Κάντε κλικ για να ξεκινήσετε

Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο- ηλεκτρονική

Ενότητα 3: Δίοδος Επαφής

Δρ. Δημήτριος Γουστουρίδης

Τμήμα Ηλεκτρονικών Μηχανικών Τ.Ε

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ

Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά

Τεχνολογικού Τομέα

Άδειες Χρήσης

• Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons.

• Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς.

2

Χρηματοδότηση

• Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα.

• Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού.

• Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

3

Βιβλιογραφία

• Βασική Ηλεκτρονική A.P. Malvino, Εκδόσεις Τζιόλα.

• Χαριτάντης Γ. Ηλεκτρονικά Ι. Εισαγωγή στα Ηλεκτρονικά. Εκδόσεις Αράκυνθος 2006.

• Forrest Mims, Getting Started in Electronics, 1983.

4

Περιεχόμενα

5

3.1 Επαφή PN, Δίοδος Zener, Υπολογισμός Σημείου Λειτουργίας

Προσδοκώμενα Αποτελέσματα

6

Στην ενότητα αυτή θα μάθετε για: Επαφή PN, Ορθή πόλωση (Forward bias), Ανάστροφη πόλωση (Reverse bias), Κατάρρευση (Breakdown), Ενεργειακά επίπεδα (Energy levels), Το δυναμικό φραγμού σε συνάρτηση με την

θερμοκρασία, Φωτοεκπέμπουσες Δίοδοι (LEDs), Δίοδοι Zener και Εφαρμογές Διόδων

7

3.1 Επαφή PN, Δίοδος Zener, Υπολογισμός Σημείου Λειτουργίας

Η Νόθευση του Κρυστάλλου Ημιαγωγού και με τους Δύο Τύπους Δημιουργεί μια Επαφή PN

• Κάποια ηλεκτρόνια θα διαπεράσουν την επαφή και θα ενωθούν με οπές. Κάθε φορά που συμβαίνει κάτι τέτοιο δημιουργούνται ζεύγη ιόντων.

• Καθώς αναπτύσσεται αυτό το φορτίο ιόντων, εμποδίζει την περαιτέρω μετακίνηση φορέων προς την επαφή.

8

P N Επαφή

Αρνητικό Ιόν

Θετικό Ιόν

Η Νόθευση του Κρυστάλλου Ημιαγωγού και με τους Δύο Τύπους Δημιουργεί μια Επαφή PN

• Κάθε ηλεκτρόνιο που μετακινείται από την n περιοχή διαμέσου της επαφής συμπληρώνει μια αντίστοιχη οπή στο p τμήμα με αποτέλεσμα την εξαφάνιση των αντίστοιχων φορέων ρεύματος.

• Σαν αποτέλεσμα δημιουργείται στην επαφή μια περιοχή απογυμνωμένη από φορτία που συμπεριφέρεται σαν μονωτής.

9

P N

Περιοχή Απογύμνωσης (περιοχή διάβασης-έλλειψης φορέων-απογύμνωσης <1μm)

Περιοχή Απογύμνωσης

10

Επαφή PN

• Δημιουργείται κατάσταση δυναμικής ηλεκτρικής ισορροπίας όπου οι δυνάμεις που προκαλούν την διάχυση φορέων εξισορροπούνται από τις δυνάμεις του ηλεκτροστατικού πεδίου που δημιουργείται από τα ιόντα που σχηματίζονται

11

Το δυναμικό επαφής (φραγμού) ΡΝ

• Η διάχυση των ηλεκτρονίων δημιουργεί ζεύγη ιόντων. • Δημιουργείται ηλεκτρικό πεδίο που αντιτίθεται στην

διαδικασία. • Η επαφή θα βρεθεί σε ισορροπία όταν ο φραγμός

δυναμικής ενέργειας (barrier potential) θα εμποδίζει την περαιτέρω διάχυση (diffusion).

• Στους 27 ºC, για μια δίοδο πυριτίου το δυναμικό επαφής είναι περίπου 0.65 volts. Μειώνεται με την θερμοκρασία 2mV / ºC και στο απόλυτο μηδέν γίνεται ίση με την τάση που αντιστοιχεί το ενεργειακό χάσμα (1.25 V) για ένα e-.

12

Ορθή Πόλωση

13

Οι φορείς κινούνται προς την επαφή με αποτέλεσμα

την εξαφάνιση της περιοχής απογύμνωσης

• Αν η εφαρμοζόμενη τάση είναι μεγαλύτερη από την τάση φραγμού δυναμικού (δυναμικό επαφής), η δίοδος άγει.

Ανάστροφη Πόλωση

14

Οι φορείς ρεύματος απομακρύνονται από την επαφή

• Η περιοχή απογύμνωσης διευρύνεται και η δίοδος δεν άγει (diode is off).

Πόλωση Διόδου

• Οι δίοδοι πυριτίου άγουν με την εφαρμογή ορθής πόλωσης περίπου 0.7 volts.

• Με την ανάστροφη πόλωση, η περιοχή απογύμνωσης διευρύνεται και η δίοδος δεν άγει.

• Υπάρχει ένα μικρό ρεύμα στην ανάστροφη πόλωση που οφείλεται στους φορείς μειονότητας (minority carrier current).

• Το ανάστροφο αυτό ρεύμα που οφείλεται σε φορείς μειονότητας που κινούνται λόγω θερμικής κίνησης ονομάζεται ρεύμα κόρου (saturation current).

15

Κατάρρευση Διόδου

• Οι δίοδοι δεν αντέχουν ακραίες τάσεις ανάστροφης πόλωσης.

• Σε υψηλές ανάστροφες πολώσεις συμβαίνει ένα φαινόμενο χιονοστιβάδας φορέων (carrier avalanche) λόγω της γρήγορης κίνησης των φορέων μειονότητας.

• Οι τυπικές τιμές τάσης ανάστροφης πόλωσης κλιμακώνονται από 50 volts έως 1 kV.

16

Ενεργειακές στάθμες στην επαφή ΡΝ (Ποιοτική Ανάλυση)

17

Σε μια απότομη επαφή p-n οι ενεργειακές ζώνες

στην p περιοχή βρίσκονται υψηλότερα συγκριτικά με την

n περιοχή

Για να διαχυθεί ένα ηλεκτρόνιο διαμέσου της

επαφής προς την p πλευρά είναι σαν να αντιμετωπίζει

έναν ενεργειακό λόφο. Πρέπει να πάρει αυτή την πρόσθετη ενέργεια από μια

εξωτερική πηγή Eg

Eo=qVo

++ ++ ++

- - - - - -

Ενεργειακές στάθμες στην επαφή ΡΝ (Ποιοτική Ανάλυση)

18

Eg E=q(Vo-V)

Ανάστροφη Πόλωση

Ορθή πόλωση E=q(Vo-V)

Στην ανάστροφη πόλωση το V είναι αρνητικό

Στην ορθή πόλωση το V είναι θετικό

(-) (+)

(+)

(-)

Την επαφή την διαρρέει ρεύμα φορέων μειονότητας (πολύ μικρό)

Την επαφή την διαρρέει ρεύμα φορέων πλειονότητας (μεγάλο)

+++ +++ +++

- - - - - - - - -

+ + +

- - -

Θερμοκρασία Επαφής

• Η θερμοκρασία επαφής είναι η θερμοκρασία στο εσωτερικό της διόδου, στην επαφή PN.

• Όταν η δίοδος άγει, η θερμοκρασία επαφής είναι μεγαλύτερη από αυτή του περιβάλλοντος (PD=VDxID).

• Το δυναμικό επαφής είναι μικρότερο σε υψηλότερες θερμοκρασίες- μειώνεται κατά περίπου 2 mV για αύξηση θερμοκρασίας επαφής κατά ένα βαθμό Κελσίου (-2mV/ºC).

19

Ανάστροφο Ρεύμα Διόδου

• Το ανάστροφο ρεύμα IS (ρεύμα κορεσμού), διπλασιάζεται για κάθε αύξηση της θερμοκρασίας 10 ºC ενώ δεν εξαρτάται από την ανάστροφη τάση πόλωσης.

20

Επαφή PN (Αναλυτική προσέγγιση)

• Προϋπόθεση για το σχηματισμό επαφής ΡΝ είναι να υπάρχει απότομη μεταβολή συγκεντρώσεων προσμίξεων από τη μια περιοχή στην άλλη. – Αν αυτό συμβαίνει, τότε ο κρύσταλλος συμπεριφέρεται σαν

εξωγενής ημιαγωγός με 2 είδη φορέων. • Μέσα στην επαφή ΡΝ η συγκέντρωση των φορέων

αγωγιμότητας είναι πολύ μικρή σε σύγκριση με τη συγκέντρωση των ιονισμένων ατόμων προσμίξεων που δρουν ως δέσμια φορτία. – Υπάρχει τοπικά εκτροπή από την ηλεκτρική ουδετερότητα του

κρυστάλλου, που συνοδεύεται από ανάπτυξη ηλεκτρικού πεδίου στην περιοχή αυτή.

– Η παρουσία του ηλεκτρικού πεδίου στην επαφή ΡΝ καθορίζει την ηλεκτρική συμπεριφορά όλου του κρυστάλλου.

21

Επαφή PN (Αναλυτική προσέγγιση)

22

Συγκεντρώσεις Φορέων Πριν τον Σχηματισμό Απότομης Επαφής ΡΝ

23

Μετά τον Σχηματισμό Απότομης Επαφής ΡΝ

24

Δυναμικό Επαφής ΡΝ Χωρίς Πόλωση

25

VT= (kT/q) θερμική τάση ≈ 25mV στους 25ºC

NA= συγκέντρωση αποδεκτών

ND= συγκέντρωση δοτών

ni = συγκέντρωση φορέων ενδογενούς ημιαγωγού

Όπου:

Υπολογισμός Δυναμικού Επαφής PN Χωρίς Πόλωση

26

Για το Si: NA=2x1016cm-3, ND=1x1016cm-3, ni=1.5x1010cm-3

Άρα: V0=687mV Για το Ge: NA=2x1016cm-3, ND=1x1016cm-3, ni=2.4x1013cm-3

Άρα: V0=319mV

Ρεύμα Ορθά Πολωμένης Επαφής ΡΝ

27

• Το ρεύμα Is είναι το ολικό ρεύμα φορέων μειονότητας. • Το ονομάζουμε ρεύμα κόρου (saturation current).

Ρεύμα Ορθά Πολωμένης Επαφής ΡΝ

28

• Από την χαρακτηριστική της διόδου προκύπτει: • Είναι αμφίδρομο στοιχείο καθώς άγει κατά τη μία φορά

μόνο. • Είναι μη γραμμικό στοιχείο αφού η καμπύλη I = f(V) είναι

μη γραμμική (εκθετική).

Ρεύμα Ανάστροφα Πολωμένης Επαφής PN

29

s

VV

VV

II

xeVVeV

eIsI

T

T

−=⇒

=−=<<⇒<

−=

−−

18025.01

1024.4,1.,10

),1(

γιαπχ

• Το ρεύμα I είναι ίσο με το ολικό ρεύμα φορέων μειονότητας ή ρεύμα κόρου (saturation current) Is.

Κατάρρευση Ανάστροφα Πολωμένης Επαφής PN

• Μέχρι μια ορισμένη τιμή ανάστροφης τάσης άγεται πολύ μικρό ρεύμα.

• Κατά την αύξηση της ανάστροφης τάσης πέρα από μια κρίσιμη τιμή άγονται μεγάλα ρεύματα υπό σταθερή τάση. – Τα ρεύματα οφείλονται στη δημιουργία νέων φορέων

αγωγιμότητας, λόγω κατάρρευσης της επαφής PN. • Η κατάρρευση αυτή μπορεί να εξηγηθεί μέσω

των δύο παρακάτω μηχανισμών: A. Μηχανισμός Χιονοστιβάδας B. Μηχανισμός Zener

30

Κατάρρευση Ανάστροφα Πολωμένης Επαφής ΡΝ

31

• Δίοδος Zener: ειδικά κατασκευασμένη Δίοδος με συγκεκριμένη τάση κατάρρευσης.

• Εφαρμογές σε κυκλώματα που απαιτούν τάσεις αναφοράς, τροφοδοτικά κλπ.

Χωρητικότητα Επαφής ΡΝ

• Για την χωρητικότητα της επαφής Cj χρησιμοποιείται ο τύπος .

• Είναι μια αυξητική χωρητικότητα που ονομάζεται χωρητικότητα επαφής ή χωρητικότητα έλλειψης φορέων.

32

Χωρητικότητα Επαφής ΡΝ

• Η χωρητικότητα επαφής μειώνεται όσο αυξάνεται η ανάστροφη τάση πόλωσης.

• Για Cj = 10 pF και απότομη κατανομή φορτίων προσμίξεων, η μεταβολή της χωρητικότητας επαφής με ανάστροφη τάση πόλωσης φαίνεται στο διάγραμμα.

33

Χωρητικότητα Επαφής ΡΝ

• Δίοδος Varactor: ειδικά κατασκευασμένη.

• Δίοδος με συγκεκριμένη απόκριση χωρητικότητας για συγκεκριμένη ανάστροφη πόλωση.

• Χρήση σε ταλαντωτές, πομπούς εκπομπής, ραδιόφωνα κλπ.

34

Δίοδοι Εκπομπής Φωτός (LEDs)

• Ειδική κατηγορία που κατασκευάζονται από επαφές σύνθετων ημιαγωγών.

• Εκπέμπουν στενού εύρους (20-30 nm), μη σύμφωνη ακτινοβολία με μήκη κύματος που καλύπτουν τις ζώνες του υπεριώδους, του ορατού και του υπέρυθρου φάσματος.

• Μπορούν να ταξινομηθούν: – Ως πηγές φωτός για μικρής απόστασης επικοινωνίες

με οπτικές ίνες, – Ως φωτεινά στοιχεία απεικόνισης.

35

Δίοδοι Εκπομπής Φωτός (LEDs)

• Σε ορθά πολωμένη επαφή ΡΝ, φορείς πλειονότητας διέρχονται εκατέρωθεν της επαφής δημιουργώντας το ρεύμα της διόδου.

• Στην άλλη πλευρά της επαφής, οι φορείς πλειονότητας καθίστανται φορείς μειονότητας. – Όσο μεγαλύτερο το ρεύμα της διόδου τόσο

μεγαλύτερο είναι το περίσσευμα των φορέων μειονότητας εκατέρωθεν της επαφής.

• Αυτοί οι φορείς μειονότητας επανασυνδέονται με φορείς πλειονότητας με ταυτόχρονη απελευθέρωση ενέργειας, αντίστοιχης προς το ενεργειακό χάσμα Eg μεταξύ των ζωνών αγωγιμότητας και σθένους των υλικών που σχηματίζουν την επαφή. 36

Δίοδοι Εκπομπής Φωτός (LEDs)

37

Δίοδοι Εκπομπής Φωτός (LEDs)

38

Φωτοδίοδοι – Φωτοανιχνευτές – Οπτοζεύκτες – Ηλιακά στοιχεία.

39

Φωτοδίοδοι – Φωτοανιχνευτές – Οπτοζεύκτες – Ηλιακά στοιχεία.

40

Η δίοδος Σε Κύκλωμα.

• Η σχέση Schockley:

• όπου: – Is είναι το ρεύμα κόρου ανάστροφης πόλωσης της διόδου, – q = 1,6 * 10-19Cb το ηλεκτρικό φορτίο του ηλεκτρονίου, – k = 8,620*10-5 eV/L σταθερά του Boltzmann, – Τ η απόλυτη θερμοκρασία, – n σταθερά που εξαρτάται από το είδος του ημιαγωγού και τον τρόπο

κατασκευής της διόδου. Συνήθως n = 1 για διόδους Ge και n ≈ 2 για διόδους Si.

– VT είναι η θερμική τάση (VT ≈ 26mV στους 300 Κ).

41

Η δίοδος Σε Κύκλωμα.

• Στο διάγραμμα φαίνεται ότι η τάση V1 προκαλεί ρεύμα I1 μέσω της διόδου.

• Το ζεύγος των V1 - I1 ορίζει πάνω στην χαρακτηριστική σημείο Q που λέγεται σημείο λειτουργίας ή σημείο ηρεμίας.

• Ουσιαστικά το σημείο αυτό καθορίζει την κατάσταση λειτουργίας της διόδου.

42

Η δίοδος Σε Κύκλωμα.

• Για την τελευταία (μη γραμμική) εξίσωση δεν υπάρχει αναλυτική λύση παρά μόνο προσεγγιστικές λύσεις με χρήση του αναπτύγματος Taylor.

• Είναι επίπονες! • Μπορεί να ξεπεραστεί με γραφική ανάλυση του κυκλώματος

ή με προσεγγιστικές τεχνικές με χρήση γραμμικών ισοδύναμων μοντέλων της διόδου.

43

Η δίοδος Σε Κύκλωμα (Γραφικός Τρόπος)

44

• Για V=0, I=E/R • Για Ι=0, V=E

• Το σημείο ηρεμίας διόδου σε βρόχο, προσδιορίζεται από την τομή της χαρακτηριστικής της διόδου και της γραμμής φορτίου του βρόχου.

Η δίοδος Σε Κύκλωμα (Γραμμικό Μοντέλο)

• O παραπάνω τύπος ορίζει την αντίσταση αγωγής της διόδου. • Η τιμή της είναι συνήθως μερικά Ω, αναλόγως με το σημείο

πόλωσης της διόδου. • Ο υπολογισμός της είναι πολύ προσεγγιστικός για μεγάλα

σήματα με μεγάλη περιοχή λειτουργίας.

45

• Για V<Vth, I=0, • Για V>Vth, I=V/RD

Η δίοδος Σε Κύκλωμα (Μοντέλα Διόδων)

46

• Για V<Vth, I=0, • Για V>Vth, I=Ε/R

• Για V<Vth, I=0, • Για V>Vth, I=(E-Vth)/(R+RD)

Χαρακτηριστική Διόδου

Ηλεκτρικό ισοδύναμο διόδου για μεγάλα σήματα στο συνεχές.

Επίδραση Θερμοκρασίας στο Is

47

• Is=Aq((Dp/Lp)pn+ (Dn/Ln)np) • Όπου:

– A η διατομή της επαφής, – Lp, Ln το βάθος των περιοχών απογύμνωσης – Dp=VTμe, Dn =VTμp οι συντελεστές διάχυσης οπών, ηλεκτρονίων

για τον συγκεκριμένο ημιαγωγό – Np, pn οι συγκεντρώσεις ηλεκτρονίων στην περιοχή p και οπών στην

περιοχή n. Σε κατάσταση ισορροπίας np =ni2/NA και pn=ni

2/ND

– ni2≈T3exp(-EG/kT) (EG το ενεργειακό χάσμα)

Φυσικές Παράμετροι Ημιαγωγών

48

Πίνακας Φυσικών Σταθερών

49

Επαφή ΡΝ: Άσκηση 1

• Για μια επαφή ΡΝ Ge με απότομη μεταβολή συγκεντρώσεων προσμίξεων (impurities), η συγκέντρωση NA των αποδεκτών είναι ίση 10-8 άτομα για κάθε άτομο πυριτίου (ισοδύναμα 1 άτομο πρόσμιξης για κάθε 108 άτομα Ge ή 0.01 ppm/ parts per million/μέρη στο εκατομμύριο).

• Να υπολογιστεί η τάση επαφής στην θερμοκρασία των 300 ºΚ.

50

Επαφή ΡΝ: Άσκηση 1

• Δίνεται η πυκνότητα του Ge 5.32 gr/cm3 και η συγκέντρωση των φορέων του ενδογενούς ημιαγωγού στην προαναφερθείσα θερμοκρασία ni=2.4x1013 φορείς ανά cm3 ενώ το ατομικό βάρος του είναι 73.

51

Λύση Άσκησης 1

• Σε 1 cm3 αντιστοιχούν 5.32/73 mole. • Επομένως ο αριθμός των ατόμων Ge ανά cm3 θα

είναι NGE=(5.32/73)x6.02x1023 άτομα=4.4 x 1022 άτομα ανά cm3.

• Η συγκέντρωση των αποδεκτών για την περιοχή p θα είναι NA= NGE/108= 4.4 x 1014 άτομα αποδεκτών ανά cm3.

• Επομένως η συγκέντρωση των δοτών θα είναι ND=NAx103= 4.4 x 1017 άτομα δοτών ανά cm3.

52

Λύση Άσκησης 1

• Επομένως η τάση επαφής VO=VTxln(4.4x1017x4.4x1014)/(2.4x1013)2=VTxln

(3.36x105)=VTx12.72=(25mV)x12.72≈0,318V • Και ο ενεργειακός φραγμός EO θα είναι:

EO=qeVO=0,318 eV

53

Επαφή ΡΝ: Άσκηση 2

• Να επαναληφθεί η άσκηση με τα δεδομένα συγκεντρώσεων προσμίξεων που ακολουθούν για επαφή ΡΝ ημιαγωγού πυριτίου Si και για θερμοκρασία επαφής θ=27 ºC.

54

Σε αυτή την ενότητα μιλήσαμε για:

55

3.1 Επαφή PN, Δίοδος Zener, Υπολογισμός Σημείου Λειτουργίας

Συγχαρητήρια!! Έχετε ολοκληρώσει με επιτυχία το μάθημα

Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο- ηλεκτρονική

Ολοκλήρωση Μαθήματος

56

Ενότητα 3: Δίοδος Επαφής

Δρ. Δημήτριος Γουστουρίδης Τμήμα Ηλεκτρονικών Μηχανικών Τ.Ε

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ

Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά

Τεχνολογικού Τομέα