Dióda működése

Félvezető dióda

A p-n átmenet

A félvezető diódát egy monokristály lapkából alakítják ki úgy, hogy a lapka egyik felét p, míg a másik felét n típusú adalékanyaggal szennyezik. A p-n átmenet tehát csak a vezetési típus megváltozását jelenti, de a kristályszerkezet továbbra is szabályos marad.

Az 1. ábra mutatja a létrejött p-n átmenetet. A bal oldali, p típusú tartományban a lyukak, a jobb oldali, n típusú tartományban az elektronok a többségi töltéshordozók, amelyek az adott tartományban nagy koncentrációban vannak jelen.

1.a) p-n átmenet

1.b) Töltéssűrűség

1.c) Elektrosztatikus potenciál

A p-n átmenet kialakulása pillanatában a szabad töltéshordozók diffúziós áramlása kezdődik meg. Ennek kapcsán a p rétegből lyukak kerülnek át (a határrétegen keresztül) az n rétegbe, ahol a jelenlévő elektronokkal rekombinálódnak. Ugyanígy az n rétegből a diffúzió folytán elektronok kerülnek a határréteg másik oldalára, a p rétegbe, ahol az ott nagy számban lévő többségi töltéshordozó lyukakkal rekombinálódnak. Mindennek következtében:

a) Az n rétegben, a határréteg környékén nem lesznek szabad elektronok, mert egyrészt a p rétegbe távoztak, másrészt rekombinálódtak a p rétegből érkezett lyukakkal,

b) a p rétegben, a határréteg környékén nem lesznek szabad lyukak, mert egyrészt az n rétegbe távoztak, másrészt rekombinálódtak az n rétegből érkezett elektronokkal,

c) az n réteg, amely eddig elektromosan semleges volt, most pozitív töltésűvé vált, mert a határrétegen keresztül negatív töltésű elektronok hagyták el, ugyanakkor pozitív töltésű lyukak érkeztek,

d) a p réteg, amely önmaga szintén elektromosan semleges volt, most negatív töltésűvé vált, mert pozitív töltésű lyukak hagyták el, és elektronok érkeztek.

a) és b) következtében a határréteg környezetében egyik oldalon sem lesznek szabad töltéshordozók, ezért ezt a réteget „kiürített rétegnek” nevezik.

c) és d) következtében a határréteg bal oldalán, a p rétegben negatív töltések gyűlnek össze, amelyek elektrosztatikus taszításukkal akadályozzák az n rétegből a további elektronok átjutását, ezért az egyensúly beállása után további elektronok nem érkeznek. Az n rétegben, a határréteg jobb oldalán viszont a pozitív töltések gyűlnek össze, amelyek elektrosztatikusan taszítják a p rétegből még átdiffundálni szándékozó lyukakat, itt is beáll egy egyensúly, ami után további lyukak nem érkeznek. A határréteg két oldalán kialakuló potenciálgát tehát megakadályozza, hogy a határrétegen további többségi töltéshordozók jussanak át. (Meg kell azonban jegyezni, hogy ugyanaz a potenciálgát, amely a további többségi töltéshordozóknak a határrétegen való átjutását megakadályozza, a kisebbségi töltéshordozók átjutását segíti!) A potenciálgát (diffúziós potenciál) nagysága germánium esetében 0,1-0,2V, szilícium esetében 0,5-0,7V.

A dióda záróirányú működése

Ha az 1. ábra szerinti p-n átmenetet rezisztív érintkezőkkel (olyan érintkezőkkel, amelyeknek a félvezetőhöz csatlakozásakor nem alakul ki újabb p-n átmenet) látjuk el, és a p kivezetéshez külső feszültségforrásból negatív, az n kivezetéshez pozitív feszültséget vezetünk (2. ábra), a p kivezetésen keresztül a külső feszültségforrásból további elektronok érkeznek a p rétegbe, míg az n réteget elektronok hagyják el a külső feszültségforrás felé. Ez által a két réteg közötti potenciálgát tovább növekszik, ami lehetetlenné teszi a többségi töltéshordozóknak a határrétegen való átjutását.

2. ábra: Záró irányban előfeszített dióda

A dióda karakterisztikáját a 3. ábra mutatja. A záró irányú feszültséget UR-el, a záró irányú áramot IR-el jelöljük.

3. ábra: A dióda karakterisztikája

A határrétegen csak a kisebbségi töltéshordozók juthatnak át, melyek elenyésző mennyiségben vannak csak jelen a többségi töltéshordozókhoz képest. Ezért a záró irányban előfeszített diódán csak a kisebbségi töltéshordozók általában elhanyagolható árama, az un. záróáram folyik át, amely - egy bizonyos értékig - gyakorlatilag független a diódára kapcsolt zárófeszültségtől (3. ábra 0-A szakasz).

Lavina- és Zener-hatás

Abban az esetben, ha a diódára nagy zárófeszültséget kapcsolnak, a vékony kiürített rétegben olyan nagy térerősség jöhet létre (8 * 10⁴ V/cm), amelynek hatására a határrétegen átjutó kisebbségi töltéshordozók olyan mértékben felgyorsulnak, hogy ütközéseikkel vegyértékelektronokat tudnak leszakítani a kristályrácsban lévő atomokról. A leszakadt elektronok ugyanilyen mértékben felgyorsulva, további elektronokat sodornak el, és így lavinaszerűen megnő a szabad elektronok (és lyukak) száma, és ezzel a határrétegen átfolyó áram. A kialakuló áramot csak a félvezető soros ellenállása korlátozza (3. ábra A-B szakasz, un. letörési tartomány.)

Ha a határréteg nagyon vékony, és a zárófeszültség nagy, belső téremisszió folytán az átmenet mentén uralkodó nagy térerősség szakít le elektronokat a rácsszerkezetből és hozhat létre ezáltal újabb lyukakat is. Ez a Zener - hatás. A folyamat a félvezető által meghatározott feszültségen (Zener - feszültség) zajlik le, és a kialakuló áramot itt is csak a félvezető soros ellenállása korlátozza.

A dióda zárókarakterisztikán (3. ábra) ugyancsak az A-B szakasz ábrázolja ezt a tartományt.

Feszültségstabilizátorokban való alkalmazás céljából, megfelelő adalékolás és geometria alkalmazásával különféle feszültségekre készítenek a fenti elven működő diódákat. Gyakorlatilag szilíciumban 5V letörési feszültség alatt a Zener-hatás, 8V letörési feszültség felett a lavinahatás okozza a letörést. 5V és 8V letörési feszültség között mindkét effektus egyidejűleg működik, ezért ebben a feszültségtartományban lehet a legjobb tulajdonságú diódát készíteni. Amikor rétegdiódákon először figyelték meg a letörési tartományt, azt a Zener - hatásnak tulajdonították, és az ilyen diódákat Zener-diódának nevezték el. Később kiderült, hogy sokszor a lavinamechanizmus hozza létre a letörést, de az elnevezésen már nem változtattak, és ezért e diódákat a letörés jellegétől függetlenül Zener-diódának nevezik.

A dióda nyitóirányú működése

Abban az esetben, ha a dióda p rétegére pozitív, n rétegére negatív feszültséget (nyitófeszültséget) kapcsolunk (4. ábra), az n rétegbe a feszültségforrásból elektronok érkeznek, a p rétegből elektronok távoznak, minek következtében a potenciálgát csökken. Ha a nyitófeszültség eléri a diffúziós potenciált, a potenciálgát megszűnik, és nincs akadálya annak, hogy a többségi töltéshordozók átlépjék a határréteget. (Tekintettel arra, hogy a többségi töltéshordozók a határréteg átlépése után, a másik tartományban kisebbségi töltéshordozókká válnak, ezt a folyamatot a kisebbségi töltéshordozók injektálásának nevezik.) Így a diódán áram folyhat, melynek nagyságát a nyitófeszültség befolyásolja.

4. ábra: Nyitóirányban előfeszített dióda

A dióda nyitóirányú karakterisztikáját a 3. ábra O-C szakasza mutatja. A nyitóirányú feszültséget UF-el, a nyitóáramot IF-el jelöljük.

Megjegyzés: A 3. ábra áram tengelyének léptéke nyitóirányban és záró irányban nem egyforma. A záróáram csak μA nagyságrendű, ezért IR tengelyen mikroamperek, míg a nyitóáram akár A nagyságrendű is lehet, ezért IF tengelyen milliamperek vagy amperek szoktak felmérve lenni.

A kisteljesítményű diódákon kb. 0,8V nyitófeszültség felett már olyan nagy áram folyik, amely a meghaladja a diódára megengedett maximális áramot (illetve a diódán eső feszültség és az áram szorzata meghaladja a diódára engedélyezett disszipációs teljesítményt), ezért a dióda túlmelegszik, tönkremegy.

A dióda elektródái és jelölésük

A dióda p típusú tartományához csatlakozó elektródáját anódnak (A), az n típusú tartományhoz csatlakozó elektródát katódnak (K) nevezik.

A kapcsolási rajzon a diódát az 5. ábra szerinti rajzjellel jelölik. A Zener-dióda rajzjele a 6. ábrán látható.

5. ábra: Dióda rajzjele

6. ábra: Zener-dióda rajzjele

Elektroncső dióda

A legegyszerűbb elektroncső a dióda. A dióda villamos áram által izzított, elektronokat emittáló katódból, és az elektronokat felfogó anódból áll. A dióda elektródái légritkított (10^-6 Hgmm, 10^-4 Pa ) üvegburában helyezkednek el. (A katódot izzító áramot egy fűtőszálon vezetik keresztül. Ha a fűtőszál maga emittálja az elektronokat, azaz maga a katód, közvetlen fűtésű csőről beszélünk, ha pedig a fűtőszál szerepe csak az, hogy a körülötte hengeresen elhelyezkedő katódot izzítsa, közvetett fűtésű csőről van szó.)

Ha az anódra a katódhoz képest pozitív feszültséget kapcsolunk, az elektrosztatikusan magához vonzza a katódból kilépő elektronokat, így az elektroncsövön keresztül áram indul meg. A negatív töltésű elektronok a katódtól az anód felé haladnak, így az áram iránya (a pozitív töltések elképzelt haladási iránya) az anódtól a katód felé mutat.

Ha az anódra a katódhoz képest negatív feszültséget kapcsolunk, az taszítja a katódból kilépett elektronokat. Nagyon kis negatív anódfeszültség esetén még néhány elektron eljut az anódra, a negatív anódfeszültség növelésével viszont az anódáram megszűnik, a cső lezár.

Ilyen formán az elektroncső dióda az anódnak a katódhoz képesti feszültségétől függően ugyanúgy „nyit” vagy „zár”, mint a félvezető dióda.

Az elektroncső dióda általános jelölését, illetve a közvetlen és közvetett fűtésű dióda rajzjelét a 7. ábra mutatja.

7. ábra