Istorijat

 Nemački naučnik Valter Šotki (Walter H. Schottky) je pronašao Šotkijev efekt, koji je omogućio izradu Šotki diode i kasnije tranzistora. Logička kola izrađena sa Šotki tehnologijom koriste više snage od običnog TTL kola ali rade brže.

 Logička kola sa Šotki tehnologijom:

• Schottky (S) originalna Šotki serija kola.
• Low power Schottky (LS) serija kola, potrošnja je smanjena i brzina povećana.
• Advanced Low power Schottky (ALS) dalja poboljšanja, smanjena potrošnja, povećana brzina.
• Fast Schottky (F) povećana brzina i potrošnja.

Izrada

 Kao materijal za proizvodnju Šotki diode pogodno je koristiti silicijum (Si) i galijum arsenid (GaAs), kao i metale poput zlata, srebra, platine, paladijum, i volframa.

 Izrađuju se tako što se direktno na poluprovodnik N vrste nanosi metal. Elektroni iz poluprovodnika prelaze u metal zbog difuzije, pa se u poluprovodniku obrazuje prostorno naelektrisanje u kojem se nalaze nekompenzovani pozitivni joni. Ovo prostorno naelektrisanje postoji praktično samo u poluprovodniku, pa je električno polje manje nego u normalnom PN-spoju. Elektroni mogu da prelaze iz poluprovodnika u metal, jer je energija elektrona u metalu manja, ali obrnuto ne mogu.

 Na ovaj način se dobije usmerački spoj između poluprovodnika i metala, a takođe i priključak za anodu. Drugi kontakt se dobije tako što se naknadno obrazuje oblast sa velikom koncentracijom N+ primesa, pa se dobije N+ oblast, koja je slična provodniku. Na N+ oblast se nanosi metal sa kojim se obrazuje neusmerački kontakt, koji čini katodu diode.

 Kod Šotki dioda nema prelaza šupljina iz P u N oblast, kao ni elektrona iz N u P oblast, pa ne postoji difuzna kapacitivnost spoja. Vreme uključivanja i isključivanja je veoma kratko i iznosi tipično 100ps.

Simbol Šotki diode

Karakteristike

 Prag provođenja Šotki diode je manji nego kod običnih silicijumskih dioda jer je potencijalna barijera manja. Prag provođenja može se menjati promenom gustine primesa u poluprovodniku. Što je veća koncentracija primesa, niži je inverzni napon i niži je prag provođenja, skoro jednak nuli, ali je relativno velika i inverzna struja.

 Kako su ove diode bazirane na spoju poluprovodnika i metala (umesto spoja dva poluprovodnika). Karakteriše ih manji pad napona kod direktne polarizacije u odnosu na standardne PN diode (0.15V-0.45V), kao i  mnogo manja kapacitivnost PN spoja.

Gde se koristi

 Ove diode se koriste za spojna kola kao i za prevenciju saturacije kod tranzistora. Koriste se i za ispravljače sa malim gubicima. Zbog manje kapacitivnosti PN spoja imaju primenu i u RF kolima. Nedostatak ovakve strukture je to što se ne mogu realizovati komponente sa velikim inverznim probojnim naponom.

  Šotki diode se upotrebljavaju u veoma brzim prekidačkim kolima. Šotki diode sa velikom koncentracijom primesa se koriste u oblasti mikrotalasa (10 GHz). Postoji posebna vrsta usmeračkih Šotki dioda za struju do nekoliko desetina ampera (na primer BYS76 firme Siemens za struju do 75 A), koje se upotrebljavaju u brzim usmeračkim kolima ili kod impulsnih regulatora napona.

The post Šotki dioda – Nastanak, izrada i primena appeared first on Automatika.rs.

 Fotoni svetla se emituje prilikom rekombinacije para elektron-šupljina. Takvo svojstvo imaju sledeći poluprovodnici:

• Galijum-fosfid (GaP),
• Galijum-arsenid (GaAs),
• Galijum-nitrid (GaN),
• Galijum-arsenid-fosfid (GaAsP),
• Cink-selenid (ZnSe),
• Dijamant (C),
• Aluminijum-nitrid (AlN),
• Safir (Al2O3),
• Silicijum-karbid (SiC), itd.

 Davne 1955. godine, Rubin Braunstin iz Američke radio korporacije prvi je dao izveštaje o infracrvenoj emisiji svetlosti galijum-arsenida (GaAs).

 Naučnici Teksas instrumentsa, Bob Bajard i Gari Pitman, 1961. godine otkrili su da galijum-arsenid pušta svetlo kada ima električne struje, nakon čega su prijavili patent na infracrvenu diodu. Nik Holonjak mlađi iz Dženeral elektrika prvi je pronašao vidljivi spektar svetleće diode. Boja emitovanog svetla zavisi od vrste poluprovodonika, kao i od primesa u njemu, i varira od infracrvenog do ultraljubičastog dela spektra.

 LED svetli odnosno emituje fotone kada elektroni prolaze kroz spoj, tj. kada se stavi pod napon. Većina dioda emituje zračenje, ali ono ne napušta poluprovodnik i nalazi se u frekventnom opsegu infracrvenog zračenja. Međutim, izborom odgovarajućeg materijala i geometrije svetlost postaje vidljiva.

 Izbor poluprovodničkog materijala dioda određuje boju svetlosti. Različiti materijali ili neuobičajeni poluprovodnici se koriste u tu svrhu, i imaju različit napon potencijalne barijere. Crvenoj boji odgovara napon od 1.2 V, a napon od 2.4 odgovara ljubičastoj.

 Danas postoje diode i za ultraljubičastu svetlost. Prve svetleće diode su bile crvene i žute, a druge su nastale kasnije. Sve svetleće diode su jednobojne; bele diode su u stvari kombinacija tri diode različitih boja ili plava obložena žutom. Što je niža frekvencija diode veća je efikasnost pa je za efekat jednake jačine svetla raznih dioda potrebno povećavati jačinu struje kod dioda viših frekvencija.

 Ovo se još više komplikuje činjenicom da je ljudsko oko najosetljivije na svetlost koja je negde između plave i zelene.

Princip rada

 Svetleća dioda se sastoji od čipa napravljenog od poluprovodnog materijala koji je dopiran nečistoćama kako bi se napravio p-n spoj. Kao i kod običnih dioda, električna struja teče od P-strane ili anode ka N-strani ili katodi, ali ne i u suprotnom smeru. Nosioci nalektrisanja, elektroni i šupljine teku u spoj sa elektroda između kojih postoji električni napon. Kada se elektron sudari sa šupljinom, on pada na niži energetski nivo i oslobađa energiju u vidu fotona.

 Talasna dužina emitovane svetlosti, a time i njena boja, zavisi od energetske barijere materijala koji čine P-N spoj. Kod silicijumskih i germanijumskih dioda, elektroni i šupljine se rekombinuju ne-zračećom tranzicijom, koja ne daje vidljivu emisiju, jer su oni materijali sa indirektnom energetskom barijerom. Materijali koji se koriste za izradu svetelćih dioda imaju direktnu energetsku barijeru sa energijama koje odgovaraju skoro infracrvenoj, vidljivoj i skoro-ultraljubičastoj svetlosti.

 Napredak u nauci o materijalima je omogućio izradu dioda sa sve kraćim talasnim dužinama, koje su emitovale svetlost raznih boja.

 Više o diodama možete pronaći OVDE.

The post Svetleća dioda – LED (Light-emiting diode) appeared first on Automatika.rs.

 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.

The post Poluprovodničke komponente – DIODE appeared first on Automatika.rs.

 Zahvaljujući svojim hemijskim svojstvima silicijum ima mnogo pogodnosti pogotovo kada se nalazi u kristalnoj formi. Jedan atom silicijuma ima 14 elektrona, poređanih u različite slojeve. Prva dva sloja koji sadrže dva i osam elektrona su kompletno pupunjeni. Treći sloj je samo do pola popunjen i drži četiri elektrona. Atom silicijuma će uvek tražiti način da popuni posledji sloj, a da bi uspeo u tome deliće elektrone sa četiri susedna atoma. Tako se kristalna struktura ispostavila kao jako bitna za ovu vrstu fotonaponskih ćelija.

 Poznato je da je čist silicijum slab provodnik električne energije, zato što nema slobodnih elektrona da se kreću. Kako bi otklonili ovaj problem, silicijum od kojeg se proizvode solarne ćelije u sebi sadrži nečistoće, da kazemo korisne nečistoće. Ovo se dobija kada atomu silicijuma dodamo atom fosfora. Fosfor ima pet elektrona u svom spoljašnjem sloju, za razliku od silicijuma koji ima četiri, i tako fosfor ima jedan elektron viška.

 Kada se toplotna energija doda čistom silicijumu to prouzrokuje da se nekoliko elektrona oslobodi i napuste svoje atome. Na mestu tih oslobođenih atoma ostaje prazno mesto za svaki oslobodjeni elektron. Ovi elektroni, koji se nazivaju slobodni nosioci, lutaju kroz kristalnu rešetku tražeći drugo prazno mesto koje će da popune i tako prenesu električnu energiju. Međutim, u čistom silicijumu postoji jako mali broj tih praznih mesta, tako da ovi elektroni prenosioci ne mogu da budu efikasni.

 Kod nečistog silicijuma je potrebna mnogo manja količina energije da se izazove oslobađanje jednog elektrona fosfora zato što što on nije povezan ni sa jednim susednim atomom silicijuma. Proces pravljenja nečistog silicijuma naziva se dopovanje i tako dobijen silicijum se naziva N-tip (N znači negativan) zato što u njemu preovlađuju elektroni. Dopovani silicijum N-tipa je mnogo bolji provodnik od čistog silicijuma.

 Drugi deo solarne ćelije je obično dopovan sa borom, koji ima samo tri elektrona na spoljašnjem sloju, i tako se dobija P-tip (P znači pozitivan) silicijuma. Umesto da ima slobodne elektrone P-tip silicijuma ima slobodna mesta i prenosi suprotan (pozitivan) napon.

Princip rada fotonaponske silicijumske ćelije

 Kada svetlost, u formi fotona, udari u solarnu ćeliju, energija te svetlosti razdvoji parove elektrona i praznih mesta. Svaki foton sa dovoljno energije oslobodiće tačno jedan elektron, što će rezultirati i praznim mestom takođe. Ako se ovo desi dovoljno blizu električnog polja, ili ako se desi da slobodni elektron i prazno mesto zalutaju u domet uticaja električnog polja, električno polje će poslati elektron na N stranu a prazno mesto na P stranu. Onda imamo da se elektroni kreću putanjom do P strane da se ujedine sa praznim mestima koje je električno polje tamo poslalo. Kretanje elektrona stvara struju, a električno polje ćelije prouzrokuje napon. A dobro je poznato da je snaga proizvod struje i napona.

Struktura fotonaponske solarne ćelije

 Poprečni presek jedne silicijumske solarne ćelije, ma kog tipa bila prikazan je na slici br.1. Prvi sloj čini zaštitno staklo tj. SiO₂, koje štiti ćeliju od spoljašnjih uticaja. Ispod je antireflektujući sloj koji smanjuje refleksiju svetlosti i obezbeđuje da što više energije dospe do poluprovodnika, služi da se poveća stepen iskorišćenja solarne ćelije. Zatim se nalazi sistem transparentnih elektroda, TCO. One stvaraju kontakt poluprovodnik sa PN spojem u kome se vrši sakupljanje fotona Sunčeve svetlosti. Sa donje strane je metalizacija tj. zadnji kontakt.

Slika br.1 Struktura fotonaponske ćelije

 Maksimalni izlazni napon jedne solarne ćelije se kreće u opsegu 600-700mV, pa se ćelije serijski povezuju kako bi se dobio željeni napon. Kao bi stvorili napon od 12V DC, potrebno je povezati oko 36 ćelija. Snaga jedne fotonaponske ćelije je relativno mala pa se u praksi više ćelija povezuju u grupu čime se formira fotonaponski modul. Prema projektovanoj snazi moduli se spajaju redno i/ili paralelno, čime se formira fotonaponski panel koji proizvodi struju, napon i snagu znatno većeg intenziteta.

Efikasnost fotonaposnke ćelije

The post Fotonaponska ćelija – Princip rada, karakteristike i efikasnost appeared first on Automatika.rs.