71

6. PN SPOJ Kao to je već prije pokazano poluvodiči bilo čisti bilo dopirani, imaju istu

vodljivost u oba smjera priključenog napona. Ukoliko se određenim tehnolokim procesom dobije kombinacija poluvodiča P i N tipa tada se to naziva PN spoj ili PN dioda. Struja ja tada razmjerno velika u propusnom smjeru prema zanemarivo maloj struji u nepropusnom smjeru. Za ovakvo ponaanje diode odlučujuću ulogu ima prijelazni sloj koji se formira između P i N strane.

Danas postoji vie metoda i postupaka za formiranje PN spoja koje se dalje koriste u proizvodnji dioda, tranzistora i drugih poluvodičkih elemenata, bilo u diskretnoj tehnici ili tehnici integriranih krugova.

Za dobru kvalitetu diode potrebno je dobro kontrolirati sadraj primjesa u kristalu poluvodiča. Ovo se postie pročićavanjem poluvodiča do maksimalno moguće čistoće, te se onda kontrolirano dodaju primjese.

Takva PN struktura prikazana je shematski slikom 143.

Slika 143. Shematski prikaz PN spoja Na P strani spoja postoji visoka koncentracija slobodnih upljina, a na N strani visoka

koncentracija slobodnih elektrona, ako se spoj promatra pri normalnoj temperaturi (300 K). Tako pokretljivi večinski nosioci naboja difundiraju u svom slobodnom kretanju u materijal na suprotnoj strani spoja. Difuziona struja je tada kretanje nosilaca naboja iz područja visoke koncentracije u područje nie koncentracije.

Ova struja različita je po prirodi nastanka od driftne struje nosilaca naboja koja nastaje kao posljedica električnog polja, pa se stoga ova struja jo naziva i struja polja.

Kao to je prije pokazano, difuziona struja je proporcionalna gradijentu koncentracije

elektrona dn/dx odnosno In nq Ddndx

= 0 , gdje je Dn difuziona konstanta za elektrone.

Odgovarajući izraz za difuzionu struju upljina je: IP Pq Ddpdx

= − 0 , gdje je Dp difuziona

konstanta za upljine. Pokretljivost nositelja naboja, kao i difuznih nosilaca pojava je statističke prirode. Ove dvije pojave vezane su odnosom koji se izraava Einsteinovom jednadbom:

µ µn

n

p

pD DqkT

= = 0

akceptorski ion

upljina

prelazno područje

spoj P tip N tip

elektron

donorski ion

72

Nastanak difuzione struje stvara uvjete da PN spoj moe imati ispravljačka svojstva. Zbog difuzije slobodnih upljina iz područja P tipa i slobodnih elektrona iz područja N tipa preko spoja dolazi do stvaranja tzv. prijelaznog područja. Ono obuhvaća područje materijala u kojem se obavlja izrazita rekombinacija elektrona i upljina, tako to u njemu nestaju slobodni nositelji naboja. Prijelazno područje se tada ponaa kao izolator. Difuzija slobodnih elektrona u P područje i upljina u N područje traje sve dok akumulirana količina naboja u takvom PN spoju, koji je tada kondenzator kapaciteta CPN, postane dovoljna da zaustavi daljnje prelaenje elektrona i upljina preko spoja.

Kao to pokazuje slika 143 u području s jedne i druge strane spoja, prikazano je stanje poslije svretka procesa difuzije i rekombinacije. Iz prijelaznog područja iscrpljene su sve upljine na P strani i slobodni elektroni na N strani. Na P strani graničnog područja se zbog toga skupljaju negativni naboji, a pozitivni naboji na N strani tog područja. Ovi granični naboji su zapravo pozitivni i negativni ioni primjesa vezanih u kristalnoj reatci i koji su nepokretni. Jednaki negativni i pozitivni naboji na maloj udaljenosti predstavljaju dipole, a područje koju zauzimaju dipoli naziva se dipolno područje. Ovo područje, pored naziva prijelazno, ima jo naziv opustoeno područje, jer su u tom području ostali samo nepokretni ioni, odnosno opustoeni su pokretni nosioci naboja. irina ovog područja je reda veličine 1 µm, kako je to prikazano slikom 144, a to je jako malo u odnosu na ukupnu duljinu kristala koja je oko 0,5 mm.

Slika 144. PN spoj u stanju termičke ravnotee

a) raspodjela gustoe naboja

b) raspodjela potencijala V(x)

c) raspodjela elektri~kog polja E(x)

d) energetske razine u PN spoju

73

U tom ravnotenom stanju, slobodni elektroni na N strani, koji su izvan prijelaznog područja, ne mogu prijeći na P stranu zbog odbojnih sila negativnih iona s P strane.

Napon difuzije UPN, koji se stvara na krajevima prijelaznog područja, ima iznos UPN=q/CPN, gdje je q količina naboja koja je protekla strujom difuzije, a CPN kapacitet prijelaznog područja.

Jakost električnog polja u prijelaznom području vrlo je velika, jer se na duini od 1 µm pojavljuje potencijal od 1V ( jakost električnog polja je tada 1 MV/m). To polje pokreće struju manjinskih nosilaca suprotno smjeru većinskih, to je driftna struja. Promjeni koncentracije nosilaca naboja u poluvodičima s obiju strana PN spoja odgovara pomak svih energetskih razina elektrona u tim poluvodičima i, prema tome, također Fermijevih razina (slika 140). Ravnotea između djelovanja razlike koncentracija i djelovanja polja nastalog stvaranjem prostornih naboja, odnosno ravnotea između difuzione i driftne struje, uspostavlja se kada su Fermineve razine s obje strane PN spoja jednake, a u tom ravnotenom stanju driftna struja je jednaka difuzionoj, te je ukupna struja jednaka nuli. Kako bi elektron s N strane preao na P stranu treba utroiti energiju q0U0, koja je jednaka radu koji se obavi na savladavanju sile qE na putu jednakom duljini prijelaznog područja od N do P strane. Potencijalna energija q0U0, je razlika potencijalnih energija vodljivog pojasa N i P strane, gdje je U0 kontaktni potencijal, koji se jo naziva i potencijal barijere UB. Vrijednost napona U je određena ravnoteom dva čimbenika: termičkom ionizaciom koja stvara parove manjinskih nosilaca (elektron-upljina) na obje strane PN spoja i difuzijom većinskih nosilaca na spoju nasuprot potencijalne barijere, procesom koji ovisi o kinetičkoj energiji većinskih nosilaca, a koju oni dobivaju također uslijed termičkih djelovanja. Odnos kontaktnog i temperaturnog napona tada je jednak:

UU

p

pnn

K

T

p

N

N

P= =ln ln ili

p

pe

nn

p

N

UU N

P

K

T= = .

6.1. Propusna polarizacija PN spoja Ako se krajevi PN spoja priključe na vanjski napon U tako da plus pol izvora dođe

na P stranu, a minus na N stranu, PN spoj će se polarizirati u propusnom smjeru kako je to prikazano slikom 145.

Zbog ovakove polarizacije, upljine u P dijelu kreću se preko spoja prema N strani, a u prijelaznom području nastaje rekombinacija sa slobodnim elektronima koji ovdje dolaze iz N područja, kao posljedica priključenog napona na krajeve PN spoja. Potencijalna barijera na PN spoju se smanjuje zbog rekombinacije, jer se ioni u prijelaznom području vraćaju u neutralno stanje, tako to primaju pokretne naboje: pozitivni ioni elektrone, a negativni upljine. Uslijed smanjenja potencijalne barijere cijeli PN spoj se sada ponaa skoro kao kratki spoj, a mjerenja pokazuju da je tada vodljivost manja od vodljivosti čistog poluvodiča.

74

Slika 145. PN spoj propusno polariziran

Fermijeve razine se u oba tipa poluvodiča razmiču za iznos q0U, a barijera se suzila

i smanjila za q0UB, tako da sada ima puno elektrona s dovoljno energije, kojom mogu prijeći u P dio, a isto vrijedi kod upljina za prelazak u N dio. Ako se zanemare otpori napon barijere se smanjuje od prvobitnog iznosa UK za napon U ili:

UB=UK-U.

6.2. Izvod UI karakteristike PN spoja Ova analiza temelji se na proučavanju koncentracije upljina u PN spoju, to

jednako vrijedi i za elektrone. Uzme li se odnos:

( )( )

pp

e eN

P

UU

U UU

B

T

K

T0

= =

−−

−

iz kojeg slijedi:

( )p p e eN p

UU

U

UK

T T0 = ⋅−

ili pp

eN

p

UU

K

T=−

, tako da je ( )p p eN N

UU

K

T0 = i p p eN P

UU

K

T=−

.

Gustoća struje pozitivnih čestica jednaka je gustoći difuzione struje za p čestice, dok je struja električnog spoja zanemariva, tako da je:

I I q Ddpdx

q Dp p

LP DIF p pN N

pP

= = − = −−

0 00( )

, gdje je:

LP - difuziona duina, odnosno mjesto gdje koncentracija pP pada na nulu (za poluvodiče difuziona duina obično iznosi nekoliko desetaka µm).

Gornja jednadba moe se pisati i kao:

c) struja elektrona i struja upljina

a) shematski prikaz PN spoja u strujnom krugu, kada je irina prijelaznog područja zanemarivo mala

b) Simbol PN diode i UI karakteristika

75

I I q Dp p

LP DIF pN N

pP

= =−

00( )

, pa uvrtavanjem gornjih izraza dobivamo:

Iq D

Lp eP

P

PN

UUT= −

0 1 .

Iz ovoga je vidljivo da struja pozitivnih čestica o priključenom naponu ovisi eksponencijalno.

Ukupna struja tada je:

I = +

−

Sq

D

Lp

DL

n ep

PN

N

NP

UUT

0 1 , gdje je S povrina presjeka, pa ako se uzme da

je: pNnN=f(T), odnosno pNnN=f(T)=ni

2 tako da je:

nnp

nNp

i

P

i

A= =

2 2

i pnn

nNn

i

n

i

D= =

2 2

, gdje su:

NA - koncentracija akceptora i ND - koncentracija donora. Iz toga izlazi da je struja jednaka:

I = +

−

Sq n

D

L ND

L Nei

p

p D

N

N A

UUT

02 1 ili

I I= −

S

UUe T 1 , gdje je:

IS - struja zasićenja, koja teče pri negativnoj polarizaciji i proporcionalna je kvadratu koncentracije elektrona u čistom poluvodiču.

Prikae li se gornja jednadba grafički dobiva se krivulja prikazana slikom 146.

Slika 146. UI karakteristika propusno polariziranog PN spoja

Za germanij napon kod kojeg PN spoj počinje jače voditi je oko 0,2 do 0,3 V, a za

silicij je on oko 0,7V. Za područja malih i srednjih napona UI karakteristika PN spoja se moe prikazati jednadbom:

76

−−−−==== 1eII TmU

U

S , gdje je:

IS - struja zasićenja, a m je faktor koji za silicij iznosi m=2, i UT je temperaturni napon.

Za pozitivne napone nekoliko puta veće od UT izraz za struju moe se pisati priblino:

TmUU

SeII ≈≈≈≈ .

6.3. Nepropusna polarizacija PN spoja Ako se na krajeve PN spoja priključi vanjski napon U tako da minus pol izvora

dođe na P stranu, a plus na N stranu, PN spoj će se polarizirati u nepropusnom ili inverznom smjeru kako je to prikazano slikom 147.

Slika 147. PN spoj nepropusno polariziran

U ovom smjeru PN spoj ima veliki prelazni otpor. Prijelazno područje nema

slobodnih nosilaca, pa kao takvo ima veći otpor nego ostatak kristala na obje strane. P i N područje imaju male otpore, koji se ponaaju kao metali između priključaka i prijelaznog područja. Vanjski priključeni napon odvlači elektrone i upljine iz spojnog i prijelaznog područja, koje se na taj način iri. Proirenje ionizacijskog pojasa dovodi do povećanja potencijalne barijere za vrijednost priključenog napona ili:

UB=UK+U. Time se oteava prijelaz većinskih nosilaca preko spoja, a uvjeti polarizacije u

inverznom smjeru pogoduju protoku struje manjinskih nosilaca. Kako je N strana kristala pozitivna ona privlači elektrone s P strane, gdje su oni manjinski nosioci. P strana je osiromaena slobodnim elektronima, ali i elektroni koji nastaju termičkom ionizacijom ne doprinose svi struji, nego samo koji prijeđu u N područje, te samo oni

a) shematski prikaz PN spoja u strujnom krugu, kada je irina prijelaznog područja zanemarivo mala

b) Simbol PN diode i UI karakteristika

77

doprinose struji manjinskih nosioca. Ostali elektroni će se rekombinirati sa upljinama koje su također nastale termičkom ionizacijom u P području.

Promatra li se jednadba struje za PN spoj u području negativnih napona izlazi da je:

I I e IS

UU

ST= −

≈ −1 , jer se eksponencijalni član izraza u zagradi moe zanemariti,

tako da tada teče samo inverzna struja zasićenja. Nacrta li se karakteristika PN spoja u području negativnih napona dobije se

dijagram prikazan slikom 147 b. Kao i kod propusne polrizacije vrijedi da je pNnN=f(T), odnosno pNnN=f(T)=ni

2 ili:

nnp

nNp

i

P

i

A= =

2 2

Barijera se proiri na manje dopirani stranu za odnos NN

l

lD

A

p

n= , pa se često deava

da je barijera u cijeloj nedopiranoj strani, Barijera ima kapacitet PN spoja koji se tada vie ne odnosi na PN spoj nego za barijeru, a iznos kapaciteta barijere je jednak kapacitetu PN spoja. Kod nepropusne polarizacije taj se kapacitet smanjuje jer se povećava barijera, to ima efekt udaljavanja ploča kondenzatora.

6.4. Fermijeve razine PN spoja Poloaj Fermijeve razine za tri različita slučaja (priključaka napona) prikazan je

slikom 148. Kada na PN spoj nije priključen napon Fermijeva razina konstantna je i to tako da

je nia od energetske razine vodljivog pojasa oba tipa poluvodiča, a veća od razine valentnog pojasa.

Ako se PN spoj polarizira u propusnom smjeru, energetska barijera se smanjuje za q0US1, gdje je US1 vrijednost vanjskog napona na krajevima PN spoja. Fermijeva razina sada nije vie na istoj vrijednosti u P i N strani, već je na N strani pomaknuta za iznos q0US1 u odnosu na razinu koju ima na P strani.

U slučaju inverzne polarizacije, energetska se barijera povećava za q0US2, gdje je US2 vanjski napon na krajevima PN spoja. Fermijeva razina tada se pomiče za q0US2 u odnosu na razinu koja je na P strani. Na toj slici također je prikazano i irenje PN barijere zbog priključka inverznog napona.

78

Slika 148. Poloaji Fermijeve razine PN spoja

U slučaju daljnjeg povećanja inverznog napona dolazi do naglog povećanja struje koje se naziva proboj (slika 149).

Slika 149 Napon proboja PN spoja

U

U

0

I

napon proboja

79

Moe se pokazati da postoje dvije vrste proboja: lavinski i tunelski. Lavinski proboj nastaje kod inverznih napona većih od 8V, a predstavlja struju

elektrona koji nastaju kada jedan elektron izbacuje bar dva elektrona iz atoma poluvodiča, koji se tada ubrzavaju električnim poljem. Tako nastaju novi elektroni i stvara se kumulativni proces koji za posljedicu ima veliku promjenu struje uz malu promjenu napona.

Tunelski ili Zenerov proboj nastaje također zbog kidanja kovalentnih veza, ali ne zbog sudara nosilaca i iona, već zbog jakog električnog polja u prijelaznom području PN spoja. Barijera je tanka, pa ako su obje strane jako dopirane, moe se dogoditi da neki elektroni iz valentnog pojasa prođu kroz takvu barijeru (tuneliraju se). Uvjet da se elektron tunelira je da je barijera dovoljno tanka i da ima mjesto za takav elektron u vodljivom pojasu. Bitno je naglasiti da čestica prolaskom kroz barijeru ne mijenja svoju energiju. Tunelski proboj nastaje kod malih napona ako je irina barijere jednaka valnoj duljini elektrona, a prelazak elektrona izuzetno kratko traje i iznosi priblino 10-15 s.

Kod lavinskog proboj pri većoj temperaturi manji je put između dva sudara, pa se smanjuje vjerojatnost lavine, odnosno porastom temperature povećava se probojni napon. Kod tunelskog proboja, porastom temperature napon barijere se smanjuje, jer se smanjuje energija zabranjenog pojasa.

6.5. Spoj metala i poluvodiča Spoj poluvodiča i metala moe pokazivati omska ili ispravljačka svojstva. U

slučaju kada spoj ima omska svojstva, on proputa struju jednako u oba smjera, a ispravljačka svojstva istovjetna su ponaanju PN spoja.

Slika 150. Spoj metala i polivodi~a. Takav spoj najčeće se izvodi tako da se spojno mjesto jače dopira, te on ima

omska svojstva, pa se na primjer silicij dopira aluminijem ili bilo kojim dopirajućim materijalom koji odgovara aluminiju (slika 150).

6.5. Tehnologija izrade PN spoja Kao to je prije spomenuto danas postoji vie metoda i postupaka za formiranje PN

spoja, gdje je za njegovu dobru kvalitetu potrebno strogo kontrolirati sadraj primjesa u kristalu poluvodiča.

Kao osnovni materijal uzima se silicij (Si) ili germanij (Ge). Germanij je ranije bio jako upotrebljavani materijal zbog nie točke talita (950 °C) od silicija (1400 °C), ali zbog dozvoljene temperature spoja silicija koja iznosi oko 200 °C, prikladniji je od

metal

N N+

metal

P P+

80

germanija kod kojeg je ona samo 100 °C, a to je najvanije slicij je jako rairen materijal. Tehnički silicij dobiva se reakcijim silicijevog dioskida, koji se u prirodi nalazi kao kvarc. U lučnim pećima on se zagrijava na temperaturu iznad 1400 °C, te nastaje kemijska reakcija:

SiO2+2C→Si+2CO Kada je poluvodič dovoljno čist, od njega se moe izvući kristal pravilne

strukture i s eljenim sadrajem primjesa. PN spoj moe se dobiti primjenom dva postupka: legiranjem ili difuzijom.

Legiranjem se PN spoj dobivava tako to se na kristal N tipa stavi komadić indija u obliku male kuglice, i zagrijava tako, da se formira mala kapljica otopljene smjese, kako je to prikazano slikom 151. Hlađenjem, legura očvrsne u obliku poluvodiča P tipa, čija se kristalna struktura nastavlja na kristalnu strukturu pločice N tipa. Paljivom kontrolom postupka legiranja moe se dobiti PN spoj u kojem prijelazno područje moe biti iroko samo nekoliko atomskih promjera. Ovaj postupak pomalo se naputa zbog nemogućnosti kontrole difuzije P tipa u N tip poluvodiča.

Slika 151. Postupci dobivanja PN spoja a) legiranjem i b) difuzijom Difuzionim postupkom moguće je poluvodički materijal pretvoriti iz jednog tipa u

drugi ili određenom tipu dodati jo istih primjesa i povećati mu njihovu koncentraciju. PN spoj se dobiva tako to se na povrini silicija N tipa oformi tanak sloj SiO2 zagrijavanjem u prisutnosti kisika. Tada se posebnim postupkom skida taj oksidni sloj, nakon to se maskira dio povrine gdje taj sloj treba ostati (slika 151b). Nakon toga se zagrijani poluvodič (1000 °C) izloi struji plina bora, ili neke druge trovalentne primjese, pri čemu će akceptorski atomi prodrijeti (difundirati) u kristal kroz odabranu povrinu i tako oformiti PN spoj.

Ovako dobiven PN spoj nije kvalitetan, jer je N dio slabo dopiran i tvori jednu otpornu zonu koja povećava specifični otpor. Za poboljanje kvalitete PN spoja koristi se epitaksijalni postupak, tako to se na atom silicija vee jače dopirani silicij. Slika PN spoja s epitaksijalnim slojem prikazan je slikom 152.

Slika 152. PN spoj s epitaksijalnim slojem

N+

P

Epitaksijalni sloj

81

Za diode koje vode velike struje ne smije biti zakrivljenosti P sloja u N sloju, jer na tim područjima dolazi do koncentracija jakih struja, to dovodi do grijanja PN spoja. Takve su diode posebnog oblika koji se dobiju tzv. mesa postupkom (naziv potiče iz Arizone gdje indijanci takav oblik brda zovu mesa), prikazan je slikom 153.

Slika 153. PN spoj za velike struje Najstariji način koritenja poluvodiča bio je detektor koji je zapravo bio PN

točkasti spoj, koji se satoji iz N tipa germanija na koji je pritisnit iljak zlatne ili volframove ice, a prikazan je slikom 154.

Slika 154. Točkasti PN spoj Proputanjem struje kroz iljak stvori se vrlo mali otok P tipa u N sloju, čime se

dobije vrlo mala povrina PN spoja to se vrlo uspjeno koristi za ispravljačka svojstva u visokofrekvencijskoj tehnici.

ZADATAK 1: Silicijev PN spoj ima skokovit prijelaz s p na n stranu, koncentracija donorskih primjesa na n strani iznosi ND=1017.cm-3, a akceptorskih na p strani NA=2.1015cm-3. Koliki je kontaktni potencijal PN spoja na temperaturama od 300K i 500K? Objasniti rezultat fizikalno. Slika 155. PN spoj Kod nehomogeno dopiranog poluvodiča javlja se difuziona struja kao posljedica gibanja nosilaca s mjesta veće na mjesto manje koncentracije. Ukoliko, dakle, postoji tendencija protjecanja difuzione struje, odmah se javlja električno polje koje dri

N+

P

N P

zlatna ica

p-tip n-tip

non=ND

pon=ni2/non

nop=ni2/pop

pop=NA

barijera

82

ravnoteu PN spoja. Drugim rječima, koncentracija koja bi htjela izazvati difuzionu struju odmah stvara polje koje bi izazvalo driftnu struju u suprotnom smjeru. Električno polje nazivamo ugrađeno električno polje, koje za posljedicu ima razliku potencijala koji nazivamo kontaktni potencijal. Formula za kontaktni potencijal glasi: Uk=UT

.ln(nonpop/ni2) gdje je:

non-ravnotena koncentracija elektrona na n strani, a pop-ravnotena koncentracija upljina na p strani. Obzirom da je ND,NA>>ni slijedi: non=ND i pop=NA→ Uk=UT

.ln(NDNA/ni2)

T=300K ni=1.45.1010cm-3 Uk=0.713V T=350K ni=5.13.1011cm-3 Uk=0.617V Uk=(EFn-EFp)/q0 Slika 156. Kontaktni potencijal Sa porastom temperature poluvodič tei intrinsičnom, odnosno Fermijeva razina tei prema sredini zabranjenog pojasa to uzrokuje smanjenje kontaktnog potencijala. ZADATAK 2: Silicijev skokovit PN spoj povrine S=1mm2, ima koncentraciju primjesa NA=1017cm-

3 na p strani i ND=1015cm-3 na n strani. Odredite ukupne irine barijera na pojedinim stranama, barijerni kapacitet za priključen vanjski napon U=+0.5V, U=0V, U=-5V ,temperatura T=300K. Kontaktom poluvodiča p i n tipa nastaje sloj prostornog naboja odnosno barijera. Barijeru čine nekompenzirani donorski i akceptorski ioni gdje ne postoje naboji slobodnih nosilaca. Barijera dakle predstavlja dielektrik pločastog kondenzatora za koji se definira barijerni kapacitet CB=ε0εrS/dB(UTOT) gdje je dB(UTOT) debljina barijere koja ovisi o ukupnom naponu na barijeri. Ukoliko ne postoji priključen vanjski napon U na barijeri vlada kontaktni potencijal. Ovisno o polaritetu vanjskog napona koji se definira u odnosu na p stranu barijera se iri ili skuplja.

dq

N NN N

UBr A D

A DTOT=

+2 0ε ε

Uk=UT.ln(NDNA/ni

2)=0.695V a) U=0 UTOT=Uk-U=Uk=0.695V dB=0.965µm Iz razloga to u barijeri nema slobodnih nosilaca, samo ionizirane primjese, vrijedi da je povrinska koncentracija donora i akceptora jednaka. XnND=XpNA Xn+Xp=dB gdje je Xn irina barijere na n strani, a Xp irina barijere na p strani. Xn=dB

.NA/(NA+ND)=0.955µm Xp=dB

.ND/(NA+ND)=9.55nm

p-tip n-tip

EFp

EFn

Uk

83

ρ(x)=qND ρ(x)=qNA Slika 157. Barijera u PN spoju Sa slike 157 vidljivo je da se barijera vie iri na manje dopiranu stranu. CB=ε0εrS/dB=110pF b) U=+0.5V UTOT=Uk-U=0.195V dB=0.511µm Xn=0.506µm Xp=5.06nm CB=208pF c) U=-5V UTOT=Uk-U=5.695V dB=2.76µm Xn=2.73µm Xp=27.3nm CB=38.5pF

6.6. Vrste dioda i njihova svojstva Poluvodičke diode su elektronički elementi s dvije elektrode, a imaju nelinearnu UI

karakteristiku. Izrađuju se iz poluvodiča temeljem PN spoja s različitim značajkama. Primjenjuju se prvenstveno za ispravljanje izmjenične struje, ali imaju jo niz namjena (stabilizacija i ograničenje napona, uklapanje strujnih krugova, mijeanje visokofrekvencijskih signala i dr.).

6.6.1. Signalno ispravljačka dioda Svojom UI karakteristikom dioda utječe na oblik signala, a zbog svoje

nelinearnosti on će biti izobličen. Proizvode se razni oblici dioda s različitim UI karakteristikama, gdje su najbitnije

značajke dioda: maksimalna disipirana snaga na diodi, maksimalna struja, zaporni napon i napon vođenja. Za svaki tip diode proizvođači daju adekvatne karakteristike s grafički izraenim vrijednostima.

Primjer ovisnosti snage o temperaturi ambijenta ili okoline za silicijsku diodu pokazana je slikom 158.

Slika 158. Temperaturna ovisnost snage diode Ispravljačke diode slue za poluvalno ispravljanje izmjeničnog napona, a

koritenjem četiri diode (Greatzov ispravljač) dobiva se punovalno ispravljanje.

ρρρρ(x)

Xn

Xp

T(°C)

P(W)

20 190

84

6.6.2. Referentna, probojna ili Zenerova dioda To je silicijska dioda s povrinskim PN spojem čije je normalno područje rada u

reimu proboja. U njoj se iskoritava svojstvo PN spoja da pri lavinskom ili Zenerovom proboju (koji nije destruktivan) zadrava konstantan probojni napon skoro neovisan o struji kroz diodu (slika 159).

Slika 159. UI karakteristika Zener Diode

Vrijednost se probojnog napona osim toga vrlo malo mijenja s promjenom temperature tako da se pomoću takovih dioda moe stabilizirati napon ili dobiti izvor struje referentnoga konstantnoga napona. Ona je određena koncentracijom primjesa na slabije vodljivoj strani barijere to omogućuje izradu dioda s različitim probojnim naponima od nekoliko volti do vie stotina volti. Za stabilizaciju napona najčeće se primjenjuju samo diode s manjim probojnim naponima (< 30 V), a nominalne snage koje se na takvim diodama smiju disipirati ovise o tipu diode, te imaju vrlo irok raspon snaga od 400mW do 50W (ovisno o obliku i termičkim svojstvima kučita).

6.6.3. Tunel dioda Poznata je pod nazivom Esakijeva dioda prema Japanskom fizičaru L.Esaki koji ju

je prvi teoretski obradio i praktički dobio. Njezina osnovna značajka je to ima vrlo tanki PN spoj izrađen od jako dopiranih poluvodiča (> 1018cm-3). UI karakteristika tunel diode prikazana je slikom 160, a moe se objasniti pomoću energetskih razina prikazanih slikom 161.

Slika 160. UI karakteristika tunel diode

(1)-tunelska struja (2)-difuziona struja (3)-ukupna struja

85

Slika 161. Energetske razine tunel diode

Zbog velike koncentracije primjesa nema izoliranih donorskih i akceptorskih razina kao kod obične diode, već umjesto njih nastaje donorsko energetsko područje (D) u N dijelu i akceptorsko energetsko područje (A) u P dijelu.

Za male napone u propusnom smjeru energetske razine na N strani pomiču se u odnosu na P stranu za iznos q0UA (eVA na slici161b), tako to se pune donorske razine (D) nađu nasuprot praznim akceptorskim razinama (A) s vrlo tankim prelaznim područjem između njih. U ovakvim energetskim uvjetima difuziona struja je zanemariva, ali energetski uvjeti i vrlo tanko prelazno područje omogućuju elektronima s N strane prodor (tuneliraju se) kroz prelazno područje prema P strani dovodeći time do protoka tunelske struje koja iznosi nekoliko mA. Porastom napona u propusnom smjeru iznad vrijednosti UB≈0.05V, tunelska struja opada i pri vrijednostima napona od nekoliko stotina mV tunelska struja je zanemarivo mala u odnosu na difuzionu struju. Oblik rezultirajuće karkteristike ukazuje na negativan dinamički otpor diode u području UP i UD to omogućuje njenu primjenu u oscilatorskim sklopovima, a osim toga moe se primjeniti kao bistabilni element u memorijskim sustavima

6.6.4. Varikap dioda Inverzno polariziran spoj predstavlja izolator, ali u isto vrijeme on se ponaa kao i

kondenzator čiji se kapacitet mijenja promjenom napona na njegovim krajevima, tako da su to diode varijabilnog kapaciteta.

86

napon (U)

kapa

citet

C

Slika 162. Promjena kapaciteta varikap diode u ovisnosti o naponu Ovdje je bitno naglasiti kako varijabilni kapacitet ovisi o naponu nepropusne

polarizacije (slika 162).

6.6.5. PIN dioda PIN dioda se sastoji od dobro vodljivih područja P i N između kojih je slabo

vodljivo područje I (intrinsično). Takva se dioda pimjenjuje pri visokom frekvencijama i u tom području predstavlja pri nepropusnoj polarizaciji visoku impedanciju, barijera se iri kroz cijelo područje I (slika 163) koja postaje izolator, te PIN dioda djeluje sada kao kondenzator s vrlo malim gubicima. Kapacitet kondenzatora neovisan je o naponu na diodi jer su promjene irine barijere u P i N području relativno male u odnosu prema irini intrinsičnog područja I.

Slika 163. PIN dioda

6.6.6. Prekidačke (switch,impulsne) diode

Slika 164. Impulsna svojstva PN spoja Kada je dioda polarizirana propusno kroz diodu teče struja IF, a uz barijeru je

koncentracija manjinskih nosilaca veća od ravnotene koncentracije. Prebacivanjem sklopke u drugi poloaj u trenutku t0 (čime je shematski prikazan dolazak negativnog impulsa), na diodu dolazi nepropusni polaritet. Nagomilani naboj manjinskih nosilaca ne moe istog trenutka nestati, pa struja kroz diodu u trenutku promjene napona

P I N

I

-IR

-IRS

IF

t

t0 ts

td

R

U

87

promijeni smjer, ali jo uvijek znatnog iznosa IR (slika 164) i ostaje stalna sve dok koncentracija nosilaca uz barijeru ne padne na vrijednost određenu priključenim naponom. Tek tada struja počinje eksponencijalno opadati prema svojoj stacionarnoj vrijednosti IRS (nakon vremena ts, koju dosegne nakon vremena td. Za diode koje trebaju biti brze sklopke vrijeme ts+td (vrijeme oporavka diode) mora biti kratko (od 1µs do 1ns).

6.6.7. LED diode Prilikom kidanja kovalentnih veza nastaju parovi elektron-upljina, te kao to

se za kidanje kovalentnih veza troi energija, isto tako se prilikom rekombinacije elektrona sa upljinom oslobađa energija. Ova oslobođena energija odlazi na zagrijavanje kristala, ali kod nekih poluvodičkih materijala oslobođena energija prilikom rekombinacije, javlja se u obliku zračenja, odnosno nastaje foton svjetlosti čija frekvencija (boja) ovisi o energetskom razmaku između valentnog i vodljivog pojasa materijala PN spoja. Za diodu od galij-arsenida (GaAs) ovaj razmak iznosi 1,5 eV, a emitirana svjetlost je infra crvene boje, koja je za oko nevidljiva. Dioda od galij-fosfida (GaP) daje zelenu ili crvenu boju, a dioda od galij-arsenid-fosfora (GaAsP) daje crvenu ili utu boju. Poprečni presjek tipične LED diode prikazan je slikom 165, kao i geometrija 7 segmentnog numeričkog pokazivača.

Slika 165. Struktura i tipična izvedba LED diode

6.6.8. Poluvodička fotodioda Poluvodička fotodioda je PN spoj kome je P strana napravljena tako da kroz nju

moe proći svijetlost. Ukoliko se dioda nepropusno polarizira ona se ponaa kao izolator ako nije osvijetljena, međutim ukoliko postoji svjetlosni tok ona postaje vodljiva iz razloga to se kidaju kovalentne veze unutar prijelaznog područja. Energija za kidanje kovalentne veze nastaje transformacijom energije koju predaju fotoni. Skup UI karakteristika fotodiode prikazana je slikom 158, gdje je krivulja Φ0 snimljena za slučaj kada dioda nije osvijetljena. to je veći intenzitet svijetlosti koji pada na diodu sve je veća struja diode jer je sve vie pokidanih kovalentnih veza. Prema tome vodljivost fotodiode polarizirane u nepropusnom smjeru ovisi o osvijetljenosti.

88

Slika 166. UI karakteristike fotodiode u ovisnosti o svjetlosnom toku

6.6.9. PN spoj kao sunčana ćelija Ako se inverzni napon ugasi na fotodiodi, manjinski nosioci će i dalje prelaziti

preko spoja sve dok je dioda osvjetljena. Manjinski nosioci teku i time tee smanjiti potencijalnu barijeru koju difuzijom stvaraju većinski nosioci PN spoja. Da bi se struja smanjila na nulu treba na krajeve diode u propusnom smjeru spojiti napon iznosa oko 0.5V (Slika 166). Ovo znači da se fotodioda ponaa kao izvor, jer se na njenim krajevima moe izmjeriti napon, pozitivan na P strani, a negativan na N strani. Na taj način fotodioda se moe promatrati kao fotovodljivi element i kao fotonaponski element. Kada fotodioda radi pri inverznom naponu ona je fotovodljivi element, a bez inverznog napona kao generator napona.

Sunčana ćelija ili pretvarač sunčeve energije u električnu je fotodioda projektirana za rad kao fotonaponski element odnosno tako da moe dati to vie izlazne snage (slika 167).

Slika 167. Sunčeva ćelija

89

ZADATAK 1: Dvije PN diode spojene su prema slici 168, ako su naponi na diodama U1=0.6V, U2=0.7V, a Is1=2.10-14A (reverzna struja zasićenja diode D1) odrediti dinamičke i statičke otpore obije diode. T=300K

Slika 168.

Dioda je elektronička komponenta koja ima nelinearnu karakteristiku koja se moe dobro opisati u statičkim uvjetima rada Shocklijevom diodnom

jednadbom: I I eD S

UmU

D

T= −

1 gdje je:

ID-struja kroz diodu UD-napon na diodi IS-reverzna struja zasićenja UT-naponski ekvivalent temperature m-koeficijent ovisan o iznosu struje kroz diodu, kod silicijevih PN dioda kod

malih i velikih struja m=2, a kod srednjih m=1 Obzirom da su diode spojene u seriju vrijedi I1=I2=I UT=300/11605=25 mV I=IS1(exp(U1/UT)-1)=2.10-14.exp(0.6/(25.10-3)-1)=0.24mA

U reimu malih signala (izmjenična komponenta ne utječe na poloaj radne točke)

mree koje sadre nelinearne elemente analiziraju se koristeći princip superpozicije. Nelinearni krug moe se razdvojiti na dva strujna kruga, jedan koji uključuje samo istosmjerne komponente, te određuje radnu točku, drugi koji uključuje samo izmjenične veličine gdje nelinerni element (u naem primjeru dioda) predstavlja otpor koji zovemo dinamički otpor. RS1=U1/I=0.6/0.24.10-3=2.5kΩ -statički otpor diode D1 RS2=U2/I=0.7/0.24.10-3=2.92kΩ -statički otpor diode D2 Dinamički otpor se dobiva kao parcijalna derivacija napona na diodi po struji: gd=dI/dU -dinamička vodljivost rd=1/gd -dinamički otpor gd=ISexp(U1/UT).1/UT=(I+IS)/UT rd=UT/(I+IS) U naem slučaju I1=I2=I rd1=rd2=rd=UT/I=25.10-3/0.24.10-3=108Ω ZADATAK 2: Diode prema slici 169 D1,D2,D3,D4 imaju reverzne struje IS1=5nA, IS2=IS4=10nA i IS3=20nA. Na kojoj je diodi najveći napon po apsolutnom iznosu. Temperatura T=300K.

D1 D2

I

90

Slika 169.

Slika 170. Strujno naponska karakteristika dioda

Karakteristika diode prema slici 170 u reverznom području prikazana je u uvećanom mjerilu. Uz polaritet napona U prema slici diode D1 i D4 su propusno polarizirane, dok su diode D2 i D3 nepropusno polarizirane, te one određuju struju u krugu obzirom da su sve diode spojene serijski. Budui da je IS2<IS3 dioda D2 ograničava struju u krugu. I=10nA=IS2 U=UT

.ln(I/IS+1) U1=25.10-3.ln(10/5+1)=28.2mV U4=25.10-3.ln(10/10+1)=17.8mV I3=-10nA (suprotnog smjera-reverzna) U3=25.10-3.ln(-10/20+1)=-17.8mV U2=-U+U1+U4-U3=-4.93V ZADATAK 3: Za mreu prema slici 171 odredite napon na otporniku R. Zadano je: Ucc=1.5V U=20mV.sinωt Ri=10Ω R1=90Ω R=200Ω. Kondenzator ima zanemariv otpor na frekvenciji signala izmjeničnog izvora.

U=5V

D

1

D

2

D

3

D

4

+U

1

-

-

U

2

+

-

U

3

+

+U

4

-

I

1

I

2

I

3

I

4

I

U

I(nA)

D3

D2

D1 D4

Is2

Is3

91

Slika 171.

Kao to je napomenuto mree s nelinearnim komponentama se rjeavaju metodom superpozicije to je grafički prikazano na slici 172. Slika 172. Analiza rada nelinearne komponente u reimu malih signala

na primjeru pn diode a) statička analiza

Slika 173. Strujni krug za analizu statičkih uvjeta

U praksi je redovito dostupna IU karakteristika nelinearne komponente, dobivena mjerenjem i prikazana grafički. U tom slučaju u isti koordinatni sustav treba ucrtati statički radni pravac i IU karakteristiku. Prema slici 173 dobiva se jednadba statičkog radnog pravca: Ucc=I.Ri+UD+I.R1

U

cc

R

i

R

1

U

D

uD UDQ

ud =

+

iD

IDQ=IS(exp(UDQ/(mUT))-1) id=ud/rd

rd=mUT/(IDQ+IS)

=

+

I

U

U

cc

R

i

R

1

R

C

u

92

Slika 174. Točka presjeka označena sa Q zove se radna točka, budući da su veličine UDQ i IDQ istosmjerne komponente, radna točka se jo zove i statička radna točka. U naem primjeru statički pravac glasi: 1.5=100.ID+UD

Slika 175. Određivanje radne točke b) dinamička analiza Kada je poznata statička radna točka moguće je odrediti dinamički otpor diode rd. Krug na slici 176 uključuje samo izmjenične veličine ud i id, pri čemu je dioda zamjenjena otpornikom. IDQ=7.5mA rd=UT/IDQ=25.10-3/7.5.10-3=3.3Ω

Slika 176. Strujni krug za analizu dinamičkih uvjeta rada

U

R

i

R

1

r

d

R

i

d

u

0.75

7.5

15

1.5

iD(mA)

uD(V)

Q

UDQ

IDQ

Ucc/(R+R1)

Ucc

1

2

Q

iD

uD

93

Za krug prema slici 176 dobiva se: id=U/(Ri+rd+RP) gdje je RP=R1R/(R1+R) u=idRP RP=90.200/(90+200)=62Ω id=20.10-3/(10+3.3+62)=2.656.10-4A u=2.656.10-4.62=16.47.10-3V=16.47mV

Slika 177.

U naem slučaju u krugu postoji reaktivna komponeta (kondenzator C) te se pravac u dinamičkim uvjetima razlikuje od statičkog. Dinamički pravac prolazi kroz statičku radnu točku, ali je nagib različit od nagiba statičkog radnog pravca jer je otpor to ga osjeća nelinearni element različit od otpora u statičkim uvjetima. Nagib pravca dobiva se kao parcijalna derivacija struje po naponu: tg(α)=did/dud gdje je α kut to pravac zatvara s osi x Statički pravac tg(α1)=-1/(Ri+R1) Dinamički tg(α2)=-1/(Ri+RP)

Iz rezultata statičke i dinamičke analize dobivamo napon na otporniku R koji glasi u=16.47.sinωt (mV). Vlada samo izmjenični napon, zbog toga to istosmjernu komponentu blokira kondenzator C. ZADATAK 4: U sklopu stabilizatora s Zenerovom diodom potroač R je promjenjivog iznosa pri čemu vrijedi R>=0.5kΩ. Probojni napon Zenerove diode UZ=20V uz IZ>=5mA. Dimenzionirajte otpornik Ri uz koji će stabilizator pravilno raditi. Zadano je Ucc=25V, maksimalna disipacija diode PZmax=2W

Slika 178.

Da bi stabilizator ispravno radio struja kroz diodu mora biti u određenim granicama (Izmin do Izmax), te je tada napon na diodi UZ.

Ri

IZ R Uz Ucc

IP IS

U

DQ

I

DQ

-dinamički radni pravac

-statički radni pravac

Q

i

d

u

d

94

Prema slici 178 vrijedi: IS=IZ+IP Mora vrijediti: ISmin=IZmin+IPmax ISmax=IZmax+IPmin ISmin=(Ucc-UZ)/Rimax IPmax=UZ/Rmin IPmax=20/500=0.04A IZmin=5.10-3A Rimax=(Ucc-UZ)/Ismin=(25-20)/(0.04+0.005)=111Ω Pzmax=IZmax.UZ IZmax=2/20=0.1A Ipmin=0 (odspojen potroač) Ismax=(Ucc-UZ)/Rimin Rimin=(Ucc-UZ)/Ismax=(25-20)/0.1=50Ω Za pravilan rad diode treba uzeti otpornik Ri otpora 50 do 111Ω.