A f

1
A félvezeto dióda
2
PN átmenet kivitele

• A pn átmenet Olyan egykristályos félvezeto
  tartomány, amelyben egymással érintkezik egy p és
  egy n típusú övezet
• Egy pn átmenetbol álló eszköz a dióda
• Pl. Dióda megvalósítás

(B, Al, Ga, In)
(P, As, Sb)
Aanód, Kkatód

• Az ábra torzított, a keresztmetszeti méretek
  általában sokkal kisebbek mint az oldalirányúak
• Planáris szerkezet

Kiindulás Si egykristály szelet,
majd oxidálás, ablaknyitás, n diffúzió, fémezés,
darabolás, felforrasztás, tokozás
3
PN átmenet, félvezeto dióda

• A p típusú hordozóba (substrate) diffúzióval
  juttatják be az n típusú adalékot
• A létrejövo adalékeloszlás, az un adalékprofil
• A tulajdonképpeni pn átmenet ott van, ahol NDNA.
  Ez a metallurgiai átmenet (ahol az anyag úgy
  viselkedik, mintha intrinsic lenne).
• Ugrásszeru (abrupt) suruségváltást tekintünk, ezt
  könnyebb számolni

Adaléksuruség a mélység függvényében A
kompenzált félvezeto Donor-akceptor nettó
adalékolás
4
Vizsgálati módszerünk
1. Egydimenziós vizsgálat, kihasított hasáb
2. Homogén adalékolás, abrupt profil 3.
Egyik oldal erosebben adalékolt (legyen
ez az n oldal)
Nd gtgt Na
5
A pn átmenet töltésviszonyai
(B, Al, Ga, In)
(P, As, Sb)
Mindkét oldal többségi hordozói diffúzióval
áramolnak a túloldal felé. A mozgóképes töltések
diffúziója után helyhez kötött, ellensúlyozatlan
töltések maradnak az átmenet két oldalán. Ezért
megszunik a semlegesség Így elektromos erotér jön
létre
A kialakult elektromos erotér hatására a pn
átmeneten egyensúlyban létrejön egy beépített
feszültség (diffúziós potenciál)
6
A pn átmenet töltésviszonyai
(B, Al, Ga, In)
(P, As, Sb)
Anionok (negatív töltésu ionok)
Kationok (pozitív töltésu ionok)

• A többségi töltéshordozók az átmenet
  környezetében átdiffundálnak a túloldalra
• ? töltéshordozóktól kiürített réteg v.
  tértöltésréteg jön létre az átmenetnél

• Egyensúly
• A többségi töltéshordozók diffúziós árama
  egyensúlyban van a kisebbségi töltéshordozók
  sodródási áramával, I0

7
A pn átmenet töltésviszonyai
(P, As, Sb)
(B, Al, Ga, In)
A töltésegyensúlyból

• A kiürített réteg annál keskenyebb, minél nagyobb
  az adaléksuruség az adott tartományban

A valóságban általában több nagyságrend különbség
van a két oldal adaléksurusége között ? a
kiürített réteg az átmenetnek foként az egyik
oldalára terjed ki
8
Az ideális pn átmenet (dióda) jelleggörbe
egyenlete

• Ez az ideális dióda egyenlet, vagy Schottky
  egyenlet, ahol
• Io a pn átmenet telítési (saturation) vagy
  záróáram állandója, csak anyagállandóktól és az
  adaléksuruségektol függ, a kisebbségi
  töltéshordozó-suruséggel arányos Io?10-14A -
  10-15A
• UTkT/q26 mV, a termikus feszültség
  szobahomérsékleten,
• k8,62x10-5eV/K, a Boltzmann állandó
• T a homérséklet Kelvinben
• q1,602x10-19 Coulomb az elektron töltése elojel
  nélkül

9
Ideális dióda-jelleggörbe számítása
PÉLDA

• Kérdés Egy Si dióda telítési árama I00,1 pA.
  Mekkora a nyitófeszültség, ha az áram 10 mA?

Megoldás
Mennyivel kell a nyitóirányú feszültséget növelni
ahhoz, hogy a nyitóirányú áram tízszeres legyen?
10
A dióda legfobb tulajdonságai

• Pozitív feszültségekre (p típusú anyag pozitívabb
  potenciálon, nyitófeszültség), a szerkezeten a
  feszültségtol exponenciálisan függo áram folyik
• Negatív feszültségekre (p oldal negatívabb,
  zárófeszültség) a szerkezeten nagyon kis,
  gyakorlatilag feszültség-független áram
• A szokásos nyitófeszültség értéke UF? 0,7V

Karakterisztikája I(U)
Egyenirányít!
I
Nyitó (forward) tartomány I exp(U/UT)
Záró (reverse) tartomány I 10-12 A/mm2 (Si,
T300 K)
U
UF?0,7V
11
A dióda jelleggörbe egyszerusített alakjai
Törtvonalas közelítésu jelleggörbe
ID mA
UD V
UBD
UF ?0,7V
Letörési szakasz
12
Valóságos (nem ideális)dióda jelleggörbe

• Az alábbi másodlagos jelenségek (hatások)
  módosítják a dióda jelleggörbéjét
• Kis áramoknál a tértöltésrétegben kialakuló
  áramok, amit az ideális jelleggörbe-egyenlet
  számításánál nem vettünk figyelembe
• Nyitó tartományban rekombinációs áram
• Záró tartományban generációs áram

• Nagy áramoknál
• Nyitó tartományban soros ellenállás
• Záró tartományban letörés

13
Valóságos dióda karakterisztika A soros
ellenállás

• A félvezeto rétegek ohmos ellenállása nagy
  áramoknál jelentos

Megoldás pl. epitaxiális szerkezet
14
Valóságos dióda karakterisztika Rekombinációs
áram

• Nyitóirányban a tértöltésrétegben a töltéshordozó
  injekció hatására megno a töltéshordozó suruség
• Ez megnöveli a rekombinációt
• Azaz a valóságban ez is áramnövekedésként
  jelentkezik
• Ennek, és egyéb másodlagos jelenségeknek a
  figyelembe vételével ?

• ahol n?2

15
Valóságos dióda karakterisztika A generációs áram

• Zárófeszültségek esetén a tértöltésrétegben az
  egyensúlyinál kisebb suruség miatt megno a
  párkeltés (generáció)
• Ez többlet töltéshordozó áramot (un.generációs
  áram) eredményez. ?
• Szokásos értéke
• IR? 10-9A -10-10A
• ni miatt erosen homérséklet függo

16
Valóságos dióda karakterisztika Letörés

• Egy adott kritikus zárófeszültségnél, az un. VBR
  letörési feszültségnél a dióda záróárama hirtelen
  megno és viszonylag nagy áramok folynak a diódán
  nagyon kis további feszültségemelkedéssel
• Hatására a záróáram megsokszorozódik
• Ha kívülrol korlátozzuk azátfolyó áramot, akkor
  a letörésben valómuködés nem teszi tönkre a
  diódát
• A letörés okai
• Zener átütés(alagúthatás)
• Lavina sokszorozódás(ütközési ionizáció)

17
A Zener letörés
Fizikai ok az alagúthatás
A Zener dióda A Zener letörésen alapul
18
A Zener letörés felhasználása A Zener dióda

• A Zener dióda áramköri alkalmazása
• Feszültség referencia
• Feszültség szabályozás (stabilizálás, kis
  fogyasztásnál)

19
A dióda munkapontja

• A dióda karakterisztika egyenlete a dióda
  muködése során lehetséges, összetartozó áram és
  feszültségértékeket adja meg
• A tényleges muködés során a dióda, ill.
  tetszoleges nemlineáris karakterisztikájú elem a
  karakterisztika egy pontjában, az un.
  munkapontban (operating point, quiescent point)
  muködik
• Ezt a pontot az áramkörben a vizsgált nemlineáris
  elemet körülvevo elemek határozzák meg

20
A dióda munkapontja

• Az áramkörre felírt huroktörvénybol
• egy egyenes, az un. munkaegyenes egyenlete adódik
• ez tulajdonképpen az áramkörben a diódán kívül
  eloforduló elem karakterisztikája a dióda
  feszültségének függvényében
• Az áramkörben kialakuló munkapontot a két
  függvény metszéspontja adja

21
Eszközmodellek

• A félvezeto eszközökre kétféle modellt
  használunk
• Nagyjelu modell
• Az egyenáramú viselkedést, a munkaponti
  jellemzoket modellezi
• Nemlineáris (általában)
• Egy jelleggörbével, vagy az azt leíró egyenlettel
  adható meg
• Kisjelu modell
• A váltakozó áramú viselkedést modellezi
• Adott munkapontban a munkapont körüli kis
  megváltozások esetét írja le
• Munkapontfüggo, különbözo munkapontokban eltéro
  egy eszköz kisjelu modellje
• Lineáris
• A munkapontban a jelleggörbét érintovel
  helyettesíti

22
A dióda kisjelu muködése
Az rd differenciális ellenállás munkapontfüggo!
23
A dióda differenciális ellenállása
Nyitó tartomány, I gtgt I0
Ha a soros ellenállással is számolunk
24
A dióda differenciális ellenállása
Egy dióda soros ellenállása 2 ohm Számítsuk ki a
differenciális ellen-állását az I1 mA, 10 mA,
100 mA munkapontokban!
PÉLDA
25
A diódák gyakorlati kivitele
Nagyáramú
Kisáramú
26
Fénykibocsátó dióda (LED)

• Light-Emitting Diodes
• Villamos áram hatására fényt bocsát ki
• A különféle összetételu vegyület félvezetok
  eltéro fényu LED-eket eredményeznek
• Egyedül is és szelvénybe rendezetten is
  használják, ez utóbbira példa a képen látható
  hét-szelvényes (seven-segment) kijelzo

27
Diódák elektronikai alkalmazásai

• Nagyon sokrétu, elsodlegesen analóg áramkörökben
  használják
• Néhány példa
• Egyenirányítás
• Feszültség szabályozás/stabilizálás (pl. Zener
  dióda)
• Homérséklet mérés
• Fénykibocsátás (LED-ek)