Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικοηλεκτρονική

Transcript

1 Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικοηλεκτρονική ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Ενότητα 3: Δίοδος Επαφής Δρ. Δημήτριος Γουστουρίδης Τμήμα Ηλεκτρονικών Μηχανικών Τ.Ε Κάντε κλικ για να ξεκινήσετε

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2

3 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3

4 Βιβλιογραφία Βασική Ηλεκτρονική A.P. Malvino, Εκδόσεις Τζιόλα. Χαριτάντης Γ. Ηλεκτρονικά Ι. Εισαγωγή στα Ηλεκτρονικά. Εκδόσεις Αράκυνθος Forrest Mims, Getting Started in Electronics,

5 Περιεχόμενα 3.1 Επαφή PN, Δίοδος Zener, Υπολογισμός Σημείου Λειτουργίας 5

6 Προσδοκώμενα Αποτελέσματα Στην ενότητα αυτή θα μάθετε για: Επαφή PN, Ορθή πόλωση (Forward bias), Ανάστροφη πόλωση (Reverse bias), Κατάρρευση (Breakdown), Ενεργειακά επίπεδα (Energy levels), Το δυναμικό φραγμού σε συνάρτηση με την θερμοκρασία, Φωτοεκπέμπουσες Δίοδοι (LEDs), Δίοδοι Zener και Εφαρμογές Διόδων 6

7 3.1 Επαφή PN, Δίοδος Zener, Υπολογισμός Σημείου Λειτουργίας 7

8 Η Νόθευση του Κρυστάλλου Ημιαγωγού και με τους Δύο Τύπους Δημιουργεί μια Επαφή PN P Επαφή N Αρνητικό Θετικό Ιόν Ιόν Κάποια ηλεκτρόνια θα διαπεράσουν την επαφή και θα ενωθούν με οπές. Κάθε φορά που συμβαίνει κάτι τέτοιο δημιουργούνται ζεύγη ιόντων. Καθώς αναπτύσσεται αυτό το φορτίο ιόντων, εμποδίζει την περαιτέρω μετακίνηση φορέων προς την επαφή. 8

9 Η Νόθευση του Κρυστάλλου Ημιαγωγού και με τους Δύο Τύπους Δημιουργεί μια Επαφή PN P N Περιοχή Απογύμνωσης (περιοχή διάβασης-έλλειψης φορέων-απογύμνωσης <1μm) Κάθε ηλεκτρόνιο που μετακινείται από την n περιοχή διαμέσου της επαφής συμπληρώνει μια αντίστοιχη οπή στο p τμήμα με αποτέλεσμα την εξαφάνιση των αντίστοιχων φορέων ρεύματος. Σαν αποτέλεσμα δημιουργείται στην επαφή μια περιοχή απογυμνωμένη από φορτία που συμπεριφέρεται σαν μονωτής. 9

10 Περιοχή Απογύμνωσης 10

11 Επαφή PN Δημιουργείται κατάσταση δυναμικής ηλεκτρικής ισορροπίας όπου οι δυνάμεις που προκαλούν την διάχυση φορέων εξισορροπούνται από τις δυνάμεις του ηλεκτροστατικού πεδίου που δημιουργείται από τα ιόντα που σχηματίζονται 11

12 Το δυναμικό επαφής (φραγμού) ΡΝ Η διάχυση των ηλεκτρονίων δημιουργεί ζεύγη ιόντων. Δημιουργείται ηλεκτρικό πεδίο που αντιτίθεται στην διαδικασία. Η επαφή θα βρεθεί σε ισορροπία όταν ο φραγμός δυναμικής ενέργειας (barrier potential) θα εμποδίζει την περαιτέρω διάχυση (diffusion). Στους 27 ºC, για μια δίοδο πυριτίου το δυναμικό επαφής είναι περίπου 0.65 volts. Μειώνεται με την θερμοκρασία 2mV / ºC και στο απόλυτο μηδέν γίνεται ίση με την τάση που αντιστοιχεί το ενεργειακό χάσμα (1.25 V) για ένα e -. 12

13 Ορθή Πόλωση Οι φορείς κινούνται προς την επαφή με αποτέλεσμα την εξαφάνιση της περιοχής απογύμνωσης Αν η εφαρμοζόμενη τάση είναι μεγαλύτερη από την τάση φραγμού δυναμικού (δυναμικό επαφής), η δίοδος άγει. 13

14 Ανάστροφη Πόλωση Οι φορείς ρεύματος απομακρύνονται από την επαφή Η περιοχή απογύμνωσης διευρύνεται και η δίοδος δεν άγει (diode is off). 14

15 Πόλωση Διόδου Οι δίοδοι πυριτίου άγουν με την εφαρμογή ορθής πόλωσης περίπου 0.7 volts. Με την ανάστροφη πόλωση, η περιοχή απογύμνωσης διευρύνεται και η δίοδος δεν άγει. Υπάρχει ένα μικρό ρεύμα στην ανάστροφη πόλωση που οφείλεται στους φορείς μειονότητας (minority carrier current). Το ανάστροφο αυτό ρεύμα που οφείλεται σε φορείς μειονότητας που κινούνται λόγω θερμικής κίνησης ονομάζεται ρεύμα κόρου (saturation current). 15

16 Κατάρρευση Διόδου Οι δίοδοι δεν αντέχουν ακραίες τάσεις ανάστροφης πόλωσης. Σε υψηλές ανάστροφες πολώσεις συμβαίνει ένα φαινόμενο χιονοστιβάδας φορέων (carrier avalanche) λόγω της γρήγορης κίνησης των φορέων μειονότητας. Οι τυπικές τιμές τάσης ανάστροφης πόλωσης κλιμακώνονται από 50 volts έως 1 kv. 16

17 Ενεργειακές στάθμες στην επαφή ΡΝ (Ποιοτική Ανάλυση) Σε μια απότομη επαφή p-n οι ενεργειακές ζώνες στην p περιοχή βρίσκονται υψηλότερα συγκριτικά με την n περιοχή Eg Eo=qVo Για να διαχυθεί ένα ηλεκτρόνιο διαμέσου της επαφής προς την p πλευρά είναι σαν να αντιμετωπίζει έναν ενεργειακό λόφο. Πρέπει να πάρει αυτή την πρόσθετη ενέργεια από μια εξωτερική πηγή 17

18 Ενεργειακές στάθμες στην επαφή ΡΝ (Ποιοτική Ανάλυση) Στην ανάστροφη πόλωση το V είναι αρνητικό Ανάστροφη Πόλωση E=q(Vo-V) Eg (-) (+) Την επαφή την διαρρέει ρεύμα φορέων μειονότητας (πολύ μικρό) (-) E=q(Vo-V) Στην ορθή πόλωση το V είναι θετικό (+) Ορθή πόλωση Την επαφή την διαρρέει ρεύμα φορέων πλειονότητας (μεγάλο) 18

19 Θερμοκρασία Επαφής Η θερμοκρασία επαφής είναι η θερμοκρασία στο εσωτερικό της διόδου, στην επαφή PN. Όταν η δίοδος άγει, η θερμοκρασία επαφής είναι μεγαλύτερη από αυτή του περιβάλλοντος (P D =V D xi D ). Το δυναμικό επαφής είναι μικρότερο σε υψηλότερες θερμοκρασίες- μειώνεται κατά περίπου 2 mv για αύξηση θερμοκρασίας επαφής κατά ένα βαθμό Κελσίου (-2mV/ºC). 19

20 Ανάστροφο Ρεύμα Διόδου Το ανάστροφο ρεύμα I S (ρεύμα κορεσμού), διπλασιάζεται για κάθε αύξηση της θερμοκρασίας 10 ºC ενώ δεν εξαρτάται από την ανάστροφη τάση πόλωσης. 20

21 Επαφή PN (Αναλυτική προσέγγιση) Προϋπόθεση για το σχηματισμό επαφής ΡΝ είναι να υπάρχει απότομη μεταβολή συγκεντρώσεων προσμίξεων από τη μια περιοχή στην άλλη. Αν αυτό συμβαίνει, τότε ο κρύσταλλος συμπεριφέρεται σαν εξωγενής ημιαγωγός με 2 είδη φορέων. Μέσα στην επαφή ΡΝ η συγκέντρωση των φορέων αγωγιμότητας είναι πολύ μικρή σε σύγκριση με τη συγκέντρωση των ιονισμένων ατόμων προσμίξεων που δρουν ως δέσμια φορτία. Υπάρχει τοπικά εκτροπή από την ηλεκτρική ουδετερότητα του κρυστάλλου, που συνοδεύεται από ανάπτυξη ηλεκτρικού πεδίου στην περιοχή αυτή. Η παρουσία του ηλεκτρικού πεδίου στην επαφή ΡΝ καθορίζει την ηλεκτρική συμπεριφορά όλου του κρυστάλλου. 21

22 Επαφή PN (Αναλυτική προσέγγιση) 22

23 Συγκεντρώσεις Φορέων Πριν τον Σχηματισμό Απότομης Επαφής ΡΝ 23

24 Μετά τον Σχηματισμό Απότομης Επαφής ΡΝ 24

25 Δυναμικό Επαφής ΡΝ Χωρίς Πόλωση Όπου: V T = (kt/q) θερμική τάση 25mV στους 25ºC N D = δοτών συγκέντρωση N A = συγκέντρωση αποδεκτών n i = συγκέντρωση φορέων ενδογενούς ημιαγωγού 25

26 Υπολογισμός Δυναμικού Επαφής PN Χωρίς Πόλωση Για το Si: N A =2x10 16 cm -3, N D =1x10 16 cm -3, n i =1.5x10 10 cm -3 Άρα: V 0 =687mV Για το Ge: N A =2x10 16 cm -3, N D =1x10 16 cm -3, n i =2.4x10 13 cm -3 Άρα: V 0 =319mV 26

27 Ρεύμα Ορθά Πολωμένης Επαφής ΡΝ Το ρεύμα I s είναι το ολικό ρεύμα φορέων μειονότητας. Το ονομάζουμε ρεύμα κόρου (saturation current). 27

28 Ρεύμα Ορθά Πολωμένης Επαφής ΡΝ Από την χαρακτηριστική της διόδου προκύπτει: Είναι αμφίδρομο στοιχείο καθώς άγει κατά τη μία φορά μόνο. Είναι μη γραμμικό στοιχείο αφού η καμπύλη I = f(v) είναι μη γραμμική (εκθετική). 28

29 Ρεύμα Ανάστροφα Πολωμένης Επαφής PN I V = < Is( e 0 V V T e 1), V V T << 1, πχ. για V = 1V, e = 4.24x10 18 I = I s Το ρεύμα I είναι ίσο με το ολικό ρεύμα φορέων μειονότητας ή ρεύμα κόρου (saturation current) I s. 29

30 Κατάρρευση Ανάστροφα Πολωμένης Επαφής PN Μέχρι μια ορισμένη τιμή ανάστροφης τάσης άγεται πολύ μικρό ρεύμα. Κατά την αύξηση της ανάστροφης τάσης πέρα από μια κρίσιμη τιμή άγονται μεγάλα ρεύματα υπό σταθερή τάση. Τα ρεύματα οφείλονται στη δημιουργία νέων φορέων αγωγιμότητας, λόγω κατάρρευσης της επαφής PN. Η κατάρρευση αυτή μπορεί να εξηγηθεί μέσω των δύο παρακάτω μηχανισμών: A. Μηχανισμός Χιονοστιβάδας B. Μηχανισμός Zener 30

31 Κατάρρευση Ανάστροφα Πολωμένης Επαφής ΡΝ Δίοδος Zener: ειδικά κατασκευασμένη Δίοδος με συγκεκριμένη τάση κατάρρευσης. Εφαρμογές σε κυκλώματα που απαιτούν τάσεις αναφοράς, τροφοδοτικά κλπ. 31

32 Χωρητικότητα Επαφής ΡΝ Για την χωρητικότητα της επαφής C j χρησιμοποιείται ο τύπος. Είναι μια αυξητική χωρητικότητα που ονομάζεται χωρητικότητα επαφής ή χωρητικότητα έλλειψης φορέων. 32

33 Χωρητικότητα Επαφής ΡΝ Η χωρητικότητα επαφής μειώνεται όσο αυξάνεται η ανάστροφη τάση πόλωσης. Για Cj = 10 pf και απότομη κατανομή φορτίων προσμίξεων, η μεταβολή της χωρητικότητας επαφής με ανάστροφη τάση πόλωσης φαίνεται στο διάγραμμα. 33

34 Χωρητικότητα Επαφής ΡΝ Δίοδος Varactor: ειδικά κατασκευασμένη. Δίοδος με συγκεκριμένη απόκριση χωρητικότητας για συγκεκριμένη ανάστροφη πόλωση. Χρήση σε ταλαντωτές, πομπούς εκπομπής, ραδιόφωνα κλπ. 34

35 Δίοδοι Εκπομπής Φωτός (LEDs) Ειδική κατηγορία που κατασκευάζονται από επαφές σύνθετων ημιαγωγών. Εκπέμπουν στενού εύρους (20-30 nm), μη σύμφωνη ακτινοβολία με μήκη κύματος που καλύπτουν τις ζώνες του υπεριώδους, του ορατού και του υπέρυθρου φάσματος. Μπορούν να ταξινομηθούν: Ως πηγές φωτός για μικρής απόστασης επικοινωνίες με οπτικές ίνες, Ως φωτεινά στοιχεία απεικόνισης. 35

36 Δίοδοι Εκπομπής Φωτός (LEDs) Σε ορθά πολωμένη επαφή ΡΝ, φορείς πλειονότητας διέρχονται εκατέρωθεν της επαφής δημιουργώντας το ρεύμα της διόδου. Στην άλλη πλευρά της επαφής, οι φορείς πλειονότητας καθίστανται φορείς μειονότητας. Όσο μεγαλύτερο το ρεύμα της διόδου τόσο μεγαλύτερο είναι το περίσσευμα των φορέων μειονότητας εκατέρωθεν της επαφής. Αυτοί οι φορείς μειονότητας επανασυνδέονται με φορείς πλειονότητας με ταυτόχρονη απελευθέρωση ενέργειας, αντίστοιχης προς το ενεργειακό χάσμα E g μεταξύ των ζωνών αγωγιμότητας και σθένους των υλικών που σχηματίζουν την επαφή. 36

37 Δίοδοι Εκπομπής Φωτός (LEDs) 37

38 Δίοδοι Εκπομπής Φωτός (LEDs) 38

39 Φωτοδίοδοι Φωτοανιχνευτές Οπτοζεύκτες Ηλιακά στοιχεία. 39

40 Φωτοδίοδοι Φωτοανιχνευτές Οπτοζεύκτες Ηλιακά στοιχεία. 40

41 Η δίοδος Σε Κύκλωμα. Η σχέση Schockley: όπου: I s είναι το ρεύμα κόρου ανάστροφης πόλωσης της διόδου, q = 1,6 * Cb το ηλεκτρικό φορτίο του ηλεκτρονίου, k = 8,620*10-5 ev/l σταθερά του Boltzmann, Τ η απόλυτη θερμοκρασία, n σταθερά που εξαρτάται από το είδος του ημιαγωγού και τον τρόπο κατασκευής της διόδου. Συνήθως n = 1 για διόδους Ge και n 2 για διόδους Si. V T είναι η θερμική τάση (V T 26mV στους 300 Κ). 41

42 Η δίοδος Σε Κύκλωμα. Στο διάγραμμα φαίνεται ότι η τάση V 1 προκαλεί ρεύμα I 1 μέσω της διόδου. Το ζεύγος των V 1 - I 1 ορίζει πάνω στην χαρακτηριστική σημείο Q που λέγεται σημείο λειτουργίας ή σημείο ηρεμίας. Ουσιαστικά το σημείο αυτό καθορίζει την κατάσταση λειτουργίας της διόδου. 42

43 Η δίοδος Σε Κύκλωμα. Για την τελευταία (μη γραμμική) εξίσωση δεν υπάρχει αναλυτική λύση παρά μόνο προσεγγιστικές λύσεις με χρήση του αναπτύγματος Taylor. Είναι επίπονες! Μπορεί να ξεπεραστεί με γραφική ανάλυση του κυκλώματος ή με προσεγγιστικές τεχνικές με χρήση γραμμικών ισοδύναμων μοντέλων της διόδου. 43

44 Η δίοδος Σε Κύκλωμα (Γραφικός Τρόπος) Για V=0, I=E/R Για Ι=0, V=E Το σημείο ηρεμίας διόδου σε βρόχο, προσδιορίζεται από την τομή της χαρακτηριστικής της διόδου και της γραμμής φορτίου του βρόχου. 44

45 Η δίοδος Σε Κύκλωμα (Γραμμικό Μοντέλο) Για V<Vth, I=0, Για V>Vth, I=V/RD O παραπάνω τύπος ορίζει την αντίσταση αγωγής της διόδου. Η τιμή της είναι συνήθως μερικά Ω, αναλόγως με το σημείο πόλωσης της διόδου. Ο υπολογισμός της είναι πολύ προσεγγιστικός για μεγάλα σήματα με μεγάλη περιοχή λειτουργίας. 45

46 Η δίοδος Σε Κύκλωμα (Μοντέλα Διόδων) Χαρακτηριστική Διόδου Για V<Vth, I=0, Για V>Vth, I=Ε/R Ηλεκτρικό ισοδύναμο διόδου για μεγάλα σήματα στο συνεχές. Για V<Vth, I=0, Για V>Vth, I=(E-Vth)/(R+R D ) 46

47 Επίδραση Θερμοκρασίας στο Is I s =Aq((Dp/Lp)p n + (Dn/Ln)n p ) Όπου: A η διατομή της επαφής, Lp, Ln το βάθος των περιοχών απογύμνωσης Dp=VTμe, Dn =VTμp οι συντελεστές διάχυσης οπών, ηλεκτρονίων για τον συγκεκριμένο ημιαγωγό Np, p n οι συγκεντρώσεις ηλεκτρονίων στην περιοχή p και οπών στην περιοχή n. Σε κατάσταση ισορροπίας n p =n i2 /N A και p n =n i2 /N D n i2 T 3 exp(-e G /kt) (E G το ενεργειακό χάσμα) 47

48 Φυσικές Παράμετροι Ημιαγωγών 48

49 Πίνακας Φυσικών Σταθερών 49

50 Επαφή ΡΝ: Άσκηση 1 Για μια επαφή ΡΝ Ge με απότομη μεταβολή συγκεντρώσεων προσμίξεων (impurities), η συγκέντρωση N A των αποδεκτών είναι ίση 10-8 άτομα για κάθε άτομο πυριτίου (ισοδύναμα 1 άτομο πρόσμιξης για κάθε 10 8 άτομα Ge ή 0.01 ppm/ parts per million/μέρη στο εκατομμύριο). Να υπολογιστεί η τάση επαφής στην θερμοκρασία των 300 ºΚ. 50

51 Επαφή ΡΝ: Άσκηση 1 Δίνεται η πυκνότητα του Ge 5.32 gr/cm 3 και η συγκέντρωση των φορέων του ενδογενούς ημιαγωγού στην προαναφερθείσα θερμοκρασία n i =2.4x10 13 φορείς ανά cm 3 ενώ το ατομικό βάρος του είναι

52 Λύση Άσκησης 1 Σε 1 cm 3 αντιστοιχούν 5.32/73 mole. Επομένως ο αριθμός των ατόμων Ge ανά cm 3 θα είναι N GE =(5.32/73)x6.02x10 23 άτομα=4.4 x άτομα ανά cm 3. Η συγκέντρωση των αποδεκτών για την περιοχή p θα είναι N A = N GE /10 8 = 4.4 x άτομα αποδεκτών ανά cm 3. Επομένως η συγκέντρωση των δοτών θα είναι N D =N A x10 3 = 4.4 x άτομα δοτών ανά cm 3. 52

53 Λύση Άσκησης 1 Επομένως η τάση επαφής V O =V T xln(4.4x10 17 x4.4x10 14 )/(2.4x10 13 ) 2 =V T xln (3.36x10 5 )=V T x12.72=(25mv)x ,318V Και ο ενεργειακός φραγμός E O θα είναι: E O =q e V O =0,318 ev 53

54 Επαφή ΡΝ: Άσκηση 2 Να επαναληφθεί η άσκηση με τα δεδομένα συγκεντρώσεων προσμίξεων που ακολουθούν για επαφή ΡΝ ημιαγωγού πυριτίου Si και για θερμοκρασία επαφής θ=27 ºC. 54

55 Σε αυτή την ενότητα μιλήσαμε για: 3.1 Επαφή PN, Δίοδος Zener, Υπολογισμός Σημείου Λειτουργίας 55

56 Ολοκλήρωση Μαθήματος Συγχαρητήρια!! Έχετε ολοκληρώσει με επιτυχία το μάθημα Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο- ηλεκτρονική Ενότητα 3: Δίοδος Επαφής Δρ. Δημήτριος Γουστουρίδης Τμήμα Ηλεκτρονικών Μηχανικών Τ.Ε ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα 56