Bevezetés az analóg és digitális elektronikába

V. Félvezető diódák

Félvezető dióda

Félvezetőknek nevezzük azokat az anyagokat,amelyek fajlagos ellenállása a vezetők és aszigetelők közé esik. (Si, Ge)

A dióda olyan – rendszerint két kivezetéses –elektronikai alkatrész, amelyet többségébenegyenirányításra, híradástechnikai célra, egysze-rűbb kapuáramkörökben stb. alkalmaznak.

Elektronok és lyukak

A szilícium szerkezete, hőmozgás

3 és 5 vegyértékű adalékolás

• Elektron hiány létrehozása a félvezetőben 3 vegyértékűadalékolással (többségi töltéshordozó a lyuk) - P-típusú félvezető

• Elektron többlet létrehozása a félvezetőben 5 vegyértékűadalékolással (többségi töltéshordozó az elektron) - N-típusúfélvezető

P-típusú félvezető N-típusú félvezető

A pn átmenet töltésviszonyai

A többségi töltéshordozók az átmenet környezetében átdiffundálnak atúloldalra töltéshordozóktól kiürített réteg v. tértöltés réteg jön létre azátmenetnél.

(P, As, Sb)(B, Al, Ga, In)

Anionok

(negatív töltésű ionok)

Kationok

(pozitív töltésű ionok)

PN átmenet kivitele

A PN átmenet olyan egykristályos félvezető tartomány, amelybenegymással érintkezik egy P és egy N típusú réteg.

Egy PN átmenetből álló eszköz a dióda.(B, Al, Ga, In)

(P, As, Sb)

A=anód, K=katód

Nyitó és záró irányú előfeszítés

Karakterisztikák

Si esetén a nyitási küszöb: 0,5-0,7 VGe esetén a nyitási küszöb: 0,2-0,3 VElmondható tehát, hogy a dióda egyenirányításra alkalmazható.

A dióda munkapontja, tokozása

• Minden esetben szükség van áramkorlátozó közbeiktatására! • Tokozását tekintve többségében üveg vagy műgyanta, plasztik vagy

fém tokozásban fordul elő.

Különleges félvezetők

Zener-dióda

Olyan különleges félvezető eszközök, amelyek üzemeltetése a letörésitartományon belül sem jár tönkremenetellel. Ezek az eszközök a PN-átmenetazon tulajdonságát használják ki, hogy közelítőleg állandó értékű a záró irányúfeszültség a kivezetései közt, ha a letörési tartományban működtetjük.

Ezek a diódák különlegesen adalékolt szilícium alapú félvezető eszközök,amelyek kis ohmos veszteséggel és nagyon jó hő elvezető képességgelrendelkeznek.

Nyitóirányú működésük megegyezik a normál Si-diódákéval.Záró irányú működtetés során a PN-átmenet UZK feszültség eléréséig (Zener-feszültség) nagy ellenállást, míg ez után kis ellenállást mutat.

A Zener-diódák adalékoltsága sokkal nagyobb mint más félvezető diódáké,ugyanis így lehet elérni a letörési feszültség értékének csökkentését, valaminta megfelelően kis értékű differenciális ellenállást.

Zener-dióda karakterisztikája

Zener-dióda működése

Az UZK jellemző Zener-feszültségként a gyártók azt a feszültséget adjak meg,amely esetén egy meghatározott visszáram IZK folyik (általában 5 mA). Aminimális IZmin és a maximális IZmax Zener-áram között elhelyezkedő szakasztműködési tartománynak nevezzük.

LED (fénykibocsátó dióda)LED Light Emitting Diode (fényt kibocsátó dióda)

Ha a diódán nyitóirányú áram folyik keresztül, akkor a PN-átmeneten az N rétegből azelektronok a P rétegbe, a P rétegből a lyukak az N rétegbe diffundálnak. A diffúzióskisebbségi és többségi töltéshordozók között rekombinációs folyamatok indulnak meg,amelyek során a felszabaduló energia fotonok formájában kisugárzódik. A sugárzás az1 μm széles P rétegben keletkezik. A rekombinációk csupán 1 %-a jár fotonkibocsátással. A sugárzási rekombináció csak úgy jöhet létre, ha az elektronokátkerülnek a nagy energiájú vezető sávból a kisebb energiájú vegyértéksávba.

A félvezető anyag sávszerkezete határozza meg a kibocsátott fény hullámhosszát.

LED-ek alapanyaga

A LED-ek alapanyaga rendszerint valamilyen vegyület típusú félvezető, ugyanisezekben a sugárzási rekombinációk száma sokkal nagyobb mint a szilícium alapúfélvezetők esetében. Mivel különböző LED-ek alapanyaga más és más, ezértnyitófeszültségük is eltérő. Jellemzően 1,8V-2,4V. Záróirányú előfeszítés eseténkönnyen károsodik!

Előnyös tulajdonságai:

• a működéshez alacsony áram és feszültségszintet igényelnek

• nagy a kapcsolási sebességük

• nagy élettartamúak és kis helyigényűek

Egyéb speciális diódák

Varicap-dióda (Kapacitás dióda)

A zárófeszültséggel széles tartományban vezérel-hető kapacitású diódák. (max. 300pF)

Schottky-dióda (fém-félvezető dióda)

Nyitóirányú feszültségük 0,3-0,4 V.

A fém-félvezető átmenet kapacitása igen kicsi,ezért nagyfrekvencián jól használható.

Általában gyors működésű digitális integráltáramkörök részegységeként alkalmazzák, mertkicsi a késleltetési ideje.

Alagút-dióda (Esaki-dióda)

Negatív ellenállású szakasza is van. LCoszcillátorokban a rezgőköri veszteségek kompen-zálására alkalmazzák.

Viszonylagosan ellenállók sugárzással szemben,ezért alkalmazhatók űrjárművekben.

Zener-diódák alkalmazása

Zener-diódákat az elektronikában leggyakrabban egyenfeszültségekstabilizálására, valamint feszültséghatárolásra használják.

LED-ek alkalmazása

Felhasználásuk elsősorban jelző és kijelző-elemkent jöhet számításbaműszerek előlapján hétszegmenses vagy alfanumerikus kijelzőkben.Manapság már háztartásokban alkalmazható fényforrásként is egyreelterjedtebb.

7 szegmenses kijelző

Meghajtására célszerű a közkedvelt 7446 és 7447 IC-ket használni.

LED-mátrix

Egyéb áramköri alkalmazások

Védődiódaként Infra adó-vevő egység

Egyéb áramköri alkalmazások

Referenciaként és szintkijelzésre

Összehasonlító áramkör, mely a kétbemenetét összehasonlítva billenti akimenetét vagy pozitív, vagy negatívtápfeszültségre. Ezt a jelölést csak itthasználjuk!!!!!

Egyéb áramköri alkalmazások

Futófény

Egyéb áramköri alkalmazások

Közlekedési jelzőlámpa