Најважније из лекције
p-n спој: Дифузијом већинских носилаца настаје запречни слој непокретних јона са унутрашњим електричним пољем \(\vec{E}\) (усмереним од n ка p).
Поларизација: Директна (\(+ \rightarrow \text{p}\), \(- \rightarrow \text{n}\)) сужава запречни слој и диода проводи изнад прага од \(\approx 0{,}7\text{ V}\) (за Si); инверзна (\(+ \rightarrow \text{n}\), \(- \rightarrow \text{p}\)) шири запречни слој и пропушта само занемарљиву струју мањинских носилаца \(I_S\).
Једначина диоде: \(I_D = I_S (e^{\frac{q_e U_D}{kT}} - 1)\).
Примена: Као исправљач наизменичне струје у једносмерну; паралелно везан кондензатор великог капацитета служи за пеглање пулсирајућег напона.
Поларизација: Директна (\(+ \rightarrow \text{p}\), \(- \rightarrow \text{n}\)) сужава запречни слој и диода проводи изнад прага од \(\approx 0{,}7\text{ V}\) (за Si); инверзна (\(+ \rightarrow \text{n}\), \(- \rightarrow \text{p}\)) шири запречни слој и пропушта само занемарљиву струју мањинских носилаца \(I_S\).
Једначина диоде: \(I_D = I_S (e^{\frac{q_e U_D}{kT}} - 1)\).
Примена: Као исправљач наизменичне струје у једносмерну; паралелно везан кондензатор великог капацитета служи за пеглање пулсирајућег напона.
p-n спој настаје спајањем полупроводника p-типа (где су већински носиоци шупљине) и полупроводника n-типа (где су већински носиоци слободни електрони).
Дифузија и рекомбинација: Због велике разлике у концентрацијама, слободни електрони из n-области дифундују у p-област, а шупљине из p-области у n-област. На граничној површини долази до њиховог спајања – рекомбинације.
Област просторног товара (запречни слој): Настаје у близини споја као подручје без слободних носилаца наелектрисања (ширине реда величине \(10^{-4}\text{ m}\)). У њему остају непокретни јони кристалне решетке: негативни јони у p-области и позитивни јони у n-области.
Непокретни јони формирају унутрашње електрично поље \(\vec{E}\) усмерено од n ка p области, које се противи даљој дифузији већинских носилаца и потпуно је зауставља.
Полупроводничка диода је електронски елемент који чини p-n спој са два метална извода: анодом (A) везаном за p-област и катодом (K) везаном за n-област. Катода се на кућишту обично означава обојеним прстеном.
Директна поларизација:
Позитиван пол спољашњег извора везује се за p-тип (аноду), а негативан пол за n-тип (катоду).
Позитиван пол спољашњег извора везује се за p-тип (аноду), а негативан пол за n-тип (катоду).
- Спољашње електрично поље делује супротно унутрашњем електричном пољу.
- Ширина запречног слоја се смањује и поништава.
- Диода постаје проводна и кроз њу протиче знатна струја већинских носилаца.
Инверзна (непропусна) поларизација:
Позитиван пол извора везује се за n-тип (катоду), а негативан пол за p-тип (аноду).
Позитиван пол извора везује се за n-тип (катоду), а негативан пол за p-тип (аноду).
- Спољашње електрично поље има исти смер као унутрашње поље.
- Запречни слој се шири, а отпорност споја постаје изузетно велика.
- Кроз диоду практично не тече струја већинских носилаца.
Како треба повезати полове једносмерног извора напона са полупроводничком диодом да би она проводила струју?
Да би диода проводила струју, мора бити директно поларисана: позитиван пол извора („+”) повезује се на p-област (аноду), а негативан пол („-”) на n-област (катоду).
\[ I_D = I_S \left( e^{\frac{q_e U_D}{k T}} - 1 \right) \]
\(I_D\) – јачина струје кроз диоду
\(U_D\) – напон на диоди
\(I_S\) – струја инверзног засићења
\(q_e\) – апсолутна вредност наелектрисања електрона (\(1{,}6 \cdot 10^{-19}\text{ C}\))
\(k\) – Болцманова константа (\(1{,}38 \cdot 10^{-23}\text{ J/K}\))
\(T\) – апсолутна температура у келвинима (\(\text{K}\))
Праг вођења (директна поларизација): Струја почиње значајно да расте тек када спољашњи напон савлада унутрашње поље. За силицијумске (Si) диоде овај напон износи приближно \(U_D \approx 0{,}7\text{ V}\).
Инверзна струја и пробој:
- При инверзној поларизацији тече занемарљиво мала струја засићења \(I_S\) (реда величине \(\text{pA}\)), коју чине мањински носиоци наелектрисања.
- Ако инверзни напон пређе критичну вредност – напон пробоја (\(U_{BD}\)), долази до наглог пораста струје и трајног термичког уништења p-n споја (осим код специјалних Зенерових диода).
Исправљач је уређај који наизменични напон из градске мреже претвара у једносмерни напон потребан за напајање електронских уређаја. Његов рад се заснива на особини диоде да проводи струју само у једном смеру.
Током позитивне полупериоде наизменичног напона диода је директно поларисана и проводи струју кроз потрошач \(R_p\). Током негативне полупериоде диода је инверзно поларисана и не проводи. На излазу се добија пулсирајући једносмерни напон.
Да би се смањило пулсирање напона, паралелно потрошачу се повезује кондензатор великог капацитета:
- Када диода проводи струју, кондензатор се пуни.
- Када је диода инверзно поларисана, кондензатор се празни кроз потрошач, одржавајући напон готово константним.
- Што је већи капацитет кондензатора \(C\), пражњење је спорије, а излазни напон равнији.
Задаци за вежбање
Задатак 1 (Основни ниво): Објасни зашто се ширина запречног слоја смањује при директној поларизацији p-n споја, а повећава при инверзној поларизацији.
Унутрашње електрично поље запречног слоја усмерено је од позитивних јона (n-област) ка негативним јонима (p-област).
1. При директној поларизацији, спољашње поље има супротан смер од унутрашњег, чиме га слаби и потискује већинске носиоце ка споју, па се ширина запречног слоја смањује.
2. При инверзној поларизацији, спољашње поље има исти смер као унутрашње поље, чиме га појачава и одвлачи већинске носиоце од споја, што доводи до ширења запречног слоја.
1. При директној поларизацији, спољашње поље има супротан смер од унутрашњег, чиме га слаби и потискује већинске носиоце ка споју, па се ширина запречног слоја смањује.
2. При инверзној поларизацији, спољашње поље има исти смер као унутрашње поље, чиме га појачава и одвлачи већинске носиоце од споја, што доводи до ширења запречног слоја.
Задатак 2 (Средњи ниво): Који носиоци наелектрисања су одговорни за постојање инверзне струје засићења \(I_S\) кроз диоду и зашто је њен интензитет веома мали?
Струју инверзног засићења \(I_S\) стварају мањински носиоци наелектрисања (слободни електрони који се налазе у p-типу и шупљине у n-типу настали термичким генерисањем).
Њен интензитет је изузетно мали (реда величине \(\text{pA}\)) зато што је концентрација мањинских носилаца занемарљиво мала у поређењу са концентрацијом већинских носилаца.
Њен интензитет је изузетно мали (реда величине \(\text{pA}\)) зато што је концентрација мањинских носилаца занемарљиво мала у поређењу са концентрацијом већинских носилаца.
Задатак 3 (Напредни ниво): У колу је силицијумска диода директно везана на извор напона \(U_E = 4{,}7\text{ V}\) преко отпорника отпорности \(R = 200\ \Omega\). Ако је пад напона на директно поларисаној диоди \(U_D = 0{,}7\text{ V}\), одреди јачину струје која тече кроз коло.
Према Другом Кирхофовом правилу, напон извора једнак је збиру падова напона на отпорнику и диоди:
\[ U_E = U_R + U_D \implies U_R = U_E - U_D \]
\[ U_R = 4{,}7\text{ V} - 0{,}7\text{ V} = 4{,}0\text{ V} \]
Јачина струје у редном колу се рачуна преко Омовог закона за отпорник:
\[ I = \frac{U_R}{R} = \frac{4{,}0\text{ V}}{200\ \Omega} = 0{,}02\text{ A} = 20\text{ mA} \]
Одговор: Јачина струје кроз коло износи \(20\text{ mA}\).
Задатак 4 (Средњи ниво): Која је улога кондензатора у колу исправљача и шта ће се догодити са обликом излазног напона ако се употреби кондензатор значајно мањег капацитета?
Улога кондензатора је филтрирање (умиривање) пулсирајућег напона – он складишти енергију док диода проводи, а отпушта је кроз потрошач док је диода непроводна.
Ако се употреби кондензатор мањег капацитета, он ће се брже испразнити током полупериоде у којој диода не проводи, што доводи до већих осцилација (пулсација) излазног напона.
Ако се употреби кондензатор мањег капацитета, он ће се брже испразнити током полупериоде у којој диода не проводи, што доводи до већих осцилација (пулсација) излазног напона.
