Presentasjon lastes. Vennligst vent

Presentasjon lastes. Vennligst vent

1 Kapittel 17 Dioder Revidert versjon januar 2009 T.Lindem – noen av figurene er hentet fra Electronics Technology Fundamentals Conventional Flow Version,

Liknende presentasjoner


Presentasjon om: "1 Kapittel 17 Dioder Revidert versjon januar 2009 T.Lindem – noen av figurene er hentet fra Electronics Technology Fundamentals Conventional Flow Version,"— Utskrift av presentasjonen:

1 1 Kapittel 17 Dioder Revidert versjon januar 2009 T.Lindem – noen av figurene er hentet fra Electronics Technology Fundamentals Conventional Flow Version, Electron Flow Version, by Robert T. Paynter and B.J. Toby Boydell Halvledere – Semiconductors Atomer med 4 valenselektroner Ladning og ledning –Conduction Band – “Lednings - bånd” - Energitilstand over valens-båndet –Et elektron som absorberer energi og “hopper” fra valensbåndet til ledningsbåndet sier vi er i eksitert tilstand (excited state )

2 2 Kapittel 17 Dioder - Halvledere Kovalent binding - Covalent Bonding – metoden som enkelte atomer bruker for å komplettere “valens-båndet” til 8 elektroner. Det utveksles elektroner med naboatomene Silisium med 4 valenselektroner danner en “diamantstruktur”. Det utveksles elektroner med 4 nabo-atomer slik at det dannes en konfigurasjon med 8 elektroner rundt hvert atom.

3 3 Kapittel 17 Dioder - Halvledere Conduction – Ledning i rene halvledere –Electron-Hole Pair - Når det tilføres energi I form av varme/stråling løftes et elektron fra valensbåndet opp i ledningsbåndet. –Rekombinasjon – Når et fritt elektron I ledningsbåndet “faller ned” I et ledig “hull” i valensbåndet. Energien frigjøres enten som varme eller elektromagnetisk stråling For å løsrive et elektron fra denne Si-strukturen trenges en energi på 1,1 eV

4 4 Kapittel 17 Dioder - Halvledere - Doping Doping – En prosess hvor vi “forurenser” rent (intrinsic) silisium ved å tilsette trivalente og pentavalente grunnstoffer. Dette gjør vi for å øke ledningsevnen (conductivity) til silisiumkrystallen. Ca 1 “forurensningsatom” pr silisiumatomer –Trivalent Grunnstoff med 3 elektroner i valensbåndet (ytre skall) –Pentavalent Grunnstoff med 5 elektroner I valensbåndet Trivalent ImpurityPentavalent Impurity Aluminum (Al) Gallium (Ga) Boron (B) Indium (In) Phosphorus (P) Arsenic (As) Antimony (Sb) Bismuth (Bi)

5 5 Kapittel 17 Dioder - Halvledere - Doping N -Type Materials – vi “forurenser” med et stoff som har 5 valenselektroner. Vi får et ekstra elektron som ikke blir med i den kovalente bindingen. –Electrons – majority carriers –Holes – minority carriers P -Type Materials - Vi tilfører et stoff med 3 valenselektroner. Det betyr at strukturen ikke fylles – det mangler et elektron i den kovalente bindingen –Holes – majority carriers –Electrons – minority carriers Det skal lite energi til før dette elektronet frigjøres - ca 0,05eV

6 6 Kapittel 17 Dioder - Halvledere - Doping Setter vi et n-dopet silisium sammen med p-dopet silisium får vi en diffusjon av elektroner fra n-siden over til p-siden. ( Diffusjon = En drift av elektroner fra et område med høy elektrontetthet til et område med lav elektrontetthet )

7 7 PN Junction – vi setter sammen n-type og p-type materialer -Frie elektroner i n-området vil pga.diffusjon vandre over til p – hvor de rekombinerer med ”hull”. Elektronene etterlater seg et positivt ladet område i n, - og der de rekombinerer med hull for vi et negativt ladet område på p-siden. -Det dannes et sperresjikt (depletion layer = område uten frie ladningsbærere) mellom de to materialene som straks stopper videre ladningstransport fra n – over til p. Kapittel 17 Dioder - P N - Junction

8 8 Na = akseptorkonsentrasjon Nd = donorkonsentrasjon ni = elektron-hullpar konsentrasjon i det rene halvledermaterialet U T = termisk spenning 26mV ved K Spenningen over sperresjiktet Electron Diffusion –Depletion Layer - Det dannes fort et tynt sperresjikt rundt “junction” –Barrier Potential – Elektronene som har forlatt n-siden etterlater seg et positivt ladet område – og det etableres et neg. ladet område på p-siden. Det dannes en potensialbarriere på ca 0,5 - 0,7 volt mellom n og p

9 9 Kapittel 17 Dioder - P N – Junction - BIAS Bias eller forspenning – et potensial som tilføres pn junction fra en utvendig spenningskilde (f.eks. batteri). Denne bias-spenning bestemmer bredden på depletion layer Forward Bias – Tilført spenning motvirker det interne sperrefeltet. Dette åpner for elektrontransport fra n til p

10 10 Reverse Bias Tilført spenning setter opp et felt i samme retning som det interne sperrefeltet. Dette sperrer for elektrontransport fra n til p Kapittel 17 Dioder - P N – Junction - BIAS

11 11 Anode p Katode n På vanlige dioder vil katoden ofte være merket med en ring eller prikk Forward Bias –V F  0.7 V for silicon –V F  0.3 V for germanium Kapittel 17 Dioder - Bias – forspenning – anode - katode Anode (?) : For et batteri eller en galvanisk celle er Anoden definert som den negative elektroden som sender elektroner ut til den eksterne kretsen. – Men, i USA har mange batteriprodusenter definert den positive elektroden som Anode i sin tekniske litteratur. For vakuumrør (radiorør) er Anoden definert som den positive elektroden som mottar elektroner fra katoden - det strømmer elektroner ut fra Anoden – opp mot + V. I halvlederdioder er Anoden det p-dopede området. Skal dioden lede strøm må Anoden tilføres positiv spenning. Anoden trekker til seg elektroner fra katoden – det n-doptede området i dioden. Dette er i samsvar med forklaringen fra vakuumrøret (Fleming 1904)

12 12 Kapittel 17 Dioder - P N – Junction - BIAS elektroner + _ Diode – en komponent som leder strøm i en retning Elektroner vandrer fra Katode til Anode når dioden er forspent i lederetning. Ideal Diode Characteristics – would act as a simple switch Reverse Biased (Open Switch) – has infinite resistance, zero reverse current, and drops the applied voltage across its terminals Forward Biased (Closed Switch) – has no resistance, and therefore, no voltage across its terminals

13 13 Kapittel 17 Dioder - P N – Junction - BIAS I D = diodestrømmen I R = Reverse Current ( lekkasjestrøm ) V D = diodespenningen V T = termisk spenning = 25mV V F = 0,7v + I F ·R B Bulk Resistance ( R B ) Den “naturlige” motstanden i diodematerialet for p-type og n-type Denne motstanden får betydning når dioden leder strøm

14 14 V D = spenningen over dioden V T = den termiske spenningen = 25mV ved 300 o Kelvin (se komp. fys.elektr) Det korrekte uttrykk for strømmen i dioden er gitt av likningen Reverse Current (I R ) ( lekkasjestrøm – noen bruker betegnelsen I S ) –En liten strøm av minoritetsbærere (elektroner i p-området) vil lekke over sperresjiktet (depletion layer) når dioden er forspent I sperreretning. Dette er termisk eksiterte elektroner – dvs. strømmen vil øke med temperaturen. –I R består av to uavhengige strømmer Reverse Saturation Current (I R ) for Si = A for Ge = A Surface-Leakage Current (I SL ) varierer med overflatens størrelse Kapittel 17 Dioder - lekkasjestrøm i sperreretning

15 15 Reverse Current I R som funksjon av temperatur ( dioden BAX 12 ) Stiplet linje = typisk verdi - hel linje = max verdi iht. datablad ”Revers-strømmen” I R vil øke med temperaturen. Legg merke til at I R holder seg konstant selv om ”revers- spenningen” (-V R ) øker … Strømmen bestemmes kun av antall termisk eksiterte elektroner. Hvor Ved 300 o Kelvin NB! Husk disse kurvene er eksponentialfunksjoner. Bokas fremstilling er ikke helt korrekt.. Temperatureffekter på dioden Kapittel 17 Dioder - lekkasjestrøm i sperreretning

16 16 Kapittel 17 Dioder - Diode Capacitance Depletion layer virker som en isolator mellom anode og katode. Vi ser at dioden kan betraktes som en kondensator når den er forspent i sperre- retning. Hvis spenningen i sperreretning økes - vil tykkelsen på depletion layer øke. Det betyr at dioden i sperreretning kan brukes som en variabel kondensator. Det lages spesielle dioder til slikt bruk – ”varicap-dioder” Brukes ofte i radiomottakere til frekvens- innstilling (stasjonsvalg) – Se side 23

17 17 Kapittel 17 Dioder - Hvor er ANODEN ? ? … Identifikasjon av anode – katode på forskjellige dioder

18 18 Kapittel 17 Dioder - Zenerdioden To effekter gir grunnlag for zener-diodens karakteristikk 1.Avalanche (skred) Frie ladninger akselereres – disse kolliderer med Si-strukturen og frigjør nye ladninger 2.Zener-effekt (kvantemekanisk tunneling) E-feltet er så sterkt at elektroner rives løs fra de kovalente bindingene 3.Avhengig av doping-graden vil en eller begge disse effektene bestemme zenerdiodens ”breakdown voltage” Zener Diode – en diode utviklet for å kunne arbeide i ” reverse breakdown region” – Prosessen er reversibel – dioden ødelegges ikke. Reverse Breakdown Voltage (V BR ) Application: Voltage Regulator Zener Voltage (V Z )

19 19 Kapittel 17 Dioder - Zenerdioden Zener Operating Characteristics –Zener Knee Current (I ZK ) –Maximum Zener Current (I ZM ) –Zener Test Current (I ZT ) –Zenerspenningen vil være temperaturavhengig – dioder med en spenning på ca. 5,6 volt vil være temperaturstabile. Vi kaller ofte slike dioder – referansedioder Zener Impedance (Z Z ) – the zener diode’s opposition to a change in current

20 20 Light-emitting diodes (LEDs) – lysdioder er dioder som kan sende ut lys når de får riktig bias Kapittel 17 Dioder - Lysdioder

21 21 Et fritt elektron som rekombinerer med et ”hull” vil avgi energi E. Avhengig av materialene som benyttes vil denne energien bli avgitt som varme –eller som elektromagnetisk stråling med en frekvens ( f ) vi oppfatter som lys. E = h · f h = Planck’s konstant Gallium Arsenid GaAs – infrarødt lys λ ≈ 900nm Gallium Arsenid-fosfid, GaAsP RØDT LYS GaP – GRØNT LYS GaN – BLÅTT LYS LED Characteristics –Forward Voltage: +1.2 to +4.3 V (typical) –Reverse Breakdown Voltage: -3 to –10 V (typical) Kapittel 17 Dioder - Lysdioder - LED

22 22 Spesielle dioder Schottky diode Diode med ekstremt liten kapasitans over “junction”. Det betyr at dioden kan arbeide med meget høye frekvenser. Vi har erstattet p-halvlederen med et metall. Dvs. vi har ingen normal pn-junction – derfor liten ”junction” kapasitans. Bare majoritetsbærere (elektroner) deltar i ladningstransporten. Schottky dioder har lavt spenningsfall i lederetning – ca 0,15 – 0,45 volt hvor Si pn-junction har ca 0,7 - 1 volt Ulempe – relativt høy lekkasjestrøm i sperreretning

23 23 Schottky diode Spesielle dioder Fermi-nivå til metallet Båndgapet til halvlederen E G Energien til elektroner i lednigsbåndet E C - minus energien til valenselektronene E V Når man setter en halvleder sammen med et metall kan det oppstå en ”Schottky Bariere”. Høyden på denne barrieren bestemmes av energinivået i ledningsbåndet i halvlederen E C og Ferminivået til metallet, E F. Hvor stort barrierepotensialet faktisk blir - har vært diskutert i lang tid. Spesielt interesserte henvises til kurs i halvledermaterialer og kvantemekanikk ECEC EVEV Halvleder EFEF MetallEE


Laste ned ppt "1 Kapittel 17 Dioder Revidert versjon januar 2009 T.Lindem – noen av figurene er hentet fra Electronics Technology Fundamentals Conventional Flow Version,"

Liknende presentasjoner


Annonser fra Google