Β.2

Εισαγωγή στα

Ηλεκτρονικά

2018 – 2019, Τμήμα Β2

Δημήτρης Γουστουρίδης

Μέρος IIΙ

Δίοδος ΕπαφήςΈννοιες που θα αναλυθούν

• Ορθή πόλωση Forward bias

• Ανάστροφη πόλωση Reverse bias

• Κατάρρευση Breakdown

• Ενεργειακά επίπεδα Energy levels

• Το δυναμικό φραγμού σε συνάρτηση με

την θερμοκρασία Barrier potential and

temperature

• Ανάστροφα πολωμένη δίοδος Reverse-

biased diode

• Φωτοεκπέμπουσες Δίοδοι Light Emitting

Diodes (LEDs)

• Φωτοδίοδοι Photodiodes PDs

• Δόδοι Zener

• Εφαρμογές Διόδων

•

Επαφή p-n Ποιοτική προσέγγιση

Επαφή p-n Ποιοτική προσέγγιση

Η νόθευση του κρυστάλλου ημιαγωγού καιμε τους δύο τύπους δημιουργεί μια επαφή pn

P NJunction

Negative

ion

Positive

ionΚάποια ηλεκτρόνια θα διαπεράσουν την επαφή και θα ενωθούν με οπές.

Κάθε φορά που συμβαίνει κάτι τέτοιο δημιουργούνται ζεύγη ιόντων

Καθώς αναπτύσσεται αυτό το φορτίο ιόντων, εμποδίζει την περαιτέρω μετακίνηση φορέων προς την επαφή

Επαφή p-n Ποιοτική προσέγγιση

Κάθε ηλεκτρόνιο που μετακινείται από την n περιοχή διαμέσου της επαφής συμπληρώνει μια αντίστοιχη οπή στο p τμήμα με

αποτέλεσμα την εξαφάνιση των αντίστοιχων φορέων ρεύματος

(περιοχή διάβασης-έλλειψης φορέων-απογύμνωσης <1μm)

Σαν αποτέλεσμα δημιουργείται στην επαφή μια περιοχή απογυμνωμένη από φορτία που συμπεριφέρεται σαν μονωτής

P N

Depletion layer

Επαφή p-n Ποιοτική προσέγγιση

Επαφή p-n Ποιοτική προσέγγιση

Δημιουργείται κατάσταση δυναμικής ηλεκτρικής ισορροπίας όπου οι δυνάμεις

που προκαλούν την διάχυση φορέων εξισορροπούνται από τις δυνάμεις του

ηλεκτροστατικού πεδίου που δημιουργείται από τα ιόντα που σχηματίζονται

Το δυναμικό επαφής (φραγμού) pn

Η διάχυση των ηλεκτρονίων δημιουργεί ζεύγη ιόντων.

Δημιουργείται ηλεκτρικό πεδίο που αντιτίθεται στην διαδικασία.

Η επαφή θα βρεθεί σε ισορροπία όταν ο φραγμός δυναμικής ενέργειας (barrier potential) θα εμποδίζει την περαιτέρω διάχυση (diffusion).

Στους 27 ºC, για μια δίοδο πυριτίου το δυναμικό επαφής είναι περίπου 0.65 volts. Μειώνεται με την θερμοκρασία 2mV / ºCκαι στο απόλυτο μηδέν γίνεται ίση με την τάση που αντιστοιχεί το ενεργειακό χάσμα (1.25 V) για ένα e-

Ορθή πόλωση Forward bias

Οι φορείς κινούνται προς την επαφή με

αποτέλεσμα

την εξαφάνιση της περιοχής απογύμνωσης

Ανάστροφη πόλωση Reverse bias

Οι φορείς ρεύματος απομακρύνονται

από την επαφή

Πόλωση διόδου-Diode bias

Οι δίοδοι πυριτίου άγουν με την εφαρμογή ορθής πόλωσης περίπου 0.7 volts.

Με την ανάστροφη πόλωση, η περιοχή απογύμνωσης διευρύνεται και η δίοδος δεν άγει.

Υπάρχει ένα μικρό ρεύμα στην ανάστροφη πόλωση που οφείλεται στους φορείς μειονότητας- minority carrier current και ονομάζετε ρεύμα κόρου-saturation current.(θα δούμε το γιατί σε λίγο)

Κατάρρευση Διόδου Diode breakdown

Οι δίοδοι δεν αντέχουν ακραίες τάσεις ανάστροφης πόλωσης.

Σε υψηλές ανάστροφες πολώσεις συμβαίνει ένα φαινόμενο χιονοστιβάδας φορέων- carrier avalancheλόγω της γρήγορης κίνησης των φορέων μειονότητας.

Οι τυπικές τιμές τάσης ανάστροφης πόλωσης κλιμακώνονται από 50 volts έως 1 kV.

Ενεργειακές στάθμες στην επαφή p-n

Eg

Eo=qVo

++

++

++

- -

- -

- -

Σε μια απότομη επαφή p-n οι

ενεργειακές ζώνες

στην p περιοχή βρίσκονται

υψηλότερα συγκριτικά με την

n περιοχή

Για να διαχυθεί ένα

ηλεκτρόνιο διαμέσου της

επαφής προς την p πλευρά

είναι σαν να αντιμετωπίζει

έναν ενεργειακό λόφο.

Πρέπει να πάρει αυτή την

πρόσθετη ενέργεια από μια

εξωτερική πηγή

Ενεργειακές στάθμες στην επαφή p-n

EgE=q(Vo-V)

E=q(Vo-V)

Στην ανάστροφη πόλωση το

V είναι αρνητικό

Στην ορθή πόλωση το V είναι

θετικό

(-)(+)

(+)

(-)

+++

+++

+++

- - -

- - -

- - -

+

+

+

-

-

-

Ανάστροφη Πόλωση

Ορθή πόλωση

Την επαφή την διαρρέει ρεύμα

φορέων μειονότητας (πολύ μικρό)

Την επαφή την διαρρέει ρεύμα

φορέων πλειονότητας (μεγάλο)

Θερμοκρασία Επαφής Junction temperature

Η θερμοκρασία επαφής είναι η θερμοκρασία στο εσωτερικό της διόδου, στην επαφή pn.

Όταν η δίοδος άγει, η θερμοκρασία επαφής είναι μεγαλύτερη από αυτή του περιβάλλοντος (PD=VDxID).

Το δυναμικό επαφής είναι μικρότερο σε υψηλότερες θερμοκρασίες-μειώνεται κατά περίπου 2 mV για αύξηση θερμοκρασίας επαφής κατά ένα βαθμό Κελσίου (-2mV/ºC).

Ανάστροφο ρεύμα κόρου Το ανάστροφο ρεύμα IS (ρεύμα κορεσμού), διπλασιάζεται για κάθε

αύξηση της θερμοκρασίας 10 ºC ενώ δεν εξαρτάται από την ανάστροφη τάση πόλωσης.

(Θυμηθείτε: θερμική διέγερση φορέων)

Επαφή p-n Αναλυτική Προσέγγιση

Επαφή p-n Αναλυτική Προσέγγιση

Συγκεντρώσεις φορέων πριν τον σχηματισμό απότομης επαφής pn

Δυναμικό επαφής

pn χωρίς πόλωση

VT=(kT/q) θερμική τάση ≈ 25mV στους 25ºC

ni=συγκ. φορέων ενδογενούς ημιαγωγού

ND=συγκέντρωση δοτών

NA=συγκέντρωση αποδεκτών

Μετά τον σχηματισμό απότομης επαφής pn

Υπολογισμός Δυναμικού επαφής pn

χωρίς πόλωση

Si:

NA=2x1016cm-3,

ND=1x1016cm-3,

ni=1.5x1010cm-3

V0=687mV

Ge:

NA=2x1016cm-3,

ND=1x1016cm-3,

ni=2.4x1013cm-3

V0=319mV

Ρεύμα ορθά πολωμένης επαφής pn

Το ρεύμα Is είναι το ολικό ρεύμα φορέων μειονότηταςΤο ονομάζουμε ρεύμα κόρου (saturation current)

Ρεύμα ορθά πολωμένης επαφής pn

Ρεύμα ανάστροφα πολωμένης

επαφής pn

s

V

V

V

V

II

xeVVeV

eIsI

T

T

18025.0

1

1024.4,1.,10

),1(

Το ρεύμα I είναι ίσο με ολικό ρεύμα φορέων μειονότητας ή ρεύμα κόρου (saturation current) Is

Κατάρρευση ανάστροφα πολωμένης

επαφής pn

Κατάρρευση ανάστροφα πολωμένης

επαφής pn

Δίοδος Zener: ειδικά κατασκευασμένη Δίοδος με συγκεκριμένη τάση κατάρρευσης.Εφαρμογές σε κυκλώματα που απαιτούν τάσεις αναφοράς, τροφοδοτικά κλπ.

Χωρητικότητα επαφής pn

Χωρητικότητα επαφής pn

Χωρητικότητα επαφής pn

Δίοδος Varactor: ειδικά

κατασκευασμένη

Δίοδος με συγκεκριμένη

απόκριση χωρητικότητας για

συγκεκριμένη ανάστροφη

πόλωση.

Χρήση σε ταλαντωτές, πομπούς

εκπομπής, ραδιόφωνα κλπ.

Δίοδος Schottky• Πρόκειται για δίοδο που κατασκευάζετε με απότομη επαφή (όχι

ωμική) μεταξύ ημιαγωγού και μετάλλου.• Προσφέρει χαμηλή τάση κατωφλίου (0.15-0.45V) και πολύ υψηλές

συχνότητες λειτουργίας (πολύ μικρός χρόνος αποκατάστασης).

AnodeCathode

Δίοδοι εκπομπής φωτός - LEDs

Δίοδοι εκπομπής φωτός - LEDs

Δίοδοι εκπομπής φωτός - LEDs

Δίοδοι

εκπομπής

φωτός - LEDs

Δίοδοι εκπομπής φωτός - LEDs

Φωτοδίοδοι – Φωτοανιχνευτές –

Οπτοζεύκτες – Ηλιακά στοιχεία.

Φωτοδίοδοι – Φωτοανιχνευτές –

Οπτοζεύκτες – Ηλιακά στοιχεία.

Προσοχή! Αυτό δεν είναι δίοδος,

αλλά φωτοαντίσταση.

Η δίοδος σε κύκλωμα.

Η δίοδος σε κύκλωμα.

Η δίοδος σε κύκλωμα.

Η δίοδος σε κύκλωμα.

Για V=0, I=E/R

Για Ι=0, V=E

Ανάλυση μέσω χαρακτηριστικής εξόδου (γραφικός τρόπος)

Η δίοδος σε κύκλωμα.Ανάλυση μέσω γραμμικού μοντέλου

Για V<Vth, I=0,

Για V>Vth, I=V/RD

Η δίοδος σε κύκλωμα.Ισοδύναμα μοντέλα διόδου

Για V<Vth, I=0,Για V>Vth, I=Ε/R

Για V<Vth, I=0,Για V>Vth, I=(E-Vth)/(R+RD)

Για V<Vth, I=0,Για V>Vth, I=(E-Vth)/R

Η δίοδος σε κύκλωμα.Ισοδύναμα μοντέλα διόδου

• Φυσικά στα προηγούμενα μοντέλα δεν συμπεριλάβαμε άλλα στοιχεία των διόδων, όπως χωρητικότητα στην ανάστροφη πόλωση, ή αυτεπαγωγή (απόκριση συχνοτήτων).

• Τέτοιου είδους ανάλυση είναι εκτός του σκιπού του παρόντος μαθήματος

Schottky-diode-equivalent

Επίδραση θερμοκρασίας στο Is

Is=Aq((Dp/Lp)pn+ (Dn/Ln)np)

A η διατομή της επαφής, Lp, Ln το βάθος των περιοχών απογύμνωσης

Dp=VTμe, Dn =VTμp οι συντελεστές διάχυσης οπών, ηλεκτρονίων για τον συγκεκριμένο ημιαγωγό

np pnοι συγκεντρώσεις ηλεκτρονίων στην περιοχή p και οπών στην περιοχή n. Σε κατάσταση ισορροπίας np =ni2/NA

pn=ni2/ND

ni2≈T3exp(-EG/kT) (EG το ενεργειακό χάσμα)

Ανόρθωση • Με χρήση μιας διόδου

ανορθώνουμε το AC• Πλέον:

Vμέση = VDC = Vp/π Vp=VpAC-VDiode-threshlod

• Με μεγάλη κυμάτωση όμως!

Πλήρης ΑνόρθωσηΧρήση 2 διόδων και συμμετρικής τροφοδοσίας

Χρήση Γέφυρας (σε κάθε ημιπερίοδο εμπλέκονται 2 δίοδοι)

Η κυμάτωση παραμένει! Χρειαζόμαστε ένα Φίλτρο Εξομάλυνσης…

Πλέον: Vμέση = VDC = 2Vp/π Vp=VpAC-2VDiode-trheshlod

Εξομάλυνση – ημιανόρθωσηΗ χρήση ενός πυκνωτή σε συνδυασμός με το φορτίο R εξομαλύνουν την κυμάτωση (βαθυπερατό φίλτρο RC)

Στην ουσία ο πυκνωτής φορτίζετε και ακολούθως αποδίδει φορτία στο φορτίο R.

Όσο μεγαλύτερος ο πυκνωτής τόσο περισσότερα φορτία σωρεύει, όσο μεγαλύτερο το φορτίο (μικρότερη αντίσταση) τόσο ποιο γρήγορα ξεφορτίζετε.

Φυσικά για μεγάλους πυκνωτές και συνακόλουθα μεγάλα φορτία, πρέπει ο μετασχηματιστής να μπορεί να οδηγήσει με αρκετό ρεύμα!

Εξομάλυνση – πλήρης ανόρθωση

Η φόρτιση εκφόρτωση του πυκνωτή γίνεται πλέον κάθε T/2, συνεπώς η κυμάτωση μειώνετε στο ½.

Εξομάλυνση - Κυμάτωση

• Άρα η DC τάση εξόδου κυμαίνεται μεταξύ των τιμών Vp και Vp - Vr• Προφανώς με πλήρη ανόρθωση έχουμε την μισή κυμάτωση.• Όσο υψηλότερη η συχνότητα (μικρή περίοδος) τόσο μικρότερη η

κυμάτωση• Πρακτικά για κάθε Ampere ρεύματος (Vp/R) απαιτούνται

τουλάχιστον 1000μF πυκνωτής, καλύτερα 2200μF

Σταθεροποίηση

• Για την σταθεροποίηση της τάσης, ακολουθεί ηλεκτρονικό κύκλωμα με χρήση Zener – τρανζίστορ ή ολοκληρωμένων.

• Η παρουσίαση τέτοιων κυκλωμάτων ξεφεύγει από τους σκοπούς του μαθήματος….

ΑσκήσειςΠοιά θα πρέπει να είναι η αντίσταση R1, για την πόλωση των τριών διόδων LED σε σειρά του διπλανού σχήματος, ώστε το επιθυμητό ρεύμα λειτουργίας των LEDs να είναι 20mA α) εάν και οι τρείς LED είναι κόκκινες με τάση κατωφλίου 1.6 V. Να υπολογίσετε τον μέγιστο αριθμό διόδων LED που θα μπορούσαν να συνδεθούν σε σειρά. (Υπόδειξη: Να χρησιμοποιηθεί ΥΠΟΧΡΕΩΤΙΚΑ το μοντέλο σταθερής πτώσης τάσης)

V1

12V

R1

1kΩ

LED1

LED2

LED3

Για το κύκλωμα του διπλανού σχήματος, δίνονται ότι οι τάσεις zener της ZD1 είναι Vz=5.1V,της ZD2 είναι Vz=3.3V, της ZD3 είναι Vz=10V, ενώ η D1-1N4148 είναι μια δίοδος πυριτίου με τάση κατωφλίου 0.7V. Χρησιμοποιώντας τα ισοδύναμα μοντέλα σταθερής πτώση τάσης, να βρεθεί ποια είναι η τάση στην έξοδο Vout, η οποία μπορεί να συνδεθεί σε ένα από τα τέσσερα σημεία του σχήματος. Να συμπληρωθούν τα σχετικά

κενά στις τέσσερις εξόδους του σχήματος. Η τάση εισόδου Vin είναι στην περιοχή των 24V έως 30V.

Ασκήσεις

Για το κύκλωμα του διπλανού σχήματος, δίνονται R2=2 ΚΩ, R3=3 ΚΩ. Χρησιμοποιώντας το ισοδύναμο μοντέλο σταθερής πτώση τάσης και γνωρίζοντας ότι πρόκειται για διόδους πυριτίου, να βρεθούν τα ρεύματα που διαρρέουν την D1 και D2

Για το κύκλωμα του διπλανού σχήματος, δίνονται R1=1ΚΩ, R2=500Ω. Οι δίοδοι D1 & D2 είναι πυριτίου, με την τάση Zener της D2 ίση με Vz=6V. Χρησιμοποιώντας το ισοδύναμο μοντέλο σταθερής πτώση τάσης να βρεθούν όλα τα ρεύματα που διαρρέουν το κύκλωμα.