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

A germániumdióda karakterisztikája

A p-n átmenetnél kialakuló potenciálgát (diffúziós potenciál) nagyságát a félvezető anyaga határozza meg. Germánium esetén a diffúziós potenciál 0,1-0,2V. Nyitó irányban jelentős áram akkor indul meg a diódán, amikor a diódára kapcsolt nyitófeszültség ezt az értéket eléri. Ez után a nyitófeszültség akár kb. 1,5V-ig növelhető, miközben a diódán átfolyó áram növekszik. A hőmérséklet növekedésével a nyitóáram növekszik.

Záró irányban - a letörésig - a kisebbségi töltéshordozóknak a határrétegen való áthaladásából származó záróáram folyik. A kisebbségi töltéshordozók számával együtt a záróáram is a hőmérséklet függvénye.

Egy germániumdióda jellegzetes karakterisztikája a 7. ábrán látható.

7. Ge dióda karakterisztikája

Tekintettel arra, hogy mind a nyitóáram, mind a záróáram a hőmérséklet függvénye, a katalógusokban a dióda karakterisztikáit a hőmérséklettel is szokták paraméterezni. A 8. ábrán az OA1160 germániumdióda ilyen karakterisztikáit láthatjuk. (A görbék azért nem az 7. ábra szerinti alakúak, mert itt mind a feszültség-, mind az áramtengely logaritmikus léptékű. A nyitó- és záróáram is ugyanabba a koordinátarendszerbe van belerajzolva.)

Figyeljük meg, hogy:

- ameddig a nyitófeszültség meg nem közelíti a diffúziós potenciált, a nyitó- és záróáram azonos hőmérsékleten ugyanakkora (IR és IF még nem válik szét), mert ekkor mindkét áram csak a kisebbségi töltéshordozók mozgásából adódik,

- azonos nyitó (vagy záró) feszültség esetén nagyobb hőmérsékleten nagyobb a nyitó (vagy záró) áram is. Pl. ha UF= 0,2V, IF 25 C fokon 200 μA, 60 C fokon pedig 700 μA.

8. OA1160 Ge dióda karakterisztikáinak hőfokfüggése

A szilíciumdióda karakterisztikája

A szilícium diffúziós potenciálja kb. 0,5V, ezért a dióda akkor nyit ki, amikor a nyitófeszültség ezt az értéket eléri. A nyitófeszültséget kb. 1 V-ig lehet növelni a nyitóáram jelentős növekedése mellett. A hőmérséklet növekedésével - azonos nyitófeszültségnél - a nyitóáram is nő.

A szilíciumdióda záróárama kisebb, mint a germániumdiódáé, de szintén függ a hőmérséklettől.

Egy szilíciumdióda jellegzetes karakterisztikája látható a 9. ábrán.

9. Si dióda karakterisztikája

A 10. ábra a katalógusban szokásos módon adja meg az 1N4151 szilíciumdióda nyitóáramának hőmérsékletfüggését. Az ábrából leolvasható, hogy pl. 0,6V nyitófeszültségnél 25 C fok környezeti hőmérsékleten 10 mA, míg 100 C fok környezeti hőmérsékleten 80 mA a nyitóáram.

10. Az 1N4151 dióda nyitókarakterisztikájának hőfokfüggése

Letörés záró irányban

Ha a záró irányú feszültség eléri a letörési feszültséget (ld. laviza- és Zener hatás), a dióda záróárama megnő, a dióda vezetni kezd.

A diódán eső feszültség és a rajta átfolyó áram szorzata megadja diódán disszipálódó teljesítményt, amely a diódán hővé alakul. A katalógusban minden diódához megadják azt a (mechanikai kialakításától, hűtési módjától függő) teljesítményt, amelyet a dióda károsodás nélkül képes eldisszipálni.

Az általános felhasználású dióda gyártásánál arra törekednek, hogy az minél nagyobb zárófeszültségnél is működhessen, tehát letörési feszültsége nagy legyen. Nagy letörési feszültségnél pedig igen kis áram is elegendő ahhoz, hogy a dióda által disszipált teljesítmény meghaladja a megengedett határértéket, ekkor pedig a dióda túlhevül és tönkremegy. (Mindez a másodperc törtrésze alatt mehet végbe.) Az ilyen dióda letörése tehát általában azonnali tönkremenetelét jelenti.

A kifejezetten feszültségstabilizálásra szánt (Zener-) diódákat eleve kisebb letörési feszültségre méretezik, és a nagyobb teljesítmény disszipálására szánt példányokat megfelelő hűtéssel látják el. Ezért ezeknek a diódáknak normális üzemmódja a karakterisztikájuk letörési szakaszában való üzemeltetés.

A dióda impulzusüzemű és nagyfrekvenciás viselkedése

A nyitóirányban előfeszített rétegdióda p rétegéből lyukak áramlanak az n rétegbe, ahol kisebbségi töltéshordozókká válnak. Hasonló módon, az n rétegből érkező elektronok a p rétegben számítanak kisebbségi töltéshordozónak. Mindkét rétegben bizonyos mennyiségű kisebbségi töltéshordozó halmozódik fel.

Ha a diódára kapcsolt feszültség hirtelen záró irányúra változik, az azonnal létrejövő potenciálgát elektrosztatikus hatásával gátolja a többségi töltéshordozók átlépését a határrétegen, ugyanakkor a mindkét rétegben már felhalmozódott kisebbségi töltéshordozók átjutását nem akadályozza meg, sőt segíti. Ezért a még nem rekombinálódott kisebbségi töltéshordozók mindkét rétegben irányt változtatnak, átlépik a határréteget, és rövid ideig (ameddig valamennyi felhalmozódott töltéshordozó ki nem űrül) exponenciálisan csökkenő záró irányú áram folyik a diódán keresztül. (11. ábra). Az újraéledési idő (trr) az az idő, amely alatt ez a záró irányú áram a csúcsértékének a tizedére esik vissza.

11. A dióda áramának alakulása, ha a nyitófeszültség hirtelen záró irányúvá válik

Mindez azt jelenti, hogy az átkapcsolás után rövid (ps...μs nagyságrendű) ideig a dióda záró irányban is vezet. Ez a jelenség a dióda impulzusüzemű illetve nagyfrekvenciás felhasználását korlátozza, ha a jel periódusideje összemérhető az újraéledési idővel.

Nagyfrekvenciás alkalmazásra ezért úgy alakítják ki a diódát, hogy a kisebbségi töltéshordozók igen rövid idő alatt rekombinálódjanak, és így felhalmozódásuk minimális legyen.

Zener dióda

A Zener-dióda Zener- vagy lavinaeffektuson alapuló működésű, feszültségstabilizálás céljára gyártott dióda.

A Zener-diódákat különféle disszipációs teljesítménnyel és feszültségtűréssel, általában az E12 sor szerinti névleges letörési feszültséggel gyártják. A 12. ábrán a kis teljesítményigény (500mW) esetén általánosan használt, ZPD sorozatú szilícium Zener-diódák zárókarakterisztikáit látjuk.

Feszültségstabilizálás céljára az az előnyös, ha a záróáram változásakor a diódán eső záró- (letörési) feszültség minél kisebb mértékben változik. Figyeljük meg, hogy a sorozat diódáin ez 5,6...8,2 V között teljesül a leginkább (itt a legmeredekebbek a karakterisztikák), mivel ebben a feszültségtartományban egyszerre érvényesül a Zener- és a lavinaeffektus.

A szaggatott vonallal jelölt 5 mA munkaponti árammal kell mérni a névleges letörési feszültséget.

12. ZPD sorozat karakterisztikái

Varicap (kapacitás-) dióda

A záró irányban előfeszített diódában a kiürített rétegben nincsenek szabad töltéshordozók. Minél nagyobb a zárófeszültség, annál szélesebb lesz a kiürített réteg, amely elválasztja egymástól a katódban és az anódban felhalmozódott szabad töltéshordozókat.

A lezárt dióda tehát úgy viselkedik, mint egy kondenzátor, ahol a szabad töltéshordozókat tartalmazó „fegyverzetek” távolsága a kiürített réteg szélességével, azaz a záró irányban bekapcsolt feszültség nagyságával szabályozható. Minél nagyobb a zárófeszültség, annál távolabb kerülnek egymástól a „fegyverzetek”, így annál kisebb lesz a kapacitás.

A katód- és anód speciális adalékolásával különféle feszültség/kapacitás jelleggörbéjű varicap (kapacitás-) diódákat állítanak elő. (Nagyfrekvenciás alkalmazásokra kisebb, kisfrekvenciás célra nagyobb kapacitás tartományban működő varicap diódák szükségesek). A 13. ábrán a BB 204 varicap dióda zárófeszültség/kapacitás karakterisztikáját látjuk (a zárófeszültség logaritmikus léptékű).

13. A BB204 varicap dióda zárófeszültség/kapacitás karakterisztikája

A varicap dióda rajzjelét a 14. ábra mutatja.

14. Varicap dióda rajzjele

Alagút (tunnel-, Esaki-) dióda

Mind a p, mind az n réteget sok adalékanyaggal szennyezve, speciális karakterisztikájú dióda állítható elő. (A működés részletezésére terjedelmi okokból nem térhetünk ki.) A 15. ábra szerinti diódakarakterisztika jellemzői:

- záró irányban azonnal letörik, és jelentős áram folyik (ezt a tartományt nem használják),

- nyitó irányban 50-100 mV feszültségig az áram növekszik, majd kb. 250 mV nyitófeszültségig növekvő feszültséghez csökkenő áram tartozik, 250 mV nyitófeszültség felett az áram ismét növekszik. A 100 mV...250 mV közötti szakaszban a dióda differenciális ellenállása negatív. Ezt a tulajdonságát pl. LC oszcillátorokban, a rezgőköri veszteségek kompenzálására használják fel.

15. Alagútdióda karakterisztikája

Az alagútdióda rajzjele a 16. ábrán látható.

16. Alagútdióda rajzjele

Schottky-dióda

A Schottky-dióda fém és félvezető között létesített átmenet. Az n típusú félvezető és a fém átmeneténél potenciálgát keletkezik, melynek magassága a félvezető felől nézve a rákapcsolt külső feszültséggel változtatható. A nyitó irányú (a félvezető a negatív, a fémréteg a pozitív) feszültség hatására a potenciálgát lecsökken, és a félvezetőből többségi töltéshordozókból álló áram indul meg a fém felé.

Tekintettel arra, hogy a dióda működésében a kisebbségi töltéshordozók nem játszanak szerepet, nem jön létre a kisebbségi töltéshordozók felhalmozódása, ezért a Schottky-dióda igen gyors kapcsolóeszköz. A kapcsolási sebességet csak a katód és az anód közti kapacitás korlátozza.

A Schottky-dióda karakterisztikáját a 17. ábra mutatja. Nyitófeszültsége 0,2-0,4V, a záróáram kicsi.

17. Schottky-dióda karakterisztikája

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 18. ábra mutatja.

18. ábra

A félvezető és elektroncső dióda karakterisztikái közötti alapvető különbség, hogy

- az elektroncső diódán soha nem folyik a katódból az anód felé irányuló áram (míg a félvezető dióda esetében a kisebbségi töltéshordozók árama ilyen irányú)

- a félvezető diódán 0 anódfeszültségnél 0 anódáram folyik, míg az elektroncső diódán 0 anódfeszültségnél is folyik csekély anódáram, amely csak kis negatív anódfeszültségnél szűnik meg.

Az elektroncső diódáról részletesebben az Elektroncső -nél olvashatsz.