Elementy elektroniczne Wykłady 4: Diody półprzewodnikowe

Część pierwsza Diody - wprowadzenie

Diody półprzewodnikowe - wprowadzenie Podstawowe równanie: AK R exp 1 mt proszczenia w zakresie przewodzenia dla diod małej i średniej mocy : m=1 i pomijamy we wzorze 1. Wtedy: R exp T AK

Diody półprzewodnikowe - wprowadzenie

Diody półprzewodnikowe - Charakterystyka diody wprowadzenie F napięcie w kierunku przewodzenia (FORWARD) F prąd w kierunku przewodzenia R napięcie w kierunku zaporowym (REVERSE) R prąd w kierunku zaporowym

Diody półprzewodnikowe - wprowadzenie

Diody półprzewodnikowe wpływ temperatury 1N4001 Wpływ temperatury na charakterystykę diody w kierunku przewodzenia

Diody półprzewodnikowe - parametry 1. Prąd przewodzenia F (forward) : - AV(M) (average) średni, maksymalny - RMS (root mean square) skuteczny - SM (surge maximum) impulsowy maksymalny, niepowtarzalny 2. Napięcie przewodzenia F (forward) 3. Prąd wsteczny R (reverse); (M) - maksymalny 4. Napięcie wsteczne R (reverse) : - RMM (repetitive reverse maksimum) maksymalne, powtarzalne - SM (surge maximum) impulsowe maksymalne 5. Czas powrotu t rr (recovery time)

Diody półprzewodnikowe - parametry nne parametry: 6. Szybkość narastania R d R /dt 7. Moc 8. Zakres temperatur pracy 9. Rezystancja cieplna

Diody półprzewodnikowe - parametry

Diody półprzewodnikowe - budowa

proszczone modele stałoprądowe Model odcinkowo - liniowy

proszczone modele stałoprądowe Model o stałym spadku napięcia

proszczone modele stałoprądowe Model idealny

Modele diod nieliniowy model statyczny Dla polaryzacji w kierunku przewodzenia i zaporowej: A K r r S () 1 exp 1 2 exp T S T G m

Modele diod nieliniowy model statyczny Dla polaryzacji w kierunku przewodzenia: A () r S K R exp 1 mt R wypadkowy prąd wsteczny podawany w katalogach (typowa wartość dla Si 10-14 A) m współczynnik niedoskonałości równy 1 do 2 R S G r S wypadkowa rezystancja szeregowa strat na złączach i doprowadzeniach równa 0...5

Nieliniowy model statyczny - zastosowania Zastosowania modelu: - obliczenia stałoprądowe (układów polaryzacji diody) - zależność na spadek napięcia na diodzie wyznaczona z równania na wartość prądu, pomijając -1 we wzorze: - zmiana napięcia na diodzie przy stałym prądzie 2mV/ 0 C - podwojenie wartości prądu wstecznego na 8 0 C: m T ln - badanie wpływu temperatury na punkt pracy diody: R R 1 8 T T 2 1 R 0 T T 0

Nieliniowy model statyczny - zastosowania teracyjne wyznaczanie punktu pracy diody: CC D D R 1 R T 10 m 1 14 A 26mV R CC 1 9V 1k Równania opisujące układ: D D 1) D 2) D T ln S CC R 1

Nieliniowy model statyczny - zastosowania Algorytm iteracji: 1. Założyć D np. równe 650mV 2. Obliczyć z równania 1 D 3. Obliczyć z równania 2 nową wartość D 4. Wrócić do punktu nr 2 algorytmu k D [mv] 0 650 1 2 3 D [ma]

Nieliniowy model statyczny - zastosowania Graficzne wyznaczanie parametrów układu polaryzacji diody CC D R 1 R T 10 m 1 14 A 26mV D R D CC 1 1mA? 2V

Nieliniowy model statyczny - zastosowania AK 1. Korzystając z zależności: R exp 1 mt wyznaczamy charakterystykę =f() diody, zaznaczając na niej punkt Q dla D = 1mA 2. Równanie analizowanego układu ma postać: CC D DR 1 Jest to równanie prostej w postaci: D DR1 CC

Nieliniowy model statyczny - zastosowania 3. Znajduję punkt przecięcia prostej z osią x ( D =0): Dmax = CC = 2V 4. Łączę wyznaczony punkt, z punktem Q tworząc prostą. Znajduję przecięcie tej prostej z osią y ( D = 0): Dmax = CC /R 1 = 1.7mA 5. Wyznaczam wartość rezystora: R 1 cc Dmax 1.176k 1.2k

Nieliniowy model statyczny - zastosowania D [ma] Dmax 1.5 1.7 AK R exp 1 mt 1 Q CC D DR 1 0.5 Dmax D [V] 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

Nieliniowy model statyczny - zastosowania Wyznaczenie zmian napięcia na diodzie w funkcji temperatury DC D D m T k q R 300K D 1.984 300K 10 40 283 313 1.3810 1.6 10 14.1110 586mV 0 23 19 0 C C K J K 9 A

Nieliniowy model statyczny - zastosowania Obliczenia można przeprowadzić: - korzystając z zależności analitycznej opisującej spadek napięcia na diodzie: R T m T T ln R 1 8 T T 2 1 R 0 T T 0 D T T T kt q - z wykorzystaniem temperaturowego współczynnika zmian napięcia na złączu PN równego 2mV/ 0 C - z wykorzystaniem programu Pspice (rozbudowany model diody)

Nieliniowy model statyczny - zastosowania D = 1.3mA D = 13mA T T [mv] R 10-9 D [mv] D [mv] D [mv] T [mv] R 10-9 D [mv] D [mv] D [mv] [A] (równ.) (wsp.) (Pspice) [A] (równ.) (wsp.) (Pspice) 10 0 C 24.4 3.23 625 620 620 24.4 3.23 736 739 732 27 0 C 25.9 14.1 586 586 586 25.9 14.1 705 705 705 40 0 C 27 43.5 552 560 560 27 43.5 675 679 684 avg -2.43-2 -2-2 -2-1.6 (d/ dt) mv/k mv/k mv/k mv/k mv/k mv/k

Nieliniowy model statyczny - zastosowania DC1 CC DC2 T m T T ln R kt T T q D T D1 R D2 R D 2 D1 mt ln D2 D1 d dt R nk q ln D2 D1

Diody półprzewodnikowe nieliniowy model statyczny Dla polaryzacji w kierunku zaporowym: r A K R G S Gdzie r u jest rezystancją upływu. Dla zwykej diody ważne są parametry graniczne: maksymalne napięcie R i prąd R wsteczne.

Nieliniowy model dynamiczny (wielkosygnałowy) pojemność złączowa i dyfuzyjna () 1 exp 1 2 exp T S T G m A K r r S C j C d C 0 D d C 2 m D j j C C 1 0 C 0 pojemność obudowy diody

Nieliniowy model dynamiczny (wielkosygnałowy) - zastosowania Zastosowania analiza pracy diody w układach impulsowych, np. jako klucz (przełącznik). R L D G D

Nieliniowy model dynamiczny (wielkosygnałowy) - zastosowania

Nieliniowy model dynamiczny (wielkosygnałowy) - zastosowania E G -E G t D max F t OFF = F D F t rr t s t f max - ładowanie pojemności złączowej t t t F S f rr E G R R ln 2. 3 t S S F F OFF RS RC j t f t rr (reverse recovery time) parametr katalogowy t

Nieliniowy model dynamiczny - Pspice d1 V d S T exp 1 NVt d 2 BV exp BV V V t d S T _ area S T TNOM XT 1 N EG T TNOM exp NV TNOM t Dodatkowo w modelu Pspice parametry: Cj, Vj i EG zmieniają wartości ze zmianą temperatury.

Nieliniowy model dynamiczny - Pspice

Liniowy model dynamiczny A K r r S c j c d C 0 D d c 2 m D j j C c 1 0 r d T D d r

Liniowy model dynamiczny Po co polaryzacja wstępna??? Co to jest punkt pracy???

Liniowy model dynamiczny

Liniowy model dynamiczny Zastosowania modelu liniowego - małosygnałowego: - obliczenia parametrów roboczych układów elektronicznych - wyznaczanie częstotliwości granicznych układów elektronicznych

Liniowy model dynamiczny Pspice V N V V N T g t d t S d exp t d t z V V BV V BV g exp M j d j j T V V T C c 1 0 V N V V N T TT c t d t s d exp r g 1

Część druga Rodzaje diod

Diody prostownicze Symbol i charakterystyka D Fmax F = r d Rmax F F F D R F r d F F

Diody prostownicze Cechy charakterystyczne: - duża powierzchnia warstw zaporowych - niewielkie częstotliwości pracy (głównie 50 lub 100 Hz); chyba, że szykie np.. Schottkye go - szeroki zakres mocy dopuszczalnych - stosowane głównie w układach zasilających do prostowania prądów przemiennych

Diody prostownicze R1 D V1: t t F =912mV D V amp 3V f 50Hz 1

Diody prostownicze

Diody detekcyjne i mieszające Charakterystyki i symbol takie jak dla diody prostowniczej (oprócz diody wstecznej). Cechy charakterystyczne: - szeroki zakres częstotliwości pracy: Hz GHz - bardzo mała powierzchnia złącz małe pojemności: pf - praca ze znacznie mniejszymi prądami w porównaniu do diod prostowniczych. Do grupy tej należą: diody ostrzowe germanowe lub krzemowe, diody Schottkye go, diody wsteczne.

Diody detekcyjne i mieszające diody ostrzowe Parametry dynamiczne: - pojemność diody przy określonej częstotliwości i określonym napięciu wstecznym - sprawność detekcji: stosunek mocy sygnału zdemodulowanego do mocy sygnału zmodulowanego - czułość prądowa zdolność do oddawania przez diodę użytecznych sygnałów wyjściowych dla danego sygnału zmodulowanego w. cz. - względna temperatura szumów diody stosunek mocy szumów diody w danym paśmie do mocy szumów cieplnych idealnego rezystora liniowego mającego tą samą temperaturę co dioda - moc admisyjna

Diody detekcyjne i mieszające diody ostrzowe Małosygnałowy schemat zastępczy: C 0 r A L 0 K r d FQ T c j c d r d C j r S C 1 j0 D m C d 2 D

Diody detekcyjne i mieszające diody ostrzowe Zastosowania: - detektory - mieszacze - ograniczniki napięcia

Cechy: Diody detekcyjne i mieszające diody Schottkye go Symbol Charakterystyka, taka jak dla diod prostowniczych i detekcyjnych z wiekszą stromością w zakresie przewodzenia szybsze działanie, mała pojemność złącza metal - półprzewodnik - szybsze działanie, mała pojemność złącza metal półprzewodnik - mała wartość r S, - mały poziom szumów własnych - duża odporność na wstrząsy i udary

Diody detekcyjne i mieszające diody Schottkye go

Diody detekcyjne i mieszające dioda wsteczna Rodzaj diody tunelowej. Powstaje przy koncentracji domieszek w obszarach P i N nieco mniejszych niż wymagane do wystąpienia efektu tunelowego w kierunku przewodzenia. część użyteczna charakterystyki Dla kierunku przewodzenia zachowuje się jak zwykła dioda.

Diody detekcyjne i mieszające dioda wsteczna Cechy charakterystyczne: - małe napięcie progowe (wzros prądu praktycznie od zerowego napięcia) - duża szybkość działania (praca na nośnikach większościowych) - duża odpornośc na wpływ temperatury i promieniowania - mały poziom szumów własnych

Diody detekcyjne i mieszające dioda wsteczna Zastosowanie: - mikrofalowe detektory małych sygnałow - mieszacze mikrofalowe

Diody impulsowe Cechy charakterystyczne: - bardzo mała rezystancja w kierunku przewodzenia i bardzo duża w kierunku zaporowym - bezzwłoczna reakcja na impulsy czyli brak opóźnień i zniekształceń impulsów Ważne parametry dynamiczne: - czas przełączania t rr (ładunek przełaczania Q rr ) przy określonych warunkach: wysterowaniu i obciążeniu diody - pojemność diody przy określonej częstotliwości i określonym napięciu wstecznym

Diody impulsowe

Diody impulsowe Diody ładunkowe: diody impulsowe mogące pracować z bardzo krótkimi impulsami, posiadające bardzo krótkie czasy zaniku. Poprzez odpowiedni rozkład domieszek w półprzewodniku wytwarza się pole, które przeciwdziała przepływowi wstrzykiwanych nośników mniejszościowych do bazy diody zasada działania diod ładunkowych.

Diody stabilizacyjne Zenera (stabilitrony) Symbol, charakterystyka układ polaryzacji zmax z zmin + R we ZQ wy = ZQ zmax P max -

Diody stabilizacyjne Zenera (stabilitrony) ZQ Z ZQ Z min r d dla: Z min ZQ Z max Z ZQ Z Z zmin ZQ Z = r d P max r d Z Z

Diody stabilizacyjne Zenera - parametry - napięcie stabilizowane zależne od Zmin i P max - rezystancja dynamiczna (najmniejsza dla napięcia 7.5V) d Z rd d - temperaturowy współczynnik zmian napięcia stabilizowanego TW Z (zerowy dla diod o napięciu 5 7V) Z Z Z 1 T 0 TW T Z 0

Diody stabilizacyjne Zenera - parametry

Diody stabilizacyjne Zenera - parametry - rezystancja statyczna (w punkcie pracy) ZQ RST - współczynnik stabilizacji S - moc admisyjna P max d d - rezystancja cieplna (sposób chłodzenia diody) Z ZQ Z ZQ ZQ R r ST d

Diody stabilizacyjne Zenera - parametry Zastosowania???

Diody stabilizacyjne Zenera parametryczny stabilizator napięcia we R 1 ZQ L R L wy Dioda _ C5V 1 r Z min d R R S Z L WY WE ZQ 1 3mA 5.1V 10 510 5.25V 9V?? d d WY WE

Diody pojemnościowe Rozróżniamy dwa typy (zastosowania i różne częstotliwości pracy): - warikapy (VARiable CAPacitance) o zmiennej pojemności (np.. przestrajane obwody rezonansowe) - waraktory (VARiable reactor) o zmiennej reaktancji pojemnościowej (np. elementy czynne nieliniowe w układach w. cz.) L s R s Symbole: C 0 R C j

Diody pojemnościowe - warikapy Parametry charakterystyczne: - pojemność złącza C j przy określonej częstotliwości i określonym napięciu wstecznym - stosunek pojemności C j przy dwóch różnych (granicznych) wartościach napięcia polaryzacji wstecznej - rezystancja szeregowa R s lub dobroć przy określonej częstotliwości i napięciu polaryzacji wstecznej - zakres częstotliwości pracy

Diody pojemnościowe - warikapy Schemat zastępczy i charakterystyki: R s R C j

Diody pojemnościowe - warikapy Zależności: S j S j R R C R R R C Q 2 2 1 Dla Q = 1: s j j R C f R C f 2 1 2 1 max min

Diody pojemnościowe - waraktory Parametry charakterystyczne: - pojemność złącza C j przy określonej częstotliwości i określonym napięciu wstecznym (zwykle maksymalna) - stosunek pojemności C j przy dwóch różnych (granicznych) wartościach napięcia polaryzacji wstecznej - prąd wsteczny R przy okreslonym napięciu wstecznym R - częstotliwość maksymalna przy określonym napięciu polaryzacji wstecznej - parametry pasożytnicze: L s, C 0 i R s

Diody pojemnościowe - waraktory Schemat zastępczy: L s R s C 0 R C j

Diody pojemnościowe

Mikrofalowe diody modulacyjne, tłumiące i przełaczające typu PN Budowa a) i schematy zastępcze: b) polaryzacja zaporowa, c) polaryzacja w kierunku przewodzenia W kierunku zaporowym dioda stanowi kondensator o niewielkiej pojemności.

Mikrofalowe diody modulacyjne, tłumiące i przełaczające typu PN W kierunku przewodzenia do obszaru o dużej rezystywności (półprzewodnik samoistny) wstrzykiwane są dziury z P i elektrony z N, powodując wzrost konduktywności tego obszaru proporcjonalny do płynącego prądu. Zastosowania: - modulator amplitudy - klucz - tłumik

Mikrofalowe diody modulacyjne, tłumiące i przełaczające typu PN

Mikrofalowe diody generacyjne diody tunelowe Symbol i charakterystyka

Mikrofalowe diody generacyjne diody tunelowe P Główna właściwość ujemna rezystancja dynamiczna: r d Odtłumianie obwodów rezonansowych - generator V P V

Mikrofalowe diody generacyjne diody tunelowe Parametry charakterystyczne: - współrzędne punktów ( P, P ) oraz ( V, V ) lub współrzędne wierzchołka ( P, P ) oraz stosunek prądów P / V - ujemna rezystancja dynamiczna: minimalna: rd min 2 P P średnia: r davg V V P P - pojemność warstwy zaporowej C j - rezystancja szeregowa R S

Mikrofalowe diody generacyjne diody tunelowe -wartości elementów pasożytniczych: L S i C 0 - graniczna częstotliwość odtłumiania Parametry graniczne: - maksymalny prąd w kierunku przewodzenia F i w kierunku zaporowym R - maksymalną temperaturę pracy C 0 Schemat zastępczy: L s -r d R s C j

Mikrofalowe diody generacyjne diody tunelowe

Mikrofalowe diody generacyjne diody tunelowe G f g L 2 g d L 0 1 C 0 C j Generator mikrofalowy

Mikrofalowe diody generacyjne. Diody lawinowe: Reada, mpatt, Trapatt W diodach lawinowo-przelotowych ujemną konduktancję dynamiczną uzyskuje się w efekcie przesunięci fazowego pomiędzy prądem a napięciem o kąt 180 0. Opóźnienie to jest wywołane procesem lawinowym i skończonym czasem przelotu nośników przez występującą w strukturze diody warstwę, zbudowaną z półprzewodnika samoistnego, w której tworzy się rozkład ładunku przestrzennego. Zastosowania: generatory mikrofalowe.

Mikrofalowe diody generacyjne - diody Gunna Efekt Gunna wzbudzenie się oscylacji elektrycznych w półprzewodnikach (np. GaAs) typu n, wynikający z powstawania ujemnej rezystancji dynamicznej wywołanej międzydolinowymi przejściami elektronów w pasmie przewodnictwa pod wpływem odpowiednio dużych pól elektrycznych.