/personalpages/papageorgas/ download/3/

Transcript

1 Δίοδος επαφής 1

2 /personalpages/papageorgas/ download/3/ 2

3 Θέματα που θα καλυφθούν Ορθή πόλωση Forward bias Ανάστροφη πόλωση Reverse bias Κατάρρευση Breakdown Ενεργειακά επίπεδα Energy levels Το δυναμικό φραγμού σε συνάρτηση με την θερμοκρασία Barrier potential and temperature Ανάστροφα πολωμένη δίοδος Reverse-biased diode Φωτοεκπέμπουσες Δίοδοι Light Emitting Diodes (LEDs) Φωτοδίοδοι Photodiodes PDs Δόδοι Zener Εφαρμογές Διόδων 3

4 Επαφή p-n Ποιοτική προσέγγιση 4

5 5

6 Η νόθευση του κρυστάλλου ημιαγωγού και με τους δύο τύπους δημιουργεί μια επαφή pn P Junction N Negative ion Positive ion 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 6

7 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 P N Depletion layer (περιοχή διάβασης-έλλειψης φορέων-απογύμνωσης <1μm) Σαν αποτέλεσμα δημιουργείται στην επαφή μια περιοχή απογυμνωμένη από φορτία που συμπεριφέρεται σαν μονωτής 7

8 8

9 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 9

10 Το δυναμικό επαφής (φραγμού) pn 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 - 10

11 Ορθή πόλωση Forward bias 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. 11

12 Ανάστροφη πόλωση Reverse bias Οι φορείς ρεύματος απομακρύνονται από την επαφή Η περιοχή απογύμνωσης διευρύνεται και η δίοδος δεν άγει (diode is off) 12

13 Πόλωση διόδου-diode bias 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 κόρουsaturation current. 13

14 Κατάρρευση Διόδου Diode breakdown 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. 14

15 Ενεργειακές στάθμες στην επαφή p-n Ποιοτική Ανάλυση 15

16 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 16

17 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) 17

18 Θερμοκρασία Επαφής Junction temperature 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). 18

19 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. 19

20 Επαφή p-n Αναλυτική προσέγγιση 20

21 Επαφή p-n 21

22 22

23 Συγκεντρώσεις φορέων πριν τον σχηματισμό απότομης επαφής pn 23

24 Μετά τον σχηματισμό απότομης επαφής pn 24

25 Δυναμικό επαφής pn χωρίς πόλωση V T =(kt/q) θερμική τάση 25mV στους 25ºC N D =συγκέντρωση δοτών N A =συγκέντρωση αποδεκτών n i =συγκέντρωση φορέων ενδογενούς ημιαγωγού 25

26 Υπολογισμός Δυναμικού επαφής pn χωρίς πόλωση 26

27 Ρεύμα ορθά πολωμένης επαφής pn Το ρεύμα Is είναι το ολικό ρεύμα φορέων μειονότητας Το ονομάζουμε ρεύμα κόρου (saturation current) 27

28 Ρεύμα ορθά πολωμένης επαφής pn 28

29 Ρεύμα ανάστροφα πολωμένης επαφής pn I V Is( e V V T 0 e 1), V V T 1,. V 1V, e x10 18 I I s Το ρεύμα I είναι ίσο με ολικό ρεύμα φορέων μειονότητας ή ρεύμα κόρου (saturation current) Is 29

30 Κατάρρευση ανάστροφα πολωμένης επαφής pn 30

31 Κατάρρευση ανάστροφα πολωμένης επαφής pn Δίοδος Zener: ειδικά κατασκευασμένη Δίοδος με συγκεκριμένη τάση κατάρρευσης. Εφαρμογές σε κυκλώματα που απαιτούν τάσεις αναφοράς, τροφοδοτικά κλπ. 31

32 Χωρητικότητα επαφής pn 32

33 Χωρητικότητα επαφής pn 33

34 Χωρητικότητα επαφής pn 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 35

36 Δίοδοι εκπομπής φωτός - LEDs 36

37 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. 41

42 Η δίοδος σε κύκλωμα. 42

43 Η δίοδος σε κύκλωμα. 43

44 Η δίοδος σε κύκλωμα. (γραφικός τρόπος) Για V=0, I=E/R Για Ι=0, V=E 44

45 Η δίοδος σε κύκλωμα. (γραμμικό μοντέλο) Για V<Vth, I=0, Για V>Vth, I=V/R D 45

46 Η δίοδος σε κύκλωμα. (μοντέλα διόδων) Για V<Vth, I=0, Για V>Vth, I=Ε/R Για V<Vth, I=0, Για V>Vth, I=(E-Vth)/(R+R D ) 46

47 Επίδραση θερμοκρασίας στο Is Is=Aq((Dp/Lp)p n + (Dn/Ln)n p ) A η διατομή της επαφής, Lp, Ln το βάθος των περιοχών απογύμνωσης Dp=V T μe, Dn =V T μp οι συντελεστές διάχυσης οπών, ηλεκτρονίων για τον συγκεκριμένο ημιαγωγό n p p n οι συγκεντρώσεις ηλεκτρονίων στην περιοχή p και οπών στην περιοχή n. Σε κατάσταση ισορροπίας n p =ni 2 /N A p n =ni 2 /N D ni 2 T 3 exp(-e G /kt) (EG το ενεργειακό χάσμα) 47

48 48

49 49

50 50

51 Ασκήσεις Επαφής p-n Για μια επαφή p-n 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. 51

52 Ασκήσεις Επαφής p-n Δίνεται η πυκνότητα του Ge 5.32 gr/cm 3 και η συγκέντρωση των φορέων του ενδογενούς ημιαγωγού στην προαναφερθείσα θερμοκρασία ni=2.4x10 13 φορείς ανά cm 3 ενώ το ατομικό βάρος του είναι

53 Ασκήσεις Επαφής p-n 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 53

54 Ασκήσεις Επαφής p-n 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 54

55 Ασκήσεις Επαφής p-n Να επαναληφθεί η άσκηση με τα δεδομένα συγκεντρώσεων προσμίξεων που ακολουθούν για επαφή pn ημιαγωγού πυριτίου Si και για θερμοκρασία επαφής θ=27 ºC. 55

56 Βιβλιογραφία [1] Βασική Ηλεκτρονική A.P. Malvino, Εκδόσεις Τζιόλα [2] Χαριτάντης Γ. Ηλεκτρονικά Ι. Εισαγωγή στα Ηλεκτρονικά. Εκδόσεις Αράκυνθος 2006 [3] Forrest Mims, Getting Started in Electronics,

57 57