Csík Norbert 2009

Tartalomjegyzék

ELŐSZÓ .......................................................................................................................................................................4

I. FEJEZET. A FÉLVEZETŐKRŐL ÁLTALÁBAN .................................................................................................6 I.1. A FÉLVEZETŐK LYUK-ELEKTRON MODELLJE ...........................................................................................................8

II. FEJEZET. A DIÓDA ............................................................................................................................................ 10 II.1. A DIÓDA JELLEMZŐI ........................................................................................................................................... 12

II.1.1. A dióda egyenáramú helyettesítő képe ......................................................................................................... 13 II.1.2. A dióda váltakozó áramú helyettesítő képe .................................................................................................. 17 II.1.3. Gyakrabban használt diódatípusok.............................................................................................................. 18

II.2. DIÓDÁK ALKALMAZÁSAI .................................................................................................................................... 22 II.2.1. Egyszerű LED-es alkalmazások................................................................................................................... 22

Előszó

Köszöntöm az Elektrotechnika és Kibernetika Szakcsoport „Elektronika alapjai” kurzusán. Az igazat megvallva, ez a tárgy a „legnehezebb könnyű” kurzusok közé tartozik. Nehéz, mert nem lehet magolással, vagy többszöri felolvasással értékelhető eredményeket elérni, de könnyű is, mert ha sikerül megértenie az anyagot, kevés felkészülés mellett is vizsgázhat sikeresen.

Azt tanácsolom, próbálja magáévá tenni, és ne csak megtekinteni a tartalmat. Tapasztalni fogja, hogy ha érti a megoldás menetét és ismeri a probléma sajátságait, még a legtrükkösebb esettel is könnye-dén fog elbánni. Mindenképp figyelmeztetem azonban, hogy a tanulási tervet (melléklet) lehetőleg tartsa be, minden egyes alkalomra önálló egységként készüljön, mert az utolsó pillanatban való kapkodás ebben a tárgyban, biztosan nem vezet eredményre. Fontos, hogy soha ne lépjen túl egy anyagrészen, míg úgy érzi, hogy nem teljesen érti amit olvasott, ne legyenek ködös foltok, sem pedig kihagyott feladatok.

Tanulmányai során az elektronikában és mikroelektronikában, analóg és digitális technikában is használatos félvezető eszközök ismeretét, alkalmazástechnikáját sajátíthatja el, leginkább gyakorlati szempontból. Az elméleti leírásokra csak a legszükségesebb helyeken és terjedelemben térünk ki.

Igyekszem minél alaposabb, egyértelműbb és részletesebb lenni, remélem ez nagyban megkönnyí-ti majd haladását. Az egyes fejezetek rövid összefoglalóval kezdődnek, melyek rámutatnak az adott rész jelentőségére, fontosabb összefüggéseire. Ezután a problémák tárgyalása következik, majd a fejezetek végén a gyakorló feladatokat és a javasolt laborgyakorlatokat találja.

Az anyagban előfordulhatnak villanykörtét ábrázoló ikonnal jelzett feladatok. Ezeket ala-posan gondolja végig és oldja meg, mert olyan alapvető észrevételekre vezetik rá, melyeket a későbbi feladatmegoldások során is hatékonyan kamatoztathat.

Az adott fejezet elméleti anyaga után kérdőjel ikonnal jelölt összefoglaló feladatsor talál-ható, amely megoldása ismételten Önre vár. Itt az adott témakörből a vizsgán leginkább várha-tó feladatok, feladattípusok találhatók. A megoldásokat a jegyzet végén található „Megoldások” mellékletben találja, ám mindenképp érdemes először önállóan nekikezdeni a problémának és csak utána ellenőrizni, hogy jól számolt-e.

A témakörök végén egy vagy több javasolt laborgyakorlat található („L”-betűt tartal-mazó ikon). Ezek a részek mérési jegyzőkönyvként is használhatók.

Menet közben találni fog kiemelt feladatokat, melyeket egy borítékot és tollat ábrázoló ikon jelöl, ezeket célszerű megoldani, illetve minden tanulási egység végén összegyűjtve, a men-tornak elküldeni. A javítás eredményéről - e-mailben vagy postai úton - az előzetes egyeztetés alapján fog értesülni.

Eredményes felkészülést kívánok Önnek a Szakcsoport többi munkatársa nevében is!

Csík Norbert

úú

Félvezetők alkalmazástechnikája – Félvezetők általános elmélete

Miről lesz most szó?

félvezető elemek és eszközök különleges tulajdonságaik révén úgy forradalmasították az ipart, mint ahogyan azt korábban a gőzgép tette. Ma már aligha lehetne olyan műszaki- vagy háztartási gépet találni, amely ne tartalmazna valamilyen félvezető alkatrészt. Az

első tanulási egységben célunk, hogy betekintést kapjunk a félvezetők általá-nos elméletébe, megalapozzuk a dióda, a bipoláris- és téreffektus tranziszto-rok működésének tárgyalását.

A fejezet végéhez érve tisztában kell lennie a félvezető anyagok mi-benlétével, tulajdonságaival, a szennyezéstől függő felépítésével. I. Fejezet. A félvezetőkről általában Világunkat atomok építik fel, melyeket negatív töltésű elektronok, pozitív töltésű protonok és semleges neutronok alkotnak.

Bohr és Rutherford nyomán vált világossá, hogy az atom semleges töltésű, de nem homogén felépítésű. Tömegének legnagyobb része a mag-ban koncentrálódik, ahol a protonokat és neutronokat a magerők tartják össze. Az eredő töltés pozitív konzervatív* potenciálja a mag körül keringő elektronokat tartja pályán. A modern fizika fontos felismerése volt, hogy nagy sebességek mellett nem pillanatnyi pozíciókat, hanem átlagos tartózko-dási valószínűségeket célszerű megfogalmazni (Heisenberg, Schrödinger).

Ez alapján az elektron egyfajta ködöt alkotva egy adott helyen csak véges valószínűséggel-, rá jellemző eloszlással rendelkezik. Azokat a térré-szeket, ahol az elektron sűrűbben fordul elő, elektronhéjaknak nevezzük. Ezek nem mindig gömbszimmetrikusak, a kvantummechanika eredményei alapján változatos geometriájú, esetenként látszólag nem is összefüggő for-mákat ölthetnek. Az egyes héjakat alkotó pályák eltérő energiájú elektro-nokhoz (lehetséges energiaszintekhez) tartoznak.

Minél nagyobb energiájú egy elektron, annál távolabbra kerül a mag-tól, akár egy gumikötéllel pörgetett kő, amit egyre erősebben forgatunk. A külső elektronok így a magtól kisebb-; a mélyebben lévők nagyobb energia közlésével távolíthatók el ugyanakkora távolságra. Bizonyos gerjesztés fölött az elektron elhagyja az atomot (leszakad), bekövetkezik az ionizáció.

A kvantummechanika és spektroszkópia közös eredménye, hogy az egyes pályák között kvantumos, azaz nem folytonos az átmenet. A közölt energia mindaddig nem csatolódik az elektron energiájához, míg az nem elég valamely létező nagyobb energiájú pálya betöltéséhez. Ezt az elsőre meglepő viselkedést úgy képzelhetjük el, hogy hiába akarjuk a követ egy kissé jobban megpörgetni, egyszerűen nem bírjuk; a kő állandó sugarú íven marad, az energia pedig csak a kezünkben gyűlik. Ha növeljük az igyekezetet és elérünk egy bizonyos határt, egyszer csak ugrásszerűen megnyúlik a gu-mikötél és a kő egy újabb, nagyobb sugarú körpályára vált át, miközben ka-runk energiája teljesen kimerül. A folyamat fordítottja is lehetséges: ha egy elektron alacsonyabb energiájú pályára ugrik, a különbözetet egyszerre adja le környezetének. A lehetséges pályákat (energiaszinteket) és az ezek közötti lehetséges átmeneteket az atom elektronszerkezete határozza meg.

A

2. Az s-elektron ill. egy p-elektron szimulált eloszlása (pályája).

1. Illusztráció a Bohr-modellhez, alatta pedig a He-atom elektroneloszlása látható.

3. Energiaszintek közötti lehetséges átmene-tek hidrogénatomban.

Félvezetők alkalmazástechnikája – Félvezetők általános elmélete

A közölhető energia eredete lehet bármi, ami az elektronhéjat ger-jeszteni képes: hő (termikus gerjesztés), elektromágneses- vagy radioaktív sugárzás. Az anyag gerjesztett (magasabb) energiaállapotából – általában jól meghatározható időn belül regenerálódik - visszatér alapállapotába, amit termikus úton (relaxációs hűlés) vagy többnyire az átmeneteknek megfelelő energiakülönbségű foton (elektromágneses sugárzás) kibocsátásával ér el.

Az elektronok energiája tehát az atom szerkezete által rögzített, új értéket pedig csak diszkrét ugrásokkal vehet fel.

Amikor atomokat közelítünk egymáshoz, a fellépő különböző köl-csönhatások (e-e, e-mag, mágneses hatások) újabb lehetséges pályákat, to-vábbi energiaállapotokat hoznak létre. Ezek a meglévő szintek felhasadása-ként jelentkeznek. Az atomok száma egy mákszemnyi kristálydarabkában 1018-1019 darab, a jelenséghez pedig a rács minden környező atomja hozzájá-rul.

A nívók ilyen mértékű „besűrűsödése” alapján azt hihetnénk, hogy ekkor már minden elképzelhető energiaértékhez elegendően közel – akár átlapolódva - találhatunk újabb szinteket, azaz egyetlen, összefüggőnek te-kinthető (kvázifolytonos) energiasáv ill. sávszerkezet jön létre.

A mérések és az elmélet (kvantummechanika, szilárdtestfizika, atom-fizika) arra az eredményre vezettek, hogy az anyagban ezzel szemben sajátos belső szimmetria alakul ki – a rács- ill. kristályszerkezet révén–, olyan ener-giaszintekkel, amelyekkel jellemző elektronokat egyáltalán nem találunk az anyagban. Az ilyen pályákat magába foglaló tartományt a sávszerkezetet ábrázoló sávdiagramon tiltott sávnak nevezzük.

Azokat a tartományokat pedig, ahol a lehetséges szintek igen sűrűn jelennek meg (akár átlapolódva), megengedett sávoknak hívjuk. Különö-sen fontos az atomok legfelső, még elektronokat tartalmazó megengedett sávja, a vegyértéksáv. Itt találhatók ugyanis legkülső, molekuláris kötések létrehozására képes vegyérték-elektronok.

Ha ez a sáv teljesen betöltött, azaz benne minden lehetséges szint-hez van megfelelő számú (a Pauli-elv alapján mindössze kettő) elektron, az alacsonyabb szintről magasabbra való ugrándozás lehetősége kicsi. A legkö-zelebbi, befogadni képes nívó messze, a tiltott sáv után, a vezetési sávban található, így az anyagot csak erősebben gerjesztve válthatunk ki jelentősebb elektronmozgást.

Ha a tiltott sáv szélessége kicsi, félvezetőről, ha a tiltott sáv széles-sége nagy, szigetelőről beszélünk.

A vegyértéksáv részleges betöltöttsége vagy a tiltott sáv eltűnése a megengedett és szabad energianívók között aktív elektronmozgást eredmé-nyezhet már kisebb gerjesztés esetén is. A mélyebb szinteken lévő elektro-nok ekkor kisebb gerjesztéseken keresztül is a vegyértéksáv felső nívóira juthatnak, ahonnan könnyen a legközelebbi megengedett sávba, a vezetési sávba gerjesztődhetnek. Itt olyan „vezetési” elektronok energiái szerepel-nek, melyek leszakadtak az atomról és attól távolabb immár szabadon mo-zognak. A vezetési sáv emiatt igen sűrű, mivel az elektron szinte bármilyen alakú és energiájú pályán tartózkodhat.

A tiltott sáv hiánya, vagy a részleges betöltöttség tehát a vezetőké-pesség, illetve a fémes jelleg megjelenésével jár.

5.

4. Az atom gerjesztett állapotból idővel regenerálódik, leadva azt a többletenergiát, melyet korábban vett fel.

5. Nívók besűrűsödése a kristályszerkezet kialakulásakor. Azt várnánk, hogy teljesen összefüggő sáv alakul ki.

6. Egyetlen tiltott sávval rendelkező sávdiag-ram és nevezetes tartományai.

7. A tiltott sáv és a vezetési tulajdonságok viszonya. A szigetelőkre jellemző sávszerke-zettel létezhetnek vezetők is. Ekkor a vegyér-téksáv részleges betöltöttsége dominál.

Félvezetők alkalmazástechnikája – Félvezetők általános elmélete I.1. A félvezetők lyuk-elektron modellje

A félvezető eszközök működésének vizsgálatát megkönnyíti a lyuk-elektron modell használata. Ebben egy virtuális, pozitív, az elektronnal minden más tulajdonságában teljesen azonos részecskét (töltéshordozót) vezetünk be, amit lyuknak nevezünk. A lyuk az elektron egyfajta hiányát reprezentálja a vegyértéksávban, ami annak az elektronnak a helyén lép fel, amely a vezetősávba gerjesztődött.

Természetesen a valóságban szó sincs pozitív részecskékről, az anyagban továbbra is az elektronok mozgása okozza az elektromos változá-sokat, a modell csak a leírást egyszerűsíti, kikerülve a sávszerkezet bonyolul-tabb tárgyalását. Használata nagyon leegyszerűsített, de annál szemléletesebb tárgyalást tesz lehetővé. A szilárdtestfizikában kimutatták, hogy még ez az erős közelítés is helyes következtetésekre vezet az anyagi folyamatokat ille-tően.

Egyszerre tehát általában egy lyuk és egy vezetési elektron együttes keletkezése, generációja valósulhat meg. Hasonlóan, ha egy elektron a ve-zetési sávból a vegyértéksáv egy szabad helyére (azaz egy „elektronhiány”-ba) kötődik be, egyszerre két részecske semmisül meg, egy vezetési elektron és egy lyuk, mintegy kioltják egymást. Találkozásuk (azaz megszűnésük) azt az energiát szabadítja fel, amit az elektron korábban, a vegyértéksávból való kiszakadásakor vett fel. A lyuk-elektron pár kölcsönös megszűnési folya-matát rekombinációnak nevezik.

Ha a lyukba nem egy szabad, hanem a rács egy közeli kötésében már részt vevő elektron ugrik át, a hiány szintén megszűnik. Az újonnan érkezett elektron azonban a rácsban maga után önnön hiányát hagyta. Ezt a folyama-tot „fordítva” úgy is szemlélhetjük, mintha a lyuk, mint önálló részecske mozdult volna el a kötésekben, független töltéshordozóként (lyukvezetés).

A félvezetők tiszta, kristályos állapotukban lényegében szigetelő-anyagok. Ilyenek a periódusos rendszer IV. oszlopában elhelyezkedő ele-mek, mint pl.: C, Si, Ge, Sn. A nagy tisztaságú (min. 10-3 ppm) állapotban előállított, homogén és rácshibától mentes félvezetőt intrinsic [„intrinszik”] vagy i-típusú félvezetőnek nevezzük.

Érdekes és az ipar számára fontos tulajdonságok a kristály külön-böző anyagokkal való szennyezésekor jelennek meg. Ha a kristályrácsba olyan idegen atomok épülnek be, melyek vegyértékelektron-száma eltér a környező félvezető atomokétól, a kovalens kötésekhez szükséges és a köté-sekre kész elektronok száma kiegyenlítetlen lesz, a szennyezés környezete gyengén kötött töltéshordozókat tartalmaz.

Példaként legyen adott a szilícium szerkezete és szennyezzük ezt foszfor (P) atomokkal. A foszfornak 5 vegyértékelektronja van, amelyek közül négy létre is hozza a szilíciumrácsba épüléshez szükséges 4 kovalens kötést. A maradék egy elektron továbbra is az eredeti atomhoz tartozik, de ahhoz már csak gyengén kötődik. Kisebb kölcsönhatások könnyen leszakít-hatják.

Ez a fajta anyagtípus gerjesztés hatására elektronokat – azaz negatív töltéshordozókat- képes leadni. Ennek alapján ezt a szennyezett félvezetőt n-típusú félvezetőnek, az ezt előidéző adalékanyagot pedig donor szeny-nyezésnek nevezzük.

elektronok

gerjesztés

lyuk

gerjesztett elektron

8. A lyuk-elektron pár képződése. Az atomot elhagyó gerjesztett elekton helyét azonosítjuk a „lyuk”-kal.

9. Generáció és rekombináció. A lyuk-elektron pár képződésekor felvett energia rekombináció alkalmával felszabadul.

10. Tiszta szilícium kristályszerkezet. Ato-monként a négy külső vegyértékelektron mindegyike részt vesz a kovalens kötésekben.

11. Donor szennyezés, gyengén kötött elek-tronnal.

Félvezetők alkalmazástechnikája – Dióda Ha foszfor helyett alumíniumot (Al) használunk, melynek csak 3 vegyértékelektronja van, mind a három erős kötést létesít. A szilíciumrács 4 kötés létesítésére képes, de ehhez még egy további elektronra is szükség lenne. A kovalens kötés energetikailag kedvező, így ha e hely közelébe elekt-ron kerül, az könnyen bekötődik a szabad helyre. Ilyen értelemben az anyag egyfajta elektronfelvevő képességgel rendelkezik, emiatt a szennyezést ak-ceptor szennyezésnek nevezzük.

Ekvivalens módon úgy is fogalmazhatunk, hogy a szennyezés kör-nyezetéhez valójában gyengén kötött elektronhiány, azaz lyuk tartozik. Mi-vel a modellben az akceptor lyukak (pozitív töltéshordozók) leadására ké-pes, ezt az anyagot p-típusú félvezetőként említjük.

Abszolút nulla fok feletti hőmérsékleten a kristályrács atomjai re-zegnek (mint atomi oszcillátorok). A termikus eredetű mozgási energia – anyagi kölcsönhatásokon keresztül - elmozdítja a szennyezések gyengén kötött töltéshordozóit melyek a kristályban ily módon folyamatosan sod-ródnak.

Két eltérő kisebbségi töltéshordozóval (lyuk és elektron) jellemez-hető (p- és n-típusú) anyagot összeérintve érdekes folyamat figyelhető meg. Szobahőmérsékleten mindkét félben vannak szabadon sodródó töltéshor-dozók. Az összeolvadt kristályfelekben az atomok termikus mozgása és a töltéshordozók koncentrációkülönbsége a töltéshordozók diffúz mozgását eredményezi a másik kristályfél irányába is, ahol viszont rekombináció is létrejöhet. Az illesztés pillanatában meginduló áramlás azonban rövid időn belül csillapodik és bekövetkezik egy állandósult, egyensúlyi állapot.

Képzeljük el most, hogy a donor oldal (n) egy gyengén kötött elekt-ronja leszakad és az illesztési határ (p-n átmenet) felé diffundálva rekombi-nálódik. A félvezető kristályt és a szennyezést is semleges atomok alkotják, ez a neutralitás a kovalens kötések létrejötte után is megmarad.

Ha egy donor elektron (negatív töltés) távozik, a visszamaradt erede-tileg semleges atomtörzs pozitívabbá válik. Minél több elektron tűnik el a donor oldalról, az erősödő pozitív potenciál annál nagyobb visszatartó erőt jelenít meg a soron következő elektronok számára. Bizonyos idő elteltével (adott hőmérsékleten) már akkora lesz az atomtörzsek pozitív tere, hogy az elektronok egyáltalán nem képesek a p-n átmenet közelébe sodródni. Ter-mészetesen az akceptor oldalon is hasonló folyamat játszódik le, ott lyukak vándorolnak, a visszamaradt atomtörzsek pedig egyre negatívabb elektro-mos teret jelenítenek meg.

Miután már egyik félből sem jutnak további töltéshordozók a p-n átmenet közelébe, bekövetkezik egy stacionárius állapot: a p-n átmenet kör-nyékén elfogynak a töltéshordozók, kialakul a kiürítési réteg. Vastagsága valójában néhány mikron, az illusztráción (.13) csak a szemléletesség kedvé-ért rajzoltuk szélesre.

Az atomtörzsek által képviselt potenciál ennek a tartománynak a közvetlen közelében, az anyag belsejében érvényesül, így a két fél makrosz-kopikusan továbbra is semleges marad, feszültség rajtuk nem mérhető. Ezért szokás ezt a belső elektromos erőteret „Built-in” vagy „Beépített” erőtérnek nevezni.

12. Akceptor szennyezés, mely gyengén kötött lyukat tartalmaz.

13. A kiürítési réteg kialakulása. Az elvándo-rolt (és rekombinálódó) töltéshordozók ellen-tétes értelmű potenciált hagynak hátra, mely egyre gátolja a továbbiak mozgását.

Félvezetők alkalmazástechnikája – Dióda

Miről lesz most szó?

dióda az egyik legalapvetőbb félvezető eszköz. Legfontosabb tu-lajdonsága, hogy két kivezetése között a polaritástól függően csak az egyik irányban vezeti az áramot, bár egyes fajták (Zener) mind-két irányban biztonságosan üzemeltethetők. Nyitófeszültséggel

rendelkeznek, mely fölött az eszköz jó közelítéssel rövidzárként viselkedik. Egyenirányító, jelformáló alkalmazások alapeleme, de általában világító dió-daként (LED) a legismertebb. Az iparban további típusai is széleskörűen elterjedtek. II. Fejezet. A dióda A diódát egyetlen, az előző fejezet végén tárgyalt p-n átmenet alkot-ja. Mi történik, ha az egyes feleket eltérő potenciálokkal látjuk el?

Tegyük fel, hogy az akceptor oldalra (visszamaradt negatív atomtör-zsekre) pozitív-, a donor oldalra pedig negatív feszültséget kötünk.

A külső tér az ellentétes irányú belső potenciálra szuperponálódik, fokozatosan elnyomva az atomtörzsek hatását. A kiürítési réteg teljes eltűné-se Ge esetén 0.3-0.4V, Si esetén 0.65-0.7 V mellett következik be, amit a dióda nyitófeszültségének nevezünk.

A dióda nyitásakor a szabad elektronok akadálytalanul haladnak a p-n átmenet felé (a lyukak hasonlóan az akceptor oldalon). Az átmenetben a lyuk-elektron párok találkozásával folyamatos rekombináció jön létre, ami megfelel (gondoljunk a lyukak jelentésére) az elektronok egyirányú áramlá-sának, az elektromos áram megjelenésének. A dióda ilyenkor vezet, a rákö-tött feszültséget pedig polaritására tekintettel nyitóirányúnak nevezzük.

A

A vezetés a folyamatos rekombináción keresztül termikus energia felszabadulá-sát is eredményezi, ami az elektronok mozgékonyságát tovább növeli. A dióda vezetőképessége emelkedik, a nagyobb áram pedig még inkább melegíti a kris-tályt. Az öngerjesztő folyamatban a dióda árama hatványozódik, aminek a dió-da károsodása vet véget. Legegyszerűbben azt mondhatjuk, hogy ha a dióda vezet, jó közelítéssel rövidzárként viselkedik.

Emiatt minden diódát tartalmazó kapcsolás esetén gondoskodnunk kell megfe-lelő áramkorlátozó eszközökről, melyek a dióda áramát az adatlapon feltünte-tett biztonságosnak ítélt határ alatt tartják. Ilyen pl. a soros ellenállás, vagy a már eleve áramgenerátoros táplálás. Az adatlapokon a maximális áramértékeket impulzusszerű és folyamatos üzem esetén is meg szokta adni a gyártó.

Minden esetben referenciaszint kérdése hogy mi számít pozitív- ill. negatív feszültségnek. A tárgyalásban az egyszerűség kedvéért alkalmazunk ellentétes értelmű potenciálokat. Valójában a „negatív” és „pozitív” jelzőket a „negatí-vabb” és „pozitívabb” értelemben használjuk. (Eltérő nagyságú pozitív feszült-ségek esetén a kisebb negatívabbnak számít a nagyobbhoz képest.)

14. A vezetés kialakulása. A kiürítési réteg eltűnésekor a szabad töltéshordozók a polari-tásnak megfelelően mozogva folytonosan re-kombinálódnak, elektromos áramot hozva létre.

Azonos potenciál esetén a dióda belső tere minden pontban konstans értékkel változna, ám ezt az új, állandó szintet a referenciapont helyes megválasztásával akár a nulla szintnek is választhatjuk. Az elrendezés lényegében tehát nem vál-tozik, így fizikai effektus sem várható

Félvezetők alkalmazástechnikája – Dióda Most azt az esetet vizsgáljuk meg, amikor az akceptor (p) oldalra ne-gatív, a donorra (n) pedig pozitív (záróirányú) feszültséget kapcsolunk.

Ilyenkor a már eleve negatív tértöltést még negatívabbá, a pozitívat pedig még pozitívabbá tesszük. Eredményül az adott anyagtípusra jellemző kisebbségi töltéshordozók nem képesek a rekombinációs zóna közelébe jutni. A kiürítési réteg kiszélesedik, a dióda lezár.

Ha a dióda zárófeszültségét tovább növeljük, egy másik érdekes jelen-ségnek is tanúi lehetünk.

Abszolút nulla fok (-273.13 C°) feletti hőmérsékleten az anyagot alko-tó atomok rezegnek és egymással kölcsönhatva gerjesztődhetnek is. A közölt energia képes lehet akár a vegyértéksávból elektront kiszakítani, ahol ennek megfelelően lyuk is keletkezik (spontán párkeltés). Ez a folyamat domináns erősen szennyezett donor és akceptor esetében is, ahol külső feszültség nélkül is folyamatosan „aktív” a kiürítési réteg. Az ugyanis elég vékony ahhoz, hogy a kvantummechanikából ismert alagút effektus révén képesek a donor oldal elektronjai az akceptor oldalra átkerülni (és a lyukak is viszont). Külső feszült-ség nélkül ezzel a folyamatos rekombináció egyensúlyt tart, így végeredmény-ben az anyag ilyen jellegű „belső forrongása” különösebben nem érzékelhető.

Nagyobb záróirányú feszültség a keskeny kiürítési rétegben akkora térerőséget hozhat létre (E=U/d miatt), hogy az képes a rácsból elektronokat kitépni, vagy a spontán keletkezett párokat kellően el is távolítani egymástól. Az elektronokat a pozitív-, a lyukakat pedig a negatív térfél irányába gyorsítva, csekély mértékű záróirányú áramot hozva létre.

Ha a zárófeszültség elegendően nagy, a gyorsuló töltéshordozók már rövid távon akkora (sebességre) energiára tehetnek szert, hogy a rácsot alkotó atomokkal ütközve újabb párokat kelthetnek. Azok hasonlóan gyorsulva újabbakat, és még újabbakat hoznak létre. A folyamat ilyen jellegű megfutását lavina-effektusnak nevezzük. Ennek során az áram külső korlátozó ellenállás hiányában elméletileg határok nélkül növekszik, a dióda melegszik, majd átüt. Az átütés jelenségének teljes kialakulását Zener-effektusnak nevezzük. Az a potenciálkülönbség, amely már a dióda károsodásához vezet, az átütési fe-szültség. E fölött a dióda a nyitóirányhoz (normál működéshez) képest ellen-tétesen vezeti az áramot és általában rövid időn belül tönkremegy.

A Zener-diódák olyan diódatípusok, ahol az átütés jelensége a vezető-ben nem véletlenszerű helyen, pontszerűen (átszúrással), hanem a félvezető teljes keresztmetszetén, homogén módon jön létre. Ezért külső áramkorláto-zás mellett ebben a tartományban is biztonságosan üzemeltethetők.

A záróirányú áram jelentősége akkor kiemelkedő, ha az elrendezés ér-zékeny a diódaáram nulla szintjére (ilyenek pl. a fotodiódás alkalmazások), vagy ha a működés extrém körülmények között valósul meg (nagy záróirányú feszültség, magas hőmérséklet).

15. A dióda zárása. A belső teret erősítő külső tér az egyes felek töltéshordozóit nem engedi a rekombinációs zóna közelébe.

16. A lavina effektus. A töltéshordozók gyor-sulva elegendő energiára tesznek szert, hogy a ráccsal ütközve újabbakat keltsenek.

A továbbiakban a diódák általános célú alkalmazásait tartjuk szem előtt, feltéve, hogy a kapcsolást ±30CO között és kevesebb, mint 100V záróirányú feszültség mellett használjuk. A szivárgási áram ilyenkor többnyire <1 µA, kevesebb, mint a szokványos legkisebb üzemi áram ezredrésze. A következőkben ebből kiindul-va elhanyagoljuk, de speciális körülmények vagy nagyobb igénybevétel esetén célszerű ennek mértékéről is tájékozódni az adatlapról.

17. Ábra az adatlapról. A szivárgási áram a záróirányú feszültség függvényében. Az érté-ke emellett kb. 10CO-onként meg is duplá-zódhat (!).

Félvezetők alkalmazástechnikája – Dióda II.1. A dióda jellemzői

A diódát tehát egyetlen, az előzőekben bemutatott p-n átmenet al-kotja. Láttuk, viselkedése polaritásfüggő, a helytelen kapcsolás nem megfe-lelő működést, a túlfeszültség pedig a dióda károsodását okozhatja. Általá-nos rajzjelét ezért igen szemléletesre választották:

A háromszög felőli kivezetés (itt balra) az anód, a jobb oldali vég pedig a katód. A dióda akkor van nyitóirányban, ha az anódja pozitívabb, mint a katódja, ellenkező esetben a dióda záróirányú feszültséget (záróirá-nyú előfeszítést) kap. Jelentősebb vezetési jelenséget csak akkor tapaszta-lunk, ha a nyitóirányú feszültség meghaladja a nyitófeszültséget.

A rajzjel nyíl alakú része mutatja az áram egyetlen lehetséges irányát a nyitott diódán, a rajz alapját szolgáló vízszintes vonal pedig az ugyanekkor fellépő rövidzárat szimbolizálja.

Láttuk, hogy a dióda áramának mértéke a külső feszültség nagyságá-tól és előjelétől függ. A két mennyiség kapcsolata - az I(U)-karakterisztika - feszültségméréssel könnyen felvehető (.19).

A dióda áramának ábrázolása feszültségének függvényében a dióda-karakterisztika (.20), mely több nevezetes tartományra bontható.

Az első a nyitási tartomány, ahol a dióda helyes polaritású nyitófe-szültség mellett kinyit. Látható, hogy valójában bármely pozitív feszültség esetén folyik valamekkora áram a diódán és ennek mértéke exponenciális jelleggel nő a nagyobb feszültségek felé. A görbe felfutó részét szokás első rendben egy egyenessel közelíteni, melynek metszéspontját a vízszintes ten-gellyel nevezzük nyitófeszültségnek (UON, tipikus értéke 0.6-0.7V, de pl. LED-eknél ez 2-3 V is lehet.).

A második a lezárási tartomány. A diódán ebben az állapotban nem folyik (jelentősebb) áram.

A harmadik a letörési tartomány. A magas záróirányú feszültség la-vina effektust okoz, melynek hatására a görbe hirtelen, nagy meredekséggel „letörik”. Ezt a meredek változást ismét egyenessel közelítve definiálható a letörési feszültség vagy más néven Zener-feszültség (UZ).

Azért nem közvetlenül a diódán mérjük a feszültséget, mert a lezárás környékén annak ellenállása (~szakadás) összemérhetővé válna a vele párhuzamosan kö-tött mérőműszer (végtelennek tekintett) ellenállásával. Ekkor a mérés elvi hibá-jaként a dióda valódi ellenállásának mindössze a fele, maximálisan pedig legfel-jebb a mérőműszer ellenállása venne részt az áramkörben. Mivel R nem nagy, az okozott hiba sem jelentős, de a műszaki életben mindig a kevesebb hibafor-rást tartalmazó elrendezésekre célszerű törekedni.

1. ábra. A dióda általános rajzjele.

Kapacitásdióda

LED, lézerdióda

Fotodióda

Zener-dióda

Schottky-dióda

Alagút-dióda

18. Néhány fontosabb típus és megkülönböz-tető jelöléseik.

Ug V1 UR R V2

19. Egy, a karakterisztika felvételére alkalmas kapcsolás. R ismert, kis értékű ellenállás (~500Ω), Ug -t mi állítjuk bizonyos határok között. Mérjük Ug -t (V1), UR -t (V2), amiből a dióda árama I=UR/R; feszültsége U= Ug-UR.

20. A dióda karakterisztika fontosabb tarto-mányai. 1- nyitási, 2- lezárási, 3- letörési tartomány. UON – a dióda nyitófeszültsége, UZ

– a dióda letörési vagy Zener-feszültsége.

Félvezetők alkalmazástechnikája – Dióda

Az alkalmazások legtöbbjénél a dióda nyitási tartománya, pontosab-ban a karakterisztika görbéjének pozitív feszültségekre felvett értékei lénye-gesek, mert lezárt esetben (feltéve, hogy nem a letörési tartományban mű-ködik) a dióda szakadásnak tekinthető. A tapasztalatok szerint pozitív fe-szültségekre a görbe jól közelíthető az alábbi diódaegyenlettel:

−⋅= 1T

d

UU

Sd eII (1.)

ahol Id – a dióda árama, IS – szaturációs áram, rendkívül kis értékű meny-nyiség, valójában a képlet dimenziójának helyességét biztosítja; Ud – a dióda feszültsége; UT – a termikus feszültség, melynek értéke a statisztikus fizika elméleti eredményei alapján UT = 26 mV.

II.1.1. A dióda egyenáramú helyettesítő képe A karakterisztika alapján világos, hogy az egyes feszültségértékekhez

más-más áram tartozik az exponenciális görbe különböző szakaszain. A dióda aktuális ellenállása egy adott pontban - hasonlóan más alkatrészekhez - az Ohm törvény alapján kapható (R=U/I).

Azt az üzemi állapotot (pontosabban az ezt jellemző Ud0, Id0 párt), ahol a dióda adott feltételeknek megfelelő egyenáramú működése valósul meg, munkapontnak (M) nevezzük. A munkapontot tehát konkrét egyen-feszültség (Ud0) és egyenáram (Id0) jellemez. A diódával kapcsolatos feladatok az alkalmazásnak megfelelő üzemi állapot (munkapont) helyes megválasztásával és az azt biztosító kapcsolás megvalósításával, vizsgálatával foglalkozik.

Ahhoz, hogy a diódát a kívánt üzemállapotba hozzuk, számára meg-felelő feszültséget és áramot kell biztosítanunk.

Nézzük a (.23) kapcsolást! A diódás kapcsolásra az ábrán látható módon ismert pozitív feszültséget (Ug) kötünk. Mivel az anód pozitívabb, mint a katód, a dióda nyitóirányú feszültséget (Ud0) kap. Áramának korláto-zására sorosan egy ú.n. előtét ellenállást (R) helyeztünk be. E nélkül a táp-feszültség a dióda nyitásakor, azon keresztül gyakorlatilag rövidre záródna, ami az alkatrészek károsodásához vezetne.

Az ellenállást úgy kell megválasztani, hogy ha a dióda rövidzár, a tápfeszültség pedig maximális (Ugmax), a kör árama akkor se haladjon meg egy, a dióda adatlapja alapján biztonságosnak ítélt értéket (Imax). Ezt ismert-nek tekintve a szükséges minimális ellenállás: Rmin=Ugmax/Imax –ra adódik.

Legyen most R és Ug ismert egy már működő áramkörben! Számít-suk ki ekkor a dióda áramát!

A képletben az „1” azt biztosítja, hogy a függvény ne jelenítsen meg áramot, ha a feszültség nulla. Gyakran elhagyják, mert az így okozott hiba jelentéktelen. A diódán üzem közben Ud>UON~0.6V feszültség esik, így a kitevő értéke >20. Mivel „e” értéke 2.81, az exponenciális tag >2.8120-ra adódik. Ez elég nagy szám. Kivonunk egyet belőle vagy sem, lényegében nem változtat az eredmé-nyen. (Ha elhagyjuk, nulla feszültség esetén is egy igen kis értékű árammal szá-molunk).

21. Egy infravörös LED nyitóirányú karakte-risztikája. A mért pontokat elfedi a megfele-lően paraméterezett diódaegyenlet vastagított görbéje. Figyeljük meg, hogy 1V alatt az áram jelentéktelen, aztán alig 0.2 V-nyi tartományban eléri a maximumot! Ez a szinte kapcsolószerű viselkedés a diódák egyik leg-fontosabb jellegzetessége!

22. Egy munkapont (M) és egyenáramú para-méterei (Ud0, Id0).

23. Feszültség- és áramirányok, valamint a körüljárási irány felvétele a Kirchhoff analí-zishez. (Az áramkör potenciálviszonyait szí-nekkel is hangsúlyoztuk: piros a legpozití-vabb, kék a legnegatívabb sarok.)

Félvezetők alkalmazástechnikája – Dióda A körre felírható Kirchhoff huroktörvényből:

000 =−⋅+ gdd URIU (2.)

Az (1.) összefüggésből kifejezve a dióda feszültségét:

01ln 00 =−⋅+

+⋅ gd

S

dT URI

IIU (3.)

Ahol IS és UT is ismertnek tekinthető. Egy ismeretlen, egy egyenlet, a feladat tehát megoldható - lenne. A probléma az, hogy az egyenletből nem lehet az áramot explicit módon kifejezni, így eredmény csak közelítő nume-rikus módszerekkel (fixpont kontrakció, Newton-módszer, Taylor-sorfejtés, stb.) nyerhető. Ha a dióda-karakterisztika rendelkezésre áll adatlapból, vagy korábbi mérések eredményeként, a feladatot grafikus úton könnyen megoldhatjuk.

Ennek során, ismerve az alkalmazásunkkal szemben támasztott elvá-rásokat, először a munkapontot rögzítjük. Az ismert munkaponti mennyisé-gek mellett az áramkör többi paramétere már általában közvetlenül kiszá-mítható.

Ha a karakterisztika nem áll rendelkezésre, a bonyolult numerikus módszereket mellőzve az ú.n. dióda helyettesítő képeket használjuk. A számolásokat, megfontolásokat a valódi helyett, egy egyszerűbb tulajdonsá-gokkal rendelkező, idealizált diódamodellel végezzük.

Gyakran, egy kapcsolást elemezve, csak arra vagyunk kíváncsiak, hogy adott körülmények között a dióda üzemel-e (nyitva van-e vagy sem).

Erre az ideális dióda modellje (ideális dióda helyettesítő kép) a legalkalmasabb, mely csak a kapcsolószerű viselkedést jeleníti meg, elhanya-golva a nyitófeszültséget és más üzemi jellemzőket. A diódát ebben rövid-zárnak tekintjük, ha nyitóirányú- és szakadásnak, ha záróirányú vagy nulla feszültség esik rajta.

Az erős közelítés a modellt számolásokra alkalmatlanná teszi, de szemléletes és jól használható kapcsolások működésének elemzésekor.

MEGOLDÁS: A kapcsolás feszültséggenerátorral (elemmel), LED-del, ellenál-lással és egy nyomógombbal a .24-en látható. A kapcsolás a gomb lenyomása esetén működik (ekkor zárja az áramkört), így elég csak ezt az esetet tárgyalni.

Munkapontot a feladathoz adott .21-es karakterisztikán választunk. A LED nagy áramok mellett (itt Imax ≈ 20 mA) erősen melegszik, de nem világít számot-tevően jobban. Emiatt a munkaponti értéket pl. csak Id0=14 mA-re választjuk, ez tőlünk függ. Az ehhez tartozó feszültség már leolvasással adódik, Ud0=1.175V-ra. A Kirchhoff huroktörvényből pedig:

Ω≈Ω=−

= 5609.5580

0

d

dg

IUU

R

PÉLDA. Egy infravörös világító diódát (LED-et) szeretnénk nyomógombbal működtetni. A karakterisztikát előzőleg kimértük (.21), tápként pedig egy 9V-os elemet akarunk használni. Mekkora előtét ellenállásra van szükség?

Ug

Id0

R Ud0

24. Egy egyszerű LED-es kapcsolás nyomó-gombbal.

id

I

U

25. Az ideális dióda helyettesítő képe (rajzje-le) és karakterisztikája. Működése kétállapo-tú: záróirányban szakadás, egyébként rövid-zárként viselkedik. (Szürkével a tényleges ka-rakterisztikát ábrázoltuk.)

Félvezetők alkalmazástechnikája – Dióda Az ideális dióda helyettesítő képének nyitófeszültséggel való bővíté-sével kapható a dióda általános helyettesítő képe. Ez egy ideális dióda és a nyitófeszültséget reprezentáló feszültséggenerátor együttese (.26).

A generátor jelentése teljesen képies, mindössze a számolást egysze-rűsíti (önmagában nem hozhat létre áramot, mert nem egy valódi generátor-ról van szó). Feszültségének mérőiránya a diódán nyitóirányban eső feszült-ségével azonos, hiszen úgy is tekinthetjük, hogy a modell generátora olyan feszültséggel bír, melyet a külső feszültségnek meg kell haladnia ahhoz, hogy az ideális dióda kinyithasson.

A modellben azt feltételezzük, hogy a dióda a nyitófeszültség felett válik rövidzárrá, alatta pedig szakadás. Alkalmazásakor a valódi diódát annak helyettesítő képére cseréljük (2. ábra), majd a kapott kapcsolásban a szoká-sos módszerekkel számolunk tovább.

Az ideális dióda csak akkor nyit ki, ha anódja pozitívabbá válik, mint a katódja (Ud>UON), más esetben a diódán nem folyik áram. Tehát csak a dióda pozitív nyitófeszültsége esetén vagy a felett van értelme a példában számolni, alatta a kör szakadtnak tekinthető.

A modell még tovább pontosítható az üzemi helyettesítő kép be-vetésével, mely a grafikus megoldásnál is pontosabb lehet. Ehhez azonban egy további paraméter ismerete szükséges.

Egy szabadon választott munkapont igen kicsi (akár végtelenül kis) környezetéről mindig feltehető, hogy abban a görbe egyenessel közelíthető. Ebben a parányi tartományban a kis ∆U, ∆I értékek viszonylatában – azaz a kis megváltozások számára a diódát állandó ellenállással jellemezhetjük. Ezt a pontonként eltérő értékű ellenállást nevezzük dinamikus ellenállásnak (rd). Fogalma különösen jelentékeny váltakozó áramú viselkedés vizsgálata-kor, tranzisztorok esetében is.

Értékét a munkapont elegendően kicsi környezetével definiáljuk (az Ohm-törvény R=U/I összefüggése alapján):

∆∆

= →∆ IUr Ud 0lim (4.)

Tekintve, hogy a diódaegyenletet a fentebbi (1. képlet) I(U) alakban ismertük meg, a dinamikus ellenállás más formában is kifejezhető:

11

00 limlim−−

→∆→∆

∂∂

=

∆∆

=

∆∆

=d

dUUd U

IUI

IUr (5.)

azaz a dinamikus ellenállás a görbe meredekségének (deriváltjának) reciproka.

2. ábra. A modell használata, szemléltetése, polaritások viszonya

id

UON

Ug Ug + _ +

_

+ _

Ud

R R

U UON

I

id

UON

M M’

26. A dióda általános helyettesítő képe és karakterisztikája. Általános helyzetű munka-pontot feltételezve megfigyelhető a valós-(M) és a helyettesítő képpel számítható (M’) munkapontok eltérése. (Világos színnel a tényleges karakterisztikát jelöltük.)

27. Egy adott pont kis környezetének mere-dekségét jellemző feszültség- és áramdiffe-renciák felvétele.

Félvezetők alkalmazástechnikája – Dióda

Felhasználva az (1.) összefüggést:

1111111

−−−−

=

⋅

−⋅≈

⋅⋅=

∂∂

=T

d

T

UU

ST

UU

Sd

dd U

IU

eIU

eIUIr T

d

T

d

(6.)

azaz

d

Td I

Ur = (7.)

ahol UT a termikus feszültség. A (7.) eredmény igen fontos, azt fejezi ki, hogy a dióda dinamikus ellenállása egy adott pontban egy elméletileg megha-tározott konstans feszültség és az aktuális áram hányadosaként kiszámítható. Értéke a (7.) kifejezés alapján a görbe felső szakaszán néhány Ohm vagy kevesebb, míg a lezáráshoz közeledve végtelenné válik.)

Az üzemi helyettesítő kép az általános helyettesítő kép további pontosítása. A dióda munkapontja (M) – az alkalmazás elvárásainak megfe-lelően – általában a karakterisztika meredek, látszólag egyenesen felfutó sza-kaszán található. Nyilván, az ehhez tartozó üzemi feszültség (Ud) nagyobb lesz, mint a nyitófeszültség (UON). Míg az általános modell csak a nyitófe-szültséggel számolt valamennyi munkapont esetén, az üzemi helyettesítő kép a nyitófeszültség és a tényleges üzemi feszültség közötti kis eltérést (∆U) is figyelembe veszi.

A modell feltételezi, hogy nyitófeszültség alatt most sem folyik áram, felette azonban az üzemi áramot nulláról UON és UÜ között a feszültséggel egyenesen arányos módon (.29, kék szaggatott vonal mentén) éri el.

Ekkor a diódán eső feszültség:

ddONdONONONd IrUIrUIIUUUUU ⋅+=∆⋅+=∆⋅

∆∆

+=∆+= (8.)

alakba írható, ahol UON, rd is ismertnek tekinthető adatlap vagy korábbi mé-rések alapján. Mivel a diódán működés közben Id áram folyik, (8.) alapján az üzemi helyettesítő kép (.30), az általános modell a dinamikus ellenállással való kiegészítésével adódik. Nagyobb pontosság és a szükséges adatok isme-rete esetén használatos (3.ábra).

3. ábra. A modell használata, szemléltetése

Ug + _

Ud

id

UON Ug + _

+ _

rd Id

R

R

Fontos, hogy rd nem a dióda aktuális feszültségének és áramának hányadosa. Ha így számolunk, az origótól az M-ig húzott egyenes meredekségét határozzuk meg (.28, piros egyenes), nem pedig a görbe meredekségét M-ben (.28, kék egyenes)! Használható eredményre csak az utóbbi vezet a később tárgyalt válta-kozó viselkedést illetően.

28. rd a görbe meredeksége alapján számítha-tó M-ben. Kékkel a helyes-, pirossal a hely-telen (az aktuális feszültség és áram alapján számított) meredekséget ábrázoltuk.

29. A karakterisztika fontosabb mennyiségei az üzemi helyettesítő kép tárgyalásához.

U UON

I id

UON M M’

rd Id

30. A dióda üzemi helyettesítő képe és karak-terisztikája. A valódi (M) és számolt (M’) munkapontok a görbe felső szakaszán gyakor-latilag egybeesnek. (Világos színnel a tényle-ges karakterisztikát jelöltük.)

Félvezetők alkalmazástechnikája – Dióda

II.1.2. A dióda váltakozó áramú helyettesítő képe A dióda egyenáramú helyettesítő képe az egyenáramú munkaponti paraméterek meghatározására alkalmas, arra a kérdésre válaszolva, hogy az általunk várt működéshez a diódán mekkora egyenfeszültségnek kell esnie és mekkora egyenáramnak kell folynia (egy kiszemelt működési állapot elérésé-hez milyen időfüggetlen elektromos mennyiségek szükségesek).

Tegyük fel, hogy az eredetileg egyenáramú tápfeszültség (Ug), ami egy munkapontot állít be (pl. a .23-ban), most mégsem állandó (Ug’), tartal-maz valamilyen kis amplitúdójú váltakozó jelleget, jelet (ug). Például az ere-detileg stabil 5V most 4.5-5.5V között ingadozik.

Ez a viselkedés természetesen az áramkör valamennyi mennyiségére hatást gyakorol (Ud’, UR’, Id’), hiszen úgy is tekinthetjük, hogy időpillanaton-ként szemlélve más és más egyenfeszültségű tápot lát a hálózat.

Fontos, hogy az egyes mennyiségek a szuperpozíció elve alapján két függetlenül tárgyalható feszültségforrásból származó járulékként kezelhetők: az eredeti konstans (munkaponti) érték és az erre additívan „ülő” váltakozó rész (Ud’= Ud0+ ud, UR’= UR0+ uR, Id’= Id0+ id).

A későbbiekben is jelentékeny lesz, hogy a dióda a munkapontja kö-rül hogyan viselkedik ezzel az időfüggő komponenssel szemben. Ezt leg-könnyebben a váltakozó áramú helyettesítő kép segítségével vizsgálhat-juk meg.

Mivel a váltakozó rész nagysága többnyire kisebb, mint a munka-ponti mennyiségek, szokás ezt a képet kisjelű helyettesítő képnek, az ezzel végezhető számításokat pedig kisjelű vizsgálatnak is nevezni. (Hasonlóan az egyenáramú analízist is említhetjük nagyjelű vizsgálatként, a felhasznált közelítést pedig nagyjelű helyettesítő képként.)

Kisjelű helyettesítésnél az eredeti kapcsolást úgy rajzoljuk át, hogy benne csak a váltakozó mennyiségek, az áramköri elemek helyett pedig azok kisjelű helyettesítő képei szerepeljenek (pl. elég nagy kapacitású kondenzátor helyett rövidzár rajzolható). A kapott kapcsolást már a szokásos módszerek-kel kiértékelhetjük, azt szem előtt tartva, hogy eredményeink is váltakozó jellegűek, vagy arra vonatkozóak lesznek.

A kérdés az, hogy a dióda munkaponti feszültségének elemi megvál-tozása hogyan arányul az áram megváltozásához és ezt milyen egyszerűsítő képpel közelíthetjük.

Korábban rámutattunk (4.-7.), hogy a munkapont elegendően szűk környezetét lineárisan közelítve az áram- és a feszültségdifferenciák (a válta-kozó komponens árama- és feszültsége) között a dinamikus ellenállás teremt kapcsolatot. Ez egyben a dióda váltakozó áramú helyettesítő képe is (.33).

A diódán fellépő feszültségingadozás valójában magát a munkapontot mozgatja a görbén az eredetileg beállított hely körül. Ha ezt körültekintően választjuk meg, elérhető, hogy a munkaponti jellemzők kapcsolata nagyobb tartományon is lineárisként kezelhető legyen. Ha ez elvárás, a munkapontot a görbe felfutó, minél egyenesebb részére célszerű választani, a lehető legnagyobb szimmetrikus mozgástérrel, úgy, hogy a környezet minden pontja a biztonságos üzemeltetés határain belül maradjon (Pl. LED-es analóg jeladó esetén, a kisugárzott jel tor-zítása ekkor lesz minimális).

Ug’=Ug+ug

Id’

R UR’

Ud’

31. A munkaponti és váltakozó áramú meny-nyiségek felvétele.

32. A szuperpozíció elve alapján a kérdéses mennyiség egyenáramú- és váltakozó kompo-nensei független források járulékaiként te-kinthetők.

ug

id

R uR’

ud

rd

33. A fenti kapcsolás kisjelű helyettesítése. A generátor a váltakozó komponenst szolgáltat-ja, a diódát a dinamikus ellenállás váltja fel, az ellenállás pedig nem változik (árama és feszültsége között az Ohm törvény teljesül váltakozó áramú esetben is).

34. A váltakozó komponens tulajdonképpen a munkapontot mozgatja a görbén.

Félvezetők alkalmazástechnikája – Dióda

II.1.3. Gyakrabban használt diódatípusok A diódák többsége egyetlen p-n (PN) átmenetet tartalmaz, melynek tulajdonságait (szennyezéseinek anyagát, mértékét, eloszlását és geometriai kialakítását) specializálva számos típus alakítható ki. A katódot minden eset-ben megkülönböztetik, általában feltűnő színezetű sáv azonosítja.

Elterjedt a p-i-n (PIN) struktúra is, melyben a p és n rétegek közé egy vékony i-típusú réteget is elhelyeznek. Mivel az intrinszik kristályszerke-zet valójában szigetelő, a művelettel kiürítési réteget szélesítik ki, így a dió-daműködés is magasabb feszültségek mellett valósul meg (magas (~10kV) feszültségű egyenirányítók). A nagyobb sebességű töltéshordozók nagyobb működési sebességet biztosítanak, így a struktúra nagyfrekvenciás és optoelektronikai alkalmazásai is jelentősek.

Egyenirányító- vagy teljesítménydióda (rectifying- or power diode). Tápegységekben, váltakozó feszültség egyenfeszültséggé alakítása során használatos. Rövid ideig (impulzus üzemben) nagy áramokat is elvisel. Általában szilíciumalapú, a feléledési idő (recovery time) - azaz annak az időnek a hossza, amíg a dióda egyik stabil (záró- vagy nyitó-) állapotából a másikba jut – ennél a típusnál hosszabb (10-100 ns). Nagyobb teljesítmé-nyek (>50 A) esetén fémtokot és menetes csatlakozóaljzatot használnak. A fém borítás a melegedést, a menetes csatlakozási felület pedig a kontaktus ellenállását csökkenti. Jelölése a diódák általános jelölésével egyező.

Nagyfrekvenciás kapcsolódióda (switching diode). Nagy sebes-ségű kapcsolási- és kis feléledési idő (10-100 ps) jellemzi. Leginkább rádió-frekvenciás jelek egyenirányítására és kisteljesítményű jelformáló alkalmazá-sokban gyakori. Alacsony áramot képes elviselni, de létezik nagyfeszültségű kivitelben is. Jelölése a diódák általános jelölésével azonos.

Kapacitásdióda/varaktor/varikap (capacity diode/varactor/-varicap). Záróirányban előfeszítve használják. A kiürített réteg üres, a ki-sebbségi töltéshordozók a kristály anód és katód megfelelő térfelére szepará-lódnak (.15). Ennek a kondenzátorhoz hasonló struktúrának feszültséggel szabályozható – többnyire hiperbolikus skálán - a kapacitása 0.1-100pF tar-tományban. TV, URH (50-500 MHz-es rezgőkörök) hangolására használják.

Zener diódák (Zener diode). Olyan különleges diódák, melyek a letörési tartományban is (.20) károsodás nélkül használhatók a záróirányú áram megfelelő korlátozása mellett. A letörési tartomány rendkívüli meredeksége az áram nagyobb meg-változásához alig mérhető feszültségváltozást rendel, azaz itt a dióda képes akár ugrásszerűen megnövekedett áramot is úgy elvezetni, hogy a dióda feszültsége alig változik. Emiatt kiválóan alkalmas feszültségstabilizáló és -korlátozó kapcsolások létrehozására. A letörési tartományt párhuzamosan véletlenszerű folyamatok is jellemzik (lavina effektus, erős szennyezések elektrosztatikus emissziója), emiatt a Zener dióda kis mértékű elektronikus zajt is megjelenít, sőt, megfe-lelő kapcsolásban akár zajgenerátorként is használható. Ha ez nem kívána-tos, a jel spektrumának utólagos szűréséről gondoskodni kell (pl. kondenzá-toros „hidegítés”).

35. Diódák gyakori kereskedelmi kiszerelése.

36. Egyenirányító és teljesítménydiódák.

37. Kapcsolódiódák hagyományos és SMD kivitelben.

38. Kapacitásdióda SMD és hagyományos tokozással. Középütt a két diódát is tartalma-zó „duál” kiszerelés látható (3 lábbal).

39. Zener diódák. Nagyobb teljesítmények esetén itt is jellemző a fémtokozás és menetes csatlakozási lehetőség.

Félvezetők alkalmazástechnikája – Dióda

Alagútdióda (tunnel diode). Túladalékolt p-n rétegeket tartalmaz, melyek esetén átlapolódnak az egyes oldalakra jellemző energiasávok. Az erős szennyezés az átmenet körüli kiürített réteget elvékonyítja, ahol nagy potenciállépcső épül fel.

A nagy térerő külső feszültség nélkül létrehozza a Zener-effektust. A kialakuló áramot azonban egy különös ellentétes áramösszetevő egyenlíti ki. A szűk kiürítési rétegen keresztül a kvantummechanikából ismert alagút effektus (véges valószínűséggel energetikailag kevésbé várható események is bekövetkezhetnek) az n-oldal elektronokkal betöltött vezetési sávjából képes egyeseket a p-oldal sávjának hasonló energiájú, „üres” állapotaiba juttatni, így az oldalak között töltéshordozókat cserélni. A dióda nyitóirányú karakte-risztikája emiatt rendhagyó, olyan szakasszal is rendelkezik, amihez negatív dinamikus ellenállás rendelhető(!). Ez a tartomány erősítésre, több 10 GHz-es rezgések, gyors kapcsolások (ps) megvalósítására használható.

Schottky dióda (Schottky diode). Speciális belső felépítésű, fém-félvezető átmenetet tartalmazó, Ge alapú eszköz. Tulajdonságaiban az ideális diódát leginkább megvalósító típus. Szivárgó árama és feléledési ideje elhanyagolható (egyes típusok több GHz-ig használhatók), így a késlelte-tésből származó torzítás sem jelentős. Nyitófeszültsége 0.3-0.4V, digitális áramkörökben integrált formában nagyon elterjedt, de szokásos tokozással és SMD kiszerelésben is kapható.

Fotodióda (photodiode). Záróirányú előfeszítés mellett használha-tók. Leggyakrabban PIN (p-i-n) vagy APD (Avalanche Photo Diode – La-vina fotodiódák) szerkezettel rendelkeznek.

A PIN diódákban az i-réteget a felszínhez közel, azzal párhuzamo-san valósítják meg, olyan anyagszerkezeti tulajdonságokkal, mely fény hatá-sára párkeltésre képes. A beékelt réteggel a kiürítési zónát terjesztik ki, amely így nagy előfeszítés mellett gyors töltéshordozókat tartalmaz és rövid kap-csolási időt biztosít. Fényhatás nélkül a záróirányú feszültség a diódát zárva tartja. Ha az átmenetbe fotonok érkeznek és nyelődnek el, a generált töltés-hordozók a megfelelő polaritások felé vándorolnak, fotoáramot hozva létre (a dióda vezetni kezd). A dióda vezetőképességét végeredményben az i-réteg fényelektromos tulajdonságai határozzák meg. Esetenként az átmenetet úgy is kialakíthatják, hogy az fényelemként használható.

Az APD diódákat a letörési tartományban, a lavina effektust kihasz-nálva alkalmazzák. A kiürített réteg kiterjesztését itt nem újabb réteggel, hanem még nagyobb záróirányú feszültséggel érik el. A folyamat megfutását az aránytalan mértékben felszaporodott töltések limitálják, lecsökkentve azt a szabad úthosszt, melyen a párkeltéshez elegendő gyorsulás megvalósulhat-na. Mivel akár egyetlen elektron is végállapotba billenthet bizonyos típuso-kat (Egyfoton lavina dióda vagy SPAD – Single Photon Avalanche Diode), így igen gyenge jelek detektálására alkalmas. Az APD emiatt inkább a fény jelenlétének detektálására, mindsem teljesítményének mérésére hasz-nálható.

Erősen nemlineáris, mert amíg pl. a PIN dióda jele a beesett fotonok számával jól arányosítható, addig a lavina diódák önerősítése jóval nagyobb áramot eredményez, mint amennyi a beeső fotonok számából következne (jelek detektálásakor ennél a típusnál utóerősítőre általában nincs is szük-ség). Emellett működése a lavina effektus révén erősen hőmérsékletfüggő és bizonyos sztochasztikus elektromos zajjal is terhelt.

40. Alagútdióda és karakterisztikája.

41. Schottky diódák és szerkezetük.

42. PIN fotodiódák. A sötét epoxi ház általá-ban az infravörös (IR) fotodiódákat jellemzi. A jobbra látható (három lábú) fotodióda integrált vevőáramkört is tartalmaz.

43. Az APD fotodióda felépítése. A kiürítési réteg kiterjesztését a speciális geometria és a magas záróirányú előfeszítés teszi lehetővé.

Félvezetők alkalmazástechnikája – Dióda

A termikus hatásokat azonos tokba szerelt (és így azonos hőmérsék-letű) diódával szabályozzák, de a tok is rendelkezhet külön hőszabályzó rendszerrel. Feléledési ideje gyors, 20-50 ps. Felhasználási területe a foto-elektron-sokszorozókéhoz (photomultiplayer) hasonló, bár rövid fényim-pulzusok (<10 ns) esetén az utóbbiak hatékonyabbak.

A PIN és az APD azonos sebességű eszközök, alapvető különbséget az érzékenység és a stabil munkapont létezésének kapcsán tehetünk. Az APD nagyon gyenge jeleket képes detektálni, de analóg jelátvitelre - szem-ben a PIN szerkezettel - nem alkalmas.

LED-ek (Light Emitting Diode). A fotodiódák inverz működését valósítják meg. A rekombinációs folyamatok során felszabaduló energia egy része itt elektromágneses sugárzás formájában jön létre. Manapság már szin-te a teljes spektrumot, a mikrométeres (infravörös) tartománytól egészen a „fekete fény”-ig, azaz nagyjából 300 nm–ig kb. 10-20 nm közökkel lefedő LED-ek kaphatók.

Bizonyos színeket ritka, vagy bonyolult reakciókapcsolatok idéznek elő, emiatt ezek ára esetenként kiugróan magas lehet (pl. bizonyos UV LED-ek). A szennyezésre jellemző annak elektronszerkezete, így azt ger-jesztve az anyag szűk sávszélességgel jórészt egy hullámhosszon sugároz. Ezért volt érdekes az első fehér színű LED-ek megjelenése, melyek a látható tartomány minden hullámhosszán sugároznak.

Valójában ezek olyan ultraibolya LED-ek, melyek a fénycsövek elvét követve a gerjesztett foszfor spektrumát használják a látható tartomány le-fedésére. A (.46) a foszfor alapú fehér LED spektrumát mutatja. Balról a rövidhullámú alapműködésnek megfelelő csúcs, jobbról a foszforeszkálás vonulata olvad össze. Tökéletes fehér fény esetén a spektrum burkolója vízszintes egyenes lenne. A valóság tehát messze esik az ideális esettől, ezt néhány alkalmazás tervezésekor nem árt figyelembe venni.

A hagyományos LED-ek, két lábbal rendelkeznek, ezek közül a hosszabb láb az anód, tehát a normál működéshez ennek kell pozitívabbnak lennie.

A LED belsejében ez a két elektróda két, üllőhöz hasonló fém alkat-részen keresztül csatlakozik a félvezető lapkához (.46). Ezek közül a kiseb-bik tartozik a hosszabbik lábhoz. Érdemes erre emlékezni, ha a LED lábait korábban valami okból eltérő hosszúra már levágtuk.

A félvezető lapkát epoxi burkolat veszi körül, melynek jellege lehet opálos és teljesen víztiszta is. Törésmutatója és geometriája a belső visszave-rődések révén az elvárt sugárzási térszögre van optimalizálva, így az ered-mény jelentősen módosulhat más közegben (pl. víz alatt, másik műanyagba öntve, stb).

A kétszínű LED valójában két félvezető lapkát tartalmaz, ezek közül vagy az egyik, vagy a másik aktív, attól függően, hogy a közös földponthoz képest melyik oldal lába pozitívabb (3 lábbal rendelkezik).

Az RGB (Red-Green-Blue) LED-ek a három alapszínt egyszerre ké-pesek megjeleníteni, így a szem számára tetszőleges színérzet kikeverhető. Négy és hat lábú kivitelben létezik, aszerint hogy az egyes színek feszültsé-geit a közös földponthoz értjük, vagy egymástól függetlenül kezeljük.

A szórakoztatóiparban és irodatechnikában terjedtek el a nagytelje-sítményű világító LED-ek, melyek fényerőssége akár a 10000 cd-t is elérheti (ennyi gyertya fénye egyetlen pontban). Hűtésükről gondoskodni kell.

44. Az APD diódák néhány gyakoribb alakja.

45. Hagyományos LED-ek

46. A foszfor alapú fehér LED spektruma.

+ _

47. A közönséges LED felépítése.

48. Balra kétszínű-, fent és jobbra RGB-LED, középen nagyteljesítményű (3W-os RGB) LED látható.

Félvezetők alkalmazástechnikája – Dióda

Lézerdióda (laser diode) A LED-ekhez hasonló működésű, több-rétegű félvezető struktúra, mely a lézerműködéshez szükséges optikai visz-szacsatolást is tartalmazza. Karakterisztikája teljesen kapcsoló jellegű, olyan meredek, hogy a dióda termikus hatásai ellehetetlenítik a stabil munkapont beállítását. Kizárólag áramgenerátoros, hőkompenzált tápáramkörrel mű-ködtethető. Ezt a többnyire kis méretű, SMD kiszerelésű vezérlő áramkört (laser diode driver) néha hozzáépítik a diódához, de külön is megvásárolha-tó. Mindig érdemes a ’driver’-t illetően a forgalmazó javaslatát kérni az adott típushoz és teljesítményhez. A dióda önmagában még széttartó lézerfényt bocsát ki, ezért megfelelő optikával (lencsével) is el kell látni. Ekkor dióda-modulról beszélünk.

Az ipari félvezető lézerek teljesítménye a több 10 KW-ot is megha-ladhatja, ám az emberi szemre már 5 mW tartós besugárzás is káros. Ezért különösen veszélyesek a nem látható tartományok sugarai, melyeket főként vágásra- (infravörös), ill. felületek mikroszkopikus megmunkálására (ultra-ibolya) használnak!

Az alábbi táblázat tájékoztató jelleggel ad áttekintést a teljesítmények nagyságát illetően (~1.2mm nyalábátmérő, ~1.2 mrad/m divergencia és 532 nm látható (zöld) hullámhossz esetén. A szem érzékenysége közelítőleg erre maximális, így más hullámhosszak láthatósága az alább leírtaktól eltérhet!).

mW W kW 5 25 50 75 100 0.2 0.5 1 10 100 >1 Látható lézerfolt • • • • • • • • • • • Ködben látható nyaláb • • • • • • • • • • • Éjszaka látható nyaláb • • • • • • • • • • ~25 km-re világít • • • • • • • • • • Lámpafénynél látható nyaláb • • • • • • • • • Hőérzet a bőrön • • • • • • • • ~75 km-re világít • • • • • • • • Meggyújtja a gyufát • • • • • • • Fekete léggömböt kidurrant • • • • • • • Fekete műanyagot megolvaszt • • • • • • ~ 120 km-re világít • • • • • • Meggyújtja a cigarettát • • • • • Fehér papírt megégeti • • • • Vékony plexi, falemezek vágása • • • Plexi, fa, vékony fémlemezek • • Fémek vágása, ipari robotok •

A lézertechnológiában az elérhető színek korlátozottak és a rövid-

hullámú tartomány felé (zöld, kék, UV) egyre ritkábbak. Az ilyen színű fél-vezető lézerek többsége másodlagos rezonáns kört tartalmaz, amelyben a könnyen elérhető nagyteljesítményű infravörös diódalézer fényét egy nemli-neáris frekvenciatöbbszöröző kristály konvertálja rövidebb hullámhosszra, kb. 10% hatásfokkal. A fennmaradó teljesítmény a kimenő fény megszűrése révén a tokban marad, emiatt a megfelelő hűtésről gondoskodni kell (pl. hűtőborda). A szűretlen fény különösen veszélyes!

Esetenként a konverzió csak rövid, de nagy energialöketek mellett, impulzus üzemben képes megvalósulni, így lehetséges, hogy a kimenő fény nem folytonos hullámú (Continuous Wave, CW), hanem szaggatott (Pulsed Wave, PW). A szükséges elektronikát a diódamodulok tartalmazzák.

1. táblázat. Teljesítmények áttekintése (532 nm)

50. Lézerdióda, vezérlővel ellátott dióda, és lézerdióda modul.

51. A fény látható tartománya. A hullámhossz nm-ben értendő.

52. Nemlineáris, frekvenciatöbbszöröző kris-tályok.

49. A lézerdióda felépítése.

Félvezetők alkalmazástechnikája – Dióda II.2. Diódák alkalmazásai Az üzemjelző LED-ek (hűtő, tv, stb.), a mobiltelefontöltők-, tápegy-ségek egyenirányító diódái, feszültségstabilizátorai, vágókapcsolásai ismeret-lenül is mindennapjaink szerves részei. A diódák használatát, működésének mélyebb megértését egyszerű alkalmazásokon, példákon keresztül mutatjuk be, érintve a diódás egyenirányító-, vágó- és feszültségstabilizáló alkalmazá-sokat.

II.2.1. LED-ek használata Jelzőfények. Egy alkalmazás állapotának optikai megjelenítésére a LED kiválóan alkalmas. Kis méret (12-, 5-, 3mm átmérő vagy SMD), kis fogyasztás (üzemi áram <20 mA) és hosszú élettartam (>20000h) jellemzi. Bekötése egyszerű, kevés újabb alkatrészt igényel.

Legyen adott egy alkalmazás két olyan kivezetése, ahová a diódát kötni szeretnénk. Az is feltehető, hogy az általunk elvárt működési tarto-mányban a kivezetések között polaritáshelyes, a nyitófeszültéget meghaladó potenciálkülönbség van jelen.

Mivel bármilyen, egy másik hálózathoz mindössze két ponton csat-lakozó elektromos hálózat helyettesíthető egy feszültséggenerátorral és egy vele sorosan kötött (kimeneti) ellenállással (Thevenin tétele), a hálózatot, amihez a diódát kötni akarjuk, elég csak ezen keresztül figyelembe venni, függetlenül annak bonyolultságától, belső felépítésétől (.52).

ELEKTROMOS HÁLÓZAT