Złącze p-n, jest to struktura półprzewodnika monokrystalicznego utworzonego przez dwie
graniczące ze sobą warstwy typu p i typu n. Wskutek ich „połączenia” zachodzi dyfuzyjny
przepływu nośników prądu wywołanego gradientami koncentracji w obszarze granicznym warstw. Po obu stronach złącza tworzą się nieskompensowane ładunki nieruchomych centrów donorowych i akceptorowych.
Napięcie dyfuzyjne powoduje unoszenie elektronów i dziur w kierunkach przeciwnych do ich dyfuzji. W ten sposób powstają dwa strumienie prądu unoszenia nośników mniejszościowych Jpu, Jnu, skierowane przeciwnie do dwu strumieni prądu dyfuzji Jpd, Jnd, nośników większościowych.
Polaryzacja w kierunku zaporowym- polaryzacja zewnętrzna zgodna z
biegunowością napięcia dyfuzyjnego – bariera potencjału zwiększa się o wartość napięcia
zewnętrznego. Większej wartości bariery potencjału odpowiada większa wartość ładunku
przestrzennego, wzrasta szerokość warstwy zaporowej.
Polaryzacja w kierunku przewodzenia- polaryzacja zewnętrzna przeciwna w
stosunku do biegunowości napięcia dyfuzyjnego – bariera potencjału maleje. Mniejsza wartośćbariery potencjału to mniejsza wartość ładunku przestrzennego. Rośnie wtedy prawdopodobieństwo przejścia nośników większościowych ponad barierą i wzrastają składowe prądów dyfuzji.
Diody prostownicze - przeznaczone są do „prostowania” prądu przemiennego. Bardzo często jest to prostowanie prądu o częstotliwości 50Hz z sieci energetycznej. W tym przypadku stosowane sądiody krzemowe o dużych powierzchniach złącza. Pozwala to na przepływ prądów o znacznych wartościach (1A−100A).
Podstawowe parametry charakterystyczne:
I0 − dopuszczalny średni prąd przewodzenia − traktowany jako prąd znamionowy (typowo
1−100A),
UF − napięcie przewodzenia przy określonym prądzie przewodzenia IF, najczęściej przy
maksymalnym średnim prądzie wyprostowanym I0 (typowo 0,5−1,5V),
IR − prąd wsteczny, zazwyczaj podawany dla szczytowego napięcia w kierunku zaporowym, URSM
(<10nA).
2) Podstawowe parametry dopuszczalne:
URWM − szczytowe napięcie wsteczne pracy; dopuszczalne napięcie pracy diody − przed
przebiciem, (50V−2kV),
URSM − niepowtarzalne szczytowe napięcie wsteczne; bliskie napięciu przebicia (typowo 1,2−1,4 URWM),
IFRM − powtarzalny impulsowy prąd maksymalny (zwykle IFRM ~5−10 I0),
IFSM − niepowtarzalny szczytowy prąd przewodzenia (impuls 10ms i jeśli nie „odpocznie” − może
być kiepsko),
PTOT − dopuszczalna moc tracona w elemencie (typowo 1−100W). UWAGA: o możliwości pracy
diody (lub jakiegokolwiek innego elementu) w danych warunkach decyduje nie tylko
dopuszczalne napięcie i prąd, ale również iloczyn prądu i napięcia w danym punkcie pracy,
czyli wydzielana w danych warunkach moc admisyjna. Wydzielana moc powoduje bowiem
zazwyczaj wzrost temperatury elementu. W związku z tym zmianie ulegają dopuszczalne w
nowych warunkach pracy wartości prądów i napięć.
Tj − maksymalna temperatura złącza (typowo rzędu 140−175°C), musi leżeć z dala od zakresu
generacji termicznej nośników samoistnych;
Rth − rezystancja cieplna w określonych warunkach pracy.
PTOT = (Tj − Ta)/Rth
Diody Schottky’ego są to diody o złączu metal-półprzewodnik, na których powstaje także
potencjał dyfuzyjny na skutek różnych wartości pracy wyjścia elektronów z półprzewodnika i
metalu. Dioda tego typu nie wykazuje efektu bezwładnościowego przy przełączeniu w kierunku przewodzenia na kierunek zaporowy. Dlatego nadaje się jako prostownik w zakresie najwyższych częstotliwości. Złącze metal-przewodnik bez warstwy zaporowej otrzymuje się tylko dla ściśle określonych kombinacji materiałów.
Diody LED - W przypadku diod LED większościowe nośniki prądu wstrzykiwane przez złącze p-n do obszarów o przeciwnym typie przewodnictwa stają się nośnikami mniejszościowymi i rekombinująpo czasie zwanym średnim czasem życia tych nośników (po 5tałich koncentracja zmniejsza się do 1% wartości początkowej). Procesowi rekombinacji towarzyszy uwalnianie energii o wartości zależnej od szerokości pasma zabronionego.
Przebicie złącza p-n.
Przebicie złącza p-n objawia się gwałtownym wzrostem prądu przy polaryzacji złącza w kierunku zaporowym
napięciem większym niż pewnacharakterystyczna dla danego złącza wartość, nazywana napięciem przebicia. Istniejądwie przyczyny tego zjawiska:
-przebicie zenerazachodzi w złączach silnie domieszkowanych (koncentracje domieszek
>1019/cm–3). Złącze ma małą szerokość, poziom Fermiego leży powyżej EC lub poniżej EV – pasmo walencyjne po stronie p+ oraz pasmo przewodnictwa po stronie n+ znajdują się częściowo "naprzeciwko siebie". Płynie prąd tunelowania nośników lub prąd Zenera, elektron przy przejściu tunelowym nie zmienia energii. W stanie równowagi sumaryczny prąd płynący przez złącze p+ – n+ powinien być równy zeru. Pojawia się druga składowa prądu – tzw. prąd Esakiego IE. Przypolaryzacji w kierunku zaporowym przeważa składowa Zenera.
Przebicie lawinowe – polega na jonizacji atomów w sieci krystalicznej wskutek dostarczenia
energii przez swobodny nośnik ładunku, rozpędzony w silnym polu elektrycznym. Jeżeli szerokość
warstwy zaporowej jest znacznie większa niż średnia droga swobodna, to można mówić o
lawinowym powielaniu liczby nośników.Dla zjawiska przebicia lawinowego charakterystyczna jest wartość napięcia przebicia,
UpZ> 4Eg/q, w przypadku złącza krzemowego oznacza to UpZ> 7V.
Dioda w układzie stabilizacji napięcia
Do najważniejszych parametrów charakterystycznych diod stabilizacyjnych zalicza się:
– prądy i napięcia w kierunku przewodzenia i zaporowym przed przebiciem – jak dla diody prostowniczej,
– napięcie stabilizacji UZ zwykle przy I=0.1IZmax i rozrzut jego wartości dla określonego typu diody,
– temperaturowy współczynnik zmian napięcia stabilizacji (bezwzględny, wyrażony w 1/oC lub %/oC),
– parametr dynamiczny – rezystancja dynamiczna w zakresie zaporowym, rZ = UZ/IZ (przyrostowo),
– prąd wsteczny IR przy określonym napięciu wstecznym UR (zwykle przy UR = 1V).
Najważniejsze parametry dopuszczalne to:
– maksymalny prąd przewodzenia IFmax (w stab. dużej mocy dopuszczalny szczytowy prąd przewodzenia IFMmax),
– maksymalny dopuszczalny prąd stabilizacji najczęściej wyznaczany z zależności: IZmax = PTOT/UZ,
– maksymalna temperatura złącza TJmax (zwykle 150oC),
– maksymalna moc strat Pmax podawana dla Ta= 25oC.
Stabilizator parametryczny
Poprawę jakości działania prostownika uzyskuje się w układzie, w którym równolegle do obciążenia dołącza się
diodę stabilizacyjną. Zmiany napięcia wyjściowego pod wpływem zmian prądu obciążenia będą tym mniejsze im
bardziej stromo przebiega jej charakterystyka, czyli im mniejszy jest stosunek U/I. Definiuje on rezystancję
dynamiczną diody:
rZ = delta UZ/delta IZ.
Podstawowym zadaniem każdego stabilizatora jest uniezależnienie napięcia na obciążeniu od zmian napięcia
wejściowego oraz zmian rezystancji obciążenia RL. Zmiany RL powodują zmiany prądu obciążenia, a te z kolei
wywołują określone spadki napięcia na R1 oraz na rezystancji prostownika. W rezultacie napięcie na obciążeniu ulega
zmianie. Rezystor R1 należy zastosować w celu ograniczenia prądu płynącego przez diodę do wartości dopuszczalnej dla danego egzemplarza – przebicie nie jest zjawiskiem niszczącym, o ile zapewni się: IZ < PTOT/UZ. Przez R1 płynie prąd będący sumą prądu diody Zenera oraz prądu obciążenia. Z prawa Kirchoffa:
URL = U1 – R1(IRL + IZ). Jeżeli zmienia się wartość U1 o np. U1 to, aby napięcie na obciążeniu pozostało stałe, musi zajść: U1 – R1(IZ) = 0. Jeśli natomiast zmieniać się będzie prąd obciążenia IRL o wartość IRL to, aby URL pozostało stałe: IRL = – IZ. Proces stabilizacji URL przy zmianach napięcia U1 można przedstawić schematycznie: U1 o U1 URL o URL I1 = (IDZ + IRL) UR1 URL’<URL
Temperaturowy współczynnik napięcia stabilizacji
Cenną właściwością diod o UZ = 5 – 7V jest zerowy dryft napięcia stabilizacji pod wpływem temperatury
Wynika to ze współistnienia mechanizmu przewodnictwa Zenera i lawinowego. Beta = (1 / Uz)(dUz/dT).
Stabilizatory skompensowane posiadają we wspólnej obudowie diodę o napięciu UZ > 6V (gdzie dominującą rolęodgrywa przebicie lawinowe), połączoną szeregowo ze złączem pracującym w kierunku przewodzenia. Dodatni współczynnik diody o przebiciu lawinowym kompensowany jest przez ujemny dryft temperaturowy diody pracującej w kierunku przewodzenia (ok. –2mV/oC). W ten sposób można uzyskiwać diody o < 10–5/oC, przy napięciach stabilizacji powyżej 6,2V.