Upload
others
View
6
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
ELEKTRONIKAELEMENTY PÓŁPRZEWODNIKOWE
1
DIODY
2
DIODA PÓŁPRZEWODNIKOWA
• Dioda to element wykorzystujący złącze pn, umieszczony w obudowie z wyprowadzeniami
• Parametry diody są konsekwencją
wykorzystania
złącza pn
Symbol diody
3
DZIAŁANIE DIODY (IDEALNE)
• Idealną diodę można sobie wyobrazić jako łącznik lub zawór zwrotny
• Przy polaryzacji w kierunku przewodzenia (napięcie anody wyższe niż katody)
łącznik jest zamknięty / zawór jest otwarty /
prąd płynie
• Przy polaryzacji w kierunku zaporowym (napięcie anody wyższe niż katody)
łącznik jest otwarty / zawór jest
zamknięty / prąd nie płynie
4
DZIAŁANIE DIODY (RZECZYWISTE)
• W kierunku przewodzenia
• Dioda zaczyna przewodzić, gdy napięcie przekroczy wartość progową (kneevoltage)
• Występuje spadek napięcia na diodzie zależny od prądu –można go odczytać z charakterystyki,
najczęściej przyjmuje się 0,7V
dla diody krzemowej
• Występują straty mocy P=UI
• W kierunku zaporowym
• Płynie prąd wsteczny rzędu µA
• Straty mocy są znikome
• Przekroczenie maksymalnego napięcia wstecznego skutkuje przebiciem diody
5
POJEMNOŚĆ DIODY
• Rozważmy diodę spolaryzowaną zaporowo
• Warstwa zubożona złącza pn jest izolatorem umieszczonym między
dwoma przewodnikami
(domieszkowane warstwy p i n)
• Jest to kondensator
• W momencie zmiany polaryzacji i przejścia w stan przewodzenie
musi popłynąć prąd rozładowujący
pojemność
6
WPŁYW TEMPERATURY
• Przy stałym prądzie diody spadek napięcia na przewodzącej diodzie zmniejsza się o ok 2mV na każdy °C
• Nagrzana dioda ma mniejszy spadek napięcia, więc mniejsze straty mocy!
• Ze wzrostem temperatury rośnie prąd wsteczny (generacja termiczna nośników)
7
OZNACZENIA DIOD
• Złącze od strony warstwy pnazywane jest anodą (anode)
• Złącze od strony warstwy nnazywane jest katodą (cathode)
• Przepływ prądu możliwy jestod anody do katody (A›K)
• Na rzeczywistej diodziepasek oznacza katodę
8
PARAMETRY DIOD I
• Maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne (max. repetitive reverse voltage) VRRM [V]
• Napięcie w kierunku zaporowym, które w sposób okresowy może występować na diodzie
• Maksymalne ciągłe napięcie wsteczne (max. DC reverse voltage) VR or VDC [V]
• Napięcie w kierunku zaporowym, które w sposób ciągły może występować na diodzie.
• Maksymalne napięcie w kierunku przewodzenia (max. forward voltage) VF [V]
• Spadek napięcia na przewodzącej diodzie, zazwyczaj podany dla prądu znamionowego
• Maksymalny (średni) prąd diody (max (average) forward current) IF(AV ) [A]
• Wartość średnia prądu diody osiągalna w sposób ciągły. Ograniczona jest głównie możliwością odprowadzenia ciepła wynikającego ze strat mocy
• Maksymalny prąd udarowy diody (max. peak/surge forward current) IFSM [A]
• Wartość prądu diody osiągalna w pojedynczym impulsie.Zazwyczaj dużo większa od prądu ciągłego ze względu na pojemność cieplną diody
9
PARAMETRY DIOD II
• Maksymalna moc (max. total dissipation) PD [W]• Maksymalne straty mocy, które dioda może odprowadzić w postaci ciepła do
otoczenia
• Temperatura pracy złącza (operating junction temperaturę) TJ [°C]• Maksymalna temperatura, w jakiej może pracować złącze pn, aby dida
zachowała swoje właściwości oraz żywotność
• Rezystancja termiczna (thermal resistance) R(T) [°C/W]• Różnica temperatur złącza i obudowy diody przy danej mocy strat
• Maksymalny prąd wsteczny (max. reverse (leakage) current) IR [µA]
• Prąd wsteczny płynący przez diodę po przyłożeniu maksymalnego napięcia (VDC)
• Pojemność złącza (typical junction capacitance) CJ [pF]
• Typowa pojemność złącza, zazwyczaj rzędu pF
• Czas odzyskiwania własności zaporowych (reverse recovery time) trr [µs]
• Czas potrzebny , aby dioda zaczęła blokować po zmianie polaryzacji. Dla diod prostowniczych rzędu µs, dla diod szybkich rzędu ns
10
DIODY SCHOTTKY
• Złącze metal-półprzewodnik (m-s metal semiconductor)
• Wyjątkowo mała pojemność złącza
• Bardzo mały czas odzyskiwania zdolności zaporowych
• Niższy spadek napięcia w kierunku przewodzenia
• Niższe napięcia przebicia
• Używane w aplikacjachwysokoczęstotliwościowych
Symbol diody
Schottky11
PORÓWNANIE DIOD PN I SCHOTTKY
12
DIODY W PRAKTYCE
• Przykładowa karta katalogowa diody
• Typowe obudowy diod
13
MODELE DIOD
Rzeczywisty Idealny Uproszczony Przedziałami liniowy
Odzwierciedla
równanie Shockley’a
Zerowy prąd wsteczny i
zerowy spadek napięciaUwzględnia spadek
napięcia
Liniowa aproksymacja
nachylenia ch-ki
W analizie obwodów stosuje się najczęściej model uproszczony,
w symulacji komputerowej – model z rezystancją (PSIM) lub rzeczywisty (PSPICE)14
PRZYKŁAD ANALIZY
• Model idealny
• Model uproszczony
• Błąd względny
mAkk
V
RR
VI
VVVV
VVV
R
SS
SRR
DD
03.38.15.1
10
10
0
21
21
21
=+
=+
=
==+
==
mAk
VV
RR
VVI
VVVV
VVVVV
VVV
SS
SRR
DRDRS
DD
61.23.3
4.1104.1
4.1
7.0
21
21
2211
21
=
−=
+
−=
−=+
+++=
==
%1.16%10061.2
03.361.2% =
−=
Przyjęcie modelu idealnego może
prowadzić do dużych błędów! 15
TESTOWANIE DIODY
• Tryb pomiaru rezystancji
• Spolaryzowana w kierunku przewodzenia powinna wykazać rezystancję 1MΩ
lub poza zakresem
• Tryb testowania diod/ciągłości obwodu
• Spolaryzowana w kierunku przewodzenia powinna wykazać spadek napięcia ok 0,7V
• Spolaryzowana zaporowo powinna wykazać
nieciągłość obwodu
16
BADANIE CHARAKTERYSTYKI DIODY
• Połącz szeregowo diodę i rezystor
• Podłącz generator funkcyjny
• Ustaw oscyloskop w tryb XY
• Kanał X pokazuje napięcie na diodzie
• Kanał Y pokazuje spadek napięcia na rezystorze (proporcjonalny do prądu); należy go odwrócić, ponieważ napięcie ma przeciwny zwrot
17
DIODA ZENERA
18
DIODA ZENERA
• Wykorzystuje zjawisko (przebicie) Zenera
• Pracuje przy napięciach wstecznych
• Napięcie przebicia charakteryzuje się dużą stałością i w niewielkim stopniu zależy od prądu wstecznego
• Napięcie Zenera jest rzędu kilku – kilkudziesięciu V
Symbole diody Zenera
Preferowany
Inne
19
PARAMETRY DIOD ZENERA
• Napięcie zenera VZ podawane dla określonej wartości prądu testowego IZT (najczęściej 20mA)
• Maksymalna moc diody PD(max), z której wynika maksymalny prąd
• Impedancja dynamiczna określana jako
• Model diody Zenera musi uwzględniać przebicie!
Z
D
ZMV
PI
(max)=
==
= 28
mA2
mV56
Z
ZZ
I
VZ
VZ
20
STABILIZATOR NAPIĘCIA
• Diody Zenera wykorzystywane są najczęściej jako źródła napięcia odniesienia o niemal stałej wartości
• Układ połączony, jak na rysunku zasilany jest napięciem V, którego wartość może się zmieniać, prąd ograniczony jest przez rezystor,
wyjściem układu jest napięcie diody
• Jeśli napięcie wejściowe V jest mniejsze od napięcia Zenera VZdioda nie przewodzi i nie stabilizuje napięcia
• Jeśli V>VZ dochodzi do przebicia diody:
• wtedy V0≈VZ
• przez diodę płynie prąd I = 𝑉−𝑉𝑧𝑅
• Na diodzie wydziela się moc P = 𝐼𝑉𝑧
• Rezystor ogranicza prąd diody izapobiega jej przegrzaniu!
V= V0 +RI
21
ANALIZA GRAFICZNA
• Przy zmianie napięcia wejściowego przesuwa się krzywa obciążenia
• Punkt pracy przesuwa się na charakterystyce diody
• Stabilność napięcia wyjściowego zależy od nachylenia charakterystyki, a więc rezystancji dynamicznej diody
22
ŹRÓDŁO NAPIĘCIA ODNIESIENIA
• Prosty układ z diodą Zenera stabilizuje napięcie wyjściowe
• Warunkiem jest, aby napięcie wejściowe było większe od napięcia Zenera
• Jeśli wyjście pobiera prąd to musi być uwzględniony spadek napięcia na R oraz zmieniony rozpływ prądów w układzie
• W układzie występują straty mocyna diodzie i rezystorze
zależne od napięcia wejściowego
i prądu wyjściowego
• Ze względu na niską sprawność i zależność od prądu wyjściowego układ
NIE jest stosowany jako źródło zasilania
a jedynie jako napięcie odniesienia
23
OGRANICZANIE SYGNAŁU
24
WYCINANIE SYGNAŁU I
• Wykorzystując diody można zmieniać przebieg napięcia
• Dioda może zostać włączona w szeregowo, bądź równolegle
• Dla ograniczników szeregowych:
• Dioda przewodzi w wybranym kierunku, „wycinając” jedną półfalę napięcia
• Napięcie pozostałej pólfali jest pomniejszone o spadek napięcia na diodzie
25
WYCINANIE SYGNAŁU II
• Dioda może także zostać włączona równolegle
• Problem – dioda spolaryzowana w kierunku przewodzenia
może powodować zwarcie źródła
• Dodajemy szeregowo rezystor, gdy dioda nie przewodzi tworzy się dzielnik napięcia
• Napięcie wyjściowe „wyciętej” półfali jest równe spadkowi napięcia na diodzie
26
OGRANICZANIE SYGNAŁU I
• Ograniczane napięcia do innych poziomów można uzyskać przez dołączenie szeregowo z diodą źródła napięcia, także o regulowanej wartości
• Można także ograniczyć obie półfale napięcia łącząc równolegle diody
27
OGRANICZANIE SYGNAŁU II
• Rolę źródeł napięcia o wartości innej, niż 0,7V mogą pełnić diody Zenera
• Pojedyncza dioda ograniczy sygnał do 0,7V w jednym kierunku, a w przeciwnym do napięcia Zenera
• Diody Zenera można łączyć szeregowo – jedna z nich będzie spolaryzowana w kierunku przewodzenia ograniczając napięcie symetrycznie do wartości Vz+0,7V
28
CHARAKTERYSTYKI OGRANICZNIKÓW
29
OGRANICZNIKI PRZEPIĘĆ
• Skuteczne układy zabezpieczające przed przepięciami:
• Muszą pochłaniać dużą energię w pojedynczym impulsie
• Muszą być bardzo szybkie aby wyeliminować krótkie impulsy
• W zależności od zastosowania mogą to być diody Zenera lub transile
• Transil (TVS - transient voltage supressor) jest specjalizowaną diodą dwukierunkową służącą do ochrony przed przepięciami o bardzo wysokiej
zdolności pochłaniania impulsów
• Przykład zabezpieczenia obwodu:Symbole transila
30
WARYSTORY
• Innym sposobem zabezpieczenia przed przepięciami jest zastosowanie warystorów
• Warystor jest nieliniowym rezystorem
• Produkowany jest ze sproszkowanych tlenków metali, najczęściej ZnO
• Po przekroczeniu progowej wartości napięcia jego rezystancja drastycznie maleje
• W porównaniu do transila warystor:
• Ma dłuższy czas zadziałania
• Może przejąć większą energię
Symbol warystora
31
ZABEZPIECZENIA PRZECIWPRZEPIĘCIOWE
• Przykład 1 – zabezpieczenie układu przed wystąpieniem przepięć
(-0,7V ÷ +5,7V)
z użyciem standardowych diod
• Przykład 2 – zabezpieczenie układu scalonego przed wyładowaniami
elektrostatycznymi
• Przykład 3 – ochrona przepięciowa zasilania 230V
32
ZMIANA POZIOMU SYGNAŁU
33
KONDENSATOR I STAŁA CZASOWA
• Rozważmy obwód RC ze źródłemnapięcia stałego i łącznikiem
• Po zamknięciu łącznika kondensator ładuje się do napięcia Vs według
krzywej wykładniczej 𝑉𝑐 = 𝑉𝑠(1 − 𝑒−𝑡
𝜏 )
o stałej czasowej τ = 𝑅𝐶
• Po otwarciu łącznika następuje rozładowanie kondensatora według
krzywej 𝑉𝑐 = 𝑉𝑠(−𝑒−𝑡
𝜏 )
• Po 0.7τ kondensator osiąga 50% wartości ustalonej,
a po 4τ 99% wartości ustalonej
34
PRZYKŁAD STAŁYCH CZASOWYCH
• Przykład:C1=10µF
RD1=10Ω
RL=100kΩ
• Napięcie na wejściu dodatnie – kondensator ładuje się przez rezystancję diody RD, stała czasowa 𝜏1 = 100𝜇𝑠
• Napięcie na wejściu ujemne – kondensator rozładowuje się przez rezystancję obciążenia RL, stała czasowa 𝜏2 = 1𝑠
• Kondensator ładuje się znacznie szybciej, niż rozładowuje (𝜏1≫ 𝜏2)
• Różnicę stałych czasowych można wykorzystać do przetwarzania sygnału
35
ZMIANA SKŁADOWEJ STAŁEJ SYGNAŁU
• W pierwszej ujemnej półfali kondensator ładuje się przez diodę do wartości szczytowej pomniejszonej o spadek na diodzie
• W dodatniej półlfali kondensator może rozładować się tylko przez RL, jego napięcie pozostaje w przybliżeniu stałe i dodaje się do napięcia wyjściowego
• W rezultacie napięcie wyjściowe jest przesunięte o składową stałą
• Odwracając polaryzację
diody możemy
przesunąć sygnał
„w dół”
36
WYKRYWANIE WARTOŚCI SZCZYTOWEJ
• W pierwszej półfali napięcia wejściowego Vskondensator ładuje się przez znikomą
rezystancję diody
• Kondensator rozładowuje się przez rezystancję obciążenia, której stała czasowa
zależy od rezystancji obciążenia
• Przy braku obciążenia kondensator pozostaje naładowany i napięcie wyjściowe
jest równe wartości szczytowej napięcia
wejściowego
• Dołączenie rezystora na wyjściu nie wpłynie znacząco na napięcie kondensatora dopóki
stała czasowa ≫ okres napięcia wejściowego
37
WYKRYWANIE AMPLITUDY
• Układ używany do demodulacji amplitudy sygnału (np. fal radiowych AM)
• Wejście jest sygnałem o stałej częstotliwości, dużo większej, niż przenoszony sygnał (fala nośna) i modulowanej amplitudzie proporcjonalnej do przesyłanego sygnału (radio
na falach rzędu MHz przenosi sygnał
PODWAJANIE NAPIĘCIA I
• Jednopulsowy podwajacz napięcia
• Pierwsza (ujemna) półfala – C1 ładuje się do wartości szczytowej
• Druga (dodatnia) półfala – C2 ładuje się do wartości szczytowej powiększonej o napięcie na C1
• Napięcie wyjściowe jest równe podwójnej
wartości szczytowej
napięcia wejściowego
pomniejszonej o spadki
napięcia na diodach
39
PODWAJANIE NAPIĘCIA II
• Dwupulsowy podwajacz napięcia
• Dodatnia półfala – kondensator C1ładuje się do wartości szczytowej
• Ujemna półfala - kondensator C2ładuje się do wartości szczytowej
• Napięcie na kondensatorze C3jest sumą napięć na C1 i C2
• Napięcie wyjściowe jest równe podwójnej
wartości szczytowej
napięcia wejściowego
pomniejszonej o spadki
napięcia na diodach
40
ZWIELOKROTNIANIE NAPIĘCIA
• Potrajacz napięcia (z prawej)
• Zwielokratniacz x4 (u dołu)
41
PODSUMOWANIE
• Za pomocą diod można:
• Odtworzyć amplitudę sygnału
• Przesunąć sygnał o składową stałą
• Zwielokrotnić napięcie
42
PROSTOWNIKI
43
PROSTOWNIKI DIODOWE
• Bardzo ważne zastosowanie diod
• Przetwarzanie energii elektrycznej
• Więcej w części „Energoelektronika”
44
DIODY LED I OGNIWA FOTOWOLTAICZNE
45
ZASTOSOWANIA FOTONICZNE
• Zastosowania fotoniczne półprzewodników obejmują
• Detekcję promieniowania (fotodioda)
• Emisję promieniowania (dioda LED)
• Generację energii elektrycznej (ogniwo fotowoltaiczne)
46
FOTODIODA
• Ruch nośników mniejszościowych przy polaryzacji zaporowej
• Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne – fotony są absorbowane, ich energia przenosi elektrony do pasma przewodnictwa
• Wartość prądu jestliniowo proporcjonalna
do strumienia świetlnego
• Złącze musi byćspolaryzowane
zaporowo!
Symbol fotodiody
47
DIODA ELEKTROLUMINESCENCYJNA
• LED – light-emitting diode
• Wykorzystuje zjawisko elektroluminescencji –podczas rekombinacji nośników w złączu pn
elektron oddaje energię w postaci fotonu
• Barwa (długość fali) zależy od rodzaju zastosowanego półprzewodnika (fosforek galu, arsenek galu, azotek galu)
• Natężenie promieniowania jest proporcjonalne do wartości prądu w kierunku przewodzenia
Symbol diody LED
48
BUDOWA DIODY LED
• Złącze pn jest zamknięte w obudowie z wyprowadzeniami (krótsza nóżka to katoda)
• Diody dwukolorowe to dwa złącza pno przeciwnej polaryzacji umieszczone
w jednej obudowie. Barwa światła zależy
od polaryzacji napięcia zasilającego
49
DOBÓR REZYSTORA DIODY LED
• Diody są zazwyczaj projektowane na prąd ok 20mA
• Przy danej wartości napięcia zasilającego Vout, spadku napięcia na diodzie VF
i prądzie znamionowym IF
należy dobrać rezystor szeregowy
( )
( )
1.8...2.0
20
8
8 1.8310
20
F
F
out pk
out pk F
S
F
V V
I mA
V V
V V V VR
I mA
=
=
=
− −= = =
50
ZASTOSOWANIA LED
• Proste zastosowania w elektronice
• Dioda pokazująca poziom sygnału
• Wyświetlacz 7-segmentowy
• Zastosowania w oświetleniu
• Istotne są elementy fizyki (barwa światła) i techniki świetlnej (oprawy)
• Z punktu widzenia elektroniki ważne są układy zasilania (energoelektronika)
51
OGNIWO FOTOWOLTAICZNE
• Zjawisko fotoelektryczne
• Fotony padające na złącze generują pary elektron-dziura
• Energia fotonu musi być większa od przerwy energetycznej
• Są to nośniki większościowe o nieskończonym czasie życia (nie następuje ich rekombinacja)
• Obecne w złączu pole elektryczne rozdziela nośniki do obszarów p i n
• Powstaje zewnętrzne pole elektryczne – złącze jest ogniwem
• Napięcie jest stałe, prąd zależny od strumienia świetlnego
Symbol ogniwa PV
52
DIODY - PODSUMOWANIE
53
DZIAŁANIE DIODY
Kierunek przewodzenia
Kierunek zaporowy
• Potencjał anody wyższy,
niż katody
• Spadek napięcia ok 0.7V
• Prąd ograniczony stratami
mocy
• Potencjał anody niższy,
niż katody
• Prąd wsteczny rzędu µA
• Napięcie wsteczne
ograniczone możliwością
przebicia
• Obszar p = anoda
• Obszar n = katoda,
na elemencie
oznaczony paskiem
• Kierunki można też
sprawdzić multimetrem
54
DIODY SPECJALNE
• Dioda Zenera – pracuje przy napięciu wstecznym, wykorzystuje zjawisko przebicia Zenera występujące przy prawie stałej wartości napięcia
• Dioda LED – wykorzystuje zjawisko elektroluminescencji do emisji światła
• Fotodioda – natężenie prądu w kierunku zaporowym proporcjonale do natężenia oświetlenia
55
ZASTOSOWANIA DIOD
• Dioda jest elementem nieliniowym, można idealizować jej charakterystykę jako zawór przewodzący w jednym kierunku
• Zastosowania diody to przede wszystkim
• Prostowniki – zamiana napięcia przemiennego na stałe
• Modyfikacja sygnału (wykrywanie amplitudy, wprowadzanie składowej stałej, zwielokrotnianie napięcia)
• Źródło napięcia odniesienia (diody Zenera)
• Ochrona przepięciowa (diody Zenera, transile/TVS)
• Wyświetlanie (diody LED)
• Detekcja promieniowania (fotodioda)
56
DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ
57