Electronics Technology Fundamentals

1

Electronics Technology Fundamentals

Kapittel 17Introduksjon til ldquoSolid State Components DiodesrdquoRevidert versjon jan 2007 TLindem

2

171 Semiconductors ndash P1

Halvledere ndash SemiconductorsAtomer som har 4 valenselektroner

3

171 Semiconductors ndash P2

Ladning og ledning ndash Charge and Conduction Conduction Band ndash ldquoLednings - baringndrdquo - Energitilstand over valens-baringndetEt elektron som absorberer energi og ldquohopperrdquo fra valensbaringndet til

ledningsbaringndet sier vi er i eksertert tilstand (excited state )

4

171 Semiconductors ndash P3

Covalent Bonding ndash metoden som enkelte antomer bruker for aringkomplettere ldquovalens-baringndetrdquo til 8 elektroner Det utveksles elektronermed naboatomeneSilisium med 4 valenselektroner danner en ldquodiamantrdquo-struktur Detutveksles elektroner med nabo-atomene slik at det dannes en konfigurasjon med 8 elektroner rundt hvert atom

5

171 Semiconductors ndash P4

Conduction ndash Ledning i rene halvledereElectron-Hole Pair - Naringr det tilfoslashres energi I form av varmestraringling loslashftes et elektron fra valensbaringndet opp i ledningdsbaringndetRecombination ndash Naringr et fritt elektron I ledningsbaringndet ldquofaller nedrdquo I et ledigldquohullrdquo i valensbaringndet Energien frigjoslashres enten som varme ellerelektromagnetisk straringling

For aring loslashsrive et elektron fra denne strukturentrenges en energi paring 11 eV

6

172 Doping ndash P1

Doping ndash the process of adding impurity atoms to intrinsic (rent) silicon to increase its conductivity

Trivalent Grunnstoff med 3 elektroner i valensbaringndet (yttre skall)Pentavalent Grunnstoff med 5 elektroner I valensbaringndet

Trivalent Impurity Pentavalent Impurity

Aluminum (Al)Gallium (Ga)Boron (B)Indium (In)

Phosphorus (P)Arsenic (As)Antimony (Sb)Bismuth (Bi)

7

172 Doping ndash P2

N-Type Materials ndash vi ldquoforurenserrdquo med et stoff som har 5 valenselektroner Vi faringr et ekstra elektron som ikke blir med i den kovalente bindingen

Electrons ndash majority carriersHoles ndash minority carriers

Det skal lite energi til foslashr detteelektronet frigjoslashres - ca 005eV

8

172 Doping ndash P3

P-Type Materials Vi tilfoslashrer et stoff med 3 valenselektroner Det betyr at trukturen ikke fylles ndash det mangler et elektron i den kovalente bindingen

Holes ndash majority carriersElectrons ndash minority carriers

9

172 Doping ndash P4Setter vi et n-dopet silisium sammen med p-dopet silisium faringr vi en diffusjon av elektroner fra n-siden over til p-siden ( Diffusjon = En drift av elektroner fra et omraringde med hoslashy elektrontetthet til et omraringde med lav elektron-tetthet )

10

173 The PN Junction ndash P1

PN Junction ndash vi setter sammen n-type og p-type materialer

11

173 The PN Junction ndash P2

Electron DiffusionDepletion Layer - Det dannes fort et tynnt sperresjikt rundt ldquojunctionrdquoBarrier Potential ndash Elektronene som har forlatt n-siden etterlater seg et positivt ladet omraringde ndash og det etableres et neg ladet omraringde paring p-siden Detdannes en potensialbarriere paring ca 06 - 07 volt mellom n og p

+ -E

12

174 Bias ndash P1

Bias eller forspenning ndash et potensial som tilfoslashres pn junction fra en utvendig spenningskilde (feks batteri) Denne bias-spenningbestemmer bredden paring depletion layer

Forward Bias ndash Tilfoslashrt spenning motvirker det interne sperrefeltet Dette aringpner for elektrontransport fra n til p

13

174 Bias ndash P2

Anodep

Katoden

Forward Bias (Continued)Bulk Resistance (RB)VF cong 07 V for siliconVF cong 03 V for germanium

14

174 Bias ndash P3

Reverse Bias Tilfoslashrt spenning virker sammen med det interne sperrefeltet Dette sperrer for elektrontransport fra n til p

15

175 PN Junction Diodes ndash P1

Diode ndash a two-electrode (ie two-terminal) component that acts as a one-way conductor

Insert Figure 1715

16

175 PN Junction Diodes ndash P2

Ideal Diode Characteristics ndash would act as a simple switchReverse Biased (Open Switch) ndash has infinite resistance zero reverse current and drops the applied voltage across its terminalsForward Biased (Closed Switch) ndash has no resistance and therefore no voltage across its terminals

The Practical DiodeForward Voltage (VF)Knee Voltage (VK)

17

175 PN Junction Diodes ndash P3

Practical Circuit Analysis

V 071 minus=minus= SFSR VVVV

mA 43kΩ 1

V 07V 5V 07

11

1 =minus

=minus

==R

VR

VI SRT

18

176 Diode Ratings ndash P1

Peak Reverse Voltage (VRRM) ndash the maximum reverse voltage that wonrsquot force the diode to conduct

19

177 Other Diode Characteristics ndash P1

Bulk Resistance (RB)Den ldquonaturligerdquo motsatanden i diodematerialet for p-type og n-type Denne motstanden faringr betydning naringr dioden leder stroslashm

BFF RIV += V 07

20

177 Other Diode Characteristics ndash P3

Reverse Current (IS) ( lekkasjestroslashm )En liten stroslashm av minoritetsbaeligrere (elektroner i P-omraringdet) vil lekkeover sperresjiktet (depletion layer) naringr dioden er forspent I sperreretningIS bestaringr av to uavhengige stroslashmmer

Reverse Saturation Current (IS) for Si = 10-15 A for Ge = 10-7 ASurface-Leakage Current (ISL) varierer med overflatens stoslashrrelse

Det korrekte uttrykk for stroslashmmen i dioden er gitt av likningenVD = spenningen over diodenVT = den termiske spenningen = 25mV

ved 300o Kelvin (se komp fyselektr)n = 1 ev 2 avh Si eller Ge

)1( minus= TD

nVV

SD eII

21

177 Other Diode Characteristics ndash P4

Diode Capacitance

Depletion layer virker som en isolator mellom anode og katode Vi serat dioden kan betraktes som en kondensator naringr den er forspent i sperre-retningHvis spenningen i sperreretning oslashkes -vil tykkelsen paring depletion layer oslashke Det betyr at dioden i sperreretning kanbrukes som en variabel kondensator Det lages spesielle dioder til slikt bruk ndash

rdquovaricap-dioderrdquoBrukes ofte i radiomottakere til frekvens-innstilling (stasjonsvalg)

22

177 Other Diode Characteristics ndash P5

Temperature Effects on Diode Operation

NB Husk disse kurveneer eksponentialfunksjonerBokas fremstilling er ikke helt korrektVi vet at

TD

VV

SF eII sdotasymp

Hvor

voltTqTkVT 02590

11600==

sdot=

Ved 300o Kelvin

23

177 Other Diode Characteristics ndash P6

Temperature Effects on Diode Operation (Continued)

24

178 Diode Specifications ndash P3

Diode Identification

25

179 Zener Diodes ndash P1

Zener Diode ndash a type of diode that is designed to work in the reverse breakdown region of its operating curve

Reverse Breakdown Voltage (VBR)Application Voltage Regulator Zener Voltage (VZ)

To effekter gir grunnlag for zener-diodens karakteristikk1 Avalanche (skred) Frie ladninger aksellereres ndash disse kolliderer med Si-

strukturen og frigjoslashr nye ladninger2 Zener-effekt (kvantemekanisk tunneling) E-feltet er saring sterkt at elektroner

rives loslashs fra de kovalente bindingene3 Avhengig av doping-graden vil en eller begge disse effektene bestemme

zenerdiodens rdquobreakdown voltagerdquo

26

179 Zener Diodes ndash P3

Zener Operating CharacteristicsZener Knee Current (IZK)Maximum Zener Current (IZM)Zener Test Current (IZT)Zenerspenningen vil vaeligre temperaturavhengig ndash dioder med en spenning paring ca 56 volt vil vaeligre temperaturstabile Vi kaller ofte slike dioder ndashreferansedioder

27

179 Zener Diodes ndash P5

Zener Operating Characteristics (Continued)Zener Impedance (ZZ) ndash the zener diodersquos opposition to a change in current

28

1711 Light-Emitting Diodes ndash P1

Light-emitting diodes (LEDs) ndash lysdioder er dioder som kansende ut lys naringr de faringr riktig bias

29

1711 Light-Emitting Diodes ndash P2

Light-emitting diodes (LEDs) (Continued)

Insert Figure 1739

30

1711 Light-Emitting Diodes ndash P3

LED CharacteristicsForward Voltage +12 to +43 V (typical)Reverse Breakdown Voltage -3 to ndash10 V (typical)

Et fritt elektron som rekombinerermed et rdquohullrdquo vil avgi energi E Avhengig av materialene som benyttes vil denne energien bli avgitt som varme ndash eller somelektromagnetisk straringling med enfrekvens ( f ) vi oppfatter som lysE = h f h = Plancks konstant Gallium ArsenidGaAs ndash infraroslashdt lys λ asymp 900nmGallium Arsenid-fosfid GaAsP ROslashDT LYSGaP ndash GROslashNT LYSGaN ndash BLAringTT LYS

31

1711 Light-Emitting Diodes ndash P4

Current-Limiting Resistors ndash LEDsrequire the use of series current-limiting resistors to ensure that the maximum current rating of the LED will not be exceeded

F

FpkoutS I

VVR

minus= )(

whereVout(pk) = the peak output voltage of the driving circuit

VF = the minimum rated forward voltage for the LEDIF = the maximum forward current rating for the LED

32

1712 Diodes A Comparison