A félvezető diódaA félvezető dióda

PN átmenet kivitelePN 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 diódaPl. Dióda megvalósítás

Az ábra torzított, a keresztmetszeti méretek általában sokkal kisebbek mint az oldalirányúak Planáris szerkezet

A=anód, K=katód

(P, As, Sb)

(B, Al, Ga, In)

Kiindulás: Si egykristály „szelet”, majd:

oxidálás, ablaknyitás, n diffúzió, fémezés, darabolás, felforrasztás, tokozás

Kiindulás: Si egykristály „szelet”, majd:

oxidálás, ablaknyitás, n diffúzió, fémezés, darabolás, felforrasztás, tokozás

PN átmenet, félvezető diódaPN 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

Adaléksűrűség a mélység függvényében

A „kompenzált” félvezető

Donor-akceptor: nettó adalékolás

Vizsgálati módszerünkVizsgálati módszerünk

1. Egydimenziós vizsgálat, „kihasított hasáb”1. Egydimenziós vizsgálat, „kihasított hasáb”

2. Homogén adalékolás,

„abrupt” profil

3. Egyik oldal erősebben adalékolt (legyen ez az n oldal)

2. Homogén adalékolás,

„abrupt” profil

3. Egyik oldal erősebben adalékolt (legyen ez az n oldal)

Nd >> Na

A pn átmenet töltésviszonyaiA pn átmenet töltésviszonyai

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

(P, As, Sb) (B, Al, Ga, In)

A kialakult elektromos erőtér hatására a pn átmeneten egyensúlyban létrejön egy beépített feszültség (diffúziós potenciál)

A pn átmenet töltésviszonyaiA pn átmenet töltésviszonyai

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

(P, As, Sb)(B, Al, Ga, In)

Anionok (negatív töltésű ionok)

Kationok (pozitív töltésű ionok)

A pn átmenet töltésviszonyaiA pn átmenet töltésviszonyai

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

apdn NSqNSq

p

n

d

a

S

S

N

N

A töltésegyensúlyból: (B, Al, Ga, In)

(P, As, Sb)

Az ideális pn átmenet (dióda) jelleggörbe Az ideális pn átmenet (dióda) jelleggörbe egyenleteegyenlete

1/exp0 TUUII

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 Io10-14A - 10-15A

• UT=kT/q=26 mV, a termikus feszültség szobahőmérsékleten,

• k=8,62x10-5eV/K, a Boltzmann állandó

• T a hőmérséklet Kelvinben

• q=1,602x10-19 Coulomb az elektron töltése előjel nélkül

Ideális dióda-jelleggörbe Ideális dióda-jelleggörbe számításaszámítása

Kérdés: Egy Si dióda telítési árama I0=0,1 pA. Mekkora a nyitófeszültség, ha az áram 10 mA?

1/exp0 TUUII )1/ln( 0 IIUU T

VVU 658,0)10/10ln(026,0 132

Megoldás:

Mennyivel kell a nyitó feszültséget növelni ahhoz, hogy a nyitó áram tízszeres legyen?

)/ln()/ln()/ln( 12010212 IIUIIIIUUUU TT

mVVVU 6006,010ln026,0

PÉLDA

A dióda legfőbb tulajdonságaiA 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 0,7V

Záró (reverse)

tartomány

I ~ 10-12 A/mm2

(Si, T=300 K)

Nyitó (forward)

tartomány

I ~ exp(U/UT)

Karakterisztikája: I(U)

UF0,7V

I

U

Egyenirányít!

A dióda jelleggörbe egyszerűsített alakjaiA dióda jelleggörbe egyszerűsített alakjaiAz ideális kapcsoló:

A dióda valóságos és törtvonalas közelítésű

jelleggörbéje:

Törtvonalas közelítésű jelleggörbe

UF 0,7V

ID [mA]

UD [V]

Letörési szakasz

UBD

Valóságos (nem ideális)Valóságos (nem ideális)dióda jelleggörbedióda 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 karakterisztikaValóságos dióda karakterisztika A soros ellenállás A soros ellenállás

• A félvezető rétegek ohmos ellenállása nagy áramoknál jelentős

Megoldás pl.: epitaxiális szerkezet

Valóságos dióda Valóságos dióda karakterisztikakarakterisztika

Rekombinációs áramRekombinációs 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

1exp

To nU

UII

ahol n2

Valóságos dióda Valóságos dióda karakterisztikakarakterisztika A generációs áramA 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 10-9A -10-

10A

– ni miatt erősen hőmérséklet függő

RiR UnconstI

Valóságos dióda Valóságos dióda karakterisztikakarakterisztika

LetörésLetörés• 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 azátfolyó áramot, akkor a letörésben valóműködés nem teszi tönkre a diódát

• A letörés okai:

– Zener átütés(alagúthatás)

– Lavina sokszorozódás(ütközési ionizáció)

A Zener letörésA Zener letörés

Fizikai ok:Fizikai ok:

az az alagúthatásalagúthatás

A Zener dióda

A Zener letörésen alapul

A Zener letörés felhasználásaA Zener letörés felhasználása

A Zener diódaA Zener dióda

A Zener dióda áramköri alkalmazása:

•Feszültség referencia

•Feszültség szabályozás (stabilizálás, kis fogyasztásnál)

A dióda munkapontjaA 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 munkapontjaA dióda munkapontja

• Az áramkörre felírt huroktörvényből

• egy 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

0 UIRU t

)(UII

tt RUUI /)(

EszközmodellekEszközmodellek

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 működéseA dióda kisjelű működése

dIdUiurd // 11

Az rd differenciális ellenállás munkapontfüggő!

A dióda differenciális ellenállásaA dióda differenciális ellenállása

)1/ln( 0 IIUU T

000

1

1/

1/

II

U

IIIUdIdUr T

Td

Nyitó tartomány, I >> I0 :

I

Ur T

d

Ha a soros ellenállással is számolunk:

sT

d rI

Ur

A dióda differenciális ellenállásaA dióda differenciális ellenállása

Egy dióda soros ellenállása 2 ohm

Számítsuk ki a differenciális ellen-állását az I=1 mA, 10 mA, 100 mA munkapontokban!

2821

261mAdr

6,4210

2610mAdr

26,22100

26100mAdr

PÉLDA

sT

d rI

Ur

A dióda kapacitásaiA 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)

a záró tartományban uralkodó

Tértöltéskapacitás (CT)

a záró tartományban uralkodó

Diffúziós kapacitás (CD)

csak a nyitó tartományban alakul ki

Diffúziós kapacitás (CD)

csak a nyitó tartományban alakul ki

A diódák gyakorlati kivitele

Kisáramú

Nagyáramú

Fénykibocsátó diódaFénykibocsátó dióda (LED) (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 (seven-segment) kijelző

Diódák elektronikai Diódák elektronikai alkalmazásaialkalmazásai

Nagyon sokrétű, elsődlegesen analóg áramkörökben használják

Néhány példa: Egyenirányítás Feszültség szabályozás/stabilizálás (pl.: Zener dióda) Hőmérséklet mérés Fénykibocsátás (LED-ek)