ZŁĄCZE p-n ELEMENTY ELEKTRONICZNE

(1)

ELEMENTY

ELEKTRONICZNE

AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICAW KRAKOWIE Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji Katedra Elektroniki

dr inż. Piotr Dziurdzia

paw. C-3, pokój 413; tel. 617-27-02, piotr.dziurdzia@agh.edu.pl

dr inż. Ireneusz Brzozowski

paw. C-3, pokój 512; tel. 617-27-24, ireneusz.brzozowski@agh.edu.pl

ZŁĄCZE p-n

charakterystyka I-U

wpływ temperatury, przebicie złącza, pojemność złącza i inne

EiT 2014 r. PD&IB 2

(2)

Ch-ka prądowo-napięciowa

WPŁYW TEMPERATURY

• Temperaturowy współczynnik prądu rewersyjnego nasycenia nośników mniejszościowych:

• Temperaturowy współczynnik prądu generacyjnego

EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - złącze p-n 3

Kierunek zaporowy



S



S S

S

I

dT d dT dI

TWI  I 1  ln



E kT



AT

n_i² ³exp _g₀/ _



 



 





 



  

 kT

E T kT T E dT A

TWIS d ^g ^g

0

0 1 3

ln 3 ln

Dla krzemu o E

_g

=1,21eV w T=300K otrzymujemy: TWI

_S15 %/K

 

 



 

 kT

E TWI

_GR₀

T 3

^g⁰

2 1

Dla krzemu o E

_g

=1,21eV w T=300K otrzymujemy: TWI

_GR07,5 %/K

Względne zmiany całkowitego prądu rewersyjnego zwykle wynoszą nie więcej niż 9 %/K Na każde 10K prąd rewersyjny podwaja się

Ch-ka prądowo-napięciowa

WPŁYW TEMPERATURY

Temperaturowy współczynnik napięcia przewodzenia

Kierunek przewodzenia

Zakres prądów dyfuzyjnych, gdy n 1 (U

_D

=U

_F

) wtedy:

_^ ^_^ ^_^



 



 

kT I qU nU I U

I

_S ^F

T F S

D

exp exp

zatem:





 



 







 



 



 TWU T

U TWI U dT U

dU dT U

dU U TWI U

TWI _F

T F S T

T F

F T F S D

1

TWU dU

F

U dT

F F



K T mV

U U q nk dt

dU

_g _F

const I F

D

/

3

₀

2 

 



 



 







UT – potencjał elektrotermiczny

(3)

Ch-ka prądowo-napięciowa

WPŁYW TEMPERATURY

I

_d

U

_d

T

-2mV/K

na każde 10K prąd podwaja się

Dioda jako termometr

EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne – zastosowanie diod 6

(4)

PRZEBICIE ZŁĄCZA p-n

Gwałtowny wzrost prądu po przekroczeniu pewnego napięcia polaryzującego złącze

zaporowo

• przebicie Zenera

• przebicie lawinowe

• przebicie cieplne

EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - złącze p-n: przebicie 7

U<0

EC

EF

EV

EC

EF

EV

PRZEBICIE ZENERA

Pole elektryczne w cienkiej warstwie zaporowej może wyrwać elektron z wiązania kowalencyjnego atomów sieci krystalicznej jonizacja elektrostatyczna – emisja wewnętrzna (zjawisko Zenera).

D B s

d

qN

l  2  (   U )

p

⁺

-n: N

_A

>>N

_D

wzrost koncentracji domieszek – węższa warstwa zaporowa złącza mniejsza szerokość bariery potencjału –

łatwiejsze tunelowanie nośników

P N

J_nu

Jpu

Przejście tunelowe elektronów

(5)

PRZEBICIE LAWINOWE

Silne pole elektryczne rozpędza swobodny nośnik do prędkości pozwalającej na rozerwanie wiązań kowalencyjnych w sieci krystalicznej – jonizacja zderzeniowa – powielanie lawinowe.

P N

U<0

_B+ U

Fn

Fp

Współczynnik powielania lawinowego:

m

UBR

U M



 





 1

1 _U_BR – napięcie przebicia złącza m – współczynnik,

dla Si: 2…6

Gęstość prądu: J  J

0

M

J₀ – gęstość prądu przed przebiciem

Natężenie pola elektrycznego musi być rzędu 10

⁵

V/cm

PRZEBICIE ZŁĄCZA p-n

Zródło: Figure 26 in Physics of Semiconductor Devices, Second Edition, S.M. Sze, John Wiley and Sons, New York, 1981, p.101 Koncentracja domieszek w obszarze bazy [cm^-1]

Napięcie przebicia [V]

Przebicie lawinowe

Przebicie Zenera

napięcie przebicia dla krzemu rodzaj przebicia 𝑈𝐵𝑅< 4𝑊_𝑔

𝑞 𝑈𝐵𝑅< 5V Zenera

4𝑊𝑔

𝑞≤ 𝑈𝐵𝑅≤ 6𝑊𝑔

𝑞 5V < 𝑈𝐵𝑅< 7V Zenara i lawinowe 𝑈_𝐵𝑅> 6𝑊𝑔

𝑞 𝑈𝐵𝑅> 7V lawinowe

(6)

WPŁYW TEMPERATURY

na napięcie przebicia

• Przebicie Zenera

T ↗  E _g ↘  I _tunelowy ↗

• Przebicie lawinowe

T ↗  amplituda drgań atomów sieci ↗

prawdopodobieństwo zderzeń ↗

droga swobodna ↘  energia kinetyczna nośników ↘ powielanie lawinowe ↘  I _lawinowy ↘

WPŁYW TEMPERATURY

na napięcie przebicia (U _Z )

Temperaturowy współczynnik napięcia przebicia

T U TWU U ^Z

Z

Z 

 1 

określa względne zmiany napięcia przebicia od

temperatury

(7)

WPŁYW TEMPERATURY

na napięcie przebicia

U

I

T

U

I

T

przebicie Zenera przebicie lawinowe

TWU _Z < 0 TWU _Z > 0

PRZEBICIE TERMICZNE

pod wpływem wzrostu temperatury rośnie prąd rewersyjny złącza

podgrzewanie i dalszy wzrost prądu dodatnie sprzężenie zwrotne

uszkodzenie złącza w skutek przegrzania

EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - złącze p-n: przebicie cieplne 14

(8)

EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne – złącze p-n: pojemność 15

Pojemność złączowa

powstaje w obszarze zubożonym, dlatego dominuje przy polaryzacji zaporowej złącza

l_d - szerokość obszaru zubożonego A – powierzchnia przekroju złącza

l

_d

p n

0

x

n 0

xp ₀

Gęstość ładunku

x 0

x

n 0

xp

qN

D

qN

A

D n

N qAx Q

_ ₀

A pN qAx Q ₀

2 1

2











 

 



 



D A

D A B

d N N

N N

l q w stanie równowagi,

przy braku polaryzacji zewnętrznej

 

²¹

2











 

 



 

 

D A

D A B

d N N

N N q

l  U przy polaryzacji

zewnętrznej napięciem U

A p D

n

N qAx N

qAx

Q 

₀



₀

d D A

A

n l

N N x N

 

0 d

D A

D

p l

N N x N

 

0

VERTE

POJEMNOŚĆ ZŁĄCZA

POJEMNOŚĆ ZŁĄCZOWA

POJEMNOŚĆ ZŁĄCZA

POJEMNOŚĆ ZŁĄCZOWA

 

²

1

2





 





 

 



D A

D A B d

D A

N N

N U N A

N l N

N qA N

Q  

du C  dQ

   

2 1

2





 







 

D A

B B

j

N N

N N U q A U d C dQ







d

j

l

C _  A

Skąd my to znamy?  

m

B j j

U U C C



 



 



1



0

2

1 m

3

1 m

dla złączy skokowych dla złączy liniowych

Dla złącza (p

⁺

-n) N

^A

>>N

D

, dlatego x

ⁿ⁰

≈l

_d

, x

^p0

≈0, wówczas:

 

2 1

2 2 



 





 

D

B

j

N

U q C A





wniosek: na podstawie pomiaru pojemności złączowej można określić koncentrację domieszki słabiej domieszkowanego obszaru (tu: typu n)

U C

j

0

C

j



B

  ²¹

2















 



 

 

D A

D A B

d NN

N N q l  U

(9)

POJEMNOŚĆ ZŁĄCZA

POJEMNOŚĆ DYFUZYJNA

Pojemność dyfuzyjna

dominuje przy polaryzacji złącza w kierunku przewodzenia, wynika z opóźnienia zmian napięcia względem zmian prądu Zakładamy złącze typu (p

⁺

-n), czyli: N

^A

>>N

D

, dlatego x

ⁿ⁰

≈l

_d

, x

p0

≈0

x

n

Q

p



prozkład nośników

p n

L x

n

e p p





  p

n



  



 0

n n

p

qA p x dx

Q 

Cały rozkład ładunków jest odnawiany dzięki wstrzykiwaniu ładunków przez przepływający prąd. W innym przypadku ów rozkład zanikałby na skutek rekombinacji po średnim czasie życia dziur τ

^p

w materiale typu n.

p D D

p

Q I

Q    

T D p D D p D D d

I dU

dI dU

C dQ

 

 



Skąd my to znamy?

EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne - złącze p-n: pojemność 18

POJEMNOŚĆ ZŁĄCZA

PODSUMOWANIE

zaporowy przewodzenia

kierunek pracy złącza

T D p D D p D D d

I dU

dI dU

C dQ

 

 



Dominuje pojemność złączowa

C

_j

>C

_d

Związana jest z gromadzeniem ładunku w warstwie zubożonej

U C

j

0

C

j



B

Dominuje pojemność dyfuzyjna C

_d

>>C

_j

Związana z przepływem prądu dyfuzyjnego

  _m

B j j

U U C C



 



 

 1 

0

(10)

EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne – złącze p-n: efekty dynamiczne 19

PRZEŁĄCZANIE DIODY

EFEKTY DYNAMICZNE

e

^g

R

u

d

i

^d

D

Przełączanie prądowe jeżeli:

s

d r

r R 

R E I_ME^F ^R

E

t

E

^F

-E

^R

t

U

58 0

,

1 _j

r RC

t dla m=1/2

125 0

,

1 _j

r RC

t dla m=1/3

R V E r R

V

I E ^F

S F F

7 . 0 7 .

0  



 

R V I_RE^R0.7



_F _R



s

I I

r

U  



j j

F j

r RC RC

V E RC E

t ln2 0.69

7 .

ln 0  

 

jeżeli E^F>>0.7V i E^F=E^R

rise time



 



 



R F t

s

I

t I t ln 1

storage time

j

f

RC

t  2 . 2

falling time f

s

off

t t

t

 

ZŁĄCZE p-n

modelowanie

EiT 2014 r. PD&IB 20

(11)

EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne – modele diod 21

MODELE DIOD

MODELE SYMBOLICZNE

schematy zastępcze

NIELINIOWE

wielkosygnałowe

LINIOWE

małosygnałowe

STATYCZNE DYNAMICZNE

EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne – wielkosygnałowy model diody 22

MODELE DIOD

MODEL WIELKOSYGNAŁOWY, STATYCZNY

 ¹ 

)

( 

^T



U

D

S D

D U I e

I ^

Równanie Shockleya



















 





















1 1

)

(

₀ ² ^T

S D D T

S D D

U r I U S U

r I U GR D

D

U I e I e

lub: I

to NIELINIOWE zależności wiążące prąd i napięcie diody

r

U

r

S

I(U) ^r

^U

– rezystancja upływu

(dla kierunku zaporowego) r

_S

– rezystancja szeregowa sterowane źródło prądowe

(wg jednego z powyższych równań)

(12)

EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne – wielkosygnałowy model diody 23

MODELE DIOD

MODEL WIELKOSYGNAŁOWY, DYNAMICZNY

r

_U

r

S

I(U) C

j

C

d

zjawiska dynamiczne są reprezentowane przez:

pojemność złączową C _j i dyfuzyjną C _d

EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne – dioda złączowa 11

DIODY W UKŁADACH ELEKTRONICZNYCH

KONDUKTANCJA O REGULOWANEJ WARTOŚCI

d d D D

d u

i u

g i 



 

d D

D

I i

i  

d D

D

U u

u  

P

punkt pracy P(U

_D

, I

_D

)

I

U

i

_d1

u

_d

I_D

U_D

i

_d2

u

_d

P

₂

ID2

U_D2

składowa stała

składowa zmienna

₂ ²

1 1

d d d d d

d

u

g i u

g  i 

g _d

(13)

EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne – małosygnałowy model diody 25

MODELE DIOD

MODEL MAŁOSYGNAŁOWY, LINIOWY

jeśli zmiany napięcia i prądu diody będą małe to NIELINIOWĄ ch-kę można

lokalnie LINEARYZOWAĆ w otoczeniu punktu pracy UWAGA:

i

_D

u

_D

Udt

i_D

t

UD

I_D PP

U

_k

1/r

_d

 ^ ¹ 



ⁿ^D^T

u S

D

I e

i

^

D T S D

T I

D U D

d

I

n I I

n di

r du

D D



 _

 



) , (

r

d

r

S

U

k

model dla kierunku przewodzenia

styczna w

punkcie pracy

D T

d I

r _ 

zwykle n = 1 i

d p T D p D D

d

r

I dU

C dQ  1

  



Skąd my to znamy?

(14)

EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne – dioda prostownicza 27

MODELE DIOD

MODEL MAŁOSYGNAŁOWY, DYNAMICZNY

j S

gr

r C

 1



pulsacja graniczna

r _d r S

C j

C d

r

_d

– rezystancja dynamiczna r

_S

– rezystancja szeregowa C

_j

– pojemność złączowa C

_d

– pojemność dyfuzyjna

tj. wtedy, gdy spadek napięcia na złączu jest porównywalny ze spadkiem napięcia na rezystancji szeregowej (r

S

)

DIODY

PROSTOWNICZA, STABILIZACYJNA,

TUNELOWA, ŚWIECĄCA,…

(15)

DIODA PROSTOWNICZA

Wykorzystuje fakt jednokierunkowego przepływu prądu przez złącze p-n

Parametry:

• maksymalny prąd przewodzenia

• maksymalne napięcie rewersyjne

• maksymalna moc strat (admisyjna) P _max

• prąd rewersyjny upływu

• rezystancja termiczna R

_th

• maksymalna temperatura złącza T

_jmax

• typowa pojemność złączowa

• inne

Elementy elektroniczne – dioda prostownicza

EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne – zastosowanie diod

DIODY W UKŁADACH ELEKTRONICZNYCH

POWIELACZE NAPIĘCIA POMPA ŁADUNKOWA OGRANICZNIK DIODOWY

KSZTAŁTOWANIE PRZEBIEGÓW NAPIĘCIOWYCH

DETEKTOR SZCZYTOWY

BRAMKA DIODOWA

PROSTOWNIK

i inne

30

(16)

Elementy elektroniczne – zastosowanie diod

DIODY W UKŁADACH ELEKTRONICZNYCH

PROSTOWNIK JEDNOPOŁÓWKOWY

I

D

U

D

t

i

^D

R

^L

E

U

^L

t

U L

C

L

>>

L L C

R T

Mała amplituda tętnień gdy

spełniony jest warunek: ?

E

t T

DIODY W UKŁADACH ELEKTRONICZNYCH

PROSTOWNIK DWUPOŁÓWKOWY

R

^L

E

U L

t C

^L

t

E T

32

(17)

Detektory wartości szczytowej pozwalają mierzyć woltomierzem prądu stałego wartość amplitudy przebiegów zmiennych.

Pojemność C ładowana jest przez diodę, duża rezystancja wewnętrzna woltomierza uniemożliwia jej szybkie rozładowanie. Krótkotrwałe zwarcie przycisku RESET powoduje rozładowanie pojemności z

małą stałą czasową τ=R

Z

C i przygotowanie układu do nowych pomiarów.

U

we

C D

V



V

 R

t U

we

R

^Z

V

RESET

DIODY W UKŁADACH ELEKTRONICZNYCH

DETEKTOR WARTOŚCI SZCZYTOWEJ

33

DIODA STABILIZACYJNA

Wykorzystuje odwracalne przebicie złącza o mechanizmie Zenera i/lub lawinowym.

Parametry:

• napięcie stabilizacji U _Z (często nazywane napięciem Zenera)

• temperaturowy współczynnik napięcia stabilizacji

• rezystancja dynamiczna r _z

• maksymalna moc strat (admisyjna) P _max

• prąd rewersyjny upływu

• rezystancja termiczna R

_th

• maksymalna temperatura złącza T

_jmax

Elementy elektroniczne – dioda stabilizacyjna

(18)

EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne – dioda stabilizacyjna 35

) , ( U

_Z

I

_Z

Z

Z Z

Z

Z I

U I

r U



 



 

Określa własności stabilizacyjne diody – nachylenie ch-ki w zakresie

przebicia

Rysunek zaczerpnięto z S. Kuta „Elementy i układy elektroniczne”, AGH 2000

Zależność TWU

_Z

i rezystancji dynamicznej od napięcia

stabilizacyjnego

DIODA STABILIZACYJNA

REZYSTANCJA DYNAMICZNA

DIODA STABILIZACYJNA

REZYSTANCJA DYNAMICZNA

http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/good-ark/BZX85C6V8.pdf

(19)

DIODA STABILIZACYJNA

DOPUSZCZALNA MOC STRAT P

_MAX

P _max określa maksymalną moc jaka może się wydzielić w diodzie przy określonej temperaturze.

Zwykle, w katalogach, podawana przy temperaturze obudowy T

_amb

=25

^o

C

th amb j

R T

P T 

 ^max

max

Przekroczenie dopuszczalnej mocy najczęściej powoduje uszkodzenie diody

przez przegrzanie

EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne – zastosowanie diody stabilizacyjnej 38

DIODY W UKŁADACH ELEKTRONICZNYCH





L

Z R

U 1 R



 





 L

L W ER R U R

L Z Z W E

Z R

U R

U I U  

P P

DIODY W UKŁADACH ELEKTRONICZNYCH

PARAMETRYCZNY STABILIZATOR NAPIĘCIA

DIODY W UKŁADACH ELEKTRONICZNYCH



 



 

L

Z R

U 1 R



 





 L

L W ER R U R

P(UWE, UWY)

u

we

Wpływ zmian napięcia wejściowego na

napięcie wyjściowe przy R

L

=const

(21)

DIODY W UKŁADACH ELEKTRONICZNYCH

PARAMETRYCZNY STABILIZATOR NAPIĘCIA

r

_Z

R

u

we

u

wy

we Z

Z

wy u

R r

u r 

 

Wpływ zmian napięcia wejściowego na napięcie wyjściowe

^WY

-0.7V +0.7V

-3.0V +3.0V

t U

WE

-10.0V +10.0V

-7.5V +5.0V

U

WY

⁴

m2: przewodzi (R1, D1, R2)  m2=(R2)/(R1+R2)

m3: przewodzi (R1, D1, D2, R2, R3)  m3=(R2||R3)/(R1+R2||R3)

m4: przewodzi (R1, D1, D2, D3, R2, R3, R4)  m4=(R2||R3||R4)/(R1+R2||R3||R4)

D

4

D

5

D

6

(23)

DIODY W UKŁADACH ELEKTRONICZNYCH

DEMODULACJA AM

EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne – dioda tunelowa 46

DIODA TUNELOWA

Dioda Esakiego powstaje ze złącza dwóch

„zdegenerowanych” półprzewodników p

⁺⁺

n

⁺⁺

. Półprzewodnik zdegenerowany to taki, w którym poziom koncentracji domieszki zbliża się do koncentracji atomów materiału.

E

^V

E

^C

E

^D

E

F

I U

p n

I

U

I

U

U I

(24)

EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne – dioda tunelowa 47

DIODA TUNELOWA

r d <0

I

U

-r _d

EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne – dioda świecąca 48

DIODA ELEKTROLUMINESCENCYJNA

IV C Si Ge Sn

V P As Sb III

B Al Ga In

III-V AlP AlAs

GaP GaAs GaSb

E

^V

E

^C

Zn S

hv=2,2eV E

^g

=2,26eV zielone

GaP

Rekombinacja promienista (luminescencja)

(25)

EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne – dioda świecąca 49

DIODA ELEKTROLUMINESCENCYJNA

I

0,7 2,5 U

L ^IGHT E ^MITTING D ^IODE

E R

ZŁĄCZE m-s

(metal – półprzewodnik)

DIODA SCHOTTKY’EGO

(26)

EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne – złącze m-s 51

ZŁĄCZE METAL-PÓŁPRZEWODNIK

Połączenie struktury półprzewodnikowej z końcówkami elementu (doprowadzenia)

• niskorezystancyjne

• nie wpływać na charakterystykę I-U elementu

ma być jest

• w pewnych warunkach może powstać złącze prostujące

• może też być niskorezystancyjne

ZŁĄCZE m-s

• Praca wyjścia W – energia potrzebna na przeniesienie

elektronu z poziomu Fermiego do nieskończoności (W _∞ - W _F )

• Powinowactwo elektronowe  - praca wyjścia z poziomu minimalnej energii w paśmie przewodnictwa E _C

metal

EF

WM

energia elektronu w próżni

E_C EF

E_V Ei

WS

_S

półprzewodnik typu n

(27)

ZŁĄCZE m-s

połączenie „myślowe”

metal

EC

E_F

E_V q0

półprzewodnik n qB

d_S

_B

– bariera potencjału

₀

– potencjał kontaktowy

Z równania Poissona:

D S

S

qN

d _ 2  

⁰

ZŁĄCZE m-s

KONTAKT OMOWY

EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne – złącze m-s: kontakt omowy 54

Przy polaryzacji napięciem U:

D S

S

qN

d  2  ( 

₀

 U )

N _D ↗  d _S ↘

może wystąpić tunelowanie – utrata własności prostujących złącza

metal

E_C E_F

EV

tunelowanie

półprzewodnik n qB

d_S

n+ n

Żeby wykonać kontakt omowy musi być

odpowiednia koncentracja domieszek

(28)

ZŁĄCZE m-s

DIODA SCHOTTKY’ego

EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne – złącze m-s: dioda Schottky’ego 55