3. Diodi ja diodipiirit - Oulu

3. Diodi ja diodipiirit
ElSuPer, Kostamovaara
3. Diodi ja diodipiirit
3.1 Ominaisuudet
3.2 Kuormitussuora –analyysi
3.3 Ideaalisen diodin malli
3.4 Tasasuuntaus ja jännitteen regulointi
3.5 Muita diodin sovelluksia
3.6 Diodin piensignaalianalyysi
3.7 Diodin sisäinen toiminta

3. Diodi ja diodipiirit
3.1 Ominaisuudet
• keskeinen elektroniikan rakenneosa
– erillisenä komponenttina
– samat ilmiöt mukana bipolaaritransistorissa
– pn-liitoksia (so. diodeja) myös yleisemmin IC-piireissä
• piirisymboli ja toiminta
ElSuPer, Kostamovaara
61

3. Diodi ja diodipiirit
– kohtiot anodi ja katodi
– jännite positiivinen silloin kun anodi korkeammassa
potentiaalissa katodiin nähden
– virran positiivinen suunta on anodilta katodille
– kun v D on positiivinen, diodi johtaa voimakkaasti, ns.
myötäbias
– jos v D on negatiivinen, diodi ei johda, ns. vastabias
– jos v D

3. Diodi ja diodipiirit
– huomaa, että v D-skaala erilainen origon eri puolilla
– diodi alkaa voimakkaasti johtamaan kun v D suurempi kuin 0.6
– 0.7V
– tämä on ns. johtamiskynnys, riippu lämpötilasta –2mV/C
– vastabiaksella vuotovirta n. 1nA, kaksinkertaistuu 10K:n
lämpötilanousua kohden
– läpilyöntijännite (breakdown) volteista satoihin voltteihin
• zener-diodi on tarkoitettu toimimaan nimenomaan
läpilyöntialueella
– avalanche-läpilyönti kun vastabias >6V
– tunneloitumiseen perustuva läpilyönti kun vastabias

3. Diodi ja diodipiirit
3.2 Kuormitussuora-analyysi
• esim. ao. kuvassa nähdään, että
– V SS ja R tunnetaan ja tehtävänä on ratkaista i D ja v D
– koska tuntemattomia on kaksi, tarvitaan toinenkin yhtälö
– se saadaan diodin omimaiskäyrästä
ElSuPer, Kostamovaara
VSS = RiD +
vD
64

3. Diodi ja diodipiirit
– piirretään ne samaan koordinaatistoon, jolloin i D,v D eli ns.
toimintapiste (operating point) saadaan kuormitussuoran ja
diodin ominaiskäyrän leikkauspisteestä
– kumpikin yhtälö on yhtäaikaa voimassa toimintapisteessä
• esim. kuvan piirissä V SS = 2V, R = 100Ω ja diodin
ominaiskäyrä ao. kuvan mukainen. Ratkaise toimintapiste.
– entäpä, jos V SS = 15V ja R = 1kΩ?
ElSuPer, Kostamovaara
65

3. Diodi ja diodipiirit
3.3 Ideaalisen diodin malli
• nopeaan analyysiin voidaan käyttää ao. ideaalidiodin
mallia
– kun talonpoikaisjärki sanoo, että johtavan diodi yli jäävällä
0.7V:lla ei ole juuri merkitystä
– tai kun halutaan perusymmärrys piirin toiminnasta, ei tarkkaa
analyysiä
• monia diodeja sisältävässä kytkennässä ei voida etukäteen
tietää mikä tai mitkä diodeista johtaa?
– pitää arvata jokin tila ja tarkistaa tuleeko johtaviksi oletetuille
diodeille i D>0 ja johtamattomiksi oletetuille v D

3. Diodi ja diodipiirit
• esim. analysoi ao. kuvan diodipiirin toiminta.
– oletetaan, että D 1 off-tilassa ja D 2 on-tilassa, jolloin piiri
näyttää tältä
– i D2 OK, mutta v D1 ei voi olla 7V johtamattomalla diodilla
oletus väärä
– uusi yritys: D 1 on-tilassa ja D 2 off-tilassa ?
– nyt i D1 = 1mA ja v D2 = -3V OK
ElSuPer, Kostamovaara
67

3. Diodi ja diodipiirit
3.4 Tasasuuntaus ja jännitteen regulointi
• muuttaa ac-tehoa dc-tehoksi
– myös mittaustekniikassa
– ja tietoliikenteessä mm. demodulaattoreissa
• puoliaaltotasasuuntaaja
ElSuPer, Kostamovaara
68

3. Diodi ja diodipiirit
• lähtöjännitteen ”hurinan” tai ”rippelin” suodatus
kondensaattorilla
ElSuPer, Kostamovaara
69

3. Diodi ja diodipiirit
• kuinka suurta rippeli on?
– suurta kondensaattoria käyttäen C purkautuu lähes koko
jakson ajan, joten Q ≅ IT L
– toisaalta purkautunut varaus on myös
IT L Vr
Q = VC r joten C = ja VL ≅Vm −
Vr
2
– tasasuuntaussovelluksissa diodin PIV (peak inversion voltage)
on tärkeä diodin spesifiointiparametri, esim. yllä se on 2Vm • kokoaaltotasasuuntaaja väliulosotolla varustetulla
muuntajalla
ElSuPer, Kostamovaara
70

3. Diodi ja diodipiirit
• tai ns. diodisillalla
– kun toisiojännite positiivinen, A ja B johtavat
– ja kun toisijännite negatiivinen, D ja C johtavat mutta
– kummassakin tilanteessa virran suunta kuormassa on
sama!
– nyt rippeli on puolta pienempää
– huomaa, että tasasuuntaus ei toimi kovin pieniamplitudisella
signaalilla: esim. 100mV on liian pieni saattaakseen diodin
johtamaan!
ElSuPer, Kostamovaara
IT L C =
2V
r
71

3. Diodi ja diodipiirit
• yleinen teholähteen rakenne
• tarkastellaan seuraavaksi jänniteregulaattoria
– se voidaan toteuttaa esim. zener-diodia käyttäen
ElSuPer, Kostamovaara
72

3. Diodi ja diodipiirit
– voidaan siis ajatella jännitelähteen ja resistanssin
sarjakytkennäksi, jolloin
V = V + rI
– r Z on zener-diodin dynaaminen resistanssi tai
inkrementaalinen resistanssi, josta enemmän myöhemmin
• käyttö reguloinnissa
• regulaattorin tärkeät parametrit
– line regulation
– load regulation
ElSuPer, Kostamovaara
ΔV
≡
ΔV
ΔV
≡
ΔI
O
S
O
L
Z Z0Z Z
73

3. Diodi ja diodipiirit
• esim. ao.kuvan zener-diodille on spesifioitu: V Z = 6.8V
kun I Z = 5mA, r Z = 20, I ZK = 0.2mA. Tulojännite on 10V
+/- 1V. Laske
– a) V O ilman kuormaa
– b) kuinka paljon V O muuttuu tulon muuttuessa +/-1V
– c) paljonko V O muuttuu kun piiriin kytketään kuorma R L =
2kΩ
– d) entäpä jos kuorma on 0.5KΩ
– e) millä kuormaresistanssialueella regulaattori toimii ?
ElSuPer, Kostamovaara
74

3. Diodi ja diodipiirit
– a)
– b)
– c) kun kuorma kytketään, z-diodin virta muuttuu n. 6.8V/2k =
3,4mA, tällöin lähtöjännitteen muutos on
– d) jos R L = 0.5k, se veisi virtaa n. 6.8/0.5 = 13.6mA, ei ole
mahdollista koska zenerin bias-virta on vain n. 6.4mA
zener on ns. cut-off-tilassa (virrattomana), jolloin
– e) zener on johtamisen kynnyksellä kun I Z = I ZK = 0.2mA ja
V Z = V ZK = 6.7V. Pienimmillään virta on silloin kun tulo on
9V, joten tällöin zenerin bias = (9-6.7)/0.5 = 4.6mA, joten
kuormaan jää 4.4mA ja R Lmin = 6.7/4.4 = 1.5kΩ
ElSuPer, Kostamovaara
V = 6.8V −20Ω× 5mA= 6.7V
ZO
+
V −VZO 10−6.7 IZ= = = 6.35mA
R+ r 0.5+ 0.02
Z
→ V = 6.7V + 20Ω× 6.35mA= 6.83V
O
+ rZ
20
Δ VO=Δ V =± 1× =± 38.5mV
r + R 20+ 500
Z
ΔV ≈r Δ I = 20×− 3.4=−68mV O Z Z
+ RL
0.5
VO= V = 10 = 5V
R+ R 0.5+ 0.5
L
75

3. Diodi ja diodipiirit
• vielä kuormitussuora-analyysistä
– voidaan soveltaa kompleksissa piireissäkin pelkistämällä
lineaarinen piiri Thevenin ekvivalenttipiiriksi
3.5 Muita diodin sovelluksia
• rajoitin, leikkuri (clamping, limiting)
ElSuPer, Kostamovaara
76

3. Diodi ja diodipiirit
• periaate
– vaste
ElSuPer, Kostamovaara
77

3. Diodi ja diodipiirit
– tulo/lähtö –siirtofunktio
– jännitelähteet voidaan korvata zener-diodeilla
– huomaa, että zener toimii myötäjännitteellä tavallisena
diodina
ElSuPer, Kostamovaara
78

3. Diodi ja diodipiirit
• esim. ao. kuvan rajoitinpiirin tulona on v in (t) = 15sinωt.
Millainen on lähtöjännite?
– rajoittaa ”pehmeästi”, koska diodin ja zenerin johtaessa
signaali vaimenee kertoimella 0.5
ElSuPer, Kostamovaara
79

3. Diodi ja diodipiirit
• tasolukko
– dc-restoration
– ac-kytketyn signaalin keskiarvo l. dc-komponentti on 0
– toisaalta eräillä signaaleilla muuttuva ”dc-taso” voi sisältää
informaatiota, esim. pulssinleveysmodulaatio
– ilmaisu voidaan tehdä viemällä signaali tasolukkoon ja
alipäästösuodattamalla ”dc” esille
– perusidea (tulossa +/-5V sini):
ElSuPer, Kostamovaara
80

3. Diodi ja diodipiirit
– diodin rinnalla tarvitaan myös vastus, jotta kytkentä voisi
adaptoitua tulotason muutoksiin
– R valitaan siten, että diodin max. virta mA-tasolla
(10k...100k), C siten että RC-aikavakio on suuri
signaaliperiodiin nähden, so. C on signaalin kannalta
oikosulku
• diodilogiikka
– invertteriä ei voi tehdä ! ongelma!
• diodikertoja, diodipumppu
– generoi korkeita jännitteitä
ElSuPer, Kostamovaara
81

3. Diodi ja diodipiirit
3.6 Diodin piensignaalianalyysi
• eräissä sovelluksissa (varsin usein) epälineaarinen piiri,
esim. diodi tai transistori, biasoidaan ns.
toimintapisteeseen (haluttujen ominaisuuksien
aikaansaamiseksi) dc-luonteisella biaspiirillä ja piiriin
kytketään esim. vahvistettavaksi haluttu ”pienitasoinen”
ac-signaali
• tällöin piirin analyysi voidaan jakaa kahteen vaiheeseen
– dc-analyysi toimintapisteen ratkaisemiseksi
– ac-signaalin kohtalo linearisoimalla piiri edellyttäen, että
ac-signaali on niin pienitasoinen, että epälineaarinen
komponentti voidaan linearisoida toimintapisteen
ympäristössä
– esim. kännykässä kiinnostava signaali on antennin kautta
tuleva erittäin heikkotasoinen signaali, jota vahvistetaan,
suodatetaan jne.. ja akku (dc-lähde) tarvitaan vaan näiden
toimintojen aikaansaamiseksi
• tarkastellaan yo. periaatetta diodipiirissä
– vaikka diodeja yleensä käytetään ns. suursignaalisovelluksissa
(kuten edellä on esitetty)
– oletetaan diodi biasoiduksi biaspisteeseen V DQ,I DQ
ElSuPer, Kostamovaara
82

3. Diodi ja diodipiirit
– pieni diodiin kytketty ac-signaali heiluttaa toimintapistettä
biaspisteen ympäristössä
– hyvin pienelle signaalille biaspisteen ympäristössä diodin
ominaiskäyrä voidaan ajatella suoraksi
– määritellään diodin dynaamiseksi resistanssiksi r d
ElSuPer, Kostamovaara
⎛ di ⎞
Δi ≅
D
Δv
⎜
dv
⎟
⎝ D ⎠Q
r
d
D D
⎡ ⎤
⎢⎛ diD
⎞ ⎥
≅ ⎢⎜ ⎥
⎢ dv
⎟
D ⎥
⎝ ⎠
⎣ Q⎦
−1
83

3. Diodi ja diodipiirit
– ac-signaaleille voidaan siis kirjoittaa
• miten r d voidaan määrittää
– ominaiskäyrän kulmakertoimesta biaspisteen ympäristössä
– tai analyyttisesti diodin virta-jännite –yhtälöstä
– I S on ns. saturaatiovirta, n. 10 -14 A, n emissiokerroin 1...2
– V T = kT/q n. 26mV @ 25°C, ns. terminen jännite, k on
Boltzmannin vakio (1.38*10 -23 J/K) ja q elektronin varaus
(1.6*10 -19 As)
– derivoimalla saadaan
– myötäbiaksella
ElSuPer, Kostamovaara
i
d
v
=
r
⎡ ⎛ v ⎞ ⎤
D
iD = IS
⎢exp⎜ ⎟−1⎥
⎣ ⎝nVT ⎠ ⎦
d
d
diD dvD 1 ⎛ vD
= IS
exp ⎜
nVT ⎝nVT ⎞
⎟ ja toimintapisteessä
⎠
diD
dvD 1 ⎛VDQ ⎞
= IS
exp⎜
⎟
nVT ⎝nVT ⎠
Q
⎛VDQ ⎞
IDQ ≅ IS
exp⎜
⎟
⎝nVT ⎠
84

3. Diodi ja diodipiirit
• saadaan siis
r
• esim. diodin käyttö vaimentimena
– dc-analyysi ao. piiristä koska kytkentäkondensaattorit ovat
avoimia piirejä
ElSuPer, Kostamovaara
d
dvD nVT 26mV
= ≅ ≈
di I I
D Q DQ DQ
85

3. Diodi ja diodipiirit
– se, mitä ac-signaalille tapahtuu, selviää ao. piiristä
– huomaa, että biaslähde V C on oikosulku ac-signaaleille koska
sen yli oleva jännite on vakio (samoin kuin maapisteessäkin),
joten ac-analyysissä dc-lähteet voidaan oikosulkea maahan!!!
– myös kytkentäkondensaattorit ovat ac-analyysissä oikosulkuja
– vaimennukselle saadaan
A
– vaimennusta voidaan säätää V C:llä koska se muuttaa diodin
virtaa ja siten myös r d:tä
ElSuPer, Kostamovaara
v
vo RP
= =
v R+ R
in P
, missä
1
RP = RC RL rd
=
1/ R + 1/ R +
1/ r
C L d
86

3. Diodi ja diodipiirit
3.7 Diodin sisäinen toiminta
• diodi kuten muutkin aktiivikomponentit perustuvat
puolijohteisiin
– johtavuuttaa voidaan säätää alueella 5*10 -2 (Ωcm) -1 ...5*10 5
(Ωcm) -1 , 7 dekadia !!!
– esim. pituudessa vastaava väli 1cm...100km, ajassa 1s...4kk
– tämä on puolijohteiden hyödyllisyyden perusta
– yleisin materiaali pii, Si, jolla 4 valenssielektronia
– Si haluaaa joko luovuttaa 4 valenssielektroniaan tai täydentää
ulommaisen kuorensa 4:llä lisävalenssielektroniaan, jotta
kuori tulisi täyteen kiteytyy kovalenttisin sidoksin
ElSuPer, Kostamovaara
87

3. Diodi ja diodipiirit
– kun T = 0K, kaikki elektronit sidottuja (johtavuutta ei ole),
korkeammissa lämpötiloissa ns. vapaita elektroneja
– vapaiden elektronien ansioista virta kulkee kun jännite
kytketään piikappaleen yli
– johtavuus kuitenkin huono, Si:ssä 5*10 22 atomia/cm 3 , kun T =
20°C, vapaiden elektornien määrä n i = 1.45*10 10 1/cm 3 l. vain
yksi valenssielektroni 1.4*10 14 :sta on vapaana!
– huomaa, että elektronin vapautuminen tuottaa myös ns.
aukon, joka sekin lisää johtavuutta
– aukko voidaan ajatella positiviisen yksikkövarauksen
omaavaksi varauksenkuljettajaksi
ElSuPer, Kostamovaara
88

3. Diodi ja diodipiirit
– ns. intrisiittisessä puolijohteessa n i = p i
– termisen generaation ohella myös ns. rekombinaatio, tietyssä
lämpötilassa tasapainotila
• johtavuutta voidaan lisätä hallitusti saostamalla puolijohde
n-tyyppiseksi
– esim. fosforilla, jolla 5 valenssielektronia, jolloin 5.s vapautuu
kovalenttisessa sidoksessa, atomi ns. ionisoituu
– fosfori on ns. donori –epäpuhtaus
– huom: ei synny aukkoa
– ko. aineessa elektronit ns. enemmistövarauksenkuljettajina,
aine n-tyyppisesti saostettu
– varaustasapaino vallitsee
ElSuPer, Kostamovaara
n = p +
ND
89

3. Diodi ja diodipiirit
– donoriatomeiden lisäys vähentää aukkokonsentraatiota koska
lisääntynyt elektronien määrä lisää rekombinaatiota
– tietyssä lämpötilassa pn –tulo on vakio
• puolijohde voidaan saostaa myös p-tyyppiseksi
– esim. boorilla, jolla on kolme valenssielektronia
– tällöinkin
ElSuPer, Kostamovaara
NA+ n= p
pn= pn = n
i i
2
i
90

3. Diodi ja diodipiirit
• myös ns. syklaus on mahdollista
– aluksi saostetaan osa materiaalista n-tyyppiseksi, sitten osa
tästä p-tyyppiseksi jne...
• drift –virta sähkökentän vaikutuksesta,
elektronien/aukkojen nopeus
v =−μΕ – μ on liikkuvuus, elektroneille 1500 cm 2 /Vs ja aukoille 475
cm 2 /Vs
ElSuPer, Kostamovaara
v
n n
= μ Ε
p p
91

3. Diodi ja diodipiirit
• toinen virrankuljetusmekanismi on diffuusio
– varauksen kuljettajien termisen energian (ja liikkeen) johdosta
varauksekuljettajien konsentraatio pyrkii ajan kuluessa
leviämään
– konsentraatio pyrkii tasoittumaan
– esim. Shockley-Haynes –koe:
ElSuPer, Kostamovaara
92

3. Diodi ja diodipiirit
• biasoimaton pn-liitos
– kiderakenteen oltava katkeamaton
– p- ja n- tyyppisyys saostamalla
– ajatellaan alla muodostuvan kahden kappaleen yhteenliittämisestä,
jolloin p- ja n-konsentraatiot kuvan mukaiset
diffuusiovirta kummaltakin puolelta paljastuu avaruusvaraus
liitoksen molemmin puolin muodostuu tyhjennysalue liitoksen yli
syntyy potentiaalivalli, joka vastustaa diffuusiovirtaa
– syntyy tasapainotila, jossa diffuusiovirta I D on täsmälleen yhtä suuri
kuin ns. vähemmistävarauksenkuljettajien virta I S , tällöin ulkoinen
virta on = 0
– I S muodostuu esim. niistä termisesti generoituneista elektroneista, jotka
kenttä siirtää p-puolelle (ja n-puolen aukoista, jotka kenttä siirtää ppuolelle)
ElSuPer, Kostamovaara
93

3. Diodi ja diodipiirit
– diodin ulkoisissa kontakteissa ei näy jännitettä (koska se
vastaisi ”ilmaista” energian tuottoa) metalli-puolijohde
kontakteihin syntyy vastaava kumoava potentiaali
ElSuPer, Kostamovaara
94

3. Diodi ja diodipiirit
• vastabiasoitu pn-liitos
– tyhjennysalue levenee, vain vähemmistövarauksenkuljettajien
virta jää jäljelle (vastakkaissuuntainen vuotovirta)
– diodin virtajännietyhtälö on
– I S on tyyp. 10 -14 A, herkkä lämpötilalle (kaksinkertaistuu
5°C:n nousua kohden) ja suoraan diodin poikkileikkauspintaalaan
verrannollinen
– suurilla virtatasoilla myös puolijohteen resistanssi voi olla
merkitsevä, 10...100Ω
ElSuPer, Kostamovaara
⎡ vD
⎤
iD = IS
⎢exp( ) −1⎥
⎣ nVT
⎦
95

3. Diodi ja diodipiirit
• myötäbiasoitu pn-liitos
– ulkoinen jännite pienentää sisäistä potentiaalivallia ja
kasvattaa näin diffusiovirtaa I D
– I D koostuu elektroneista n p ja aukoista p n
– elektronien ja aukkojen jakautuma diodissa ao. kuvan
mukainen
– esim- n-konsentraatio syvemmällä p-alueella pienenee
nopeasti rekombinaation vuoksi
– diodin virta muodostuu liitoksessa sekä elektronien että
aukkojen diffuusiovirrasta
– p-alueen (n-alueen) reunassa virta on taas aukkojen
(elektronien) virtaa
ElSuPer, Kostamovaara
96

3. Diodi ja diodipiirit
– voimakkaampi saostus määrää virran luonteen!
– jos esim. n-alue on voimakkaammin saostettu, virta on
pääasiassa elektronien virtaa
• diodiliitoksen kapasitiiviset efektit käsitellään AP1:ssä ja
puolijohdetekniikan kursseissa
• muita diodeja?
– valodiodi valoilmaisimena
– LED (light emitting diode) valolähteenä
– LD (laser diode) kapeakaistaisena valolähteenä
– varaktori säädettävänä kondensaattorina
– schottky-diodi, metalli-puolijohde –diodi, nopea
ElSuPer, Kostamovaara
97