No Slide Title · 2017-01-24 · • [3] Forrest Mims, Getting Started in Electronics, 1983 . 57 ....
Transcript of No Slide Title · 2017-01-24 · • [3] Forrest Mims, Getting Started in Electronics, 1983 . 57 ....
3 3 3
Θέματα που θα καλυφθούν
• Ορθή πόλωση Forward bias
• Ανάστροφη πόλωση Reverse bias
• Κατάρρευση Breakdown
• Ενεργειακά επίπεδα Energy levels
• Το δυναμικό φραγμού σε συνάρτηση με την θερμοκρασία Barrier potential and temperature
• Ανάστροφα πολωμένη δίοδος Reverse-biased diode
• Φωτοεκπέμπουσες Δίοδοι Light Emitting Diodes (LEDs)
• Φωτοδίοδοι Photodiodes PDs
• Δόδοι Zener
• Εφαρμογές Διόδων
6 6 6
P N
Junction
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
Negative
ion
Positive
ion
Καθώς αναπτύσσεται αυτό το φορτίο ιόντων, εμποδίζει την
περαιτέρω μετακίνηση φορέων προς την επαφή
7 7 7
P N
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
Depletion layer
(περιοχή διάβασης-έλλειψης φορέων-απογύμνωσης <1μm)
9
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
10 10 10
Το δυναμικό επαφής (φραγμού) pn
• 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-
11 11 11
Ορθή πόλωση Forward bias
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.
12 12 12
Ανάστροφη πόλωση Reverse bias
Οι φορείς ρεύματος απομακρύνονται
από την επαφή
Η περιοχή απογύμνωσης διευρύνεται
και η δίοδος δεν άγει (diode is off)
13 13 13
Πόλωση διόδου-Diode bias • 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.
14 14 14
Κατάρρευση Διόδου Diode breakdown
• 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
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
++
++
++
- -
- -
- -
17
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)
+++
+++
+++
- - -
- - -
- - -
+
+
+
-
-
-
18 18 18
Θερμοκρασία Επαφής Junction temperature
• 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 19 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.
25
Δυναμικό επαφής pn χωρίς πόλωση
VT=(kT/q)
θερμική τάση ≈
25mV στους 25ºC
NA=συγκέντρωση
αποδεκτών
ND=συγκέντρωση
δοτών
ni=συγκέντρωση
φορέων
ενδογενούς
ημιαγωγού
27
Ρεύμα ορθά πολωμένης επαφής pn
Το ρεύμα Is είναι το ολικό ρεύμα φορέων μειονότητας
Το ονομάζουμε ρεύμα κόρου (saturation current)
29
Ρεύμα ανάστροφα πολωμένης
επαφής pn
s
V
V
V
V
II
xeVVeV
eIsI
T
T
18025.0
1
1024.4,1.,10
),1(
Το ρεύμα I είναι ίσο με ολικό ρεύμα φορέων
μειονότητας ή ρεύμα κόρου (saturation current) Is
31
Κατάρρευση ανάστροφα πολωμένης
επαφής pn
Δίοδος Zener: ειδικά κατασκευασμένη
Δίοδος με συγκεκριμένη τάση κατάρρευσης.
Εφαρμογές σε κυκλώματα που απαιτούν
τάσεις αναφοράς, τροφοδοτικά κλπ.
34
Χωρητικότητα επαφής pn
Δίοδος Varactor: ειδικά
κατασκευασμένη
Δίοδος με συγκεκριμένη
απόκριση χωρητικότητας για
συγκεκριμένη ανάστροφη
πόλωση.
Χρήση σε ταλαντωτές, πομπούς
εκπομπής, ραδιόφωνα κλπ.
46
Η δίοδος σε κύκλωμα. (μοντέλα διόδων)
Για V<Vth, I=0,
Για V>Vth, I=Ε/R
Για V<Vth, I=0,
Για V>Vth, I=(E-Vth)/(R+RD)
47
Επίδραση θερμοκρασίας στο Is
• Is=Aq((Dp/Lp)pn+ (Dn/Ln)np)
• 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 pnοι συγκεντρώσεις ηλεκτρονίων στην
περιοχή p και οπών στην περιοχή n. Σε
κατάσταση ισορροπίας np =ni2/NA pn=ni2/ND
• ni2≈T3exp(-EG/kT) (EG το ενεργειακό χάσμα)
51
Ασκήσεις Επαφής p-n
• Για μια επαφή p-n 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.
52
Ασκήσεις Επαφής p-n
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.
53
Ασκήσεις Επαφής p-n
• 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
54
Ασκήσεις Επαφής p-n
• 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
55
Ασκήσεις Επαφής p-n
• Να επαναληφθεί η άσκηση με τα δεδομένα συγκεντρώσεων προσμίξεων που ακολουθούν για επαφή pn ημιαγωγού πυριτίου Si και για θερμοκρασία επαφής θ=27 ºC.
56 56
Βιβλιογραφία
• [1] Βασική Ηλεκτρονική A.P. Malvino,
Εκδόσεις Τζιόλα
• [2] Χαριτάντης Γ. Ηλεκτρονικά Ι.
Εισαγωγή στα Ηλεκτρονικά. Εκδόσεις
Αράκυνθος 2006
• [3] Forrest Mims, Getting Started in
Electronics, 1983
56