Diodai

1. Diodai

Diodai

Diodais vadinami puslaidininkiniai komponentai, turintys viena PN sandūrą ir du išvadus. Puslaidininkinis diodas sudarytas iš puslaidininkinio kristalo, kuris vienoje pusėje N legiruotas, kitoje pusėje P legiruotas. Jis paprastai būna korpuse, kuris dažniausiai panaudojamas aušinimui. Abi skirtingai legiruotos puslaidininkio pusės turi ominius kontaktus, kad diodą būtų galima sujungti su kitais grandinės komponentais. Diodui vaizduoti elektrinėse grandinėse naudojamas grafinis schemų ženklas su rodykle, parodančia tiesioginio jungimo ir srovės tekėjimo kryptį iš maitinimo šaltinio teigiamojo poliaus į maitinimo šaltinio neigiamąjį polių. Įvairių diodų grafiniai schemų ženklai parodyti 1 paveiksle. Kontaktas prie P sluoksnio vadinamas anodu, kontaktas prie N sluoksnio – katodu. Kai prijungta įtampa viršija tam tikrą slenkstinę įtampą, tiesiogine kryptimi įjungtas diodas praleidžia srovę. Įjungus diodą atvirkštine kryptimi, diodas nebūna visiškai nelaidus – teka atvirkštinė soties srovė. Jei atvirkštine kryptimi bus prijungta pakankamai didelė įtampą diodu pradės tekėti stipri srovė. Ši įtampą kitaip vadinama pramušimo įtampą neturėtų būti viršijamą nes tai gadina diodą.

2. Diodo voltamperinės charakteristikos

Diodo voltamperinės charakteristikos

Diodai apibūdinti svarbi yra diodu tekančios srovės priklausomybė nuo prijungtos įtampos – diodo voltamperinė charakteristika. Ji braižoma abscisių ašyje atidedant diodo įtampų reikšmes, ordinačių ašyje – diodo srovių reikšmės ir leidžia nustatyti svarbias reikšmines diodo įtampas ir sroves (2 pav.). Diodo voltamperinė charakteristika yra netiesinė.

2 pav. Diodo voltamperinė charakteristika

Iš voltamperinių charakteristikų nustatoma diodo slenkstinė įtampa – tai tokia išorinė įtampą kuri kompensuoja PN sandūroje susiformavusią difuzinę įtampą.

3. Germanio ir silicio diodų charakteristikos

Tiesiogine kryptimi įjungto germanio diodo slenkstinė įtampa yra apie 0,3–0,4 V, taigi akivaizdžiai mažesnė negu silicio diodo (3 pav.). Taip yra todėl, kad tiesiogine kryptimi įjungtu diodu pradeda tekėti srovė, kai prijungta išorinė įtampa viršija vidinį kontaktinį potencialų skirtumą.

Tolesnė voltamperinių charakteristikų eiga rodo lėkštesnę germanio charakteristikų eigą. Germanio diodų diferencialinė varža yra gerokai didesnė negu silicio diodų.

3 pav. Diodų voltamperinės charakteristikos: 1 – ideali silicio, 2 – reali silicio, 3 – reali germanio

4. Diodo parametrai

Diodo ribiniai parametrai

Paprastai žinynuose pateikiami tipiniai diodų parametrai. Jie padeda vartotojui optimaliai pasirinkti komponentą. Dažniausiai šie parametrai duodami su tam tikra sklaida. Parametrai skirstomi į statinius ir dinaminius. Statiniai parametrai nurodomi apibrėžiant komponentų parametrus nuolatinei srovei. Skiriami parametrai tiesioginiam jungimui (su indeksu F) ir atvirkštiniam jungimui (su indeksu R):

• Tiesioginė įtampa U_F parodo įtampą taip anodo ir katodo, tekant tam tikro dydžio tiesioginei srovei I_F.
• Atvirkštinė srovė I_R parodo atvirkštine kryptimi įjungto diodo srovę, esant prijungtai tam tikro dydžio atvirkštinei įtampai U_F.
• Dinaminiai parametrai apibrėžia diodo elgseną tekant kintamajai srovei. Šie parametrai svarbūs aukštųjų dažnių ir impulsiniams diodams.
• Diodo talpa Cd (C_b) duodama esant tam tikrai atvirkštinei įtampai Ur ir dažniui f.
• Uždarymo trukmė t_rr parodo diodo grįžimo iš atviros būsenos į uždarą trukmę, kai prieš tai diodas buvo įjungtas tiesiogine kryptimi. Per šį laiką krūvininkai yra išsiurbiami iš PN sandūros.

Diodo ribiniai parametrai

Ribiniai diodo parametrai negali būti viršyti:

• Atvirkštinė įtampa U_Rmax yra didžiausia nuolatinė įtampą kuri gali būti prijungta prie diodo atvirkštine kryptimi.
• Tiesioginė srovė I_Fmax yra didžiausia per diodą tekanti nuolatinė srovė tiesiogine kryptimi.
• Aplinkos temperatūra T_A parodo didžiausią aplinkos, kurioje bus naudojamas diodas, temperatūrą.

5. Diodų temperatūrinės savybės

Pakilus aplinkos temperatūrai, puslaidininkio kristale daugiau elektronų nutraukia ryšius su atomu. Dėl to atsiranda papildomų krūvininkų porų, padidėja krūvininkų tankis ir pasikeičia puslaidininkio savybės. Kylant temperatūrai, puslaidininkinio kristalo laidumas padidėja. Atvirkštine kryptimi įjungto diodo srovė padidėja. Pasikeitus tiesiogine kryptimi įjungto diodo temperatūrai, pasikeičia slenkstinė įtampa. Aukštesnė temperatūra padidina puslaidininkio laidumą užtvarinis sluoksnis susiaurėja, o tai sumažina slenkstinę įtampa. Kylant temperatūrai, tiesioginė voltamperinė charakteristika tampa statesnė.

6. Diodų sudarymo būdai

Pastaruoju metu šiuolaikiniams puslaidininkiniams diodams sudaryti plačiausiai naudojama epitaksinė – difuzinė planarioji technologija. Planariųjų diodų išvadai jungiami prie sričių toje pačioje kristalo plokštumoje.

Kitokio laidumo ir bet kokio priemaišų tankio puslaidininkio sluoksnį galima sudaryti epitaksijos būdu. Pagal pradinės medžiagos agregatinę būseną skiriama dujinė, skystinė ir molekulinė epitaksija. Dujinės epitaksijos metu virš puslaidininkio leidžiamas dujų srautas. Puslaidininkio paviršiuje vyksta cheminė reakcija tarp srautą sudarančių medžiagų. Reakcijos metu išsiskiria medžiaga, padengianti puslaidininkio paviršių epitaksiniu sluoksniu ir tvarkingai pratęsianti puslaidininkio padėklo kristalinę gardelę. Epitaksijos būdu galima užauginti reikiamo storio N, I, P, taip pat N, P arba N⁺, P⁺ puslaidininkių sluoksnius.

Norimam puslaidininkio laidumui gauti kristalas legiruojamas reikiamomis priemaišomis. Naudojami du pagrindiniai legiravimo būdai: tūrinis ir paviršinis legiravimas. Tūrinis legiravimas naudojamas auginant monokristalus arba atliekant epitaksiją kai priemaišos turi būti tolygiai pasiskirsčiusios visame tūryje arba jo dalyje. Paviršinis legiravimas atliekamas įterpiant priemaišas į nedidelį gylį. Paviršiniam legiravimui būdingas netolygus priemaišų pasiskirstymas legiruotame sluoksnyje. Pagrindimai paviršinio legiravimo būdai yra difuzija ir jonų implantavimas.

Naudojant difuziją, priemaišos atomai į puslaidininkio kristalą difunduoja aukštoje temperatūroje. Priemaišų šaltiniai gali būti dujos, skysčiai arba kietieji kūnai. 1000–1300 °C temperatūroje priemaišų atomai dėl tankio gradiento skverbiasi į puslaidininkį. Kai akceptorinių priemaišų tankis kristalo paviršiniame sluoksnyje viršija pradinį donorinių priemaišų tankį, pasikeičia puslaidininkio paviršinio sluoksnio laidumas – paviršinis sluoksnis tampa P puslaidininkiu. Šiluminės difuzijos metodu galima sudaryti artimą staigiajai arba tolydžiąją PN sandūrą Priemaišų tankis sudarytame kitokio laidumo sluoksnyje visada viršija pradinį priemaišų tankį nes kitokio laidumo sritis sudaroma kompensuojant pradines priemaišas.

7. Diodų rūšys

7.1. Lygintuviniai diodai

Lygintuviniai diodai skirti žemojo dažnio kintamajai srovei lyginti elektrinio maitinimo įrenginiuose. Lygintuviniai diodai gali būti mažos galios ir didelės galios. Mažos galios lygintuviniams diodams nereikia specialių kristalo aušinimo priemonių, tuo tarpu didelės galios lygintuviniai diodai yra skirti darbui su aušinimo radiatoriais, todėl yra specialios konstrukcijos. Mažos galios lygintuviniai diodai gaminami iš silicio, kai jie skirti darbui aukštose temperatūrose, ir iš germanio, kai įtampos kritimas diode turi būti mažesnis.

7.2. Aukštadažniai diodai

Aukštadažniai diodai yra mažos talpos ir gali dirbti plačiame dažnių diapazone įvairiuose elektronikos įtaisuose. Darbo dažnių diapazonas gali siekti keletą šimtų megahercų. Gaminant aukštadažnius diodus, siekiama gauti labai mažo paviršiaus ploto PN sandūrą, kad jos talpa būtų maža.

7.3. Impulsiniai diodai

Impulsiniai diodai skaitmeniniuose ir loginiuose įtaisuose dažniausiai dirba jungiklių režimu. Diodų jungiklių savybės remiasi užtvarinio sluoksnio suformavimu ir jo panaikinimu.

7.4. Stabilitronai

Stabilitronai yra silicio diodai, kurių pramušimo įtampa palyginti žema. Pakankamai daug legiruojant N ir P sritis, pasiekiama nuo 2,7 V iki 200 V pramušimo įtampa. Stabilitronai naudojami įtampos stabilizavimo ir ribojimo grandinėse.

4 pav. Paprasčiausia stabilitrono jungimo schema

Srovė per stabilitroną ribojama rezistoriumi R_rib, stabilitronas apkraunamas apkrovos varža R_a.

Tiesiogine kryptimi stabilitronai turi tokią pat voltamperinę charakteristiką kaip ir paprasti silicio diodai. Tačiau stabilitronai naudojami esant atvirkštiniam jungimui ir jiems apibūdinti braižomos voltamperinės charakteristikos, žymint pramušimo įtampas ir sroves raidėmis U_z ir I_z (4 pav.).

5 pav. Stabilitrono voltamperinė charakteristika

Dėl didelio PN darinio legiravimo ir siekiant gauti pramušimo įtampas U_z<5 V susidaro plona PN sandūros erdvinio krūvio sritis. Todėl jau esant mažoms atvirkštinėms įtampoms laukas labai sustiprėja. Šitokio lauko stiprio pakanka valentiniams elektronams išplėšti iš atomo struktūros ir diodas pasidaro laidus atvirkštine kryptimi. Šiuo atveju kalbama apie Zenerio reiškinį kuriam būdingas neigiamas temperatūrinis koeficientas – pramušimo įtampa mažėja kylant temperatūrai.

Kai pramušimo įtampos didesnės kaip 5 V, diodai daugiausia pramušami dėl smūginės (griūtinės) jonizacijos. Tai panašu į paprastų diodų pramušimą, taip pat pramušimą dujose. Šiuo atveju pramušimo įtampa U_z didėja kintant temperatūrai – temperatūrinis koeficientas teigiamas.

7.5. Varikapai

Varikapai yra specialūs silicio diodai, kurių užtvarinio sluoksnio talpa kintą keičiant prijungtą atvirkštinę įtampą. Jie pirmiausia naudojami aukštojo dažnio virpamiesiems kontūrams suderinti.

7.6. Šotkio diodai

Šotkio diodai yra komponentai, kuriuose panaudojama metalo ir puslaidininkio sandūra.

7.7. Fotodiodai

Fotodiodas yra puslaidininkinis komponentas, kurio PN sandūra suformuota arti kristalo paviršiaus. Užtvarinis sluoksnis yra lengvai šviesai prieinamas.

Paprastai fotodiodai dirba įjungti atvirkštine kryptimi. Atvirkštinė srovė plačiame diapazone tiesiškai priklauso nuo šviesos stiprio ir tik šiek tiek priklauso nuo prijungtos įtampos ir aplinkos temperatūros.

Fotodiodai gali dirbti taip pat ir aktyviojoje srityje, t.y. kaip fotoelementai, keičiantys šviesos energiją į elektros energiją. Veikiant šviesai PN sandūroje generuojami laisvieji krūvininkai. Veikiami sandūros vidinio elektrinio lauko, laisvieji krūvininkai juda priešingomis kryptimis ir susigrupuoja abipus potencialo barjero. Tarp sandūros išvadų atsiranda potencialų skirtumas – fotoįtampa. Didžiausia fotoįtampos reikšmė priklauso nuo puslaidininkio medžiagos, pvz., silicio fotoelemento fotoįtampa yra 0,5–0,6 V, galio arsenido – 0,8–0,9 V. Jei fotoelemento išorinė grandinė uždara, ja teka fotosrovė, proporcinga šviesos srautui. Iš puslaidininkinių fotoelementų sudaromos saulės baterijos.

7.8. Šviesos diodai

Puslaidininkiniai šviesos diodai yra spinduliavimą sukeliantys komponentai. PN sandūra tekant tiesioginei srovei, vyksta intensyvi krūvininkų rekombinacija. Krūvininkų rekombinacijos metu išsiskiria energija. Rekombinacija gali būti spinduliuojamoji ir nespinduliuojamoji. Spinduliuojamosios rekombinacijos atveju išsiskyrusi energija emituojama šviesos kvantų – fotonų – pavidalu.

Pagal spinduliavimą skiriami matomos šviesos ir infraraudonųjų spindulių šviesos diodai. Šviesos diodų gamybai naudojami puslaidininkinių medžiagų mišiniai. Nuo panaudotos medžiagos sudėties priklauso spinduliuojamos šviesos spalva. Matomos šviesos diodams gaminti daugiausia naudojamas galio arsenido fosfido (GaAsP) mišinys raudonai ir geltonai šviesai gauti, galio fosfido (GaP) mišinys – žaliai šviesai gauti ir silicio karbido (SiC) mišinys – mėlynai šviesai gauti. Infraraudonųjų spindulių šviesos diodų gamybai daugiausia naudojami galio arsenido (GaAs)ir galio aliuminio arsenido (GaAlAs) mišiniai. Bangų ilgis paprastai priklauso nuo panaudotos pagrindinės medžiagos ir legiravimo medžiagos. Šviesa yra beveik monochrominė. Išspinduliuojamas šviesumas priklauso nuo tiesioginės pratekančios srovės.

7.9. Tuneliniai diodai

Tuneliniai diodai yra germanio diodai su labai legiruotomis N⁺ ir P⁺ sritimis ir labai plona PN sandūra. Elektronai gali su mažu energijos lygiu peršokti užtvarinį sluoksnį tiesiogine kryptimi. Tunelinės srovės didžiausia reikšmė tiesiogine kryptimi gaunama nuo 50 mV iki 100 mV (3.11 pav.). Paskui tunelinė srovė mažėja. Krintančioje charakteristikos dalyje tunelinis diodas turi neigiamą diferencialinę varžą. Kai u_d ≈ 0,4 V, tunelinio diodo srovė sutampa su paprasto germanio diodo srove. Dėl Zenerio efekto atvirkštinėje charakteristikos dalyje tunelinis diodas yra laidus. Keičiantis diodo įtampai, srovė tuneliniame diode nusistovi per labai trumpą laiko tarpsnį (i ≈ 100 ps).

7.10. Atvirkštiniai diodai

Atvirkštiniai diodai konstruojami panašiai kaip ir tuneliniai diodai, tik juose P ir N sritys yra mažiau legiruojamos. Atvirkštiniuose dioduose tunelinis efektas yra silpnesnis, nes srovė tiesiogine kryptimi tik šiek tiek didesnė negu paprastų germanio diodų. Zenerio pramušimo efektas pasireiškia tuoj pat, kai prijungiama neigiama įtampa. Toks diodas yra laidus atvirkštine kryptimi ir nelaidus, kai pridėtos mažos tiesioginės įtampos (6 pav.). Dėl to toks diodas gali būti atvirkščiai įjungtas į grandinę.

7 pav. Atvirkštinio diodo voltamperinė charakteristika

7.11. Puslaidininkiniai lazeriai

Priešingai negu šviesos diodai, puslaidininkiniai lazeriai spinduliuoja koherentinę šviesą. Puslaidininkinis lazeris sudarytas iš labai legiruoto (priemaišų tankis apie 10¹⁹ cm^–3) PN darinio (7 pav.). PN sandūros aktyvioji sritis yra lygiagreti elektrodų plokštumoms. Galinės sienelės griežtai tarpusavyje lygiagrečios ir statmenos PN sandūrai. Be to, jos gerai nupoliruotos. Padengus vieną galinę sienelę gerai šviesą atspindinčia danga, spinduliai sklis tik iš vieno galo.

8 pav. Supaprastinta puslaidininkinio lazerio struktūra