A flvezet dida PN tmenet kivitele A pn

A félvezető dióda

PN átmenet kivitele • A pn átmenet: Olyan egykristályos félvezető tartomány, amelyben egymással érintkezik egy p és egy n típusú övezet • Egy pn átmenetből álló eszköz a dióda (B, Al, Ga, In) Pl. Dióda megvalósítás (P, ·Az ábra torzított, a keresztmetszeti méretek általában sokkal kisebbek mint az oldalirányúak ·Planáris szerkezet Kiindulás: Si egykristály „szelet”, majd: oxidálás, ablaknyitás, n diffúzió, fémezés, darabolás, felforrasztás, tokozás As, Sb) A=anód, K=katód

PN átmenet, félvezető dióda • A p típusú hordozóba (substrate) diffúzióval juttatják be az n típusú adalékot • A létrejövő adalékeloszlás, az un adalékprofil · A tulajdonképpeni pn átmenet ott van, ahol ND=NA. Ez a metallurgiai átmenet (ahol az anyag úgy viselkedik, mintha intrinsic lenne). · Ugrásszerű (abrupt) sűrűségváltást tekintünk, ezt könnyebb számolni Adaléksűrűség a mélység függvényében A „kompenzált” félvezető Donor-akceptor: nettó adalékolás

Vizsgálati módszerünk 1. Egydimenziós vizsgálat, „kihasított hasáb” 2. Homogén adalékolás, „abrupt” profil 3. Egyik oldal erősebben adalékolt (legyen ez az n oldal) Nd >> Na

A pn átmenet töltésviszonyai (P, As, Sb) (B, Al, Ga, In) Mindkét oldal többségi hordozói diffúzióval áramolnak a túloldal felé. A mozgóképes töltések diffúziója után helyhez kötött, ellensúlyozatlan töltések maradnak az átmenet két oldalán. Ezért megszűnik a semlegesség Így elektromos erőtér jön létre A kialakult elektromos erőtér hatására a pn átmeneten egyensúlyban létrejön egy beépített feszültség (diffúziós potenciál)

A pn átmenet töltésviszonyai (B, Al, Ga, In) (P, As, Sb) Anionok Kationok (negatív töltésű ionok) (pozitív töltésű ionok) · A többségi töltéshordozók az átmenet környezetében átdiffundálnak a túloldalra töltéshordozóktól kiürített réteg v. tértöltésréteg jön létre az átmenetnél ·Egyensúly: A többségi töltéshordozók diffúziós árama egyensúlyban van a kisebbségi töltéshordozók sodródási áramával, I=0

A pn átmenet töltésviszonyai A töltésegyensúlyból: (P, As, Sb) (B, Al, Ga, In) · A kiürített réteg annál keskenyebb, minél nagyobb az adaléksűrűség az adott tartományban A valóságban általában több nagyságrend különbség van a két oldal adaléksűrűsége között a kiürített réteg az átmenetnek főként az egyik oldalára terjed ki

Az ideális pn átmenet (dióda) jelleggörbe egyenlete Ez az ideális dióda egyenlet, vagy Schottky egyenlet, ahol • Io a pn átmenet telítési (saturation) vagy záróáram állandója, csak anyagállandóktól és az adaléksűrűségektől függ, a kisebbségi töltéshordozó-sűrűséggel arányos Io 10 -14 A - 10 -15 A • UT=k. T/q=26 m. V, a termikus feszültség szobahőmérsékleten, • k=8, 62 x 10 -5 e. V/K, a Boltzmann állandó • T a hőmérséklet Kelvinben • q=1, 602 x 10 -19 Coulomb az elektron töltése előjel nélkül

Ideális dióda-jelleggörbe számítása PÉLDA Kérdés: Egy Si dióda telítési árama I 0=0, 1 p. A. Mekkora a nyitófeszültség, ha az áram 10 m. A? Megoldás: Mennyivel kell a nyitó feszültséget növelni ahhoz, hogy a nyitó áram tízszeres legyen?

A dióda legfőbb tulajdonságai · Pozitív feszültségekre (p típusú anyag pozitívabb potenciálon, nyitófeszültség), a szerkezeten a feszültségtől exponenciálisan függő áram folyik · Negatív feszültségekre (p oldal negatívabb, zárófeszültség) a szerkezeten nagyon kis, gyakorlatilag feszültség-független áram · A szokásos nyitófeszültség értéke: UF 0, 7 V Karakterisztikája: I(U) Egyenirányít! I Záró (reverse) tartomány I ~ 10 -12 A/mm 2 (Si, T=300 K) Nyitó (forward) tartomány I ~ exp(U/UT) U UF 0, 7 V

A dióda jelleggörbe egyszerűsített alakjai Az ideális kapcsoló: Törtvonalas közelítésű jelleggörbe ID [m. A] A dióda valóságos és törtvonalas közelítésű jelleggörbéje: UBD UD [V] UF 0, 7 V Letörési szakasz

Valóságos (nem ideális) dióda jelleggörbe Az alábbi másodlagos jelenségek (hatások) módosítják a dióda jelleggörbéjét: • Kis áramoknál a tértöltésrétegben kialakuló áramok, amit az ideális jelleggörbe-egyenlet számításánál nem vettünk figyelembe – Nyitó tartományban: rekombinációs áram – Záró tartományban: generációs áram • Nagy áramoknál: – Nyitó tartományban: soros ellenállás – Záró tartományban: letörés

Valóságos dióda karakterisztika A soros ellenállás • A félvezető rétegek ohmos ellenállása nagy áramoknál jelentős Megoldás pl. : epitaxiális szerkezet

Valóságos dióda karakterisztika Rekombinációs áram • Nyitóirányban a tértöltésrétegben a töltéshordozó injekció hatására megnő a töltéshordozó sűrűség – Ez megnöveli a rekombinációt – Azaz a valóságban ez is áramnövekedésként jelentkezik • Ennek, és egyéb másodlagos jelenségeknek a figyelembe vételével ahol n 2

Valóságos dióda karakterisztika A generációs áram • Zárófeszültségek esetén a tértöltésrétegben az egyensúlyinál kisebb sűrűség miatt megnő a párkeltés (generáció) • Ez többlet töltéshordozó áramot (un. generációs áram) eredményez. – Szokásos értéke: IR 10 -9 A -10 -10 A – ni miatt erősen hőmérséklet függő

Valóságos dióda karakterisztika Letörés • Egy adott kritikus zárófeszültségnél, az un. VBR letörési feszültségnél a dióda záróárama hirtelen megnő és viszonylag nagy áramok folynak a diódán nagyon kis további feszültségemelkedéssel • Hatására a záróáram megsokszorozódik • Ha kívülről korlátozzuk az átfolyó áramot, akkor a letörésben való működés nem teszi tönkre a diódát • A letörés okai: – Zener átütés (alagúthatás) – Lavina sokszorozódás (ütközési ionizáció)

A Zener letörés Fizikai ok: az alagúthatás A Zener dióda A Zener letörésen alapul

A Zener letörés felhasználása A Zener dióda áramköri alkalmazása: • Feszültség referencia • Feszültség szabályozás (stabilizálás, kis fogyasztásnál)

A dióda munkapontja • A dióda karakterisztika egyenlete a dióda működése során lehetséges, összetartozó áram és feszültségértékeket adja meg • A tényleges működés során a dióda, ill. tetszőleges nemlineáris karakterisztikájú elem a karakterisztika egy pontjában, az un. munkapontban (operating point, quiescent point) működik • Ezt a pontot az áramkörben a vizsgált nemlineáris elemet körülvevő elemek határozzák meg

A dióda munkapontja • Az áramkörre felírt huroktörvényből • egyenes, az un. munkaegyenes egyenlete adódik – ez tulajdonképpen az áramkörben a diódán kívül előforduló elem „karakterisztikája” a dióda feszültségének függvényében • Az áramkörben kialakuló munkapontot a két függvény metszéspontja adja

Eszközmodellek A félvezető eszközökre kétféle modellt használunk: • Nagyjelű modell • Az egyenáramú viselkedést, a munkaponti jellemzőket modellezi • Nemlineáris (általában) – Egy jelleggörbével, vagy az azt leíró egyenlettel adható meg • Kisjelű modell • A váltakozó áramú viselkedést modellezi • Adott munkapontban a munkapont körüli kis megváltozások esetét írja le • Munkapontfüggő, különböző munkapontokban eltérő egy eszköz kisjelű modellje • Lineáris – A munkapontban a jelleggörbét érintővel helyettesíti

A dióda kisjelű működése Az rd differenciális ellenállás munkapontfüggő!

A dióda differenciális ellenállása Nyitó tartomány, I >> I 0 : Ha a soros ellenállással is számolunk:

A dióda differenciális ellenállása PÉLDA Egy dióda soros ellenállása 2 ohm Számítsuk ki a differenciális ellen-állását az I=1 m. A, 100 m. A munkapontokban!

A dióda kapacitásai Minden pn átmenethez két kapacitás értéket rendelhetünk • A kiürített réteg egy síkkapacitás A kiürített réteg által képviselt síkkondenzátor kapacitása a CT tértöltéskapacitás (más néven diódakapacitás) • Az injektált kisebbségi töltéshordozók által képviselt Q töltés felépítéséhez időre van szükség kapacitív hatás Az injektált kisebbségi töltéshordozók által képviselt diffúziós töltés létrehozásának időigénye kis frekvenciákon a CD diffúziós (más néven tárolási) kapacitással modellezhető Tértöltéskapacitás (CT) Diffúziós kapacitás (CD) a záró tartományban uralkodó csak a nyitó tartományban alakul ki

A diódák gyakorlati kivitele Nagyáramú Kisáramú

Fénykibocsátó dióda (LED) • Light-Emitting Diodes • Villamos áram hatására fényt bocsát ki • A különféle összetételű vegyület félvezetők eltérő fényű LED-eket eredményeznek • Egyedül is és szelvénybe rendezetten is használják, ez utóbbira példa a képen látható hét-szelvényes (sevensegment) kijelző

Diódák elektronikai alkalmazásai Nagyon sokrétű, elsődlegesen analóg áramkörökben használják Néhány példa: · Egyenirányítás · Feszültség szabályozás/stabilizálás (pl. : Zener dióda) · Hőmérséklet mérés · Fénykibocsátás (LED-ek)