Dióda működése
Tartalomjegyzék
- 1 Alapjelenségek a félvezető diódában
- 1.1 A p-n átmenet
- 1.2 A dióda záróirányú működése
- 1.3 Lavina- és Zener-hatás
- 1.4 A dióda nyitóirányú működése
- 1.5 A dióda elektródái és jelölésük
- 1.6 A germániumdióda karakterisztikája
- 1.7 A szilíciumdióda karakterisztikája
- 1.8 Letörés záró irányban
- 1.9 A dióda impulzusüzemű és nagyfrekvenciás viselkedése
- 2 Félvezető dióda típusok
Alapjelenségek a félvezető diódában
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.
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.
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.
A 10. ábra a katalógusban szokásos módon adja meg az 1N4151 szilíciumdióda nyitóáramának hőmérsékletfüggését. Az ábrából leolvasható, hogy pl. 0,7V nyitófeszültségnél 25 C fok környezeti hőmérsékleten 5 mA, míg 100 C fok környezeti hőmérsékleten 25 mA a nyitóáram.
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.
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.
Félvezető dióda típusok
A diódák sok célra használatosak, erre már a gyártás során ügyelnek, a felhasználási célokra optimalizálva gyártják:
És végül egy klasszikus ős, amely teljesen más elven működik:
