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Dioden und Transistor

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by

walter nelson

on 20 November 2012

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Transcript of Dioden und Transistor

Diode Operation – Animation
Webpage Link Capacitance and Voltage of PN Junctions -Einleitung
-Energiebändermodell
-Isolatoren, Leiter und Halbleiter
-Dotierung
- N-Leitung und P-Leitung
-Der PN Übergang
-Diodenkennlinien
-Transistor
-Kennlinien des PNP-Transistors Übersicht Kristin Ackerson, Virginia Tech EE
Spring 2002 Sources The dynamic resistance of the diode is mathematically determined as the inverse of the slope of the transconductance curve. Therefore, the equation for dynamic resistance is:
rF = VT
ID
The dynamic resistance is used in determining the voltage drop across the diode in the situation where a voltage source is supplying a sinusoidal signal with a dc offset.
The ac component of the diode voltage is found using the following equation:
vF = vac rF
rF + RS
The voltage drop through the diode is a combination of the ac and dc components and is equal to:
VD = V + vF Kristin Ackerson, Virginia Tech EE
Spring 2002 Dynamic Resistance These are the values found in the examples on previous slides where the applied voltage was 5 volts, the barrier potential was 0.3 volts and the linear forward resistance value was assumed to be 5 ohms. Values of ID for the Three Different Diode Circuit Models Kristin Ackerson, Virginia Tech EE
Spring 2002 Diode Circuit Models Vapplied < 0 Vapplied > 0 Reverse Bias: In Vorwärtsvorspannung der Verarmungsbereich schrumpft geringfügig in der Breite. Damit schrumpft die Energie für Ladungsträger erforderlich, um das Verarmungsgebiet überqueren exponentiell abnimmt. Daher wird, wie die angelegte Spannung zunimmt, um aktuelle Starts über den Übergang fließen. Die Barriere Potential der Diode ist die Spannung, bei der nennenswerter Strom durch die Diode beginnt zu fließen. Die Barriere Potential variiert für unterschiedliche Materialien. Vorwärts-Bias: Die vorgespannten pn-Übergang The arrows in the LED representation indicate emitted light. Schematic Symbol for a Light-Emitting Diode K A Light-emitting diodes are designed with a very large bandgap so movement of carriers across their depletion region emits photons of light energy. Lower bandgap LEDs (Light-Emitting Diodes) emit infrared radiation, while LEDs with higher bandgap energy emit visible light. Many stop lights are now starting to use LEDs because they are extremely bright and last longer than regular bulbs for a relatively low cost. Light-Emitting Diodes: Kristin Ackerson, Virginia Tech EE
Spring 2002 Types of Diodes and Their Uses IS ~V VBR (nA) (mA) ID VD VD = Vorspannung
ID = Strom durch die Diode. ID ist für Reverse Bias und Positive für Forward Bias Negative
IS = Sättigungsstrom
VBR = Breakdown Voltage
V  = Barrier Potentialspannung Abbildung 1.10 - Die Diode Transkonduktanz Kurve 2 Eigenschaften von Dioden +4 +4 +4 +4 +4 +4 +3 +4 +4 P-Typ-Material hergestellt ist, wenn das Dotiermittel, das eingeführt wird aus Gruppe III ist. Elemente der Gruppe III nur 3 Valenzelektronen und daher gibt es eine Elektronen fehlt. Dadurch entsteht ein Loch (h +) oder eine positive Ladung, die sich bewegen können in dem Material. Üblicherweise verwendete Gruppe III Dotierstoffe sind Aluminium, Bor und Gallium.
Die 2D-Diagramm nach links zeigt das Loch, die vorhanden sein wird, wenn eine Gruppe III Dotierungsmittel zu einem Material, wie Silicium eingeführt wird. Dieses Loch ist recht mobil auf die gleiche Weise die zusätzlichen Elektron ist mobil in einem n-Typ-Material. P-Type Material: Kristin Ackerson, Virginia Tech EE
Spring 2002 P-Type Material Schematic Symbol for a Zener Diode K A Are specifically designed to operate under reverse breakdown conditions. These diodes have a very accurate and specific reverse breakdown voltage. Zener Diodes: Representative Structure for a PN Junction Diode n P Schematic Symbol for a PN Junction Diode K A Are used to allow current to flow in one direction while blocking current flow in the opposite direction. The pn junction diode is the typical diode that has been used in the previous circuits. PN Junction Diodes: Types of Diodes and Their Uses Kristin Ackerson, Virginia Tech EE
Spring 2002 Der pn-Übergang wird als vorgespannt ist, wenn eine externe Spannung angelegt wird. Es gibt zwei Arten der Vorspannung: Forward Bias und Reverse Bias.
  Diese werden auf dann nächste Folie beschrieben. I Vapplied _ + Metall Kontakt
Ohmsche Kontakt
(Rs~0) Angelegten elektrischen Feldes _ + n P Die vorgespannten pn-Übergang Schematic Symbol for a four-layer Shockley Diode K A The Shockley diode is a four-layer diode while other diodes are normally made with only two layers. These types of diodes are generally used to control the average power delivered to a load. Shockley Diodes: Schematic Symbol for a Schottky Diode K A These diodes are designed to have a very fast switching time which makes them a great diode for digital circuit applications. They are very common in computers because of their ability to be switched on and off so quickly. Schottky Diodes: Kristin Ackerson, Virginia Tech EE
Spring 2002 Types of Diodes and Their Uses  Schematic Symbols for Photodiodes K A K A While LEDs emit light, Photodiodes are sensitive to received light. They are constructed so their pn junction can be exposed to the outside through a clear window or lens.
In Photoconductive mode the saturation current increases in proportion to the intensity of the received light. This type of diode is used in CD players.
In Photovoltaic mode, when the pn junction is exposed to a certain wavelength of light, the diode generates voltage and can be used as an energy source. This type of diode is used in the production of solar power. Photodiodes: Kristin Ackerson, Virginia Tech EE
Spring 2002 Types of Diodes and Their Uses RF V + Kristin Ackerson, Virginia Tech EE
Spring 2002
RF = VD
ID ID VD ID VD Linear Portion of transconductance curve This model is the most accurate of the three. It includes a linear forward resistance that is calculated from the slope of the linear portion of the transconductance curve. However, this is usually not necessary since the RF (forward resistance) value is pretty constant. For low-power germanium and silicon diodes the RF value is usually in the 2 to 5 ohms range, while higher power diodes have a RF value closer to 1 ohm. The Ideal Diode with Barrier Potential and Linear Forward Resistance Diode Circuit Models a) Mit VA> 0 die Diode in Durchlassrichtung und ist wie ein perfekter Leiter handeln so:
        ID = VA / RS = 5 V / 50 = 100 mA
b) Mit VA <0 ist die Diode in Sperrrichtung und wird wie eine perfekte Isolator wirkt, daher kann kein Strom fließen und ID = 0. RS = 50  ID VA _ + Beispiel: Angenommen, die Diode in der Schaltung unten ist ideal. Bestimmen Sie den Wert des ID, wenn a) VA = 5 Volt (Durchlassrichtung) und b) VA = -5 Volt (reverse bias) Die Diode ist so konzipiert, damit Strom nur in einer Richtung fließen kann. Die perfekte Diode wäre eine perfekte Leiters in einer Richtung (Vorwärtsvorspannung) und einer perfekten Isolator in der anderen Richtung (Sperrvorspannung) sein. In vielen Situationen, unter Verwendung des idealen Diode Näherung ist akzeptabel. Der Ideal Diode Model Diode Circuit Models First the load line is found by substituting in different values of V into the equation for ID using the ideal diode with barrier potential model for the diode. With RS at 1000 ohms the value of RF wouldn’t have much impact on the results.
ID = VA – V 
RS
Using V  values of 0 volts and 1.4 volts we obtain ID values of 6 mA and 4.6 mA respectively. Next we will draw the line connecting these two points on the graph with the transconductance curve. This line is the load line. + V RS = 1000  ID VA
= 6V _ + The operating point or Q point of the diode is the quiescent or no-signal condition. The Q point is obtained graphically and is really only needed when the applied voltage is very close to the diode’s barrier potential voltage. The example 3 below that is continued on the next slide, shows how the Q point is determined using the transconductance curve and the load line. Kristin Ackerson, Virginia Tech EE
Spring 2002 The Q Point vF = vac rF = sin(wt) V 4.9  = 4.88 sin(wt) mV
rF + RS 4.9  + 1000 
Therefore, VD = 700 + 4.9 sin (wt) mV (the voltage drop across the diode) The DC component of the circuit is the same as the previous example and therefore ID = 6V – 0.7 V = 5.2 mA
1000 
rF = VT = 1 * 26 mV = 4.9 
ID 5.3 mA
 = 1 is a good approximation if the dc current is greater than 1 mA as it is in this example. + V RS = 1000  ID vin + Example: Use the same circuit used for the Q point example but change the voltage source so it is an ac source with a dc offset. The source voltage is now, vin = 6 + sin(wt) Volts. It is a silicon diode so the barrier potential voltage is still 0.7 volts. Kristin Ackerson, Virginia Tech EE
Spring 2002 Dynamic Resistance = = e- drift e- diffusion h+ diffusion h+ drift _ _ + + E-Field ionized donors ionized acceptors Space Charge Region Metallurgical Junction Nd Na + + + + + +
+ + + + + +
+ + + + + +
+ + + + + +
+ + + + + + - - - - - -
- - - - - -
- - - - - -
- - - - - -
- - - - - - n P Steady State1 Kristin Ackerson, Virginia Tech EE
Spring 2002 The PN Junction + V + V Mit VA> 0 die Diode in Durchlassrichtung und ist wie ein perfekter Leiter handeln, so schreibt man einen KVL Gleichung ID finden:
     0 = VA - IDRS - V
     ID = VA - V = 4,7 V = 94 mA
                RS 50 RS = 50  ID VA _ + Beispiel: Um genauer zu sein, als nur mit der idealen Diode Modells gehören die Barriere Potenzial. Angenommen V = 0,3 Volt (typisch für eine Germanium-Diode) Bestimmen Sie den Wert des ID, wenn VA = 5 Volt (forward bias). Dieses Modell ist genauer als das einfache ideale Diode Modell, weil es den ungefähren Barriere Potentialspannung umfasst. Denken Sie an die Barriere Potenzial ist die Spannung an dem nennenswerter Strom zu fließen beginnt. Das Ideal Diode mit einem Barrier Potential Diode Circuit Models Once again, write a KVL equation for the circuit:
0 = VA – IDRS - V - IDRF
ID = VA - V = 5 – 0.3 = 85.5 mA
RS + RF 50 + 5 RF + V RS = 50  ID VA _ + Example: Assume the diode is a low-power diode with a forward resistance value of 5 ohms. The barrier potential voltage is still: V = 0.3 volts (typical for a germanium diode) Determine the value of ID if VA = 5 volts. Kristin Ackerson, Virginia Tech EE
Spring 2002 The Ideal Diode with Barrier Potential and Linear Forward Resistance Diode Circuit Models Na & Nd: Stellen Sie den Betrag der negativen und positiven Dopingtest in Anzahl der Träger pro Kubikzentimeter. Üblicherweise im Bereich von 1015 bis 1020. Metallurgical Junction: Die Schnittstelle, wo die p-und n-Typ-Materialien zu erfüllen. Raumladungszone: Auch als sich die Verarmungszone. Diese Region enthält die netto positiv und negativ geladenen Regionen. Die Raumladungszone hat keine freien Ladungsträger. Die Breite der Raumladungszone wird durch W in der Formel pn-Übergang bezeichnet. Wenn keine externe Quelle an der pn-Übergang, Diffusion und Drift Waage angeschlossen gegenseitig aus sowohl für die Löcher und Elektronen = = = = E-Drift E-Diffusions H+ Diffusions h + Drift _ _ + + E-Field ionized acceptors Raumladungszone Metallurgical Junction Nd Na + + + + +
+ + + + +
+ + + + +
+ + + + + - - - - -
- - - - -
- - - - -
- - - - - n P Steady State The PN Junction Q Point: The intersection of the load line and the transconductance curve. 5.3 0.7 Kristin Ackerson, Virginia Tech EE
Spring 2002 4.6 The transconductance curve below is for a Silicon diode. The Q point in this example is located at 0.7 V and 5.3 mA. 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 12 10 8 6 4 2 VD (Volts) ID (mA) The Q Point +4 +4 +4 +4 +4 +4 +5 +4 +4 Wenn zusätzliche Valenzelektronen in einem Material wie Silizium eingebracht ein n-Typ Material hergestellt ist. Die zusätzlichen Valenzelektronen indem Verunreinigungen oder Dotierstoffen in das Silizium eingebracht. Die Dotierstoffe verwendet, um eine n-Typ-Material zu erzeugen sind Gruppe-V-Elemente. Die am häufigsten verwendeten Dotierstoffe aus der Gruppe V Arsen, Antimon und Phosphor.
Die 2D-Diagramm nach links zeigt den zusätzlichen Elektron, die vorhanden sein wird, wenn eine Gruppe V Dotierungsmittel zu einem Material, wie Silicium eingeführt wird. Das zusätzliche Elektron ist sehr mobil. N-Type Material: N-Type Material Das Diagramm oben zeigt die 2D-Struktur der Si-Kristall. Die hellgrünen Linien stellen die elektronischen Anleihen gemacht, wenn die Valenzelektronen gemeinsam genutzt werden. Jedes Si-Atom Aktie ein Elektron mit jedem seiner vier nächsten Nachbarn, so dass seine Valenzband eine volle 8 Elektronen haben wird. Si
+4 Si
+4 Si
+4 Si
+4 Si
+4 Si
+4 Si
+4 Si
+4 Si
+4 Silizium (Si) und Germanium (Ge) sind die beiden einzigen, gemeinsamen Elemente, die verwendet werden, um Dioden machen sind. Eine Verbindung, die häufig verwendet wird, ist Galliumarsenid (GaAs), insbesondere im Fall von LEDs wegen seiner großen Bandlücke.
Silizium und Germanium sind beide Gruppe 4 Elemente, das heißt, sie haben 4 Valenzelektronen. Ihrer Struktur können sie in einer Form genannt Diamantgitter wachsen.
Gallium ist ein Gruppe 3 Element, während Arsenid ist eine Gruppe 5 Element. Wenn zusammen als eine Verbindung schafft eine GaAs zincblend Gitterstruktur.
Sowohl in der Diamantgitter und zincblend Gitter, Aktien jedes Atom seine Valenzelektronen mit seinen vier nächsten Nachbarn. Dieser Austausch von Elektronen ist, was letztlich ermöglicht Dioden aufgebaut werden. Wenn Dotierstoffe aus den Gruppen 3 oder 5 (in den meisten Fällen) zu Si hinzugefügt, Ge oder GaAs es verändert die Eigenschaften des Materials, so können wir die P-und N-Typ-Materialien, die die Diode zu machen sind. Einleitung ionisierten Donatoren Unter Sperrvorspannung der Verarmungsbereich weitet. Dadurch wird das elektrische Feld durch die Ionen erzeugt zum Aufheben der angelegten Sperrspannung. Ein kleiner Leckstrom, Is (Sättigungsstrom) fließt unter Sperrspannung Bedingungen. Dieser Sättigungsstrom ist aus Elektron-Loch-Paare in dem Verarmungsbereich produziert wird. Sättigungsstrom wird manchmal als maßstabsgetreu wegen seiner Beziehung zu aktuellen Sperrschichttemperatur.
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