Különleges diódák

2015.11.03 19:01

 

 

Zener-diódák


A Zener-diódák olyan különleges félvezető eszközök, amelyek üzemeltetése a letörési tartományon belül sem jár tönkremenetellel. Ezek az eszközök a PN-átmenet azon tulajdonságát használják ki, hogy közelítőleg állandó értékű a záróirányú feszültség a kivezetései közt, ha a letörési tartományban működtetjük. Ezek a diódák különlegesen szennyezett szilícium alapú félvezető eszközök, amelyek kis ohmos veszteséggel és nagyon jó hőelvezető képességgel rendelkeznek. Nyitóirányú működésük megegyezik a normál Si-diódákéval.
Záróirányú működtetés során a PN-átmenet UZK feszültség eléréséig (Zener-feszültség) nagy ellenállást, míg ez után kis ellenállást képviselnek.

 

A Zener dióda karakterisztikája


I. nyitótartomány: a dióda diffúziós feszültsége (UD), vagy más néven küszöbfeszültsége kb. 0,7 V. A karakterisztika ezen része teljesen általános.
II. zárótartomány: mivel a dióda záróirányú ellenállása nagyon nagy értékű 10−1000 M, így a PN-átmeneten csak nagyon kis értékű visszáram folyik.
III. könyöktartomány: ebben a tartományban kezdődnek meg a letörési jelenségek. Egy erősen szennyezett szilíciumdióda letörési feszültsége 6 V-nál kisebb érték.
IV. Letörési tartomány: kis feszültségváltozás hatására a diódán nagy áram kezd folyni. Ezek a változások határozzák meg a kis értékű differenciális ellenállását.
          Ennek az értéke a letörési tartományban 1−100 .

 

Az UZK jellemző Zener-feszültségként a gyártók azt a feszültséget adják meg, amely esetén egy meghatározott visszáram IZK folyik (általában 5 mA). A minimális IZmin és a maximális IZmax Zener-áram között elhelyezkedı szakaszt működési tartománynak nevezzük.

A Zener-diódákat feszülségstabilizálásra használják. Az alábbi ábrán egy elemi feszültségstabilizátort láthatunk:











A Zener-diódák érzékenyek a hőmérsékletre, a hőmérséklet változásával a letörési feszültség értéke eltolódik.

















Az eltolódás mértéke és a változás értéke a hőmérsékleti tényezőtől függ:

 
ahol ∆UZK a Zener-feszültség eltolódása és ∆T a záróréteg hőmérsékletváltozása 25 C0-hoz viszonyítva. A hőmérsékleti együttható megadja a Zener-feszültség eltolódásának mértékét C0-onként.
 
 
Kapacitásdiódák (varicap-ok)
 

A zárófeszültséggel széles tartományban vezérelhető kapacitású diódák. A varicap diódák átmenetének kialakítása olyan, hogy visszáramuk igen kicsi, záróellenállásuk nagy, záróirányú kapacitásuk pedig nagyobb (3-7-szeres arányban változtatható), mint az egyszerő diódáké. A záróréteg kapacitásának az értéke függ az átmenet felületétől, szélességétől, és a félvezető anyag dielektromos tulajdonságaitól.
A félvezető-dióda tértöltési tartománya a diódával párhuzamosan kapcsolt kapacitásként viselkedik. A határréteg két oldalán található különböző típusú töltéshordozók páronként elemi kondenzátorokat alkotnak. Ezeknek az elemi kondenzátoroknak a párhuzamos kapcsolásából kapjuk a záróréteg kapacitásának értékét.
A diódára kapcsolt záróirányú feszültség növelésével megnı a tértöltési tartomány szélessége, ezzel fordított arányban változik a dióda által képviselt kondenzátor kapacitása.
 
A kapacitásdiódák által felölelt kapacitástartomány kb. 1-300 pF.
Kapacitásdiódák fontosabb villamos adatai:
Záróréteg-kapacitás: Cs
Záróirányú feszültség: UR (jellemző érték: 25-30 V)
Záróirányú áram: IR (jellemző érték: 50-100 nA)
Nyitóirányú feszültség: UF (jellemző érték: 0,8-0,9 V)
A kapacitásdiódákat rezgőkörök feszültségvezérelt hangolására és frekvenciamodulációt megvalósító kapcsolásokban alkalmazzák.
 
 
Shottky - dióda
 
 
Fém-félvezető dióda (pl. Al-Si), amelynek jellemzője a Si diódáknál lényegesen kisebb nyitóirányú feszültség. Ezt a tulajdonságát felhasználva elsősorban a gyorskapcsoló
diódák (ps nagyságrendű kapcsolási idők) és a digitális áramkörök fontos alkatrésze, de egyre nagyobb szerep jut a nagyfrekvenciás kapcsolóüzemű
tápegység alkalmazásokban is nagyfrekvenciás egyenirányító diódaként.
 
 
 
Alagút - dióda
 
Az alagútdiódák erősen szennyezett, negatív ellenállású, nagyon gyors működésű félvezető eszközök. Alapanyaguk Ge, Si vagy GaAs. Az erős szennyezés hatására a PN-átmenet környezetében kialakul egy olyan vékony tértöltési zóna, amelyen az elektronok energiaveszteség nélkül áthaladhatnak. 
Az erős szennyezés következtében, mint az a működési karakterisztikából is jól látszik, már kis záróirányú feszültség hatására a félvezető kis ellenállású állapotba kerül. Ugyanakkor az erősen szennyezett rétegek miatt olyan nagy a térerısség, hogy a letörés záróirányban már 0 V-nál bekövetkezik.
 
Nyitóirányú előfeszítés esetén jól észrevehető a negatív ellenállású szakasz (PV-szakasz):Up = 50−100mV, Uv = 0,5−0,9V
A jelleggörbének ezen része a kvantummechanikai alagúthatás következménye.

A dióda nyitóirányú árama két részből tevődik össze.
 
 
Az Esaki áram kialakulása azért lehetséges, mert  a töltéshordozók hőenergiájuknál nagyobb fékező potenciáltéren is átjuthatnak véges valószínűséggel, ha a potenciáltér térbeli kiterjedése kicsi, márpedig a fentiekben láttuk, hogy az alagútdióda esetében igen keskeny a kiürített réteg. A töltés tehát a fékezőtér potenciális energiájánál kisebb kinetikus energiával, mintegy alagúton juthat át az átmeneten. 
Az alagúthatás 0,1-0,2 V-os nyitófeszültség tartományban működik, felette az átmenet nyitásából eredő diffúziós áram folyik. A karakterisztika a két áram eredőjéből jön létre.
 
Az alagútdiódát detektálásra, rezgéskeltésre és erősítésre használják.
 
 
Tűsdióda
A tűs diódák N-típusú szilícium vagy germánium egységkristályból készülnek. A félvezető alapanyagból kis lemezt szeletelnek, amely felületére egy rugós alakra hajlított volfrám vagy ritkán arany tűt helyeznek, és áramimpulzus segítségével összehegesztik a kristállyal. (Ez rövid ideig tartó túlterhelést jelent, amely során a tű és az alaplap érintkezési felületénél létrejön a P típusú szennyezés.) 
A tősdiódák maximális terhelhetősége 20-30 mA.
 
 
 
A tűs diódák nagy előnye, hogy az átmenet kis felülete miatt meglehetősen kis rétegkapacitással (0,2-0,5 pF) rendelkeznek, ami nagyfrekvenciás jelek vágására alkalmas. Működése hasonló a rétegdiódáéhoz, de kis kapacitása mellett kisebb a záróirányú és nagyobb a nyitóirányú ellenállása.
A tűs diódáknak van egy különleges fajtája: aranytűs dióda. Ezek, nyitóirányú ellenállása nagyon kicsi, 30-50 MHz frekvenciatartományban használható. Elsősorban híradástechnikában, nagyfrekvenciás detektorokban használják.
Külön rajzjele nincs, csak a dióda típusjelölése utal arra, hogy tűsdiódáról van szó.
 
 
 
 
 
LED (Light-Emitting Diode - fényt kibocsátó dióda)
 
 

A  nyitóirányú áram  a dióda anyagában levő atomok elektronjait gerjeszti, amitől azok nagyobb energiaszintű elektronpályára lépnek, a PN átmeneten az elektronok az N rétegből a P-be, a lyukak a P rétegből az N-be diffundálnak. A diffúziós kisebbségi és többségi töltéshordozók között rekombinációs folyamat indul meg. A LED-ek  fénye úgy keletkezik, hogy  miközben a töltéshordozók rekombinálódnak, - visszatérnek eredeti energiaszintjükre, - fotonokat bocsátanak ki (a fényelektromos jelenség fordítottja), vagyis  a felszabaduló energia fotonok formájában kisugárzódik. Nagyobb feszültség hatására nagyobb a kisugárzott fotonok mennyisége, egészen egy bizonyos nyitóirányú áramértékig, ahonnan már nem számottevő a változás.