Dioda - ideální. Polovodičové diody. nelineární dvojpól funguje jako jednocestný ventil (propouští proud pouze jedním směrem)

Transkript

1 Polovodičové diody: deální dioda Polovodičové diody: struktury a typy Dioda - ideální anoda [m] nelineární dvojpól funguje jako jednocestný ventil (propouští proud pouze jedním směrem) deální vs. reálná charakteristika Parametry diod Modely pro propustný a závěrný směr katoda závěrná polarizace propustná polarizace lidový pracovní bod a náhradní lineární obvod diody Parametry modelu v PSpice plikace diod závěrná polarizace propustná polarizace < nevede proud > vede proud při nulovém úbytku napětí Polovodičové diody anoda anoda katoda katoda

2 Polovodičové diody deální V charakteristika přechodu P Shockleyho rovnice e exp k [m] William Shockley závěrný směr propustný směr e exp >> k / e k. [μ] V charakteristika diody B [m] průrazné napětí V závěrný proud typicky n@ [μ] nk 5m propustný úbytek e >> nk e n... ideality factor n ~ až e nk n e e eálná V- charakteristika diody (propustná) [] rekombinační proud reálná ideální difůzní proud e e nk vliv sériového odporu s n~ n~ n~ d~/ s d vysoká injekce

3 Difúzní napětí vliv dotace V- charakteristika reálné diody - propustný směr D k e D k n k p ln ln ln ni e np e p P P Proud (m) apětí (V) log log D x DOD P log log D x P, PP B-E S rostoucí koncentrací příměsí narůstá difúzní (prahové napětí) diody s p-n přechodem. Diody vyrobené na polovodiči s vyšší šířkou zakázaného pásu mají vyšší prahová napětí. P log log D x YSO G- oncentrace (cm -3 ) P + OD OD POPSÝ POD () D POPSÉ PĚÍ (V) V- charakteristika reálné diody - propustný směr V- charakteristika reálné diody - propustný směr oncentrace (cm -3 ) P + OD ÁBOJ + OD POPSÝ POD () POPSÉ PĚÍ (V) D klesá oncentrace (cm -3 ) P + OD ÁBOJ + OD POPSÝ POD () POPSÉ PĚÍ (V) D klesá

4 V- charakteristika reálné diody - propustný směr V- charakteristika reálné diody - propustný směr oncentrace (cm -3 ) P + OD ÁBOJ + OD POPSÝ POD () POPSÉ PĚÍ (V) D klesá oncentrace (cm -3 ) P + OD ÁBOJ + OD POPSÝ POD () POPSÉ PĚÍ (V) D klesá V- charakteristika reálné diody - propustný směr eálná V- charakteristika diody (závěrná) oncentrace (cm -3 ) P + OD ÁBOJ n p + OD POPSÝ POD () POPSÉ PĚÍ (V) D je malý Průraz -lavinový - tunelový (enerův) - tepelný generační proud reálná ideální 5 5 [μ]

5 V- charakteristika reálné diody - závěrný směr apětí V B -84V Proud m V- charakteristika reálné diody - závěrný směr apětí V B -84V Proud m oncentrace (cm -3 ) P + OD OP + OD oncentrace (cm -3 ) P + OD OP + OD V- charakteristika reálné diody - závěrný směr apětí V B -84V Proud m V- charakteristika reálné diody - závěrný směr apětí V B -84V Proud m oncentrace (cm -3 ) P + OD OD OP oncentrace (cm -3 ) P + OD OD OP

6 V- charakteristika reálné diody - závěrný směr apětí V B -84V Proud m Vliv teploty na V charakteristiku diody, B (lavinový průraz) B (enerův průraz) [m] 5 > oncentrace (cm -3 ) P + OD OD OP [μ] k n e ln ~ 3 / d ~ mv / d e E g k Vliv teploty a dotace na závěrnou charakteristiku a) b) Dynamické parametry doba závěrného zotavení t Doba závěrného zotavení t dává rychlost s jakou je dioda schopna přepnout z propustného do závěrného směru. ávisí na tom, jak je dioda resp. vnějšího obvod schopna odčerpat z přechoduin minoritní nositele injekované při propustné polarizaci. propustná polarizace závěrná polarizace 5 a) b) (V) 5 5 > (m) a) D < 5 m -3 b) D 5 m -3 (V) < 7 o C o C o C 7 o C Lavinový průraz a) enerův průraz b) (m) Proud (m) 3 M t rr M 5% M 9% M Čas (μs) M vrcholová hodnota propustného proudu M vrcholová hodnota proudu při závěrném zotavení t rr doba závěrného zotavení komutační náboj Q rr

7 omutace diody omutace diody + DD + DD + DD L MOSE nebo GB Proud () Č as (μ s) L MOSE nebo GB Proud () M 3 4 Č as (μ s) L MOSE nebo GB oncentrace (cm -3 ) P + OD OD malý odpor velký odpor oncentrace (cm -3 ) P + OD OP OD malý odpor omezení proudu na M omutace diody omutace diody + DD + DD Proud () L MOSE nebo GB Proud () L MOSE nebo GB 3 4 Č as (μ s) 3 4 Č as (μ s) oncentrace (cm -3 ) P + OD OD oncentrace (cm -3 ) P + OD OD

8 omutace diody Parametry diody (součástky) + DD Proud () Č as (μ s) L MOSE nebo GB Mezní (absolute ratings) Mezní hodnota proudu, napětí, teploty apod., po jejímž překročení dojde k destrukci součástky oncentrace (cm -3 ) P + OD OD Charakteristické (electrical/thermal characteristics) Hodnota proudu, napětí, kmitočtu, které charakterizují chování součástky (např. prahové napětí) resp. chodnoty po jejichž překročení nedojde k destrukci, ale pouze ke ztrátě funkce (mezní frekvence) Mezní parametry diody atalogový list diody [m] V SM M SM orward Verage Current orward Surge Maximum Current everse epetetive Maximum Voltage everse Surge Maximum Voltage ener Current V M everse epetetive Maximum Voltage B M V SM orward Verage Current orward Surge Maximum Current [μ] orward Voltage everse Current

9 Modely diod exponenciální Modely diod ideální dioda Exponenciální [m] deální [m] závěrná polarizace propustná polarizace pro >> e e k/e závěrná polarizace < propustná polarizace > Modely diod linearizace po částech Modely diod aproximace zdrojem napětí Linearizovaný po částech [m] proximace konstantním zdrojem napětí [m] < > ( - )/ D, D paramery modelu D < > pro Si@3.6-.7V

10 Dioda v obvodu Grafické řešení proud zdroje nakrátko CC 47 [m] CC + ( cc - )/ () G rce () [m] k CC / () () pracovní bod P [ o, o ] CC n. [μ].8 napětí zdroje naprázdno. [μ] áhradní lineární obvod (LO) pro okolí P [m] P Δ Δ linearizace charakteristiky tečnou v P o + d d Δ Δ Parametr PSpice Symbol ázev Jednotka d Model diody v PSpice D S saturační proud n emisní koeficient S s sériový odpor Ω VJ D difúzní napětí V CJO C j bariérová kapacita při M m dotační koeficient τ doba průletu s BV B průrazné napětí V BV B závěrný proud pro B S C D D C e D C d n k/e τ + Cj e n Cj + + D m

11 Parametry modelu diody v PSpice [m] S > plikace diod BV S X EG BV směrňovací - pro všeobecné použití (general-purpose) - s rychlým zotavením (fast recovery) enerova - stabilizace napětí (zdroj ref. napětí) Varikap - ladicí obvody, VCO,... Varaktor - násobení kmitočtu.... BV BV.4.6 Optoelektronické součástky: [μ].8. LED (Light Emitting Diode) otodioda (Photodiode) Laserová dioda (Diode Laser) enerova dioda - definováno průrazné napětí B (lavinový průraz) B (enerův průraz) [m] > Varikap (Variable capacitor) kapacitní dioda Praktické využití blokovací kapacity OP p-n přechodu rozšiřování OP (šířky dielektrické vrstvy) se závěrným napětím OP < C j > C j OP.4.6 w OP w OP.8. [μ] C j ε w OP C J Pro strmý P + přechod ε se D D ( + ) /

12 brání ~ zkratu L zdrojem napětí Varikap unelová dioda V- charakteristika reálné diody závěrný směr a) b) c) Leo Esaki a) b) c) a) D < 5 m -3 b) D 5 m -3 c) D >> 5 m -3 W C W C W W W C W p W n W C P ++ V ++ P ++ > V ++ unelová dioda a) b) c) Schottkyho dioda a) b) c) a) D < 5 m -3 b) D 5 m -3 c) D >> 5 m -3 Volné energetické stavy elektronů musí existovat na obou stranách pn přechodu a na stejné energetické úrovni polovodiče musí být degenerované (W ve W C, ) W C W C směrňující kontakt OV + W. Schottky Ohmický kontakt OV W W WC W p W n W C P ++ V ++ P ++ > V ++ 5μm D m -3 3μm / D 6 m -3

13 směrňující kontakt Schottkyho dioda Ohmický kontakt Schottkyho dioda křemík Si OV + OV 5μm 3μm / D 6 m -3 D m -3 e * e φbn e Δφ e exp S exp exp exp k k k k Schottkyho jev: pokles výšky bariéry s rostoucí intenzitou el. pole malá hodnota M pro Si Schottkyho dioda křemík Si Vlastnosti Schottkyho diod Výhody: malý (.5V) pro malé proudy a malé hodnoty M (Si) žádné závěrné zotavení rychlé vypínání evýhody: velký pro velké proudy a vyšší hodnoty M (Si) nízké hodnoty M (typ. do V u křemíku) Přechod k materiálům s větší šířkou zakázaného pásu: Gas, GaP, SiC M ~ 6 V, V,... ~ V vyšší provozní teploty

14 Schottkyho dioda karbid křemíku SiC Schottkyho dioda karbid křemíku SiC plikace diod - směrňovač plikace diod - směrňovač

15 plikace diod - směrňovač plikace diod - směrňovač SMĚŇOVČ S LEM Výpočet kapacity filtru pro jednocestný D usměrňovač: 3V 5Hz dq dt r Q C C MX M /f d dt C??? t C šš C z d C šš šš f 6,5 V / m +/- V šš V m dt šš f, m 5 šš pro f 3V 5Hz SMĚŇOVČ S LEM Výpočet kapacity filtru pro můstkový usměrňovač: dq dt r Q C C MX M / /f - + d dt t C C??? C šš z / šš C šš f 6,5 V / m +/- V šš V m šš f šš, 5 μ 5 f pro