Ηλεκτρονική Μάθημα ΙΙΙ Δίοδοι Καθηγητής Αντώνιος Γαστεράτος Τμήμα Ε.ΔΙ.Π. Μηχανικών Δρ. Αθανάσιος Παραγωγής Ψωμούλης και Διοίκησης, Δ.Π.Θ. Τμήμα Μηχανικών Παραγωγής και Διοίκησης, Δ.Π.Θ.
Ημιαγωγοί Τα ηλεκτρικά και χημικά χαρακτηριστικά των υλικών καθορίζονται από των αριθμό ηλεκτρονίων στην εξωτερική στοιβάδα (σθένους). Τα υλικά ως προς τα ηλεκτρικά τους χαρακτηριστικά χωρίζονται σε τρεις κατηγορίες: Αγωγοί [άργυρος, χαλκός, αλουμίνιο, χρυσός, ] ελάχιστα ηλεκτρόνια στη στοιβάδα σθένους (1 ηλεκτρόνιο) Ημιαγωγοί [πυρίτιο, γερμάνιο, ] μισοκατειλημένη στοιβάδα σθένους (4 ηλεκτρόνια) Μονωτές [γυαλί, πλαστικό, ] πλήρως κατειλημένη στοιβάδα σθένους (8 ηλεκτρόνια)
Ημιαγωγοί Ημιαγωγοί είναι τα υλικά με ειδική αντίσταση, η οποία κυμαίνεται μεταξύ των αγωγών και των μονωτών και μεταβάλλεται σημαντικά με τη μεταβολή της θερμοκρασίας περιβάλλοντος. Σε Θερμοκρασία δωματίου ένας καθαρός κρύσταλλος πυριτίου ενεργεί περίπου ως μονωτής (κάθε άτομο έχει 8 ηλεκτρόνια στη στοιβάδα σθένους λόγω ομοιοπολικών δεσμών με τα γειτονικά του άτομα)
Ενεργειακά διαγράμματα για διαφορετικά υλικά Ενέργεια ηλεκτρονίων Ζώνη αγωγιμότητας Ζώνη σθένους Ενέργεια ηλεκτρονίων Ζώνη αγωγιμότητας Επίπεδο Fermi Ζώνη σθένους Ενέργεια ηλεκτρονίων Ζώνη αγωγιμότητας Επίπεδο Fermi Ζώνη σθένους Μονωτής Ημιαγωγός Αγωγός
Δεσμοί σθένους σε καθαρό και εμπλουτισμένο / νοθευμένο ημιαγωγό Si Si Si Si Si Si Si B Si Si P Si Si Si οπή Si ηλεκτρόνιο Καθαρός κρύσταλλος Πυριτίου Ηλεκτικά ουδέτερος Κρύσταλλος Πυριτίου εμπλουτισμένος με 3σθενή άτομα Βορίου (3σθενή άτομα προσμείξεων Βόριο, Γάλλιο, Αργίλιο) Ημιαγωγός τύπουp (positive) Φορείς πλειονότητας = οπές Ηλεκτικά ουδέτερος Κρύσταλλος Πυριτίου εμπλουτισμένος με 5σθενή άτομα Φωσφόρου (5σθενή άτομα προσμείξεων Φώσφορος, Αρσενικό, Αντιμόνιο) Ημιαγωγός τύπουn (negative) Φορείς πλειονότητας = ελεύθερα ηλεκτρόνια Ηλεκτικά ουδέτερος
Επαφή pn (Δίοδος) οπές στοιβάδας σθένους αρνητικά ιόντα Ε θετικά ιόντα ελεύθερα ηλεκτρόνια άνοδος τύπουp Περιοχή απογύμνωσης Ύψωμα δυναμικού τύπουn κάθοδος Το Φράγμα (Ύψωμα) Δυναμικού για διόδους Ge και Si σε θερμοκρασία δωματίου είναι 0,3 και 0.7 V, αντίστοιχα
Ορθή πόλωση επαφής pn άνοδος Οπές Περιοχή απογύμνωσης Ηλεκτρόνια κάθοδος Όταν η εφαρμοζόμενη τάση είναι μεγαλύτερη από το Φράγμα Δυναμικού δημιουργείται μεγάλο συνεχές ρεύμα στο κύκλωμα: 1. Ηλεκτρόνια εισέρχονται στο δεξιό άκρο του κρυστάλλου από το αρνητικό άκρο της πηγής 2. Κινούνται προς τα αριστερά μέσω της nπεριοχής ως ελεύθερα ηλεκτρόνια 3. Ανασυζεύγνεινται στην pn επαφή με οπές και καθίστανται ηλεκτρόνια σθένους 4. Κινούνται προς τα αριστερά μέσω της pπεριοχής σαν ηλεκτρόνια σθένους (κίνηση οπών προς τα δεξιά) 5. Εξέρχονται από το αριστερό άκρο του κρυστάλλου στο θετικό άκρο της πηγής
Ανάστροφη πόλωση επαφής pn άνοδος Οπές Περιοχή απογύμνωσης Ηλεκτρόνια κάθοδος Όταν η εφαρμοζόμενη τάση είναι ανάστροφη μεγαλώνει η περιοχή απογύμνωσης και δημιουργείται ένα πολύ μικρό / αμελητέο ανάστροφο συνεχές ρεύμα (Is ρεύμα κόρου ανάλογο μόνο της θερμοκρασίας) στο κύκλωμα: 1. Λόγω θερμότητας δημιουργούνται ζεύγη ηλεκτρονίωνοπών στην περιοχή απογύμνωσης 2. Τα ηλεκτρόνια λόγω του Υψώματος Δυναμικού σπρώχνονται προς το δεξιό άκρο του κρυστάλλου και από εκεί εισέρχονται στο θετικό άκρο της πηγής 3. Αντίστοιχα οι οπές απωθούνται προς το αριστερό άκρο του κρυστάλλου όπου ανασυζεύγνεινται με ηλεκτρόνια που εισέρχονται από το αρνητικό άκρο της πηγής
Δίοδος Δίοδος = Επαφή pn: μη γραμμικό ηλεκτρονικό στοιχείο 2 ακροδεκτών ( άνοδος και κάθοδος) παρουσιάζει μικρή σχετικά αντίσταση στη ροή του ρεύματος πρς τη μία κατεύθυνση και πολύ μεγάλη αντίσταση στην αντίθετη κατεύθυνση
Χαρακτηριστική καμπύλη VI διόδου ΙD τάση κατάρρευσης ανάστροφο ρεύμα περιοχή ορθής πόλωσης περιοχή ανάστροφης πόλωσης τάση καμπής (0,7V για Si, 0,3V για Ge) VD i = I S (e qv kt 1) Περιοχή ανάστροφης πόλωσης: i=is (τάση κατάρευσης < VD < 0V) 10^(18)A =< Is =< 10^(9)A Σημείο μηδενισμού: i=0 (VD = 0V) Περιοχή ορθής πόλωσης: i=is e^(qv/kt) (0V < VD) Στο σημείο καμπής αύξηση της τάσης κατά 60 mv επιφέρει δεκαπλασιασμό του ρεύματος
Ιδανική Δίοδος = Διακόπτης Βραχυκύκλωμα I Ανοικτό κύκλωμα V
Προσεγγιστικά μοντέλα διόδου I Ιδανική δίοδος V D =0,7V V D V I Ιδανική δίοδος V D =0,7V R D Κλίση 1/R D V D V
Αντιστοιχία διόδου με υδραυλική βαλβίδα I Ιδανική δίοδος V D =0,7V V D V
Ανίχνευση βλαβών Μέτρηση της αντίστασης της διόδου με Ωμόμετρο και προς τις δύο κατευθύνσεις (με αναστροφή των ακροδεκτών του οργάνου). Σωστή δίοδος: Πολύ μικρή αντίσταση στην κανονική φορά πολύ μεγάλη αντίσταση στην ανάστροφη φορά Πιθανές βλάβες: Δίοδος βραχυκυκλωμένη πολύ μικρή αντίσταση και προς τις δύο κατευθύνσεις Δίοδος ανυχτοκυκλωμένη πολύ μεγάλη αντίσταση και προς τις δύο κατευθύνσεις Δίοδος με διαρροή σχετικά μικρή αντίσταση κατά την ανάστροφη φορά
Παράδειγμα Να υπολογιστούν η τάση και το ρεύμα φορτίου για το διπλανό κύκλωμα D Η τάση φορτίου είναι: VL = 12V 0,7V = 11,3V 12V IL 1kΩ V L Συνεπώς από το νόμο του Ohm, το ρεύμα φορτίου είναι: IL = VL / 1kΩ = 11,3mA
Παράδειγμα Να υπολογίστούν τα ρεύματα Ι, Ι1 και Ι2 στο παρακάτω κύκλωμα Η τάση στα άκρα της διόδου είναι 0,7V και η αντίσταση 100Ω είναι παράλληλα σε αυτήν, συνεπώς η τάση στα άκρα της είναι κι αυτή 0,7V. 1kΩ Σύμφωνα με τον νόμο τάσεων του Kirchhoff στον αριστερό βρόχο η τάση στα άκρα της αντίστασης 1kΩ είναι: 12V 0,7V = 11,3V Το ρεύμα Ι υπολογίζεται από το νόμο του Ohm πάνω στην αντίσταση 1kΩ, ως: 12V I I1 100Ω D I2 Ι = 11,3V / 1kΩ = 11,3mΑ Το ρεύμα Ι1 υπολογίζεται από το νόμο του Ohm πάνω στην αντίσταση 100Ω, ως: Ι1 = 0,7V / 100Ω = 7mΑ Το ρεύμα Ι2 υπολογίζεται από τον νόμο ρευμάτων του Kirchhoff σε έναν από τους δύο κόμβους, ως: Ι2 = 11,3mA 7mA = 4,3mA
Γραμμή φορτίου Η γραμμή φορτίου (ή γραμμή φόρτου) χρησιμοποιείται για γραφική ανάλυση κυκλωμάτων ηλεκτρονικής και συγκεκριμένα όταν θέλουμε να έχουμε μια εποπτική εικόνα του τρόπου με τον οποίο τα γραμμικά στοιχεία (π.χ. ωμικές αντιστάσεις) ενός κυκλώματος επιδρούν στα μη γραμμικά (δίοδοι, τρανζίστορ, κλπ). D ΙD VDD IL RL V L VDD/RL γραμμή φορτίου σημείο λειτουργίας VDD VD
Γραφικός υπολογισμός σημείου λειτουργίας για απλό κύκλωμα διόδου D ΙD VDD IL RL V L VDD/RL γραμμή φορτίου σημείο λειτουργίας VDD VD Από την εφαρμογή του νόμου τάσεων του Kirchhoff προκύπτει: VDD = ILRL VD Η ευθεία φορτίου ενώνει: το σημείο για το οποίο το ρεύμα της διόδου γίνεται μηδέν (κορεσμός): (ID = 0, VD = VDD) με το σημείο για το οποίο η τάση στα άκρα της διόδου μηδενίζεται (αποκοπή). (ID = VDD / RL, VD = 0) Η τομή της χαρακτηριστικής της διόδου με την ευθεία φορτίου δίνουν το σημείο λειτουργίας της Q.
Παράδειγμα ΙD Να σχεδιαστεί η γραμμή φορτίου για το κύκλωμα στο προηγούμενο Σχήμα όταν: 3,5mA ΙD 3,5V VD 1. VDD = 3,5V και RL = 1kΩ και 2. VDD = 3,5V και RL = 1kΩ. 3,5V VD 3,5mA
Προδιαγραφές διόδου Δεν υπάρχει ιδανική δίοδος Το ορθό (πρόσω) ρεύμα είναι το μέγιστο ρεύμα που μπορεί να άγει μια δίοδος με ασφάλεια όταν είναι ορθά πολωμένη. Η τάση κατάρρευσης, η οποία αναφέρεται και ως ανάστροφη τάση ή ανάστροφη τάση κορυφής (peak inverse voltage PIV) είναι η τάση κατά την ανάστροφη πόλωση πέραν της οποίας το ανάστροφο ρεύμα αυξάνεται απότομα (φαινόμενο χιονοστιβάδας) και στη συνέχεια η δίοδος καταρρέει και καταστρέφεται. Σημαντικά μεγέθη μίας διόδου από το φυλλάδιο προδιαγραφών του κατασκευαστή: Ορθή πτώση τάσης Μέγιστο ορθό ρεύμα Ανάστροφη τάση κατάρευσης Μέγιστο ανάστροφο ρεύμα
Ημιανόρθωση D Vi IL RL V L V Vi VL t D Vi IL RL V L V Vi VL t
Πλήρης ανόρθωση D1 D2 Vi V Vi VL RL D3 D4 IL V L t
Κυμάτωση ανορθωτή μισού κύματος = s Vrms V avrg 2 1 συντελεστής κυμάτωσης V rms = s 1 2 Z 0 V 2 p sin 2!tdt = V p 2 ημιανορθωτής V avrg = 1 2 Z 0 V p sin!tdt = V p
Κυμάτωση ανορθωτή πλήρους κύματος = s Vrms V avrg 2 1 συντελεστής κυμάτωσης V rms = s 1 Z 0 V 2 p sin 2!tdt = V p p 2 πλήρης ανορθωτής V avrg = 1 Z 0 V p sin!tdt = 2V p
Εξομάλυνση ανόρθωσης V Κύκλωμα ανόρθωσης C IL RL V L t t μισό κύμα πλήρες κύμα
Βελτίωση μέσης τιμής σήματος V Vp V Vp Vavrg Vavrg t t V Vp Vavrg V Vp Vavrg t t
Διπλασιαστής τάσης Vi C1 D1 V1 D2 C2 IL RL V L V Vp t Vi V1 VL
Πολλαπλασιαστής τάσης C1 C3 CN1 RL Vi D1 C2 D2 D3 C4 D4 DN1 CN DN V L
Θετικός ψαλιδιστής τάσης R Vi D IL RL V L Vref 0,7V V Vi VL t Vref
Αρνητικός ψαλιδιστής τάσης R Vi D Vref IL RL V L V Vref0,7V Vi VL t
Διπλός ψαλιδιστής τάσης R V Vi Vi D1 D2 IL RL V L Vref10,7V Vref20,7V VL t Vref1 Vref2
Δίοδος εκπομπής φωτός άνοδος κάθοδος
Παράδειγμα Μία χρωματιστή LED με τάση πρόσω πόλωσης 2V συνδέεται με σταθερή πηγή ρεύματος 5V. Να υπολογιστεί η αντίσταση σειράς που απαιτείται για τον περιορισμό του ρεύματος σε λιγότερο από 10mA. R H πτώση τάσης στην αντίσταση R είναι: VR = Vi VD = 5V 2V = 3V Vi D Η αντίσταση λοιπόν μπορεί να υπολογιστεί από το νόμο του Ohm ως: I R = VR/I = 3V/10mA = 300Ω. Επειδή επιλέξαμε τη μέγιστη δυνατή τιμή του ρεύματος και καθώς η αντίσταση είναι αντιστρόφως ανάλογη στο ρεύμα, η τιμή της αντίστασης που υπολογίσαμε είναι ελάχιστη δυνατή. Οποιαδήποτε τιμή αντίστασης πέραν των 300Ω περιορίζει το ρεύμα σε λιγότερο από 10mA. Η χρήση αντίστασης περιορισμού ρεύματος είναι εκ των ων ουκ άνευ, όταν συνδέουμε LED σε μία πηγή τάσης.
Οθόνη επτά τμημάτων VD 1 D1 2 D2 3 4 5 D3 D4 D5 1 2 3 4 5 6 7 D1 D7 D6 D5 D4 D2 D3 6 D6 7 D7 GND
Φωτοδίοδος R Ι Vi D I L0 L1 L2 L3 V L4
Οπτοζεύξη R1 R2 V1 V2
Δίοδος varactor
Δίοδος Schottky
Δίοδος σύραγγας Ι V
Δίοδος Zener Ι Παρόμοια λειτουργία με τις κοινές διόδους στην ορθή πόλωση για θετική τάση V>0.7V, η δίοδος zener άγει VΖ V Διαφορετική λειτουργία (επιθυμιτή) στην αναστροφη πόλωση στην περιοχή κατάρευσης για αρνητική τάση V>Vz, η δίοδος zener άγει κατά την αντίθετη φορά
Σταθεροποιητής με Zener R Vi RL IΖ IL V L R Vi VΖ IL RL V L =V Z
Παράδειγμα H πηγή Vi κυμαίνεται από 15V έως 20V και θέλουμε να τροφοδοτήσουμε φορτίο 1kΩ με σταθεροποιημένη τάση 13V. Η δίοδος Zener 1Ν4468 έχει τα εξής χαρακτηριστικά: Vz = 13V και Pz = 1,5W R Συνεπώς Ιmax = 115mA Επιλέγοντας λοιπόν την 1Ν4468 πετυχαίνουμε στα άκρα του φορτίου σταθερή τάση 13V και το ρεύμα του φορτίου είναι επίσης σταθερό ΙL = 13V / 1kΩ = 13mA. Vi IΖ IL RL V L Από το φύλλο προδιαγραφών του κατασκευαστή για την 1Ν4468 βρίσκουμε ότι το ελάχιστο ρεύμα για να είναι πολωμένη η δίοδος Zener είναι 7,2mA < 115mA, άρα επαρκεί για την εφαρμογή μας. Το ελάχιστο ρεύμα στην αντίσταση R είναι το άθροισμα των δύο παραπάνω ρευμάτων: ΙR_min = 13mA 7,2mA = 20,2mA Το ελάχιστο ρεύμα συμβαίνει όταν η τάση στην είσοδο είναι ελάχιστη, δηλαδή 15V. Η πτώση τάσης πάνω στην αντίσταση τότε είναι: VR_min = 15V 13V = 2V Επομένως η αντίσταση υπολογίζεται ως: R = 2V / 20,2mA = 99Ω
Απλός ψαλιδιστής Zenner R Vi DΖ IL RL V L VΖ V 0,7V Vi VL t
Διπλός ψαλιδιστής Zenner R Vi DΖ1 DΖ2 IL RL V L V VΖ10,7V VΖ20,7V Vi VL t
Ερωτήσεις Πώς ονομάζεται η εξωτερική στοιβάδα του ατόμου; Αναφέρατε διαφορές μεταξύ αγωγών, ημιαγωγών και μονωτών. Ποια η σχέση των ηλεκτρονίων σθένους με την αγωγιμότητα του υλικού; Τι καλούμε οπή στους ημιαγωγούς και γιατί; Ποια η διαφορά μεταξύ νοθευμένων υλικών τύπου p και τύπου n; Τι είναι επαφή pn; Γιατί μία επαφή pn άγει προς τη μία μόνο κατεύθυνση; Πώς δημιουργείται η ζώνη απογύμνωσης; Τι συμβαίνει στη ζώνη απογύμνωσης κατά την ορθή και τι κατά την ανάστροφη πόλωση; Πώς αυξάνεται το ρεύμα αν αυξήσουμε την τάσης στα άκρα πραγματικής διόδου;
Ερωτήσεις Μπορούμε να πολώσουμε ανάστροφα μια πραγματική δίοδο με όσο μεγάλη διαφορά δυναμικού θέλουμε και γιατί; Τι είναι η ανάστροφη τάση κορυφής; Με τι κυκλωματικό στοιχείο είναι ισοδύναμη μία ιδανική δίοδος; Πότε λαμβάνουμε υπόψη την τάση στα άκρα μιας πολωμένης διόδου και της εσωτερικής της αντίστασης και κάτω από ποιες συνθήκες θεωρούμε μία δίοδο ιδανική; Είναι δυνατή τεχνολογικά η υλοποίηση ιδανικής διόδου; Πέραν από ποια τάση θεωρούμε ότι άγει στην πράξη μία δίοδος πυριτίου; Τι ονομάζουμε τάση καμπής και από τι εξαρτάται; Πώς υλοποιείται ένα κύκλωμα ψαλιδισμού και σε τι χρησιμεύει; Τι ονομάζουμε κύκλωμα ανόρθωσης και που χρησιμεύει; Πώς εξαλείφουμε την κυμάτωση σε ένα κύκλωμα ανόρθωσης;
Ερωτήσεις Γιατί η απόδοση ανορθωτή πλήρους κύματος είναι μεγαλύτερη από αυτή του ανορθωτή μισού κύματος; Τι είναι η συσκευή LED; Αναφέρατε εφαρμογές των LED. Τι είναι η φωτοδίοδος; Αναφέρατε εφαρμογές φωτοδιόδων. Ποιες οι διαφορές κοινής διόδου και διόδου σήραγγας; Ποιες οι διαφορές κοινής διόδου και διόδου Schottky; Ποιες οι διαφορές κοινής διόδου και διόδου Zener; Σε ποια περιοχή λειτουργούμε συνήθως μια δίοδο Zener; Αναφέρατε σχετικές εφαρμογές. Πώς μπορούμε να κατασκευάσουμε μια φτηνή προσέγγιση τετραγωνικού παλμού;
Επιπλέον βιβλιογραφία Horowitz, P. and Hill, W., The Art of Electronics, 2nd Edition, Cambridge University Press, New York, 1989. Maloberti, F., Understanding Microelectronics: A TopDown Approach, John Wiley and Sons, New York, 2012. Malvino, A. and Bates, D., Electronics Principles, 8th Edition, McGrawHill, New York, 2016. McWhorter, G. and Evans, A., Basic Electronics, Master Publishing, Richardson, Texas, 1994. Millman, J. and Grabel, A., Microelectronics, 2nd Edition, McGrawHill, New York, 1987. Mims, F., Engineer s MiniNotebook: Basic Semiconductor Circuits, Radio Shack Archer Catalog No. 2765013, 1986. Razavi, B., Microelectronics, 2nd Edition, John Wiley and Sons, New York, 2012. Rizzoni, G., Principles and Applications of Electrical Engineering, 5th Edition, McGrawHill, New York, 2005. Senturia, S.D. and Wedlock, B.D., Electronics Circuits and Applications, John Wiley and Sons, New York, 1975.