Kapitoly

Nachádzate sa tu

Kapitola 1

Všeobecne o diódach

1.1 Stručná definícia diódy

Polovodičová dióda (ďalej len dióda) je dvojpólová, pasívna, výrazne nesymetrická, odporová súčiastka, využívajúca vlastnosti PN priechodu, alebo priechodu kov – polovodič. Základnou vlastnosťou diódy je usmerňovací (smerový) účinok. V jednom – priepustnom smere, dobre vedie prúd (kladie mu malý odpor), v druhom smere – závernom, prúd nevedie (kladie mu veľký odpor). Často sa preto pre diódu používa aj pojem ventil. Pri vysokých frekvenciách sa uplatňuje kapacita priechodu a indukčnosť diódy, impedancia diódy má vtedy okrem odporovej aj reaktančnú zložku – diódu vo vysokofrekvenčných aplikáciách nemôžeme považovať za odporovú súčiastku a dokonca vtedy stráca aj usmerňovaciu schopnosť. U niektorých zvláštnych diód sa využívajú aj ďalšie vlastnosti resp. účinky: kapacita PN priechodu (kapacitná dióda), lavínový a Zenerový jav (stabilizačné diódy), výskyt záporného dynamického odporu (tunelová dióda), riadenie vlastnosti svetlom (fotodióda).

Obr. 1.1.1 Schématická značka diódy

1.2 Vlastnosti a parametre diód

Parametre sú vlastnosti, ktorých veľkosť resp. účinok sa dá číselne vyjadriť. Udáva ich výrobca resp. predajca v katalógoch, s presnou interpretáciou významu a spôsobom ich merania.

Funkciu diód výstižne vyjadruje voltampérová charakteristika (VACH). VACH je závislosť jednosmerného prúdu diódy I od jednosmerného napätia na vývodoch diódy U_AK. Hovoríme, že je to statická charakteristika vyjadrujúca správanie diódy pri jednosmerných veličinách alebo pri pomalých zmenách (nízkofrekvenčných signáloch).

Obr. 1.2.1 Predstava ideálnej diódy a jej VACH

Ideálna dióda pri závernej (nepriepustnej) polarizácií priechodu neprepúšťa prúd (kladie mu nekonečný záverný odpor R_Z). Pri priepustnej polarizácií nekladie prúdu žiadny odpor (R_P → 0) – správa sa ako ideálny ventil – kontakt. Nemá kapacitu ani indukčnosť, je to odporová súčiastka (ale bez odporových-tepelných strát).Vlastnosti ideálnej diódy nezávisia od teploty ani iných fyzikálnych vplyvov. Prúd v priepustnom smere a záverné napätie môžu mať neobmedzené hodnoty.

Reálna dióda

Obr. 1.2.2 VACH reálnej diódy

Pri závernej polarizácií tečie reálnou diódou malý záverný prúd I_R(I_RGe = xx µA, I_RSi < µA). Spôsobujú ho minoritné nosiče, jeho veľkosť takmer nezávisí od napätia, ale rastie s teplotou. Hovoríme, že dióda je zatvorená – zablokovaná. Pri priepustnej polarizácií diódy až do napätia U_TO dióda vykazuje veľký odpor. Príčinou je vnútorná potenciálová bariéra, ktorú vytvára nevykompenzovaný náboj iónov kryštálovej mriežky v PN priechode, ktorý je ešte stále ochudobnený o voľné nosiče náboja. Napätie U_TO nazývame prahové napätie diódy a zodpovedá difúznemu napätiu PN priechodu. Ak vonkajšie napätie diódy U_AK > U_TO, elektrické pole medzi anódou a katódou spôsobí tok majoritných nosičov cez priechod, odpor diódy sa začne prudko znižovať a prúd rásť, hovoríme že dióda je otvorená. Napätie diódy aj pri veľmi veľkých prúdoch (x A) neprekročí hodnotu U_S@ 1V. Hodnoty napätia U_TO závisia od typu diódy (u germániových, hrotových s pozláteným hrotom, Schottkyho diód je U_TO= 0,2 V, u bežných kremíkových diód je U_TO= 0,56 V).

Napätie zopnutej diódy budeme značiť U_S alebo U_D. Môže sa určiť pomocou priesečníka dotyčnice s osou napätia, alebo sa jeho hodnota udáva pri určitej hodnote prúdu. U germániových diód býva

U_S= 0,3 ÷ 0,4 V a u kremíkových U_S= 0,7 ÷ 1 V, podľa typu diódy a prúdu. Dynamický odpor Si diód v závernom smere býva > x MΩ a dynamický odpor v priepustnom smere R_P = 0,x ÷ x Ω. V priepustnej časti A – B má dióda vlastnosť stabilizátora napätia. Napätie U_AK sa mení o 0,1 ÷ 0,3 V aj pri rádovej zmene prúdu. U reálnej diódy je oblasť výskytu pracovného bodu vo VACH obmedzená medznými parametrami.

Medzné parametre diódy: dovolený prúd v priepustnom smere a z toho vyplývajúci dovolený stratový (anódový) výkon, dovolené záverné napätie.

I_FAV – maximálny dovolený jednosmerný prúd resp. stredná hodnota premenlivého prúdu diódy.

I_FM – maximálny dovolený špičkový krátkodobý prúd, pri neopakovateľnom impulze so

špecifikovaným časom trvania, pri opakovateľných impulzoch so špecifikovaným časom

impulzov a striedou signálu.

U_RWM – dovolené záverné napätie trvalé.

U_RSM – krátkodobé špičkové napätie so špecifikovaným časom trvania.

P_AM – dovolený stratový výkon diódy (anódová stredná strata). Tento výkon sa mení nenávratne

na teplo.

Medzné parametre sa udávajú pri určitej teplote okolia resp. pre špecifikovaný chladič.

Vplyv teploty na ďalšie parametre diódy

S nárastom teploty sa:

–zvyšuje záverný prúd (najmä Ge diódy)

–znižuje dovolené záverné napätie

–zmenšuje napätie U_AK, čo je nepríjemné najmä v zapojeniach, kde záleží na stabilite tohto napätia, v usmerňovačoch je tento jav priaznivý.

Najdôležitejšie dynamické a spínacie parametre

Kapacita sa prejavuje hlavne pri závernej polarizácií a nazýva sa bariérová kapacita. Pri závernej polarizácií resp. keď U_AK < U_TO, vzniká vyprázdnený PN priechod – akási izolačná vrstva. Táto vrstva spolu s vodivými časťami P a N priechodu tvorí vlastne kondenzátor. Veľkosť kapacity závisí od rozmerov PN priechodu a býva x pF až xxx pF. Pretože šírka vyprázdnenej oblasti závisí od veľkosti napätia, preto od napätia závisí aj veľkosť kapacity. Uvedený jav využíva kapacitná dióda varikap. Frekvencia, pri ktorej sa reaktancia PN priechodu rovná hodnote odporu diódy (priechodu) sa nazýva medzná hraničná frekvencia. Podľa typu diódy f_m = x kHz až xx GHz. Je to frekvencia, pri ktorej dióda stráca usmerňovací účinok. V rýchlych spínacích obvodoch je dôležitý čas zotavenia diódy.

Čas zotavenia:

Obr. 1.2.3 Čas zotavenia diódy

Nech je obvod napájaný bipolárnym impulzným priebehom. Pri kladnej polarite tečie prúd I = (U_G - U_D) / R. V oblasti PN priechodu sa nachádza veľké množstvo majoritných nosičov (dier z P oblasti a elektrónov z N oblasti polovodiča).

Pri vyprázdnení oblasti PN priechodu pri zápornej polarite, tečie v obvode malý prúd I_R tvorený minoritnými nosičmi. Vyprázdnenie a obnovenie izolačného stavu nie je však okamžité, ale trvá nejaký čas, ktorý sa nazýva čas zotavenia. Závisí od veľkosti prúdu a kapacity priechodu. Najkratší čas majú Schottkyho diódy (spínacie).

1.3 Rozdelenie diód podľa rôznych kritérií

Diódy pre sieťové usmerňovače

Diódy pre sieťové usmerňovače sú plošné diódy určené na usmerňovanie prúdov rádovo jednotky až desiatky A, pri napätí desiatky až stovky V, technických frekvencií. Vyrábajú sa z kremíka zväčša difúznou technológiou. Základná platnička má nevlastnú vodivosť N. Na nej sa difúziou bóru alebo gália vytvorí vrstva P. Silno dotovaná vrstva N⁺ umožňuje neusmerňujúce vodivé spojenie kryštálu s kovovou podložkou, ktorá odvádza teplo a tvorí vývod katódy. Vrstva niklu vytvára neusmerňujúce spojenie s vývodom anódy.

Obr. 1.3.1 Štruktúra diódy pre sieťové usmerňovače

Diódy na usmerňovanie malých vysokofrekvenčných prúdov

Plošné diódy

Plošné diódy na usmerňovanie malých vysokofrekvenčných prúdov sa vyrábajú z kremíka. Základom je platnička s nevlastnou vodivosťou N, ktorá tvorí katódu. Anóda sa vyrába difúznou technológiou. Kryštál má rozmery asi l x l mm. Je prispájkovaný na základnú kovovú platničku, ktorá zväčšuje mechanickú pevnosť diódy a odvádza teplo. Prívodné vodiče prechádzajú cez sklenú priechodku, sú prispájkované na celok, ktorý je uzavretý v kovovom puzdre.

Hrotové diódy

V súčasnosti sa vyrába niekoľko druhov hrotových diód určených na usmerňovanie malých vysokofrekvenčných prúdov. Najdôležitejšie sú germániové hrotové diódy a germániové diódy so zlatým hrotom.

Germániové hrotové diódy

Germániový kryštál s nevlastnou vodivosťou N štvorcového tvaru s rozmermi l x l mm, hrúbky 0,1mm je prispájkovaný na kovovú platničku privarenú na prívodný drôt. Na povrch germániovej platničky, ktorá tvorí katódu diódy, sa pružne pritláča hrot tenkého volfrámového drôtu spojeného s druhým prívodným drôtom diódy.

Obr. 1.3.2 Princíp hrotovej diódy

Volfrámový drôt tvoriaci vývod anódy má iba mechanický kontakt s povrchom polovodičovej platničky. Celý systém diódy je zatavený do skleného puzdra. Vývod katódy sa označuje farebne. Veľmi dobrý usmerňovači účinok sa dosiahne formovaním, ktoré sa robí na konci výrobného postupu impulzom prúdu asi 1 A, ktorý prejde diódou v priamom smere. Miesto dotyku hrotu a polovodiča sa veľmi zohreje a niektoré atómy volfrámu pritom prejdú do povrchovej vrstvy polovodiča. Vznikne tak miniatúrna oblasť s vodivosťou P tesne pod miestom dotyku hrotu. Najlepšie výsledky sa dosiahnu, ak hrot obsahuje prímesi, ktoré spôsobujú v germániu vodivosť P (napríklad indium).

Germániové diódy s privareným zlatým hrotom

Základom diódy je platnička germánia N, ktorá tvorí katódu. Drôtik tvoriaci prívod k anóde je zlatý s prímesou gália. Pri formovaní sa zlatý drôtik privarí k polovodičovému kryštálu. Súčasne sa gálium rozpustí v roztavenom germániu a vytvorí silne dotovanú oblasť s vodivosťou P. Vznikne dióda s miniatúrnym zliatinovým priechodom PN.

Obr. 1.3.3 Priechod PN diódy so zlatým hrotom

Takto vyrobená dióda združuje v sebe výhodné vlastnosti hrotových a plošných diód. Má vysokú hraničnú frekvenciu, bežne asi 100 MHz a pri niektorých typoch diód až 1 000 MHz. Výhodou je aj menší odpor v priamom smere, väčší odpor a menší prúd v spätnom smere, ako pri hrotových diódach.

Kapacitné diódy

Kapacitné diódy sú súčiastky, ktoré využívajú závislosť kapacity priechodu od napätia. Polarizujú sa v spätnom smere. Sú to plošné diódy, ktoré sa vyrábajú z kremíka alebo z arzenitu gália technologickým postupom, určujúcim požadovanú závislosť kapacity diódy od pripojeného napätia. Vhodným rozdelením prímesí v okolí priechodu možno získať aj lineárnu závislosť kapacity od pripojeného napätia.

Obr. 1.3.4 a) Závislosť kapacity diódy od anódového napätia v spätnom smere

b)Náhradný obvod a schematická značka

Pri vysokých frekvenciách má reaktancia kapacity malú hodnotu a proti nej sa neuplatní paralelný odpor R_P.

Kapacitné diódy určené na prelaďovanie rezonančných obvodov miesto ladiacich kondenzátorov sa nazývajú varikapy. Ich kapacita sa mení pomocným ladiacim jednosmerným napätím. Amplitúda vysokofrekvenčného signálu v obvode diódy je v porovnaní s ladiacim napätím zanedbateľne malá, takže nemusíme brať do úvahy zmeny kapacity diódy vplyvom vysokofrekvenčného signálu. Dióda pôsobí pri určitom stálom ladiacom napätí ako lineárna reaktancia.

Diódy určené pre obvody s veľkou amplitúdou signálu, kedy signál mení počas svojej periódy kapacitu diódy, sa správajú ako nelineárne reaktancie. Nazývajú sa varaktory a používajú sa na zmiešavanie a násobenie veľmi vysokých frekvencií.

Diódy pre veľmi vysoké frekvencie (mikrovlnové diódy)

Akumulačná dióda

Akumulačná dióda patrí medzi plošné kremíkové diódy s miniatúrnymi rozmermi priechodu PN. Dôležité je, že zväčšenie odporu v spätnom smere, t. j. odsatie voľných nosičov náboja nastane náhle. Túto skokovú zmenu odporu diódy sprevádza prudké zmenšenie jej kapacity. To sa prejaví zodpovedajúcou zmenou impedancie diódy počas zápornej časti periódy pôsobiaceho signálu. Dióda sa správa ako nelineárna reaktancia, ktorá sa využíva pri násobení veľmi vysokých frekvencií.

Schottkyho diódy

Využívajú na svoju činnosť usmerňujúci kontakt polovodič–kov. Vyrábajú sa napríklad naparením tenkej vrstvy zlata na povrch epitaxnej vrstvy arzenidu gália alebo platiny na povrch kremíka a pod. Schottkyho diódy sa používajú v zmiešavačoch a demodulátoroch v pásme centimetrových vĺn. Proti predtým používaným špeciálnym hrotovým diódam majú Schottkyho diódy menší šum, väčšiu účinnosť a väčšiu odolnosť proti elektrickému a mechanickému namáhaniu.

Obr. 1.3.5 Porovnanie charakteristík diód

Dióda PIN

Diódy PIN sa vyrábajú z kremíka planárnou technológiou alebo technológiou mesa. Vrstva s nevlastnou vodivosťou P, ktorá tvorí anódu diódy, je oddelená od vrstvy s vodivosťou N, ktorá tvorí katódu, tenkou vrstvou veľmi čistého kremíka. Táto medzivrstva, hrúbky niekoľko µm, nie je dotovaná žiadnou prímesou. Má len vlastnú (intrinzickú) vodivosť. (Odtiaľ písmeno I v názve diódy.)

Pri vysokých frekvenciách, kedy čas potrebný na prechod nosičov náboja cez vrstvu I je porovnateľný s periódou prechádzajúceho signálu, stráca dióda PIN svoj nelineárny charakter a správa sa ako lineárny rezistor. Z voltampérovej charakteristiky diódy PIN, pre vysoké frekvencie vidno, že odpor R_vf sa zmenšuje pri zväčšovaní jednosmerného prúdu I_F.

Diódy PIN sa používajú pri frekvenciách rádovo stovky až tisícky MHz, preto je dôležité, aby ich parazitné kapacity a indukčnosť prívodov boli čo najmenšie. Z tohto dôvodu sa kryštál, ktorý tvorí diódu, uzatvára do špeciálneho koaxiálneho puzdra.

Obr. 1.3.6 a) Dióda b) Charakteristiky diódy PIN pri frekvencii f > f_min určenej z obr. c)

Diódami PIN vo vhodnom vyhotovení možno spínať vysokofrekvenčné výkony od 1 mW až do 100 kW. Pritom výkon spotrebovaný na ovládanie diódy je rádovo mW.

Tunelová dióda

Dióda sa vyrába z veľmi silno dotovaného germánia alebo arzenidu gália. Proti bežnej plošnej polovodičovej dióde má voltampérová charakteristika tunelovej diódy dva výrazné rozdiely, ktoré sú znázornené na obr. 1.3.7. VACH obsahuje oblasť záporného dynamického odporu.

Aplikácie tunelových diód majú rad nevýhod, preto sa tieto diódy v súčasnosti používajú len zriedka.

Obr. 1.3.7 Charakteristika tunelovej a bežnej polovodičovej diódy

Gunnova dióda

J. B. Gunn objavil osobité správanie sa monokryštálu arzenidu gália s nevlastnou vodivosťou N, ak naň pôsobí silné elektrické pole. Pri zvýšení intenzity elektrického poľa na kritickú hodnotu sa objavujú vysokofrekvenčné periodické prúdové kmity s výkonom niekoľko desatín W a s frekvenciou niekoľko GHz.

Obr. 1.3.8 Principiálna štruktúra Gunnovej diódy

Vznik oscilácií sa vysvetľuje záporným diferenciálnym odporom diódy, ktorého príčinou je osobité správania sa elektrónov, ktoré sa pohybujú vo vodivostnom pásme arzenidu gália s nevlastnou vodivosťou N. Pri malej intenzite poľa majú elektróny malú energiu, preto sú takmer všetky na hladinách s nižšou energetickou úrovňou. Majú veľkú pohyblivosť a pri zvyšovaní intenzity poľa ich unášavá rýchlosť prudko rastie a ich kinetická energia sa zväčšuje. Po dosiahnutí kritickej intenzity poľa E_krit elektróny majú už takú veľkú kinetickú energiu, ktorá stačí na prekonanie energetického rozdielu medzi časťami vodivostného pásma. Elektróny prechádzajú skokom na dráhy s vyššou úrovňou potenciálovej energie, pritom však ich pohyblivosť klesá. Pri malej pohyblivosti zodpovedá pôsobiacemu elektrostatickému poľu menšia rýchlosť elektrónov. Preto po preskoku elektrónov na hladiny s vyššou energetickou úrovňou sa zmenšujú ich unášavé rýchlosti. Elektróny sa prudko pribrzdia a pri vzraste intenzity poľa rastie ich rýchlosť len veľmi málo.

1.4 Náhradné schémy a modely diód

Dióda je výrazne nelineárna súčiastka so zložitým správaním, resp. s VACH zložitého tvaru. VACHY sa získavajú experimentálne – meraním, ich matematické vyjadrenie nepoznáme. Obvody s diódami sú nelineárne a pre ich analýzu sa používajú rôzne postupy a metódy.

V takzvaných grafických metódach vystačíme pri riešení s VACH. Pri matematických metódach sa VACH vyjadruje matematickou funkciou i=f(u) resp. u=g(i). Skutočnú nameranú VACH nahradíme charakteristikou vyjadrenou matematicky a tomu hovoríme matematický model.

Uvedená úloha sa nazýva aproximácia resp. interpolácia VACH. Dobrá aproximácia je taká, ktorá spĺňa dve hlavné podmienky: chyba aproximácie v určitom intervale je menšia ako stanovená malá hodnota a použitá aproximačná funkcia je jednoduchá. Na aproximáciu sa používajú matematické rady funkcií: exponenciálne, mocninové, trigonometrické. Niekedy sa používa aproximácia po častiach (intervaloch). napr. záporná časť je aproximovaná lineárnou funkciou a priepustná kvadratickou. Najčastejšie sa používa aproximácia lineárnymi úsekmi, v určitých intervaloch sa priebeh linearizuje. Táto aproximácia zle vyjadruje oblúky charakteristiky.

Príklady aproximácií VACH diódy:

exponenciálna linearizácia kvadratická mocninový polynóm

; pre U > 0; pre U > 0; ;

obr. 1.4.1 Aproximácie VACH diódy

Aproximácia zalomenými priamkami:

Obr.1.4.2 Aproximácia zalomenými priamkami

Hodnoty odporov sú dynamické odpory v pracovnom bode respektíve pracovnej oblasti.

Náhradné schémy diód

Správanie diódy možno modelovať funkciou schém pozostávajúcich z R,L,C prvkov.

Príklad všeobecnej náhradnej schémy:

Prvky Rs, Rp, Cp sú nelineárne

Rp...odpor PN priechodu

Rs...odpor zvyšnej časti polovodičovej štruktúry

Cp...bariérová kapacita

Ls... indukčnosť prívodov

Obr. 1.4.3 Všeobecná náhradná schéma diódy v jednosmerných a nízkofrekvenčných obvodoch

Pri popise funkcie niektorých obvodov s diódami budeme používať najmä linearizovaný model VACH (aproximáciu zalomenými priamkami) a náhradné schémy obsahujúce: lineárne rezistory, lineárne zdroje napätia, prípadne prúdu a model ideálnej diódy. Zdroje napätia v náhradných schémach sú fiktívne – ich funkcia resp. účinok sa prejaví až po pripojení náhradného obvodu na vonkajší zdroj. Resp. ak pripustíme, že je to skutočný zdroj, napätie sa cez záverne polarizovanú ideálnu diódu nedostane na svorky schémy. Dióda je samozrejme pasívna súčiastka.

Modely bežnej a Zenerovej diódy od všeobecnej podoby sú spracované v tabuľkovej forme, odpory rezistorov sú hodnoty dynamických odporov v určitom pracovnom bode (oblasti). Schémy sú však absolútne nevhodné pre obvody, v ktorých sa u diód účelovo využíva oblúk charakteristiky. Značka diódy s písmenovým označením ID, predstavuje ideálnu diódu.

Náhradné schémy diód v js a nf obvodoch