Επαφή / ίοδος p- n. Σχήµα 1: Επαφή / ίοδος p-n

Transcript

1 Επαφή / ίοδος p- n 1. ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΙΟ ΟΥ p-n ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΟΡΙΣΜΟΙ Επαφή p-n ή ένωση p-n δηµιουργείται στην επιφάνεια επαφής ενός ηµιαγωγού-p µε έναν ηµιαγωγό-n. ίοδος p-n ή κρυσταλλοδίοδος είναι το ηλεκτρονικό εξάρτηµα που προκύπτει από την ένωση ενός ηµιαγωγού-p µε έναν ηµιαγωγό-n (Σχ. 1). Σχήµα 1: Επαφή / ίοδος p-n Η κρυσταλλοδίοδος υλοποιείται, επεµβαίνοντας κατάλληλα µε ειδικές µεθόδους στα άκρα ηµιαγώγιµου µονοκρυστάλλου, για να αποφεύγονται οι δυσάρεστες συνέπειες από την ένωση των δύο διαφορετικών ηµιαγωγών, οι οποίες εντοπίζονται κυρίως στα όρια των κόκκων. Η ΖΩΝΗ ΑΠΟΓΥΜΝΩΣΗΣ Κατά την υλοποίηση της επαφής p-n, σηµειώνεται µετακίνηση ηλεκτρονίων από τον ηµιαγωγόn προς τον ηµιαγωγό-p, προς επανασύνδεση µε τις παραπλήσιες οπές, οπότε λαµβάνει χώρα η αντίδραση: ηλεκτρόνιο + οπή ενέργεια. Αποτέλεσµα αυτής της δράσης είναι η αλληλοεξουδετέρωση των φορέων και η δηµιουργία εκατέρωθεν της επαφής δύο τµηµάτων «απογυµνωµένων» από τους φορείς τους, δηλ. ένα τµήµα στον ηµιαγωγό-n µε θετικά ιόντα µόνο, χωρίς ηλεκτρόνια και ένα τµήµα στον ηµιαγωγό-p µε αρνητικά ιόντα µόνο, χωρίς οπές. Σε αντίθεση µε τους ευκίνητους φορείς των ηµιαγωγών (ελεύθερα ηλεκτρόνια και oπές) που τείνουν να διαχέονται προς τις περιοχές µε τη µικρότερη συγκέντρωσή τους, η συγκέντρωση των αρνητικών ιόντων στα οποία µετατράπηκαν οι αποδέκτες του τµήµατος τύπου p και η συγκέντρωση των θετικών ιόντων στα οποία µετατράπηκαν οι δότες στο τµήµα τύπου n, παραµένουν αµετάβλητες, αφού τα ιόντα µένουν ακίνητα στο σώµα. Έτσι, το υλικό χάνει τοπικά την ηλεκτρική του ουδετερότητα και οι πλευρές της ένωσης φορτίζονται µε αντίθετα ηλεκτρικά φορτία, µε αποτέλεσµα να εµφανίζεται µια διαφορά δυναµικού (συνήθως Vοlts), της οποίας το ηλεκτροστατικό πεδίο εµποδίζει την παραπέρα διάχυση των φορέων προς το απέναντι τµήµα της ένωσης. Τα δύο αυτά τµήµατα συνιστούν την περιοχή απογύµνωσης (depletion region) της διόδου, βλ. Σχ. 2. Έξω από την περιοχή απογύµνωσης η δοµή των ηµιαγωγών παραµένει ως είχε. 1

2 Σχήµα 2: Σχηµατισµός της ζώνης απογύµνωσης Η ζώνη απογύµνωσης δηµιουργεί φραγµό στη µετακίνηση ηλεκτρονίων διαµέσου αυτής. Το ελάχιστο δυναµικό V 0 που πρέπει να επιβληθεί για να υπερπηδηθεί η ζώνη απογύµνωσης από τα ηλεκτρόνια ονοµάζεται δυναµικό φραγµού. Η δίοδος p-n υλοποιείται µε σύνδεση των άκρων των δύο ηµιαγώγιµων τµηµάτων p και n µε µεταλλικές επαφές. Έτσι, προκύπτουν η άνοδος Α και η κάθοδος Κ της διόδου, η οποία στα ηλεκτρικά κυκλώµατα συµβολίζεται µε ένα βέλος στην πλευρά p και µία γραµµή στην πλευρά n, βλ. Σχ. 3. Σχήµα 3: Υλοποίηση και συµβολισµός διόδου p-n H ζώνη απογύµνωσης λειτουργεί ως πυκνωτής µε τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: Q S Χωρητικότητα επαφής ή στατική χωρητικότητα φραγµού: C T = =ε V L ιαφορά δυναµικού: V = V0 V όπου: Q η µεταβολή του φορτίου της ζώνης, S η επιφάνεια της ζώνης, L το µήκος της, ε η διηλεκτρική σταθερά του ηµιαγωγού, V η εξωτερικά επιβαλλόµενη τάση, V 0 το δυναµικό φραγµού (0.1V για το Ge και 0.5V για το Si). Η χωρητικότητα C T λαµβάνει τιµές στην περιοχή pf. 2. ΠΟΛΩΣΗ ΙΟ ΟΥ p-n Ανάλογα µε την σύνδεση εξωτερικής πηγής µε τα άκρα της διόδου p-n διακρίνουµε δύο είδη πόλωσής της: (α) Ορθή πόλωση (forward bias), όταν ο θετικός πόλος της εξωτερικής πηγής συνδέεται µε το τµήµα p της διόδου (Σχ. 4). (β) Ανάστροφη πόλωση (reverse bias), όταν ο θετικός πόλος της εξωτερικής πηγής συνδέεται µε το τµήµα n της διόδου (Σχ. 7). 2

3 ΟΡΘΗ ΠΟΛΩΣΗ (α) (β) Σχήµα 4: Ορθή πόλωση διόδου p-n (α) V<V 0, (β) V>V 0 Σηµειώνεται κίνηση των φορέων (οπές και ηλεκτρόνια) σε κάθε τµήµα της διόδου προς την επαφή p-n. Με αύξηση της εξωτερικής τάσης, το µήκος της ζώνης απογύµνωσης βαθµιαία µειώνεται µέχρις ότου µηδενιστεί, οπότε ξεκινά ροή ρεύµατος στο κύκλωµα προς µία κατεύθυνση. Κατευθείαν ρεύµα ή ρεύµα ορθής φοράς ή ρεύµα διάχυσης (forward current) (I F ): Είναι το ρεύµα που διαρρέει το κύκλωµα και σηµειώνεται µε φορά αντίθετη προς τη φορά κίνησης των ηλεκτρονίων. Ανάστροφο ρεύµα κόρου (Ι 0 ): είναι το ρεύµα που οφείλεται σε θερµική διέγερση του ηµιαγωγού και λαµβάνει πολύ χαµηλή τιµή (µερικά µα). Ρεύµα εξωτερικού κυκλώµατος (Ι D ): I D =I F -I 0. Τάση γόνατος (V γ ): Είναι η τιµή της εξωτερικής τάσης, µετά την οποία αυτή αυξάνεται εκθετικά, βλ. Σχ. 5. Για το Ge λαµβάνει την τιµή 0.3V, ενώ για το Si την τιµή 0.7V. Σχήµα 5: Χαρακτηριστική καµπύλη V-I διόδου p-n σε ευθεία πόλωση 3

4 Η ορθά πολωµένη δίοδος p-n λειτουργεί ως κλειστός διακόπτης και το αντίστοιχο ισοδύναµο κύκλωµά της φαίνεται στο Σχ. 6. Σχήµα 6: Ισοδύναµο κύκλωµα διόδου p-n µε ορθή πόλωση ΑΝΑΣΤΡΟΦΗ ΠΟΛΩΣΗ (α) (β) Σχήµα 7: Ανάστροφη πόλωση διόδου p-n: (α) V<V 0, (β) V'>V 0 Σηµειώνεται κίνηση των φορέων (οπές και ηλεκτρόνια) σε κάθε τµήµα της διόδου προς τα άκρα αυτής (αποµακρύνονται από την επαφή p-n). Με αύξηση της εξωτερικής τάσης, το µήκος της ζώνης απογύµνωσης αυξάνεται συνεχώς (L 1 >L)και η δίοδος διαρρέεται από ένα πολύ µικρό ρεύµα (Ι 0 ), που ονοµάζεται ανάστροφο ρεύµα κόρου (της τάξης των µa) και παραµένει σχεδόν σταθερό. To δυναµικό φραγµού αυξάνεται συνεχώς σύµφωνα µε τη σχέση: V = V V S Q Αντίθετα, η χωρητικότητα φραγµού µειώνεται στην τιµή: C T1 =ε =. L V+ V 1 0 Σχήµα 8: Χαρακτηριστική καµπύλη V-I διόδου p-n σε ανάστροφη πόλωση 4

5 Όταν η εξωτερική τάση φθάσει µια ορισµένη τιµή (V z ) που λέγεται τάση διάσπασης ή τάση Zener, παρατηρείται ραγδαία αύξηση του ρεύµατος. Το φαινόµενο καλείται κατάρρευση της διόδου. Στο Σχ. 8 παρουσιάζεται η χαρακτηριστική καµπύλη V-I της διόδου σε ανάστροφη πόλωση. Η ανάστροφα πολωµένη δίοδος p-n αντιµετωπίζεται σε κύκλωµα ως ανοικτός διακόπτης (ιδανική δίοδος) ή ως πολύ µεγάλη αντίσταση (µη ιδανική δίοδος), βλ. Σχ ΧΡΗΣΕΙΣ ΚΡΥΣΤΑΛΛΟ ΙΟ ΩΝ Σχήµα 9 Η κρυσταλλοδίοδος δίοδος µπορεί να χρησιµοποιείται ως: Ανορθωτής σε αναλογικά ηλεκτρονικά κυκλώµατα (ελεγχόµενοι διακόπτες για τη διέλευση ή όχι του ηλ. ρεύµατος ηµιανόρθωση, πλήρης ανόρθωση) Ψαλλιδιστές σε ψηφιακά ηλεκτρονικά κυκλώµατα (παραγωγή παλµικών σηµάτων). Συσκευή ελέγχου για την ασφαλή κατεύθυνση του ρεύµατος. Πολλαπλασιαστής για ανύψωση της τάσης σε εφαρµογές χαµηλής ηλεκτρικής ισχύος, π.χ. σε παλµογράφο, οθόνη Η/Υ, κλπ. Για την καταστολή του σπινθήρα που παράγεται στο διακόπτη, όταν διακόπτεται ένα κύκλωµα µε υψηλή επαγωγική αντίσταση (π.χ. ένα πηνίο). Οι κρυσταλλοδίοδοι κατασκευάζονται σε διακριτή µορφή ή υπό τη µορφή ολοκληρωµένου κυκλώµατος (Ι.C.). Στα Σχ παρουσιάζονται µερικά κυκλώµατα διόδων και οι εφαρµογές τους. Σχήµα 10: Θετική και αρνητική ηµιανόρθωση µε χρήση κρυσταλλοδιόδων. 5

6 Ανορθωµένη τάση Κυµατοµορφές τάσης εισόδου Σχήµα 11: Πλήρης ανόρθωση µε δύο διόδους Σχήµα 12: Πλήρης ανόρθωση µε γέφυρα διόδων Συνδυασµός ηµιανορθωτή-πυκνωτή Συνδυασµός ηµιανορθωτή-πυκνωτή Σχήµα 13: Ανιχνευτής κορυφής (Ανόρθωση µε φίλτρο πυκνωτή) 6

7 Θετικός ψαλιδιστής Αρνητικός ψαλιδιστής ιπλός ψαλιδιστής Σχήµα 14: Ψαλιδισµός µε χρήση κρυσταλλοδιόδων Σχήµα 15: ιπλασιαστής τάσης 7

8 4. ΕΙ ΙΚΕΣ ΚΡΥΣΤΑΛΛΟ ΙΟ ΟΙ Η ΙΟ ΟΣ ΜΕΤΑΒΛΗΤΗΣ ΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑΣ Η δίοδος µεταβλητής χωρητικότητας ή δίοδος Varactor ή δίοδος Varicap είναι µια ανάστροφα πολωµένη δίοδος, της οποίας η περιοχή απογύµνωσης αντιστοιχεί σε µεταβλητό πυκνωτή µε χωρητικότητα αντιστρόφως ανάλογη προς την επιβαλλόµενη εξωτερική τάση, σύµφωνα µε τη K σχέση: CT =, όπου Κ σταθερά εξαρτώµενη από τη γεωµετρία και το υλικό του V + V 0 R ηµιαγωγού, V 0 το δυναµικό φραγµού και V R η επιβαλλόµενη τάση. H χωρητικότητα λαµβάνει τιµές µεταξύ pf. Στο Σχ. 16 παρουσιάζονται ο συµβολισµός και το ισοδύναµο κύκλωµα της διόδου. Η αντίσταση ορθής πόλωσης είναι πολύ µικρή (µερικά Ω), ενώ αντίθετα η αντίσταση ανάστροφης πόλωσης πολύ µεγάλη (της τάξης των MΩ). Σχήµα 16: Συµβολισµός και ισοδύναµο κύκλωµα διόδου Varactor (R S : Αντίσταση ορθής πόλωσης, R R : Αντίσταση ανάστροφης πόλωσης) Η δίοδος Varactor χρησιµοποιείται για τη διαµόρφωση ακουστικού σήµατος κατά συχνότητα (F.M.) και για την επιλογή συχνότητας σε άλλες τηλεπικοινωνιακές εφαρµογές, π.χ. επιλογή συχνότητας συντονισµού σε ραδιοφωνικό ή τηλεοπτικό δέκτη, όπου µικρή µεταβολή της χωρητικότητας προκαλεί µεγάλη µεταβολή της συχνότητας και αντίστροφα. Η ΙΟ ΟΣ SCHOTTKY H δίοδος Schottky προκύπτει από την επαφή µετάλλου µε ηµιαγωγό-n (το µέταλλο παίζει το ρόλο του ηµιαγωγού-p). Παρουσιάζει παραπλήσια χαρακτηριστικά µε τη δίοδο p-n, µε το εξής επιπλέον πλεονέκτηµα: Κατά την ορθή πόλωση της διόδου, οι πλεονάζοντες φορείς του ηµιαγωγού-n (ηλεκτρόνια) εισέρχονται στο µέταλλο και µαζί µε τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του συντελούν στη µη συσσώρευση φορτίων στη ζώνη απογύµνωσης. Λόγω αυτής της συµπεριφοράς, η δίοδος Schottky χρειάζεται πολύ µικρότερο χρόνο (µερικά ns) από την απλή δίοδο p-n για να µεταβεί από την αγώγιµη κατάσταση (ορθή πολικότητα) στην κατάσταση αποκοπής (ανάστροφη πολικότητα). Χρησιµοποιείται σε ψηφιακά κυκλώµατα που απαιτείται ταχεία µετάβαση από την αγωγιµότητα στην αποκοπή, σε παλµοτροφοδοτικά και σε εφαρµογές χαµηλής τάσης λόγω του χαµηλού δυναµικού φραγµού ( V). Συµβολισµός: Η ΙΟ ΟΣ ZENER H δίοδος Zener είναι µια ανάστροφα πολωµένη δίοδος που λειτουργεί στην περιοχή κατάρρευσης (διάσπασης) υπό σταθερή τάση (τάση Zener V Z ) χωρίς να καταστρέφεται. 8

9 Το κύριο χαρακτηριστικό της είναι ότι µπορεί να διατηρεί σταθερή τάση στα άκρα της, ανεξάρτητα από την εξωτερική τροφοδοσία. Η χαρακτηριστική της καµπύλη V-I παρουσιάζεται στο Σχ. 17. Σχήµα 17: Χαρακτηριστική καµπύλη V-I διόδου Zener Χαρακτηριστικά της διόδου Zener: IZmax + IZmin H τάση Zener V Z : Αντιστοιχεί σε ρεύµα IZ = και οι ακρότατες τιµές της 2 V V V, κυµαίνεται δε στην περιοχή (2,4-200 V). διαφέρουν ελάχιστα ( ) Zmax Zmin Z Το µέγιστο επιτρεπόµενο ρεύµα Ι Zmax. VZmax VZmin Η δυναµική αντίσταση της διόδου: RZ = I I Zmax Zmin [λαµβάνει πολύ µικρή τιµή (0-500 Ω)]. O θερµοκρασιακός συντελεστής a, που δηλώνει τη µεταβολή της τάσης Zener µε τη θερµοκρασία. Στο Σχ. 18 παρουσιάζονται ο συµβολισµός και το ισοδύναµο κύκλωµα της διόδου Zener. Σχήµα 18: Συµβολισµός και ισοδύναµο κύκλωµα διόδου Zener 9

10 Η διόδος Zener χρησιµοποιείται ως: (α) Σταθεροποιητής τάσης: Όταν µια τάση τροφοδοσίας "παίζει" και απαιτείται σταθερή τάση στο φορτίο, αυτό µπορεί να διορθωθεί µε τη χρήση της συνδεσµολογίας του Σχ. 19. Όταν η ανάστροφη τάση στα άκρα της διόδου Zener πλησιάσει την τιµή V Z ή την ξεπεράσει, τότε η τάση αυτή διατηρείται σταθερή, για µια περιοχή τιµών του ρεύµατος I Z που επιτρέπεται να περάσει µέσα από τη δίοδο, ώστε να εξακολουθεί να λειτουργεί σταθεροποιητικά. Σχήµα 19: Η δίοδος Zener ως σταθεροποιητής τάσης (β) Ψαλλιδιστής: Σε κυκλώµατα ψαλιδισµού, τα οποία δεν επιτρέπουν στην τάση εξόδου να υπερβεί µια µέγιστη ή/και µια ελάχιστη τιµή (Σχ. 20). (γ) Σε κυκλώµατα αναρρίχησης. (δ) Πολλαπλασιαστής τάσης. Σχήµα 20: Η δίοδος Zener ως ψαλλιδιστής ΙΟ ΟΙ ΠΟΥ ΕΚΠΕΜΠΟΥΝ / ΑΝΙΧΝΕΥΟΥΝ ΦΩΣ (α) ίοδος φωτοεκποµπής (LED, light-emitting diode) Χρησιµοποιείται ως συσκευή ένδειξης. Η LED λειτουργεί ορθά πολωµένη και, όταν διαρρέεται από ρεύµα, εκπέµπει φως. Υλικά κατασκευής: Ga, As, P. Εκπέµπει κόκκινο (δίοδος TIL221), πράσινο (δίοδος TIL222), κίτρινο, µπλε, πορτοκαλί και υπέρυθρο φως. Επειδή µπορεί να δεχτεί µέχρι µία µέγιστη τιµή ρεύµατος χωρίς να καταστραφεί, γι' αυτό συνήθως συνδέεται σε σειρά µε µία αντίσταση (περιοχή λειτουργίας: Volts). Σε σχέση µε τους λαµπτήρες πυρακτώσεως, έχει χαµηλή τάση λειτουργίας, µεγάλη διάρκεια ζωής και ταχεία διακοπτική λειτουργία (απόκριση). (β) Φωτοδίοδος Χρησιµοποιείται ως ανιχνευτής φωτός. Λειτουργεί ανάστροφα πολωµένη. 10

11 Όταν αυξάνεται η ένταση του φωτός, τότε αυξάνεται και το ανάστροφο ρεύµα που περνά µέσα από τη φωτοδίοδο (πολύ µικρό ρεύµα, µερικά µα). Συνδυασµός φωτοδιόδου και διόδου LED µπορεί να χρησιµοποιηθεί γίνει για τη µέτρηση της ταχύτητας περιστροφής ενός τροχού: παρεµβάλλοντας τις εγκοπές του τροχού µεταξύ µιας LED (ή µιας φωτεινής πηγής) και µιας φωτοδιόδου, αναγκάζουµε τη φωτοδίοδο να ανιχνεύει ουσιαστικά παλµούς φωτός (δηλαδή, διαδοχές από σκοτάδι και φως). Οι παλµοί αυτοί µπορούν στη συνέχεια να αναλυθούν µε τη βοήθεια υπολογιστή και έτσι να προκύψει, σε αναλογία µε τη συχνότητά τους, η ταχύτητα περιστροφής. 11