WYDZIAŁ
ELEKTRYCZN
Y
Jakub Dawidziuk
POLITECHNIK
A
BIAŁOSTOCK
A
Temat i plan
wykładu
Diody półprzewodnikowe
1. Polaryzacja diod w kierunku
przewodzenia i zaporowym
2. Charakterystyki prądowo-napięciowe
3. Model diody
4. Parametry techniczne diod
ELEKTROTECHNIKA I ELEKTRONIKIA – Jakub Dawidziuk
wtorek 27 kwietnia 2021
Polaryzacja w kierunku przewodzenia i
zaporowym oraz prądy w złączu
Symbole graficzne
Polaryzacja diody
Polaryzacja w kierunku przewodzenia
Polaryzacja w kierunku zaporowym
Charakterystyka-
Charakterystyka-
właściwości
właściwości
•
U
U
D
D
=
=
napięcie
napięcie
polaryzacji
polaryzacji
•
I
I
D
D
=
=
prąd
prąd
diody
diody
•
I
I
S
S
=
=
prąd
prąd
nasycenia
nasycenia
•
U
U
BR
BR
=
=
napięcie
napięcie
wsteczne
wsteczne
(przebicia)
(przebicia)
•
U
U
=
=
napięcie
napięcie
bariery
bariery
potencjału
potencjału
U
U
D
D
I
I
D
D
(mA)
(mA)
(nA)
(nA)
U
U
BR
BR
~
~
U
U
I
I
S
S
Charakterystyka prądowo-napięciowa
diody
Zakres
zaporowy
Zakres
przewodzenia
Charakterystyki diody
germanowej
i krzemowej
Model diody
Model obwodowy diody
Model obwodowy diody
Model diody
Model diody
idealnej z barierą
idealnej z barierą
potencjału
potencjału
Napięcie bariery potencjału jest to
Napięcie bariery potencjału jest to
napięcie na diodzie, przy którym
napięcie na diodzie, przy którym
zaczyna płynąć prąd przez diodę.
zaczyna płynąć prąd przez diodę.
Przykład
Przykład
: V
: V
= 0.3
= 0.3
V
V
(typ
(typ
owe dla diody germanowej
owe dla diody germanowej
)
)
. Określić
. Określić
wartość
wartość
I
I
D
D
jeżeli
jeżeli
V
V
A
A
= 5
= 5
V
V
(
(
napięcie zasilające
napięcie zasilające
).
).
0 = V
0 = V
A
A
– I
– I
D
D
R
R
S
S
- V
- V
I
I
D
D
= V
= V
A
A
- V
- V
= 4.7 V = 94 mA
= 4.7 V = 94 mA
R
R
S
S
50
50
V
V
V
V
A
A
I
I
D
D
R
R
S
S
= 50
= 50
+
+
_
_
V
V
+
+
+
+
Dioda w obwodzie prądu
przemiennego
Rodzaje diod półprzewodnikowych
Parametry diod małej mocy
Typowe dane dla diody germanowej i krzemowej
wynoszą:
- dioda krzemowa I
S
=10 pA, mU
T
=30 mV,
I
Fmax
=100 mA,
- dioda germanowa I
S
=100 nA, mU
T
=30 mV,
I
Fmax
=100 mA.
Z charakterystyki można odczytać wartości
napięcia przewodzenia U
F
dla prądu
przewodzenia I
F
=0,1·I
Fmax
. Dla diody germanowej
napięcie przewodzenia jest równe 0,4V, a dla
diody krzemowej 0,7V.
Parametry diod prostowniczych
Obudowy diod i mostków
Elementy
półprzewodnikowe
Stabilizatory parametryczne stosowane są
zazwyczaj tylko przy małych mocach
wyjściowych i niezbyt wygórowanych
wymaganiach jakościowych.
Charakteryzują się one małą sprawnością ,
a ich współczynniki stabilizacji mają
umiarkowaną wartość przy zmianach
obciążenia i napięcia wejściowego.
Wartość napięcia stabilizowanego jak i
prądu wyjściowego zależą głównie od
parametrów elementu nieliniowego. Jest to
istotna wada tego typu układów ponieważ
w przypadku konieczności zmiany tych
wielkości, konieczna jest wymiana
elementu nieliniowego (diody Zenera).
Diody Zenera. Stabilizatory
parametryczne.
Charakterystyka prądowo-napięciowa
diody Zenera
U
F
I
F
U
I
1
U
R
I
R
Z
U
ZK
U
Z
i
Z
u
Z
I
Z
i
Z
u
optymalny
punkt
pracy
MIN
I
MAX
I
MAX
P
Diody stabilizacyjne
Charakterystyki diod Zenera
Rezystancja
różniczkowa
Schematy zastępcze
Charakterystyka prądowo-napięciowa
diody Zenera
Zależność rezystancji
dynamicznej
diody od napięcia stabilizacji.
Minimalne
rezystancje r
Z
występują dla
diod Zenera o
napięciu U
Z
około 7 V, a
minimalne
współczynniki
temperaturowe
dla diod
onapięciu Zenera
z przedziału U
Z
=
(5-6)V.
Najprostszym stabilizatorem napięcia jest układ
z wykorzystaniem diody Zenera. Takie i podobne
układy nazywane są również stabilizatorami
parametrycznymi.
Zmiany napięcia wejściowego ΔU
we
pociągają za
sobą zmiany prądu diody ΔI
D
, to jednak nie
pociąga za sobą dużych zmian napięcia
wyjściowego ΔU
wy
. Można przyjąć, że pozostaje
ono stałe i równe napięciu Zenera U
Z
.
Stabilizator z diodą Zenera
Wartości katalogowe
U
Z
- napięcie Zenera
r
z
- rezystancja różniczkowa (Zenera)
I
zmax
- prąd maksymalny
P
zmax
– maksymalna moc rozproszenia
P
zmax
= I
zmax
U
z
Stabilizator z diodą Zenera
zasilany z sieci
Dioda Zenera jako ogranicznik
napięcia
Obudowy diod Zenera
metalowe
Złącze metal-półprzewodnik
Złacze metal - półprzewodnik
Charakterystyka pradowo -
napieciowa
złacza metal – półprzewodnik
może byc:
a) liniowa i symetryczna (złacze
omowe)
kontakty i doprowadzenia
przyrzadów pp
mała rezystancja
b) nieliniowa i niesymetryczna
(złacze
prostujace)
dioda Schottky’ego
Rodzaj złacza zaley od:
- różnicy prac wyjscia
elektronu z metalu i
półprzewodnika
- stanów powierzchniowych
półprzewodnika
Złącze metal-półprzewodnik
Charakterystyki diod
Schottky’ego
i diody pn w kierunku
przewodzenia
Złącze metal-półprzewodnik dioda
Schottky’ego
Po „zetknięciu metalu i
półprzewodnika” układ dąży do
równowagi termodynamicznej
poprzez przegrupowanie e-.
Ponieważ Wme > Wpp , to wiecej e-
będzie przepływać z pp do me niż
odwrotnie.
• po stronie me pojawia się cienka
warstwa ładunku ujemnego, a po
stronie pp znacznie szersza warstwa
ładunku dodatniego, dipolowa
warstwa ładunku przestrzennego
• bariera potencjału jest równa
różnicy potencjałów wyjścia
elektronów (Vme – Vpp)
• złacze prostujace => dioda
Schottky’ego
A
K
Złącze metal-półprzewodnik
Kierunek przewodzenia: „plus” do metalu, „minus” do pp
typu n
• obniża się bariera potencjału i elektrony płyną z pp do me
• elektrony, które przeszły z pp do me w pierwszej chwili
obsadzają poziomy położone wysoko nad poziomem
Fermiego i
dlatego nazywane są „gorącymi elektronami”; „gorące
elektrony” bardzo szybko (~10-13 ps) oddają swoją energię
i stają się
częścią swobodnych elektronów w metalu
• „gorące elektrony” nie wykazują cech nośników
mniejszościowych (tak jak to było w złączu p-n)
• nie następuje gromadzenie nośników mniejszościowych
• „brak” pojemności dyfuzyjnej
• dobre właściwości impulsowe
Złącze metal-półprzewodnik
Tranzystor
Schottky’ego