20171116 diody.ppt [tryb zgodności] · Dioda w układzie prostownika –praca z dużym sygnałem 33 Dioda krzemowa o napięciu przebicia większym od 20 V i znanej charakterystyce

1

1

Diody Półprzewodnikowe

MPolowczyk_Diody prostownicze 2 Rys: Prof. dr hab. inż. M. Polowczyk

2

2

3

Rys: Prof. dr hab. inż. M. PolowczykMPolowczyk_Diody prostownicze 3

Krzemowe diody w obudowach

diody małej mocy

diody dużej mocy

4

Półprzewodnikowe Złącze pn

3

5Złącze pn – schematyczny rysunek struktury

rys: za W. Marciniak, Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone, WNT 1979

Ujemny ładunek zjonizowanego atomu domieszki akceptorowej -nieruchomy

Dodatni ładunek zjonizowanego atomu domieszki donorowej -nieruchomy

Dodatni ładunek dziury - ruchomy

Ujemny ładunek elektronu - ruchomy

Obszary typu p oraz n przed złączeniem. Obszary typu p oraz n po złączeniu.

6Złącze pn – przekrój struktury

rys: W. Marciniak, Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone, WNT 1979

4

7

poziom energii próżni

ΦWFp ΦWFnχ χ

Praca wyjścia z półprzewodnika typu p większa niż z półprzewodnika typu n : ΦWFp > ΦWFn.

(Powinowactwo elektronowe χ takie samo dla półprzewodnika typu noraz typu p.

⋅≈−

i

DBiFn n

NTkEE ln

⋅≈−

i

ABFpi n

NTkEE ln

gdzie Ei jest poziomem Fermiego dla półprzewodnika samoistnego.

J.-P. Colinge, C.A. Colinge, "Physics of Semiconductor Devices", Springer 2002

8

( ) ( )

⋅+

⋅≈

−+−=Φ

i

AB

i

DBFpiiFnbi n

NqTk

nN

qTk

qEEEE

lnln

Utworzenie złącza pn powoduje dyfuzję elektronów z obszaru typu n do obszaru typu p oraz dziur z obszaru typu p do obszaru typu n.

⋅≈Φ 2ln

i

ADBbi n

NNqTk

• Złącze zwarte – zerowe napięcie polaryzujące.

• Średnie energie elektronów wyrównują się w całej próbce półprzewodnika.

• Pasma przewodnictwa i walencyjne przesunięte zatem w dół energii w obszarze typu n względem obszaru typu p.

• Powstaje wbudowana różnica potencjałuΦbi.

qTkV B

T =gdzie W temperaturze pokojowej, T = 300 K, VT ≈ 25 mV.

5

W stanie równowagi prądy dziur i elektronów są zerowe

Sumy gęstości prądów unoszenia i dyfuzyjnych muszą być zerowe oddzielnie dla elektronów i dziur:

Jn = Jdriftn + Jdifn = 0

Jp = Jdriftp + Jdifp = 0

9

uwaga: strzałki zaznaczają zwroty strumieni cząstek, a nie prądów.

10Polaryzacja obszaru typu p dodatnio względem obszaru typu n – w

kierunku przewodzenia – powoduje zmniejszenie bariery potencjału Φbw złączu pn

uwaga: strzałki zaznaczają zwrot strumieni cząstek, a nie prądów.

Zmniejszona bariera potencjału Φbpowoduje:

zwiększenie gęstości prądów dyfuzji elektronów Jdifn oraz dziur Jdifp;zmniejszenie gęstości prądów unoszenia elektronów Jdriftn oraz dziur Jdriftp.

Przeważają prądy dyfuzyjne. Przez diodę płynie duży prąd przewodzenia, o zwrocie takim jak Jdifp, czyli od obszaru typu p do obszaru typu n.

6

11Polaryzacja obszaru typu p ujemnie względem obszaru typu n – w

kierunku zaporowym – powoduje zwiększenie bariery potencjału Φb w złączu pn

uwaga: strzałki zaznaczają zwroty strumieni cząstek, a nie prądów.

Zwiększona bariera potencjału Φbpowoduje:

znaczne zmniejszenie gęstości prądów dyfuzji elektronów Jdifn oraz dziur Jdifp;zmniejszenie gęstości prądów unoszenia elektronów Jdriftn oraz dziur Jdriftp.

Przeważają prądy unoszenia (dryftu). Są one jednak niewielkie, bo w obszarze typu n jest mało dziur, a w obszarze typu p - mało elektronów. Przez diodę płynie mały prąd wsteczny, o zwrocie takim jak Jdriftp, czyli od obszaru typu n do obszaru typu p.

12Poglądowe charakterystyki prądowo-napięciowe złącza pn

ID

VD0

+-

7

13Rozkłady elektronów i dziur w warstwie opróżnionej (przejściowej)

złącza pn - poglądowo


14Pojemność warstwy opróżnionej złącza pn - pojemność złączowa

(pojemność barierowa)

EΦbi

E−Φbi+V

−Ψ(x)

Szerokość warstwy opróżnionej ld zależy od napięcia przyłożonego do złącza

( )VNNNN

ql bi

AD

ADSid −Φ⋅+⋅= 02 εε

d

SiDj l

AC 0/ εε≈

• Zmianie szerokości warstwy opróżnionej ld odpowiada zmiana nieskompensowanego ładunku donorów po stronie n oraz równa mu co do bezwzględnej wartości ładunku akceptorów po stronie p.

• Mamy więc do czynienia z pojemnością złączową o wartości charakterystycznej [F/m2]:

( )VNNNN

q

AC

biAD

ADSi

SiDj

−Φ⋅+⋅≈

0

0

2/

εεεε


gdzie AD jest polem powierzchni złącza

8

15Pojemność złączowa, zwłaszcza przy zaporowej polaryzacji złącza, może być wykorzystywana w układach jako pojemność strojona

napięciem

m

bi

jj

V

CVC

Φ

−

≈

1

)( 0

m = 1/2 - dla złącz o skokowym rozkładzie domieszek,

m = 1/3 - dla złącz o liniowym rozkładzie domieszek.

Diody przeznaczone do wykorzystania jako strojone napięciem pojemności zwane są diodami pojemnościowymi lub waraktorami.

16Pojemność związana z ładunkami nośników nadmiarowych w

obszarach quasineutralnych - pojemność dyfuzyjna

• Przy polaryzacji złącza w kierunku przewodzenia zjawisko dyfuzji nośników powoduje wstrzykiwanie mniejszościowych dziur z obszaru typu p do obszaru typu n.

• Z obszaru typu n do obszaru typu p wstrzykiwane są elektrony mniejszościowe.• Ładunki wstrzykniętych nośników mniejszościowych wykładniczo zależą od napięcia

przyłożonego do złącza.• Zależność ładunku nośników mniejszościowych od napięcia oznacza istnienie dodatkowej

pojemności – pojemności dyfuzyjnej.

Ładunki nośników mniejszościowych zgromadzonych w pojemności dyfuzyjnej.

rys: U.Mishra, J.Singh, Semiconductor Device Physics and Design, Springer 2007

9

17

Gęstość prądu całkowitego Jpozostaje stała:

pn – IV - 1

Otrzymujemy - wykładniczo znikające w funkcji x rozkłady koncentracji nośników mniejszościowych,

Prąd płynący przez złącze pn w funkcji napięcia


Polaryzacja złącza w kierunku przewodzenia, V > 0 V.

oraz wykładniczo znikające w funkcji xrozkłady gęstości prądów elektronowego i dziurowego.

pn JJJ +=

−

⋅≈ 1exp

TkqVJJ

Bs

gdzie gęstość prądu nasycenia Js w najprostszym przypadku złącza skokowego:

+≈

ττp

D

n

Ais

DN

DN

qnJ 112

18

Gęstość prądu całkowitego Jpozostaje stała:

pn – IV - 2

Prąd płynący przez złącze pn w funkcji napięcia

Polaryzacja złącza w kierunku przewodzenia, V > 0 V.

pn JJJ +=

−

⋅≈ 1exp

TkqVJJ

Bs

gdzie gęstość prądu nasycenia Js w najprostszym przypadku złącza skokowego:

+≈

ττp

D

n

Ais

DN

DN

qnJ 112

VV

J

0

Polaryzacja złącza w kierunku zaporowym, V < 0 V.

⋅≈

TkqVJJ

Bs exp

sJJ −≈

Zjawisko rekombinacji nadmiarowych dziur i elektronów wstrzykniętych do obszarów quasineutralnych powoduje, że nośniki wstrzykiwane są cały czas. Przy polaryzacji w kierunku przewodzenia płynie więc prąd stały.

10

19

Rys: Prof. dr hab. inż. M. Polowczyk

−

⋅≈ 1exp

TkqVII

Bs

20

pn


11

21


Dokładniejsze charakterystyki można uzyskać uwzględniając wpływ dodatkowych zjawisk

22Prądy wsteczne diod – przy polaryzacji zaporowej

−

⋅≈ 1exp

TkqVJJ

Bs

sII −≈

W złączu „idealnym” przy polaryzacji zaporowej (wstecznej)

Prąd nasycenia zwykle dominuje w diodach germanowych, ponieważ Ge ma małą wartość Eg .

W diodach z półprzewodników o większych szerokościach przerwy energetycznej Eg zwykle gęstości prądów generacji są o kilka rzędów wielkości większe od Js .


12

23Rzeczywiste charakterystyki diod przy polaryzacji w kierunku

przewodzenia

( )

−

−⋅≈ 1expTkn

rIVqIIBideal

sDdcDdcsDdc

W złączu rzeczywistym przy polaryzacji w kierunku przewodzenia ( V > 0)

W zakresie dużych prądów zachodzi n = p oraz należy uwzględnić rezystancje szeregowe rs.

⋅≈

TknqVII

Bideal

DdcsDdc exp

W zakresie małych prądów należy uwzględnić rekombinację nośników w warstwie opróżnionej. rys: W. Marciniak, Przyrządy półprzewodnikowe i układy

scalone, WNT 1979

24wplyw T na przewodzenie zlacza pn -1

⋅≈

TkqVJJ

Bs exp

mV/K2−≈∂dT

V

−∝∝

TkE

nJB

gis exp2


13

25Wpływ temperatury na przewodzenie złącza pn

Polaryzacja w kierunku przewodzenia

V > 0

Polaryzacja w kierunku zaporowymV < 0

M.Polowczyk, E.Klugmann, Przyrządy Półprzewodnikowe", Wyd.PG, 2001

26


diody prostownicze - 1

14

27Wyznaczanie punktu pracy diody metodą Newtona- przybliżone rozwiązywanie układu nieliniowych równań

−

⋅≈ 1exp

TknqVII

Bideal

DdcsDdc

Z równania oczkowegootrzymujemy prostą obciążenia – drugie równanie.

Równanie charakterystyki statycznej diody:

RVVI Din

D−=

D-Newton 1

Niech IS = 10-12 A,nideal =1 oraz T=300 K, czyli

mV25≈≡qTkV B

T


−

⋅≈ 1exp

TknqVII

Bideal

DdcsDdc

Prosta obciążenia

RVVI Din

D−=

D-Newton 2

Przybliżenie zerowe

RVI in

D =0

Zgrubnie przybliżamy prąd diody:

Z równania diody wyznaczamy zerowe przybliżenie napięcia diody:

+⋅≈s

sDBidealD I

IIq

TknV 00 ln

W naszym przypadku:

VD0 = 612 mV, ID0 = 20 mA

15


Prosta obciążenia

( )0,

0

00

DDIVD

DDD VV

dVdIII

DD

−⋅+≈

D-Newton 3

W punkcie odpowiadającym przybliżeniu zerowemu aproksymujemy charakterystykę diody styczną do niej linią prostą

W naszym przypadku:

VD0 = 612 mV, ID0 = 20 mA

RVVI Din

D−=

−

⋅≈ 1exp

TknqVII

Bideal

DdcsDdc


Prosta obciążenia

D-Newton 4

Rozwiązujemy układ równań liniowych: przybliżonej charakterystyki diodyi równania prostej obciążenia.

Otrzymaną wartość ID1 traktujemy jako następne, czyli pierwsze przybliżenie ID .

W naszym przypadku:

VD0 = 612 mV, ID0 = 20 mA

RVVI Din

D−=

ID1 = 19,4 mA

( )0,

0

00

DDIVD

DDD VV

dVdIII

DD

−⋅+≈

16


Prosta obciążenia

D-Newton 5

Z równania diody wyznaczamy przybliżenie napięcia diody. Otrzymaną wartość traktujemy jako następne, czyli pierwsze przybliżenie VD1 .

W naszym przypadku:

VD0 = 612 mV, ID0 = 20 mA

RVVI Din

D−=

ID1 = 19,4 mA, VD1 = 611 mV

( )0,

0

00

DDIVD

DDD VV

dVdIII

DD

−⋅+≈

+⋅≈s

sDBidealD I

IIq

TknV 11 ln


D-Newton 6

Kontynuujemy przybliżając charakterystykę diody prostą styczną w punkcie VD1 , ID1 . Rozwiązujemy odpowiedni układ równań liniowych otrzymując ID2. Wyznaczamy z ch. diody VD2 .....

W naszym przypadku:

VD0 = 612 mV, ID0 = 20 mA

ID1 = 19,4 mA, VD1 = 611 mV

Zatrzymujemy ten proces gdy uznamy, że wystarczająco dokładnie obliczyliśmy VDn IDn . Na przykład - gdy VDn-VDn-1 < 10-6 V.

Uwaga: napięcie przewodzenia diody krzemowej jest zwykle bliskie 0,6 V

17

33Dioda w układzie prostownika – praca z dużym sygnałem

Dioda krzemowa o napięciu przebicia większym od 20 V i znanej charakterystyce pracuje w układzie prostownika jak na rysunku. Naszkicować przebiegi prądu diody Id(t) oraz napięcia na diodzie Vd(t).

Prądowo-napięciowa charakterystyka statyczna diody

Równanie oczkowe

)()( tvRtie dd +⋅=

czyli

Rtvtei d

d)()( −=

słuszne jest w każdej chwili.

To równanie przedstawia prostą obciążenia.

(Dla niewielkich częstotliwości, gdy można zaniedbać pojemności diody)



Rvi d

d−=

Prosta obciążenia:dla ωt = 0e(t) = 20 V sin(ωt) = 0

charakterystyka diody

punkt przecięcia,rozwiązaniedla ωt = 0

Rvei d

d−=

18



Prosta obciążenia:

dla ωt = π/2e(t) = 20 V sin(ωt) = 20 V


punkt przecięcia,rozwiązaniedla ωt = π/2

Rvei d

d−=

Rvi d

d−= V20

vdmax

idmax

20 V

20 V / R




dla ωt = 3π/2e(t) = 20 V sin(ωt) = -20 V


punkt przecięcia,rozwiązaniedla ωt = 3π/2

Rvei d

d−=

Rvi d

d−−= V20

-20 V= vdmin

id ≈ 0

19



Z równania oczkowego

Rtvtei d

d)()( −=

otrzymujemy prostą obciążenia.



Dioda spolaryzowana przewodząco

Napięcie na krzemowej diodzie półprzewodnikowej w kierunku przewodzenia ok. 0,7 V

Dioda spolaryzowana zaporowo (wstecznie). Prąd diody jest niewielki jeśli napięcie mniejsze od napięcia przebicia

20

39


diody stabil - 1

40


diody stabil - 2

diod stabilizacyjnych

21

41


diody stabil - 3

42Dioda stabilizacyjna – w układzie stabilizatora napięcia

Stabilizacyjna dioda krzemowa o znanej charakterystyce pracuje w układzie prostownika jak na rysunku. Wyznaczyć natężenie prądu diody ID oraz napięcie na diodzie VD.

Równanie oczkowe

DDIN VRIV +⋅=

czyli

RVVI DIN

D−=

To równanie przedstawia prostą obciążenia.


Ω=++−≈

ΔΔ= 10

0mA 10mA -V9,9V10

D

DZ I

Vr

Prądowo-napięciowa charakterystyka statyczna przykładowej diody

22



RVVI DIN

D−=

Prosta obciążenia.


Ω≈ΔΔ= 10

D

DZ I

Vr

punkt przecięcia,rozwiązanieVD = -10 V, ID = -10 mA.

Dla VIN < VZ0 , przy zmieniającej się wartości VIN wartość VD pozostaje bliska VZ0.Tak działa stabilizator napięcia.




RVVI DIN

D−=



Ω≈ΔΔ= 10

D

DZ I

Vr

rozwiązanieVD = -10 V, ID = -10 mA.

Rozwiązanie można otrzymać analitycznie

Równanie charakterystyki diody dla VIN < VZ0 :

Z

ZDD r

VVI || 0+≈


Łatwy do rozwiązania układ 2 równań liniowych z dwoma niewiadomymiVD = -10 V, ID = -10 mA.


23

45Dioda stabilizacyjna – pobudzona dużym sygnałem zmiennym

Niech stabilizacyjna dioda krzemowa o znanej charakterystyce pracuje w układzie jak na rysunku, gdzie e(t) jest źródłem napięcia zmiennego o dużej amplitudzie . Wyznaczyć przebiegi natężenia prądu diody id(t) oraz napięcia na diodzie vd(t).

Prądowo-napięciowa charakterystykastatyczna przykładowej diody


Ω≈ΔΔ= 10

D

DZ I

Vr

Rtvtei d

d)()( −=

46Praca dynamiczna diody z wielkim sygnałem – praca impulsowa

Przy dużej amplitudzie sygnału trzeba używać nieliniowego schematu zastępczego.

d

DSij l

AC 0εε≈

τDd gC ⋅≈21

−

⋅≈ 1exp

TknqVII

Bideal

DdcsDdc

24

47Praca impulsowa diody z pobudzeniem napięciowym

ton – czas włączania (prądu diody), potrzebny do przeładowania pojemności złączowej i dyfuzyjnej;

trr – czas wyłączania (prądu diody), potrzebny do rozładowania pojemności dyfuzyjnej i przeładowania pojemności złączowej;

tr – czas przeciągania (napięcia w kierunku przewodzenia, lub „półki” zaporowego prądu), potrzebny do rozładowania głównie pojemności dyfuzyjnej;

tf – czas opadania (napięcia wstecznego diody), potrzebny do przeładowania pojemności złączowej;

Qrr – różnica dla polaryzacji przewodzącej i zaporowej ładunków nośników zgromadzonych w pojemności całkowitej diody (dyfuzyjnej i złączowej) pomniejszona o ładunek nośników, które zrekombinowały.

p

n

48Praca impulsowa diody z pobudzeniem napięciowym lub prądowym

M.Polowczyk, E.Klugmann, Przyrządy Półprzewodnikowe", Wyd.PG, 2001

25

49Praca diody z małym sygnałem zmiennym na tle składowej stałej

Najlepiej rozwiązać równania transportu linearyzowane wokół punktu pracy VDdc , IDdc .

Zwykle wystarcząjącą dokładność daje (prostsza) linearyzacja charakterystyki wokół punktu pracy VDdc , IDdc .

I

V0

IDdc

VDdc

ΔV

ΔIVIgD Δ

Δ=

Dla małych sygnałów niskiej częstotliwości:

Tideal

sDdcD Vn

IIg +=

Przy polaryzacji w kier. przewodzenia:Tideal

DdcD Vn

Ig ≈

IDdc +Id sin(ωt)

VDdc

D

Dsin(ωt)v

VDdc +Vd sin(ωt)+-

+-

Id sin(ωt)

gDd sin(ωt)V Vd sin(ωt)+-

50Praca diody z małym sygnałem zmiennym

Należy też uwzględnić rezystancję szeregową,a dla wyższych częstotliwości pojemności złączową Cji dyfuzyjną Cd

d

DSij l

AC 0εε≈

Małosygnałowy schemat zastępczy diody pn .

Cd – pojemność dyfuzyjna. Wynika z obecności nadmiarowych nośników mniejszościowych i reprezentuje ich ładunek. Istotna tylko przy polaryzacji w kierunku przewodzenia.

τDd gC ⋅≈21

gdzie τ jest zwany czasem przelotu nośników przez diodę. W najprostszym przypadku τ = τn = τp .

Tideal

sDdcD Vn

IIg +=

26

51Dioda spolaryzowana w kierunku przewodzenia napięciem stałym o

dużej wartości i małym sygnałem zmiennymDioda krzemowa o znanej charakterystyce pracuje w układzie jak na rysunku. Wyznaczyć składowe stałe i amplitudy składowych zmiennych napięcia na diodzie i jej prądu . Temperatura T = 300 K, a częstotliwość f = ω/2π jest tak mała, że można pominąć pojemności diody.



punkt pracy diody

RVV

I DC −= 1

VDdc

IDdc

V1DC / R

V1DC

mA4,191 ≈−=R

VVI DdcDCDdc

Z dobrym inżynierskim przybliżeniem przyjmujemy VDdc ≈ 0,6 V i obliczamy:



Charakterystykę diody przybliżamy styczną do niej prostą w punkcie pracy. Zlinearyzowany w ten sposób przyrząd jest reprezentowany przez przewodność dynamiczną:

Tideal

DdcD Vn

Ig ≈

Otrzymujemy schemat zastępczy dla składowej zmiennej.

Gdy nie znamy wartości, przybliżamy nideal ≈ 1.Dla T = 300 K z dobrym przybliżeniem VT ≈ 25 mV.

27



mV25mA4,191 ≈≈=

Tideal

DdcD

D VnIg

r

RrVrV

D

mDd +

≈ 2

)sin(mV28,1)sin()( 2 ttRr

VrtVD

mDdac ωω ⋅≈⋅

+≈

)()( tVgtI dacDdac ⋅=składowe zmienne

)sin(mV28,1V6,0)()( ttVVtV dacDdcD ω⋅+≈+=

)(mA4,19)()( tVgtIItI dacDdacDdcD ⋅+=+=

54Dioda spolaryzowana w kierunku zaporowym napięciem

stałym o dużej wartości i małym sygnałem zmiennymDioda krzemowa o znanej charakterystyce pracuje w układzie jak na rysunku. Wyznaczyć składowe stałe i amplitudy składowych zmiennych napięcia na diodzie i jej prądu . Temperatura T = 300 K, a częstotliwość f = ω/2π jest tak mała, że można pominąć pojemności diody.


Ω≈ΔΔ= 10

D

DZ I

Vr

Punkt przecięcia,rozwiązanie stałoprądoweVDdc = -10 V, IDdc = -10 mA.

Dla V1DC < VZ0 , przy zmieniającej się wartości V1DC wartość VDpozostaje bliska VZ0.Tak działa stabilizator napięcia.

RVVI DdcDC

Ddc−= 1

Rozwiązanie stałoprądowe można otrzymać analitycznie

Równanie charakterystyki diody dla V1DC < VZ0 :

Z

ZDdcDdc r

VVI || 0+≈


28

55Dioda spolaryzowana w kierunku zaporowym napięciem

stałym o dużej wartości i małym sygnałem zmiennymDioda krzemowa o znanej charakterystyce pracuje w układzie jak na rysunku. Wyznaczyć składowe stałe i amplitudy składowych zmiennych napięcia na diodzie i jej prądu . Temperatura T = 300 K, a częstotliwość f = ω/2π jest tak mała, że można pominąć pojemności diody.

Ω≈ΔΔ= 10

D

DZ I

Vr

Schemat zastępczy dla obliczenia składowej zmiennej:

RrVrV

Z

mZd +

≈ 2

)sin(mV9,9)sin()( 2 ttRr

VrtVZ

mZdac ωω ⋅≈⋅

+≈

Z

dacdac r

tVtI )()( =

składowe zmienne

)sin(mV9,9V10)()( ttVVtV dacDdcD ω⋅+−≈+=

ZdacdacDdcD rtVtIItI /)(mA10)()( +−=+=

56Pojemność złączowa zaporowo spolaryzowanej diody

wykorzystana dla przestrajania obwodu rezonansowego

Dioda D o pojemności 40 pF przy VDdc = -3 V oraz o pojemności 15 pF przy VDdc = -30 V wykorzystana została do przestrajania obwodu rezonansowego. Obliczyć minimalną i maksymalną częstotliwość rezonansową obwodu, gdy VDD zmienia się w przedziale [0 V; 30 V]. Przyjąć wartość napięcia wbudowanego Φbi = 0,7 V. Pojemność CZstanowi zwarcie dla składowej zmiennej.

m

bi

Ddc

jDdcj

V

CVC

Φ

−

≈

1

)( 0

w rzeczywistych diodach inne wartości

Nie znamy wartości Cj0 ani m.

29



Cj1 = 40 pF przy VDdc1 = -3 V oraz Cj2 = 15 pF przy VDdc2 = -30 V

m

bi

Ddc

jDdcj

V

CVC

Φ

−

≈

1

)( 0

w rzeczywistych diodach inne wartości

Nie znamy wartości Φbi ani m.

m

bi

Ddc

m

bi

Ddc

Ddcj

Ddcj

V

V

VCVC

Φ

−

Φ

−=

1

2

22

11

1

1

)()(

Napięcie wbudowaneΦbi = 0,7 V

−Φ−Φ

=

1

2

22

11

ln

)()(

ln

Ddcbi

Ddcbi

Ddcj

Ddcj

VV

VCVC

m 46,0≈m Cj0 = Cj(VDdc=0) = 86 pF



Dioda D o pojemności 40 pF przy VDdc = -3 V oraz o pojemności 15 pF przy VDdc = -30 V wykorzystana została do przestrajania obwodu rezonansowego. Obliczyć minimalną i maksymalną częstotliwość rezonansową obwodu, gdy VDD zmienia się w przedziale [0 V; 30 V]. Przyjąć wartość napięcia wbudowanego Φbi = 0,7 V. Pojemność CZstanowi zwarcie dla składowej zmiennej.

m

bi

Ddc

jDdcj

V

CVC

Φ

−

≈

1

)( 0

46,0≈m Cj0 = Cj(VDdc=0) = 86 pF

W schemacie zastępczym dla małego sygnału składowej zmiennej pojemność CZ stanowi zwarcie a rezystancja R rozwarcie:

zVLC

fDdcj

MH54)0(2

1min ≈

==

π

zVLC

fDdcj

MH130)V30(2

1max ≈

−==

π

DDDdc VV −≈

30

59


diody uFalowe

Tideal

DD

D VnIg

r≈=1

Tideal

FF

F VnIg

r≈=1

60Dioda metal-półprzewodnik

- dioda Schottkyego

Dioda metal – krzem typu n. Wykres pasmowy.

Prosta struktura diody metal-półprzewodnik

• Różnice prac wyjścia elektronów istnieją też między półprzewodnikami a metalami.• Możliwe jest więc wykonanie diody z barierą potencjału na granicy metal-półprzewodnik.• Taka dioda jest bardzo „szybka” ponieważ nie ma wstrzykiwania i magazynowania nośników

mniejszościowych.• Właściwości częstotliwościowe i przełączające ogranicza pojemność złączowa i rezystancja

szeregowa.

S.M.Sze, Kwok K.Ng, Physics of Semiconductor Devices, 3 ed, Wiley, 2006

31

Oscylatory Z Diodami TUNNETTDla Komunikacji W Zakresie Fal Milimetrowych

I Dla Elektroniki Terahercowej

TUNNETT_tytul

61

TUNNETT - transit time oscillator diodewith tunneling injection of electrons

structure and electric field profile

p+ n+ n- n+

E

x

transit time region

tunnelingregion

reverse bias (positive)

TUNNETT invention:Nishizawa 1958

first operation:Nishizawa 1968

TUNNETT_intro

62

Czas przelotu elektronów przez diodę wraz z przebiciem lawinowym lub tunelowym mogą w szczególnych przypadkach prowadzić do oscylacji w diodzie. Wykorzystywane to jest do konstrukcji mikrofalowych oscylatorów IMPATT i TUNNETT.

32

Diode chip grown with MLE

TUNNETT oscillator with waveguide resonant cavity

Assembled TUNNETT diode

Cu stem

diamondheatsink

Assembled TUNNETT diode

Waveguide

Slidingshort

Bias pin

TUNNETT

StemQuartz standoff Resonant cavity

metal body

coaxial lineλ/4 band-stop filter

Waveguide resonatorAuGe/Ni/Au

Ti/Pt/Au

p+ 100 nm C doped 6.3 x 1019 cm-3 (anode)

n+ 14 nm Se doped 5.5 x 1018 cm-3

n- 60-100 nm undopedtransit time layer

n+ GaAs (100) substrate2 x 1018 cm-3

15 µ

m

63

Waveguide

Slidingshort

Bias pin

TUNNETT

StemQuartz standoff Resonant cavity

metal body

coaxial line

λ/4 band-stop filter

waveguide resonant cavities

WR-2.2: 0.559 × 0.279 mm for band of fcutoff = WR-1.5: 0.381 × 0.191 mm for band of fcutoff = 393 GHz to 750 GHzWR-1.2: 0.305 × 0.152 mm for band of fcutoff = 492 GHz to 900 GHz

268 GHz to 500 GHz

cavities - flat

WR-1.0: 0.254 × 0.127 mm for band of fcutoff = 590 GHz to 1100 GHz

quartzstandoff

diamond heatsink

Au tape

TUNNETT

Au

64

33

waveguide resonators and measurement configurations

WR-2.2: 0.559 × 0.279 mm for band of fcutoff =

WR-1.5: 0.381 × 0.191 mm for band of fcutoff = 393 GHz to 750 GHzWR-1.2: 0.305 × 0.152 mm for band of fcutoff = 492 GHz to 900 GHz

268 GHz to 500 GHz

WR-1.0: 0.254 × 0.127 mm for band of fcutoff = 590 GHz to 1100 GHz

WR-3 : 0.864 × 0.432 mm for band of fcutoff = 174 GHz to 325 GHz

E/H tuner

TUNNETTSBDmixer

back

rectangular metal waveguide resonator

spectrumanalyzer

short

TUNNETT

Duty 50%500 Hz

Steppingmotor controller

Pulse Generator

4.2 K SiBolometer

Lens

Lock inamplifier

PC

Lens

Fabry Perot Interferometer

f <300 GHz f >300 GHz

Hig

h fre

quen

cy

TUNNETT oscillators with waveguide resonant cavities65

600-706GHz WR 1.0 spectra 131xls

600 - 706 GHz CW, fundamental mode TUNNETToscillation in metal, rectangular

WR-1.0 type cavity (0.254 × 0.127 mm)

Au ribbon

n+p+

diamond heatsink

Cu stem / Ni / Au plated

quartzstandoff

p++ C doped 100 nm 6.3e19 cm-3

anoden+ Se doped 14 nm 5.5e18 cm-3

undoped 75 nmtransit time layer

n+ S.I. (100) GaAs 2e18 cm-3

substrate

Fabry-Perot mesh displacement [µm]0 200 400 600 800 1 000 1 200 1 400 1 600

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

Ibias = 600 mAVbias = 8.20 V

λ = 425 µm f = 706 GHzP = -67 dBm

RF

pow

er [

arb.

uni

ts]

RF

pow

er [

arb.

uni

ts]

0 200 400 600 800 1 000 1 200 1 400 1 600Fabry-Perot mesh displacement [µm]

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

Ibias = 620 mAVbias= 8.21 V

λ = 467 µm

f = 642 GHzP = -68 dBm

66

34

TUNNETT oscillators with waveguide resonant cavitiesdiodes from the same epitaxial wafer oscillated in different size cavities

290-393 GHz, in WR-2.2 cavity ( 0.559×0.279 mm)

430 - 510 GHz, in WR-1.5 cavity (0.381 × 0.191 mm)

600 - 706 GHz, in WR-1.0 cavity (0.254 × 0.127 mm)

transit time undoped layer thickness wd = 75 nm

No fundamental limitations forTHz operation, but wd should be thinner

67

Generated power [dBm]

SRI fundamental-mode TUNNETT oscillatorswith rectangular metal waveguide resonators

All TUNNETs P vs. f

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Frequency [GHz]

Gen

erat

ed P

ower

[dBm

]

WR15WR3WR3WR2.2WR1.5WR1.2WR1.0

68

35

Imaging for medical applications

Lens

Sample

SBD

dete

ctor

TUNNETT

Lock-inamplifier

X-Z stagecontroller

Pulse Generator

PC

apertureBeam Splitter

SBDdetector

Lens

Sample

TUNNETTLock-inamplifier

X-Z stagecontroller

Pulse Generator

PCConical horn type aperture

Imaging with reflected waveImaging with transmitted wave

J. Nishizawa, T. Kurabayashi, P. Plotka, H. Makabe, "Development of TUNNETT Diode as Terahertz Device and Its Applications", in 64th. Device Research Conf. Digest, Pennsylvania St. Univ., University Park, PA, June 26-28, 2006, pp. 195-196

J. Nishizawa, T. Kurabayashi, Y. Miura, T. Sawai, P. Plotka, M. Watanabe, "Development of sub-THz TUNNETT diode for biomedical imaging", Dig. Joint 32nd Int. Conf. on Infrared and Millimetre Waves and 15th Int. Conf. on Terahertz Electronics, IRMMW-THz 2007, Cardiff, UK, 2007

69

compact system with moving probe

TUNNETT

Lens

Sample

TUN-NETT

Beam Splitter

Lock inamplifier

SBD

PC

X-Z stagecontroller

X-Z scan

Pulse Generator

SBDConcavemirror

BeamSplitter

Sample

Lens

Imaging for biomedical applications 70

36

199.3 GHz

333.4 GHz

499.2GHz

blood vessel

cancer tissue(necrosis)

normal tissue

10 mm

Imaging of human liver tissue (embedded by paraffin)

containing metastatic cancer(prepared by Prof. Sawai and Dr. Miura)

cancer tissue(living)

TUNNETT_liver_cancer

71

Normal intestinal wall

Fat t

issu

e

Can

cer

Smooth muscle involved in cancerOptical photo

510 GHz transmission imageHE stained tissue

human colon tissue containing primary cancer (embedded in paraffin)

Can

cer

Fat t

issu

e

Imaging for medical applications 72

37

reflection images obtained with scanned probe

Scan area 30 mm x 30 mm Step 0.5 mm

95 GHz 135 GHz

Resolution improved

135 GHz

lines of the palm

blood vessels(veins)

Imaging for medical applications73

Microanalysis of biomaterials

74

38

membrane

aperture

Incident wave

Reflected wave

albumin

1.0E-07

1.0E-06

1.0E-05

1.0E-04

1.0E-03

1.0E-06 1.0E-05 1.0E-04 1.0E-03 1.0E-02 1.0E-01 1.0E+00 1.0E+01

Concentration (BSA/PBS) (%)

Dev

. Ref

lect

ion

Inte

nsity

from

PBS

(V)

aperture 1 mmφ

aperture 2 mmφ

(Molecular weight of BSA 69,000)

10μl ×1ppm→150 femto-mol (1×1011 molecules)

TUNNETT - 200 GHz

1 ppm

Detection limit is much smaller than pico-mole level. This method can be used to detect levels of dissolved substances in water, blood, saliva, urine, etc.

10-µl drop of bovine albumin diluted with phosphate buffered saline – concentration dependence

BSA： Albumin, Bovine (Sigma A-7030)PBS: phosphate buffered saline

Reflection images of bovine albumin dried on nitro-cellulose membranes

Microanalysis of biomaterials75

Reflection from aqueous solution of glucose

Lens

sampleholder

SBDdetector

TUN

NET

T Lock

inam

plifi

er

Puls

e G

ener

ator

PC

aperture

Si wafer400-600 Ωcm

film

test tube15cc

glucose solution in bovine serum or in deionized water

Microanalysis of biomaterials – detection of sugar level

TUNNETT - 200 GHzAperture 2.0 mmφ

0.1

1

10

100

10 100 1000 10000 100000

Concentration of glucose [mg/dl]

Dev

iatio

n of

refle

ctio

n fro

mze

ro c

once

ntra

tion

[%]

Normal sugar level in human blood 70-160 mg/dl

76

39

200 GHz ref. image

1000mg/dl 500mg/dl 150mg/dl 100mg/dl 50mg/dl

DI water

DI water

Glucose solution

10 µl of glucosesolution dropped on membrane filter and dried.Conical horn aperture - 2.0mmφ.

4.26%Reflectance 4.43%

Glucose solution

Reflectance 4.38%

50mg/dl

100mg/dl

150mg/dl

200mg/dl

Membrane filter (nitro-cellulose) 200 GHz reflection images

High sensitivity method

membrane methodReflection images of glucose - dried drops of various concentrations on membrane

Microanalysis of biomaterials – detection of sugar level 77

Refrection Intensity at 190 GHz

0.0E+00

5.0E-06

1.0E-05

1.5E-05

2.0E-05

2.5E-05

0 200 400 600 800 1000 1200Glucose Conc. (mg/dl)

Dev

iatio

n of

Inte

nsity

(V)

Normal sugar level inhuman blood 70-160mg/dl

TUNNETT 200 GHzAperture 2.0 mmφ

Membrane method

Method sensitive in a wide range of concentration, covering the normal sugar level in human blood.

10μl ×100mg/dl →50 picomol

Reflection images of glucose - dried drops of various concentrations on membrane

Microanalysis of biomaterials – detection of sugar level 78

40

79

Dziękuję za uwagę!

Documents

20171116 diody.ppt [tryb zgodności] · Dioda w układzie prostownika –praca z dużym sygnałem 33 Dioda krzemowa o napięciu przebicia większym od 20 V i znanej charakterystyce