Poluprovodničkim komponentama nazivamo: diode, tranzistore, tiristore i druge elemente koji se proizvode na bazi poluprovodničkih materijala. One se mogu, sasvim generalno, podeliti u dve grupe; aktivne i pasivne komponente. Aktivne imaju osobinu da pojačavaju signale. Pojačanje se vrši na račun energije spoljnog izvora koji napaja komponentu i obezbeđuje joj normalan rad. Pasivne komponente ne pojačavaju signale, ali imaju važnu ulogu u obradi vremenski promenljivih signala.
Poluprovodničke diode su elementi sa dva poluprovodnička sloja (sloj P-tipa i sloj N-tipa). Ovde će biti razmotreni osnovni principi funkcionisanja diode, kao i aproksimacije koje omogućavaju pojednostavljivanje analize kola sa diodama.
P-N spoj DIODA
Kao što znamo da su kod N-tipa poluprovodnika glavni nosioci naelektrisanja elektroni, a kod P-tipa poluprovodnika glavni nosioci naelektrisanja su šupljine.
Posmatrajmo sada što se dešava prilikom spajanja P-tipa i N-tipa poluprovodnika (što se u praksi ostvaruje dosta složenijim tehnološkim postupkom od prostog spajanja). U tom slučaju, kako je koncentracija elektrona u N-tipu mnogo veća nego ovih u P-tipu, dolazi do difuzionog kretanja elektrona i šupljina, koje ima za cilj izjednačenje koncentracija u svim delovima poluprovodničke strukture. Znači, elektroni počinju da se kreću od mesta veće ka mestima manje koncentracije, odnosno u smeru od N-tipa ka P-tipu poluprovodnika. Slično važi i za šupljine, koje se kreću od P-tipa ka N-tipu poluprovodnika (slika br.1a). Prilikom kretanja jednih ka drugim, na samoj granici spoja, dolazi do rekombinacije, odnosno do popunjavanja šupljina elektronima. Na taj način, oko same granice spoja, obrazuje se jedan sloj kojeg su napustili i elektroni i šupljine, i koji sada predstavlja delom pozitivno, odnosno delom negativno naelektrisanje, respektivno. Kako se oko spoja formiralo, s jedne strane negativno, a s druge pozitivno naelektrisanje, u tom delu se uspostavlja električno polje, koje ima smer od pozitivnog ka negativnom naelektrisanju. Odnosno, uspostavlja se polje, čiji smer je takav da se protivi daljem kretanju elektrona, odnosno šupljina (smer kretanja elektrona pod uticajem polja je suprotan od smera polja). Kada intenzitet polja dovoljno poraste da spreči kretanje elektrona i šupljina, prestaje difuziono kretanje. Tada se kaže da se unutar P-N spoja formirala oblast prostornog tovara. Razlika potencijala između krajnjih tačaka ove oblasti naziva se potencijalna barijera. Nju većinski nosioci naelektrisanja, sa jedne i druge strane spoja, nisu u stanju da pređu pri normalnim uslovima (odsustvo stranog polja). Ovo je ilustrovano na slici br.1b.
Primetimo, da je uspostavljeno električno polje, unutar oblasti prostornog tovara, najjače na samoj granici spoja, jer se, samo u tim tačkama, polja od svih dipola (pojedinačno) sabiraju (slika 1b).
Slika br.1 P-N spoj. a) Trenutak stvaranja; b) Oblast prostornog tovara.
Na sobnoj temperaturi (uz uobičajenu koncentraciju primesa), razlika potencijala ove barijere iznosi oko 0,2V za silicijumske, odnosno oko 0,6V za germanijumske diode. Na kraju, napomenimo da je, u prethodnim ilustracijama, pretpostavljeno da su P-tip i N-tip poluprovodnika jednako (simetrično) dopirani.
Direktna i inverzna polarizacija
Po uspostavljanju potencijalne barijere, prestaje kretanje glavnih nosilaca naelektrisanja sa jedne na drugu stranu spoja, i obratno. Postavlja se pitanje, na koji način iskoristiti prisustvo velikog broja elektrona u N-tipu i šupljina u P-tipu poluprovodnika za uspostavljanje struje kroz diodu. Nameće se jedno veoma logično rešenje, a to je da treba otkloniti uzrok prestanka kretanja glavnih nosilaca naelektrisanja. Naime, da bi se obezbedilo dalje kretanje glavnih nosilaca, neophodno je napon potencijalne barijere oboriti, odnosno smanjiti uspostavljeno polje, koje je uzrokovalo prekid kretanja naelektrisanja. Ovo se može ostvariti ako se dioda priključi na spoljašnji izvor, čije polje će biti suprotno od polja uspostavljenog unutar oblasti prostornog tovara (direktna polarizacija diode). Tada se smanjuje potencijal koji je bio barijera za kretanje glavnih nosilaca, pa se, na taj način, uspostavlja njihovo kretanje, čija posledica je struja kroz diodu u smeru suprotnom od smera kretanja elektrona (prema konvenciji) u njoj. Postavlja se pitanje da li će se, prelaskom elektrona iz N-tipa, narušiti struktura u P-tipu. Ovo se ne dešava jer su elektroni u P-tipu sporedni nosioci, te se, praktično, u potpunosti rekombinuju uz samu oblast prostornog tovara. Ovo isto važi i za šupljine. Direktna polarizacija diode prikazana je na slici br.2a. Struja koja se uspostavlja pri direktnoj polarizaciji naziva se često i direktna struja.
Inverzna polarizacija se ostvaruje kada se izvor veže na način kojim će se povećavati električno polje unutar oblasti prostornog tovara, odnosno kao na slici br.2b.
Slika br.2 Polarisanje dioda: a) direktno, b) inverzno
U ovom slučaju, očigledno je da se onemogući kretanje glavnih nosilaca kroz P-N spoj, jer se oblast prostornog tovara, odnosno potencijalna barijera, povećava. Međutim, primetimo da ovakvo polje odgovara slobodnim manjinskim nosiocima naelektrisanja, elektronima u P-tipu i šupljinama u N-tipu poluprovodnika. Kako, iako u jako malom broju, ovi sporedni nosioci postoje, to se, pri inverzno polarisanom P-N spoju, ipak uspostavlja neka veoma mala struja, koja se, u skoro svim praktičnim analizama, zanemaruje.
Strujno naponska karakteristika diode
Prethodna analiza omogućila nam je da shvatimo postupke direktne i inverzne polarizacije. Međutim, na osnovu dosadašnje analize, ipak nismo u stanju da preciznije odredimo zavisnost struje kroz diodu od dovedenog napona direktene, ili inverzne, polarizacije. Postoje veoma složene matematičke analize koje opisuju ove zavisnosti. Sigurno najpouzdanija i najočiglednija je analiza koja se bazira na snimanju strujno-naponske (U-I) karakteristike. Ovo snimanje izvodi se prema šemi na slici br.3.
Otpornikom (potenciometrom) Rr (slika br.3) menjamo napon U, čiju vrijednost merimo voltmetrom (V), a vrednost jačine struje I kroz diodu (D) merimo ampermetrom (A). Na slici br.3 prikazana je direktna polarizacija (direktni smer ili provodni smer), a inverzna polarizacija se postiže promenom polarizacije izvora (E). Rezultati snimanja dati su takođe na slici br.3, a za analizu koristimo sliku br.4.
Slika br.3 Šema merenja karakteristika i karakteristike diode
Uočimo sa slike br.4a dve karakteristične tačke – prvu koja predstavlja tzv. napon praga Vk (ili napon kolena) posle koga struja kroz diodu počinje naglo da raste, i drugu tačku (“pregorevanje”), koja predstavlja napon kojim bi se uništila dioda iz razloga što bi, pod njegovim uticajem, došlo do nepoželjnog povećanja temperature diode, do mere pri kojoj poluprovodnici gube svoja svojstva.
Slika br.4 Karakteristika diode: a) Direktna polarizacija;
b) Inverzna polarizacija.
Pri naponima inverzne polarizacije, struja kroz diodu jednaka je struji inverzno polarisanog P-N spoja, i ona je veoma mala. Međutim, i pri ovakvoj polarizaciji, postoji ograničenje. Naime, ukoliko se inverzni napon isuviše poveća (u apsolutnom iznosu), dolazi do tzv. proboja diode. Proboj može nastati zbog tzv. lavinskog efekta. Povećanjem napona inverzne polarizacije, povećava se inverzno polje unutar potencijalne barijere. Ovo polje ubrzava slobodne elektrone, i pri nekoj vrednosti saopštava im dovoljnu energiju da oni, pri sudaru sa vezanim elektronima, oslobode novi par elektron-šupljina. Ako novooslobođeni elektroni imaju dovoljnO energije da generišu nove parove elektron-šupljina, proces će se nastaviti poput lavine. Lavinski proces počinje na samoj granici P-N spoja (gde je polje najjače). Visokim naponom inverzne polarizacije može se nepovratno razoriti struktura diode.
Parametri diode
Parametri diode su veličine koje karakterišu ponašanje diode. Osnovni parametar diode je njena inverzna struja zasićenja, koja se kreće od 10-8 do 10-2 mA za germanijumske i od 10-12 do 10-6 mA za silicijum diode.
Drugi važan parametar diode je njena otpornost. Razlikujemo statičku i dinamičku otpornost diode. Statička se definiše kao odnos napona na diodi i struje koja protiče kroz diodu i nema neki tehnički značaj. Dinamička ili unutrašnja otpornost diode definiše se za tačku na karakteristici (U0, I0) na sledeći način:
\(R_i=\frac{1}{\frac{dI}{dU}|U=U_0}\)
Sledeći parametar je maksimalni inverzni napon diode, pri kome dolazi do proboja. Ako se pri proboju struja kroz diodu ne ograniči, npr. nekim spoljnim otporom, kumulativno povećanje struje imaće za posledicu preveliko zagrevanje spoja, tako da će se on razoriti. Silicijumske diode imaju veći inverzni napon od germanijumskih.
Karakteristike diode u značajnoj meri zavise od temperature spoja. Temperatura P-N spoja zavisi od disipacije na spoju koja je jednaka proizvodu struje kroz spoj i napona na njemu. Maksimalna temeperatura spoja predstavlja osnovno ograničenje u radu poluprovodničkih dioda. Ukoliko je ova temperatura veća od maksimalne, nastaje termički proboj koji može da ima za posljedicu razaranje P-N spoja.
Aproksimiranje diode
Razmatrajući diodu, ukazali smo da se, u njoj, odvijaju složeni procesi, koji, da bi se opisali, zahtevaju dosta složen matematički aparat. Međutim, najčešće, prilikom analize kola sa diodama, potrebno je usvojiti neke aproksimacije. U tom smislu, zavisno od željene tačnosti, najčešće se upotrebljavaju tri aproksimacije karakteristika diode. Prva, i najgrublja, aproksimacija podrazumeva diodu kao idealni prekidač (idealna dioda). Naime, kad je direktno polarisana, dioda se posmatra kao zatvoreni prekidač u kolu. U slučaju inverzne polarizacije, dioda se posmatra kao otvoreni prekidač. Karakteristika i ilustracija idealne diode date su na slici br.5.
Slika br.5. Idealna dioda. a) Karakteristika; b) Ilustracija
Ukoliko napon izvora nije mnogo veći od napona praga diode, pribegava se drugoj (manje gruboj) aproksimaciji diode. Ovako aproksimirana dioda prikazana je na slici br.6. Izvor sa slike ekvivalentira delovanje potencijalne barijere.
Za slučajeve kad otpornost diode ima red veličine isti kao i otpornosti priključene u kolu, koristi se treća aproksimacija, prikazana na slici br.7, gde Rd predstavlja otpornost diode pri direktnoj polarizaciji.
Slika br.6. Druga aproksimacija. a) Karakteristika; b) Ekvivalentno kolo.
Slika br.7. Treća aproksimacija. a) Karakteristika; b) Ekvivalentno kolo.
