Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο...
TRANSCRIPT
![Page 1: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/1.jpg)
Κάντε κλικ για να ξεκινήσετε
Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο- ηλεκτρονική
Ενότητα 3: Δίοδος Επαφής
Δρ. Δημήτριος Γουστουρίδης
Τμήμα Ηλεκτρονικών Μηχανικών Τ.Ε
ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ
Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά
Τεχνολογικού Τομέα
![Page 2: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/2.jpg)
Άδειες Χρήσης
• Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons.
• Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς.
2
![Page 3: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/3.jpg)
Χρηματοδότηση
• Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα.
• Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού.
• Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.
3
![Page 4: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/4.jpg)
Βιβλιογραφία
• Βασική Ηλεκτρονική A.P. Malvino, Εκδόσεις Τζιόλα.
• Χαριτάντης Γ. Ηλεκτρονικά Ι. Εισαγωγή στα Ηλεκτρονικά. Εκδόσεις Αράκυνθος 2006.
• Forrest Mims, Getting Started in Electronics, 1983.
4
![Page 5: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/5.jpg)
Περιεχόμενα
5
3.1 Επαφή PN, Δίοδος Zener, Υπολογισμός Σημείου Λειτουργίας
![Page 6: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/6.jpg)
Προσδοκώμενα Αποτελέσματα
6
Στην ενότητα αυτή θα μάθετε για: Επαφή PN, Ορθή πόλωση (Forward bias), Ανάστροφη πόλωση (Reverse bias), Κατάρρευση (Breakdown), Ενεργειακά επίπεδα (Energy levels), Το δυναμικό φραγμού σε συνάρτηση με την
θερμοκρασία, Φωτοεκπέμπουσες Δίοδοι (LEDs), Δίοδοι Zener και Εφαρμογές Διόδων
![Page 7: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/7.jpg)
7
3.1 Επαφή PN, Δίοδος Zener, Υπολογισμός Σημείου Λειτουργίας
![Page 8: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/8.jpg)
Η Νόθευση του Κρυστάλλου Ημιαγωγού και με τους Δύο Τύπους Δημιουργεί μια Επαφή PN
• Κάποια ηλεκτρόνια θα διαπεράσουν την επαφή και θα ενωθούν με οπές. Κάθε φορά που συμβαίνει κάτι τέτοιο δημιουργούνται ζεύγη ιόντων.
• Καθώς αναπτύσσεται αυτό το φορτίο ιόντων, εμποδίζει την περαιτέρω μετακίνηση φορέων προς την επαφή.
8
P N Επαφή
Αρνητικό Ιόν
Θετικό Ιόν
![Page 9: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/9.jpg)
Η Νόθευση του Κρυστάλλου Ημιαγωγού και με τους Δύο Τύπους Δημιουργεί μια Επαφή PN
• Κάθε ηλεκτρόνιο που μετακινείται από την n περιοχή διαμέσου της επαφής συμπληρώνει μια αντίστοιχη οπή στο p τμήμα με αποτέλεσμα την εξαφάνιση των αντίστοιχων φορέων ρεύματος.
• Σαν αποτέλεσμα δημιουργείται στην επαφή μια περιοχή απογυμνωμένη από φορτία που συμπεριφέρεται σαν μονωτής.
9
P N
Περιοχή Απογύμνωσης (περιοχή διάβασης-έλλειψης φορέων-απογύμνωσης <1μm)
![Page 10: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/10.jpg)
Περιοχή Απογύμνωσης
10
![Page 11: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/11.jpg)
Επαφή PN
• Δημιουργείται κατάσταση δυναμικής ηλεκτρικής ισορροπίας όπου οι δυνάμεις που προκαλούν την διάχυση φορέων εξισορροπούνται από τις δυνάμεις του ηλεκτροστατικού πεδίου που δημιουργείται από τα ιόντα που σχηματίζονται
11
![Page 12: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/12.jpg)
Το δυναμικό επαφής (φραγμού) ΡΝ
• Η διάχυση των ηλεκτρονίων δημιουργεί ζεύγη ιόντων. • Δημιουργείται ηλεκτρικό πεδίο που αντιτίθεται στην
διαδικασία. • Η επαφή θα βρεθεί σε ισορροπία όταν ο φραγμός
δυναμικής ενέργειας (barrier potential) θα εμποδίζει την περαιτέρω διάχυση (diffusion).
• Στους 27 ºC, για μια δίοδο πυριτίου το δυναμικό επαφής είναι περίπου 0.65 volts. Μειώνεται με την θερμοκρασία 2mV / ºC και στο απόλυτο μηδέν γίνεται ίση με την τάση που αντιστοιχεί το ενεργειακό χάσμα (1.25 V) για ένα e-.
12
![Page 13: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/13.jpg)
Ορθή Πόλωση
13
Οι φορείς κινούνται προς την επαφή με αποτέλεσμα
την εξαφάνιση της περιοχής απογύμνωσης
• Αν η εφαρμοζόμενη τάση είναι μεγαλύτερη από την τάση φραγμού δυναμικού (δυναμικό επαφής), η δίοδος άγει.
![Page 14: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/14.jpg)
Ανάστροφη Πόλωση
14
Οι φορείς ρεύματος απομακρύνονται από την επαφή
• Η περιοχή απογύμνωσης διευρύνεται και η δίοδος δεν άγει (diode is off).
![Page 15: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/15.jpg)
Πόλωση Διόδου
• Οι δίοδοι πυριτίου άγουν με την εφαρμογή ορθής πόλωσης περίπου 0.7 volts.
• Με την ανάστροφη πόλωση, η περιοχή απογύμνωσης διευρύνεται και η δίοδος δεν άγει.
• Υπάρχει ένα μικρό ρεύμα στην ανάστροφη πόλωση που οφείλεται στους φορείς μειονότητας (minority carrier current).
• Το ανάστροφο αυτό ρεύμα που οφείλεται σε φορείς μειονότητας που κινούνται λόγω θερμικής κίνησης ονομάζεται ρεύμα κόρου (saturation current).
15
![Page 16: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/16.jpg)
Κατάρρευση Διόδου
• Οι δίοδοι δεν αντέχουν ακραίες τάσεις ανάστροφης πόλωσης.
• Σε υψηλές ανάστροφες πολώσεις συμβαίνει ένα φαινόμενο χιονοστιβάδας φορέων (carrier avalanche) λόγω της γρήγορης κίνησης των φορέων μειονότητας.
• Οι τυπικές τιμές τάσης ανάστροφης πόλωσης κλιμακώνονται από 50 volts έως 1 kV.
16
![Page 17: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/17.jpg)
Ενεργειακές στάθμες στην επαφή ΡΝ (Ποιοτική Ανάλυση)
17
Σε μια απότομη επαφή p-n οι ενεργειακές ζώνες
στην p περιοχή βρίσκονται υψηλότερα συγκριτικά με την
n περιοχή
Για να διαχυθεί ένα ηλεκτρόνιο διαμέσου της
επαφής προς την p πλευρά είναι σαν να αντιμετωπίζει
έναν ενεργειακό λόφο. Πρέπει να πάρει αυτή την πρόσθετη ενέργεια από μια
εξωτερική πηγή Eg
Eo=qVo
++ ++ ++
- - - - - -
![Page 18: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/18.jpg)
Ενεργειακές στάθμες στην επαφή ΡΝ (Ποιοτική Ανάλυση)
18
Eg E=q(Vo-V)
Ανάστροφη Πόλωση
Ορθή πόλωση E=q(Vo-V)
Στην ανάστροφη πόλωση το V είναι αρνητικό
Στην ορθή πόλωση το V είναι θετικό
(-) (+)
(+)
(-)
Την επαφή την διαρρέει ρεύμα φορέων μειονότητας (πολύ μικρό)
Την επαφή την διαρρέει ρεύμα φορέων πλειονότητας (μεγάλο)
+++ +++ +++
- - - - - - - - -
+ + +
- - -
![Page 19: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/19.jpg)
Θερμοκρασία Επαφής
• Η θερμοκρασία επαφής είναι η θερμοκρασία στο εσωτερικό της διόδου, στην επαφή PN.
• Όταν η δίοδος άγει, η θερμοκρασία επαφής είναι μεγαλύτερη από αυτή του περιβάλλοντος (PD=VDxID).
• Το δυναμικό επαφής είναι μικρότερο σε υψηλότερες θερμοκρασίες- μειώνεται κατά περίπου 2 mV για αύξηση θερμοκρασίας επαφής κατά ένα βαθμό Κελσίου (-2mV/ºC).
19
![Page 20: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/20.jpg)
Ανάστροφο Ρεύμα Διόδου
• Το ανάστροφο ρεύμα IS (ρεύμα κορεσμού), διπλασιάζεται για κάθε αύξηση της θερμοκρασίας 10 ºC ενώ δεν εξαρτάται από την ανάστροφη τάση πόλωσης.
20
![Page 21: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/21.jpg)
Επαφή PN (Αναλυτική προσέγγιση)
• Προϋπόθεση για το σχηματισμό επαφής ΡΝ είναι να υπάρχει απότομη μεταβολή συγκεντρώσεων προσμίξεων από τη μια περιοχή στην άλλη. – Αν αυτό συμβαίνει, τότε ο κρύσταλλος συμπεριφέρεται σαν
εξωγενής ημιαγωγός με 2 είδη φορέων. • Μέσα στην επαφή ΡΝ η συγκέντρωση των φορέων
αγωγιμότητας είναι πολύ μικρή σε σύγκριση με τη συγκέντρωση των ιονισμένων ατόμων προσμίξεων που δρουν ως δέσμια φορτία. – Υπάρχει τοπικά εκτροπή από την ηλεκτρική ουδετερότητα του
κρυστάλλου, που συνοδεύεται από ανάπτυξη ηλεκτρικού πεδίου στην περιοχή αυτή.
– Η παρουσία του ηλεκτρικού πεδίου στην επαφή ΡΝ καθορίζει την ηλεκτρική συμπεριφορά όλου του κρυστάλλου.
21
![Page 22: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/22.jpg)
Επαφή PN (Αναλυτική προσέγγιση)
22
![Page 23: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/23.jpg)
Συγκεντρώσεις Φορέων Πριν τον Σχηματισμό Απότομης Επαφής ΡΝ
23
![Page 24: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/24.jpg)
Μετά τον Σχηματισμό Απότομης Επαφής ΡΝ
24
![Page 25: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/25.jpg)
Δυναμικό Επαφής ΡΝ Χωρίς Πόλωση
25
VT= (kT/q) θερμική τάση ≈ 25mV στους 25ºC
NA= συγκέντρωση αποδεκτών
ND= συγκέντρωση δοτών
ni = συγκέντρωση φορέων ενδογενούς ημιαγωγού
Όπου:
![Page 26: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/26.jpg)
Υπολογισμός Δυναμικού Επαφής PN Χωρίς Πόλωση
26
Για το Si: NA=2x1016cm-3, ND=1x1016cm-3, ni=1.5x1010cm-3
Άρα: V0=687mV Για το Ge: NA=2x1016cm-3, ND=1x1016cm-3, ni=2.4x1013cm-3
Άρα: V0=319mV
![Page 27: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/27.jpg)
Ρεύμα Ορθά Πολωμένης Επαφής ΡΝ
27
• Το ρεύμα Is είναι το ολικό ρεύμα φορέων μειονότητας. • Το ονομάζουμε ρεύμα κόρου (saturation current).
![Page 28: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/28.jpg)
Ρεύμα Ορθά Πολωμένης Επαφής ΡΝ
28
• Από την χαρακτηριστική της διόδου προκύπτει: • Είναι αμφίδρομο στοιχείο καθώς άγει κατά τη μία φορά
μόνο. • Είναι μη γραμμικό στοιχείο αφού η καμπύλη I = f(V) είναι
μη γραμμική (εκθετική).
![Page 29: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/29.jpg)
Ρεύμα Ανάστροφα Πολωμένης Επαφής PN
29
s
VV
VV
II
xeVVeV
eIsI
T
T
−=⇒
=−=<<⇒<
−=
−−
18025.01
1024.4,1.,10
),1(
γιαπχ
• Το ρεύμα I είναι ίσο με το ολικό ρεύμα φορέων μειονότητας ή ρεύμα κόρου (saturation current) Is.
![Page 30: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/30.jpg)
Κατάρρευση Ανάστροφα Πολωμένης Επαφής PN
• Μέχρι μια ορισμένη τιμή ανάστροφης τάσης άγεται πολύ μικρό ρεύμα.
• Κατά την αύξηση της ανάστροφης τάσης πέρα από μια κρίσιμη τιμή άγονται μεγάλα ρεύματα υπό σταθερή τάση. – Τα ρεύματα οφείλονται στη δημιουργία νέων φορέων
αγωγιμότητας, λόγω κατάρρευσης της επαφής PN. • Η κατάρρευση αυτή μπορεί να εξηγηθεί μέσω
των δύο παρακάτω μηχανισμών: A. Μηχανισμός Χιονοστιβάδας B. Μηχανισμός Zener
30
![Page 31: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/31.jpg)
Κατάρρευση Ανάστροφα Πολωμένης Επαφής ΡΝ
31
• Δίοδος Zener: ειδικά κατασκευασμένη Δίοδος με συγκεκριμένη τάση κατάρρευσης.
• Εφαρμογές σε κυκλώματα που απαιτούν τάσεις αναφοράς, τροφοδοτικά κλπ.
![Page 32: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/32.jpg)
Χωρητικότητα Επαφής ΡΝ
• Για την χωρητικότητα της επαφής Cj χρησιμοποιείται ο τύπος .
• Είναι μια αυξητική χωρητικότητα που ονομάζεται χωρητικότητα επαφής ή χωρητικότητα έλλειψης φορέων.
32
![Page 33: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/33.jpg)
Χωρητικότητα Επαφής ΡΝ
• Η χωρητικότητα επαφής μειώνεται όσο αυξάνεται η ανάστροφη τάση πόλωσης.
• Για Cj = 10 pF και απότομη κατανομή φορτίων προσμίξεων, η μεταβολή της χωρητικότητας επαφής με ανάστροφη τάση πόλωσης φαίνεται στο διάγραμμα.
33
![Page 34: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/34.jpg)
Χωρητικότητα Επαφής ΡΝ
• Δίοδος Varactor: ειδικά κατασκευασμένη.
• Δίοδος με συγκεκριμένη απόκριση χωρητικότητας για συγκεκριμένη ανάστροφη πόλωση.
• Χρήση σε ταλαντωτές, πομπούς εκπομπής, ραδιόφωνα κλπ.
34
![Page 35: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/35.jpg)
Δίοδοι Εκπομπής Φωτός (LEDs)
• Ειδική κατηγορία που κατασκευάζονται από επαφές σύνθετων ημιαγωγών.
• Εκπέμπουν στενού εύρους (20-30 nm), μη σύμφωνη ακτινοβολία με μήκη κύματος που καλύπτουν τις ζώνες του υπεριώδους, του ορατού και του υπέρυθρου φάσματος.
• Μπορούν να ταξινομηθούν: – Ως πηγές φωτός για μικρής απόστασης επικοινωνίες
με οπτικές ίνες, – Ως φωτεινά στοιχεία απεικόνισης.
35
![Page 36: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/36.jpg)
Δίοδοι Εκπομπής Φωτός (LEDs)
• Σε ορθά πολωμένη επαφή ΡΝ, φορείς πλειονότητας διέρχονται εκατέρωθεν της επαφής δημιουργώντας το ρεύμα της διόδου.
• Στην άλλη πλευρά της επαφής, οι φορείς πλειονότητας καθίστανται φορείς μειονότητας. – Όσο μεγαλύτερο το ρεύμα της διόδου τόσο
μεγαλύτερο είναι το περίσσευμα των φορέων μειονότητας εκατέρωθεν της επαφής.
• Αυτοί οι φορείς μειονότητας επανασυνδέονται με φορείς πλειονότητας με ταυτόχρονη απελευθέρωση ενέργειας, αντίστοιχης προς το ενεργειακό χάσμα Eg μεταξύ των ζωνών αγωγιμότητας και σθένους των υλικών που σχηματίζουν την επαφή. 36
![Page 37: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/37.jpg)
Δίοδοι Εκπομπής Φωτός (LEDs)
37
![Page 38: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/38.jpg)
Δίοδοι Εκπομπής Φωτός (LEDs)
38
![Page 39: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/39.jpg)
Φωτοδίοδοι – Φωτοανιχνευτές – Οπτοζεύκτες – Ηλιακά στοιχεία.
39
![Page 40: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/40.jpg)
Φωτοδίοδοι – Φωτοανιχνευτές – Οπτοζεύκτες – Ηλιακά στοιχεία.
40
![Page 41: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/41.jpg)
Η δίοδος Σε Κύκλωμα.
• Η σχέση Schockley:
• όπου: – Is είναι το ρεύμα κόρου ανάστροφης πόλωσης της διόδου, – q = 1,6 * 10-19Cb το ηλεκτρικό φορτίο του ηλεκτρονίου, – k = 8,620*10-5 eV/L σταθερά του Boltzmann, – Τ η απόλυτη θερμοκρασία, – n σταθερά που εξαρτάται από το είδος του ημιαγωγού και τον τρόπο
κατασκευής της διόδου. Συνήθως n = 1 για διόδους Ge και n ≈ 2 για διόδους Si.
– VT είναι η θερμική τάση (VT ≈ 26mV στους 300 Κ).
41
![Page 42: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/42.jpg)
Η δίοδος Σε Κύκλωμα.
• Στο διάγραμμα φαίνεται ότι η τάση V1 προκαλεί ρεύμα I1 μέσω της διόδου.
• Το ζεύγος των V1 - I1 ορίζει πάνω στην χαρακτηριστική σημείο Q που λέγεται σημείο λειτουργίας ή σημείο ηρεμίας.
• Ουσιαστικά το σημείο αυτό καθορίζει την κατάσταση λειτουργίας της διόδου.
42
![Page 43: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/43.jpg)
Η δίοδος Σε Κύκλωμα.
• Για την τελευταία (μη γραμμική) εξίσωση δεν υπάρχει αναλυτική λύση παρά μόνο προσεγγιστικές λύσεις με χρήση του αναπτύγματος Taylor.
• Είναι επίπονες! • Μπορεί να ξεπεραστεί με γραφική ανάλυση του κυκλώματος
ή με προσεγγιστικές τεχνικές με χρήση γραμμικών ισοδύναμων μοντέλων της διόδου.
43
![Page 44: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/44.jpg)
Η δίοδος Σε Κύκλωμα (Γραφικός Τρόπος)
44
• Για V=0, I=E/R • Για Ι=0, V=E
• Το σημείο ηρεμίας διόδου σε βρόχο, προσδιορίζεται από την τομή της χαρακτηριστικής της διόδου και της γραμμής φορτίου του βρόχου.
![Page 45: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/45.jpg)
Η δίοδος Σε Κύκλωμα (Γραμμικό Μοντέλο)
• O παραπάνω τύπος ορίζει την αντίσταση αγωγής της διόδου. • Η τιμή της είναι συνήθως μερικά Ω, αναλόγως με το σημείο
πόλωσης της διόδου. • Ο υπολογισμός της είναι πολύ προσεγγιστικός για μεγάλα
σήματα με μεγάλη περιοχή λειτουργίας.
45
• Για V<Vth, I=0, • Για V>Vth, I=V/RD
![Page 46: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/46.jpg)
Η δίοδος Σε Κύκλωμα (Μοντέλα Διόδων)
46
• Για V<Vth, I=0, • Για V>Vth, I=Ε/R
• Για V<Vth, I=0, • Για V>Vth, I=(E-Vth)/(R+RD)
Χαρακτηριστική Διόδου
Ηλεκτρικό ισοδύναμο διόδου για μεγάλα σήματα στο συνεχές.
![Page 47: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/47.jpg)
Επίδραση Θερμοκρασίας στο Is
47
• Is=Aq((Dp/Lp)pn+ (Dn/Ln)np) • Όπου:
– A η διατομή της επαφής, – Lp, Ln το βάθος των περιοχών απογύμνωσης – Dp=VTμe, Dn =VTμp οι συντελεστές διάχυσης οπών, ηλεκτρονίων
για τον συγκεκριμένο ημιαγωγό – Np, pn οι συγκεντρώσεις ηλεκτρονίων στην περιοχή p και οπών στην
περιοχή n. Σε κατάσταση ισορροπίας np =ni2/NA και pn=ni
2/ND
– ni2≈T3exp(-EG/kT) (EG το ενεργειακό χάσμα)
![Page 48: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/48.jpg)
Φυσικές Παράμετροι Ημιαγωγών
48
![Page 49: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/49.jpg)
Πίνακας Φυσικών Σταθερών
49
![Page 50: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/50.jpg)
Επαφή ΡΝ: Άσκηση 1
• Για μια επαφή ΡΝ Ge με απότομη μεταβολή συγκεντρώσεων προσμίξεων (impurities), η συγκέντρωση NA των αποδεκτών είναι ίση 10-8 άτομα για κάθε άτομο πυριτίου (ισοδύναμα 1 άτομο πρόσμιξης για κάθε 108 άτομα Ge ή 0.01 ppm/ parts per million/μέρη στο εκατομμύριο).
• Να υπολογιστεί η τάση επαφής στην θερμοκρασία των 300 ºΚ.
50
![Page 51: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/51.jpg)
Επαφή ΡΝ: Άσκηση 1
• Δίνεται η πυκνότητα του Ge 5.32 gr/cm3 και η συγκέντρωση των φορέων του ενδογενούς ημιαγωγού στην προαναφερθείσα θερμοκρασία ni=2.4x1013 φορείς ανά cm3 ενώ το ατομικό βάρος του είναι 73.
51
![Page 52: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/52.jpg)
Λύση Άσκησης 1
• Σε 1 cm3 αντιστοιχούν 5.32/73 mole. • Επομένως ο αριθμός των ατόμων Ge ανά cm3 θα
είναι NGE=(5.32/73)x6.02x1023 άτομα=4.4 x 1022 άτομα ανά cm3.
• Η συγκέντρωση των αποδεκτών για την περιοχή p θα είναι NA= NGE/108= 4.4 x 1014 άτομα αποδεκτών ανά cm3.
• Επομένως η συγκέντρωση των δοτών θα είναι ND=NAx103= 4.4 x 1017 άτομα δοτών ανά cm3.
52
![Page 53: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/53.jpg)
Λύση Άσκησης 1
• Επομένως η τάση επαφής VO=VTxln(4.4x1017x4.4x1014)/(2.4x1013)2=VTxln
(3.36x105)=VTx12.72=(25mV)x12.72≈0,318V • Και ο ενεργειακός φραγμός EO θα είναι:
EO=qeVO=0,318 eV
53
![Page 54: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/54.jpg)
Επαφή ΡΝ: Άσκηση 2
• Να επαναληφθεί η άσκηση με τα δεδομένα συγκεντρώσεων προσμίξεων που ακολουθούν για επαφή ΡΝ ημιαγωγού πυριτίου Si και για θερμοκρασία επαφής θ=27 ºC.
54
![Page 55: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/55.jpg)
Σε αυτή την ενότητα μιλήσαμε για:
55
3.1 Επαφή PN, Δίοδος Zener, Υπολογισμός Σημείου Λειτουργίας
![Page 56: Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο ηλεκτρονικήeclass.teipir.gr/openeclass/modules/document/file.php... · 2015-09-03 · • Forrest Mims, Getting Started](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022042219/5ec5880239279a061c43c165/html5/thumbnails/56.jpg)
Συγχαρητήρια!! Έχετε ολοκληρώσει με επιτυχία το μάθημα
Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο- ηλεκτρονική
Ολοκλήρωση Μαθήματος
56
Ενότητα 3: Δίοδος Επαφής
Δρ. Δημήτριος Γουστουρίδης Τμήμα Ηλεκτρονικών Μηχανικών Τ.Ε
ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ
Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά
Τεχνολογικού Τομέα