VEŽBA 4 DIODA 1. Obrazovanje PN spoja Poluprovodnik može da bude tako obrađen da mu jedan deo bude P-tipa, o drugi N-tipa. Ovako se dobije PN spoj. U oblasti P-tipa šupljine čine pokretni oblik elektriciteta. U N-oblasti elektroni čine pokretni deo elektriciteta. Slika 1
Koncentracija šupljina u P oblasti je znatno veća nego u N oblasti, pa se one difuzno kreću iz P u N oblast. Posle ulaska u N oblast one se rekombinuju sa slobodnim elektronima, pa se od njih dobiju neutralni atomi. Zbog toga u neposrednoj blizini P oblasti, u N oblasti, nema slobodnih elektrona pa se tu nalaze nekompenzovani nepokretni pozitivni joni. Slično se dešava i sa elektronima. Elektroni su slobodni i pokretni nosioci u N oblasti. I oni se difuzno kreću prema P oblasti gde se rekombinuju sa šupljinama, pa se i ovde dobiju neutralni atomi. U neposrednoj blizinu N oblasti, u P oblasti, nema slobodnih šupljina, pa se tu nalaze nekompenzovani nepokretni negativni joni. Nekompenzovani joni (i pozitivni i negativni) nazivaju se prostorno naelektrisanje. Ovo naelektrisanje se nalazi u neposrednoj blizini dodira P i N oblasti. Raspodela elektriciteta koji potiče od prostornog naelektrisanja, prikazan je na prvom grafiku. Vidi se da je leva strana dodira P i N oblasti zbog viška negativnog elektriciteta na negativnom potencijalu, a desna, zbog viška pozitivnog elektriciteta, na pozitivnom potencijalu. To vidimo na trećem grafiku. Električno polje je uvek usmereno od pozitivnog potencijala ka negativnom (od N ka P oblasti). Zbog toga što je usmereno suprotno od pozitivnog smera x-ose, polje je negativno. Najjače je na mestu spoja, jer je na tom mestu najveća promena potencijala. Električno polje je prikazano na drugom grafiku.
2. Direktno i inverzno polarisani PN spoj Kod direktne polarizacije koristi se spoljni izvor, čiji je pozitivni pol priključen na P, a negativan na N oblast. Slika 2 direktno polarisani PN spoj Kod inverzne polarizacije koristi se spoljni izvor čiji je pozitivan pol spojen sa N, a negativan sa P oblasti. Slika 3 inverzno polarisani PN spoj 3. Proboj PN spoja PN spoj može biti probijen pri direktnoj i inverznoj polarizaciji. TOPLOTNI PROBOJ Neka je na PN spoj priključen inverzni napon, koji je suviše visok. Zbog visokog inverznog napona teče inverzna struja kroz PN spoj. Ona izaziva dodatno zagrevanje PN spoja jer je napon na njemu visok. Zbog dodatnog zagrevanja povećava se broj parova elektronšupljina, odnosno povećava se inverzna struja.
Ove pojave se međusobno potpomažu, pa stalno raste temperatura PN spoja. Kada temperatura pređe dozvoljenu granicu, dolazi do razaranja PN spoja. Ovakav toplotni proboj se javlja kod germanijumskih dioda. LAVINSKI PROBOJ Nastaje kod inverzne polarizacije PN spoja. Na sobnoj temperaturi u poluprovodniku postoje slobodnim elektroni. Kod povišenog inverznog napona ovi slobodni elektroni se ubrzavaju u smeru suprotnom od smera električnog polja. Ubrzani elektroni udaraju u atome i predaju im energiju. Primljena energija u atomu izaziva oslobađanje više novih elektrona, koji se takođe kreću pod dejstvom istog električnog polja. Oslobođeni elektroni se ubrzavaju i sudaraju sa novim atomima i proizvode još više slobodnih elektrona. Vidimo da broj slobodnih elektrona stalno raste što podseća na lavinu. Ova lavina izaziva povećanje struje, što može da izazove razaranje PN spoja. CENEROV PROBOJ Ovaj proboj se dešava kod poluprovodnika sa velikom koncentracijom primesa. Zbog velike koncentracije primesa kristalna struktura nije ravnomerna, pa električno polje lako izvlači elektrone iz atoma. Povišavanjem inverznog napona PN spoja iznad određene granice inverzna struja naglo raste. Mehanizam proboja je relativno lako objasniti. Suviše visoki inverzno priključeni napon stvara unutar poluprovodnika jako električno polje, koje nasilno izvlači elektrone iz atoma i potiskuje ih u smeru suprotnom od smera polja. Ovi usmereni elektroni čine struju proboja. Ako poluprovodnik ima više primesa postoji više mogućnosti izvlačenja elektrona iz atoma i probojni napon je niži. Cenerov proboj se javlja do oko 5V. Od 5V do 8V proboj je kombinacija Cenerovog i lavinskog, a iznad 8V je lavinski proboj. Inverzni probojni napon se smanjuje sa povišenjem temperature do oko 5,5V. Na oko 5,5V probojni napon ne zavisi od promene temperature, a iznad ove granice raste sa porastom temperature.
4. Diode, snimanje karakteristika i proizvodnja Dioda je elektronska komponenta koja dozvoljava protok električne struje u jednom smeru bez otpora (ili uz veoma mali otpor) dok u suprotnom smeru predstavlja beskonačan (ili bar veoma veliki) otpor. Zato se za diodu kaže da postoji provodni i neprovodni smer. Može se smatrati da za proticanje struje u provodnom smeru dioda ima otpornost koliko i žica provodnika (nula), a za neprovodni smer se može posmatrati kao prekid provodnika (beskonačno). Poluprovodnički PN spoj sa metalnim priključcima predstavlja poluprovodnički element diodu. Priključak P oblasti se naziva anoda I obeležava se sa A, a priključak N oblasti se naziva katoda I obeležava se sa K. Na simbolu diode se odmah vidi u kojem smeru teče struja od anode ka katodi. Slika 4 simbol diode Snimanje karakteristika diode u direktnom smeru se obavlja pomoću kola na slici 5. Slika 5 šema za snimanje karakteristike diode u direktnom smeru
E je izvor jednosmernog napona (10V, a može biti i niži). Otpornik R štiti elemente kola od pregorevanja (1000 Ohm). Struja kroz diodu se meri miliampermetrom, a napon isključivo digitalnim voltmetrom. Menjanje napona se vrši pomoću potenciometra P. Slika 6 snimanje karakteristike diode u inverznom smeru Snimanje karakteristika u inverznom smeru se ne izvodi za silicijumske diode, jer je struja veoma mala. Kod germanijumskih dioda inverzna struja može biti znatna, do 1000 puta veća nego kod silicijumskih. Prag provođenja kod silicijumskih dioda je oko 0,6V, a kod germanijumskih oko 0,2V.
Slika 7 karakteristika diode
5. a Sastaviti šemu prema sledećoj slici. Pratiti na dvokanalnom osciloskopu signale sa generatora signala i na diodi. Ucrtati signale u oscilogram. Odrediti minimalnu vrednost napona sa generatora signala za koju dioda počinje da provodi. 100Ω
5.b Sastaviti šemu prema sledećoj slici. Pratiti na dvokanalnom osciloskopu signale sa generatora signala i između tačaka A i B. Ucrtati signale u oscilogram. Odrediti minimalnu vrednost napona sa generatora signala za koju Grecov spoj počinje da provodi. A B 100Ω