Elektronika | Felsőoktatás » Rencz-Ress - A PN átmenet II.

PN átmenet/2 Rencz Márta/Ress Sándor Elektronikus Eszközök Tanszék 2/27/2003 1/22 Mai témák • Példa: ideális dióda karakterisztika számitása • Valóságos (Nem ideális) dióda karakterisztika – A soros ellenállás – A generációs áram – Letörés • • • • • A dióda munkapontja A dióda kisjelű működése Példa: Dióda differenciális ellenállása A dióda töltésegyenlete, a tárolt töltés A dióda kapacitásai 2/27/2003 2/22 Ismétlés: A pn átmenet karakterisztika egyenlete • Az elektron és lyukáram összegeként felírjuk a teljes áramot I = A( J n + J p )  Dn n p D p pn   (exp(U / U T ) − 1) I = Aq +  L L p   n I = I 0 (exp(U / U T ) − 1) Ez az ideális dióda egyenlet, vagy Schottky egyenlet, •Io a pn átmenet szaturációs vagy záróáram konstansa, csak anyagállandóktól és az adalékkoncentrációktól függ, a kisebbségi töltéshordozó koncentrációval arányos Io≈10-14A -

10-15A . •A szokásos nyitófeszültség értéke: UF≈ 0.7V 3/22 Példa: ideális dióda karakterisztika számitása Kérdés: Egy Si dióda telítési árama I0=10-13 A. Mekkora a nyitófeszültség, ha az áram 10 mA? Megoldás: I = I 0 (exp(U / U T ) − 1) U = U T ln( I / I 0 + 1) U ≅ 0,026V ⋅ ln(10 −2 / 10 −13 ) = 0,658 V Mennyivel kell a nyitó feszültséget növelni ahhoz, hogy a nyitó áram tízszeres legyen? ∆U = U 2 − U 1 ≅ U T (ln( I 2 / I 0 ) − ln( I1 / I 0 ) ) = U T ln( I 2 / I1 ) ∆ U = 0,026V ⋅ ln 10 ≅ 0,06 V = 60 mV 2/27/2003 4/22 Valóságos (Nem ideális) dióda karakterisztika • Az eltérés okai kis áramoknál a tértöltésrétegben kialakuló áramok, amit az ideális karakterisztika egyenlet számításánál nem vettünk figyelembe. •Nagy áramoknál a soros ellenállás ill. a letörés 2/27/2003 5/22 • Valóságos dióda karakterisztika A soros ellenállás A félvezető rétegek Ohmikus ellenállása,

nagy áramoknál jelentős Megoldás pl. epitaxiális szerkezet 2/27/2003 6/22 Valóságos dióda karakterisztika Rekombinációs áram • Nyitóirányban a tértöltésrétegben a töltéshordozó injekció hatására megnő a töltéshordozó koncentráció, ami megnöveli a rekombinációt, azaz a valóságban ez is áramnövekedésként jelentkezik. Ennek, és egyéb másodlagos jelenségeknek a figyelembe vételével   U I = I o  exp − 1 nU T   ahol n≈2 2/27/2003 7/22 Valóságos dióda karakterisztika A generációs áram • Zárófeszültségek esetén a tértöltésrétegben az egyensúlyinál kisebb koncentráció miatt megnő a generáció, ami többlet töltéshordozó áramot (un.generációs áram) eredményez I R = const ⋅ ni − U R – Szokásos értéke IR≈ 10-9A -1010A – ni miatt erősen hőmérséklet függő 2/27/2003 8/22 Valóságos dióda karakterisztika Letörés • Egy adott kritikus

zárófeszültségnél, az un. VBR letörési feszültségnél a dióda záróárama hirtelen megnő és viszonylag nagy áramok folynak a diódán nagyon kis további feszültségemelkedéssel. Ha kivülről korlátozzuk az átfolyó áramot, akkor a letörésben való működés nem teszi tönkre a diódát, a működés biztonságosan folytatódik tovább bármely karakterisztika tartományban. • Hatására a záróáram megsokszorozódik: I r = M × I ro ahol M az un. sokszorozási tényező M = 1 U 1 −  r  U BR    m m: 2÷6 Okai: • alagút effektus, vagy Zener hatás • ütközési ionizáció, vagy lavina sokszorozódás 2/27/2003 Ebben a működési tartományban a dióda feszültség szabályozóként használható (Zener dióda) 9/22 A dióda karakterisztika hőmérséklet függése • A pn átmenet karakterisztikája nagyon erős hőmérséklet függést mutat, aminek oka a kisebbségi töltéshordozók koncentrációjának

jelentős hőmérsékletfüggése. • Nyitó feszültségek esetén: Az adott áramhoz tartozó nytófeszültség 1°C hőmérséklet növekedés hatására mintegy 2mV értékkel csökken • A széles tartományban lineáris hőmérséklet függés hőmérséklet mérésre is alkalmassá teszi a diódát • Zárófeszültségek esetén: az adott feszültséghez tartozó záróáram fokonként ≈ 7-10%-kal nő (azaz kb. 10 °C -ként duplázódik) 2/27/2003 10/22 A dióda munkapontja • A dióda karakterisztika egyenlete a dióda működése során lehetséges, összetartozó áram és feszültségértékeket adja meg. • A tényleges működés során a dióda, ill. tetszőleges nemlineáris karakterisztikájú elem a karakterisztika egy pontjában, az un. munkapontban (operating point, quiescent point) működik. Ezt a pontot az áramkörben a vizsgált nemlineáris elemet körülvevő elemek határozzák meg. 2/27/2003 11/22 A dióda munkapontja I = I (U) I = (U

t − U ) / Rt • Az áramkörre felírt huroktörvényből − U t + IR + U = 0 • egy egyenes, az un. munkaegyenes egyenlete adódik (ez tulajdonképpen az áramkörben a diódán kívül előforduló elem “karakterisztikája” a dióda feszültségének függvényében). Az áramkörben kialakuló munkapontot a két függvény metszéspontja adja. 12/22 A dióda munkapontja • • Áramok ill. feszültségek Q indexe általában munkaponti értékek jelölésére szolgál R és a tápfeszültség változása csak kisebb mértékű változást okoz a munkaponti mennyiségekben. Ezekre a változásokra a dióda karakterisztika lineárisnak tekinthető,és a munkapontban a munkapontbeli érintővel gd ill. annak reciprokával az un. rd differenciális ellenállással helyettesíthető (Q)   U I = I o  exp − 1 nU T   2/27/2003 1 nU T rd = = gd I DQ 13/22 A dióda kisjelű működése A munkapont fogalma Kisjelű: linearizált vizsgálat,

a váltakozó komponensre Meddig kisjelű? rdiff = u1 / i1 = dU / dI rdiff munkapont függő! 14/22 4.1Példa: Dióda differenciális ellenállása • Mekkora a dióda differenciális ellenállása az IDQ=1mA áramú munkapontban? Megoldás A dióda által képviselt differenciális ellenállást a karakterisztika nélkül is ki tudjuk számolni jó közelítéssel a munkaponti áram ismeretében. Feltételezzünk n=2 értéket a karakterisztikaegyenletben UT szorzójaként, 300° K-en történő működést feltételezve rd = 2/27/2003 nU T 2 × 26 mV = = 52 Ω I DQ 1mA 15/22 A dióda töltésegyenlete, a tárolt töltés • A pn átmenet karakterisztika egyenletének számításánál az injektált kisebbségi töltéshordozók eloszlásából, az átmenetnél vett gradiensből számoljuk a p-n átmenet áramát. • Ugyanakkor a kisebbségi töltéshordozók koncentrációját az átmenetnél a p-n átmenetre kapcsolt feszültség határozza meg, – azaz az

injektált kisebbségi töltéshordozók teremtik a kapcsolatot a p-n átmenet feszültsége és árama között, döntő szerepet játszanak a p-n átmenet működésében. ~U ~I QD: diffúziós töltés 2/27/2003 16/22 A dióda töltésegyenlete, a tárolt töltés • A p-n átmenet árama felírható az injektált Q D = f (t ) töltés (diffúziós töltés) függvényében: I= QD τ n( p) dQD + dt Ahol τ a kisebbségi töltéshordozók átlagos élettartama (a generációjuk ill. rekombinációjuk között eltelt átlagos idő) •Kifejezi, hogy az áram megváltozása a tárolt töltés megváltozásából ered •A pn átmenet időfüggő viselkedésének modellezésére 17/22 alkalmas A dióda kapacitásai Minden p-n átmenethez két kapacitás értéket rendelhetünk. • Az injektált kisebbségi töltéshordozók által képviselt Q töltés felépítéséhez időre van szükség, kapacitív hatás. Az injektált kisebbségi töltéshordozók által

képviselt diffúziós töltés létrehozásának időigénye kis frekvenciákon a CD, vagy CS diffúziós vagy tárolási (storage) kapacitással modellezhető. • A kiüritett réteg egy sík-kapacitás A kiürített réteg által képviselt síkkondenzátor kapacitása a Cj vagy Cd tértöltéskapacitás vagy diódakapacitás 2/27/2003 18/22 A dióda kapacitásai Diffúziós kapacitás • A tárolási vagy diffúziós kapacitás definiciója dQ D dQ D dI = CD = dU dI dU CD = τ n( p) 1 I = τ n( p) = const ⋅ I rd UT C D = const ⋅ I Káros, lassítja a működést. Csökkenthető: τ csökkentés, geometria optimalizálás keskenybázisú dióda 19/22 A dióda kapacitásai Tértöltés kapacitás v.diódakapacitás A kiürített réteg által képviselt síkkondenzátor kapacitása a CT tértöltés kapacitás vagy Cd diódakapacitás Sp = Értéke síkkondenzátorként számolható: qN a A CT = ε = ε A 2ε S 2/27/2003 qεN a =A 2 U D −U 1 2ε qNa U D

−U 1 U D −U const CT = U D −U 20/22 A dióda kapacitásai Nagyságrendek: CT 1-10 pF CD nF ( kis telj. diódára) µF ( nagy telj. diódára) Hasznositás: CT: rezgőkör hangolásra, változtatható C(U) kapacitásként CD: semmire 2/27/2003 21/22 4.2 Példa: A dióda kapacitásai Számítsuk ki a Si dióda tértöltési kapacitását, ha a kiürített réteg szélessége 0,33 µm és a dióda felülete 0,02 mm2. −8 A 2 ⋅ 10 −12 CT = ε = 11,8 ⋅ 8,86 ⋅10 −12 = 6 , 34 ⋅ 10 F = 6,34 pF −6 S 0,33 ⋅10 Számítsuk ki a diffúziós kapacitást az I=1 mA munkapontban, ha τ=100 ns. −3 I 10 CD = τ = 10 −7 = 3,85 ⋅10 −9 F = 3,85 nF UT 0,026 22/22