A félvezető dióda

2015.10.13 16:20

(a cikk elolvasása előtt javasolt a Félvezető anyagok fizikája és a A PN-átmenetek témakörök áttanulmányozása)
 

A félvezető dióda tulajdonképpen nem más, mint egy kivezetésekkel ellátott, fém, üveg, műanyag tokba zárt PN- átmenet.
 

Dióda felépítése Dióda rajzjele
A rajzjel háromszögrésze a P-tartományt (anód) szimbolizálja, a függőleges vonalrésze az N-tartományt (katód). A vezeték irányába mutató csúcs a nyitóirányú polarizálás estén érvényes áramirányt adja meg.
A PN-átmenet a mőködtető feszültségpolaritásától függően nyitó vagy záróirányban működtethető. Nyitóirányú a félvezető dióda előfeszítése, ha a P tartomány az N-réteghez képest pozitív feszültséget kap, ellenkező polaritás esetén záróirányú működtetésről beszélünk. Nyitóirányú polarizálással a dióda vezeti az elektromos áramot, mert úgy viselkedik, mint kis értékű ellenállás, míg záróirányú előfeszítés (= polarizálás, működtetés) esetén a dióda ellenállása nagy értékű, így nem vezet.
Mindezek miatt a félvezető diódának egyenirányító hatása van. A félvezető dióda szerkezete és a szennyezett rétegek geometriája függvényében további különleges tulajdonságok elérése válik lehetővé. Ezek a tulajdonságok teszik lehetővé nagyon sok diódatípus megvalósítását.

 
Félvezető dióda nyitóirányú előfeszítése
A dióda nyitóirányú előfeszítése azt jelenti, hogy az anód a katódhoz képest pozitívabb feszültséget kap. A nyitóirányú előfeszítés a diffúziós feszültség értékét csökkenti, amely gátolja a többségi töltéshordozók áramlását. Kis mértékű nyitóirányú feszültség esetén (100 mV) a PN-átmenet még viszonylag nagy ellenállású, azaz csak nagyon kis erősségő áram folyik. Az Uf feszültséget növelve kezdetben kis mértékű áramnövekedést, majd a diffúziós feszültség értékét elérve (Si diódáknál kb. 0,6 V) hirtelen nagyon erős növekedés tapasztalható.Ameddig Uf nem lesz egyenlő Ud-vel addig a dióda árama exponenciálisan nő.A nyitófeszültség további növelése esetén a dióda úgy fog viselkedni, mint egy kis értékő ellenállás, tehát a karakterisztika további alakulása lineáris jelleget mutat. Ennek az ellenállásnak az értéke a félvezető anyagától, szennyezettségétől és geometriai tulajdonságaitól függ.
 
Félvezető dióda záróirányú előfeszítése
Záróirányú előfeszítés esetén a potenciálgát értéke megnő, a tértöltési zóna a félvezetőben a zárófeszültség függvényében kiszélesedik (záróirányú karakterisztika). Ekkor a PN-átmeneten csak nagyon kis értékű , 
µA nagyságrendű úgynevezett visszáram folyik, aminek az értéke gyakorlatilag független a záróirányú feszültség értékétől.A záróirányú áram nagysága a  hőmérséklet növekedésével exponenciálisan nő. Állandó hőmérsékleten nulla záróirányú feszültség esetén a záróirányú áram értéke is nulla. A kisebbségi töltéshordozók áramlása már kis zárófeszültség esetén is megindul és a visszáram néhány tized voltnál telítésbe kerül. Ez annak köszönhetı, hogy a kisebbségi töltéshordozók mozgási energiája növekszik de számuk gyakorlatilag nem.
Az UR feszültség értékét tovább növelve a jelleggörbén elérünk a letörési feszültséghez (UZ), ahol a záróirányú áram értéke kezdetben kis mértékben, majd hirtelen növekszik. Ennek oka abban rejlik, hogy a kialakuló villamos tér erőhatása elektronokat szabadít fel kötéseikből (Zener-letörés).
 
A dióda paraméterei:
A dióda teljes karakterisztikáját négy különálló tartományra bonthatjuk.
 
i
I. letörési tartomány: ennek a tartománynak az a jellegzetessége, hogy kis záróirányú feszültségváltozás hatására nagy áramváltozás következik be. Az egyenáramú és a differenciális ellenállás értéke gyakorlatilag nullának tekinthető. A PN-átmeneten átfolyó záróirányú áram igen nagy értékű is lehet, amit feltétlenül korlátozni kell.
 

II. lezárási tartomány: a jelleggörbe ezen részén a kis értékű visszáram telítési jelleget mutat, azaz értéke nem függ a záróirányú feszültség változásától. A visszáram értéke Ge-diódák esetén µA, míg Si-diódák esetén nA értékű, mely áram a félvezető anyag saját vezetőképességének tulajdonítható. A diódák ellenállása ezen tartományban nagyon nagy értékő, Ge-diódák esetén akár 10 M, míg Si-diódák esetén a 3000 M-ot is elérheti. A dióda egyen és váltakozó feszültség esetén is szakadásként viselkedik.
III. nyitóirányú tartomány exponenciális szakasza: a nyitófeszültség értéke még nem haladja meg a diffúziós feszültség értékét. Ennek köszönhetıen a PN-átmenet ellenállása meglehetősen nagy értékő, amely a nyitóirányú feszültség növelésével folyamatosan csökken. Ez, az áram exponenciális változását okozza. A diffúziós feszültség értéke Ge-diódáknál kb. 300 mV, míg Si-diódáknál kb. 700 mV.
IV. nyitóirányú tartomány lineáris szakasza: a nyitófeszültség értéke nagyobb, mint a diffúziós feszültség. Ezért a dióda vezeti az elektromos áramot, kis értékű 1−100ellenállásként viselkedik. A diódán folyó nyitóirányú áram értéke csak kis mértékben függ a nyitóirányú feszültség változásától.
 
 
 
 
 
 
A dióda hőmérsékletfüggése:
 

A dióda nyitóirányú árama esetén
A nyitóirányú áram hőmérsékletfüggő, mivel a hőmérséklet növekedésével a termikus töltéshordozók száma exponenciálisan nő. A kisebbségi termikus töltéshordozók koncentrációja nem változik nyitóirányú működtetés esetén, így az általuk létrehozott áram az egyensúlyi állapotnak megfelelő szinten marad. A hőmérséklet növekedésével a dióda nyitóirányú karakterisztikája balra tolódik. Magasabb hőmérsékleten kisebb külső feszültség tud ugyanakkora áramot létrehozni. Az áram állandó értéken tartásához 1 0C hőmérséklet-növekedés esetén a nyitófeszültséget 2,2 mV-tal kell csökkenteni.

 

A dióda záróirányú árama esetén
1 0C-os hőmérséklet-növekedés hatására a záróirányú áram kb. 10 %-kal növekszik. 10 0C-os hőmérséklet-növekedés 2,7-szeresére növeli a záróirányú áram értékét. Szilícium dióda esetén legtöbbször ez a megnövekedett áram is elhanyagolhatóan kicsi.