1. Złącze p-n
Złącze p-n to obszar półprzewodnika monokrystalicznego utworzony przez dwie graniczące ze sobą warstwy: typu p i typu n.
Budowa: W półprzewodniku typu p istnieją ujemne nieruchome ładunki zjonizowanych atomów domieszki akceptorowej oraz dodatnie ładunki ruchomych dziur - nośników większościowych. Jest tam jeszcze niewielka liczba elektronów - nośników mniejszościowych. W półprzewodniku typu n istnieją dodatnie nieruchome ładunki zjonizowanych atomów domieszki donorowej i ujemne ładunki ruchomych elektronów - nośników większościowych. Ponadto istnieje niewielka liczba dziur – nośników mniejszościowych.
Oba obszary „przed zetknięciem” zachowują obojętność elektryczną (w rzeczywistości nie można uzyskać złącza poprzez mechaniczne zetknięcie dwóch fragmentów przewodnika).
Po zetknięciu półprzewodników typu n i typu p, wskutek dużej koncentracji ruchomych nośników ładunku, następuje proces dyfuzji elektronów z materiału n do p (prąd Jnd) oraz dziur z materiału p do n (prąd Jpd). Powstają dwa strumienie prądu dyfuzyjnego w celu wyrównania koncentracji nośników ładunku.
Odpływ nośników powoduje powstanie po obu stronach złącza nieskompensowanej dipolowej warstwy ładunku wytwarzającej pole przeciwdziałające dalszej dyfuzji. Skutkiem jest powstanie pola unoszenia elektronów i dziur w kierunkach przeciwnych. Powstają dwa strumienie prądu unoszenia – dziur z obszaru n do p (prąd Jpu) i elektronów z obszaru p do n (prąd Jnu).
Dochodzi do równowagi dynamicznej: oraz . Skutkiem równowagi dynamicznej jest istnienie na złączu dipolowej warstwy ładunków tzw. warstwy zaporowej lub warstwy ładunku przestrzennego.
Napięcie wytworzone w obszarze granicznym to bariera potencjału lub napięcie dyfuzyjne UD. Dla złącza krzemowego UD = 0,7V, dla złącza germanowego UD = 0,3V.
Polaryzacja złącza p-n w kierunku zaporowym: ma miejsce, gdy zewnętrzne źródło napięcia jest połączone biegunem dodatnim z obszarem typu n, a biegunem ujemnym z obszarem typu p. W tym przypadku polaryzacja zewnętrzna jest zgodna z biegunowością napięcia dyfuzyjnego. Bariera potencjału złącza zwiększa się o wartość napięcia zewnętrznego. Maleją składowe dyfuzyjne prądu elektronowego i dziurowego, natomiast pozostają niezależne od napięcia składowe prądu unoszenia nośników mniejszościowych. Przy polaryzacji w kierunku zaporowym płynie prąd nośników mniejszościowych w dużym zakresie niezależny od przyłożonego napięcia – prąd nasycenia IS.
Polaryzacja złącza p-n w kierunku przewodzenia: ma miejsce wtedy, gdy źródło zewnętrzne jest połączone biegunem dodatnim z obszarem typu p półprzewodnika, a biegunem ujemnym z obszarem typu n. W tym przypadku polaryzacja zewnętrzna jest przeciwna w stosunku do biegunowości napięcia dyfuzyjnego. Bariera potencjału maleje o wartość napięcia zewnętrznego. Dominują składowe prądów dyfuzyjnych elektronów z obszaru p do n i ich wartość zwiększa się wraz ze wzrostem napięcia polaryzacji.
Charakterystyka prądowo-napięciowa złącza p-n:
Zależność prądu złącza od napięcia opisuje się funkcją wykładniczą:
, gdzie:
Is – prąd nasycenia złącza;
ϕT – potencjał termiczny elektronu
Przebicie złącza to zjawisko gwałtownego przyrostu prądu przy polaryzacji w kierunku zaporowym.
Przebicie Zenera występuje w złączach o cienkiej warstwie zaporowej. Przy polaryzacji złącza w kierunku zaporowym natężenie pola w cienkiej warstwie zaporowej osiąga takie wartości, że możliwe jest wyrwanie elektronów z wiązania kowalencyjnego atomów w sieci krystalicznej. Zjawisko Zenera charakteryzuje mała wartość napięcia przebicia (poniżej 5V).
Zjawisko lawinowej jonizacji zderzeniowej: Swobodny nośnik poruszając się ruchem przyspieszonym w polu elektrycznym może uzyskać energię kinetyczną wystarczającą do jonizacji zderzeniowej. Rozrywa on wtedy wiązania atomów w sieci i powstaje para nośników elektron-dziura. Te z kolei uzyskując wystarczającą energię kinetyczna kontynuują proces jonizacji. Występuje dla napięcia zaporowego większego od 7V.
Wpływ temperatury na charakterystykę napięciowo-prądową złącza p-n: W zakresie przewodzenia w miarę wzrostu temperatury napięcie na złączu maleje w tempie ok 2mV/ᵒC. W zakresie zaporowym ze wzrostem temperatury rośnie wartość prądu nasycenia złącza. Prąd zwiększa się dwukrotnie przy wzroście temperatury o ok. 10ᵒC.
Zmiany szerokości warstwy zaporowej przy zmianie napięcia polaryzacji złącza:
Szerokość warstwy zaporowej:. Przy polaryzacji w kierunku zaporowym warstwa zaporowa rozszerza się.
Zależność pojemności złącza Cj od napięcia: W złączu ładunek jest magazynowany w warstwie zaporowej tworząc pojemność złączową. Jest to pojemność kondensatora utworzonego z dipolowych warstw ładunków oddalonych od siebie na odległość równą szerokości warstwy zaporowej.
2. Diody
Diody prostownicze to diody przeznaczone do prostowania prądu przemiennego.
Zjawisko prostowania: przepuszczanie przez diodę prądu w jednym kierunku, gdy chwilowa polaryzacja diody jest w kierunku przewodzenia, i nieprzepuszczaniu prądu, gdy chwilowa polaryzacja diody jest zaporowa.
Podczas polaryzacji w kierunku przewodzenia na anodzie diody napięcie jest wyższe niż na katodzie. Kiedy polaryzacja przebiega w kierunku zaporowym na anodzie diody napięcie jest niższe niż na katodzie.
Charakterystyka prądowo-napięciowa diody prostowniczej:
UF(IO) – napięcie przewodzenia przy określonym prądzie przewodzenia
URWM – szczytowe napięcie wsteczne
IR(URWM) – prąd wsteczny przy szczytowym napięciu wstecznym
Moc admisyjna (rozproszona) diody:
Rth – rezystancja cieplna,
Tj – temperatura złącza,
Ta – temperatura otoczenia.
Ze względu na moc admisyjną diody dzieli się na:
- małej mocy Pa<1W
- średniej mocy 1W<Pa<10W
- dużej mocy Pa>10W
Typowym zastosowaniem diod prostowniczych są układy prostowników napięcia przemiennego.
Diody uniwersalne: to diody germanowe i krzemowe charakteryzujące się niewielkim zakresem napięć (do 100V) i prądów (do 100 mA) oraz częstotliwością pracy ograniczoną do kilkudziesięciu megaherców. Przeznaczone są głownie do stosowania w układach detekcyjnych i prostowniczych małej mocy.
Porównanie charakterystyk diody krzemowej i germanowej:
Diody germanowe mają niższe napięcie progowe niż diody krzemowe. W zakresie polaryzacji w kierunku przewodzenia charakterystyka diod germanowych jest zbliżona do charakterystyki diody idealnej. W zakresie polaryzacji w kierunku zaporowym dioda krzemowa ma mniejszy prąd nasycenia, przez co jest lepszym przybliżeniem diody idealnej.
Zastosowanie diod uniwersalnych: układy detekcji odbiorników, prostowanie sygnału bardzo małej mocy.
Diody Zenera: to diody półprzewodnikowe, których typowy obszar pracy znajduje się na odcinku charakterystyki prądowo-napięciowej, w którym następuje gwałtowny wzrost prądu przy polaryzacji zaporowej.
Charakterystyka prądowo-napięciowa diody Zenera i jej symbol graficzny:
Przy czym to maksymalna moc start określająca przebieg hiperboli admisyjnej.
Temperaturowy współczynnik napięcia Zenera:
Zależność współczynnika TKUZ dla diod o różnych napięciach Zenera:
Współczynnik przyjmuje wartości ujemne dla diod, w których gwałtowny wzrost prądu spowodowany jest zjawiskiem Zenera (UZ<5V); dodatnie dla diod, w których występuje zjawisko powielania lawinowego (UZ>7V); jest bliski zera, gdy oba zjawiska występują jednocześnie (UZ= 5-7V)
Rezystancja dynamiczna:
Zależność rezystancji dynamiczne od napięcia Zenera dla dwóch wartości prądu stabilizacji:
Minimum rezystancji dynamicznej w diodach w których wzrost prądu w zakresie przebicia następuje na skutek łącznego działania zjawiska powielania lawinowego i Zenera.
Diody Zenera przeznaczone są do stosowania w układach stabilizacji napięć, układach ograniczników lub jako źródło napięć referencyjnych (odniesienia).
Diody pojemnościowe: to diody, w których wykorzystuje się zjawisko zmian pojemności warstwy zaporowej złącza p-n pod wpływem polaryzacji w kierunku zaporowym.
Parametry:
- pojemność maksymalna – pojemność złącza Cj przy określonej częstotliwości i napięciu polaryzacji wstecznej UR=0
- stosunek pojemności Cj przy napięciu polaryzacji wstecznej UR=0 i UR=URmax
Diody pojemnościowe stosuje się do sterowania napięciowego częstotliwością rezonansowa obwodu elektrycznego. Szerokie zastosowania w radiotechnice np. w generatorach o regulowanej częstotliwości, nadajnikach z modulacja częstotliwości, układach automatycznego dostrojenia.
Diody tunelowe: to diody, których charakterystyka prądowo-napięciowa przy polaryzacji w kierunku przewodzenia ma odcinek o ujemnej rezystancji dynamicznej. Złącza p-n tych diod są silnie domieszkowane. Warstwa zaporowa jest bardzo cienka i natężenie pola elektrycznego jest bardzo duże.
Charakterystyka prądowo napięciowa diody tunelowej i charakterystyka trzech prądów składowych:
IZ – prąd Zenera
IE – prąd Esakiego
Id – prąd dyfuzji nośników większościowych
W stanie równowagi przy braku polaryzacji złącza prąd Zenera jest równy prądowi Esakiego, zaś przy polaryzacji zaporowej IZ jest większy od IE. Przy polaryzacji w kierunku przewodzenia IE w początkowym zakresie dominuje, osiągając największa wartość w punkcie wierzchołka (Ip, Up), a następnie maleje. Jednocześni rośnie Id – osiągany jest punkt doliny (Iv, Uv). Charakterystycznym parametrem diody tunelowej jest stosunek Ip/Iv.
Średnia rezystancja dynamiczna:
Zastosowania diody tunelowej: dzięki ujemnej rezystancji dynamicznej i małej bezwładności zjawisk tunelowych stosowana w generatorach pracujących w zakresie bardzo wysokich częstotliwości rzędu gigaherców.
Diody Schottky’ego: to diody, w których wykorzystuje się właściwości prostujące złącza metal-półprzewodnik. Odpowiednio dobrane materiał półprzewodnikowy i metal mogą utworzyć złącze o charakterystyce prądowo-napięciowej podobnej do charakterystyki złącza p-n.
Cechy charakterystyczne:
· mniejszy spadek napięcia w kierunku przewodzenia
· natychmiastowe odprowadzenie nośników wstrzykniętych z półprzewodnika do metalu – umożliwia to pracę diody w zakresie bardzo wielkich częstotliwości
Fotodiody to diody, których parametry elektryczne zależą od padającego promieniowania świetlnego. Umieszczane są w specjalnych obudowach z przezroczystym oknem.
Zastosowanie fotodiod: zasilanie wyposażenia elektrycznego urządzeń satelitarnych, ładowanie klasycznych baterii podczas sprzyjających warunków.
Charakterystyka prądowo-napięciowa fotodiody dla rożnych natężeń oświetlenia:
Praca fotodiody jako baterii słonecznej:
Schemat połączenia fotodioda-obciążenie:
Diody elektroluminescencyjne (LED) to diody emitujące promieniowanie świetlne, gdy przepływa przez nie prąd przewodzenia. W złączu spolaryzowanym w kierunku przewodzenia następuje proces rekombinacji elektronów i dziur z wydzieleniem pewnej porcji energii. W krzemie energia ta przekazywana jest sieci krystalicznej półprzewodnika nagrzewając kryształ. W innych półprzewodnikach wydziela się w postaci promieniowania świetlnego.
Natężenie promieniowania świetlnego zależy od wartości prądu przewodzenia. Już przy prądzie kilku mA widoczne jest wyraźne świecenie. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody LED ma kształt chara...
dzelei