PN ´ atmenet: a di´ oda

A f´elvezet˝o eszk¨oz¨ok fizikai fel´ep´ıt´ese olyan, hogy egy f´elvezet˝o krist´alyr´acsban (p´eld´aul egy szil´ıcium szemcs´eben vagy lapk´an) kialak´ıtunk olyan tartom´anyokat, amelyek P vagy N t´ıpus´u m´odon szennyezettek, azaz a krist´aly egyes r´eszein az elektronok, m´ashol a lyukak a domin´ans t¨olt´eshordoz´ok. Ha egy elektron ´es egy lyuk egym´as k¨ozel´ebe ker¨ul, akkor az elektromos vonz´as miatt gyorsan rekombin´al´odnak: energiafelszabadul´as mellett mindkett˝o megsemmis¨ul. Az energiafelszabadul´as jelent˝os, ´altal´aban a tiltott s´av ∆E m´eret´enek nagys´agrendj´ebe esik.

Tekints¨uk azt az esetet, amikor a krist´aly egyik fele P, m´asik N t´ıpus´u, a t´avolabbi r´eszeire pedig elektromos kivezet´est alak´ıtunk ki (p´eld´aul f´emr´eteg felp´arologtat´as´aval).

Ezt a 2.5 ´abra bal oldala szeml´elteti. A k´et szennyezetts´egi tartom´any ´erintkez´es´en´el (a PN ´atmenetn´el) az ellent´etes t¨olt´eshordoz´ok tal´alkozhatnak, azaz rekombin´al´ odhat-nak: k¨oz´epen emiatt

”elfogynak” a t¨olt´eshordoz´ok. A marad´ek szennyez˝o atomok t¨olt´ese elektromos teret alak´ıt ki, hiszen a P oldalon a szennyez˝o atomok negat´ıv, az N oldalon pozit´ıv t¨olt´es˝uek.

A k¨oz´epen kialakult ¨ures z´ona stabilan megmarad. K´epzelj¨uk el hogy a P oldalr´ol egy lyuk elindulna a z´ona k¨ozepe fel´e. A PN ´atmenet k¨orny´ek´en ez a pozit´ıv t¨olt´es szemben kell haladjon az N tartom´any pozit´ıv (szennyez˝o atomt¨orzsekt˝ol sz´armaz´o) t¨olt´eseivel, ami az elektromos tasz´ıt´as miatt visszaford´ıtja. Egy olyan egyens´ulyi rendszer alakul ki, ahol a t¨olt´esmentes, ki¨ur´ıtett z´ona sz´eless´ege pont akkora, ami ´eppen megakad´alyozza a folyamatos rekombin´aci´ot.

Kapcsoljunk most fesz¨ults´eget a rendszerre, ´ugy, hogy a P oldalra pozit´ıv, N oldalra negat´ıv fesz¨ults´eg ker¨ul. Ha ez elegend˝oen nagy ´ert´ek˝u, a lyukak a P oldalr´ol elindul-hatnak a PN ´atmenet fel´e, az elektronok pedig – l´ev´en negat´ıv t¨olt´es˝uek – az N oldalr´ol szint´en az ´atmenet fel´e. A ki¨ur´ıtett tartom´any ´ıgy bez´arul, a t¨olt´eshordoz´ok (mindk´et t´ıpus teh´at a rendszer k¨ozepe fel´e haladva!) folyamatosan rekombin´al´odnak. A t¨olt´ es-hordoz´ok folytonos ´araml´asa konstans ´aramot jelent, azaz az ´atmenet vezet. Mindezt a 2.5 ´abra k¨oz´eps˝o r´esze szeml´elteti.

Ha olyan fesz¨ults´eget kapcsolunk a kivezet´esekre, ahol az N oldalon van a pozit´ıv, a P oldalon a negat´ıv p´olus, akkor az ´atmenett˝ol elfel´e ´aramlanak a t¨olt´eshordoz´ok. A k¨oz´eps˝o, ¨ures tartom´any sz´eless´ege valamennyire megn¨ovekszik, de folyamatos t¨olt´

es-´

araml´as nem indul meg, a rendszer ebben az ir´anyban nem vezet. Ez a 2.5 ´abra jobb

2.5. ´abra. A PN ´atmenet kialakul´asa (balra). Ha egy Si krist´aly egyik oldala P, m´asik oldala N szennyezetts´eg˝u, akkor a k´et tartom´any tal´alkoz´as´an´al a t¨olt´eshordoz´ok rekom-bin´al´odnak. Ha a PN ´atmenetre fesz¨ults´eget kapcsolunk (k¨oz´epen), akkor a t¨olt´ eshordo-z´ok megindulnak, k¨oz´epen tal´alkoznak ´es a folyamatos rekombin´aci´o folyamatos, jelent˝os

´

aramot eredm´enyez. Ha ellent´etes ir´any´u fesz¨ults´eget adunk a rendszere (jobbra), akkor a t¨olt´eshordoz´ok mind kifel´e indulnak el, az ´araml´as le´all, gyakorlatilag z´erus ´aram folyik

oldal´an el˝o´all´o helyzet.

A PN ´atmenet a fentiek szerint igen ´erdekes tulajdons´aggal rendelkezik: egyik ir´ any-ban vezet, m´asikban nem, azaz egyenir´any´ıt´o tulajdons´ag´u. A vezet˝o ir´anyt (P oldalon a pozit´ıv p´olus) nyit´oir´anynak, a nem vezet˝ot (logikusan) z´ar´oir´anynak nevezz¨uk.

Ha konkr´etan egyenir´any´ıt´asra haszn´alunk egy PN ´atmenettel rendelkez˝o eszk¨ozt, ak-kor di´od´anak nevezz¨uk a rendszert. Rajzjele a2.6´abra bal oldal´an l´athat´o. A kis ny´ılb´ol

´

es a z´ar´ast jelk´epez˝o mer˝oleges vonalb´ol intuit´ıvan megjegyezhet˝o hogy melyik a nyit´

o-´

es a z´ar´oir´any. Tekintve hogy ´altal´anos k´etp´olusr´ol van sz´o (l. 1.3 fejezet), a karak-terisztik´aja, azaz az ´aram-fesz¨ults´eg U(I) f¨uggv´enykapcsolata meghat´arozza elektromos tulajdons´agait. Ez ut´obbit mutatja a 2.6 ´abra m´asodik panele. Ha a di´oda

”ide´alis”

lenne, akkor pozit´ıv (nyit´oir´any´u) fesz¨ults´eg r´akapcsol´as´aval tetsz˝olegesen nagy ´aramot

´

atengedne, negat´ıv (z´ar´o) ir´anyban ´arama z´eruss´a v´alna. A2.6 ´abra jobb oldala mutatja a val´os´agos di´oda karakterisztik´aj´at, ami ett˝ol az ide´alist´ol jelent˝osen elt´er.

Gyakorlati szempontb´ol fontos figyelembe venni hogy a Si di´od´araegy v´eges, k¨or¨ulbel¨ul 0,6 - 0,7V fesz¨ults´eget kell kapcsolni hogy vezetni kezdjen, ez ut´obbit nyit´ofesz¨ults´egnek nevezz¨uk. Felrajzolhatunk teh´at egy

”gyakorlatias” karakterisztik´at, ami z´erus ´aramot jelent a 0,6V-os nyit´ofesz¨ults´eg alatt, felette pedig tetsz˝olegesen nagy ´aramot (de a di´od´an ekkor is esik 0,6V!). A 0,6 V nyit´ofesz¨ults´eg anyagf¨ugg˝o: pl. Ge di´od´ak 0.3 V k¨or¨ul nyitnak, m´ıg a k¨ul¨onb¨oz˝o GaAs alapanyag´u di´od´ak nyit´ofesz¨ults´ege 1.2 V feletti.

A di´od´ak ´aram´at a Shockley egyenlet adja meg:

I =I_s(e^Ud/(nkT)−1) (2.1)

ahol I_s a szatur´aci´os ´aram (tipikusanI_s = 10⁻¹⁴A k¨or¨ul van),U_da di´od´an es˝o fesz¨ults´eg, n pedig az un. min˝os´egi t´enyez˝o (tipikusan n = 1−2 k¨or¨uli). Az exponenci´alis f¨ugg´es miatt az ´aram er˝osen f¨ugg a h˝om´ers´eklett˝ol.

2.6. ´abra. Di´oda rajzjele (balra), illetve tipikus I(U) karakterisztik´ai. A gyakorlatban leg-jobban haszn´alhat´o, praktikus verzi´o az, ha akkor tekintj¨uk vezet˝onek, mikor k¨or¨ulbel¨ul 0.6V-os nyit´ofesz¨ults´eg esik rajta.

A di´od´ak legelterjedtebb alkalmaz´asa az egyenir´any´ıt´as (2.2 fejezet), de emellett v´ al-tozatos m´odon haszn´alhatjuk ˝oket, a technol´ogiai kialak´ıt´ast´ol f¨ugg˝oen. A f˝obb ilyen lehet˝os´egek az al´abbiak:

• A lyuk-elektron p´arok megsemmis¨ul´ese, azaz a rekombin´aci´o jelent˝os energiafel-szabadul´assal j´ar. Ez nem csak h˝ov´e alakulhat, hanem megfelel˝o anyagv´alaszt´as mellett az elektrom´agneses sug´arz´as fotonjaiv´a, azaz f´enny´e. Ezek az ´ugynevezett LED-ek (Light Emitting Diode), ami az elektronikus berendez´esek apr´o f´enyjelz´ e-seinek z¨om´et is adj´ak. A rekombin´aci´o energi´aj´at´ol f¨ugg˝oen a f´eny keletkezhet a l´athat´o tartom´anyban tetsz˝oleges sz´ınben, de lehet infrav¨or¨os is (IR LED-ek) vagy – az elm´ult ´evtized technol´ogiai fejleszt´eseinek k¨osz¨onhet˝oen – ultraibolya (UV). A feh´er sz´ın˝u LED-ek m´ara olcs´ok ´es energiahat´ekonyak lettek: ezek a feh´er f´enyt ´ugy

´

all´ıtj´ak el˝o (jobb vagy rosszabb sz´ınmin˝os´egben) hogy egy er˝os k´ek LED f´eny´enek egy r´esz´et a s´arga tartom´anyba tolj´ak fluoreszcens anyagnak a f´elvezet˝o krist´aly melletti elhelyez´es´evel. A k¨ul¨onb¨oz˝o GaAs ´es GaN di´od´ak a teljes l´athat´o f´eny tartom´anyt lefedhetik.

• A LED-ek m˝uk¨od´esi elve visszafele is alkalmazhat´o: elegend˝oen nagy energi´aj´u f´enykvantum egy lyuk-elektron p´art kelthet, azaz a z´ar´oir´any´u, megvil´ag´ıtott PN

´

atmeneten jelent˝os ´aram folyik. Ezt a fotodi´od´anak nevezett eszk¨ozt nagy ´erz´ ekeny-s´eg˝u f´enym´er´esre, f´enydetekt´al´asra lehet haszn´alni. A f´enyb˝ol t´enylegesen energi´at is ki lehet nyerni, ezt a napelemek v´egzik. Itt a ki¨ur´ıtett z´on´aban keletkez˝o lyuk-elektron p´arok ´altal ind´ıtott ´aram a di´oda fesz¨ults´eg´evel szemben folyik.

• Ha egy LED-k´ent m˝uk¨od˝o f´elvezet˝o krist´alyban a t¨olt´eshordoz´ok sz´ama egy kritikus

´

ert´eket meghalad, az eszk¨ozben l´ezerhat´as alakul ki. A krist´aly falai viselkednek ekkor t¨uk¨ork´ent (megfelel˝o bevonattal). Ezek a l´ezerdi´od´ak koherens f´enyt bo-cs´atanak ki egy nagyon v´ekony hull´amhossz-tartom´anyban, ´es igen j´o hat´asfok´u l´ezerf´eny-forr´ask´ent viselkednek. Alkalmaz´asuk a kis k´ezi pointerekt˝ol a telekom-munik´aci´os eszk¨oz¨okig ´es az optikai adatt´arol´ok (CD, DVD) leolvas´o rendszer´eig terjed.

• Z´ar´oir´anyban a di´od´ak nem (vagy csak a minim´alis I_s ´ert´ekkel) vezetnek, de egy bizonyos (t´ıpusf¨ugg˝o) hat´arfesz¨ults´egn´el nagyobbat nem b´ırnak, mivel a ki¨ur´ıtett tartom´any m´erete nem lehet v´egtelen. Norm´alisan az ilyen t´ulterhel´es a di´oda t¨onkremenetel´ehez (´at¨ut´eshez) vezet.

Ezzel szemben a Zener-di´od´ak olyan technol´ogiai kialak´ıt´as´uak, hogy egy j´ol defi-ni´alt z´ar´oir´any´u fesz¨ults´egn´el (amit let¨or´esi fesz¨ults´egnek neveznek) meghib´asod´as n´elk¨ul vezet˝ov´e v´alnak. Ez az ´eles let¨or´esi fesz¨ults´eg jellemz˝oen 2 ´es 200V k¨oz¨otti

´

ert´ek˝u, ´es a gy´art´as sor´an be´all´ıthat´o. A let¨or´esi fesz¨ults´eg j´o referenci´at ad, ´ıgy fesz¨ults´egstabiliz´al´asi alkalmaz´asokban alkalmazz´ak ˝oket els˝odlegesen.

• A z´ar´oir´any´u di´od´ak ´erdekes felhaszn´al´asa az un. varikap di´od´ak l´etrehoz´asa. Ezek-n´el a di´od´ara kapcsolt (z´ar´oir´any´u) fesz¨ults´eg szab´alyozza a ki¨ur´ıtett r´eteg vastag-s´ag´at, ´es ´ıgy a di´oda k´et csatlakoz´asa k¨oz¨otti parazita kapacit´ast. Minden di´oda mutat ilyen viselked´est: ¨ugyes geometriai elrendez´essel ez a hat´as megn¨ovelhet˝o.

Manaps´ag szinte minden r´adi´ofrekvenci´as vev˝oberendez´es (r´adi´o, tv, stb.) rezg˝ o-k¨oreinek hangol´asa varikap di´od´ara kapcsolt fesz¨ults´eggel t¨ort´enik.

A 2.7 ´abra a di´od´ak fizikai kivitelez´es´er˝ol mutat f´enyk´epet.

2.7. ´abra. Di´od´ak rajzjele (balra), illetve fizikai kivitelez´es¨ukr˝ol k´esz¨ult f´enyk´ep. Balr´ol jobbra haladva: kis- ´es nagy ´aram´u di´oda (0,1 ´es 10A); feh´er, piros ´es infrav¨or¨os (IR) LED-ek