6. PN SPOJ Kao što je već prije pokazano poluvodiči bilo čisti bilo dopirani, imaju istu vodljivost u oba smjera priključenog napona. koliko se određenim tehnološkim procesom dobije kombinacija poluvodiča P i N tipa tada se to naziva PN spoj ili PN dioda. Struja ja tada razmjerno velika u propusnom smjeru prema zanemarivo maloj struji u nepropusnom smjeru. Za ovakvo ponašanje diode odlučujuću ulogu ima prijelazni sloj koji se formira između P i N strane. Danas postoji više metoda i postupaka za formiranje PN spoja koje se dalje koriste u proizvodnji dioda, tranzistora i drugih poluvodičkih elemenata, bilo u diskretnoj tehnici ili tehnici integriranih krugova. Za dobru kvalitetu diode potrebno je dobro kontrolirati sadržaj primjesa u kristalu poluvodiča. Ovo se postiže pročišćavanjem poluvodiča do maksimalno moguće čistoće, te se onda kontrolirano dodaju primjese. Takva PN struktura prikazana je shematski slikom 143. akceptorski ion šupljina P tip prelazno područje spoj N tip Slika 143. Shematski prikaz PN spoja donorski ion elektron Na P strani spoja postoji visoka koncentracija slobodnih šupljina, a na N strani visoka koncentracija slobodnih elektrona, ako se spoj promatra pri normalnoj temperaturi (300 K). Tako pokretljivi večinski nosioci naboja difundiraju u svom slobodnom kretanju u materijal na suprotnoj strani spoja. Difuziona struja je tada kretanje nosilaca naboja iz područja visoke koncentracije u područje niže koncentracije. Ova struja različita je po prirodi nastanka od driftne struje nosilaca naboja koja nastaje kao posljedica električnog polja, pa se stoga ova struja još naziva i struja polja. Kao što je prije pokazano, difuziona struja je proporcionalna gradijentu koncentracije elektrona dn/dx odnosno I n = qd dn 0 n, gdje je D n difuziona konstanta za elektrone. dx Odgovarajući izraz za difuzionu struju šupljina je: I P = qd dp 0 P, gdje je D p difuziona dx konstanta za šupljine. Pokretljivost nositelja naboja, kao i difuznih nosilaca pojava je statističke prirode. Ove dvije pojave vezane su odnosom koji se izražava Einsteinovom jednadžbom: µ µ n p q = = 0 Dn D p kt 71
Nastanak difuzione struje stvara uvjete da PN spoj može imati ispravljačka svojstva. Zbog difuzije slobodnih šupljina iz područja P tipa i slobodnih elektrona iz područja N tipa preko spoja dolazi do stvaranja tzv. prijelaznog područja. Ono obuhvaća područje materijala u kojem se obavlja izrazita rekombinacija elektrona i šupljina, tako što u njemu nestaju slobodni nositelji naboja. Prijelazno područje se tada ponaša kao izolator. Difuzija slobodnih elektrona u P područje i šupljina u N područje traje sve dok akumulirana količina naboja u takvom PN spoju, koji je tada kondenzator kapaciteta C PN, postane dovoljna da zaustavi daljnje prelaženje elektrona i šupljina preko spoja. Kao što pokazuje slika 143 u području s jedne i druge strane spoja, prikazano je stanje poslije svršetka procesa difuzije i rekombinacije. Iz prijelaznog područja iscrpljene su sve šupljine na P strani i slobodni elektroni na N strani. Na P strani graničnog područja se zbog toga skupljaju negativni naboji, a pozitivni naboji na N strani tog područja. Ovi granični naboji su zapravo pozitivni i negativni ioni primjesa vezanih u kristalnoj rešatci i koji su nepokretni. Jednaki negativni i pozitivni naboji na maloj udaljenosti predstavljaju dipole, a područje koju zauzimaju dipoli naziva se dipolno područje. Ovo područje, pored naziva prijelazno, ima još naziv opustošeno područje, jer su u tom području ostali samo nepokretni ioni, odnosno opustošeni su pokretni nosioci naboja. Širina ovog područja je reda veličine 1 µm, kako je to prikazano slikom 144, a što je jako malo u odnosu na ukupnu duljinu kristala koja je oko 0,5 mm. a) raspodjela gusto}e naboja b) raspodjela potencijala V(x) c) raspodjela elektri~kog polja E(x) d) energetske razine u PN spoju Slika 144. PN spoj u stanju termičke ravnoteže 72
tom ravnotežnom stanju, slobodni elektroni na N strani, koji su izvan prijelaznog područja, ne mogu prijeći na P stranu zbog odbojnih sila negativnih iona s P strane. Napon difuzije PN, koji se stvara na krajevima prijelaznog područja, ima iznos PN =q/c PN, gdje je q količina naboja koja je protekla strujom difuzije, a C PN kapacitet prijelaznog područja. Jakost električnog polja u prijelaznom području vrlo je velika, jer se na dužini od 1 µm pojavljuje potencijal od 1V ( jakost električnog polja je tada 1 MV/m). To polje pokreće struju manjinskih nosilaca suprotno smjeru većinskih, što je driftna struja. Promjeni koncentracije nosilaca naboja u poluvodičima s obiju strana PN spoja odgovara pomak svih energetskih razina elektrona u tim poluvodičima i, prema tome, također Fermijevih razina (slika 140). Ravnoteža između djelovanja razlike koncentracija i djelovanja polja nastalog stvaranjem prostornih naboja, odnosno ravnoteža između difuzione i driftne struje, uspostavlja se kada su Fermineve razine s obje strane PN spoja jednake, a u tom ravnotežnom stanju driftna struja je jednaka difuzionoj, te je ukupna struja jednaka nuli. Kako bi elektron s N strane prešao na P stranu treba utrošiti energiju q 0 0, koja je jednaka radu koji se obavi na savladavanju sile qe na putu jednakom duljini prijelaznog područja od N do P strane. Potencijalna energija q 0 0, je razlika potencijalnih energija vodljivog pojasa N i P strane, gdje je 0 kontaktni potencijal, koji se još naziva i potencijal barijere B. Vrijednost napona je određena ravnotežom dva čimbenika: termičkom ionizaciom koja stvara parove manjinskih nosilaca (elektron-šupljina) na obje strane PN spoja i difuzijom većinskih nosilaca na spoju nasuprot potencijalne barijere, procesom koji ovisi o kinetičkoj energiji većinskih nosilaca, a koju oni dobivaju također uslijed termičkih djelovanja. Odnos kontaktnog i temperaturnog napona tada je jednak: K T pp nn = ln = ln ili p p n p N P p N K n T N = e =. n 6.1. Propusna polarizacija PN spoja P Ako se krajevi PN spoja priključe na vanjski napon tako da plus pol izvora dođe na P stranu, a minus na N stranu, PN spoj će se polarizirati u propusnom smjeru kako je to prikazano slikom 145. Zbog ovakove polarizacije, šupljine u P dijelu kreću se preko spoja prema N strani, a u prijelaznom području nastaje rekombinacija sa slobodnim elektronima koji ovdje dolaze iz N područja, kao posljedica priključenog napona na krajeve PN spoja. Potencijalna barijera na PN spoju se smanjuje zbog rekombinacije, jer se ioni u prijelaznom području vraćaju u neutralno stanje, tako što primaju pokretne naboje: pozitivni ioni elektrone, a negativni šupljine. slijed smanjenja potencijalne barijere cijeli PN spoj se sada ponaša skoro kao kratki spoj, a mjerenja pokazuju da je tada vodljivost manja od vodljivosti čistog poluvodiča. 73
a) shematski prikaz PN spoja u strujnom krugu, kada je širina prijelaznog područja zanemarivo mala Slika 145. PN spoj propusno polariziran Fermijeve razine se u oba tipa poluvodiča razmiču za iznos q 0, a barijera se suzila i smanjila za q 0 B, tako da sada ima puno elektrona s dovoljno energije, kojom mogu prijeći u P dio, a isto vrijedi kod šupljina za prelazak u N dio. Ako se zanemare otpori napon barijere se smanjuje od prvobitnog iznosa K za napon ili: B = K -. 6.2. Izvod I karakteristike PN spoja Ova analiza temelji se na proučavanju koncentracije šupljina u PN spoju, što jednako vrijedi i za elektrone. zme li se odnos: ( B K ) pn ( 0 ) T = T e = e iz kojeg slijedi: p P K K p ( ) T T N 0 = ppe e ili p N T = e, tako da je ( ) T T pn 0 = pne i pn = ppe. pp Gustoća struje pozitivnih čestica jednaka je gustoći difuzione struje za p čestice, dok je struja električnog spoja zanemariva, tako da je: I I q D dp q D p N p N( 0) P = DIF = P 0 p = 0 p, gdje je: dx L p b) Simbol PN diode i I karakteristika c) struja elektrona i struja šupljina L P - difuziona dužina, odnosno mjesto gdje koncentracija p P pada na nulu (za poluvodiče difuziona dužina obično iznosi nekoliko desetaka µm). Gornja jednadžba može se pisati i kao: K K 74
I I q D p N( 0) p P = DIF = P 0 p L p N, pa uvrštavanjem gornjih izraza dobivamo: q0dp I P = p N e T 1. L P Iz ovoga je vidljivo da struja pozitivnih čestica o priključenom naponu ovisi eksponencijalno. kupna struja tada je: D p I = Sq + L p DN L n e T 0 N P 1, gdje je S površina presjeka, pa ako se uzme da P N je: 2 p N n N =f(t), odnosno p N n N =f(t)=n i tako da je: 2 2 2 2 ni ni ni ni n p = = i pn = =, gdje su: pp N A nn N D N A - koncentracija akceptora i N D - koncentracija donora. Iz toga izlazi da je struja jednaka: D 2 p DN I = + Sq n e T 0 i 1 ili L N L N p D N A I = I S e T 1, gdje je: I S - struja zasićenja, koja teče pri negativnoj polarizaciji i proporcionalna je kvadratu koncentracije elektrona u čistom poluvodiču. Prikaže li se gornja jednadžba grafički dobiva se krivulja prikazana slikom 146. Slika 146. I karakteristika propusno polariziranog PN spoja Za germanij napon kod kojeg PN spoj počinje jače voditi je oko 0,2 do 0,3 V, a za silicij je on oko 0,7V. Za područja malih i srednjih napona I karakteristika PN spoja se može prikazati jednadžbom: 75
m T I = IS e 1, gdje je: I S - struja zasićenja, a m je faktor koji za silicij iznosi m=2, i T je temperaturni napon. Za pozitivne napone nekoliko puta veće od T izraz za struju može se pisati približno: m T I I S e. 6.3. Nepropusna polarizacija PN spoja Ako se na krajeve PN spoja priključi vanjski napon tako da minus pol izvora dođe na P stranu, a plus na N stranu, PN spoj će se polarizirati u nepropusnom ili inverznom smjeru kako je to prikazano slikom 147. Slika 147. PN spoj nepropusno polariziran a) shematski prikaz PN spoja u strujnom krugu, kada je širina prijelaznog područja zanemarivo mala b) Simbol PN diode i I karakteristika ovom smjeru PN spoj ima veliki prelazni otpor. Prijelazno područje nema slobodnih nosilaca, pa kao takvo ima veći otpor nego ostatak kristala na obje strane. P i N područje imaju male otpore, koji se ponašaju kao metali između priključaka i prijelaznog područja. Vanjski priključeni napon odvlači elektrone i šupljine iz spojnog i prijelaznog područja, koje se na taj način širi. Proširenje ionizacijskog pojasa dovodi do povećanja potencijalne barijere za vrijednost priključenog napona ili: B = K +. Time se otežava prijelaz većinskih nosilaca preko spoja, a uvjeti polarizacije u inverznom smjeru pogoduju protoku struje manjinskih nosilaca. Kako je N strana kristala pozitivna ona privlači elektrone s P strane, gdje su oni manjinski nosioci. P strana je osiromašena slobodnim elektronima, ali i elektroni koji nastaju termičkom ionizacijom ne doprinose svi struji, nego samo koji prijeđu u N područje, te samo oni 76
doprinose struji manjinskih nosioca. Ostali elektroni će se rekombinirati sa šupljinama koje su također nastale termičkom ionizacijom u P području. Promatra li se jednadžba struje za PN spoj u području negativnih napona izlazi da je: T I = I S e 1 I S, jer se eksponencijalni član izraza u zagradi može zanemariti, tako da tada teče samo inverzna struja zasićenja. Nacrta li se karakteristika PN spoja u području negativnih napona dobije se dijagram prikazan slikom 147 b. 2 Kao i kod propusne polrizacije vrijedi da je p N n N =f(t), odnosno p N n N =f(t)=n i ili: 2 2 i ni n n p = = pp N A Barijera se proširi na manje dopirani stranu za odnos N l D p =, pa se često dešava N A ln da je barijera u cijeloj nedopiranoj strani, Barijera ima kapacitet PN spoja koji se tada više ne odnosi na PN spoj nego za barijeru, a iznos kapaciteta barijere je jednak kapacitetu PN spoja. Kod nepropusne polarizacije taj se kapacitet smanjuje jer se povećava barijera, što ima efekt udaljavanja ploča kondenzatora. 6.4. Fermijeve razine PN spoja Položaj Fermijeve razine za tri različita slučaja (priključaka napona) prikazan je slikom 148. Kada na PN spoj nije priključen napon Fermijeva razina konstantna je i to tako da je niža od energetske razine vodljivog pojasa oba tipa poluvodiča, a veća od razine valentnog pojasa. Ako se PN spoj polarizira u propusnom smjeru, energetska barijera se smanjuje za q 0 S1, gdje je S1 vrijednost vanjskog napona na krajevima PN spoja. Fermijeva razina sada nije više na istoj vrijednosti u P i N strani, već je na N strani pomaknuta za iznos q 0 S1 u odnosu na razinu koju ima na P strani. slučaju inverzne polarizacije, energetska se barijera povećava za q 0 S2, gdje je S2 vanjski napon na krajevima PN spoja. Fermijeva razina tada se pomiče za q 0 S2 u odnosu na razinu koja je na P strani. Na toj slici također je prikazano i širenje PN barijere zbog priključka inverznog napona. 77
Slika 148. Položaji Fermijeve razine PN spoja slučaju daljnjeg povećanja inverznog napona dolazi do naglog povećanja struje koje se naziva proboj (slika 149). napon proboja 0 I Slika 149 Napon proboja PN spoja 78
Može se pokazati da postoje dvije vrste proboja: lavinski i tunelski. Lavinski proboj nastaje kod inverznih napona većih od 8V, a predstavlja struju elektrona koji nastaju kada jedan elektron izbacuje bar dva elektrona iz atoma poluvodiča, koji se tada ubrzavaju električnim poljem. Tako nastaju novi elektroni i stvara se kumulativni proces koji za posljedicu ima veliku promjenu struje uz malu promjenu napona. Tunelski ili Zenerov proboj nastaje također zbog kidanja kovalentnih veza, ali ne zbog sudara nosilaca i iona, već zbog jakog električnog polja u prijelaznom području PN spoja. Barijera je tanka, pa ako su obje strane jako dopirane, može se dogoditi da neki elektroni iz valentnog pojasa prođu kroz takvu barijeru ( tuneliraju se ). vjet da se elektron tunelira je da je barijera dovoljno tanka i da ima mjesto za takav elektron u vodljivom pojasu. Bitno je naglasiti da čestica prolaskom kroz barijeru ne mijenja svoju energiju. Tunelski proboj nastaje kod malih napona ako je širina barijere jednaka valnoj duljini elektrona, a prelazak elektrona izuzetno kratko traje i iznosi približno 10-15 s. Kod lavinskog proboj pri većoj temperaturi manji je put između dva sudara, pa se smanjuje vjerojatnost lavine, odnosno porastom temperature povećava se probojni napon. Kod tunelskog proboja, porastom temperature napon barijere se smanjuje, jer se smanjuje energija zabranjenog pojasa. 6.5. Spoj metala i poluvodiča Spoj poluvodiča i metala može pokazivati omska ili ispravljačka svojstva. slučaju kada spoj ima omska svojstva, on propušta struju jednako u oba smjera, a ispravljačka svojstva istovjetna su ponašanju PN spoja. N + metal N Slika 150. Spoj metala i polivodi~a. Takav spoj najčešće se izvodi tako da se spojno mjesto jače dopira, te on ima omska svojstva, pa se na primjer silicij dopira aluminijem ili bilo kojim dopirajućim materijalom koji odgovara aluminiju (slika 150). P + metal P 6.5. Tehnologija izrade PN spoja Kao što je prije spomenuto danas postoji više metoda i postupaka za formiranje PN spoja, gdje je za njegovu dobru kvalitetu potrebno strogo kontrolirati sadržaj primjesa u kristalu poluvodiča. Kao osnovni materijal uzima se silicij (Si) ili germanij (Ge). Germanij je ranije bio jako upotrebljavani materijal zbog niže točke tališta (950 C) od silicija (1400 C), ali zbog dozvoljene temperature spoja silicija koja iznosi oko 200 C, prikladniji je od 79
germanija kod kojeg je ona samo 100 C, a što je najvažnije slicij je jako raširen materijal. Tehnički silicij dobiva se reakcijim silicijevog dioskida, koji se u prirodi nalazi kao kvarc. lučnim pećima on se zagrijava na temperaturu iznad 1400 C, te nastaje kemijska reakcija: SiO 2 +2C Si+2CO Kada je poluvodič dovoljno čist, od njega se može izvući kristal pravilne strukture i s željenim sadržajem primjesa. PN spoj može se dobiti primjenom dva postupka: legiranjem ili difuzijom. Legiranjem se PN spoj dobivava tako što se na kristal N tipa stavi komadić indija u obliku male kuglice, i zagrijava tako, da se formira mala kapljica otopljene smjese, kako je to prikazano slikom 151. Hlađenjem, legura očvrsne u obliku poluvodiča P tipa, čija se kristalna struktura nastavlja na kristalnu strukturu pločice N tipa. Pažljivom kontrolom postupka legiranja može se dobiti PN spoj u kojem prijelazno područje može biti široko samo nekoliko atomskih promjera. Ovaj postupak pomalo se napušta zbog nemogućnosti kontrole difuzije P tipa u N tip poluvodiča. Slika 151. Postupci dobivanja PN spoja a) legiranjem i b) difuzijom Difuzionim postupkom moguće je poluvodički materijal pretvoriti iz jednog tipa u drugi ili određenom tipu dodati još istih primjesa i povećati mu njihovu koncentraciju. PN spoj se dobiva tako što se na površini silicija N tipa oformi tanak sloj SiO 2 zagrijavanjem u prisutnosti kisika. Tada se posebnim postupkom skida taj oksidni sloj, nakon što se maskira dio površine gdje taj sloj treba ostati (slika 151b). Nakon toga se zagrijani poluvodič (1000 C) izloži struji plina bora, ili neke druge trovalentne primjese, pri čemu će akceptorski atomi prodrijeti (difundirati) u kristal kroz odabranu površinu i tako oformiti PN spoj. Ovako dobiven PN spoj nije kvalitetan, jer je N dio slabo dopiran i tvori jednu otpornu zonu koja povećava specifični otpor. Za poboljšanje kvalitete PN spoja koristi se epitaksijalni postupak, tako što se na atom silicija veže jače dopirani silicij. Slika PN spoja s epitaksijalnim slojem prikazan je slikom 152. N + P Epitaksijalni sloj Slika 152. PN spoj s epitaksijalnim slojem 80
Za diode koje vode velike struje ne smije biti zakrivljenosti P sloja u N sloju, jer na tim područjima dolazi do koncentracija jakih struja, što dovodi do grijanja PN spoja. Takve su diode posebnog oblika koji se dobiju tzv. mesa postupkom (naziv potiče iz Arizone gdje indijanci takav oblik brda zovu mesa), prikazan je slikom 153. P N + Slika 153. PN spoj za velike struje Najstariji način korištenja poluvodiča bio je detektor koji je zapravo bio PN točkasti spoj, koji se satoji iz N tipa germanija na koji je pritisnit šiljak zlatne ili volframove žice, a prikazan je slikom 154. Slika 154. Točkasti PN spoj Propuštanjem struje kroz šiljak stvori se vrlo mali otok P tipa u N sloju, čime se dobije vrlo mala površina PN spoja što se vrlo uspješno koristi za ispravljačka svojstva u visokofrekvencijskoj tehnici. ZADATAK 1: Silicijev PN spoj ima skokovit prijelaz s p na n stranu, koncentracija donorskih primjesa na n strani iznosi N D =10 17. cm -3, a akceptorskih na p strani N A =2. 10 15 cm -3. Koliki je kontaktni potencijal PN spoja na temperaturama od 300K i 500K? Objasniti rezultat fizikalno. p op =N A p-tip n-tip N zlatna žica n on =N D barijera P n op =n i 2 /p op p on =n i 2 /n on Slika 155. PN spoj Kod nehomogeno dopiranog poluvodiča javlja se difuziona struja kao posljedica gibanja nosilaca s mjesta veće na mjesto manje koncentracije. koliko, dakle, postoji tendencija protjecanja difuzione struje, odmah se javlja električno polje koje drži 81
ravnotežu PN spoja. Drugim rječima, koncentracija koja bi htjela izazvati difuzionu struju odmah stvara polje koje bi izazvalo driftnu struju u suprotnom smjeru. Električno polje nazivamo ugrađeno električno polje, koje za posljedicu ima razliku potencijala koji nazivamo kontaktni potencijal. Formula za kontaktni potencijal glasi: k = T. ln(n on p op /n i 2 ) gdje je: n on -ravnotežna koncentracija elektrona na n strani, a p op -ravnotežna koncentracija šupljina na p strani. Obzirom da je N D,N A >>n i slijedi: n on =N D i p op =N A k = T. ln(n D N A /n i 2 ) T=300K n i =1.45. 10 10 cm -3 k =0.713V T=350K n i =5.13. 10 11 cm -3 k =0.617V E Fp p-tip k n-tip k =(E Fn -E Fp )/q 0 Slika 156. Kontaktni potencijal Sa porastom temperature poluvodič teži intrinsičnom, odnosno Fermijeva razina teži prema sredini zabranjenog pojasa što uzrokuje smanjenje kontaktnog potencijala. ZADATAK 2: Silicijev skokovit PN spoj površine S=1mm 2, ima koncentraciju primjesa N A =10 17 cm - 3 na p strani i N D =10 15 cm -3 na n strani. Odredite ukupne širine barijera na pojedinim stranama, barijerni kapacitet za priključen vanjski napon =+0.5V, =0V, =-5V,temperatura T=300K. Kontaktom poluvodiča p i n tipa nastaje sloj prostornog naboja odnosno barijera. Barijeru čine nekompenzirani donorski i akceptorski ioni gdje ne postoje naboji slobodnih nosilaca. Barijera dakle predstavlja dielektrik pločastog kondenzatora za koji se definira barijerni kapacitet C B =ε 0 ε r S/d B ( TOT ) gdje je d B ( TOT ) debljina barijere koja ovisi o ukupnom naponu na barijeri. koliko ne postoji priključen vanjski napon na barijeri vlada kontaktni potencijal. Ovisno o polaritetu vanjskog napona koji se definira u odnosu na p stranu barijera se širi ili skuplja. 2εεr NA ND d B = 0 + TOT q NAND k =. T ln(n D N A /n 2 i )=0.695V E Fn a) =0 TOT = k -= k =0.695V d B =0.965µm Iz razloga što u barijeri nema slobodnih nosilaca, samo ionizirane primjese, vrijedi da je površinska koncentracija donora i akceptora jednaka. X n N D =X p N A X n +X p =d B gdje je X n širina barijere na n strani, a X p širina barijere na p strani. X n =d. B N A /(N A +N D )=0.955µm X p =d. B N D /(N A +N D )=9.55nm 82
X p ρ(x) ρ(x)=qn D ρ(x)=qn A X n Slika 157. Barijera u PN spoju Sa slike 157 vidljivo je da se barijera više širi na manje dopiranu stranu. C B =ε 0 ε r S/d B =110pF b) =+0.5V TOT = k -=0.195V d B =0.511µm X n =0.506µm X p =5.06nm C B =208pF c) =-5V TOT = k -=5.695V d B =2.76µm X n =2.73µm X p =27.3nm C B =38.5pF 6.6. Vrste dioda i njihova svojstva Poluvodičke diode su elektronički elementi s dvije elektrode, a imaju nelinearnu I karakteristiku. Izrađuju se iz poluvodiča temeljem PN spoja s različitim značajkama. Primjenjuju se prvenstveno za ispravljanje izmjenične struje, ali imaju još niz namjena (stabilizacija i ograničenje napona, uklapanje strujnih krugova, miješanje visokofrekvencijskih signala i dr.). 6.6.1. Signalno ispravljačka dioda Svojom I karakteristikom dioda utječe na oblik signala, a zbog svoje nelinearnosti on će biti izobličen. Proizvode se razni oblici dioda s različitim I karakteristikama, gdje su najbitnije značajke dioda: maksimalna disipirana snaga na diodi, maksimalna struja, zaporni napon i napon vođenja. Za svaki tip diode proizvođači daju adekvatne karakteristike s grafički izraženim vrijednostima. Primjer ovisnosti snage o temperaturi ambijenta ili okoline za silicijsku diodu pokazana je slikom 158. P(W) 20 190 T( C) Slika 158. Temperaturna ovisnost snage diode Ispravljačke diode služe za poluvalno ispravljanje izmjeničnog napona, a korištenjem četiri diode (Greatzov ispravljač) dobiva se punovalno ispravljanje. 83
6.6.2. Referentna, probojna ili Zenerova dioda To je silicijska dioda s površinskim PN spojem čije je normalno područje rada u režimu proboja. njoj se iskorištava svojstvo PN spoja da pri lavinskom ili Zenerovom proboju (koji nije destruktivan) zadržava konstantan probojni napon skoro neovisan o struji kroz diodu (slika 159). Slika 159. I karakteristika Zener Diode Vrijednost se probojnog napona osim toga vrlo malo mijenja s promjenom temperature tako da se pomoću takovih dioda može stabilizirati napon ili dobiti izvor struje referentnoga konstantnoga napona. Ona je određena koncentracijom primjesa na slabije vodljivoj strani barijere što omogućuje izradu dioda s različitim probojnim naponima od nekoliko volti do više stotina volti. Za stabilizaciju napona najčešće se primjenjuju samo diode s manjim probojnim naponima (< 30 V), a nominalne snage koje se na takvim diodama smiju disipirati ovise o tipu diode, te imaju vrlo širok raspon snaga od 400mW do 50W (ovisno o obliku i termičkim svojstvima kučišta). 6.6.3. Tunel dioda Poznata je pod nazivom Esakijeva dioda prema Japanskom fizičaru L.Esaki koji ju je prvi teoretski obradio i praktički dobio. Njezina osnovna značajka je što ima vrlo tanki PN spoj izrađen od jako dopiranih poluvodiča (> 10 18 cm -3 ). I karakteristika tunel diode prikazana je slikom 160, a može se objasniti pomoću energetskih razina prikazanih slikom 161. (1)-tunelska struja (2)-difuziona struja (3)-ukupna struja Slika 160. I karakteristika tunel diode 84
Slika 161. Energetske razine tunel diode Zbog velike koncentracije primjesa nema izoliranih donorskih i akceptorskih razina kao kod obične diode, već umjesto njih nastaje donorsko energetsko područje (D) u N dijelu i akceptorsko energetsko područje (A) u P dijelu. Za male napone u propusnom smjeru energetske razine na N strani pomiču se u odnosu na P stranu za iznos q 0 A (ev A na slici161b), tako što se pune donorske razine (D) nađu nasuprot praznim akceptorskim razinama (A) s vrlo tankim prelaznim područjem između njih. ovakvim energetskim uvjetima difuziona struja je zanemariva, ali energetski uvjeti i vrlo tanko prelazno područje omogućuju elektronima s N strane prodor ( tuneliraju se ) kroz prelazno područje prema P strani dovodeći time do protoka tunelske struje koja iznosi nekoliko ma. Porastom napona u propusnom smjeru iznad vrijednosti B 0.05V, tunelska struja opada i pri vrijednostima napona od nekoliko stotina mv tunelska struja je zanemarivo mala u odnosu na difuzionu struju. Oblik rezultirajuće karkteristike ukazuje na negativan dinamički otpor diode u području P i D što omogućuje njenu primjenu u oscilatorskim sklopovima, a osim toga može se primjeniti kao bistabilni element u memorijskim sustavima 6.6.4. Varikap dioda Inverzno polariziran spoj predstavlja izolator, ali u isto vrijeme on se ponaša kao i kondenzator čiji se kapacitet mijenja promjenom napona na njegovim krajevima, tako da su to diode varijabilnog kapaciteta. 85
kapacitet C napon () Slika 162. Promjena kapaciteta varikap diode u ovisnosti o naponu Ovdje je bitno naglasiti kako varijabilni kapacitet ovisi o naponu nepropusne polarizacije (slika 162). 6.6.5. PIN dioda PIN dioda se sastoji od dobro vodljivih područja P i N između kojih je slabo vodljivo područje I (intrinsično). Takva se dioda pimjenjuje pri visokom frekvencijama i u tom području predstavlja pri nepropusnoj polarizaciji visoku impedanciju, barijera se širi kroz cijelo područje I (slika 163) koja postaje izolator, te PIN dioda djeluje sada kao kondenzator s vrlo malim gubicima. Kapacitet kondenzatora neovisan je o naponu na diodi jer su promjene širine barijere u P i N području relativno male u odnosu prema širini intrinsičnog područja I. 6.6.6. Prekidačke (switch,impulsne) diode R P I N Slika 163. PIN dioda I I F -I RS -I R t 0 t s t d t Slika 164. Impulsna svojstva PN spoja Kada je dioda polarizirana propusno kroz diodu teče struja I F, a uz barijeru je koncentracija manjinskih nosilaca veća od ravnotežne koncentracije. Prebacivanjem sklopke u drugi položaj u trenutku t 0 (čime je shematski prikazan dolazak negativnog impulsa), na diodu dolazi nepropusni polaritet. Nagomilani naboj manjinskih nosilaca ne može istog trenutka nestati, pa struja kroz diodu u trenutku promjene napona 86
promijeni smjer, ali još uvijek znatnog iznosa I R (slika 164) i ostaje stalna sve dok koncentracija nosilaca uz barijeru ne padne na vrijednost određenu priključenim naponom. Tek tada struja počinje eksponencijalno opadati prema svojoj stacionarnoj vrijednosti I RS (nakon vremena t s, koju dosegne nakon vremena t d. Za diode koje trebaju biti brze sklopke vrijeme t s +t d (vrijeme oporavka diode) mora biti kratko (od 1µs do 1ns). 6.6.7. LED diode Prilikom kidanja kovalentnih veza nastaju parovi elektron-šupljina, te kao što se za kidanje kovalentnih veza troši energija, isto tako se prilikom rekombinacije elektrona sa šupljinom oslobađa energija. Ova oslobođena energija odlazi na zagrijavanje kristala, ali kod nekih poluvodičkih materijala oslobođena energija prilikom rekombinacije, javlja se u obliku zračenja, odnosno nastaje foton svjetlosti čija frekvencija (boja) ovisi o energetskom razmaku između valentnog i vodljivog pojasa materijala PN spoja. Za diodu od galij-arsenida (GaAs) ovaj razmak iznosi 1,5 ev, a emitirana svjetlost je infra crvene boje, koja je za oko nevidljiva. Dioda od galij-fosfida (GaP) daje zelenu ili crvenu boju, a dioda od galij-arsenid-fosfora (GaAsP) daje crvenu ili žutu boju. Poprečni presjek tipične LED diode prikazan je slikom 165, kao i geometrija 7 segmentnog numeričkog pokazivača. Slika 165. Struktura i tipična izvedba LED diode 6.6.8. Poluvodička fotodioda Poluvodička fotodioda je PN spoj kome je P strana napravljena tako da kroz nju može proći svijetlost. koliko se dioda nepropusno polarizira ona se ponaša kao izolator ako nije osvijetljena, međutim ukoliko postoji svjetlosni tok ona postaje vodljiva iz razloga što se kidaju kovalentne veze unutar prijelaznog područja. Energija za kidanje kovalentne veze nastaje transformacijom energije koju predaju fotoni. Skup I karakteristika fotodiode prikazana je slikom 158, gdje je krivulja Φ 0 snimljena za slučaj kada dioda nije osvijetljena. Što je veći intenzitet svijetlosti koji pada na diodu sve je veća struja diode jer je sve više pokidanih kovalentnih veza. Prema tome vodljivost fotodiode polarizirane u nepropusnom smjeru ovisi o osvijetljenosti. 87
Slika 166. I karakteristike fotodiode u ovisnosti o svjetlosnom toku 6.6.9. PN spoj kao sunčana ćelija Ako se inverzni napon ugasi na fotodiodi, manjinski nosioci će i dalje prelaziti preko spoja sve dok je dioda osvjetljena. Manjinski nosioci teku i time teže smanjiti potencijalnu barijeru koju difuzijom stvaraju većinski nosioci PN spoja. Da bi se struja smanjila na nulu treba na krajeve diode u propusnom smjeru spojiti napon iznosa oko 0.5V (Slika 166). Ovo znači da se fotodioda ponaša kao izvor, jer se na njenim krajevima može izmjeriti napon, pozitivan na P strani, a negativan na N strani. Na taj način fotodioda se može promatrati kao fotovodljivi element i kao fotonaponski element. Kada fotodioda radi pri inverznom naponu ona je fotovodljivi element, a bez inverznog napona kao generator napona. Sunčana ćelija ili pretvarač sunčeve energije u električnu je fotodioda projektirana za rad kao fotonaponski element odnosno tako da može dati što više izlazne snage (slika 167). Slika 167. Sunčeva ćelija 88
ZADATAK 1: Dvije PN diode spojene su prema slici 168, ako su naponi na diodama 1 =0.6V, 2 =0.7V, a I s1 =2. 10-14 A (reverzna struja zasićenja diode D 1 ) odrediti dinamičke i statičke otpore obije diode. T=300K D 1 D 2 I Slika 168. Dioda je elektronička komponenta koja ima nelinearnu karakteristiku koja se može dobro opisati u statičkim uvjetima rada Shocklijevom diodnom D mt jednadžbom: ID = IS e 1 gdje je: I D -struja kroz diodu D -napon na diodi I S -reverzna struja zasićenja T -naponski ekvivalent temperature m-koeficijent ovisan o iznosu struje kroz diodu, kod silicijevih PN dioda kod malih i velikih struja m=2, a kod srednjih m=1 Obzirom da su diode spojene u seriju vrijedi I 1 =I 2 =I T =300/11605=25 mv I=I S1 (exp( 1 / T )-1)=2. 10-14. exp(0.6/(25. 10-3 )-1)=0.24mA režimu malih signala (izmjenična komponenta ne utječe na položaj radne točke) mreže koje sadrže nelinearne elemente analiziraju se koristeći princip superpozicije. Nelinearni krug može se razdvojiti na dva strujna kruga, jedan koji uključuje samo istosmjerne komponente, te određuje radnu točku, drugi koji uključuje samo izmjenične veličine gdje nelinerni element (u našem primjeru dioda) predstavlja otpor koji zovemo dinamički otpor. R S1 = 1 /I=0.6/0.24. 10-3 =2.5kΩ -statički otpor diode D 1 R S2 = 2 /I=0.7/0.24. 10-3 =2.92kΩ -statički otpor diode D 2 Dinamički otpor se dobiva kao parcijalna derivacija napona na diodi po struji: g d =di/d -dinamička vodljivost r d =1/g d -dinamički otpor g d =I S exp( 1 / T ). 1/ T =(I+I S )/ T r d = T /(I+I S ) našem slučaju I 1 =I 2 =I r d1 =r d2 =r d = T /I=25. 10-3 /0.24. 10-3 =108Ω ZADATAK 2: Diode prema slici 169 D 1,D 2,D 3,D 4 imaju reverzne struje I S1 =5nA, I S2 =I S4 =10nA i I S3 =20nA. Na kojoj je diodi najveći napon po apsolutnom iznosu. Temperatura T=300K. 89
+ 1 - - 2 + - 3 + + 4 - D 1 D 2 D 3 D 4 I 1 I 2 I 3 I 4 I D 2 D 3 I(nA) Slika 169. =5V Slika 170. Strujno naponska karakteristika dioda Karakteristika diode prema slici 170 u reverznom području prikazana je u uvećanom mjerilu. z polaritet napona prema slici diode D 1 i D 4 su propusno polarizirane, dok su diode D 2 i D 3 nepropusno polarizirane, te one određuju struju u krugu obzirom da su sve diode spojene serijski. Budu}i da je I S2 <I S3 dioda D 2 ograničava struju u krugu. I=10nA=I S2 =. T ln(i/i S +1) 1 =25. 10-3. ln(10/5+1)=28.2mv 4 =25. 10-3. ln(10/10+1)=17.8mv I 3 =-10nA (suprotnog smjera-reverzna) 3 =25. 10-3. ln(-10/20+1)=-17.8mv 2 =-+ 1 + 4-3 =-4.93V I s2 I s3 D 4 D 1 ZADATAK 3: Za mrežu prema slici 171 odredite napon na otporniku R. Zadano je: cc =1.5V =20mV. sinωt R i =10Ω R 1 =90Ω R=200Ω. Kondenzator ima zanemariv otpor na frekvenciji signala izmjeničnog izvora. 90
cc R i C R 1 u R Slika 171. Kao što je napomenuto mreže s nelinearnim komponentama se rješavaju metodom superpozicije što je grafički prikazano na slici 172. a) statička analiza cc u D = DQ + u d i D = I DQ =I S (exp( DQ /(m T ))-1) + i d =u d /r d Slika 172. Analiza rada nelinearne komponente u režimu malih signala na primjeru pn diode R i r d =m T /(I DQ +I S ) D R 1 I Slika 173. Strujni krug za analizu statičkih uvjeta praksi je redovito dostupna I karakteristika nelinearne komponente, dobivena mjerenjem i prikazana grafički. tom slučaju u isti koordinatni sustav treba ucrtati statički radni pravac i I karakteristiku. Prema slici 173 dobiva se jednadžba statičkog radnog pravca: cc =I. R i + D +I. R 1 91
i D cc /(R+R 1 ) 1 I DQ Q 2 Slika 174. Točka presjeka označena sa Q zove se radna točka, budući da su veličine DQ i I DQ istosmjerne komponente, radna točka se još zove i statička radna točka. našem primjeru statički pravac glasi: 1.5=100. I D + D 0.75 1.5 Slika 175. Određivanje radne točke b) dinamička analiza Kada je poznata statička radna točka moguće je odrediti dinamički otpor diode r d. Krug na slici 176 uključuje samo izmjenične veličine u d i i d, pri čemu je dioda zamjenjena otpornikom. I DQ =7.5mA r d = T /I DQ =25. 10-3 /7.5. 10-3 =3.3Ω 15 7.5 i D (ma) R i DQ Q cc r d u D (V) u D R 1 R u i d Slika 176. Strujni krug za analizu dinamičkih uvjeta rada 92
Za krug prema slici 176 dobiva se: i d =/(R i +r d +R P ) gdje je R P =R 1 R/(R 1 +R) u=i d R P R P =90. 200/(90+200)=62Ω i d =20. 10-3 /(10+3.3+62)=2.656. 10-4 A u=2.656. 10-4. 62=16.47. 10-3 V=16.47mV i d Slika 177. našem slučaju u krugu postoji reaktivna komponeta (kondenzator C) te se pravac u dinamičkim uvjetima razlikuje od statičkog. Dinamički pravac prolazi kroz statičku radnu točku, ali je nagib različit od nagiba statičkog radnog pravca jer je otpor što ga osjeća nelinearni element različit od otpora u statičkim uvjetima. Nagib pravca dobiva se kao parcijalna derivacija struje po naponu: tg(α)=di d /du d gdje je α kut {to pravac zatvara s osi x Statički pravac tg(α 1 )=-1/(R i +R 1 ) Dinamički tg(α 2 )=-1/(R i +R P ) Iz rezultata statičke i dinamičke analize dobivamo napon na otporniku R koji glasi u=16.47. sinωt (mv). Vlada samo izmjenični napon, zbog toga što istosmjernu komponentu blokira kondenzator C. ZADATAK 4: sklopu stabilizatora s Zenerovom diodom potrošač R je promjenjivog iznosa pri čemu vrijedi R>=0.5kΩ. Probojni napon Zenerove diode Z =20V uz I Z >=5mA. Dimenzionirajte otpornik R i uz koji će stabilizator pravilno raditi. Zadano je cc =25V, maksimalna disipacija diode P Zmax =2W cc I S I DQ R i I Z DQ Q z I P -dinamički radni pravac -statički radni pravac u d R Slika 178. Da bi stabilizator ispravno radio struja kroz diodu mora biti u određenim granicama (I zmin do I zmax ), te je tada napon na diodi Z. 93
Prema slici 178 vrijedi: I S =I Z +I P Mora vrijediti: I Smin =I Zmin +I Pmax I Smax =I Zmax +I Pmin I Smin =( cc - Z )/R imax I Pmax = Z /R min I Pmax =20/500=0.04A I Zmin =5. 10-3 A R imax =( cc - Z )/I smin =(25-20)/(0.04+0.005)=111Ω P zmax =I Zmax. Z I Zmax =2/20=0.1A I pmin =0 (odspojen potrošač) I smax =( cc - Z )/R imin R imin =( cc - Z )/I smax =(25-20)/0.1=50Ω Za pravilan rad diode treba uzeti otpornik R i otpora 50 do 111Ω. 94