2014-04-28
Diody półprzewodnikowe
Model diody półprzewodnikowej
Shockley a
�ł �ł �ł �ł
�ł �ł �ł �ł
UD
UD
ID = Igr0�łexp�ł �ł -1�ł + I0�łexp�łUD �ł -1�ł
�ł �ł �ł �ł
�ł �ł �ł �ł
2�T �T
�ł łł �ł łł
�ł łł �ł łł
D
ID
Igr0  prąd generacyjno-rekombinacyjny
I0  prąd nasycenia
ĆT  potencjał termiczny elektronów =kT/e=26mV dla T=300K
�ł
�ł
UD �ł
�ł
ID = IS �łexp�ł �ł -1�ł
�ł �ł
�ł
n�T �ł
�ł łł
�ł łł
IS  efektywny prąd nasycenia (10-18 � 10-9A)
n  współczynnik niedoskonałości (1 � 2)
Dioda półprzewodnikowa UD>0
model podstawowy
1
2014-04-28
Diody półprzewodnikowe  podstawowe
rodzaje
Diody półprzewodnikowe -
wprowadzenie
Dioda półprzewodnikowa
stałoprądowa charakterystyka rzeczywista
ID
IF
UR
UD
UF
Przebicie
RU
lawinowe
IR
Przebicie D
RS
Zenera
2
2014-04-28
Dioda półprzewodnikowa
model dynamiczny
C0
RU- rezystancja upływu,
RS  rezystancja szeregowa,
RU
C0  pojemność obudowy,
D
RS
Cd  pojemność dyfuzyjna, (stan przewodzenia),
Cj Cj  pojemność złączowa (stan zaporowy)
Cd
ID�t Dla ��t <<1
Cd = �t  czas  przejścia
n�T n - wsp. niedoskonałości
ĆT- potencjał termiczny
Cj(0)  pojemność bez polaryzacji,
C (U = 0)
j D
C =
j m
�ł1-UD UD  napięcie na diodzie (<0),
�ł
�ł �ł
Vj Vj  potencjał dyfuzyjny ( wbudowany ) (0,5 � 1V)
�ł łł
m  1/3�1/2 (1/2 dla krzemu????)
Diody półprzewodnikowe - parametry
1. Prąd przewodzenia IF (forward) :
- AV(M) (average)  średni, maksymalny
- RMS (root mean square)  skuteczny
- SM (surge maximum)  impulsowy maksymalny, niepowtarzalny
2. Napięcie przewodzenia UF (forward)
3. Prąd wsteczny IR (reverse); (M) - maksymalny
4. Napięcie wsteczne UR (reverse) :
- RMM (repetitive reverse maksimum)  maksymalne, powtarzalne
- SM (surge maximum)  impulsowe maksymalne
5. Czas powrotu trr (recovery time)
Diody półprzewodnikowe - parametry
Inne parametry:
6. Szybkość narastania UR dUR/dt
7. Moc
8. Zakres temperatur pracy
9. Rezystancja cieplna
3
2014-04-28
Model diody półprzewodnikowej
Parametry katalogowe
Symbol URRM IR UF @ I @ I
UFM trr C[pF]@ zastosowanie
F FSM
[V] [A] [V] [A] [ns]
[V] [uA] URRM
1N4002 100 50 0.9 1 2.3 25 3500 15 Dioda prostownicza
1A
1N4007 1000 50 0.9 1 2.3 25 5000 15 Dioda prostownicza
1A  1000V
BA159 1000 5 1.3 1 1.8 20 500 12/4V Szybka prostownicza
1N4148 75 25n 1 0.1 4A/1us 4 0.8 Szybka
przełączana
1N5819 40 1m 0.4 1 1.2 25 ? 40 Prostownicza
Shottky
BAT 43 30 100 0.3 0.002 1 0.2 5 5 Shottky
(zw. moc)
SDT06S60 600 200 1.7 6 21.5 00 15 Szybka,
Silicon-carbide wysokonapięciowa,
mocy; Shottky
DSEP12-12A 1200 100 2.7 15 90 40 ? Szybka,
wysokonapięciowa,
mocy
Diody półprzewodnikowe
Napięcie przewodzenia dla amatorów
UF @ IF UF[V] trr IR
UF @ IF UF[V] IR
UF @ IF UF[V] IR
UF @ IF UF[V] IR
rr
rr
rr
Symbol
Symbol
Symbol
Symbol
[V] [A] @ IF=1mA [ns] [źA]
[V] [A] @ IF=1mA [ns] [źA]
[V] [A] @ IF=1mA [ns] [źA]
[V] [A] @ IF=1mA [ns] [źA]
1N4002 (prostownicza 100V) 0.9 1 0.5 3500 50
1N4002 0.9 1 0.5 3500 50
1N4002 0.9 1 0.5 3500 50
1N4002 0.9 1 0.5 3500 50
1N4007 (prostownicza 1kV) 0.9 1 0.5 5000 50
1N4007 0.9 1 0.5 5000 50
1N4007 0.9 1 0.5 5000 50
1N4007 0.9 1 0.5 5000 50
BA159 (szybka 1kV) 1.3 1 0.47 500 5
BA159 1.3 1 0.47 500 5
BA159 1.3 1 0.47 500 5
BA159 1.3 1 0.47 500 5
1N4148 (przełączająca) 1 0.1 0.55 4 25nA
1N4148 1 0.1 0.55 4 25n
1N4148 1 0.1 0.55 4 25n
1N4148 1 0.1 0.55 4 25n
1N5819 Shottky 1A) 0.4 1 0.2 ? 1000
1N5819 (Shottky 0.4 1 0.2 ? 1
1N5819 Shottky 0.4 1 0.2 ? 1
1N5819 Shottky 0.4 1 0.2 ? 1
BAT43 (Shottky 0.2A ) 0.3 0.2 0.25 5 100
Shottky 5 100
Shottky 5 100
Shottky 5 100
SDT06S60 Shottky mocy) 1.7 6 0.4 40 200
SDT06S60 (Shottky 1.7 6 0.4 40 200
SDT06S60 Shottky 1.7 6 0.4 40 200
SDT06S60 Shottky 1.7 6 0.4 40 200
DSEP12-12A (zero trr) 2.7 15 0.7 000 !! 100
DSEP12-12A 2.7 15 0.7 00 100
DSEP12-12A 2.7 15 0.7 00 100
DSEP12-12A 2.7 15 0.7 00 100
LED IR 0.9
LED IR 0.9
LED IR 0.9
LED IR 0.9
LED R G Y O 1.3 � 1.6
LED R G Y 1.3 � 1.6
LED R G Y 1.3 � 1.6
LED R G Y 1.3 � 1.6
LED Blue & White 3.6
LED Blue
LED Blue
LED Blue
4
2014-04-28
Model dynamiczny diody
recovery time trr
E
UD
ID
t
D
E R
U~ID ID IF
trr
t
IR~IF !!!!!
UD
UD~0.7V
t
-E
Dioda
zależności temperaturowe
�ł �ł
UD �ł
�ł
ID = IS �łexp�ł �ł -1�ł
�ł �ł
�ł �ł
n�T
�ł łł
�ł łł
�ł �ł
dUD n�T ID 1 dIs
= ln�ł +1�ł - n�T =
�ł
dT T Is �ł Is dT
�ł łł
EG
�ł �ł
n�T ID e �T
= ln�ł +1�ł - - 3n
�ł
T Is �ł T T
�ł łł
Gdzie:EG  przerwa energetyczna (dla Si 1.12eV)
wtedy:
dUD mV
H" -2 dla ID = 2mA
deg
dT
Diody półprzewodnikowe  wpływ temperatury
1N4001
Wpływ temperatury na charakterystykę diody w kierunku przewodzenia
5
2014-04-28
dUD
jako funkcja prądu diody
dT
3
2.5
2
- - - - idealna
1.5
------- rzeczywista
(wpływ rezystancji
1
szeregowej Rs)
-1 0 1 2
10 10 10 10
[mA]
Diodowy czujnik temperatury
�ł �ł kT
UD �ł
+VCC
�ł
ID = IS �łexp�ł �ł -1�ł
�T =
�ł �ł
�ł �ł
n�T
�ł łł
�ł łł
e
ID1
ID2
UT
�ł �ł
ID2
�ł �ł
UT = UD2 -UD1 = n�T ln�ł �ł
D1 D2
ID1
�ł łł
�ł �ł
dUT nk ID2
= ln�ł �ł
�ł
dT e ID1 �ł
�ł łł
Dioda  zależności temperaturowe
ID
[mA; A]
UF(-2mV/deg)
UR IR(>1,5�2x/10deg)
UD
Przebicie lawinowe
[pA; nA; �A]
Uz>5.1V Uz<5.1V
Przebicie Zenera
6
[mV/K]
2014-04-28
Model diody półprzewodnikowej
model  fizyczny i SPICE a
�ł
�ł
UD �ł
�ł
ID = IS �łexp�ł �ł -1�ł
ID = IBV exp�ł- (BV +UD )nb�T �ł
�ł �ł
�ł �ł �ł
n�T �ł
�ł łł
�ł łł �ł łł
UD
ID�t RS
ID
Cd =
n�T
D
Cj
Cj (UD = 0)
Cj =
m
�ł1-UD �ł
Cd
�ł �ł
Vj
�ł łł
Model diody półprzewodnikowej
model  fizyczny i SPICE a
(przykładowe
NAZWA OPIS J.
wartości)
Napięcie przebicia wstecznego  kolano
BV V 40 -1600
charakterystyki
CJO Pojemność złącza przy zerowym napięciu polaryzacji F 0
EG Przerwa energetyczna eV 1.11
FC Współczynnik granic linearyzacji pojemności Vd>0 0.5
IBV Prąd przebicia przy napięciu BV (dodatni) A 1E-10
IS Prąd nasycenia A 1E-14
M Współczynnik gradientu domieszkowania złącza 0.33 - 0.5
N Współczynnik emisji 1 - 2
RS Szeregowa rezystancja pasożytnicza &! 0  0.5
&!
&!
&!
TT Czas przelotu s 5ns - 5�
�s
�
�
VJ Potencjał złącza (bariery) V 0.4  0.8
XTI Wykładnik potęgi zależności prądu IS od temperatury 3
Model linearyzowany
- dynamiczny - małosygnałowy
punkt pracy Q
I
Q
IQ I (t) = IQ + i sin(�t)
U
UQ
dU u
rd = H"
dI i
U (t) = UQ + u sin(�t)
7
2014-04-28
Dioda - rezystancja dynamiczna
małosygnałowa - dynamiczna
�ł �ł
UD �ł
�ł
ID = IS �łexp�ł �ł -1�ł
ID
�ł �ł
�ł �ł
n�T
�ł łł
�ł łł
�ł �ł
ID + IS
�ł �ł
UD = n�T ln�ł �ł
Q
IS
�ł łł
IQ=1mA
dUD n�T n�T
I(t) = IQ + i sin(�t) rd = = H"
dID I =IQ ID + Is ID
D
UQ
dUD u
rd = H"
dID ID =IQ i
25mV
U (t) = UQ + u sin(�t)
rd = = 25&! dla ID = 1mA; n = 1
1mA
Dioda - rezystancja dynamiczna
małosygnałowa - dynamiczna
dUD n�T n�T
rd = = H"
dID ID =IQ ID + Is ID
25mV 25mV
rd = = = 25&! dla ID = 1mA; n =1
ID 1mA
25mV
rd = = 250&! dla ID =100�A; n = 1
0.1mA
25mV
rd = = 2,5k&! dla ID =10� A; n = 1
0.01mA
UMOWNY !!!! Zakres liniowości dla diody wynosi około 25mV
Dioda - rezystancja dynamiczna
małosygnałowa - dynamiczna
U (t) = UQ + u sin(�t)
rd(IQ)
RS
I(t) = IQ + i sin(�t)
Cj
dUD u �T Cd
rd = H" H"
dID ID =IQ i ID
8
2014-04-28
Dioda
przełącznik diodowy
D
C=1u Uwy ?
rdH" "
R=4k6 4k6
BRAK SYGNAA
U NA WYJŚCIU
+9
Uwy ?
D
C=1u
rdH" 25&!
R=4k6 4k6
JEST SYGNAA
NA WYJŚCIU
+9
Model linearyzowany
- dynamiczny - małosygnałowy
I
IQ
I(t) = IQ + i sin(�t)
U
UQ
dU u �T
rd = H" H"
dI i ID
U (t) = UQ + u sin(�t)
Dioda -- klucz mostkowy
układ próbkująco - pamiętający
impuls próbkujący
R
D
Uwyj
Uwe
C
R
9
2014-04-28
Dioda modele
" Model fizyczny (Shokley a)
" Model numeryczny (SPICE)
" Model dynamiczny (małosygnałowy)
" Model odcinkowo liniowy
" Model stałego spadku napięcia
" Model idealny (przełącznik)
Model odcinkowo liniowy
ID
rdsr
rdsr
ED
UDED
ED UD
Model o stałym spadku napięcia
ID
rdsr=0
ED
UDED
ED
UD
10
2014-04-28
Model idealny
ID
rdsr=0
UDED
ED=0
UD
Diody prostownicze
Cechy charakterystyczne:
- duża powierzchnia warstw zaporowych
- niewielkie częstotliwości pracy (głównie 50 lub 100
Hz); chyba, że szybkie np.. Schottkye go
- szeroki zakres mocy dopuszczalnych
- stosowane głównie w układach zasilających do
prostowania prądów przemiennych
Diody prostownicze
11
2014-04-28
Diody detekcyjne i mieszające
Charakterystyki i symbol takie jak dla diody prostowniczej
(oprócz diody wstecznej).
Cechy charakterystyczne:
- szeroki zakres częstotliwości pracy: Hz  GHz
- bardzo mała powierzchnia złącz  małe pojemności: pF
- praca ze znacznie mniejszymi prądami w porównaniu do
diod prostowniczych.
Do grupy tej należą: diody ostrzowe germanowe lub
krzemowe, diody Schottkye go, diody wsteczne.
Diody detekcyjne i mieszające  diody
ostrzowe
Parametry dynamiczne:
- pojemność diody przy określonej częstotliwości i określonym napięciu
wstecznym
- sprawność detekcji: stosunek mocy sygnału zdemodulowanego do
mocy sygnału zmodulowanego
- czułość prądowa  zdolność do oddawania przez diodę użytecznych
sygnałów wyjściowych dla danego sygnału zmodulowanego w. cz.
- względna temperatura szumów diody  stosunek mocy szumów diody
w danym paśmie do mocy szumów cieplnych idealnego rezystora
liniowego mającego tą samą temperaturę co dioda
- moc admisyjna
Dioda pojemnościowa
 warikapy i  waraktory
Cj (UD = 0)
Warikap (VARiable
C =
j m
CAPacitance)  dioda
�ł1-UD �ł
o zmiennej
�ł �ł
Vj pojemności do
�ł łł
przestrajania
obwodów
rezonansowych
(BB113,109,105)
Waraktor (VARiable
reaCTOR)  dioda o
zmiennej reaktancji 
element nieliniowy
stosowany w
mikrofalach
12
2014-04-28
Diody stabilizacyjne Zenera (stabilitrony)
Symbol, charakterystyka układ polaryzacji
I
Uzmax Uz
U
Izmin
R
+
IZQ
Uwe Uwy = UZQ
Izmax
-
Pmax
Diody stabilizacyjne Zenera (stabilitrony)
I
UZQ = UZ +(IZQ - IZ min)rd
dla: UZQ UZ
U
Izmin
IZ min < IZQ < IZ max "UZ
"IZ
IZQ
UZ
"UZ
rd =
= "IZ
rd
Pmax
Dioda stabilizacyjna Zenera
główne parametry
" Napięcie Zenera (3V3 � 30V; 200V � 240V)
" Prąd minimalny (3 � 5 mA)
" Moc (1  10W)
" Rezystancja dynamiczna (10 � 300&!)
 Minimalna dla Uz=7V5
" Współczynnik temperaturowy (-5�+15%/K)
 Zerowy dla UZH"5V1
13
2014-04-28
Dioda stabilizacyjna Zenera
wsp. Temperaturowy i
rezystancja dynamiczna
Diody stabilizacyjne Zenera - parametry
Dioda tunelowa
- wzmacnianie i generacja mikrofal
L Rs -Rt
Cj
14
2014-04-28
Dioda wsteczna
- detekcja mikrofal
ID
UD
U
D
ID
Dioda wsteczna
- detekcja mikrofal
Mikrofalowe diody modulacyjne, tłumiące i
przełaczające typu PIN
Budowa a) i schematy zastępcze: b) polaryzacja
zaporowa, c) polaryzacja w kierunku przewodzenia
W kierunku zaporowym dioda stanowi kondensator o
niewielkiej pojemności.
15
2014-04-28
Mikrofalowe diody modulacyjne, tłumiące i
przełaczające typu PIN
W kierunku przewodzenia do obszaru o dużej rezystywności
 I (półprzewodnik samoistny) wstrzykiwane są dziury z  P i
elektrony z  N , powodując wzrost konduktywności tego
obszaru proporcjonalny do płynącego prądu.
Zastosowania:
- modulator amplitudy
- klucz
- tłumik
Diody elektroluminescencyjne LED
" Parametry orientacyjne:
 Długość fali:
" (400UV,455B,565G,590Y,620O,660R, 880IR,940IR nm)
 Szerokość spektralna (50 � 200nm)
 Jasność (0.1 � 10000 mcd)
 Kąt świecenia (10 � 90 deg)
Fotodioda; Fotoogniwo
ID
UD
Fotoogniwo
Fotodioda
I<0; U>0
I<0;U<0
wzrost oświetlenia
16
2014-04-28
Fotodioda
I ~ Psw
Fotodioda
" Główne parametry
 zakres spektralny (UV, VIS, IR)
 czułość (A/W)- typowo 0.5A/W dla IR
 czas odpowiedzi (ns � �s)
 pojemność (związana z czasem)
 upływność
Fotoogniwo
" Główne parametry:
 zakres spektralny
 napięcie (zależy od rodzaju półprzewodnika 
dla Si 0,7V)
UD
" wydajność prądowa
 sprawność (5-10%)
ID
17
2014-04-28
Podsumowanie
" Właściwości diody półprzewodnikowej
" Model małosygnałowy diody
" Rodzaje diod:
 Zenera,
 Gunna
 Wsteczna,
 Pojemnościowa,
 LED,
 Ogniwo fotowoltaiczne
 -& & ..
18