Hl.strana - Maturitní otázky - Referáty (Moje referáty) - Plesy (Tipy,Firmy) - Vysoké školy - Kurzy - !SHOP!

Polovodičové Diody

Info - Tisknout - Poslat(@) - Uložit->Moje referáty - Přidat referát

Kdo bude vítěz letos?  NOMINUJTE - stránky v kategoriích:
 Nejlepší: Tablo - Školní časopis na webu - Školní webové stránky - Třídní stránky - Profesorské stránky

Vlastnosti různých polovodičových diod závisí na použitém materiálu ( germanium, křemík, … ), na způsobu jakým je proveden přechod mezi oblastmi odlišných vodivostí ( plošný, hrotový, .. ), a na množství příměsí.
Šum diod
Šum polovodičových diod je způsoben elektrickými náboji, které přecházejí přes přechod PN. Proud I, který se uzavírá přes přechod, lze rozdělit do dvou složek:
a) Složka I1 je tvořena volnými elektrony, které se uvolňují z atomů donorové příměsi polovodiče N a přecházejí přes přechod polarizovaný v propustném směru do vnějšího obvodu. Náhodnost jejich počtu způsobuje výstřelový šum.
b) Složka I2 vzniká pohybem minoritních elektronů, které se uvolňují tepelnou energií a nepravidelností svého pohybu způsobují tepelný šum . Jeho velikost závisí na teoloťe polovodiče a na vnitřní vodivosti G.
Při polaritě v propustném směru převládá výstřelový šum.
Kromě tepelného a výstřelového šumu se objevuje též tzv. polovodičový šum. Jeho kmitočtový průběh je přibližný jako u blikavého šumu vakuových elektronek.Poněvadž rozdělení výkonu na jednotlivé kmitočtové složky se u tohoto šumu zmenšuje při zvyšování kmitočtu, bývá též označován 1/f.
Usměrňovací diody
Velmi rozšířená aplikace přechodu PN je usměrňovací dioda. Při polaritě přiloženého napětí v propustném směru proud diodou teče a v opačné polaritě je proud diodou velmi malý a často se dá zanedbat. Konstrukčně jsou zpravidla řešeny jako třívrstvová struktur, která mezi dvěma vrstvami ( P+ a N+ ) s malým měrným odporem má vrstvu s velkým měrným odporem (nejčistěji typu N). Střední vrstva umožňuje dosáhnout vysokého závěrného napětí UBR, zatímco vnější vrstvy zajišťují malý úbytek UF v propustném směru.
Podle výkonu, který usměrňujeme, dělíme usměrňovače na výkonové usměrňovače a na detektory, tj. usměrňovače relativně malého výkonu. Frekvence, se kterou pracuje výkonový usměrňovač, se může pohybovat od desítek Hz (velmi často síťový kmitočet, tj. 50 Hz, v USA 60 Hz) až do desítek kHz (spínací zdroje do PC např. pracují na kmitočtech okolo 30 kHz), u detektorů se jedná o frekvence vyšší od řádově 100 kHz (dlouhé vlny) až po desítky GHz (mikrovlny). Čím je vyšší kmitočet, který má dioda usměrňovat, tím menší musí mít kapacitu použitý PN přechod, jinak by mohl diodou téci kapacitní proud řádově vyšší, než proud v závěrném směru; tím je také dáno, že detektory velmi vysokých kmitočtů nemohou pracovat s příliš velikým výkonem. Dalším rozdílem při analýze výkonových usměrňovačů a detektorů je to, že pracuje-li dioda s velkým signálem, můžeme zanedbat exponenciální část charakteristiky a považovat diodu za tzv. ideální usměrňovač v sérii se zdrojem napětí Ud a odporem rovným odporu materiálu diody.
Druhy a použití
Křemíkové diody
Vydrží vysokou teplotu na přechodu ( až 1500C ), velké závěrné napětí ( kolem 1500 V ) a mají nepatrný závěrný proud ( až 10-8 A ). Jejich nevýhodou je poměrně velký odpor v propustném směru, který omezuje jejich použití při malých napětích.
Germaniové diody
Mají závěrném směru vlastnosti mnohem horší než křemíkové. Jejich závěrný proud je mnohem větší a UBR menší ( asi 400V ). Jsou použitelné pro teploty přechodu 700C. Výhodou je malý odpor v propustném směru.


Charakteristiky germaniové a křemíkové diody
Usměrňovače
Jednocestný usměrňovač využívá jen jednu ze dvou půlperiod přiloženého napětí. To může být i výhoda, např. když potřebujeme snížit střední hodnotu napětí, např. pro stejnosměrný motor s nižší jmenovitou hodnotou napětí než je ta, kterou usměrňujeme, nebo pro žárovku, chceme-li úsporné osvětlení. Obecně lze říci, že jednocestný usměrňovač použijeme tam, kde nám nevadí, že nevyužijeme celou periodu. Výhoda jednocestného usměrňovače je také v jeho jednoduchosti a tedy nízké ceně.


Jednocestný usměrňovač

Usměrňovač, který využívá obou půlperiod napětí, nazýváme dvoucestný. Pro jeho konstrukci pak potřebujeme minimálně dvě diody a transformátor se sekundárním vinutím s vyvedeným středem.
Proti středu vinutí bude mít střídavé napětí na zbývajících koncích opačnou fázi, tj. bude-li např. napětí na horním vývodu sekundáru mít maximum, bude napětí na spodním konci sekundáru mít minimum. Obě diody se tedy ve vedení proudu v každé půlvlně střídají, vede-li např. v první půlvlně horní dioda, vede ve druhé půlvlně spodní dioda atd. Střední proud každou z diod je tedy dán stejným vztahem jako pro jednocestný usměrňovač, střední proud zátěží bude dvojnásobný.
Dvoucestný usměrňovač

Také můžeme pro dvojcestné usměrnění použít tzv. Graetzovo nebo můstkové zapojení.
U tohoto zapojení prochází proud v každé půlvlně dvěma diodami v sérii se zátěží. Z hlediska požadavků na proudové zatížení diod se tím nic nemění ve srovnání s předchozím zapojením dvoucestného usměrňovače; každou z diod je tedy potřeba dimenzovat na polovinu předpokládaného středního proudu, který poteče zátěží. Máme dvě diody v sérii a můžeme tedy říci, že nám stačí (opět uvažujeme jen čistě odporovou zátěž) diody dimenzované na polovinu amplitudy napětí na sekundáru transformátoru. Prakticky musíme obě diody znovu dimenzovat na celou amplitudu. Je to proto, že diody nemusí mít přesně stejný proud v závěrném směru (i když to jsou diody stejného typu). Na diodě s větším závěrným proudem bude pak podstatně nižší napětí (diody jsou zapojeny v sérii a protéká jimi tedy stejný proud; tento proud je určen převážně diodou s nižším závěrným proudem) a výsledkem bude, že prakticky celé závěrné napětí zůstane na diodě s nižším závěrným proudem. Je tedy třeba obě diody dimenzovat na celou amplitudu. Důležité, zejména pro usměrňování malých napětí, je si uvědomit, že v Graetzově zapojení máme v sérii se zátěží vždy dvě diody a tedy že napětí na zátěži bude vždy nižší o dva úbytky na diodě oproti napětí na sekundáru transformátoru.

Graetzovo zapojení

Ochranná dioda
Téměř každé zařízení s externím zdrojem má zabudovanou ochrannou diodu. Nejjednodušší je použití sériové, paralelní diody nebo můstku.
Na obrázku a) je zapojení diody jako sériové ochrany. Dioda D1 určuje pouze jeden směr toku proudu Io. Za nevýhodu považujeme nežádoucí úbytek napětí na diodě (asi 0,5V), takže na zařízení je skutečné napětí o půl voltu menší, než je napájecí napětí Ucc (baterie). Při návrhu diody nesmíme opomenout podmínku, aby proud procházející zařízením (rádiem) Io byl menší, než maximální povolený proud diody Ifmax.
Ochranná dioda sériově

Obrázku b) je zapojení paralelní ochrany s využitím diody zapojené v závěrném směru paralelně k zařízení. Její příčný proud je minimální (nA), takže nezatěžuje zdroj. Nevzniká ani nežádoucí úbytek 0,5V. Zdá se tedy tato ochrana výhodnější než sériová. Ale když si rozebereme možný stav přepólování, dostaneme se k určitým nevýhodám. Předně tedy po přepólování se dioda D2 dostává do zkratu. Na zařízení je napětí -0,5V, které koncové zařízení napěťově neohrožuje. Také proud zařízením je nepatrný. Zkratový proud je dán výkonem baterie. Pro návrh diody musí platit podmínka Ifmax
Ochranná dioda paralelně

Příklad diody
1N4001
URRM [V] URSM [V] IF(AV) při 750 [A] 50 Hz UFM [V] RthJC [0C/W] pouzdro
50 50 28 1,1 0,18 DO-41

Hrotové diody
Hrotové diody jsou tvořeny destičkou např. Germania typu N, na kterou je přitisknut wolframový drátek. Oblast doteku se zlepšuje formováním, při kterém se dioda zatíží proudovými impulsy asi jednoho ampéru. Vlivem vysoké teploty, která vznikne pod hrotem drátku, se změní struktura materiálu a v oblasti doteku se vytvoří germanium s vodivostí P.
Druhy a použití
Diody s přídavným hrotem
Jejich dotekový drátek , který bývá zlatý s přísadou galia, se přivařuje proudovým impulsem k povrchu germaniové destičky s vodivostí N. V oblasti doteku vzniká rekrystalová oblast dotované galiem, která získává vodivost P. Vzniká oblast P přechází mechanicky pevným svárem na zlatý vývod.



a) Charakteristika hrotové diody s wolframovým hrotem;
b) Charakteristika diody s přídavným zlatým hrotem;

Použití
Vzhledem k malé ploše přechodu, a tím i malé kapacitě, jsou použitelné do kmitočtů až několika 10 Mhz. Svařovaný dotek zajišťuje velkou stabilitu elektrických parametrů, což je důležité např. u měřících přístrojů.
Hrotové diody zpracované formováním i diody s přídavným hrotem pracují na principu přechodu PN. Vzhledem k nepatrné plošce přechodu mohou se zatěžovat pouze malými proudy, řádu 10-3 A při napětí 1 V. Použití diod ve vysoko frekvenčních obvodech ovlivňuje doba zotavení. Je závislá na proudu, který se uzavírá obvodem diody po přepólování z propustného do závěrného směru.
Příklad diody
BY396
URRM [V] URSM [V] IF(AV) při 250 [A] IFSM [A] při 250 UF [V] IR při 250 [mA] Tjmax [0C] trr [ns] Rthj
[0C/W]
100 100 3 100 1,2 10 150 500 <25

Stabilizační (Zenerovy) diody
Stabilizační – Zenerovy diody jsou konstrukčně i technologicky řešeny, tak aby mohli trvale pracovat v oblasti závěrné charakteristiky za průrazným napětím UBR . V této oblasti se při velkých změnách proudu mění napětí jen velmi málo.



Příklad VA char. Zenerovy diody

Diodová rovnice ve tvaru I=Io(exp(eV/kT)-1) vypovídá, že v závěrném směru při dosažení dostatečně vysokého napětí, aby exponenciální člen zanikl ve srovnání s jedničkou, poteče diodou jen zbytkový proud a ten nebude na velikosti závěrného napětí záviset.
Lavinový průraz
Generace párů elektron-díra urychlením elektrickým polem, které se přes přechod PN v závěrném směru vytvoří. Znamená to, že diodová rovnice, vzhledem k jednoduchým předpokladům jejího odvození, tento fyzikální efekt nepopisuje. Při přiložení napětí na PN přechod v závěrném směru dochází ke zvýšení difúzní potenciálové bariéry a tím k dodatečné deformaci energetických pásů, jak je znázorněno na obrázku. Pokud je přechod dostatečně tenký, ”vidí” elektrony ve valenčním pásu na straně polovodiče typu P volné energetické hladiny ve vodivostním pásu na straně N a mohou tuto tenkou bariéru protunelovat . Výsledkem je zvýšení zbytkového proudu diodou, na voltampérové charakteristice nerozeznatelné od zvýšení způsobeného lavinovým průrazem.
Lavinový průraz
Zenerův průraz
V oblasti silně dotovaného přechodu PN, v němž je tedy oblast prostorového náboje velmi úzká, dojde k tomu, že při vzrůstajícím napětí proběhnou volné elektrony a díry tuto oblast, aniž by došlo ke srážkám s atomovou mříží narazí-li na atomy Si mimo oblast prostorového náboje, dojde sice rovněž ke generaci páru elektron-díra, ale tyto nosiče již nejsou urychlovány, protože mimo oblast prostorového náboje nepůsobí el. Pole. Z tohoto důvodu nemůže dojít k lavinovému růstu počtu volných nosičů nábojů dalšími srážkami a atomovou mříží.
Intenzita el. pole v oblasti prostorového náboje může dosáhnout takových hodnot, že dojde k vytržení valenčních elektronů, vzniku párů elektron-díra a náhlému vzrůstu závěrného proudu v tomto případě jde o Zenerův průraz.
Napětí, při kterém dochází k Zenerovu nebo lavinovitému průrazu je charakteristické pro konstrukci diody (šířku přechodu) a pro danou diodu závisí jen na teplotě.
Zapojíme-li tedy diodu podle obrázku bude na ní (po ustálení teploty) konstantní napětí, které můžeme odvodit graficky z voltampérové charakteristiky zakreslíme-li si do ní tzv. zatěžovací přímku. Zatěžovací přímka vyjadřuje graficky vztah mezi napětím zdroje Ez a napětím na diodě Uz; Uz = Ez-RdId.

Základní zapojení Zenerovy diody

Pracuje-li stabilizační dioda na principu lavinovitého průrazu, pak při zvýšení teploty dojde ke zvýšenému tepelnému chaotickému pohybu atomů v mříži, což má za následek snížení střední volné dráhy elektronů při pohybu v mříži. Pro urychlení elektronu na energii potřebnou k ”přeskoku” přes zakázaný pás je tedy potřeba vyššího elektrického pole a tedy vyššího závěrného napětí. Teplotní koeficient napětí Uz u diod pracujících na principu lavinovitého průrazu je tedy kladný.
U stabilizačních diod pracujících na principu Zenerova průrazu je třeba si uvědomit fakt, že šířka zakázaného pásu klesá se zvyšující se teplotou. Při vyšší teplotě bude tedy bariéra, skrze kterou elektrony tunelují, tenčí, a pro dosažení stejného proudu bude třeba nižší napětí. Teplotní koeficient napětí Uz u stabilizačních diod pracujících na principu Zenerova průrazu je tedy záporný. Z hlediska technologie výroby stabilizačních diod je to tedy šířka přechodu a tedy koncentrace příměsí, kterou můžeme rozhodovat, na kterém principu bude vyrobená stabilizační dioda pracovat; u větších šířek přechodu (tj. u vyššího napětí Uz) bude převažovat efekt lavinovitého průrazu, u menších šířek přechodu (a tedy nižšího napětí Uz) Zenerův efekt.
Z hlediska uživatele je to napětí Uz, podle kterého můžeme zhruba rozhodnout, na jakém principu dioda pracuje; rozhraním je stabilizační napětí zhruba 7 V. Diody s vyšším napětím pracují na principu lavinovitého průrazu, diody s nižším napětím na principu Zenerova průrazu. U diod s napětím Uz okolo 7 V se oba efekty mísí a teplotní koeficient tohoto napětí může být velmi malý, řádově 10-7/oC i nižší. Těmto diodám říkáme referenční diody a používají se jako zdroje referenčního napětí v měřicích přístrojích, např. v číslicových voltmetrech.V propustném směru mají stejné vlastnosti jako usměrňovací se stejnou plochou křemíkové destičky.
Použití
Oblast využití Zenerových diod pro stabilizaci napětí můžeme rozdělit do dvou částí podle toho, jde-li o stabilizaci napětí při kolísání zátěže, nebo jde-li o stabilizaci napětí při kolísání vstupního napětí.
V prvním případě stabilizace napětí jde vlastně o dosažení minimálního vnitřního odporu stabilizátoru. Poněvadž tento odpor je dán dynamickým odporem diody (R>>rd ), který klesá s rostoucím proudem diody, je tím určena volba pracovní bodu diody tak, že se snažíme volit proud diody co největší. Jediným omezením v tomto směru je dovolený maximální proud. Připouštíme-li možnost odpojení zátěže, je nutno volit minimální velikost odporu R ze vztahu Rmin = Uv-UzIzmax .
Druhý případ použití jako stabilizátoru napětí při změnách vstupního napětí, přičemž proud do zátěže je konstantní. Nechť vstupní napětí Uv má nějakou proměnou složku dUv , která se přenese na výstup stabilizátoru jako proměnná složka výstupního napětí dUz . Jde o to, nalézt optimální pracovní bod , který je dán podmínkou, aby poměr dUzdUv = k byl co nejmenší.
Zenerovy diody se používají také v nejrůznějších zapojeních pro ochranu elektronických prvků před přetížením, pro ochranu měřících přístrojů, k omezení úrovně signálu atd. Lze je také použít jako varikapi s větší kapacitou.

Příklad diody
BZX83V001
UZmin[V] UZmax[V] Iz [mA]
0,7 0,8 280

Světlo emitující dioda – LED
Rekombinuje-li elektron s dírou, odevzdává energii zhruba rovnou šířce zakázaného pásu. Injekcí majoritních nosičů do polovodiče opačné vodivosti při přiložení napětí na PN přechod v propustném směru se zvýší pravděpodobnost rekombinace a často k ní dochází. Při rekombinaci každého páru elektron-díra se uvolní určité kvantum energie, které se může buď vyzářit mimo krystal nebo být absorbováno v mříži, což se projeví zvýšenou teplotou krystalu. Pravděpodobnost zářivé rekombinace roste se zvětšující se šířkou zakázaného pásu.
U křemíku se šířkou zakázaného pásu 1.1 eV je uvolňovaná energie převážně absorbována v krystalu, ze kterého je odváděna přes pouzdro diody do okolního prostředí většinou vedením nebo prouděním. Vyrobíme-li diodu z GaAs, který má šířku zakázaného pásu 1.34 eV, bude již nezanedbatelná část energie rekombinace vyzařována ve formě fotonů o příslušné vlnové délce, která však ještě spadá do oblasti neviditelného infračerveného záření. Kombinací tohoto materiálu s fosforem, GaAsP, získáme již materiál, který , je-li z něj vytvořen PN přechod, vyzařuje červené viditelné záření.
Použijeme-li materiál o vhodné šířce zakázaného pásu, můžeme vytvořit diody svítící v propustném směru světlem zeleným, žlutým nebo oranžovým. Při aplikaci svítivých diod tedy stačí zapojit diodu v propustném směru přes vhodný odpor na zdroj napětí. Při výpočtu odporu musíme mít na paměti, že napětí na diodě v propustném směru, Ud, je úměrné šířce zakázaného pásu; bylo-li u křemíku se šířkou zakázaného pásu 1.1 eV 0.6 V, bude u materiálu se šířkou zakázaného pásu 2 eV cca o 0.9 voltu vyšší, tedy 1.5 voltu. K napětí Ud je třeba připočíst ohmický úbytek na diodě, takže není výjimkou, když bude na svítivé diodě napětí cca 2 V i vyšší. Proud diodou na dosažení vhodné intenzity světla je řádově 10-20 mA i více. Při použití LED k indikaci střídavého napětí musíme mít na paměti, že maximální povolené závěrné napětí těchto diod bývá malé a tak se doporučuje do série s LED zapojit obyčejnou usměrňovací diodu; blikání diody v rytmu 50 Hz lze částečně odstranit elektrolytickým kondenzátorem připojeným paralelně ke kombinaci dioda-odpor.
Použití
Světlo emitující diody se používají k indikačním účelům a to nejenom samostatně (nahrazení nespolehlivých žárovek) ale i v zobrazovačích informace (sedmisegmentový nebo maticový zobrazovač). LED dioda, je ve srovnání se žárovkou téměř nerozbitná, a tím prodlužuje životnost svítilny. Zaručená svítivost bez změny intenzity je u LED diod v průměru 100 000 hodin. Životnost žárovky, vhodné k těmto účelům, není vyšší než 10 až 12 hodin trvalého svícení.
Používají se též v dopravě v silničních semaforech, variabilních dopravních značkách, brzdových světlech automobilů, železničních přejezdech, atd.
Příklad diody
LQ1101
UR [V] IF(AV) [mA] UF [V] IR při 250 [uA] barva
5 20 1,65 100 červená




Kapacitní dioda – Varikap
Varikapu se využívá napěťová závislost kapacity přechodu polarizovaného v závěrném směru. V ochuzené oblasti přechodu se nevyskytují volné nosiče, a tady si ji lze představit jako izolační vrstvu mezi vodivými oblastmi P a N. Velikost kapacity varikapu lze vyjádřit vztahem cj = Sd .
Jestliže přiložíme na přechod P N zdroj vnějšího napětí v závěrném směru, tak se tloušťka ochuzené oblasti d zvětší. Zvětšováním závěrného napětí kapacita klesá. Nejnižší dosažená kapacita je omezená nejvyšším přípustným napětím na přechodu v závěrném směru. Výkon potřebný k ovládání kapacity je zanedbatelný neboť v použitelném rozsahu ovládacího napětí prochází přechodem velmi malý závěrný proud.
Je-li varikap polarizován vnějším napětím v propustném směru, tloušťka ochuzené oblasti se zmenší a kapacita vzroste. Blíží-li se vnější napětí k hodnotě difúzního napětí ( asi 0,4 V), kapacita prudce vzrůstá k vysokým hodnotám. V propustné oblasti je však kapacita silně znehodnocená malým odporem, který je v náhradním schématu připojen paralelně ke kapacitě přechodu.

Náhradní schéma varikapu

cj napěťově závislá kapacita přechodu
R paralelní odpor přechodu
rs sériový odpor
Ls sériová indukčnost
Cp kapacita přívodů a pouzdra

Paralelní odpor R se uplatňuje při nízkých kmitočtech, při nichž je sériový odpor rs zanedbatelný vzhledem k impedanci proměnlivé kapacity (rs <<12 fc ) a zhoršuje činitele jakosti Q, který bývá asi 20 až 100 Mohmů. Sériový odpor rs je dán odporem přívodů, přítlačného kontaktu a odporem polovodičového materiálu. Při vysokých kmitočtech, při nichž platí, že 12 fc <Sériová indukčnost Ls je dána provedením pouzdra a přívodů a jejich rozměry (bývá asi 6mH).
Konstantní kapacita Cp je dána konstrukcí pouzdra a v praxi se zanedbává.
Druhy a použití
Varikapy jsou vhodné pro obvody samočinného dolaďování kmitočtu, pro dálkové řízení ladění, parametrické zesilovače, měniče kmitočtu, kmitočtové modulátory, ….
Použití lze rozdělit do dvou skupin :
Obvody s malým střídavým signálem, v nichž je kapacita varikapu dána stejnosměrným předpětím a změna kapacity vlivem střídavého signálu je zanedbatelná. Jako příklad lze uvést vstupní laděné obvody přijímačů a oscilátory pro malé výkony.


Rezonanční obvod laděný varikapem

Protože zde varikap používá jako kapacitní člen s malými ztrátami, nesmí nikdy pracovat ani v propustném směru, ani v ohybu závěrného napětí. Požadovaného kmitočtového rozsahu fmin až fmax dosahujeme změnou stejnosměrného předpětím U pro varikap V. Paralelní kapacita Cp představuje parazitní kapacity varikapu a spojů. Protože zmenšuje přeladitelnost obvodu, musí být vzhledem k užitečné kapacitě co nejmenší.
Obvody s velkým střídavým signálem, v nichž kapacita varikapu je určována jak stejnosměrným předpětím, tak i okamžitou velikostí střídavého signálu. Jako příklad lze uvést výkonové oscilátory laděné napětím, obvody pro automatické řízení kmitočtu oscilátoru s varikapem zapojeným v rezonančním obvodu. Na obrázku je obvod pro samočinné dolaďování kmitočtu oscilátoru s varikapem zapojeným v rezonančním obvodu. Napětím diskriminátoru je řízena kapacita varikapu tak, aby v rytmu tohoto napětí byl přelaďován kmitočet oscilátoru na potřebnou hodnotu.



Obvod pro samočinné dolaďování kmitočtu oscilátoru televizního přijímače
Příklad diody
BBY31
URmax [V] IFmax [mA] Tj [oC]
30 20 -55..+125


Schottkyho dioda
Schottkyho dioda využívá jen majoritních nosičů náboje. To znamená, že oproti P-N přechodu nedochází v propustném směru k hromadění nadbytečných minoritních nosičů a ke vzniku difúzní kapacity. Při vypínání pak nedochází k závěrnému zotavení diody. Spínací doby jsou proto o několik řádů kratší (okolo pikosekund) a šířka frekvenčního pásma o několik řádů větší než u P-N (stovky Ghz). Hodnota prahového napětí bývá okolo 0,25V.


Porovnání charakteristik
Druhy a použití
Vyrábějí se napařením tenké vrstvy zlata na povrch epitaxní vrstvy arzenidu, galia nebo platiny na povrch křemíku. Používají se ve směšovačích a demodulátorech v pásmech centimetrových vln. oproti hrotovým diodám mají menší šum, větší účinnost a větší odolnost proti elektrickému i mechanickému namáhání.
Příklad diody
10MQ040
URRM [V] IRM [mA] IF(AV) při 92o [A] 50 Hz UFM [V] Tj [0C]
40 50 1,1 0,51 125

Dioda PIN
Vrstva s nevlastní vodivostí typu P, která tvoří anodu , je oddělena od vrstvy P, tenkou vrstvou velmi čistého křemíku.Tato mezivrstva, tlustá několik mikrometrů, není dotována žádnou příměsí.
Vrstva I se uplatňuje při průchodu stejnosměrného proudu nebo proudů tak nízkých frekvencí, že odpovídající doba periody 1/f je mnohokrát delší než doba potřebná k průchodu nosičů náboje přes vrstvu I. V těchto případech se dioda chová stejně jako obyčejná Si dioda s malou plochou přechodu. Rovněž má stejnou VA char.
Při vysokých frekvencích, kdy doba potřebná k průchodu nosičů přes vrstvu I je srovnatelná s periodou procházejícího signálu, ztrácí PIN dioda svůj nelineární charakter a chová se jako lineární rezistor. Velikost jejího odporu pro vysoké frekvence Rvf je možné měnit velikostí stejnosměrného proudu IF, kterým diodu v přímém směru polarizujeme. Tloušťka vrstvy I je určena nejnižší frekvence, při které se dioda začne chovat jako řízený rezistor.


Použití
Tyto diody se používají při frekvencích stovek až tisíců Ghz, a proto je důležité, aby jejich parazitní kapacita a indukčnost přívodů byly co nejmenší. Z tohoto důvodu je krystal tvořící diodu uzavřen ve speciálním pouzdru.
Diodami PIN ve vhodném provedení je možné spínat vysokofrekvenční výkony od 1mW až do 100 kW. Přitom je výkon spotřebovaný k ovládání diody řádů miliwattů.
Příklad diody
BAR14-1
U [V] I [mA]
100 140


Fotodioda
Máme-li konstruován PN přechod tak, že na něj může dopadat světlo, můžeme takto konstruovanou diodu využít jako fotocitlivý prvek. Abychom si kvalitativně vysvětlili fyzikální princip tohoto efektu, vraťme se k vlastnímu polovodiči. Pokud jej neozařujeme, je excitace elektronů z valenčního do vodivostního pásu způsobena výhradně tepelnou energií; do vodivostního pásu mohou být excitovány elektrony z vysokoenergetického ”chvostu” rozdělovací funkce. Uvažujeme-li ozáření, může excitace elektronu z valenčního do vodivostního pásu proběhnout i tak, že elektron ve valenčním pásu absorbuje foton dopadajícího záření, který mu předá energii dostatečnou k překonání zakázaného pásu. Při ozáření polovodiče zvýšíme tedy jeho vlastní vodivost tím, že zvýšíme koncentraci elektronů ve vodivostním a koncentraci děr ve valenčním pásu. Tomuto jevu se říká vnitřní fotoefekt, neboť elektrony excitované do vodivostního pásu neopouštějí polovodič (na rozdíl od vnějšího fotoefektu, kdy dopadající foton dodá elektronu energii dostatečnou k překonání tzv. výstupní práce a elektron opustí látku a přejde do vakua látku obklopující). Tento efekt je výrazný u polovodičů, jejichž vlastní vodivost je pro značnou šířku zakázaného pásu velmi malá, např. CdS se šířkou zakázaného pásu 2.45 eV. Na vnitřním fotoefektu je založena funkce fotoodporů, které jsou součástí měřičů expozice u řady fotografických přístrojů. Důležité je si uvědomit, že ozářením se zvyšuje vlastní vodivost polovodiče, tedy koncentrace nosičů obou polarit a tedy po přimíchání příměsi se bude ozářením zvyšovat koncentrace minoritních nosičů.
Nejjednodušší obvod s fotodiodou

Obvod používající tzv. fotodiodu k indikaci intenzity osvětlení. Fotodioda je polovodičová, nejčastěji křemíková, dioda s přechodem PN zapouzdřená tak, aby na přechod mohlo dopadat světlo, má okénko nebo plastickou čočku, která soustřeďuje světlo do oblasti přechodu PN. Dioda je zapojená v závěrném směru s takovým napětím, aby nedošlo k průrazu lavinovým nebo Zenerovým efektem. Není-li tedy přechod PN ozářen, teče diodou jen velmi malý závěrný proud, u křemíkových diod se jedná o proudy v řádu desítek nA. Jedná se o proud tvořený minoritními nosiči, tedy nosiči, které vznikly termickou excitací elektronů z valenčního do vodivostního pásu. Tento proud je přímo úměrný koncentraci minoritních nosičů; tato koncentrace je nižší, než intrinsická koncentrace, vzpomeňte si na vztah p.n=ni2.
Ozáříme-li nyní přechod PN, vytvoříme dodatečnou koncentraci minoritních nosičů, které budou přispívat ke zvýšení proudu fotodiodou v závěrném směru - proud fotodiodou se zvýší a zvýšení bude závislé na intenzitě dopadajícího záření. Je-li, tak jako na obrázku a v serii s fotodiodou zapojen odpor, dojde na něm k úbytku napětí průchodem proudu a tento úbytek můžeme využít ke měření intenzity záření.
Charakteristiky fotodiody v závěrném směru při několika intenzitách osvětlení jsou spolu se zatěžovací přímkou znázorněny v pravé části obrázku. Typickým příkladem aplikace fotodiody byly čtečky děrné pásky, kde pod každou pozicí možného otvoru v děrné pásce byla umístěna fotodioda, indikující přítomnost otvoru v pásce.


VA char. fotodiody

Nezaměnitelné místo mají speciální fotodiody, kterých se používá ke konverzi energie záření na energii elektrickou. Fyzikální princip funkce nejlépe vysvětlí, představou si fotodiody nezapojené do obvodu. Není-li ozářena, je vytvořena PN přechodem difuzní potenciálová bariéra vysoká tak, aby omezila proud majoritních nosičů na právě takovou velikost, aby proud majoritních nosičů každé polarity přes přechod PN byl právě kompenzován proudem minoritních nosičů stejné polarity přes přechod opačným směrem.
Ozáříme-li nyní fotodiodu, zvýšíme koncentraci minoritních nosičů v polovodičích obou typů vodivostí a v důsledku toho stoupne proud minoritních nosičů přes PN přechod. Vzhledem k tomu, že jsme předpokládali diodu nezapojenou do obvodu, musí být celkový proud přes přechod roven nule právě tak jako v případě bez ozáření. To je možné jenom tak, že klesne potenciálová bariéra v blízkosti přechodu PN a umožní tak zvýšení proudu majoritních nosičů přes přechod. Krystal však tak přestává být v rovnováze, fermiho hladina se deformuje, a rozdíl mezi původní velikostí difuzního potenciálu a velikostí této bariéry po ozáření se objeví na svorkách diody jako napětí; na anodě fotodiody bude kladný pól a na katodě záporný pól. Uzavřeme-li nyní elektrický obvod tím, že k fotodiodě připojíme rezistor jako spotřebič, bude obvodem protékat elektrický proud - fotodioda bude fungovat jako sluneční článek.
Na obrázku je v levé části znázorněna zatěžovací přímka v tomto případě (napětí vnějšího zdroje je rovno nule, zatěžovací přímka vychází z počátku). Je vidět, že dioda jako zdroj má tím nižší diferenciální (vnitřní) odpor, čím vyšší je intenzita ozáření přechodu PN. Sluneční články se proto konstruují tak, aby přívody k diodě nestínily přístup záření k PN přechodu. Napětí, které sluneční článek dává, nemůže být, podle právě popsaného principu, vyšší, než je šířka zakázaného pásu; přibližuje se mu jen při extrémně vysokých intenzitách záření, při běžných intenzitách můžeme očekávat napětí okolo 0.7 V na článek. Proud, který můžeme ze slunečního článku odebírat, je přímo závislý na množství minoritních nosičů generovaných ozářením; bude tedy tím větší, čím větší ozářenou plochu bude článek mít. Spojujeme-li tedy články do baterie o vyšším napětí, řadíme je do serie, potřebujeme-li vyšší proud, musíme použít články s větší ozařovanou plochou; paralelní řazení není možné.



Provedení fotodiody

Příklad diody
Parametry Symbol Min Typ Max
I R = 100 uA, E = 0 V (BR) 60 nA
V R = 10 V, E = 0 I ro 2 30 pF
V R = 0 V, f = 1 MHz, E = 0
C D 70 pF
V R = 3 V, f = 1 MHz, E = 0 C D 25 40 mV
E e = 1 mW/cm 2 , _ = 950 nm
V o 350 mV/K
E e = 1 mW/cm 2 , _ = 950 nm TK Vo -2,6 uA
t r 100 ns

Tunelová dioda
Zvětšuje-li se u diody množství přídavných nečistot, zvětšuje se počet minoritních nosičů a zvětšuje se proud diody v závěrném směru. Současně se přechodem většího počtu minoritních nosičů přes potenciálovou přehradu neutralizuje více pevných iontů a přehrada se zužuje. Při větším obsahu nečistot než 1019 atomů/cm3 je závěrná část diodové charakteristiky potlačena a v propustné části vzniká již při malých napětích vlivem tunelového jevu velký proud.




VA char. Tunelové diody
Z VA char. Je vidět, že narozdíl od normální diody vykazuje tunelová dioda v závěrném směru značnou vodivost. Jakost z hlediska stejnosměrných vlastností lze posoudit podle poměru proudů IpId poměr má být co největší. U germaniových tunelových diod je asi 8, u křemíkových asi 3,5.
Počáteční strmí průběh charakteristiky je způsoben elektrony, které mohou překonat potenciálovou přehradu pouze proto, že je velmi tenká. Energie elektronů, které při tomto stavu diody pronikají přehradou, je menší než energie odpovídající valenčním vazbám elektronů v polovodiči P. Proto nezapadají do vazeb, tj. nezaplňují díry, ale volně procházejí polovodičem a zvětšují proud. Teprve při vyšších napětích přecházejí z polovodiče N přes přechod elektrony s větší energií, která jim umožňuje naplňovat valenční pásy akceptorových příměsí. Tím tunelový jev mizí, neboť elektrony, které zaplňují díry, jako nositelé elektrického proudu zanikají.

Náhradní schéma

-rn napěťově závislí záporný dynamický odpor (u běžných diod je asi 50 až 250 ohmů)
Cj napěťově závislá kapacita (bývá asi 10-12 až 10-11 F)
Rs zahrnuje odpor vodivé cesty od přechodu k vývodům (0,1 až 10 ohmu)
Ls reprezentuje indukčnost přívodů a pouzdra (1 až 15*10-9 H)
Cp kapacita pouzdra a přívodů
Použití
Poněvadž elektrony tunelového proudu procházejí přehradou rychlostí světla mohou se tunelové diody používat až do kmitočtů 1010 Hz. Vlastnosti záporného odporu i výborné vysokofrekvenční vlastnosti, a že jejich činnost není téměř ovlivněna pracovní teplotou, používají se ve spínací i vysokofrekvenční technice.
Příklad diody
1N4151
URRM [V] URSM [V] IF(AV) při 250 [A] IFSM [A] při 250 UF [V] Tjmax [0C] trr [ns] Rthj
[0C/W]
50 75 50 0,5 1 150 2 <300

Bílkovinná dioda
O bílkovinách se předpokládalo, že jsou polovodiči, ale vždy bylo velmi obtížné nanést vrstvu bílkovin mezi dva rovné povrchy kovu, aniž by se tyto kovové vrstvy vzájemně dotkly. Při rtuťové kapkové polarografii si Luca Turin z londýnské univerzity povšiml, že se kapénky rtuti pokryté bílkovinou neshlukují. Dvě takovéto rtuťové kapky v trubici oddělené roztokem bílkoviny ve vodě vytvářejí dva přechody kov-bílkovina. Tato sestava se chová jako dvě opačně orientované diody zapojené za sebou. Pokud jedna z kapek obsahuje příměs zinku, vznikne normální dioda, která vydrží při pokojové teplotě, aniž by došlo ke změně její funkce, po několik hodin. Kdo ví, možná, že někdy v budoucnu budou usměrňovače proudu vyráběny jenom z vaječného bílku.





Obsah
Šum diod 2

Usměrňovací diody 2

Hrotové diody 5

Zenerovy diody 5

LED diody 8

Varikap 9

Schottkyho dioda 11

PIN dioda 11

Fotodioda 12

Tunelová dioda 14

Bílkovinná dioda 15


Použitá literatura:
Kurs radiotechniky
Československé polovodičové součástky
Praktická zapojení polovodičových diod a tyristorů
Dioda, tranzistor a tyristor názorně
Elektronika
Elektronika součástky a obvody principy a příklady
Katalogy:
Power semiconductors
Semic
Tesla
Ges
Ostatní zdroje:
Internet

PŘIDEJTE SVŮJ REFERÁT