Ηλεκτρονική Φυσική (Εργαστήριο) ρ. Κ. Ι. ηµητρίου ΙΟ ΟΙ

Transcript

1 Ηλεκτρονική Φυσική (Εργαστήριο) ρ. Κ. Ι. ηµητρίου ΙΟ ΟΙ Για να κατανοήσουµε τη λειτουργία και το ρόλο των διόδων µέσα σε ένα κύκλωµα, θα πρέπει πρώτα να µελετήσουµε τους ηµιαγωγούς, υλικά που περιέχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια και οπές. Οι καλοί αγωγοί, όπως ο χαλκός, ο άργυρος, έχουν ένα ηλεκτρόνιο σθένους (ένα ηλεκτρόνιο στην εξωτερική στοιβάδα), ενώ οι µονωτές έχουν οκτώ ηλεκτρόνια σθένους (οκτώ ηλεκτρόνια στην εξωτερική στοιβάδα). Ένας καλός ηµιαγωγός, στοιχείο µε ηλεκτρικές ιδιότητες µεταξύ εκείνων ενός αγωγού και εκείνων ενός µονωτή, έχουν τέσσερα ηλεκτρόνια σθένους (π.χ πυρίτιο). Πολλά άτοµα πυριτίου ενώνονται µεταξύ τους µε συγκεκριµένο τρόπο για να σχηµατίσουν ένα στερεό (κρύσταλλο). Το κάθε άτοµο στον κρύσταλλο πυριτίου περιβάλλεται από τέσσερα άτοµα πυριτίου, καθένα από τα οποία συνεισφέρουν από ένα ηλεκτρόνιο (σχήµα 1 (α)). Εποµένως, το κεντρικό άτοµο πυριτίου, έχει οκτώ ηλεκτρόνια σθένους, τα οποία συγκρατούνται ισχυρά από τα άτοµα. Ο κρύσταλλος πυριτίου λειτουργεί σαν µονωτής σε θερµοκρασία απολύτου µηδενός. (α) (β) Σχήµα 1. Το άτοµο πυριτίου µέσα στον κρύσταλλο (α) σε θερµοκρασία απολύτου µηδενός Τ ο = 273 ο C και (β) σε θερµοκρασία Τ µεγαλύτερης της Τ o. Εάν όµως αυξήσουµε την θερµοκρασία του κρυστάλλου, ένα από τα ηλεκτρόνια σθένους µπορεί να προσλάβει αρκετή ενέργεια ώστε να απελευθερωθεί από την στοιβάδα σθένους και να κινηθεί πλέον ελεύθερα (ελεύθερο ηλεκτρόνιο).το κενό που αφήνει το ηλεκτρόνιο αυτό στη στοιβάδα σθένους το ονοµάζουµε οπή (σχήµα 1(β)). Η ύπαρξη οπών είναι πολύ σηµαντική για την λειτουργία των διόδων και αποτελεί µία κρίσιµη διαφορά µεταξύ των αγωγών και των ηµιαγωγών. Στη θερµοκρασία δωµατίου, η θερµική ενέργεια παράγει µόνο λίγα ελεύθερα ηλεκτρόνια και οπές. Προκειµένου να αυξήσουµε το αριθµό των ελεύθερων ηλεκτρονίων και των οπών πρέπει να εµπλουτίσουµε τον κρύσταλλο του πυριτίου µε προσµίξεις. Αυτό γίνεται µε δύο τρόπους. 1

2 Α) Αύξηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων ότες Για να αυξήσουµε τον αριθµό των ελεύθερων ηλεκτρονίων, προσθέτουµε στον (λιωµένο) κρύσταλλο πυριτίου πεντασθενή άτοµα, άτοµα µε πέντε ηλεκτρόνια σθένους. Ο εµπλουτισµένος πλέον κρύσταλλος πυριτίου περιλαµβάνει στο κέντρο ένα πεντασθενές άτοµο (π.χ. φώσφορος) και τέσσερα γειτονικά άτοµα πυριτίου, το καθένα από τα οποία συνεισφέρουν από ένα ηλεκτρόνιο (σχήµα 2(α)). Επειδή η στοιβάδα σθένους µπορεί να έχει µέχρι οκτώ ηλεκτρόνια, το επιπλέον ηλεκτρόνιο θα βρίσκεται ελεύθερο µέσα στον κρύσταλλο. Εποµένως, το κάθε πεντασθενές άτοµο παράγει ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο µέσα στον κρύσταλλο πυριτίου το άτοµο αυτό το ονοµάζουµε δότη. P B (α) (β) Σχήµα 2. Προσθήκη προσµίξεων (α) πεντασθενών ατόµων και (β) τρισθενών ατόµων. Β) Αύξηση των οπών έκτες Για να αυξήσουµε τον αριθµό των οπών, προσθέτουµε στον (λιωµένο) κρύσταλλο πυριτίου τρισθενή άτοµα, άτοµα µε τρία ηλεκτρόνια σθένους. Με αυτή την προσθήκη το κεντρικό τρισθενές άτοµο (π.χ. βόριο) περιβάλλεται από τέσσερα γειτονικά άτοµα πυριτίου, το καθένα από τα οποία συνεισφέρουν από ένα ηλεκτρόνιο (σχήµα 2(β)). Σε αυτή την περίπτωση, η στοιβάδα σθένους έχει επτά ηλεκτρόνια. Αυτό σηµαίνει ότι υπάρχει µία οπή στη στοιβάδα σθένους του τρισθενούς ατόµου, δηλαδή µία κενή θέση προκειµένου να συµπληρωθεί η στοιβάδα από οκτώ ηλεκτρόνια. Επειδή το κάθε τρισθενές άτοµο παράγει µία οπή µέσα στον κρύσταλλο πυριτίου, το άτοµο αυτό το ονοµάζουµε δέκτη. Επειδή ένας ηµιαγωγός µπορεί να εµπλουτιστεί µε δύο τρόπους, ο ένας µε πεντασθενή άτοµα έτσι ώστε να αυξηθεί ο αριθµός των ελεύθερων ηλεκτρονίων και ο άλλος µε τρισθενή άτοµα έτσι ώστε να αυξηθεί ο αριθµός των οπών, υπάρχουν δύο τύποι ηµιαγωγών 1) ο ηµιαγωγός τύπου n και 2) ο ηµιαγωγός τύπου p. 1)Ηµιαγωγός τύπου n Ο κρύσταλλος του πυριτίου, έχει εµπλουτιστεί µε πεντασθενή άτοµα και µε τον τρόπο αυτό έχει αυξήσει τον αριθµό των ελεύθερων ηλεκτρονίων του. Ωστόσο, υπάρχει και ένας µικρός αριθµός οπών. Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια θα τα ονοµάσουµε φορείς πλειονότητας και τις οπές φορείς µειονότητας. Στο σχήµα 3(α) βλέπουµε έναν ηµιαγωγό τύπου n (negative). 2

3 Συµβολίζουµε µε τα ηλεκτρόνια και µε µέσα σε κύκλο το εναποµένων ακίνητο θετικά φορτισµένο ιόν. Στο σχήµα δεν απεικονίζονται οι φορείς µειονότητας. ` (α) ` (β) Σχήµα 3. Ηµιαγωγοί τύπου n (α) και τύπου p (β). 2)Ηµιαγωγός τύπου p Ο κρύσταλλος του πυριτίου, έχει εµπλουτιστεί µε τρισθενή άτοµα και µε τον τρόπο αυτό έχει αυξήσει τον αριθµό των οπών του. Ωστόσο, υπάρχει και ένας µικρός αριθµός ελεύθερων ηλεκτρονίων. Σε αυτή την περίπτωση, οι φορείς πλειονότητας είναι οι οπές και οι φορείς µειονότητας τα ελεύθερα ηλεκτρόνια. Το σχήµα 3(β) δείχνει έναν ηµιαγωγό τύπου p (positive). Συµβολίζουµε µε τις οπές και µε µέσα σε κύκλο το εναποµένων ακίνητο αρνητικά φορτισµένο ιόν. Στο σχήµα δεν απεικονίζονται οι φορείς µειονότητας. ίοδοςηµιαγωγός τύπου np Μία δίοδος προκύπτει από την ένωση των δύο ηµιαγωγών τύπου n και p (σχήµα 4). p ` ` Περιοχή απογύµνωσης Σχήµα 4. Η δίοδος τύπου np n Στην περιοχή της επαφής ελεύθερα ηλεκτρόνια από την περιοχή n διαχέονται προς την περιοχή p, συνδέονται µε τις αντίστοιχες οπές και γίνονται ηλεκτρόνια σθένους. Κοντά στην επαφή, αποµένουν ακίνητα θετικά φορτισµένα ιόντα στον ηµιαγωγό n και ακίνητα αρνητικά φορτισµένα ιόντα στον ηµιαγωγό p. Εποµένως, ο ηµιαγωγός n αποκτά ένα µικρό θετικό 3

4 φορτίο q και ο ηµιαγωγός p ένα µικρό αρνητικό φορτίο q. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα τη δηµιουργία ενός εσωτερικού ηλεκτρικού πεδίου και την εµφάνιση µιας διαφοράς δυναµικού που ονοµάζεται φράγµα δυναµικού. Για τη δίοδο πυριτίου, αυτή η διαφορά δυναµικού είναι ίση µε 0.7 Volt. Η περιοχή της επαφής όπου έχουµε µόνο θετικά και αρνητικά ιόντα ονοµάζεται περιοχή απογύµνωσης. Ορθή πόλωση Συνδέουµε τη δίοδο µε µία πηγή συνεχούς τάσης όπως φαίνεται στο σχήµα 5. Σε αυτή την περίπτωση η δίοδος πολώνεται ορθά, το θετικό άκρο της πηγής συνδέεται µε τον ηµιαγωγό τύπου p και το αρνητικό άκρο µε τον ηµιαγωγό τύπο n. p ` ` Περιοχή απογύµνωσης n Σχήµα 5. Συνδεσµολογία ορθής πόλωσης Η πηγή έλκει τα ελεύθερα ηλεκτρόνια (φορείς πλειονότητας) του ηµιαγωγού n καθώς και τις οπές (φορείς πλειονότητας) του ηµιαγωγού p προς την επαφή. Αν η τάση της µπαταρίας είναι µικρότερη από το φράγµα δυναµικού, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια δεν έχουν αρκετή ενέργεια για να διαπεράσουν την περιοχή απογύµνωσης. Όταν η τάση της µπαταρίας είναι µεγαλύτερη από το φράγµα δυναµικού, τότε τα ελεύθερα ηλεκτρόνια, έχοντας πλέον αρκετή κινητική ενέργεια, θα διαπεράσουν την περιοχή απογύµνωσης και θα διέλθουν στην περιοχή p, όπου θα ανασυνδεθούν µε τις οπές. Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια γίνονται εποµένως ηλεκτρόνια σθένους. Σαν ηλεκτρόνια σθένους, συνεχίζουν να κινούνται από τα δεξιά προς τα αριστερά, λόγω της έλξης της πηγής, µέχρις ότου εισέλθουν στα καλώδια του κυκλώµατος. Επειδή τα ηλεκτρόνια που εξέρχονται αφήνουν πίσω τους οπές και επειδή έχουµε µια πληθώρα ελεύθερων ηλεκτρονίων που εισέρχονται µέσα στην περιοχή n της διόδου και κάνουν την ίδια διαδροµή, παίρνουµε συνεχές ρεύµα µέσα στη δίοδο. 4

5 Συνοψίζοντας, µπορούµε να πούµε ότι, όταν εφαρµόζουµε τάση µεγαλύτερη από το φράγµα δυναµικού (0.7 Volt για τη δίοδο πυριτίου), θα έχουµε ένα µεγάλο συνεχές ρεύµα. Για τιµές τάσεων της πηγής µεγαλύτερες από 0.7 Volt, η δίοδος πυριτίου επιτρέπει τη ροή συνεχούς ρεύµατος. Σε αυτή την περίπτωση λέµε ότι η δίοδος άγει. Ενταση (mampere) 10 5 Ορθη πολωση διοδου πυριτιου 0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Ταση (Volt) Σχήµα 6: Ορθή πόλωση ιδανικής διόδου πυριτίου. Για τάσεις της πηγής µικρότερες του φράγµατος δυναµικού, η ένταση του ρεύµατος είναι πολύ µικρή, ενώ για τάσεις µεγαλύτερες του φράγµατος δυναµικού η ένταση του ρεύµατος αυξάνεται ραγδαία. Ανάστροφη πόλωση Συνδέουµε το θετικό άκρο της πηγής µε τον ηµιαγωγό τύπου n και το αρνητικό άκρο µε τον ηµιαγωγό τύπο p. Η δίοδος είναι τώρα ανάστροφα πολωµένη (Σχήµα 7). Το αρνητικό άκρο της πηγής έλκει τις οπές ενώ το θετικό άκρο έλκει τα ηλεκτρόνια. Συνεπώς, ηλεκτρόνια και οπές αποµακρύνονται από την επαφή µε αποτέλεσµα η περιοχή απογύµνωσης να διευρύνεται. Μία ιδανική δίοδος που βρίσκεται στη θερµοκρασία απολύτου µηδενός και είναι ανάστροφα πολωµένη, δεν διαρρέεται από ρεύµα. Στην πραγµατικότητα, επειδή η δίοδος βρίσκεται σε θερµοκρασία δωµατίου, η θερµική ενέργεια δηµιουργεί συνεχώς ζεύγη ελεύθερων ηλεκτρονίων και οπών (Σχήµα 1 (β)). Οι οπές που εµφανίζονται στην περιοχή n και τα ηλεκτρόνια που εµφανίζονται στην περιοχή p, ονοµάζονται φορείς µειονότητας. Οι φορείς µειονότητας που βρίσκονται µέσα στην περιοχή απογύµνωσης διαπερνούν την επαφή λόγο του ηλεκτρικού πεδίου της περιοχής απογύµνωσης και δηµιουργούν ένα µικρό ρεύµα µέσα στη δίοδο καθώς και στο εξωτερικό κύκλωµα. Το ρεύµα αυτό το ονοµάζουµε ανάστροφο ρεύµα ή ρεύµα κόρου. Συνοψίζοντας, πρέπει να θυµόµαστε ότι το ανάστροφο ρεύµα οφείλεται στην κίνηση των φορέων µειονότητας, Η ένταση του ρεύµατος αυτού είναι πολύ µικρή, δηλαδή µπορούµε να πούµε ότι µία ανάστροφα πολωµένη δίοδος παρουσιάζει πολύ µεγάλη αντίσταση. Αυτό συµβαίνει διότι για µεγάλες µεταβολές της τάσης V, προκύπτουν µικρές µεταβολές της έντασης του ρεύµατος V (Σχήµα 8). 5

6 p ` ` Περιοχή απογύµνωσης n Σχήµα 7. Συνδεσµολογία ανάστροφης πόλωσης. Παρατηρείστε ότι η περιοχή απογύµνωσης διευρύνεται. Στην ανάστροφη πόλωση οι δίοδοι έχουν µέγιστες τιµές τάσεις (κατ απόλυτη τιµή), δηλαδή υπάρχει ένα όριο που µπορεί να αντέξει µία δίοδος πριν καταστραφεί. Αυξάνοντας συνεχώς την τάση στη ανάστροφη πόλωση, φθάνουµε στην τάση κατάρρευσης. Για τάσεις µεγαλύτερες της τάσης κατάρρευσης η ένταση του ρεύµατος αυξάνεται ραγδαία και παρατηρούµε ότι µικρές µεταβολές της τάσης έχουµε µεγάλες µεταβολές της έντασης του V ρεύµατος. Εποµένως η αντίσταση της διόδου R = ελαττώνεται σηµαντικά και λέµε ότι η I δίοδος άγει. 2 0 I 2 I (ma) V V (volt) Σχήµα 8. Ανάστροφη πόλωσης. 6