1
PÓ PRZEWODNIKI
Pó przewodniki s materia ami, których rezystywno jest wi ksza ni rezystywno
przewodników (metali) oraz mniejsza ni rezystywno izolatorów (dielektryków).
Rys. 1. Podzia materia ów elektronicznych ze wzgl du na ich rezystywno
Na przyk ad mied", doskona y przewodnik, ma rezystywno 10
-8
m; mika, bardzo
dobry izolator, ma rezystywno ok. 10
14
m; czysty krzem, najpowszechniej stosowany
materia pó przewodnikowy ma rezystywno 2 10
3
m.
W a ciwo ci elektryczne pó przewodników, przede wszystkim ich rezystywno , silnie
zale od znikomo ma ych ilo ci zanieczyszcze, materia u.
Zanieczyszczenia wprowadzane celowo nazywa si domieszkami, a wprowadzanie tych
zanieczyszcze,,
tj. domieszkowanie, jest podstawowym procesem technologii
pó przewodników.
Teoria pasmowa – jest to teoria kwantowa opisuj ca stany energetyczne elektronów w
krysztale.
W odró nieniu od atomów, w których dozwolone stany energetyczne elektronów stanowi
zbiór poziomów dyskretnych, dozwolone elektronowe stany energetyczne w kryszta ach maj
charakter pasm o szeroko ci kilku elektronowoltów.
Rys. 2. Model energetyczny pasmowy pó przewodnika.
Pasmo przewodnictwa
Pasmo zabronione
Pasmo podstawowe
W
g
X
W
2
W temperaturze zera bezwzgl dnego (T = 0K) najmniejsz energi maj elektrony
walencyjne.
Pasmo odpowiadaj ce temu stanowi energetycznemu nosi nazw pasma walencyjnego lub
podstawowego i jest najni ej po o onym pasmem energetycznym (rys. 2).
Powy ej tego pasma le y pasmo przewodnictwa, w którym znajduj si swobodne
elektrony wyrwane z sieci krystalicznej.
Pomi dzy tymi pasmami jest odst p, który nazwany jest pasmem zabronionym lub
przerw zabronion i oznacza si przez W
g
.
Warto W
g
okre la minimaln warto energii, która musi by dostarczona elektronom,
aby zosta y one wyrwane z wi za, atomowych sieci krystalicznej. Szeroko t mierzy si w
elektronowoltach (eV).
Pó przewodnik samoistny jest to monokryszta pó przewodnika pozbawionego defektów
sieci krystalicznej i domieszek, czyli nie zawieraj obcych atomów w sieci krystalicznej.
W pó przewodnikach ju w temperaturze 300 K (a nawet ni szej) pewna cz
elektronów
przechodzi do pasma przewodnictwa, pozostawiaj c miejsca nie obsadzone w pa mie
podstawowym.
Miejsca te mog by zajmowane przez elektrony usytuowane na ni szych poziomach w
tym pa mie (po otrzymaniu z zewn trz odpowiedniej energii).
Proces pojawiania si elektronów w pa mie przewodnictwa i wolnych miejsc (dziur) w
pa mie podstawowym pod wp ywem wzrostu temperatury nosi nazw generacji termicznej
par dziura-elektron.
Dziur& nazywa si dodatni no nik adunku, b d cy brakiem elektronu.
W pó przewodnikach o ma ych szeroko ciach pasma zabronionego generacja termiczna
par dziura-elektron jest u atwiona.
Liczb no ników w cia ach sta ych wyra a si za pomoc g sto ci lub koncentracji (liczba
no ników na jednostk obj to ci.
Liczba generowanych par, czyli ich koncentracja, jest tym wi ksza, im jest w sze pasmo
zabronione danego pó przewodnika oraz im temperatura monokryszta u jest wy sza.
Po pewnym czasie pobudzony elektron powraca do stanu podstawowego z
wyemitowaniem kwantu promieniowania. Taki proces nazywamy rekombinacj&.
W pó przewodniku samoistnym mamy do czynienia z generacj par elektron-dziura, w
zwi zku z czym koncentracja elektronów i dziur jest taka sama i nosi nazw koncentracji
samoistnej.
Pó przewodniki typu n i typu p (niesamoistne)
Pó przewodnik niesamoistny jest wówczas, gdy w sieci krystalicznej monokryszta u
zamiast atomów pierwiastka materia u pó przewodnikowego znajduje si inny atom (np. w
sieci krystalicznej krzemu znajduje si fosfor).
Powstaje wówczas tzw. pó przewodnik domieszkowany, a ten inny atom nazywamy
domieszk .
Rozró niamy dwa rodzaje domieszek: donorow& i akceptorow&.
Je li na skutek nieregularno ci sieci krystalicznej w pó przewodniku b d przewa a
no niki typu dziurowego, to pó przewodnik taki nazywa b dziemy pó przewodnikiem typu
p (niedomiarowym).
3
Gdy b d przewa a no niki elektronowe, b dziemy nazywa je pó przewodnikami typu
n (nadmiarowym).
Pó przewodnik typu n uzyskuje si przez dodanie – w procesie wzrostu kryszta u krzemu
– domieszki pierwiastka pi ciowarto ciowego (np. antymon, fosfor).
Niektóre atomy krzemu zostan zast pione w sieci krystalicznej atomami domieszki,
zwanymi donorami (rys. 3).
Rys. 3. Model sieci krystalicznej z domieszk% atomów fosforu.
Ka dy atom domieszki ma pi elektronów walencyjnych, z których cztery s zwi zane z
s siednimi atomami krzemu.
Pi ty elektron jest wolny i mo e by
atwo oderwany od atomu domieszki – jonizuj c
dodatnio.
Elektron wówczas przechodzi do pasma przewodnictwa pó przewodnika.
W temperaturze pokojowej prawie wszystkie atomy domieszkowe zosta y zjonizowane.
Liczba elektronów w pa mie przewodnictwa jest znacznie wi ksza ni dziur w pa mie
podstawowym.
Dlatego te te pierwsze nosz nazw no+ników wi,kszo+ciowych, a te drugie no+ników
mniejszo+ciowych.
Pó przewodnik typu p uzyskuje si przez zast pienie niektórych atomów krzemu
atomami pierwiastków trójwarto ciowych (np. glinu, galu, indu).
Atom tej domieszki ma trzy elektrony walencyjne, zwi zane z s siednimi atomami
krzemu.
Do wype nienia czwartego wi zania s siaduj cego krzemu, brakuje w sieci krystalicznej
jednego elektronu i zostaje on uzupe niony przez pobranie elektronu z jednego z s siednich
wi za,, w którym powstaje dziura.
Atom pierwiastka trójwarto ciowego, zwanego akceptorem, po uzupe nieniu elektronu w
"nieprawid owym" wi zaniu (na skutek niedostatku adunków dodatnich w j drze) staje si
jonem ujemnym, wywo uj c lokaln polaryzacj kryszta u.
Na rysunku 4 przedstawiono model sieci krystalicznej krzemu z domieszk atomów indu.
Si
+4
Si
+4
Si
+4
Si
+4
Si
+4
Si
+4
Si
+4
Si
+4
P
+5
Elektron
nadmiarowy
4
Rys. 4. Model sieci krystalicznej krzemu z domieszk% atomów indu.
W temperaturze pokojowej wszystkie poziomy akceptorowe s zape nione elektronami,
które przesz y z pasma podstawowego.
Na skutek tego liczba dziur w pa mie podstawowym jest wielokrotnie wi ksza ni
elektronów w pa mie przewodnictwa.
W pó przewodniku typu p dziury w pa mie podstawowym s
no nikami
wi kszo ciowymi, a elektrony w pa mie przewodnictwa – no nikami mniejszo ciowymi.
W ka dym pó przewodniku (niezale nie od koncentracji domieszek) w stanie równowagi
termicznej jest spe niony warunek neutralno ci, tzn. w ka dym punkcie pó przewodnika
wypadkowy adunek elektryczny jest równy zeru.
Wszelkie zaburzenia warunku neutralno ci powoduj powstanie pola elektrycznego, które
przywraca stan równowagi elektrycznej.
Ustalenie si koncentracji no ników na odpowiednim poziomie zachodzi w wyniku
rekombinacji, który równowa y te generacj termiczn no ników.
ZDECZE p-n
Po czenie dwóch kryszta ów (monokryszta ów) cia a sta ego (pó przewodnik, metal) w
ten sposób, e tworz one cis y kontakt nazywamy z &czem.
Dzia anie wi kszo ci elementów pó przewodnikowych opiera si na wspó dzia aniu
z &cza p-n i obszaru przelotowego (transportu), stanowi cego na ogó obszar pó przewodnika
jednego rodzaju.
Z cza umo liwiaj wprowadzenie, odprowadzenie i sterowanie strumienia no ników
adunku.
Najcz ciej wykorzystywane s
z cza metal – pó przewodnik i pó przewodnik –
pó przewodnik.
Z cze p-n stanowi warstw przej ciow mi dzy obszarem pó przewodnika typu p i
pó przewodnika typu n.
Domieszka akceptorowa w obszarze typu p sprawia, e koncentracja dziur w tym obszarze
jest wi ksza ni elektronów – wyst puje przewodnictwo dziurowe.
Si
+4
Si
+4
Si
+4
Si
+4
Si
+4
Si
+4
Si
+4
Si
+4
In
+3
Dziura
5
Natomiast domieszka donorowa w obszarze typu n prowadzi do przewagi elektronów w
tym obszarze – wyst puje przewodnictwo elektronowe.
Dziury w obszarze p i elektrony w obszarze n stanowi no+niki wi,kszo+ciowe.
Przed zetkni ciem ka dy z obszarów jest elektrycznie oboj tny, poniewa adunek dziur i
elektronów zostaje skompensowany adunkiem jonów domieszki umieszczonych w w z ach
siatki krystalicznej.
W momencie zetkni cia si pó przewodnika typu p i typu n, nast puje wzajemny
przep yw no ników.
Ró nica koncentracji no ników adunku powoduje ich przemieszczanie – dyfuzj,.
Elektrony z obszaru przyz czowego n dyfunduj do obszaru p; podobnie post puj dziury
z obszaru przyz czowego p przechodz do obszaru n.
W wyniku procesu dyfuzji p yn pr dy dyfuzyjne.
No niki przedostaj ce si do przeciwnych obszarów staj si nadmiarowymi no nikami
mniejszo ciowymi w tych obszarach.
No niki te rekombinuj z no nikami wi kszo ciowymi, które nie przesz y na drug stron
z cza.
W wyniku tego w obszarze n powstaje nadmiar adunku jonów dodatnich, a w obszarze p
nadmiar adunku jonów ujemnych.
S to adunki jonów ulokowanych (nieruchomych) w w z ach siatki krystalicznej.
W obszarach przyz czowych powstaje wi c podwójna warstwa nieskompensowanych
adunków.
Nazywa si ona warstw& zaporow&, obszarem adunku przestrzennego lub obszarem
zubo onym, gdzie nie ma praktycznie no ników wi kszo ciowych.
Po utworzeniu takiej warstwy przep yw no ników wi kszo ciowych zostaje zahamowany,
gdy
adunek przestrzenny dodatni po stronie n b dzie hamowa dalszy dop yw no ników
(dziur) dodatnich z obszaru p do n oraz adunek ujemny po stronie p b dzie hamowa dalszy
dop yw no ników (elektronów) ujemnych z obszaru n do p. tworzy si pole elektryczne
reprezentowane przez barier, potencja u.
Wysoko bariery, a wi c ró nica potencja ów, nazywana jest napi,ciem dyfuzyjnym.
Pole elektryczne wytworzone przez adunek przestrzenny sprzyja przep ywowi no ników
mniejszo ciowych. No niki mniejszo ciowe (elektrony w obszarze p, dziury w obszarze n)
powstaj w wyniku generacji termicznej.
Polaryzacja z &cza p-n w kierunku przewodzenia.
Polaryzacja to stan, jaki wyst puje w z czu pod wp ywem przy o enia z zewn trz
ró nych potencja ów do obydwu obszarów pó przewodnika.
Je eli do pó przewodnika typu p przy o ymy potencja dodatni, a do pó przewodnika typu
n - potencja ujemny (rys. 5a), wówczas mówimy, e z cze jest spolaryzowane w kierunku
przewodzenia.
Zmniejsza si bariera potencja u (rys. 5b) do warto ci
U
U
U
D
F
=
(1)
przy czym: U – napi cie zewn trzne, U
D
– napi cie dyfuzyjne.
Maleje szeroko warstwy zaporowej, malej adunek i nat enie pola elektrycznego.
Zmniejszenie bariery potencja u powoduje wzrost pr du dyfuzyjnego, tj. wzrost liczby
dziur przechodz cych z obszaru p do obszaru n i elektronów przechodz cych z obszaru n do
obszaru p.
6
Rys. 5. Z %cze p-n spolaryzowane w kierunku przewodzenia.
a) polaryzacja z %cza, b) model pasmowy.
Te dodatkowe no niki s
nazywane wstrzykni tymi nadmiarowymi no nikami
mniejszo ciowymi D
p
i D
n
.
W chwili wprowadzenia przyci gaj one no niki o przeciwnym znaku – wi kszo ciowe w
danym obszarze.
Koncentracja no ników nadmiarowych D
p
i D
n
zmniejsza si zatem wyk adniczo w miar
oddalania si od warstwy zaporowej w wyniku rekombinacji z no nikami wi kszo ciowymi.
Wskutek niejednakowej koncentracji, wstrzykni te no niki mniejszo ciowe dyfunduj do
obszarów o mniejszej koncentracji, a wi c w kierunku doprowadze,.
Jednocze nie od strony doprowadze, nap ywaj
nowe no niki wi kszo ciowe,
wprowadzone przy polaryzacji z cza, zapewniaj ce neutralizacj
adunku wprowadzonego
do poszczególnych obszarów.
W wyniku zwi kszania sk adowej dyfuzyjnej pr du, w obwodzie zewn trznym p ynie pr d
=
=
1
U
U
exp
I
1
kT
qU
exp
I
I
T
sat
sat
;
(2)
gdzie I
sat
– pr d nasycenia z cza, zale y od sta ych fizycznych materia owych oraz
konstrukcyjnych z cza.
Symbol U
T
– oznacza potencja elektrokinetyczny
q
kT
U
T
=
;
(3)
wynosz cy ok. 26 mV przy T = 300K.
7
Polaryzacja z &cza p-n w kierunku zaporowym.
Z cze jest spolaryzowane w kierunku zaporowym wtedy, gdy do pó przewodnika typu n
przy o ymy potencja wy szy (plus), a do pó przewodnika typu p - ni szy (minus).
Napi cie zewn trzne ma kierunek zgodny z kierunkiem napi cia U
D
.
Nast puje dalszy odp yw swobodnych no ników z obszaru otaczaj cego warstw
zaporow . Zwi ksza si szeroko i wzrasta bariera potencja u
U
U
U
D
R
+
=
.
(4)
Zwi kszenie bariery potencja u powoduje zmniejszenie dyfuzji no ników, czyli
zmniejszenie koncentracji no ników wprowadzanych na drug stron z cza.
Bariera ta nie stanowi przeszkody dla przep ywu pr du unoszenia – pr du wstecznego.
Jest on jednak niewielki 10
-6
¸ 10
-12
A i bardzo nieznacznie zale y od warto ci
przy o onego napi cia, zale y natomiast od temperatury z cza i technologii jego
wytwarzania.
Zale no pr du I od napi cia zewn trznego U przy polaryzacji w kierunku zaporowym
jest analogiczna z wzorem (2), z tym e przy polaryzacji w kierunku przewodzenia napi cie U
jest dodatnie, a przy polaryzacji w kierunku zaporowym jest ujemne.
Charakterystyka pr dowo – napi ciowa pokazana zosta a na rys. 6.
Rys. 6. Charakterystyka pr%dowo – napi ciowa z %cza p-n
DIODY
Diody s elementami pó przewodnikowymi przewodz cymi pr d w zasadzie w jednym
kierunku.
Wyprowadzenia diody nosz nazwy: anody A i katody K.
Symbol graficzny diody przedstawia rys. 7. Je eli na anod diody doprowadzimy napi cie
dodatnie wzgl dem katody (U
AK
> 0), to b dzie ona spolaryzowana w kierunku
przewodzenia.
Przy ujemnych napi ciach U
AK
dioda jest spolaryzowana w kierunku wstecznym.
Pr d wsteczny diody jest na ogó o kilka rz dów wielko ci mniejszy od pr du
przewodzenia.
8
Rys. 7. Symbol graficzny diody i jej wygl d
Charakterystyki i dane techniczne
Pr d diody opisuje charakterystyka I = I
D
(U
AK
). Jej typowy przebieg pokazano na rys. 8.
Pr d przewodzenia wzrasta do du ej warto ci ju przy ma ych dodatnich napi ciach U
AK
.
Nie mo e on przekroczy okre lonej warto ci maksymalnej I
Fmax
, poniewa
grozi to
termicznym zniszczeniem diody.
Przybli on informacj o przebiegu charakterystyki uzyskuje si przez pomiar napi cia
przewodzenia U
F
przy pr dach rz du 0,1 I
Fmax
. Dla germanu le y ono w zakresie od 0,2 do 0,4
V, dla krzemu mi dzy 0,5 a 0,8 V.
Rys. 8. Charakterystyka pr dowo-napi ciowa diody
Z rys. 8 widzimy, e przy du ych napi ciach wstecznych U
AK
< –U
Rmax
pr d wsteczny
wzrasta do warto ci porównywalnych z pr dem przewodzenia.
Zwykle diody nie mog pracowa w tym zakresie, poniewa lokalne przegrzanie
prowadzi do ich uszkodzenia.
Maksymalne napi cie wsteczne wynosi, w zale no ci od rodzaju diody, od 10 V do 10
kV.
Teoretyczn charakterystyk diody mo na opisa wzorem
)
1
e
)(
T
(
I
I
T
AK
mU
U
S
D
=
(5)
gdzie I
S
jest teoretycznym pr dem wstecznym, a U
T
– potencja em elektrokinetycznym.
Wspó czynnik korekcyjny m uwzgl dnia odchy k
od uproszczonej teorii z cza p-n
opracowanej przez Shockleya i wynosi od 1 do 2.
Równanie 5 opisuje prawid owo przebieg rzeczywistej charakterystyki diody tylko w
kierunku przewodzenia, i to dla nie za du ych pr dów.
Rzeczywisty pr d wsteczny jest znacznie wi kszy ni
I
S
i z powodu efektów
powierzchniowych wzrasta wraz z napi ciem wstecznym.
9
Na rys. 9 podano obliczon na podstawie wzoru (5) charakterystyk diod krzemowej i
germanowej o nast puj cych, typowych danych:
•
dioda germanowa: I
s
= 100 nA, mU
T
= 30 mV, I
Fmax
= 100 mA
•
dioda krzemowa: I
s
= 10 pA, mU
T
= 30 mV, I
Fmax
= 100 mA
Rys. 9. Charakterystyki pr%dowo-napi ciowe diod w skali liniowej
Dla pr du 0,1I
Fmax
odczytujemy warto ci napi cia przewodzenia: wynosi ono
odpowiednio 0,35 V lub 0,62 V. Jest to zgodne z warto ciami otrzymanymi do wiadczalnie.
Napi cie U
F
jest definiowane cz sto jako napi cie przewodzenia diody w punkcie zagi cia
jej charakterystyki w kierunku przewodzenia.
Prostowanie
Prostownik zamienia pr d przemienny na pr d jednokierunkowy. Jest to jedno z
najprostszych i najwa niejszych zastosowa, diod (diody czasami nazywa si prostownikami).
Najprostszy uk ad pokazano na rys. 10.
Rys. 10. Prostownik jednopo ówkowy
Symbol "ród a z oznaczeniem "ac" oznacza "ród o napi cia zmiennego; uk adowo takie
"ród o jest zazwyczaj realizowane jako transformator zasilany napi ciem sieci
o wietleniowej.
Dla wej ciowego napi cia sinusoidalnego o amplitudzie znacznie wi kszej od napi cia
przewodzenia diody (oko o 0,6 V dla diod krzemowych, najcz ciej stosowanych) napi cie na
wyj ciu uk adu wygl da tak, jak na rys. 11.
Rys. 11. Napi cie wyprostowane przez prostownik jednopo ówkowy
10
Rozpatrywany uk ad nazywany jest prostownikiem jednopo ówkowym, poniewa
napi cie wyj ciowe wyst puje jedynie przez po ow okresu wej ciowej fali sinusoidalnej.
Na rys. 12 przedstawiono inny uk ad prostowniczy – dwupo ówkowy uk ad mostkowy.
Rys. 12. Mostkowy prostownik dwupo ówkowy
Napi cie wyj ciowe tego uk adu pokazano na rys. 13, z którego wida , e do wytworzenia
sygna u wyj ciowego s u yte obie po ówki okresu sygna u wej ciowego.
Rys. 13. Napi cie wyprostowane przez prostownik dwupo ówkowy
Poziome odcinki wyst puj ce w napi ciu wyj ciowym na poziomie zera woltów s
powodowane przez spadek napi cia na przewodz cych diodach.
W uk adzie mostkowym zawsze szeregowo z wej ciem po czone s dwie diody. Nale y
o tym pami ta przy projektowaniu zasilaczy o ma ym napi ciu wyj ciowym.
Omówione przebiegi wyprostowane w przedstawionej postaci na niewiele si zdaj . S
one sta opr dowe jedynie w tym sensie, e nie zmienia si ich polaryzacja.
Nadal maj du zawarto "t tnie," (okresowych zmian napi cia wokó warto ci
redniej), które trzeba wyg adzi , aby otrzyma prawdziwe napi cie sta e.
Robi si to przez do czenie filtru dolnoprzepustowego (rys. 14).
Rys. 14. Filtrowanie napi wyj ciowych zasilaczy sieciowych
11
W rzeczywisto ci rezystor szeregowy nie jest konieczny i zawsze si go pomija (chocia
czasami mo na spotka w tym miejscu rezystor o bardzo ma ej warto ci rezystancji, u ywany
do ograniczenia szczytowej warto ci pr du prostownika).
Usuni cie rezystora jest dopuszczalne, gdy diody uniemo liwiaj wyp ywanie pr du z
kondensatorów, które w rzeczywisto ci s u bardziej jako elementy gromadz ce energi , ni
jako cz
klasycznego filtru dolnoprzepustowego.
Energia zgromadzona w kondensatorze jest równa
2
CU
W
2
=
.
Je li C wyrazimy w faradach, a U w woltach, jednostk W b dzie d ul (watosekunda).
Aby zapewni ma amplitud t tnie,, warto pojemno ci kondensatora wybiera si zgodnie
z warunkiem
f
1
C
R
obc
>>
gdzie f jest cz stotliwo ci t tnie,, w tym przypadku 100 Hz, co sprawia, e sta a czasowa
roz adowywania kondensatora jest znacznie wi ksza ni czas up ywaj cy mi dzy dwoma
kolejnymi jego do adowaniami.
Uk ady prostowników stosowane w zasilaczach sieciowych
Uk ad mostkowy
Schemat zasilacza sieciowego z rozwa anym uk adem mostkowym przedstawiono na rys. 15.
W praktyce mostki prostownicze zwykle kupuje si jako gotowe podzespo y.
Najmniejsze z nich s przewidziane do prostowania pr dów o nat eniu 1 A i wytrzymuj
napi cia wsteczne od 100 do 600 V, a nawet 1000 V.
Wielkie mostki prostownicze pracuj z pr dami 25 A i wi kszymi.
Rys. 15. Prostownik mostkowy
Oznaczenie polaryzacji i zró nicowanie symbolu jednej ok adki oznacza kondensator
polaryzowany (elektrolityczny). Nie wolno adowa go w przeciwn stron .
12
Dwudiodowy uk ad dwupolówkowy
Uk ad z rys. 16 to dwupo ówkowy uk ad prostowniczy z dzielonym uzwojeniem wtórnym
transformatora.
Rys. 16. Prostownik dwupo ówkowy z transformatorem o dzielonym uzwojeniu wtórnym
Jego napi cie wyj ciowe jest po ow napi cia wyj ciowego uk adu mostkowego z rys. 15.
Z punktu widzenia wykorzystania transformatora sieciowego nie jest to uk ad najbardziej
sprawny, gdy ka da po owa uzwojenia wtórnego pracuje tylko przez po ow okresu sygna u
prostowanego.
St d, pr d p yn cy w tym czasie przez uzwojenie wtórne jest dwukrotnie wi kszy od
pr du p yn cego przez uzwojenie wtórne prawdziwego uk adu dwu-po ówkowego. Oprócz
wi kszych kosztów, zasilacz z tym uk adem b dzie wi kszy i ci szy.
W a+ciwo+ci dynamiczne diody
Przej cie z zakresu przewodzenia do zaporowego nie odbywa si natychmiast, poniewa
musi najpierw odp yn adunek zmagazynowany w z czu p-n.
Zjawisko to mo na zademonstrowa w prostym uk adzie prostowniczym pokazanym na
rys. 17a.
Gdy e
G
jest dodatnie – dioda przewodzi i napi cie na niej jest równe napi ciu
przewodzenia.
Gdy e
G
staje si ujemne, dioda zostaje spolaryzowana zaporowo i u
D
= –E
G
.
Rys. 17. Prze %czanie diody: a) schemat, b) wykresy czasowe prze %czania diody
Na rys. 17b widzimy, e napi cie na diodzie nie spada gwa townie, ale z opó"nieniem
równym czasowi magazynowania t
s
.
Jest on tym wi kszy, im wi kszy by pr d przewodzenia przed prze czeniem. Typowe
warto ci dla diod ma ej mocy wynosz 10 – 100 ns.
13
Dla diod mocy czas magazynowania jest rz du µs.
Okres napi cia wej ciowego musi by du y w porównaniu z czasem magazynowania,
poniewa w przeciwnym wypadku nie wyst pi efekt prostowania.
Do realizacji bardzo krótkich czasów prze cze, mo na stosowa diody Schottky'ego.
Zamiast z cza p-n maj one z cze metal-pó przewodnik, które równie wykazuje
w a ciwo ci prostownicze.
Dadunek magazynowany w takim z czu jest jednak bardzo ma y i dlatego czas
prze czenia jest równie ma y, rz du 100 ps.
Kolejn zalet jest mniejsze ni w przypadku krzemowych diod warstwowych napi cie
przewodzenia, wynosz ce oko o 0,3 V.
Symbol graficzny diody Schottky'ego podano na rys. 18.
Rys. 18. Dioda Schottky'ego
Rezystancja ma osygna owa
Cz sto mamy do czynienia z elementami elektronicznymi, dla których I nie jest
proporcjonalne do U.
W takich przypadkach nie ma sensu mówi o rezystancji, poniewa stosunek U/I zale y
od U, zamiast by sta niezale n od U.
Dla takich elementów wyznacza si nachylenie charakterystyki U – I, czyli stosunek
niewielkiego przyrostu spadku napi cia na elemencie do wywo anego t zmian napi cia
przyrostu pr du, przep ywaj cego przez element: YU/YI (lub dU/dl).
Wielko ta ma jednostki takie jak rezystancja (omy) i zast puje rezystancj w wielu
obliczeniach.
Nazywana jest rezystancj ma osygna ow , rezystancj przyrostow (ró niczkow ) lub
rezystancj dynamiczn .
Diody Zenera (stabilistory)
We wszystkich diodach pr d wsteczny wzrasta szybko po przekroczeniu maksymalnego
napi cia wstecznego.
W stabilistorach napi cie przebicia, przy którym nast puje ten gwa towny wzrost, jest
dok adnie okre lone.
Nosi ono nazw napi,cia stabilizacji lub napi,cia Zenera U
z
.
Diody takie mo na stosowa do stabilizacji napi sta ych. Na rys. 19a pokazano symbol
graficzny stabilistora, a na rys. 19b jego charakterystyk .
Dost pne s stabilistory na napi cia od 3 do 200 V, ich napi cie przewodzenia wynosi ok.
0,6 V.
Proces wy czania diody charakteryzuje si cz ciej za pomoc czasu ustalenia si
napi cia wstecznego oznaczanego t
rr
, zwanego te czasem wy czania.
14
Rys. 19. Stabilistor: a) symbol graficzny; b) charakterystyka pr%dowo-napi ciowa stabilistora
Jak wida
z rys. 19b, rezystancja wsteczna przy ma ych napi ciach wstecznych
U
AK
> – U
z
jest du a.
Po osi gni ciu napi cia stabilizacji pr d wsteczny raptownie wzrasta. Stabilizuj ce
dzia anie stabilistora polega na tym, e du a zmiana pr du YI
D
powoduje tylko niewielk
zmian napi cia YU
AK
.
Stabilizacja jest tym lepsza, im bardziej stromy jest przebieg krzywej, a wi c im mniejsza
jest ró niczkowa rezystancja wewn trzna (rezystancja dynamiczna) r
z
= YU
AK
/YI
D
.
W tego typu zastosowaniach pr d p yn cy przez diod Zenera cz sto jest otrzymywany za
pomoc rezystora do czonego do jakiego punktu w uk adzie, w którym warto napi cia jest
wi ksza ni warto napi cia znamionowego diody, jak pokazano na rys. 20.
Rys. 20. Stabilizator napi cia z diod% Zenera
Rezystancja dynamiczna stabilistorów o napi ciu U
z
Z 8 V jest najmniejsza, dla
stabilistorów o U
z
poni ej tej warto ci r
z
ro nie szybko ze spadkiem napi cia stabilizacji,
dlatego te dzia anie stabilizuj ce diod o ma ych napi ciach stabilizacji jest bardzo z e.
Wspó czynnik temperaturowy napi cia mie ci si w zakresie ±0,1% na stopie,.
Przy napi ciach stabilizacji poni ej 5,7 V przewa a zjawisko Zenera z ujemnym
wspó czynnikiem temperaturowym napi cia, a powy ej – przebicie lawinowe ze
wspó czynnikiem dodatnim.
Diody pojemno+ciowe
Pojemno warstwy zaporowej diody maleje ze wzrostem napi cia wstecznego.
Diody, w których zjawisko to wyst puje szczególnie wyra"nie, nosz nazw diod
pojemno+ciowych lub waraktorów.
Na rys. 21 pokazano symbol graficzny takiej diody, a na rys. 22 kilka typowych
charakterystyk.
15
Rys. 21. Symbol graficzny diody pojemno ciowej
Pojemno maksymalna, w zale no ci od typu, wynosi 5 – 300 pF.
Stosunek pojemno ci minimalnej i maksymalnej wynosi oko o 1:5.
Rys. 22. ZaleCno pojemno ci warstwy zaporowej diody pojemno ciowej od napi cia (dla
porównania przedstawiono t zaleCno równieC dla zwyk ej diody BAY 42)
Diody pojemno ciowe nadaj si do realizacji obwodów rezonansowych o cz stotliwo ci
rezonansowej przestrajanej napi ciem.
Ze wzgl du na du dobro mo na je stosowa a do zakresu wielkich cz stotliwo ci
(UHF).
Diody tunelowe
Interesuj ce zastosowanie poj cia rezystancji ró niczkowej znajdujemy dla diody
tunelowej.
Charakterystyk U – I tej diody przedstawiono na rys. 23.
Rys. 23. Dioda tunelowa: a) symbol graficzny; b) charakterystyka
16
W zakresie od A do B wyst puje ujemna rezystancja ró niczkowa.
Ma to szczególne znaczenie: dzielnik napi cia z o ony z rezystora i diody tunelowej mo e
by wzmacniaczem (rys. 24).
Rys. 24. Wzmacniacz sygna ów zmiennych oparty na diodzie tunelowej
Diody elektroluminescencyjne
Dioda elektroluminescencyjna, dioda wiec ca, LED (ang. Light Emitting Diode) – dioda
zaliczana do pó przewodnikowych przyrz dów
optoelektronicznych, emituj cych
promieniowanie w zakresie wiat a widzialnego i podczerwieni.
Rys. 25. Wygl%d diod elektroluminescencyjnych
Dzia anie diody elektroluminescencyjnej (LED) opiera si
na zjawisku rekombinacji
no ników adunku (rekombinacja promienista). Zjawisko to zachodzi w pó przewodnikach
wówczas, gdy elektrony przechodz c z wy szego poziomu energetycznego na ni szy
zachowuj swój pseudo-p d. Jest to tzw. przej cie proste. Podczas tego przej cia energia
elektronu zostaje zamieniona na kwant promieniowania elektromagnetycznego.