Státnice z elektroniky

<< předchozí     následující >>

Kapitola 1
Polovodičové diody

1.1  Druhy diod

1.1.1  Usměrňovací diody

Jsou navrhovány a konstruovány tak, aby vykazovaly v přímém směru minimální hodnotu diferenciálního odporu i při vysokých hodnotách proudu IF a v závěrném směru co největší hodnotu odporu. U výkonových diod se kromě běžných parametrů udává i maximální hodnota špičkového opakovatelného napětí URRM, při kterém lze ještě diodu provozovat. Přitom je třeba si uvědomit, že vždy platí URRM < UR(BR).

1.1.2  Zenerovy diody

Zenerovy diody jsou navrhovány a konstruovány tak, aby závěrná část VA charakteristiky měla ostře vyjádřené průrazné napětí UR(BR). Pracovní oblast těchto diod leží v oblasti elektrického nedestruktivního průrazu, kdy se při velkých změnách proudu mění hodnota Zenerova napětí UZ jen velmi málo. S ohledem na skutečnost, že vodivost polovodičů je silně závislá na teplotě, zahrnujeme její vliv na chování součástek pomocí teplotního součinitele , definovaného vztahem
KZ = ΔU
Δθ
· 100
U
      [%; K−1].
Teplotní součinitel pro oblast závěrných napětí může být jak kladný, tak záporný, resp. roven nule. Lze zhruba říci, že tam, kde převládá Zenerův mechanismus průrazu, tj. pro UZ < 6 V je KZ < 0.

Pracovní oblastí Zenerových diod rozumíme VA charakteristiku v závěrném směru. Z průběhu VA charakteristiky Zenerovy diody je zřejmé, že diferenciální odpor v její pracovní oblasti je velmi malý.

Zenerova dioda je křemíková plošná dioda se slitinovým nebo difuzním přechodem, jejíž závěrná část charakteristiky se vyznačuje ostrým zlomem při Zenerově napětí. Charakteristika v přímém směru je shodná s charakteristikou běžné polovodičové diody. Prahové napětí je 0,70 až 0,72 V. Pracovní oblast leží v oblasti elektrického nedestruktivního průrazu, nesmí však překročit maximální ztrátový výkon PZ.

Zenerův jev se uplatňuje pouze na velmi tenkých přechodech, příslušné napětí diod je do 6 V.

1.1.3  Vysokofrekvenční a spínací diody

Uvedené diody se používají v zapojeních, která pracují na vysokých kmitočtech nebo v impulzním režimu. Proto musí vykazovat velmi krátkou hodnotu zotavovací doby trr < 500 ns, z čehož vyplývá hodnota bariérové kapacity Cb řádově pF. S ohledem na rozsah přenášených kmitočtů je třeba, aby tyto diody vykazovaly malou hodnotu kapacity přechodu PN v nepřímém směru a zároveň nízkou hodnotu difuzního napětí. Uvedené podmínky musí být splněny v případě požadavku detekce, resp. usměrnění VF signálu o malé hodnotě amplitudy.

1.1.4  Stabilizační diody

Využívají se tunelového nebo lavinového průrazu v závěrném směru. Dynamický odpor závisí na stabilizovaném napětí. Teplotní koeficient u tunelového průrazu je záporný (snižuje se šířka zakázaného pásma), u lavinového průrazu kladný (zmenšuje se počet nosičů). Teplotní koeficient může být nulový – mezi oběma typy průrazů . Při přechodu lavinový průraz – šum – šumové diody, při vyšším napětí klesá .

1.1.5  Kapacitní diody

Variakpy

Provozní napětí je omezeno z jedné strany malým napětím v přímém směru a z druhé strany průrazným napětím přechodu. Rozsah pracovních napětí bývá od −1 V od −30 V. Těmto hodnotám odpovídá rozsah kapacit od 20 až 100 pF do 2,5 až 10 pF. Poměr maximální a minimální kapacity se pohybuje v rozmezí 2,5 až 6, u speciálních až 20. Pro výrobu se používá nejčastěji křemík, pro vysokofrekvenční varikapy Ge nebo GaAs.

Varikap mění hodnotu kapacity v závislosti na ss. napětí. Přiváděné amplitudy vf. signálu jsou relativně malé, takže změna kapacity je prakticky lineární. Používají se místo ladících kondenzátorů v rozhlasových a televizních přijímačích a lze je zapojovat v oscilátorech pro dolaďování.

Varaktory

Varaktory pracují s velkým signálem, takže dochází k velké změně kapacity. Vzhledem k nelinearitě vznikají vyšší harmonické složky. Stejnosměrné předpětí se zpravidla nepřivádí. Vyrábějí se i planárně-epitaxní technologií. Rozsah kmitočtů 30 MHz až 10 GHz. V současné době se užívají pro parametrické zesilovače, násobiče kmitočtu, pro ladění Gunnových a tranzistorových oscilátorů. Varaktor musí mít malý tepelný odpor. Varaktor lze provozovat i jako varikap (obráceně to neplatí).

1.1.6  Tunelová dioda

Podle japonského fyzika se nazývá též Esakiho. Vyrobená ze silně dotovaných polovodičů (degradovaných), koncentrace příměsí (1025), velmi tenká ochuzená oblast (řádově 10 nm). Fermiho hladina se nachází mimo zakázaný pás (v polovodiči N ve vodivostním pásu a v polovodiči P v zakázaném pásu). Zároveň energetické úrovně příměsi (akceptorů a donorů) vytvářejí pásy, které splývají s dovolenými pásy energií. Šest druhů proudů – proudy majoritních a minoritních nosičů, tunelové proudy (podmíněny malou šířkou zakázaného pásu a silným elektrickým polem [108 V·m−1]). Na charakteristice oblast se záporným diferenciálním odporem – využívá se ke generování a zesilování VF signálu. Rychlé ustavení tunelového proudu (prochází na rozdíl od normálních nosičů téměř rychlostí světla => až 100 GHz), nízký šum (nízkoohmový materiál při výrobě). Široký rozsah pracovních teplot (−200 až 150 °C) (negativní diferenciální odpor není závislý na teplotě a na frekvenci závisí jen málo). Je méně citlivá na radioaktivní záření. Problém zapouzdření – parazitní indukčnosti přívodů. Přechod se vytváří slitinovou technologií (plocha přechodu bývá 0,2 mm2, celková kapacita desítky pF). Vzhledem k velkým proudovým hustotám se kapacita neuplatní. Obtížné vytvořit velkou koncentraci nosičů – používá se germanium, kterém má poměr vrcholového a důlového proudu 5:1 až 15:1, AsGa dává nejdelší oblast záporného diferenciálního odporu (poměr 20:1 až 65:1). Křemík se nepoužívá, protože má poměr 3:1.

Zmenšíme-li u tunelové diody koncentraci příměsí polovodičů obou typů, můžeme měnit tvar VA charakteristiky. Dochází ke zmenšování poměru vrcholového a důlového proudu, až postupně vymizí oblast záporného diferenciálního odporu. Tak dostaneme inverzní diodu , která je vhodná k usměrňování malých napětí (několik desetin V) o vysokých kmitočtech.

1.1.7  PIN dioda

Užívá se v oblasti centimetrových vln jako řízený odpor nebo spínač. Skládá se ze dvou silně legovaných oblastí P+ a N+ a oblasti vlastního (intrinzického) polovodiče I. Pro funkci diody je rozhodující vlastnost vrstvy I.

Přiloží-li se na PIN diodu napětí v přímém směru, dojde k injekci nosičů do obou konců oblasti I a její odpor se zmenšuje v závislosti na procházejícím proudu. Vzhledem ke značné časové konstantě rekombinace (asi 1 μs) a velké době potřebné k extrakci těchto nosičů z vrstvy I nestačí se při vyšších kmitočtech oblast I vyprázdnit v průběhu záporné půlperiody. Proto se při harmonickém průběhu vf. napětí ustálí střední hodnota nosičů v oblasti I a dioda z vysokofrekvenčního hlediska představuje nízkou impedanci, ve velkém rozsahu nezávislou na přenášeném výkonu. Při závěrně polarizované PIN diodě dojde k odčerpání náboje z objemu vrstvy I a vytvoří se oblast prostorového náboje (tloušťka závisí na přiloženém napětí). Dioda se chová jako kondenzátor, jehož hodnota klesá. Přivedeme-li vf. napětí, nestačí se vrstva I v průběhu kladné půlperiody zaplnit nosiči a dioda vykazuje vysokou impedanci s malou závislostí na přivedeném výkonu.

PIN diody se obvykle vyrábějí z křemíku. Základ tvoří vrstva I, do níž se difundují nebo implantují vrstvy N+ a P+.

1.1.8  Schottkyho dioda

Schottkyho dioda je součástka, která využívá usměrňovací vlastnost přechodu MN (kov-polovodič). Velkou výhodou tohoto přechodu je, že v něm nedochází k injekci minoritních nosičů náboje. Vedení proudu je realizováno pouze majoritními nosiči, což přináší řadu výhod. Schottkyho přechody mají v přímém směru menší úbytky napětí než přechod PN. Z polovodiče N přecházejí do kovu tzv. horké elektrony z vrcholu energetické bariéry, které v kovu ztrácejí přebytek své energie. To předurčuje Schottkyho diody pro zpracování signálů s vysokými kmitočty.

Pro výrobu Schottkyho diod se nejčastěji používá křemík nebo GaAs. Základ struktury tvoří destička silně dotovaného polovodiče N+. Na ní se epitaxí nanese vrstva typu N. Kontakt kov-polovodič se vytváří napařování. Epitaxní slabě dotovaná vrstva zajišťuje diodě dobré závěrné vlastnosti, silně dotovaná vrstva pak dobrý ohmický kontakt a malý sériový odpor.

Schottkyho diody se používají v aplikacích pro velmi vysoké frekvence, kde nahrazují hrotové diody, proti nimž mají lepší mechanickou pevnost, reprodukovatelnost při výrobě, menší šum a vyšší závěrné napětí. Vzhledem k rychlým spínacím časům a malému napětí v průchozím směru jsou Schottkyho diody užívány ve spínačích s dobou sepnutí jednotky ns i menší, jako ochranné prvky a jako součástky rychlých logických integrovaných obvodů. Malé napětí v přímém směru umožňuje využívat Schottkyho diod ve výkonové technice jako usměrňovače a spínače s větší energetickou účinností, menšími rozměry a hmotností než klasické diody. Jedním z nedostatků je menší závěrné napětí (průrazné napětí 10 až 150 V).

1.2  Průrazy diod

1.2.1  Zenerův průraz

Tunelování elektronů z valenčního pásu z oblasti P do vodivostního pásu v oblasti N. Podmínky: malá hloubka závěrné vrstvy (zvýšená koncentrace příměsí), intenzita elektrického pole musí dosáhnout kritické hodnoty, za přechodem musí být volná hladina pro tunelování. U germaniových diod 4,5 až 7 V, u křemíkových 20 V. Zenerův průraz má záporný teplotní součinitel.

1.2.2  Lavinový průraz

Nárazová generace nosičů v závěrné vrstvě. Multiplikační koeficient M = IR / IS, závisí na průrazném napětí nárazové generace. Lavinový průraz má kladný teplotní součinitel.

Se zvětšováním závěrného napětí vzrůstá rychlost minoritních elektronů (Si diody). Po dosažení určitého kritického napětí je jejich kinetická energie tak velká, že letící elektron je schopen ionizovat atom. Počet takto uvolněných elektronů roste geometrickou řadou, aniž by se napětí dále zvyšovalo (jde o lavinovou ionizaci krystalické mřížky). Dochází k němu na širokých přechodech, kde je velká pravděpodobnost srážky elektronu s atomem během průletu přechodem.

1.2.3  Tepelný průraz

Zahřátí přechodu ztrátovým výkonem. Určujícím faktorem je proud. Rostou ztráty → teplota roste → zmenšení odporu → zvětšení závěrného proudu.

1.2.4  Povrchový průraz

Způsobený nečistotami na povrchu diody, které způsobí zvětšení koncentrace poruchových stavů. K zabránění tohoto se používá zlepšené zapouzdření.

1.3  Konstrukce diod

1.3.1  Hrotová dioda

Na kovový hrot wolframového drátku se přivede impulz (až 1 A) v přímém směru, který způsobí vytvoření oblasti P v destičce N o poloměru 5 až 10 μm. Vlastnosti takovéto diody jsou dány malou plochou přechodu – malá bariérová kapacita (desetiny pF), průrazné napětí 2 až 50 V, propustný proud do 100 mA, frekvence do 150 MHz. Použití: detekce VF signálu, směšování VF signálu. Dnes se nahrazují Schottkyho diodami.

1.3.2  Dioda s přivařeným hrotem

Používá se germanium. K substrátu vodivost N se přidá zpravidla zlatý nebo hliníkový drátek průměru 50 až 100 μm Elektrickým výbojem (impulzem) se nataví styk drátku a destičky – utvoří se slitina, vznikne mikroplošná dioda. Plocha přechodu je 3 až 5 × větší než u hrotové diody, dioda má menší šum. Závěrná část charakteristiky obsahuje prudký zlom v oblasti 100 V. Dioda snese větší propustné proudy (stovky mA) při úbytku napětí na diodě UF = 0,5÷0,9 V. Bariérová kapacita jednotky pF. Používá ještě v některých spínacích a logických obvodech.

1.3.3  Plošná slitinová dioda

Germaniový podklad vodivosti N, P legované iridiem. Při teplotě 500 °C vznikne slitina germania a india. Vytvoří se stupňovitý přechod PN. Plocha přechodu je ještě větší než u předchozích dvou typů, je tedy větší i bariérová kapacita (desítky pF). Závěrné napětí až 250 V, větší proudové hustoty až 106 A m−2). Malé úbytky napětí (do 0,8 V). Použití pro usměrňování malých střídavých napětí, střední výkony.

1.3.4  Plošná difuzní dioda

Křemíkový základní materiál vodivosti N, difuzí se vytvoří plošný přechod PN. Výchozí materiál je nízkoohmový, epitaxní vrstva vysokoohmová, pak přechod. Diody PIN. Propustný proud závisí na odvodu tepla, hustota proudu 2·106 A m−2, proud 200 A. Průrazné napětí 1500 až 2000 V. Úbytek napětí v propustném směru 1 až 1,2 V. Použití u výkonových usměrňovačů.

1.3.5  Difuzní dioda

Část přechodu se odleptá, čímž klesne bariérová kapacita. Teplo se odvádí základnou diody. Mesa diody (difuzní epitaxní) – usměrňovací.

1.3.6  Planární dioda

Maskovaná difuze do okénka maskovací vrstvy (SiO2). Podklad N, nadifundování P, ochranná vrstva SiO2. Lze měnit vlastnosti v širokém rozmezí. Malá plocha přechodu – rychlé spínací prvky s malým odporem báze.