1 1 1

Δίοδος επαφής

2

http://www.electronics.teipir.gr/personalpages/papageorgas/ download/3/

3 3 3

Θέματα που θα καλυφθούν

• 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

4

Επαφή p-n

Ποιοτική προσέγγιση

5

6 6 6

P N

Junction

Η νόθευση του κρυστάλλου ημιαγωγού και

με τους δύο τύπους δημιουργεί μια επαφή pn

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

Κάθε φορά που συμβαίνει κάτι τέτοιο δημιουργούνται ζεύγη ιόντων

Negative

ion

Positive

ion

Καθώς αναπτύσσεται αυτό το φορτίο ιόντων, εμποδίζει την

περαιτέρω μετακίνηση φορέων προς την επαφή

7 7 7

P N

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

Σαν αποτέλεσμα δημιουργείται στην επαφή μια περιοχή

απογυμνωμένη από φορτία που συμπεριφέρεται σαν μονωτής

Depletion layer

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

8

9

Επαφή pn

• 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

10 10 10

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 / ºC και στο απόλυτο μηδέν

γίνεται ίση με την τάση που αντιστοιχεί το

ενεργειακό χάσμα (1.25 V) για ένα e-

11 11 11

Ορθή πόλωση Forward bias

Οι φορείς κινούνται προς την επαφή με

αποτέλεσμα

την εξαφάνιση της περιοχής απογύμνωσης

Αν η εφαρμοζόμενη τάση είναι μεγαλύτερη από την

τάση φραγμού δυναμικού (δυναμικό επαφής),

η δίοδος άγει.

12 12 12

Ανάστροφη πόλωση Reverse bias

Οι φορείς ρεύματος απομακρύνονται

από την επαφή

Η περιοχή απογύμνωσης διευρύνεται

και η δίοδος δεν άγει (diode is off)

13 13 13

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.

• Το ανάστροφο αυτό ρεύμα που οφείλεται σε

φορείς μειονότητας που κινούνται λόγω

θερμικής κίνησης ονομάζεται ρεύμα κόρου-

saturation current.

14 14 14

Κατάρρευση Διόδου Diode breakdown

• Οι δίοδοι δεν αντέχουν ακραίες τάσεις

ανάστροφης πόλωσης.

• Σε υψηλές ανάστροφες πολώσεις συμβαίνει ένα

φαινόμενο χιονοστιβάδας φορέων- carrier

avalanche λόγω της γρήγορης κίνησης των

φορέων μειονότητας.

• Οι τυπικές τιμές τάσης ανάστροφης πόλωσης

κλιμακώνονται από 50 volts έως 1 kV.

15

Ενεργειακές στάθμες στην επαφή

p-n

Ποιοτική Ανάλυση

16

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

Eg

Eo=qVo

++

++

++

- -

- -

- -

17

Eg E=q(Vo-V)

Ανάστροφη Πόλωση

Ορθή πόλωση E=q(Vo-V)

Στην ανάστροφη πόλωση το

V είναι αρνητικό

Στην ορθή πόλωση το V είναι

θετικό

(-) (+)

(+)

(-)

Την επαφή την διαρρέει ρεύμα

φορέων μειονότητας (πολύ μικρό)

Την επαφή την διαρρέει ρεύμα

φορέων πλειονότητας (μεγάλο)

+++

+++

+++

- - -

- - -

- - -

+

+

+

-

-

-

18 18 18

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).

19 19 19

Ανάστροφο ρεύμα διόδου

• Το ανάστροφο ρεύμα IS (ρεύμα

κορεσμού), διπλασιάζεται για κάθε

αύξηση της θερμοκρασίας 10 ºC ενώ δεν

εξαρτάται από την ανάστροφη τάση

πόλωσης.

20

Επαφή p-n

Αναλυτική προσέγγιση

21

Επαφή p-n

22

23

Συγκεντρώσεις φορέων πριν τον

σχηματισμό απότομης επαφής pn

24

Μετά τον σχηματισμό απότομης επαφής pn

25

Δυναμικό επαφής pn χωρίς πόλωση

VT=(kT/q)

θερμική τάση ≈

25mV στους 25ºC

NA=συγκέντρωση

αποδεκτών

ND=συγκέντρωση

δοτών

ni=συγκέντρωση

φορέων

ενδογενούς

ημιαγωγού

26

Υπολογισμός Δυναμικού επαφής pn

χωρίς πόλωση

27

Ρεύμα ορθά πολωμένης επαφής pn

Το ρεύμα Is είναι το ολικό ρεύμα φορέων μειονότητας

Το ονομάζουμε ρεύμα κόρου (saturation current)

28

Ρεύμα ορθά πολωμένης επαφής pn

29

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

30

Κατάρρευση ανάστροφα πολωμένης

επαφής pn

31

Κατάρρευση ανάστροφα πολωμένης

επαφής pn

Δίοδος Zener: ειδικά κατασκευασμένη

Δίοδος με συγκεκριμένη τάση κατάρρευσης.

Εφαρμογές σε κυκλώματα που απαιτούν

τάσεις αναφοράς, τροφοδοτικά κλπ.

32

Χωρητικότητα επαφής pn

33

Χωρητικότητα επαφής pn

34

Χωρητικότητα επαφής pn

Δίοδος Varactor: ειδικά

κατασκευασμένη

Δίοδος με συγκεκριμένη

απόκριση χωρητικότητας για

συγκεκριμένη ανάστροφη

πόλωση.

Χρήση σε ταλαντωτές, πομπούς

εκπομπής, ραδιόφωνα κλπ.

35

Δίοδοι εκπομπής φωτός - LEDs

36

Δίοδοι εκπομπής φωτός - LEDs

37

38

Δίοδοι εκπομπής φωτός - LEDs

39

Φωτοδίοδοι – Φωτοανιχνευτές –

Οπτοζεύκτες – Ηλιακά στοιχεία.

40

Φωτοδίοδοι – Φωτοανιχνευτές –

Οπτοζεύκτες - Ηλιακά στοιχεία.

41

Η δίοδος σε κύκλωμα.

42

Η δίοδος σε κύκλωμα.

43

Η δίοδος σε κύκλωμα.

44

Η δίοδος σε κύκλωμα. (γραφικός τρόπος)

Για V=0, I=E/R

Για Ι=0, V=E

45

Η δίοδος σε κύκλωμα. (γραμμικό μοντέλο)

Για V<Vth, I=0,

Για V>Vth, I=V/RD

46

Η δίοδος σε κύκλωμα. (μοντέλα διόδων)

Για V<Vth, I=0,

Για V>Vth, I=Ε/R

Για V<Vth, I=0,

Για V>Vth, I=(E-Vth)/(R+RD)

47

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)

48 48 48

49

49

50 50

51

Ασκήσεις Επαφής p-n

• Για μια επαφή p-n Ge με απότομη μεταβολή συγκεντρώσεων προσμίξεων (impurities) η συγκέντρωση NA των αποδεκτών είναι ίση 10-8 άτομα για κάθε άτομο πυριτίου (ισοδύναμα 1 άτομο πρόσμιξης για κάθε 108 άτομα Ge ή 0.01 ppm/ parts per million/μέρη στο εκατομμύριο). Να υπολογιστεί η τάση επαφής στην θερμοκρασία των 300 ºΚ.

52

Ασκήσεις Επαφής p-n

Δίνεται η πυκνότητα του Ge 5.32 gr/cm3

και η συγκέντρωση των φορέων του ενδογενούς

ημιαγωγού στην προαναφερθείσα θερμοκρασία

ni=2.4x1013 φορείς ανά cm3 ενώ το ατομικό

βάρος του είναι 73.

53

Ασκήσεις Επαφής p-n

• Σε 1 cm3 αντιστοιχούν 5.32/73 mole.

• Επομένως ο αριθμός των ατόμων Ge ανά cm3 θα

είναι NGE=(5.32/73)x6.02x1023 άτομα=4.4 x 1022

άτομα ανά cm3. Η συγκέντρωση των αποδεκτών

για την περιοχή p θα είναι NA= NGE/108= 4.4 x

1014 άτομα αποδεκτών ανά cm3. Επομένως η

συγκέντρωση των δοτών θα είναι ND=NAx103=

4.4 x 1017 άτομα δοτών ανά cm3

54

Ασκήσεις Επαφής p-n

• Επομένως η τάση επαφής

VO=VTxln(4.4x1017x4.4x1014)/(2.4x1013)2=

VTxln(3.36x105)=VTx12.72=

=(25mV)x12.72≈0,318V

Και ο ενεργειακός φραγμός EO θα είναι

EO=qeVO=0,318 eV

55

Ασκήσεις Επαφής p-n

• Να επαναληφθεί η άσκηση με τα δεδομένα συγκεντρώσεων προσμίξεων που ακολουθούν για επαφή pn ημιαγωγού πυριτίου Si και για θερμοκρασία επαφής θ=27 ºC.

56 56

Βιβλιογραφία

• [1] Βασική Ηλεκτρονική A.P. Malvino,

Εκδόσεις Τζιόλα

• [2] Χαριτάντης Γ. Ηλεκτρονικά Ι.

Εισαγωγή στα Ηλεκτρονικά. Εκδόσεις

Αράκυνθος 2006

• [3] Forrest Mims, Getting Started in

Electronics, 1983

56

57 57 57