Wyklad 1 PFE2011 dioda [tryb zgodności]

2011-03-10
Pracownia Fizyczna i Elektroniczna 2011
http://pe.fuw.edu.pl/
Wojciech DOMINIK
Struktura układu doświadczalnego
Zjawisko
przyrodnicze
detektor
Urządzenie
wykonawcze
regulator
Urządzenie
pomiarowe
interfejs
interfejs
komputer
1
2011-03-10
Prąd elektryczny w obwodach: przypomnienie podstawowych pojęć i praw
I
Prąd: uporządkowany ruch ładunków elektrycznych
Natężenie prądu (prąd - I):
I=
dQ
dt
ilość ładunku dQ przepływająca przez przewodnik w jednostce czasu dt
Napięcie elektryczne
(U):
spadek potencjału na części obwodu elektrycznego nie zawierającej źródeł prądu
Prawo Ohma:
U = I * R
Współczynnik proporcjonalności R między napięciem i natężeniem:
opór lub rezystancja
Siła elektromotoryczna E : napięcie na odcinku obwodu zawierającego źródło prądu,
a nie zawierającego rezystancji
U1=IR1
Drugie prawo Kichhoffa:
dla obwodu zamkniętego
R1
E
I
∑ IRi = E
R2
U2=IR2
R3
i
U3=IR3
I5
I1
Pierwsze prawo Kirchhoffa:
dla dowolnego węzła sieci elektrycznej
∑ Ii = 0
i
I4
I2
I3
I1 + I 2 + I 3 = I 4 + I 5
2
2011-03-10
dzielnik napięcia - podstawowy obwód elektryczny
R1
E=Uwe
U wy = U we
Uwy
R2
R2
R1 + R 2
Działanie większości obwodów elektrycznych można opisać
+
jako układ jednego lub kilku dzielników napięcia
Wzmacniacz
tranzystorowy o
wspólnym emiterze
Analogicznym układem elektrycznym jest dzielnik prądowy
R2
I1
I
I2
R1
Prądy w poszczególnych gałęziach wynoszą:
I1 =
gdzie:
G1
I
G1 + G2
G1 =
1
R1
I2 =
G2 =
G2
I
G1 + G 2
1
R2
oznaczają przewodności gałęzi obwodu
3
2011-03-10
Układy złożone z elementów biernych
opór (R)
Bierne elementy elektroniczne to:
indukcyjność (L)
pojemność (C)
Uogólnienie prawa Ohma dla prądów zmiennych:
i =: f (t )
napięcie u(t) jest liniowym funkcjonałem prądu i(t)
u (t ) = Ri (t )
opór R:
u (t ) = L
indukcyjność L:
u (t ) =
pojemność C:
di(t )
dt
q(t ) 1
= ∫ i (t ) dt
C
C
Prawa Kirchhoffa obowiązują !!!
Rezystancja R Impedancja Z
ZR = R
Z L = j ωL
ZC =
1
jωC
Szeregowy obwód RC
Źródło napięciowe u(t) o zmiennej sile elektromotorycznej
u(t)=uR(t)+uC(t)
Równanie ruchu ładunku elektrycznego: u (t )
Prąd w obwodzie:
i (t ) =
u R (t )
R
Po podstawieniu do równania ruchu:
= Ri (t ) + ∫
u (t ) = u R (t ) + ∫
i (t )dt
C
u R (t )dt
RC
Napięcie na oporze R:
u R (t ) = RC
d [u (t ) − u R (t )]
dt
Napięcie na oporze jest zróżniczkowanym
napięciem na kondensatorze !
Napięcie na pojemności C:
uC (t ) =
1
∫ [u (t ) −uC (t )]dt
RC
Napięcie na pojemności C jest scałkowanym
napięciem na oporniku !
4
2011-03-10
Opór, indukcyjność i pojemność to pojęcia teoretyczne
Rzeczywiste konstrukcje - opornik, cewka czy kondensator
zawierają wielkości pasożytnicze (z indeksem p)
Każdy rzeczywisty bierny element elektroniczny jest złożonym układem impedancji
Przy dużych częstościach sygnału wielkości pasożytnicze mogą
istotnie zniekształcić własności elementu elektronicznego
Teoria obwodów rozważa dwa rodzaje idealnych źródeł energii elektrycznej:
E
I
Źródło prądowe:
Prąd wyjściowy I nie zależy
od napięcia na zaciskach
Źródło napięciowe:
Napięcie E na jego zaciskach
(siła elektromotoryczna)
nie zależy od natężenia prądu
wyjściowego
Każde rzeczywiste źródło energii elektrycznej może być przedstawione jako:
- źródło napięciowe i szeregowa rezystancja wewnętrzna
lub
- źródło prądowe i bocznikująca je rezystancja wewnętrzna
Rwy
Uwy
≡
≡
E
Imax=E/Rwy
I
Rwy
Uwy=IRwy
5
2011-03-10
Zasada Thevenina:
Każdą sieć elektryczną można przedstawić w postaci obwodu zastępczego
składającego się ze źródła napięciowego i szeregowej rezystancji wewnętrznej
Zasada Nortona:
Każdą sieć elektryczną można przedstawić w postaci obwodu zastępczego
składającego się ze źródła prądowego zbocznikowanego rezystancją wewnętrzną
E = U wy
R1
E=Uwe
R2
U wy = U we
Uwy
Rwy =
R2
R1 + R 2
R1 ⋅ R2
R1 + R2
Znajomość wewnętrznych rezystancji (impedancji) układów elektrycznych
oraz parametrów ich źródeł jest podstawą świadomego posługiwania się
urządzeniami elektrycznymi
Złącze p-n: dioda
Półprzewodniki
Przewodnictwo półprzewodników
Dioda
Dioda: element nieliniowy
6
2011-03-10
Przewodnictwo kryształów
Atomy – dyskretne poziomy energetyczne (stany energetyczne);
określone energie elektronów
KRYSZTAŁ
ATOM
KRYSZTAŁ
ATOM
pasmo
przewodnictwa
atom
zjonizowany
poziomy
wzbudzone
przerwa
energetyczna
∆E
energia
poziom
podstawowy
pasma
energii
wzbronionych
pasmo
walencyjne
pasmo
elektronowe
Kryształy:
pasma energii dozwolonej dla elektronów oddzielone pasmami energii zabronionej ∆E
Pasmo walencyjne - najwyższe pasmo energetyczne elektronów związanych z
jonami sieci krystalicznej
Pasmo przewodnictwa - elektron staje się wspólny dla całego kryształu i może
się w nim przemieszczać pod wpływem pola elektrycznego - nośnik prądu
Koncentracja elektronów w paśmie przewodnictwa
decyduje o przewodnictwie kryształu
7
2011-03-10
przewodniki
półprzewodniki
izolatory
pasmo przewodnictwa
E
Podział materiałów:
∆E < 5eV
∆E~5-10eV
pasmo walencyjne
Przewodniki (metale) - pasma przewodnictwa i walencyjne częściowo przekrywają się
Półprzewodniki (samoistne):
pasmo walencyjne i pasmo przewodnictwa są rozdzielone małą przerwą
energetyczną;
elektrony mogą przechodzić z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa
po otrzymaniu porcji energii > ∆E (∆E szerokość pasma zabronionego)
Źródło energii: promieniowanie elektromagnetyczne (fotony), drgania sieci
krystalicznej …
Koncentracja nośników w zależy od temperatury, natężenia promieniowania
Izolatory - przerwa energetyczna jest na tyle duża, że w normalnych warunkach
liczba elektronów zdolnych znaleźć się w paśmie przewodnictwa jest bardzo mała.
Mechanizm przewodnictwa – przewodniki (metale)
Prąd elektryczny - ruch ładunków pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego
Ruch elektronów w jednorodnym polu elektrycznym:
W próżni:
ruch jednostajnie
przyspieszony
W materiałach –
spowalnianie elektronów w wyniku zderzeń fononami
dryf chmury elektronów wzdłuż pola elektrycznego z
prędkością V (~cm/s) znacznie mniejszą niż średnia
prędkość pojedynczych elektronów w chmurze.
Fonony – centra rozpraszania; np. zanieczyszczenia lub oscylacje sieci
przewodnictwo materiału:
σ=
n e e 2τ e
2m e
τe : średni czas między kolizjami
Ze wzrostem temperatury rośnie koncentracja fononów
(zwiększają się drgania sieci krystalicznej)
W metalach: - zwiększenie rozpraszania i zmniejszenie τe
- koncentracja elektronów zmienia się bardzo słabo (ne ≈ const)
SKUTEK: opór metali zwiększa się wraz ze wzrostem temperatury
8
2011-03-10
Rozwój materiałów półprzewodnikowych:
German – 1947 – 1958
Era Krzemu – 1962
GaAs – 1970
Wide band gap semiconductors – 1990
Polimery (półprzewodniki organiczne),
materiały amorficzne, .....
Półprzewodniki elementarne (samoistne):
przerwa energetyczna
Si –
1.12 eV
Ge –
0.661 eV
C (diament) –
5.46 eV
amorficzny Si – 1.71 eV
Popularne związki półprzewodnikowe:
przerwa energetyczna
GaAs –
GaP –
GaSb –
InAs –
InP –
InSb –
Półprzewodniki o szerokiej przerwie
energetycznej:
1.41 eV
2.26 eV
0.661 eV
0.354 eV
1.344 eV
0.17 eV
przerwa energetyczna
GaN –
InN –
AlN –
SiC –
3.4 eV
1.89 eV
6.2 eV
2.2 – 3.2 eV
Mechanizm przewodnictwa - półprzewodniki samoistne
energia
elektronu
elektron
dziura
∆E
∝e
−
E
kT
T=300 K
kT=0.025 eV
elektron w paśmie walencyjnym absorbuje porcję (kwant) energii > ∆E,
zerwanie wiązania w krysztale: uwolnienie elektronu do pasma przewodnictwa,
dziura w paśmie walencyjnym - quasiładunek dodatni - może się przemieszczać
Swobodne elektrony i dziury są nośnikami prądu w półprzewodnikach
Równowaga dynamiczna gęstości nośników obu rodzajów.
Rozkład energii E nośników w przybliżeniu rozkład Boltzmanna:
k=8.62*10-5 eV K-1 :stała Boltzmanna, T : temperatura [K]
(
ne ∝ exp − E
kT
)
Para nośników elektron-dziura rekombinuje średnio po czasie 10-5 - 10-7 s
Ze wzrostem temperatury rośnie ilość nośników prądu przewodność półprzewodników zwiększa się
σ=
n e e 2τ e
2m e
9
2011-03-10
Półprzewodniki domieszkowane
donor
P, As, Sb
Nośniki większościowe
TYP „N”
E
poziom donorowy
Wtrącenie do sieci krystalicznej
zbudowanej z atomów
czterowartościowych
domieszki pięciowartościowej
(donora)
powoduje wytworzenie elektronu
słabo związanego z siecią
akceptor
Wtrącenie do sieci krystalicznej
zbudowanej z atomów
czterowartościowych
domieszki trójwartościowej
(akceptora)
powoduje wytworzenie dziury
słabo związanej z siecią.
Al, Ga, In, B
TYP „P”
W temperaturze pokojowej prawie wszystkie domieszki są zjonizowane
Poprzez odpowiednie domieszkowanie można wytwarzać półprzewodniki o
kontrolowanej, nadmiarowej koncentracji elektronów lub dziur
Złącze p-n
h+
Doświadczenie „myślowe”:
dokonujemy zetknięcia
kryształu typu n z kryształem typu p
n
początkowo każdy z kryształów
jest elektrycznie obojętny
+
+
+
+
-
p
eRóżnica stężeń nośników powoduje dyfuzję:
dziury z obszaru p dyfundują do obszaru typu n,
elektrony obszaru n dyfundują do obszaru typu p,
kryształ typu n naładował się dodatnio
kryształ typu p naładował się ujemnie
10
2011-03-10
Złącze p-n c.d.
Na styku obu materiałów powstaje bariera potencjału o wartości Φ
ładunek przestrzenny
p
Bariera potencjału ogranicza dyfuzję nośników
i prowadzi do stabilizacji sytuacji w złączu.
n
akceptory
donory
potencjał
równowaga dynamiczna
Φ
x
energia dziur
półprzewodnik „p”
półprzewodnik „n”
dziurowy prąd rekombinacji
potencjał
∝ e − E / kT
liczba elektronów
liczba dziur
rozkład
energii dziur
Φ
∝e
− E / kTe
rozkład
energii
elektronów
elektronowy prąd rekombinacji
wypadkowy prąd rekombinacji IR
energia elektronów
prąd generacji IG
Ruch nośników jest odpowiedzialny za dziurowy i elektronowy prąd rekombinacji,
składające się na wypadkowy prąd rekombinacji IR
∞
Prąd rekombinacji jest proporcjonalny do liczby
nośników zdolnych pokonać barierę potencjału Φ:
(
I R = I A exp − eΦ
kT
(
I R ∝ ∫ exp − E
eΦ
kT
)dE
)
11
2011-03-10
W złączu niespolaryzowanym całkowity prąd płynący przez złącze jest
równy zeru, gdyż prąd IR jest równoważony przez prąd generacji IG
IR=IG
Stąd prąd generacji:
(
I G = I A exp − eΦ
para elektron - dziura
kT
)
potencjał
p
n
prąd generacji IG
SPOLARYZOWANE złącze p-n
-
+
U
p
Φ
n
Φ+U
1. Złącze spolaryzowane w kierunku zaporowym
- Bariera potencjału wzrasta do wartości Φ+U
- Zmniejsza się liczba nośników zdolnych pokonać podwyższoną barierę
- Prąd rekombinacji maleje
12
2011-03-10
SPOLARYZOWANE złącze p-n c.d.
+
U
p
energia
dziur
n
prąd dziurowy rekombinacji
Φ
Φ-U
prąd elektronowy rekombinacji
energia elektronów
2. Napięcie zewnętrzne U przyłożone w kierunku przewodzenia
- Zmniejszenie bariery potencjału Φ o wartość U
- Rośnie liczba nośników, zdolnych pokonać barierę potencjału Φ - U
- Prąd płynący przez złącze wzrasta
Złącze p-n niespolaryzowane
Złącze p-n spolaryzowane zaporowo (-1V)
Poszerzenie obszaru zubożonego
Wzrost bariery potencjału
Złącze p-n spolaryzowane w kierunku
przewodnictwa
13
2011-03-10
SPOLARYZOWANE złącze p-n c.d.
W ogólności prąd rekombinacji w złączu p-n:
czyli:
Ponieważ prąd płynący przez złącze jest
sumą prądu rekombinacji i generacji, to:
[ (
I = I G exp eU
kT
) − 1]
− e( Φ − U ) 
I R = I A exp 
kT 

[
I R = I G exp eU
]
I = IG + I R
równanie opisujące pracę złącza p-n,
(równanie Shockley’a)
złącze p-n
2
kT
DIODA
I
I
100
80
1
60
0
40
IG -1
-2
U
-4
-2
0
2
4
20
U
0
-4
-2
0
2
4
6
14
2011-03-10
Dioda półprzewodnikowa (prostownicza)
Dla większych prądów równanie Shockley’a modyfikuje się do postaci:
U=

MkT  I
ln + 1 + Ir
e
 IG

gdzie:
r - rezystancja materiału diody (pasożytnicza),
M - współczynnik związany z typem półprzewodnika M~1-2
Up - napięcie przewodzenia złącza to napięcie w kierunku
przewodzenia, dla którego prąd diody osiąga umownie dużą wartość
I
Ge
GaAs
Si
U[V]
Up=0.35
Up=0.65
Up=2.3
Podstawowe zastosowanie nieliniowych własności złącza p-n
prostowanie prądów elektrycznych
Prostownik jednopołówkowy
UWE
UWY
+
WE
WY
t
t
I
100
80
60
40
20
U
0
-4
-2
0
2
4
6
15
2011-03-10
Dioda Zenera
Zastosowanie: stabilizacja napięć
ID
UWY≈UZ
UWE>UZ
UZ
Up
Dzielnik napięcia z diodą Zenera
:= stabilizator napięcia
Miejsce pierwotnej
generacji pary
elektron- dziura
UD
Lawinowe powielanie nośników
prądu w złączu w silnym polu
elektrycznym
Zachodzi dla napięć zaporowych
większych od UZ
Miejsca wtórnej
generacji par
elektron- dziura
Dopuszczalne napięcie wsteczne (zaporowe) diody jest ograniczone
przez napięcie przebicia, zwane napięciem Zenera (UZ)
Dioda świecąca (elektroluminescencyjna)
ruch elektronów
p
rekombinacje
n
ruch dziur
złącze p-n spolaryzowane w kierunku przewodzenia
w złączu następują intensywne spontaniczne procesy rekombinacyjne
Rekombinacja dziury i elektronu jest związana z emisją kwantu promieniowania
o energii równej w przybliżeniu szerokości przerwy energetycznej
Charakterystyka prądowo-napięciowa podobna
do charakterystyki diody prostowniczej
16
2011-03-10
Ćwiczenie: „Badanie diod półprzewodnikowych”
1. Cel ćwiczenia.
Zapoznanie się z różnymi rodzajami diod półprzewodnikowych:
dioda prostownicza krzemowa, dioda świecąca (LED) oraz dioda Zenera
generator
UKŁAD POMIAROWY
oscyloskop
A
obwód
ext.
B
wyzwalanie
Zbudować układ pomiarowy
Wejście: przebieg trójkątny o napięciach szczytowych od -2.5V do +2.5 V
i częstości 1000 Hz
Dioda prostownicza
Dokonać pomiaru charakterystyki diody
Dzielnik napięcia:
ID=f(UD)
UWE=UD+UWY , ID=Uwy/R
Wykreślić wyniki dla dodatnich napięć, stosując na osi prądów skalę logarytmiczną
Dopasować charakterystykę diody używając zmodyfikowanego równania Shockley’a
UD =

MkT  I D
ln + 1 + I D r
e
I
 G

- pomijamy człon IDr (niewielki prąd)
- pomijamy składnik „1” (ponieważ ID>>IG )
- dopasowywanie charakterystyki będzie równoważne dopasowywaniu prostej:
UD =
MkT
(ln I D − ln I G )
e
17
2011-03-10
Zastąpić diody prostownicze diodami świecącymi LED i wyznaczyć tą samą metodą
napięcie przewodzenia. Czy przekroczenie napięcia przewodzenia powoduje
świecenie diody?
W tym samym obwodzie wykonać pomiar charakterystyki dla diody
Zenera (BZX55, niebieska). Wyznaczyć napięcie Zenera i napięcie Up
18