3. DIODY Są to przyrządy dwukońcówkowe, gdzie obszarem roboczym jest złącze. Ogólny symbol graficzny Przykładając + do anody wymuszamy prąd przewodzenia (forward direction), odwrotny kierunek daje prąd zaporowy (reverse direction) Obszar roboczy diody: złącza p-n, p-i-n, m-s (Schottky)

OZNACZENIA - symbole literowo-cyfrowe ustalane przez producentów Diody OZNACZENIA - symbole literowo-cyfrowe ustalane przez producentów OZNACZENIA POLSKIE Pierwsza litera - rodzaj materiału: B - Si C - GaAs, GaP, GaAsP Druga litera - rodzaj i funkcja: A - diody przełączające, detekcyjne B - diody pojemnościowe P - fotodiody i fototranzystory Q - diody elektroluminescencyjne ( LED-y) Y - diody prostownicze X - diody mikrofalowe Z - diody Zenera Druga część symbolu: litera i cyfry - oznaczenie producenta i rodzaj zastosowań Trzecia część symbolu: oznaczenie wersji, tolerancje napięcia pracy, maks.nap. wsteczne, itp Przykład: BYP -680-600 dioda krzemowa, prostownicza, producent P, seria 680, szczytowe napięcie wsteczne 600V

A. Diody ogólnego przeznaczenia 3.1 Diody prostownicze Służą do prostowania przebiegów elektrycznych, głównie przemiennych napięć sieciowych (prostowniki). Dla innych zastosowań wytwarza się diody prostownicze o różnych poziomach mocy, różnych napięciach wstecznych oraz różnych prądach przewodzenia. Diody prostownicze można podzielić na następujące grupy: A. Diody ogólnego przeznaczenia Prostowanie przebiegów o częst. akustycznych i ultradźwiękowych. Niewielkie wartości IF, UR, P, typowe IF = 1A UR= 500V P = 0,5 W B. Diody mocy Pracują z dużymi mocami rozpraszanymi w diodzie. Dzielą się ponadto w zal. od dopuszczalnego prądu wyprostowanego, napięcia wstecznego, maksymalnej prędkości przełączania kierunku pracy (trr - reverse recovery time) trr< 500 ns - szybkie < 100 ns - super szybkie < 50 ns - ultra szybkie

C. Diody wysokonapięciowe Praca z napięciami większymi od kilkuset woltów. Stosy prostownicze (szeregowe połączenie diod) mają napięcia do 150 kV. D. Diody lawinowe (ang. avalanche) Pracują w obszarze przebicia lawinowego złącza. Mają zdolność tłumienia przepięć w wyniku stanów przejściowych lub wyładowań statycznych ( telekomunikacja).

Charakterystyka prądowo-napięciowa Diody Dla diod prostowniczych istotne są: Parametry charakterystyczne: (UF, IF ) ( UR, IR ) Parametry admisyjne : Nap. wsteczne Urmax ( URWMmax) Prąd przewodzenia Ifmax(IFRMmax) stały max.wart. szczytowa Charakterystyka prądowo-napięciowa Diody p-n : Dla nominalnej wart. IF mają UF w granicach 1,1 - 1,7V Diody Schottky`ego : UF = 0,55 - 0,75V

Diody Charakterystyka przewodzenia w skali półlogarytmicznej pozwala wyznaczyć inne parametry diody: n- współcz. nieidealności złącza Is - prąd nasycenia α dla Tj= 300K Charakterystyka wsteczna określa prąd, który dla prostownika jest prądem upływu. Zwykłe diody pracują poniżej napięcia przebicia lawinowego. Diody prostownicze lawinowe pracują powyżej tego napięcia. UBR - napięcie przebicia IBR - prąd odpow. przebiciu

DIODY W obliczeniach inżynierskich stosuje się liniową aproksymację charakt. diody: 1) Zakres przewodzenia UT - nap. progowe 0.7V p-n 0.55V Schottky rF - rez. zastępcza w kier. przew. 2) Zakres wsteczny rA- rez. zast. w zakr. lawinowym

Prostowanie w układzie prostownika jednopołówkowego DIODY Prostowanie w układzie prostownika jednopołówkowego Wartość średnia prądu wyprost. Moc admisyjna (dopuszczalna) Pmax diody jest związana z I0max: TC - temp. obudowy Rth - rezystancja termiczna rF - rez. zastępcza w kier. przew.

DIODY 3.2. Diody Zenera Przebicie złącza nap. zaporowym może być odwracalne lub nie, czyli niszczące. W diodach Zenera proces ten jest odwracalny i celowy. W cienkich złączach (o grubości śr. drogi swob.) pole E powoduje jonizację elektrostatyczną- zjawisko Zenera. Silnie domieszkowane złącze skokowe p+/n+ spolaryzowane zaporowo Elektrony wyrwane z wiązań kowalencyjnych tunelują przez barierę potencjału bez zmiany energii A,B - param. materiałowe E - pole elektr. > 106V/cm

DIODY Charakterystyka diody Zenera w obszarze przebicia posiada duże nachylenie zastosowanie: stabilizatory napięcia ograniczniki napięcia odniesienia itp. Własności diod określają zbiory parametrów: UF, IF UR, IR C(UR) param. admisyjne Ifmax, Pmax, Tjmax UZ,, IŻ (nap. Zenera przy określonym prądzie wstecznym) rZ (rez. dynamiczna w zakr. roboczym) temp. współcz. napięcia Zenera:

DIODY Współczynnik UZ zależy od prądu, tj. w jakim stopniu wzrost I jest spowodowany zjawiskiem Zenera ( ujemne ) a w jakim zjawiskiem jonizacji lawinowej ( dodatnie ). Przebiegi dla dwu diod o różnych napięciach Uz w różnych temp. otoczenia

Układ pracy diody Zenera Układ działa jak dzielnik napięcia Zależy istotnie od αUZ rZ - rezystancja dynamiczna diody

3.3. Diody pojemnościowe DIODY Diody p-n wytwarzane pod kątem wykorzystania pojemności barierowej złącza. Dwie grupy: warikapy (zmienne pojemności) waraktory (zmienne reaktancje - w zakresie mikrofal ) Warikapy : przestrajanie obwodów LC we wzmacniaczach selekt., generatorach, diody krzemowe Waraktory : diody z GaAs , większa częstotliwość graniczna pracy.

Pojemność barierowa zależy od zaporowego napięcia polaryzacji ( U0 ) DIODY Pojemność barierowa zależy od zaporowego napięcia polaryzacji ( U0 ) 1/2 złącze skokowe m = 1/3 złącze liniowe Vj - napięcie wbudowane

Schemat zastępczy małosygnałowy diody pojemnościowej zależy od częstości sygnału: (b) (c) ( a) b.w.cz.(mikrofale) średnie częstości niskie częstości C0 - poj. obudowy, L - indukc. doprowadzeń r - rez. szeregowa, g - kondukt. zastępcza ( nachylenie I(U) w obszarze pracy)

Diody pojemnościowe charakteryzują się bardzo niskim poziomem szumów. Dobroć diody Q Z – zastępcza impedancja Y – zast. admitancja Q zależy od częstotliwości Dwie różne pojemności wygenerowane napięciem częst. graniczne Dla schematu (b) Diody pojemnościowe charakteryzują się bardzo niskim poziomem szumów.

Podstawowy układ pracy warikapu DIODY Podstawowy układ pracy warikapu Zmiana częstotliwości rezonansowej obwodu: Dla C1 >> C(U)

DIODY 3.4 Diody p-i-n Są to w istocie struktury typu p+ - n - n+ lub p+- p - n+ , w których materiał n lub p zawiera śladową ilość domieszek (w istocie typ i). Dyfuzja powoduje powstanie wew. pola elektrycznego i zjawisko ustala się

Charakterystyka prądowo- napięciowa jak złącza p-n: DIODY Charakterystyka prądowo- napięciowa jak złącza p-n: n= 2 duży prąd rekombinacyjny w warstwie, przeważający nad dyfuzyjnym Grubość warstwy przejściowej jest duża grubość obsz. p+ + n+ dpin= w + dpn Dzięki temu poj. barierowa jest mała i nie zal. od napięcia. Na częst. mikrofalowych jest to więc zmienna rezystancja, używana do szybkiego kluczowania sygnałów, tłumienia i modulacji.

DIODY Polaryzacja w kier. przewodzenia Polaryzacja zaporowa Zmiana polaryzacji powoduje zmianę dużej imp. wstecznej na zwarcie w kierunku przewodzenia RF = rS + Ri Ri ~ 1/IF L0 - indukcyjność doprowadzeń C0 - pojemność oprawki el.pasożytnicze Zaletą tych diod jest również duże napięcie przebicia

3.5 DIODA TUNELOWA Wynalazca: Leo ESAKI (1958) – nagroda Nobla (1973) za odkrycie tunelowania w półprzewodnikach Zjawisko tunelowe Zjawisko kwantowe – przejście elektronu przez barierę w przypadku, gdy posiada on energię niższą niż wysokość bariery V0. V(x) –energia potencjalna f(x) – funkcja falowa elektronu Współczynnik przejścia przez barierę prostokątną: Dla niskich (małe V0) i wąskich (małe a) barier, współczynnik T może być istotny.

Dioda tunelowa Złącze p/n , gdzie obszary „p” oraz „n” DIODY Dioda tunelowa Złącze p/n , gdzie obszary „p” oraz „n” są silnie domieszkowane ( degeneracja). Poziomy Fermiego leżą w obszarach odpowiednich pasm ( walencyjnego w „p” oraz przewodnictwa w „n”). Obszar ładunku przestrzennego jest bardzo cienki, nie przekracza 10nm. Bariera jest wysoka.

emiter elektronów musi posiadać stany zapełnione DIODY Aby elektrony mogły tunelować przez barierę muszą być spełnione następujące warunki: zachowana musi być energia elektronu ( trajektoria tunelowania musi być pozioma na diagramie pasmowym). emiter elektronów musi posiadać stany zapełnione stany, do których tunelują elektrony muszą być puste bariera potencjału musi być odpowiednio niska a jej szerokość mała aby tunelowanie zachodziło

w kierunku przewodzenia DIODY Opis jakościowy zmian prądu tunelującego po przyłożeniu do diody napięcia w kierunku przewodzenia brak prądu tunelującego max prądu tunelującego

zanik prądu tunelującego DIODY zanik prądu tunelującego prąd dyfuzyjny złącza

Przy wzroście napięcia od UP do UV prąd maleje DIODY Przy wzroście napięcia od UP do UV prąd maleje Średnia wartość ujemnej rezystancji w tym zakresie wynosi: Rezystancja dynamiczna dla napięć Up, Uv jest nieskończenie wielka, natomiast w punkcie przegięcia UR,IR osiąga minimalną wartość ujemną

nast.schemat zastępczy: DIODY Diody tunelowe znajdują zastosowanie w obszarze mikrofalowym, gdzie należy stosować nast.schemat zastępczy: Cj – pojemność złączowa rs – rezystancja doprowadzeń Ls – indukcyjność doprowadzeń Dąży się do minimalizacji Ls stosując taśmy, membrany, płytki, zamiast drutów. W zależności od wielkości napięcia polaryzacji, obciążenia oraz parametrów własnych diody, dioda tunelowa może pracować jako: Wzmacniacz (wymagane duże częst. krytyczne i mały poziom szumów) Generator (wymagana duża moc przekazywana do obciążenia) Przełącznik (duży skok napięcia Uv – Up)

Generator LC z rezystancją ujemną DIODY Generator LC z rezystancją ujemną Obwody LC mają zawsze właściwości rezonansowe. Trzeba jedynie uzupełniać straty energii. Może do tego służyć sprzężenie zwrotne albo rezystancja ujemna. Rezystancja ujemna uzależniona prądowo jest w stanie pobudzić do drgań obwód rezonansu szeregowego. Warunkiem istnienia drgań jest spełnienie równania: Jeżeli I  0, to musi zachodzić: Z równania powyższego wynikają dwa warunki , które musza być równocześnie spełnione 1. Warunek amplitudy -r + R = 0  R = r 2. Warunek fazy  Warunki te wyznaczają wartość rezystancji ujemnej potrzebnej do podtrzymania drgań oraz częstotliwość tych drgań.

jest uzależniona napięciowo. DIODY Dioda tunelowa jest elementem wykazującym rezystancję ujemną a jej charakterystyka jest uzależniona napięciowo. Taki element jest w stanie pobudzić do drgań obwód rezonansu równoległego. Warunek istnienia drgań: I (-r + Z ) = 0 Z – impedancja obwodu LC -r - ujemna rezystancja Jeżeli I  0, to : -r + Z = 0, przy czym: Wstawiając za Z do warunku istnienia drgań otrzymuje się, że część rzeczywista oraz niezależnie część urojona muszą się zerować. 1. Z zerowania części rzeczywistej otrzymuje się warunek amplitudy określający rezystancję ujemną do wzbudzenia drgań: Z0 -_impedancja rezonansowa obwodu równoległego

2. Warunek fazy określający częstotliwość drgań otrzymuje się DIODY 2. Warunek fazy określający częstotliwość drgań otrzymuje się z zerowania części urojonej: gdzie: dobroć cewki dobroć kondensatora