ELEKTRONIKAELEMENTY PÓŁPRZEWODNIKOWE

1

DIODY

2

DIODA PÓŁPRZEWODNIKOWA

• Dioda to element wykorzystujący złącze pn, umieszczony w obudowie z wyprowadzeniami

• Parametry diody są konsekwencją

wykorzystania

złącza pn

Symbol diody

3

DZIAŁANIE DIODY (IDEALNE)

• Idealną diodę można sobie wyobrazić jako łącznik lub zawór zwrotny

• Przy polaryzacji w kierunku przewodzenia (napięcie anody wyższe niż katody)

łącznik jest zamknięty / zawór jest otwarty /

prąd płynie

• Przy polaryzacji w kierunku zaporowym (napięcie anody wyższe niż katody)

łącznik jest otwarty / zawór jest

zamknięty / prąd nie płynie

4

DZIAŁANIE DIODY (RZECZYWISTE)

• W kierunku przewodzenia

• Dioda zaczyna przewodzić, gdy napięcie przekroczy wartość progową (kneevoltage)

• Występuje spadek napięcia na diodzie zależny od prądu –można go odczytać z charakterystyki,

najczęściej przyjmuje się 0,7V

dla diody krzemowej

• Występują straty mocy P=UI

• W kierunku zaporowym

• Płynie prąd wsteczny rzędu µA

• Straty mocy są znikome

• Przekroczenie maksymalnego napięcia wstecznego skutkuje przebiciem diody

5

POJEMNOŚĆ DIODY

• Rozważmy diodę spolaryzowaną zaporowo

• Warstwa zubożona złącza pn jest izolatorem umieszczonym między

dwoma przewodnikami

(domieszkowane warstwy p i n)

• Jest to kondensator

• W momencie zmiany polaryzacji i przejścia w stan przewodzenie

musi popłynąć prąd rozładowujący

pojemność

6

WPŁYW TEMPERATURY

• Przy stałym prądzie diody spadek napięcia na przewodzącej diodzie zmniejsza się o ok 2mV na każdy °C

• Nagrzana dioda ma mniejszy spadek napięcia, więc mniejsze straty mocy!

• Ze wzrostem temperatury rośnie prąd wsteczny (generacja termiczna nośników)

7

OZNACZENIA DIOD

• Złącze od strony warstwy pnazywane jest anodą (anode)

• Złącze od strony warstwy nnazywane jest katodą (cathode)

• Przepływ prądu możliwy jestod anody do katody (A›K)

• Na rzeczywistej diodziepasek oznacza katodę

8

PARAMETRY DIOD I

• Maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne (max. repetitive reverse voltage) VRRM [V]

• Napięcie w kierunku zaporowym, które w sposób okresowy może występować na diodzie

• Maksymalne ciągłe napięcie wsteczne (max. DC reverse voltage) VR or VDC [V]

• Napięcie w kierunku zaporowym, które w sposób ciągły może występować na diodzie.

• Maksymalne napięcie w kierunku przewodzenia (max. forward voltage) VF [V]

• Spadek napięcia na przewodzącej diodzie, zazwyczaj podany dla prądu znamionowego

• Maksymalny (średni) prąd diody (max (average) forward current) IF(AV ) [A]

• Wartość średnia prądu diody osiągalna w sposób ciągły. Ograniczona jest głównie możliwością odprowadzenia ciepła wynikającego ze strat mocy

• Maksymalny prąd udarowy diody (max. peak/surge forward current) IFSM [A]

• Wartość prądu diody osiągalna w pojedynczym impulsie.Zazwyczaj dużo większa od prądu ciągłego ze względu na pojemność cieplną diody

9

PARAMETRY DIOD II

• Maksymalna moc (max. total dissipation) PD [W]• Maksymalne straty mocy, które dioda może odprowadzić w postaci ciepła do

otoczenia

• Temperatura pracy złącza (operating junction temperaturę) TJ [°C]• Maksymalna temperatura, w jakiej może pracować złącze pn, aby dida

zachowała swoje właściwości oraz żywotność

• Rezystancja termiczna (thermal resistance) R(T) [°C/W]• Różnica temperatur złącza i obudowy diody przy danej mocy strat

• Maksymalny prąd wsteczny (max. reverse (leakage) current) IR [µA]

• Prąd wsteczny płynący przez diodę po przyłożeniu maksymalnego napięcia (VDC)

• Pojemność złącza (typical junction capacitance) CJ [pF]

• Typowa pojemność złącza, zazwyczaj rzędu pF

• Czas odzyskiwania własności zaporowych (reverse recovery time) trr [µs]

• Czas potrzebny , aby dioda zaczęła blokować po zmianie polaryzacji. Dla diod prostowniczych rzędu µs, dla diod szybkich rzędu ns

10

DIODY SCHOTTKY

• Złącze metal-półprzewodnik (m-s metal semiconductor)

• Wyjątkowo mała pojemność złącza

• Bardzo mały czas odzyskiwania zdolności zaporowych

• Niższy spadek napięcia w kierunku przewodzenia

• Niższe napięcia przebicia

• Używane w aplikacjachwysokoczęstotliwościowych

Symbol diody

Schottky11

PORÓWNANIE DIOD PN I SCHOTTKY

12

DIODY W PRAKTYCE

• Przykładowa karta katalogowa diody

• Typowe obudowy diod

13

MODELE DIOD

Rzeczywisty Idealny Uproszczony Przedziałami liniowy

Odzwierciedla

równanie Shockley’a

Zerowy prąd wsteczny i

zerowy spadek napięciaUwzględnia spadek

napięcia

Liniowa aproksymacja

nachylenia ch-ki

W analizie obwodów stosuje się najczęściej model uproszczony,

w symulacji komputerowej – model z rezystancją (PSIM) lub rzeczywisty (PSPICE)14

PRZYKŁAD ANALIZY

• Model idealny

• Model uproszczony

• Błąd względny

mAkk

V

RR

VI

VVVV

VVV

R

SS

SRR

DD

03.38.15.1

10

10

0

21

21

21

=+

=+

=

==+

==

mAk

VV

RR

VVI

VVVV

VVVVV

VVV

SS

SRR

DRDRS

DD

61.23.3

4.1104.1

4.1

7.0

21

21

2211

21

=

−=

+

−=

−=+

+++=

==

%1.16%10061.2

03.361.2% =

−=

Przyjęcie modelu idealnego może

prowadzić do dużych błędów! 15

TESTOWANIE DIODY

• Tryb pomiaru rezystancji

• Spolaryzowana w kierunku przewodzenia powinna wykazać rezystancję 1MΩ

lub poza zakresem

• Tryb testowania diod/ciągłości obwodu

• Spolaryzowana w kierunku przewodzenia powinna wykazać spadek napięcia ok 0,7V

• Spolaryzowana zaporowo powinna wykazać

nieciągłość obwodu

16

BADANIE CHARAKTERYSTYKI DIODY

• Połącz szeregowo diodę i rezystor

• Podłącz generator funkcyjny

• Ustaw oscyloskop w tryb XY

• Kanał X pokazuje napięcie na diodzie

• Kanał Y pokazuje spadek napięcia na rezystorze (proporcjonalny do prądu); należy go odwrócić, ponieważ napięcie ma przeciwny zwrot

17

DIODA ZENERA

18

DIODA ZENERA

• Wykorzystuje zjawisko (przebicie) Zenera

• Pracuje przy napięciach wstecznych

• Napięcie przebicia charakteryzuje się dużą stałością i w niewielkim stopniu zależy od prądu wstecznego

• Napięcie Zenera jest rzędu kilku – kilkudziesięciu V

Symbole diody Zenera

Preferowany

Inne

19

PARAMETRY DIOD ZENERA

• Napięcie zenera VZ podawane dla określonej wartości prądu testowego IZT (najczęściej 20mA)

• Maksymalna moc diody PD(max), z której wynika maksymalny prąd

• Impedancja dynamiczna określana jako

• Model diody Zenera musi uwzględniać przebicie!

Z

D

ZMV

PI

(max)=

==

= 28

mA2

mV56

Z

ZZ

I

VZ

VZ

20

STABILIZATOR NAPIĘCIA

• Diody Zenera wykorzystywane są najczęściej jako źródła napięcia odniesienia o niemal stałej wartości

• Układ połączony, jak na rysunku zasilany jest napięciem V, którego wartość może się zmieniać, prąd ograniczony jest przez rezystor,

wyjściem układu jest napięcie diody

• Jeśli napięcie wejściowe V jest mniejsze od napięcia Zenera VZdioda nie przewodzi i nie stabilizuje napięcia

• Jeśli V>VZ dochodzi do przebicia diody:

• wtedy V0≈VZ

• przez diodę płynie prąd I = 𝑉−𝑉𝑧𝑅

• Na diodzie wydziela się moc P = 𝐼𝑉𝑧

• Rezystor ogranicza prąd diody izapobiega jej przegrzaniu!

V= V0 +RI

21

ANALIZA GRAFICZNA

• Przy zmianie napięcia wejściowego przesuwa się krzywa obciążenia

• Punkt pracy przesuwa się na charakterystyce diody

• Stabilność napięcia wyjściowego zależy od nachylenia charakterystyki, a więc rezystancji dynamicznej diody

22

ŹRÓDŁO NAPIĘCIA ODNIESIENIA

• Prosty układ z diodą Zenera stabilizuje napięcie wyjściowe

• Warunkiem jest, aby napięcie wejściowe było większe od napięcia Zenera

• Jeśli wyjście pobiera prąd to musi być uwzględniony spadek napięcia na R oraz zmieniony rozpływ prądów w układzie

• W układzie występują straty mocyna diodzie i rezystorze

zależne od napięcia wejściowego

i prądu wyjściowego

• Ze względu na niską sprawność i zależność od prądu wyjściowego układ

NIE jest stosowany jako źródło zasilania

a jedynie jako napięcie odniesienia

23

OGRANICZANIE SYGNAŁU

24

WYCINANIE SYGNAŁU I

• Wykorzystując diody można zmieniać przebieg napięcia

• Dioda może zostać włączona w szeregowo, bądź równolegle

• Dla ograniczników szeregowych:

• Dioda przewodzi w wybranym kierunku, „wycinając” jedną półfalę napięcia

• Napięcie pozostałej pólfali jest pomniejszone o spadek napięcia na diodzie

25

WYCINANIE SYGNAŁU II

• Dioda może także zostać włączona równolegle

• Problem – dioda spolaryzowana w kierunku przewodzenia

może powodować zwarcie źródła

• Dodajemy szeregowo rezystor, gdy dioda nie przewodzi tworzy się dzielnik napięcia

• Napięcie wyjściowe „wyciętej” półfali jest równe spadkowi napięcia na diodzie

26

OGRANICZANIE SYGNAŁU I

• Ograniczane napięcia do innych poziomów można uzyskać przez dołączenie szeregowo z diodą źródła napięcia, także o regulowanej wartości

• Można także ograniczyć obie półfale napięcia łącząc równolegle diody

27

OGRANICZANIE SYGNAŁU II

• Rolę źródeł napięcia o wartości innej, niż 0,7V mogą pełnić diody Zenera

• Pojedyncza dioda ograniczy sygnał do 0,7V w jednym kierunku, a w przeciwnym do napięcia Zenera

• Diody Zenera można łączyć szeregowo – jedna z nich będzie spolaryzowana w kierunku przewodzenia ograniczając napięcie symetrycznie do wartości Vz+0,7V

28

CHARAKTERYSTYKI OGRANICZNIKÓW

29

OGRANICZNIKI PRZEPIĘĆ

• Skuteczne układy zabezpieczające przed przepięciami:

• Muszą pochłaniać dużą energię w pojedynczym impulsie

• Muszą być bardzo szybkie aby wyeliminować krótkie impulsy

• W zależności od zastosowania mogą to być diody Zenera lub transile

• Transil (TVS - transient voltage supressor) jest specjalizowaną diodą dwukierunkową służącą do ochrony przed przepięciami o bardzo wysokiej

zdolności pochłaniania impulsów

• Przykład zabezpieczenia obwodu:Symbole transila

30

WARYSTORY

• Innym sposobem zabezpieczenia przed przepięciami jest zastosowanie warystorów

• Warystor jest nieliniowym rezystorem

• Produkowany jest ze sproszkowanych tlenków metali, najczęściej ZnO

• Po przekroczeniu progowej wartości napięcia jego rezystancja drastycznie maleje

• W porównaniu do transila warystor:

• Ma dłuższy czas zadziałania

• Może przejąć większą energię

Symbol warystora

31

ZABEZPIECZENIA PRZECIWPRZEPIĘCIOWE

• Przykład 1 – zabezpieczenie układu przed wystąpieniem przepięć

(-0,7V ÷ +5,7V)

z użyciem standardowych diod

• Przykład 2 – zabezpieczenie układu scalonego przed wyładowaniami

elektrostatycznymi

• Przykład 3 – ochrona przepięciowa zasilania 230V

32

ZMIANA POZIOMU SYGNAŁU

33

KONDENSATOR I STAŁA CZASOWA

• Rozważmy obwód RC ze źródłemnapięcia stałego i łącznikiem

• Po zamknięciu łącznika kondensator ładuje się do napięcia Vs według

krzywej wykładniczej 𝑉𝑐 = 𝑉𝑠(1 − 𝑒−𝑡

𝜏 )

o stałej czasowej τ = 𝑅𝐶

• Po otwarciu łącznika następuje rozładowanie kondensatora według

krzywej 𝑉𝑐 = 𝑉𝑠(−𝑒−𝑡

𝜏 )

• Po 0.7τ kondensator osiąga 50% wartości ustalonej,

a po 4τ 99% wartości ustalonej

34

PRZYKŁAD STAŁYCH CZASOWYCH

• Przykład:C1=10µF

RD1=10Ω

RL=100kΩ

• Napięcie na wejściu dodatnie – kondensator ładuje się przez rezystancję diody RD, stała czasowa 𝜏1 = 100𝜇𝑠

• Napięcie na wejściu ujemne – kondensator rozładowuje się przez rezystancję obciążenia RL, stała czasowa 𝜏2 = 1𝑠

• Kondensator ładuje się znacznie szybciej, niż rozładowuje (𝜏1≫ 𝜏2)

• Różnicę stałych czasowych można wykorzystać do przetwarzania sygnału

35

ZMIANA SKŁADOWEJ STAŁEJ SYGNAŁU

• W pierwszej ujemnej półfali kondensator ładuje się przez diodę do wartości szczytowej pomniejszonej o spadek na diodzie

• W dodatniej półlfali kondensator może rozładować się tylko przez RL, jego napięcie pozostaje w przybliżeniu stałe i dodaje się do napięcia wyjściowego

• W rezultacie napięcie wyjściowe jest przesunięte o składową stałą

• Odwracając polaryzację

diody możemy

przesunąć sygnał

„w dół”

36

WYKRYWANIE WARTOŚCI SZCZYTOWEJ

• W pierwszej półfali napięcia wejściowego Vskondensator ładuje się przez znikomą

rezystancję diody

• Kondensator rozładowuje się przez rezystancję obciążenia, której stała czasowa

zależy od rezystancji obciążenia

• Przy braku obciążenia kondensator pozostaje naładowany i napięcie wyjściowe

jest równe wartości szczytowej napięcia

wejściowego

• Dołączenie rezystora na wyjściu nie wpłynie znacząco na napięcie kondensatora dopóki

stała czasowa ≫ okres napięcia wejściowego

37

WYKRYWANIE AMPLITUDY

• Układ używany do demodulacji amplitudy sygnału (np. fal radiowych AM)

• Wejście jest sygnałem o stałej częstotliwości, dużo większej, niż przenoszony sygnał (fala nośna) i modulowanej amplitudzie proporcjonalnej do przesyłanego sygnału (radio

na falach rzędu MHz przenosi sygnał

PODWAJANIE NAPIĘCIA I

• Jednopulsowy podwajacz napięcia

• Pierwsza (ujemna) półfala – C1 ładuje się do wartości szczytowej

• Druga (dodatnia) półfala – C2 ładuje się do wartości szczytowej powiększonej o napięcie na C1

• Napięcie wyjściowe jest równe podwójnej

wartości szczytowej

napięcia wejściowego

pomniejszonej o spadki

napięcia na diodach

39

PODWAJANIE NAPIĘCIA II

• Dwupulsowy podwajacz napięcia

• Dodatnia półfala – kondensator C1ładuje się do wartości szczytowej

• Ujemna półfala - kondensator C2ładuje się do wartości szczytowej

• Napięcie na kondensatorze C3jest sumą napięć na C1 i C2

• Napięcie wyjściowe jest równe podwójnej

wartości szczytowej

napięcia wejściowego

pomniejszonej o spadki

napięcia na diodach

40

ZWIELOKROTNIANIE NAPIĘCIA

• Potrajacz napięcia (z prawej)

• Zwielokratniacz x4 (u dołu)

41

PODSUMOWANIE

• Za pomocą diod można:

• Odtworzyć amplitudę sygnału

• Przesunąć sygnał o składową stałą

• Zwielokrotnić napięcie

42

PROSTOWNIKI

43

PROSTOWNIKI DIODOWE

• Bardzo ważne zastosowanie diod

• Przetwarzanie energii elektrycznej

• Więcej w części „Energoelektronika”

44

DIODY LED I OGNIWA FOTOWOLTAICZNE

45

ZASTOSOWANIA FOTONICZNE

• Zastosowania fotoniczne półprzewodników obejmują

• Detekcję promieniowania (fotodioda)

• Emisję promieniowania (dioda LED)

• Generację energii elektrycznej (ogniwo fotowoltaiczne)

46

FOTODIODA

• Ruch nośników mniejszościowych przy polaryzacji zaporowej

• Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne – fotony są absorbowane, ich energia przenosi elektrony do pasma przewodnictwa

• Wartość prądu jestliniowo proporcjonalna

do strumienia świetlnego

• Złącze musi byćspolaryzowane

zaporowo!

Symbol fotodiody

47

DIODA ELEKTROLUMINESCENCYJNA

• LED – light-emitting diode

• Wykorzystuje zjawisko elektroluminescencji –podczas rekombinacji nośników w złączu pn

elektron oddaje energię w postaci fotonu

• Barwa (długość fali) zależy od rodzaju zastosowanego półprzewodnika (fosforek galu, arsenek galu, azotek galu)

• Natężenie promieniowania jest proporcjonalne do wartości prądu w kierunku przewodzenia

Symbol diody LED

48

BUDOWA DIODY LED

• Złącze pn jest zamknięte w obudowie z wyprowadzeniami (krótsza nóżka to katoda)

• Diody dwukolorowe to dwa złącza pno przeciwnej polaryzacji umieszczone

w jednej obudowie. Barwa światła zależy

od polaryzacji napięcia zasilającego

49

DOBÓR REZYSTORA DIODY LED

• Diody są zazwyczaj projektowane na prąd ok 20mA

• Przy danej wartości napięcia zasilającego Vout, spadku napięcia na diodzie VF

i prądzie znamionowym IF

należy dobrać rezystor szeregowy

( )

( )

1.8...2.0

20

8

8 1.8310

20

F

F

out pk

out pk F

S

F

V V

I mA

V V

V V V VR

I mA

=

=

=

− −= = =

50

ZASTOSOWANIA LED

• Proste zastosowania w elektronice

• Dioda pokazująca poziom sygnału

• Wyświetlacz 7-segmentowy

• Zastosowania w oświetleniu

• Istotne są elementy fizyki (barwa światła) i techniki świetlnej (oprawy)

• Z punktu widzenia elektroniki ważne są układy zasilania (energoelektronika)

51

OGNIWO FOTOWOLTAICZNE

• Zjawisko fotoelektryczne

• Fotony padające na złącze generują pary elektron-dziura

• Energia fotonu musi być większa od przerwy energetycznej

• Są to nośniki większościowe o nieskończonym czasie życia (nie następuje ich rekombinacja)

• Obecne w złączu pole elektryczne rozdziela nośniki do obszarów p i n

• Powstaje zewnętrzne pole elektryczne – złącze jest ogniwem

• Napięcie jest stałe, prąd zależny od strumienia świetlnego

Symbol ogniwa PV

52

DIODY - PODSUMOWANIE

53

DZIAŁANIE DIODY

Kierunek przewodzenia

Kierunek zaporowy

• Potencjał anody wyższy,

niż katody

• Spadek napięcia ok 0.7V

• Prąd ograniczony stratami

mocy

• Potencjał anody niższy,

niż katody

• Prąd wsteczny rzędu µA

• Napięcie wsteczne

ograniczone możliwością

przebicia

• Obszar p = anoda

• Obszar n = katoda,

na elemencie

oznaczony paskiem

• Kierunki można też

sprawdzić multimetrem

54

DIODY SPECJALNE

• Dioda Zenera – pracuje przy napięciu wstecznym, wykorzystuje zjawisko przebicia Zenera występujące przy prawie stałej wartości napięcia

• Dioda LED – wykorzystuje zjawisko elektroluminescencji do emisji światła

• Fotodioda – natężenie prądu w kierunku zaporowym proporcjonale do natężenia oświetlenia

55

ZASTOSOWANIA DIOD

• Dioda jest elementem nieliniowym, można idealizować jej charakterystykę jako zawór przewodzący w jednym kierunku

• Zastosowania diody to przede wszystkim

• Prostowniki – zamiana napięcia przemiennego na stałe

• Modyfikacja sygnału (wykrywanie amplitudy, wprowadzanie składowej stałej, zwielokrotnianie napięcia)

• Źródło napięcia odniesienia (diody Zenera)

• Ochrona przepięciowa (diody Zenera, transile/TVS)

• Wyświetlanie (diody LED)

• Detekcja promieniowania (fotodioda)

56

DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ

57