Univerzitet u Nišu, Elektronski fakultet Katedra za mikroelektroniku Z. Prijić predavanja 2014.
Definicija Dioda je naziv za poluprovodničku komponentu koja ima dva priključka, anodu i katodu. Električni simbol diode: Anoda D Katoda Uobičajena slovna oznaka za diodu u električnim šemama je D. U poluprovodničkoj tehnologiji dioda predstavlja pn spoj. Izvod anode je na p oblasti, a katode na n oblasti 1. 1 Videti: Poluprovodnička svojstva silicijuma pn spoj
Sadržaj
diode predstavlja dovo denje spoljašnjeg napona na njene priključke tako da je pozitivan kraj napona na anodi, a negativan na katodi. D 1 V F I D
Spoljašnji napon generiše električno polje koje je suprotnog smera od ugra denog električnog polja pn spoja. Pod dejstvom tog polja elektroni iz n oblasti se kreću ka pn spoju i pri tom nailaze na deo osiromašene oblasti koji se sastoji od pozitivnih donorskih jona koje neutralizuju. S druge strane, šupljine iz p oblasti se tako de kreću ka pn spoju i pri tom nailaze na deo osiromašene oblasti koji se sastoji od negativnih akceptorskih jona, koje tako de neutralizuju. Na taj način se ukupna osiromašena oblast sužava, pa se samim tim smanjuje i ugra deno električno polje!
Smanjenje ugra denog električnog polja omogućava da više šupljina iz p oblasti pre de u n oblast, a da više elektrona iz n oblasti pre de u p oblast. Ovaj proces se naziva injekcija manjinskih nosilaca. Na granicama (sada sužene) osiromašene oblasti pojavljuju se natkoncentracije elektrona i šupljina, koje su znatno veće od ravnotežnih vrednosti. Pojava natkoncentracija manjinskih nosilaca uzrokuje pojavu difuzione struje koja je znatno veća nego što je to bilo u stanju termičke ravnoteže. Balans se održava uz pomoć spoljašnjeg napona V F koji daje struju kroz diodu I D : I D = I Diff I Drift.
p n (x n ) n p (-x p ) p n (x) n p (x) p n0 n p0 p-oblast -x p 0 x n n-oblast n p ( x p ) i p n (x n ) su natkoncentracije nosilaca na granicama osiromašene oblasti. n p0 i p n0 su ravnotežne vrednosti 2. 2 Definicije su pojednostavljene.
Tokom difuzije unutar p i n oblasti dolazi do rekombinacije, pa se natkoncentracije n p (x) i p n (x) smanjuju i, ako su oblasti dovoljno dugačke, padaju na ravnotežne vrednosti. Spoljašnji izvor dodaje dovoljno elektrona da bi se ovakav proces održavao. Ukupna struja kroz diodu je: V F I D = I S e Vt 1!!! (1) Struja I S naziva se inverzna struja zasićenja (reverse saturation current) diode i zavisi od površine pn spoja, koncentracije primesa i temperature.
: strujno naponska karakteristika
: napon vo denja diode Značajna struja počinje da protiče kroz diodu tek kada spoljašnji napon V F postane blizak vrednosti ugra denog napona pn spoja V bi! Nakon toga, struja eksponencijalno raste i za male promene napona V F dobijaju se velike promene struje. Za primenu u elektronskim kolima definiše se napon vo denja diode V D (diode forward voltage). Tipično, na sobnoj temperaturi se uzima: V D = 0.7V Pri direktnoj polarizaciji dioda provodi struju kada je napon na njoj veći od 0.7 V.
Sadržaj
diode predstavlja dovo denje spoljašnjeg napona na njene priključke tako da je negativan kraj napona na anodi, a pozitivan na katodi. D 1 V R I S
Spoljašnji napon generiše električno polje koje je istog smera kao ugra deno električno polje diode. Pod dejstvom tog polja šupljine iz p oblasti napuštaju okolinu pn spoja ostavljajući za sobom negativne akceptorske jone. S druge strane, elektroni iz n oblasti tako de napuštaju okolinu pn spoja ostavljajući za sobom pozitivne donorske jone. Na taj način se ukupna širina osiromašene oblasti povećava. Povećava se i vrednost ugra denog električnog polja koje sprečava difuziono kretanje nosilaca naelektrisanja izme du p i n oblasti.
Jedino se, pod uticajem ugra denog električnog polja, kreću malobrojni termalno generisani nosioci naelektrisanja, pa je ukupna struja kroz diodu jednaka driftovskoj struji I Drift, odnosno inverznoj struji zasićenja 3 I S : I D = I Drift = I S. Na sobnoj temperaturi tipično je reda veličine na i može se smatrati nezavisnom od vrednosti spoljašnjeg napona inverzne polarizacije V R. Može se smatrati da pri inverznoj polarizaciji dioda ne provodi struju. Uobičajeno se kaže da je dioda zakočena. 3 Inverzna struja zasićenja naziva se još i struja curenja (leakage current).
Sadržaj
: Zenerov proboj Povećanje spoljašnjeg napona inverzne polarizacije dovodi vrednost ugra denog električnog polja do granice pri kojoj je ono u mogućnosti da raskine kovalentne veze unutar kristalne rešetke u blizini osiromašene oblasti. Na taj način se generišu parovi elektron šupljina. Generisani elektroni bivaju prevučeni na n, a šupljine na p stranu spoja, povećavajući naglo struju kroz diodu! Ovaj proces se naziva Zenerov proboj (Zener breakdown).
: Lavinski proboj Pri još višim vrednostima inverzne polarizacije, može se dogoditi da manjinski nosioci koji prolaze kroz osiromašenu oblast dostignu dovoljnu kinetičku energiju da u sudarima sa atomima kristalne rešetke raskidaju kovalentne veze izme du njih. Na ovaj način se generišu novi slobodni nosioci koji, opet, imaju dovoljnu kinetičku energiju da u sudarima sa drugim atomima kristalne rešetke raskidaju kovalentne veze izme du njih i stvaraju još slobodnih nosilaca. Rezultat je opet naglo povećanje struje kroz diodu. Proces je kumulativan i zato se naziva lavinski proboj (avalanche breakdown).
Strujno naponska karakteristika pri inverznoj polarizaciji i lavinskom proboju I D I S proboj V B -60-50 -40-30 -20-10 0 V R (V)
ni napon Spoljašnji napon inverzne polarizacije pri kome nastupa proboj naziva se probojni napon (breakdown voltage) V B. nije destruktivna pojava, sve dok je struja kroz diodu u opsegu dozvoljene sa stanovišta disipacije snage. To znači da se smanjenjem spoljašnjeg napona inverzne polarizacije ispod vrednosti V B struja kroz diodu smanjuje na vrednost struje I S. se normalno ne polarišu tako da rade u oblasti proboja! Izuzetak su 4! Dioda je usmeračka komponenta jer provodi struju samo pri direktnoj polarizaciji. 4 Videti pod:
Sadržaj
Promena strujno naponske karakteristike diode sa temperaturom pri direktnoj polarizaciji: I D (A) 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 T=25 C T=50 C T=75 C 0,10 0,05 0,00 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 V F (V)
Pri direktnoj polarizaciji, porast temperature uzrokuje smanjenje vrednosti napona vo denja diode, sa približno konstantnim temperaturnim koeficijentom: dv D dt 2 mv C 1. Pri inverznoj polarizaciji dolazi do porasta inverzne struje zasićenja diode. Vrednost inverzne struje zasićenja se približno udvostručuje na svakih 10 C porasta temperature!
Promena strujno naponske karakteristike diode sa temperaturom pri inverznoj polarizaciji: I D (na) 0-10 -20-30 -40-50 -60-70 T=25 C T =50 C T =75 C -80-90 -100-10 -8-6 -4-2 0 V R (V)
Sadržaj
(Quiescent Point) Postavljanjem otpornika u kolo diode moguće je ograničiti struju kroz nju pri direktnoj polarizaciji: I D1 = V F V D1 R 1 = 1 R 1 V D1 + V F R 1
i radna prava (Load Line)
i radna prava (Load Line) Presek radne prave i strujno naponske karakteristike diode definiše radnu tačku Q. U radnoj tački dioda ima statičku otpornost: R D1 = V DQ I Q. Promenom vrednosti otpornika R 1 menja se, za poznatu vrednost V F, nagib radne prave, pa time i pozicija radne tačke na strujno naponskoj karakteristici diode.
Sadržaj
Pretvaranje naizmeničnih signala u jednosmerne. Polutalasno (half wave) ispravljanje: Tokom pozitivne poluperiode dioda provodi, dok je tokom negativne poluperiode zakočena.
: Polutalasno ispravljanje v in v out
: Punotalasno (full wave) ispravljanje Tokom pozitivne poluperiode provode diode D 1 i D 2, a diode D 3 i D 4 su zakočene. Tokom negativne poluperiode provode diode D 3 i D 4, dok su diode D 1 i D 2 zakočene.
: Punotalasno ispravljanje v in v out
: Punotalasno ispravljanje Četiri diode se nalaze u jednom kućištu (U 1 ) i nazivaju se Grecov spoj. Kondenzator C se naziva rezervoar (reservoir capacitor), kondenzator za poravnanje napona (smoothing capacitor) ili filtarski kondenzator. Tipično se koriste elektrolitski kondenzatori.
: Punotalasno ispravljanje C=1,5µF C=4,7µF V r(pp) C=10µF
: Punotalasno ispravljanje Osnovno kolo punotalasnog mrežnog ispravljača: F 1 je osigurač (fuse), a T 1 je mrežni transformator.
Sadržaj
koje u elektronskim kolima prelaze iz provodnog u neprovodno stanje i obratno, najčešće pod dejstvom impulsne pobude, nazivaju se prekidačke (switching) diode. Na taj način ove diode ostvaruju funkciju elektronskog prekidača koji na odre deni način razdvaja ili spaja pojedine delove kola. Za prekidačke diode je od suštinskog značaja brzina prekidanja. Prelazak diode iz provodnog u neprovodno stanje nije trenutan. Da bi struja kroz inverzno polarisanu diodu prestala da teče, potrebno je da pro de odre deno vreme koje se naziva vreme oporavka (reverse recovery time) t rr.
Značajna primena prekidačkih dioda je u zaštiti elektronskih prekidača od uticaja induktivnog opterećenja:
Ostale primene: Diodna logička kola. Zaštita od inverzne polarizacije naponskih regulatora. Prebacivanje sa mrežnog na baterijsko napajanje.... Neke konvencionalne prekidačke diode: 1N4148, 1N419. Vreme oporavka je od nekoliko ns do nekoliko desetina ns.
Sadržaj
. su silicijumske diode koje su tehnološki optimizovane tako da pri inverznoj polarizaciji rade u oblasti proboja. Električni simboli : Anoda Katoda Anoda Katoda Anoda Katoda Pri direktnoj polarizaciji strujno naponska karakteristika je identična strujno naponskoj karakteristici standardne diode. Pri inverznoj polarizaciji, u oblasti proboja strujno naponska karakteristika ima oštro koleno.
. Pri naponu V Z struja kroz Zener diodu će biti I Z.
. Regulacija napona pomoću : Oblast regulacije je opseg struja kroz Zener diodu za koje se Zenerov napon može smatrati približno konstantnim. Zener diode se standardno koriste u oblasti inverzne polarizacije, tj. Zenerovog proboja! Proizvode se sa različitim vrednostima V Z (npr. 5.1 V, 6.2 V, 12 V, itd.)
Sadržaj
TVS diode. koje su posebno namenjene zaštiti elektronskih kola od uticaja naponskih tranzijenata nazivaju se TVS (Transient Voltage Suppresion) diode. Realizuju se kao silicijumski pn spojevi, sa posebno optimizovanom geometrijom i profilima primesa. TVS diode mogu biti unidirekcione (a) i bidirekcione (b), a odgovarajući električni simboli su: (a) (b)
TVS diode. Koncept primene TVS dioda: Tranzijent je najčešće izazvan eksterno, indukcijom ili elektrostatičkim pražnjenjem, a predstavlja opasnost po elektronsko kolo jer je V TMAX V IN. Uloga TVS diode je da prilikom nailaska naponskog tranzijenta provede, spuštajući na taj način napon na ulazu kola na vrednost svog napona proboja pri inverznoj polarizaciji.
TVS diode. Zaštita USB magistrale:
Sadržaj
Šotkijeve (Schottky) diode se tehnološki realizuju kao spoj metala i dopiranog poluprovodnika. Električni simbol Šotkijeve diode: Anoda Katoda Zbog prisustva metala, ugra dena potencijalna barijera kod je manja nego kod diode zasnovane na pn spoju. Zbog toga je napon provo denja pri direktnoj polarizaciji u opsegu 0.3 V 0.4 V!
Strujno naponska karakteristika BAT42 pri direktnoj polarizaciji: 40 I (ma) 35 30 25 20 15 10 5 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 V F (V)
: Inverzna struja zasićenja BAT42 Inverzne struje zasićenja kod Šotkijevih dioda su znatno veće nego kod dioda na bazi pn spoja, što ograničava njihove primene na višim temperaturama. Primene su kod prekidačkih izvora napajanja, kao i u digitalnim prekidačkim kolima (high-speed switching).
Sadržaj
(varaktori) su silicijumske diode koje su tehnološki realizovane tako da se sa promenom napona inverzne polarizacije dobija što veća promena kapacitivnosti. Električni simbol varikap diode: Anoda Katoda U praksi, varikap dioda radi u režimu inverzne polarizacije i to kao kondenzator promenljive kapacitivnosti.
Postojanje osiromašene oblasti na pn spoju rezultuje pojavom kapacitivnosti koja se može izraziti relacijom koja opisuje kapacitivnost kondenzatora sa ravnim oblogama površine A i me dusobnog rastojanja W d, izme du kojih je dielektrik dielektrične konstanteǫ s : C j = ǫ sa W d. Primenom spoljašnjeg napona inverzne polarizacije V R, osiromašena oblast se širi: 2ǫ s 1 W d = + 1 (V bi + V R ). q N A N D Promenom širine osiromašene oblasti menja se i kapacitivnost.
Zavisnost kapacitivnosti varikap diode BB109G od napona inverzne polarizacije: 70 60 50 C (pf) 40 30 20 10 0 0 5 10 15 20 25 V R (V)
se primenjuju u kolima za podešavanje učestanosti (tuning circuits) koja su osnova za izbor kanala kod radio, TV i satelitskih prijemnika, kao i kod mobilnih telefona. Učestanost koja se podešava naziva se rezonantna učestanost i na njoj se vrši prijem signala odre denog emitera.
Sadržaj
koje emituju svetlost (Light Emiting s - LED) pripadaju grupi optoelektronskih komponenata. Električni simbol : Anoda Katoda Emisija svetlosti se dešava prilikom direktne polarizacije diode i ova pojava se naziva elektroluminiscencija. Suština pojave je u rekombinaciji elektrona iz provodne zone sa šupljinama u valentnoj zoni, prilikom koje se višak energije otpušta u obliku fotona. se izra duju od poluprovodničkih jedinjenja (GaAs, GaAsP, AlGaP, SiC, itd.). U zavisnosti od jedinjenja i konstrukcije diode, svetlost koja se emituje može imati različitu talasnu dužinu, pa se proizvode ultraljubičaste, infracrvene, kao i diode koje emituju vidljivu svetlost.
- 10 UV vidljiva svetlost IC 400 500 600 700 Napon direktne polarizacije pri kome provode je različit za različite talasne dužine svetlosti. Jačina svetlosti zavisi od struje kroz diodu. Svetlost V F(typ) (V) I F(typ) (ma) infracrvena 1,2 20 100 crvena 1,8 10 20 narandžasta 2,0 10 20 žuta 2,1 10 20 zelena 2,2 10 20 plava 3,5 20 30 bela 3,5 20 30 ultraljubičasta 3,6 20 10 6
: Strujno naponska karakteristika pri direktnoj polarizaciji 25 zelena plava 20 15 I (ma) 10 crvena 5 žuta 0 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 V F (V)
: Osnovno kolo U kolo se obavezno stavlja otpornik, koji ograničava struju kroz diodu!
: Osnovno kolo Vrednost otpornika se izračunava na osnovu tipičnih vrednosti pada napona i struje kroz diodu iz tehničkih specifikacija proizvo dača. Primer: Za V F = 5V, V D1 = 1.8V i I F = 10mA je: R 1 = V F V D1 = 5 1, 8 = 320Ω. (2) I F 0, 01 U praksi se uzima najbliža standardna vrednost, npr. R 1 = 330Ω.
Standardne u okruglim kućištima prečnika 5 mm: infracrvena katoda
Sadržaj
spadaju u grupu optoelektronskih komponenata, a njihova osnovna karakteristika je da im se inverzna struja zasićenja menja sa promenom intenziteta upadne svetlosti. Električni simbol fotodiode: Anoda Katoda Kada fotodioda nije osvetljena kroz nju teče inverzna struja zasićenja I 0 koja se naziva struja mraka (dark current). Pod dejstvom upadne svetlosti, unutar pn spoja dolazi do generacije parova elektron šupljina, pa se inverzna struja kroz diodu povećava. Struja koja potiče usled dejstva upadne svetlosti naziva se struja osvetljaja (light current) ili fotostruja I P.
: Fotonaponski režim Gustina fluksa svetlosnog zračenja naziva se iradijansa E e (mw cm 2 ). Struja I P se menja u zavisnosti od iradijanse E e upadne svetlosti, tako da je pad napona na otporniku: V OUT = V=(I 0 + I P )R L
: Fotonaponski režim Pad napona V OUT teži da pozitivno polariše diodu! Zbog toga kroz diodu počinje da teče struja u smeru suprotnom od smera fotostruje. Kada struja I postane jednaka nuli, tada je napon na diodi: IP (E e ) V P (E e )=V t ln + 1. I 0 Fotodioda se ponaša kao izvor jednosmernog napona, pa se pojava naziva fotonaponski efekat. Fotodioda radi u fotonaponskom (photovoltaic) režimu. Napon V P (E e ) naziva se fotonapon.
: Fotoprovodni režim U ovom slučaju je: V OUT =(I 0 + I P )R L (3) pa je odziv fotodiode na upadnu svetlost linearan, pod uslovom da se vrednost napona inverzne polarizacije izabere tako da je uvek ispunjen uslov V R > V OUT.
: Fotoprovodni režim U ovakvoj konfiguraciji fotodioda radi u fotoprovodnom (photoconductive) režimu. U fotoprovodnom režimu je odziv fotodiode na upadnu svetlost brži nego u fotonaponskom režimu jer je, zbog inverzne polarizacije, kapacitivnost pn spoja manja. Tipično vreme odziva fotodiode na impulsnu svetlosnu pobudu je reda veličine nanosekunde.
: Fotoprovodni režim Detektor objekta na kratkim rastojanjima (proximity sensor). Infracrvena LE dioda D 1 i fotodioda D 2 u fotoprovodnom režimu.
Dodatna literatura Studenti se upućuju na rukopis pod naslovom: "Uvod u poluprovodničke i njihovu primenu". Mole se studenti prve godine da pročitaju Predgovor ovog rukopisa, u kome je naznačeno koji deo materijala se odnosi na predmet ELEKTRONSKE KOMPONENTE.