Zenerova, tunelová a kapacitní dioda


Zenerova (lavinová) dioda

Zenerova (někdy také lavinová) dioda je křemíková plošná dioda určená pro provoz v průrazném režimu závěrně polarizovaného přechodu PN. Průraz je nedestruktivní a v propustném směru je Zenerova dioda shodná s klasickou plošnou diodu. Dioda pracuje na principu Zenerova jevu nebo na principu lavinového jevu.

Zenerův jev: Dochází k němu na tenkých přechodech PN. Při působení napětí ve zpětném směru se v tenké vyprázdněné oblasti začnou vlivem silného elektrostatického pole vytrhávat elektrony, a tím vzroste počet nosičů. Toto se projeví prudkým růstem zpětného proudu při téměř stálém napětí. Zenerův jev nastává asi do hodnoty závěrného napětí Uz = 6 V, při vyšších napětích je plynule vystřídán lavinovou ionizací.

Lavinový jev: Dochází k němu na silnějších přechodech PN. Působením silného zpětného napětí se vytvoří silné elektrostatické pole, které dodá elektronům značnou kinetickou energii. Je-li přechod PN široký, je pravděpodobné, že letící elektron narazí ve vyprázdněné oblasti na jiný elektron a uvolní ho z vazby. Oba elektrony jsou pak dále elektrostatickým polem urychlovány a během cesty vyráží další elektrony atd. - nastává lavinová ionizace.

Užití: stabilizátory napětí (viz tam), generátory nesinusových průběhů napětí, ochrana proti přepětí, ...


Kapacitní dioda (varikap, varaktor)

Křemíková plošná dioda u níž se využívá parazitní kapacity Cd přechodu PN, která je závislá na přiloženém závěrném napětí Ur.

Kapacitu přechodu si můžeme představit jako kapacitu deskového kondenzátoru, kde oblast prostorového náboje představuje dielektrikum a obě oblasti polovodiče P a N za potenciálním valem - vodivé desky kondenzátoru. Kapacita přechodu je pak dána přibližně vztahem:

*S = r*o ... dielektrická konstanta - daná vlastnostmi polovodičového materiálu (neměnné)

C = --------- S ... plocha přechodu (neměnná)

X X = l ... šířka přechodu, tj. šířka oblasti prostorového náboje, kterou považujeme ze dielektrikum (proměnná - v závislosti na přiloženém napětí)

Při zvětšování závěrného napětí Ur se kapacita diody zmenšuje (vyprázdněná oblast je větší), při snižování závěrného napětí se kapacita diody zvětšuje (vyprázdněná oblast je tenčí) až do doby, kdy závěrné napětí Ur se vyrovná prahovému napětí Uto, a kdy vyprázdněná oblast zmizí, dioda se otevře a začne se chovat jako malý odpor. Kapacita diody se pohybuje řádově v rozmezí jednotek až stovek pikofaradů.

Jestliže se kapacita mění pomocným stejnosměrným ladicím napětím mluvíme o varikapu.

Jestliže dioda pracuje s velkou amplitudou signálu, kdy signál mění během své periody značně kapacitu diody (dioda se chová jako nelineární reaktance) mluvíme o varaktoru.

Užití varikapu: ladicí kondenzátor v různých obvodech (rezonančních)

Užití varaktoru: směšování a násobení kmitočtů









Tunelová dioda

Plošná bohatě dotovaná dioda s velmi úzkým přechodem PN. Tunelová dioda pracuje na principu tunelového jevu, který se vysvětluje pomocí zákonů kvantové mechaniky. Dioda se používá při frekvencích v oblasti GHz.

V propustném směru anodový proud vzrůstá úměrně anodovému napětí (lineárně) a dosahuje maxima v bodě P - vrchol. Při dalším růstu anodového napětí proud klesá až na minimum bodu V - důl nebo sedlo. Při napětí ještě vyšším (cca přes 0,3 V) se chová tunelová dioda již jako běžná usměrňovací dioda. Mezi body P a V vykazuje tunelová dioda záporný diferenciální odpor. V závěrném směru se dioda chová jako rezistor s malým odporem.

Pro posouzení vlastností tunelové diody se udává poměr proudů mezi body P a V. Největší poměr nastává u diody vyrobené z gáliumarsenidu, nejmenší u křemíku.

Užití: rychlé spínače, oscilátory, nadproudová ochrana ss a st generátorů




Objasnění tunelového jevu (velmi zjednodušeně!):

V závěrném směru je potenciální val rozložen po celém přechodu napříč (viz obr. B), z čehož plyne, že procházet mohou jen menšinové nosiče - u normální diody! U tunelové diody, kde jsou obě oblasti P a N velmi silně dotovány, a tudíž tloušťka potenciálního valu je relativně malá, a tak dovoluje průchod nosičů - dioda se chová jako odpor.

V propustném směru je potenciální val rozložen po celém přechodu téměř podélně (viz obr. A), z čehož plyne, že mohou plynule procházet většinové nosiče - u normální diody! U tunelové diody jsou obě oblasti P a N velmi silně dotovány, a tudíž je tloušťka potenciálního valu relativně malá, což dovoluje nosičům průchod dříve oproti normální diodě. Záporný diferenciální přechod je způsoben vyrovnáváním průchodu nosičů v tunelové diodě, který musí být v závěru shodný s normální diodou.


PIN dioda


U této diody je mezi vrstvou vodivosti typu P a vrstvou vodivosti typu N vložena vrstva, s čistého křemíku a s vlastní vodivostí, typu I.

Vrstva I se neuplatňuje při průchodu stejnosměrného proudu nebo nízkofrekvenčního proudu a dioda se chová jako obyčejná křemíková dioda (rovněž VA charakteristika je shodná). Při vysokých frekvencích (doba průletu nosičů náboje přes vrstvu I je srovnatelná s periodou procházejícího signálu) ztrácí dioda PIN svoje původní vlastnosti a stává se lineárním odporem. Velikost odporu se mění velikostí stejnosměrného proudu If, kterým diodu v přímém směru polarizujeme. Dioda se používá při frekvencích řádově MHz až GHz.

Užití: lineární odpor pro vf kmitočty řízené ss proudem









Gunnova dioda


Dioda je monokrystal arzenidu galia s vodivostí typu N, která je vystaven působení silného elektrického pole, které když dosáhne kritické meze, tak se začnou objevovat vysokofrekvenční periodické proudové kmity o frekvenci několika GHz. Vznik oscilací se vysvětluje záporným diferenciálním odporem mezi body P a V.

Užití: generátory velmi vysokých kmitočtů


Schottkyho dioda

Přechod diody je polovodič - kov. Tato kombinace vede k rychlému odsávání volných nosičů náboje kovem, což má za příčinu velmi krátkou dobu zotavení. a vysoké mezní frekvence (řádově desítky GHz). Dioda má velmi malé prahové napětí, ale i velmi napětí ve zpětném směru.

Užití: směšovače, demodulátory, usměrňovače vf proudů, rychlé spínače

dlabos.wz.cz