P2. ZŁĄCZE PÓŁPRZEWODNIKOWE, DIODY

1. Co opisuje równanie Shockley’a? Podaj jego uproszczone wersje; kiedy można je stosować.

Równanie opisuje charakterystykę prądowo-napięciową złącza metal-półprzewodnik.

Przyjmując model złącza M-P w postaci szeregowo połączonych trzech rezystancji: metalu, warstwy zubożonej i półprzewodnika oraz uwzględniając fakt że konduktywność warstwy zubożonej jest bardzo mała, to o całkowitej rezystancji złącza decyduje rezystancja tej warstwy. Nieliniowe zmiany rezystancji warstwy zubożonej w funkcji napięcia zewnętrznego powodują, że charakterystyka tego złącza też jest nieliniowa.

1. Kupiono trzy diody LED o różnych kolorach świecenia. Która z nich będzie miała najwyższe napięcie progowe U_T0 przewodzenia i dlaczego?

Niebieska będzie miała większe od czerwonej, im większa długość fali (mniejsza energia) tym wyższe napięcie progowe.

1. Czym odróżnia się dioda Schottky’ego od zwykłych diod prostowniczych?

Diody Schottky’ego różnią się tym od zwykłych diod ostrzowych, że mają dość duży styk metal-półprzewodnik. Metal, którym jest np. złoto, srebro, pallad, najczęściej naparowuje się na półprzewodnik w próżni. Zwykle w diodach Schottky’ego stosuje się półprzewodnik typu n z powodu większej ruchliwości elektronów niż dziur. Dzięki temu otrzymuje się element półprzewodnikowy, który może być wykorzystywany w zakresie bardzo wielkich częstotliwości. W porównaniu z diodami ostrzowymi diody Schottky’ego przewyższają je tym, że:

• charakterystyki diod tej samej serii są bardziej powtarzalne niż w przypadku diod ostrzowych,

• są bardziej stabilne i niezawodne,

• odznaczają się większym napięciem wstecznym (kilkadziesiąt woltów)

• mogą przewodzić większe prądy,

• mają mniejszy prąd wsteczny,

• są bardziej odporne na przeciążenia,

• mają mniejsze szumy,

• przy tej samej wartości prądu mają mniejszą moc strat cieplnych.

Diody te jednak w porównaniu z diodami ostrzowymi mają większą pojemność międzyelektrodową.

1. Jakie znasz dwa podstawowe typy przebicia złączy p-n? Jakie są ich mechanizmy i właściwości?

Wyróżnia się dwa mechanizmy przebicia złącza: przebicie Zenera i przebicie lawinowe. Przebicie Zenera wiąże się z jonizacją elektrostatyczną atomów w sieci krystalicznej, natomiast przebicie lawinowe, z joizacją zderzeniową.

Jeśli napięcie polaryzujące jest odpowiednio duże (a więc obszar zubożony szeroki), to nośniki przechodzące przez obszar zubożony uzyskują dużą energię. Zderzając się z węzłami siatki krystalicznej (z atomami) przekazują im część swojej energii, co powoduje przejście elektronów do pasma przewodnictwa, a co za tym idzie również "utworzenie" dziur - innymi słowy ma miejsce jonizacja. Pojawiają się w ten sposób nowe nośniki, które również są przyspieszane, zderzają się z węzłami siatki itd. Proces ten nabiera charakteru lawinowego i nazywany jest przebiciem lawinowym

Zjawisko Zenera występuje w silnie domieszkowanych złączach p-n spolaryzowanych zaporowo. Objawia się gwałtownym wzrostem prądu (tzw. prądem Zenera) gdy napięcie polaryzujące przekroczy pewną charakterystyczną dla danego złącza wartość zwaną napięciem Zenera.

1. Z jakim elementem i którą częścią jego charakterystyki wiążesz zjawisko Zenera? Czy występuje ono we wszystkich takich elementach? Czym odróżnia się ono od innych, podobnych zjawisk?

Z diodami, z charakterystyką zatkania.

Zjawisko Zenera występuje dla napięć polaryzujących nie większych niż 5-6 V.

Dioda w układzie stabilizującym jest włączona w kierunku zaporowym. W zakresie pracy (w diodzie Zenera) niewielkie zmiany napięcia powodują duże zmiany natężenia prądu. 

Cechami, które pozwalają wydzielić diody Zenera jako oddzielną kategorię elementów, są:

• Przebicie niepowodujące uszkodzenia diody

• Napięcie przebicia określone dokładnie, z niewielką tolerancją, typowo 5% (dla np. diod prostowniczych ważne jest aby nie było mniejsze od zadanej wartości)

• Mała odporność dynamiczna

• Zapewnienie możliwie gwałtownego przejścia do stany przebicia złącza (możliwe ostre „kolano” na charakterystyce I=f(U)

1. Do czego służą diody pojemnościowe? Jak są polaryzowane, aby wykorzystać ich własności?

Diody pojemnościowe to diody półprzewodnikowe o konstrukcji specjalnie opracowanej do zastosowań, w których wykorzystuje się zjawisko zmian pojemności warstwy zaporowej złącza PN pod wpływem doprowadzonego z zewnątrz napięcia polaryzacji.

Wariakapy: elementy o zmiennej pojemności, stosowane w układach automatycznego przestrajania obwodów rezonansowych;

Waraktory: diody o zmiennej reaktancji spełniające funkcje elementów czynnych w układach parametrycznych.,  używane głównie w zakresie wysokich częstotliwości

1. Temperatura złącza p-n wzrosła o 50°C. Jak zmieniło się napięcie na nim przy stałym prądzie?

1.  Temperatura złącza p-n zmalała o 30°C. Jak zmienił się prąd wsteczny tego złącza?

1. Narysuj charakterystykę napięciowo-prądową diody, oznacz specyficzne zakresy pracy.