Electronics Technology Fundamentals

Transkript

1 Electronics Technology Fundamentals Kapittel 17 Introduksjon til Solid State Components: Diodes Revidert versjon jan 2007 T.Lindem 1

2 17.1 Semiconductors P1 Halvledere Semiconductors Atomer som har 4 valenselektroner 2

3 17.1 Semiconductors P2 Ladning og ledning Charge and Conduction Conduction Band Lednings - bånd - Energitilstand over valensbåndet Et elektron som absorberer energi og hopper fra valensbåndet til ledningsbåndet sier vi er i eksertert tilstand (excited state ) 3

4 17.1 Semiconductors P3 Covalent Bonding metoden som enkelte antomer bruker for å komplettere valens-båndet til 8 elektroner. Det utveksles elektroner med naboatomene Silisium med 4 valenselektroner danner en diamant -struktur. Det utveksles elektroner med nabo-atomene slik at det dannes en konfigurasjon med 8 elektroner rundt hvert atom. 4

5 17.1 Semiconductors P4 Conduction Ledning i rene halvledere Electron-Hole Pair - Når det tilføres energi I form av varme/stråling løftes et elektron fra valensbåndet opp i ledningdsbåndet. Recombination Når et fritt elektron I ledningsbåndet faller ned I et ledig hull i valensbåndet. Energien frigjøres enten som varme eller elektromagnetisk stråling For å løsrive et elektron fra denne strukturen trenges en energi på 1,1 ev 5

6 17.2 Doping P1 Doping the process of adding impurity atoms to intrinsic (rent) silicon to increase its conductivity Trivalent Grunnstoff med 3 elektroner i valensbåndet (yttre skall) Pentavalent Grunnstoff med 5 elektroner I valensbåndet Trivalent Impurity Aluminum (Al) Gallium (Ga) Boron (B) Indium (In) Pentavalent Impurity Phosphorus (P) Arsenic (As) Antimony (Sb) Bismuth (Bi) 6

7 17.2 Doping P2 N-Type Materials vi forurenser med et stoff som har 5 valenselektroner. Vi får et ekstra elektron som ikke blir med i den kovalente bindingen. Electrons majority carriers Holes minority carriers Det skal lite energi til før dette elektronet frigjøres - ca 0,05eV 7

8 17.2 Doping P3 P-Type Materials Vi tilfører et stoff med 3 valenselektroner. Det betyr at trukturen ikke fylles det mangler et elektron i den kovalente bindingen Holes majority carriers Electrons minority carriers 8

9 17.2 Doping P4 Setter vi et n-dopet silisium sammen med p-dopet silisium får vi en diffusjon av elektroner fra n-siden over til p-siden. ( Diffusjon = En drift av elektroner fra et område med høy elektrontetthet til et område med lav elektron-tetthet ) 9

10 17.3 The PN Junction P1 PN Junction vi setter sammen n-type og p-type materialer 10

11 17.3 The PN Junction P2 Electron Diffusion Depletion Layer - Det dannes fort et tynnt sperresjikt rundt junction Barrier Potential Elektronene som har forlatt n-siden etterlater seg et positivt ladet område og det etableres et neg. ladet område på p-siden. Det dannes en potensialbarriere på ca 0,6-0,7 volt mellom n og p + E - 11

12 17.4 Bias P1 Bias eller forspenning et potensial som tilføres pn junction fra en utvendig spenningskilde (f.eks. batteri). Denne bias-spenning bestemmer bredden på depletion layer Forward Bias Tilført spenning motvirker det interne sperrefeltet. Dette åpner for elektrontransport fra n til p 12

13 17.4 Bias P2 Forward Bias (Continued) Bulk Resistance (R B ) V F 0.7 V for silicon V F 0.3 V for germanium Katode n Anode p 13

14 17.4 Bias P3 Reverse Bias Tilført spenning virker sammen med det interne sperrefeltet. Dette sperrer for elektrontransport fra n til p 14

15 17.5 PN Junction Diodes P1 Diode a two-electrode (i.e., two-terminal) component that acts as a one-way conductor Insert Figure

16 17.5 PN Junction Diodes P2 Ideal Diode Characteristics would act as a simple switch Reverse Biased (Open Switch) has infinite resistance, zero reverse current, and drops the applied voltage across its terminals Forward Biased (Closed Switch) has no resistance, and therefore, no voltage across its terminals The Practical Diode Forward Voltage (V F ) Knee Voltage (V K ) 16

17 17.5 PN Junction Diodes P3 Practical Circuit Analysis V R 1 = VS VF = VS 0.7 V I T = V R 1 V 0.7 V 1 5 V 0.7 V 1kΩ R1 S = = = R 4.3 ma 17

18 17.6 Diode Ratings P1 Peak Reverse Voltage (V RRM ) the maximum reverse voltage that won t force the diode to conduct 18

19 17.7 Other Diode Characteristics P1 Bulk Resistance (R B ) Den naturlige motsatanden i diodematerialet for p-type og n-type Denne motstanden får betydning når dioden leder strøm V = 0.7 V + I F F R B 19

20 17.7 Other Diode Characteristics P3 Reverse Current (I S ) ( lekkasjestrøm ) En liten strøm av minoritetsbærere (elektroner i P-området) vil lekke over sperresjiktet (depletion layer) når dioden er forspent I sperreretning I S består av to uavhengige strømmer Reverse Saturation Current (I S ) for Si = A for Ge = 10-7 A Surface-Leakage Current (I SL ) varierer med overflatens størrelse Det korrekte uttrykk for strømmen i dioden er gitt av likningen I D V D nv T = I S ( e 1) V D = spenningen over dioden V T = den termiske spenningen = 25mV ved 300 o Kelvin (se komp. fys.elektr) n = 1 ev. 2 avh. Si eller Ge 20

21 17.7 Other Diode Characteristics P4 Diode Capacitance Depletion layer virker som en isolator mellom anode og katode. Vi ser at dioden kan betraktes som en kondensator når den er forspent i sperreretning. Hvis spenningen i sperreretning økes - vil tykkelsen på depletion layer øke. Det betyr at dioden i sperreretning kan brukes som en variabel kondensator. Det lages spesielle dioder til slikt bruk varicap-dioder Brukes ofte i radiomottakere til frekvensinnstilling (stasjonsvalg) 21

22 17.7 Other Diode Characteristics P5 Temperature Effects on Diode Operation NB! Husk disse kurvene er eksponentialfunksjoner. Bokas fremstilling er ikke helt korrekt.. Vi vet at : I F I S e V D V T Hvor k T T V T = 0259volt q = = 0, Ved 300 o Kelvin 22

23 17.7 Other Diode Characteristics P6 Temperature Effects on Diode Operation (Continued) 23

24 17.8 Diode Specifications P3 Diode Identification 24

25 17.9 Zener Diodes P1 Zener Diode a type of diode that is designed to work in the reverse breakdown region of its operating curve Reverse Breakdown Voltage (V BR ) Application: Voltage Regulator Zener Voltage (V Z ) To effekter gir grunnlag for zener-diodens karakteristikk 1. Avalanche (skred) Frie ladninger aksellereres disse kolliderer med Sistrukturen og frigjør nye ladninger 2. Zener-effekt (kvantemekanisk tunneling) E-feltet er så sterkt at elektroner rives løs fra de kovalente bindingene 3. Avhengig av doping-graden vil en eller begge disse effektene bestemme zenerdiodens breakdown voltage 25

26 17.9 Zener Diodes P3 Zener Operating Characteristics Zener Knee Current (I ZK ) Maximum Zener Current (I ZM ) Zener Test Current (I ZT ) Zenerspenningen vil være temperaturavhengig dioder med en spenning på ca. 5,6 volt vil være temperaturstabile. Vi kaller ofte slike dioder referansedioder 26

27 17.9 Zener Diodes P5 Zener Operating Characteristics (Continued) Zener Impedance (Z Z ) the zener diode s opposition to a change in current 27

28 17.11 Light-Emitting Diodes P1 Light-emitting diodes (LEDs) lysdioder er dioder som kan sende ut lys når de får riktig bias 28

29 17.11 Light-Emitting Diodes P2 Light-emitting diodes (LEDs) (Continued) Insert Figure

30 17.11 Light-Emitting Diodes P3 LED Characteristics Forward Voltage: +1.2 to +4.3 V (typical) Reverse Breakdown Voltage: -3 to 10 V (typical) Et fritt elektron som rekombinerer med et hull vil avgi energi E. Avhengig av materialene som benyttes vil denne energien bli avgitt som varme eller som elektromagnetisk stråling med en frekvens ( f ) vi oppfatter som lys. E = h f h = Plancks konstant Gallium Arsenid GaAs infrarødt lys λ 900nm Gallium Arsenid-fosfid, GaAsP RØDT LYS GaP GRØNT LYS GaN BLÅTT LYS 30

31 17.11 Light-Emitting Diodes P4 Current-Limiting Resistors LEDs require the use of series currentlimiting resistors to ensure that the maximum current rating of the LED will not be exceeded R S = V out( pk ) I F V F where V out(pk) V F I F = the peak output voltage of the driving circuit = the minimum rated forward voltage for the LED = the maximum forward current rating for the LED 31

32 17.12 Diodes: A Comparison 32