istotny.

26 Dioda tunelowa (Esakiego) Złącze p/n, gdzie obszary p oraz n są silnie domieszkowane (degeneracja). Poziomy Fermiego leżą w obszarach odpowiednich pasm (walencyjnego w p oraz przewodnictwa w n ). Obszar ładunku przestrzennego jest bardzo cienki, nie przekracza 0 nm. Bariera jest wysoka. Czas tunelowego przejścia nośników jest rzędu 0 3 s. Diody tego typu wykorzystuje się do wytwarzania, wzmacniania i detekcji słabych drgań wysokich częstości (rzędu kilkuset gigaherców), w układach impulsowych (np. cyfrowych) oraz jako elementy aktywne generatorów. 26

27 Aby elektrony mogły tunelować przez barierę muszą być spełnione następujące warunki:. zachowana musi być energia elektronu (trajektoria tunelowania musi być pozioma na Diagramie pasmowym). 2. emiter elektronów musi posiadać stany zapełnione 3. stany, do których tunelują elektrony muszą być puste 4. bariera potencjału musi być odpowiednio niska, a jej szerokość mała, aby tunelowanie zachodziło Prąd tunelujący z pasma przewodnictwa półprz. n do pasma walencyjnego półprz. p jest równy: c v A fc( W ) Nc( W ) fv( W) Nv( W) Tt dw, f c (W), f v (W) - funkcje Fermiego Diraca w odp. pasmach N c (W), N v (W) - gęstości stanów T t prawdop. tunelowania Po uwzględnieniu prądu przeciwnego otrzymuje się ostatecznie: c v v c A Tt fc( w) - fv( W) Nv( W) Nc( W) dw Przy zerowym napięciu ten wypadkowy prąd jest równy zero (prąd elektronów z n do p oraz z p do n) gdzie poziom Fermiego jest jeden. 27

28 Opis jakościowy zmian prądu tunelującego po przyłożeniu do diody napięcia w kierunku przewodzenia brak prądu tunelującego max prądu tunelującego 28

29 zanik prądu tunelującego prąd dyfuzyjny złącza 29

30 Przy wzroście napięcia od P do V prąd maleje. Średnia wartość ujemnej rezystancji w tym zakresie wynosi: r md V V P P Dla diod krzemowych Dla diod wykonanych z arsenku galu Typowe wartości prądu P są rzędu kilku-kilkunastu miliamperów. Rezystancja dynamiczna dla napięć p, v jest nieskończenie wielka, natomiast w punkcie przegięcia R, R osiąga minimalną wartość ujemną r min R R 2 p p 30

31 Diody tunelowe znajdują zastosowanie w obszarze mikrofalowym, gdzie należy stosować nast.schemat zastępczy: C j pojemność złączowa r s rezystancja doprowadzeń L s indukcyjność doprowadzeń Dąży się do minimalizacji L s stosując taśmy, membrany, płytki zamiast drutów. W zależności od wielkości napięcia polaryzacji, obciążenia oraz parametrów własnych diody, dioda tunelowa może pracować jako: Wzmacniacz (wymagane duże częst. krytyczne i mały poziom szumów) Generator (wymagana duża moc przekazywana do obciążenia) Przełącznik (duży skok napięcia v p ) 3

32 Generator LC z rezystancją ujemną Obwody LC mają zawsze właściwości rezonansowe. Trzeba jedynie uzupełniać straty energii. Może do tego służyć sprzężenie zwrotne albo rezystancja ujemna. Rezystancja ujemna uzależniona prądowo jest w stanie pobudzić do drgań obwód rezonansu szeregowego. Warunkiem istnienia drgań jest spełnienie równania: R r j( L ) 0 C Jeżeli 0, to musi zachodzić: R r j L 0 C Z równania powyższego wynikają dwa warunki, które musza być równocześnie spełnione:. Warunek amplitudy -R + r = 0 r = -R 2. Warunek fazy L 0 0 C Warunki te wzmacniają wartość rezystancji ujemnej potrzebnej do podtrzymania drgań 32 oraz częstotliwość tych drgań. LC

33 Dioda tunelowa jest elementem wykazującym rezystancję ujemną, a jej charakterystyka jest uzależniona napięciowo. Taki element jest w stanie pobudzić do drgań obwód rezonansu równoległego. Warunek istnienia drgań: (-R + Z ) = 0 Z impedancja obwodu LC -R - ujemna rezystancja Jeżeli 0, to : -R + Z = 0, przy czym: ( rl j L)( rc ) j C Z R jx rl rc j( L ) C Wstawiając za Z do warunku istnienia drgań otrzymuje się, że część rzeczywista oraz niezależnie część urojona muszą się zerować.. Z zerowania części rzeczywistej otrzymuje się warunek amplitudy określający rezystancję ujemną do wzbudzenia drgań: R r L r r L C L C r C C( r L L r C ) Z 0 Z 0 - _ impedancja rezonansowa obwodu równoległego 33

34 2. Warunek fazy określający częstotliwość drgań otrzymuje się z zerowania części urojonej: 2 LC gdzie: 2 0 Q Q L C LC Q L Q 2 L r 0 L Q L 2 C dobroć cewki Q C 0 r C 0 dobroć kondensatora 34

35 Zastosowania diod prostowniczych prostownik jednopołówkowy prostownik dwupołówkowy 35

36 Zastosowania diod prostowniczych prostownik w układzie mostka Graetza 36

37 Zastosowania diod prostowniczych ogranicznik napięcia 37

38 Zastosowania diod prostowniczych podwajacz napięcia 38

39 Zastosowania diod prostowniczych powielacz napięcia (x4) Zasada działania 39