Puolijohteet Puolijohdetekniikan perusteet Puolijohdeaineet Puolijohteet ovat oma selvä ryhmä johteiden ja eristeiden välissä. Puhtaista alkuaineista pii ja germanium käyttäytyvät puolijohteiden tavoin. Myös kemiallisesti voidaan valmistaa yhdisteitä, jotka käyttäytyvät puolijohteiden tavoin. Virran kulku puolijohteissa perustuu vapaiden elektronien liikkeeseen eli elektronivirtaan ja niiden liikkuessaan jättämien aukkojen liikkeeseen eli aukkovirtaan. Puhtailla puolijohdeaineilla on harvoin teknistä käyttöä. Elektroniikan komponenteissa käytetyt puolijohteet ovat seostettuja. Seostettuja aineita kutsutaan joko N- tai P-aineiksi sen mukaan onko kideaineessa "ylimääräinen" elektroni (N-aine) vai onko kiderakenteessa aukko eli naapuriatomien muodostamassa kovalenttisessa sidoksessa yksi sidos jää puutteelliseksi. PN-liitos Pn-liitos saadaan syntymään, kun samaan puoli-johdekiteeseen muodostetaan P- ja N-vyöhyke siten, että vyöhykkeiden välille tulee rajapinta eli liitos (pn-junction). Tämä rajapinta mahdollistaa diodien ja transistorien toiminnan. Perusrakenne, jossa kiteeseen on muodostettu P- ja N-vyöhyke muodostaa diodin.
Diodi on kaksinapainen komponentti, jonka P-aineeseen kytkettyä napaa kutsutaan anodiksi ja N-aineeseen kytkettyä napaa katodiksi. Diodin perusominaisuus on, että se päästää virran kulkemaan toiseen suuntaan, mutta estää virran kulun vastakkaiseen suuntaan. PN-rajapintaan muodostuu ns. tyhjennysalue (depletion layer), jossa ei ole varauksenkuljettajia. Tämä tyhjennysalue määrää sen jännitteen suuruuden, joka tarvitaan, että alueen läpi kulkisi virta. Jännitetasoa kutsutaan kynnysjännitteeksi ja sen suuruus 25 C lämpötilassa on piillä noin 0,7V ja germaniumilla noin 0,3V. Termillä bias tarkoitetaan ulkoisen tasajännitteen kytkemistä, jolla PN-liitokseen asetetaan joko myötä tai estosuuntaan esijännitys. Jos positiivinen jännite kytketään anodille (P-aine) on kyseessä myötäsuuntainen (forward bias) ja jos positiivinen kytketään katodille (N-aine) on kyseessä estosuuntainen (reverse bias). Jos myötäsuuntainen jännite nostetaan yli kynnysjännitteen alkaa virta kulkemaan rajapinnan yli. Jännitehäviö rajapinnan yli ei enää kasva, vaikka syöttöjännitettä kasvatettaisiin, vaan lopulta kasvanut virta tuhoaa komponentin. Estosuuntaan esijännitetty diodi ei johda. Ulkoisen jännitteen vaikutuksesta PN-liitoksen tyhjennysalue levenee, sitä suuremmaksi mitä suurempi estosuuntainen jännite vaikuttaa. Tyhjennysalue toimii ikään kuin eristeenä kahden jännitepotentiaalin välillä. Täten estosuuntaan esijännitetty diodi muodostaa kondensaattorin, jonka kapasitanssia voidaan säätää ulkoisen jännitteen avulla. Myös estosuuntaan esijännitetty diodi tuhoutuu, jos jännite kasvatetaan yli suurimman komponentille sallitun jännitearvon. Puolijohdediodit Tavallisin diodin käyttökohde on diodin käyttäminen tasasuuntaajana. Muita mahdollisuuksia ovat esimerkiksi diodin käyttäminen kytkimenä tai anturina. Kuten edellisessä luvussa todettiin diodin toimintaa voidaan lyhyesti kuvata siten, että se läpäisee virtaa vain myötäsuuntaan esijännitettynä eli kun anodin jännite on kynnysjännitteen verran positiivisempi kuin katodin. Diodin, kuten useimpien puolijohteiden toiminta havainnollistetaan graafisesti ominaiskäyrän avulla. Diodit voidaan ryhmitellä esimerkiksi seuraavasti: Pienitehoiset signaalidiodit Suurivirtaiseet tehodiodit Zenerdiodit Kapasitanssidiodit Schottkydiodit
Valodiodit Erikoisdiodit Tasasuuntausdiodit Tasasuuntaus on diodin perusominaisuus ja siksi tavallisia (yleiskäyttöisiä diodeja kutsutaan tasasuuntausdiodeiksi (rectifier diodes). Diodin piirrosmerkki muodostuu nuolikuviosta, joka osoittaa virran kulkevan diodin läpi anodilta katodille. Käytännön diodeissa katodi on usein merkitty diodin ympäri piirretyllä viivalla, josta muistuttaa piirrosmerkin poikkiviiva katodilla. Diodin ominaiskäyrä Diodin ominaiskäyrästön oikeasta yläneljänneksestä nähdään, että diodi alkaa johtamaan, kun kynnys-jännite ylitetään. Syöttöjännitteen kasvattaminen kasvattaa virtaa, mutta jännitehäviö diodin yli pysyy lähes vakiona. Käytännössä diodin kanssa sarjassa on jokin resistanssi, joka rajoittaa virtaa. Kuvaajan vasen alaneljännes kuvaa diodin toiminnan estosuuntaan esijännitettynä. Vaikka estosuuntainen jännite kasvaa, kulkee diodin läpi vain erittäin pieni vuotovirta, kunnes tapahtuu läpilyönti ja diodi tuhoutuu. Tasasuuntausdiodin ominaisuudet Tasasuuntausdiodin datakirjoissa luetelluista ominaisuuksista tärkeimmät käytön kannalta ovat: Nopeus Estosuuntaisen jännitteen kesto Päästösuuntaisen virran kesto Diodin nopeus tarkoittaa diodin kykyä tasasuunnata suurtaajuisia jännitteitä. Mitä suurempi on tasasuunnattavan jännitteen taajuus sitä nopeampi on diodin oltava. Tasasuuntausdiodit jaetaan yleensä nopeutensa puolesta kolmeen ryhmään General Purpose Rectifier Diodes, taajuusalueelle 50...40 Hz Fast Rectifier Diodes, taajuusalueelle 400...20000 Hz Very Fast Rectifier Diodes, taajuusalueelle 10...100 khz
Diodin estosuuntaisen jännitteen kestoisuus on mitoitettava siten, ettei diodin yli vaikuttava jännite missään tilanteessa ylitä suurinta sallittua arvoa, koska ylitys saattaa aiheuttaa läpilyönnin, joka tuhoaa diodin, usein myös virtapiirin muita komponentteja. Datakirjoissa ilmoitetaan yleensä useampia estosuuntaisen max jännitteen arvoja, kuten suurin sallittu toiminta jännitteen huippuarvo, toistuvan jännitepiikin suurin sallittu arvo ja ei-toistuvan jännitepiikin suurin sallittu arvo. Niiden lyhenteet alkavat yleensä kirjaimilla VR, joka tulee sanoista Voltage Reverse eli estosuuntainen jännite. Diodin myötäsuuntaisen virran kestoisuus ilmoitetaan yleensä seuraavilla arvoilla. Suurin sallittu keskimääräinen päästösuuntainen virta toistuva päästösuuntainen virtahuippu ei-toistuva päästösuuntainen huippuvirta Lyhenne alkaa yleensä IF, jossa I = virta ja F = Forward eli myötäsuuntainen. Diodin testaaminen yleismittarilla Diodin testaaminen yleismittarilla tapahtuu mittarin diodi-mittausasennossa tai resistanssimittauksella. Mittarit, joissa on diodi-mittausasento, näyttävät diodin kynnysjännitteen myötäsuuntaan kytkettynä. Mitattaessa diodia resistanssialueella saadaan estosuunnan resistanssiksi ääretön tai lähes ääretön ja myötäsuuntaan n. 50? -500?:n näyttö. Pieni arvo molempiin suuntiin kertoo diodin olevan oikosulussa ja suuri arvo molempiin suuntiin on merkki katkenneesta diodista. HUOM! Muista mittarin napaisuus resistanssimittauksissa! Digitaalisen mittarin resistanssialueella ei yleensä voi mitata diodin kuntoa, koska mittarin mittausjännite on useissa tapauksissa alle 0,5V. Sinun kannattaa mitata laboratorion yleismittareiden resistanssialueiden soveltuvuus diodin toimintakunnon mittauksiin, mittaamalla mittareiden antojännite ja kokeilemalla niiden toimintaa ehjää ja rikkinäisiä diodeja mittaamalla. Puoliaaltotasasuuntaus Puoliaaltotasasuuntaus saadaan toteutettua syöttämällä vaihtojännite diodin kautta kuormaan. Positiivisella puolijaksolla diodi johtaa ja kuorman jännite seuraan syöttöjännitteen muotoa. Negatiivisella puolijaksolla diodi ei johda, virtaa ei kulje ja diodin yli ei tapahdu jännitehäviötä.
Kuormaan saatavan jännitteen huippuarvo on syöttöjännitteen huippuarvo vähennettynä diodin kynnysjännitteellä, joka on 0,7 V piillä ja 0,3 V germaniumilla. Kuormaan saatavan jännitteen keskiarvo saadaan jakamalla huippuarvo piillä. VAVE = Vp / π Yleismittari näyttää dc-alueella mitattaessa jännitteen keskiarvon. Kokoaaltotasasuuntaus Kokoaaltotasasuuntauksen ero puoliaaltotasasuuntaukseen verrattuna on se, että kokoaaltotasasuuntauksessa kuorman läpi kulkee virta molemmilla vaihtojännitteen puolijaksoilla, kun puoliaaltotasasuuntauksessa virta kulkee vain syöttöjännitteen toisen puolijakson aikana. Koska kokoaaltotasasuuntauksessa myös molemmat syöttöjännitteen puolijaksot käytetään hyväksi on kuormaan saatava keskimääräinen jännite kaksinkertainen puoliaalto-tasasuuntaukseen verrattuna. Keskimääräinen jännite kokoaaltotasasuuntauksessa voidaan laskea kaavalla VAVE = 2 * Vp / π Kokoaaltotasasuuntaus diodisillalla Diodisillassa käytetään neljää diodia, joista toinen pari johtaa positiivisella ja toinen negatiivisella syöttöjännitteen puolijaksolla. Kuormaan saatavan jännitteen arvo on syöttöjännite vähennettynä kahdella diodin kynnysjännitteellä. Suurin estosuuntainen jännite, jonka diodin on kestettävä on syöttöjännitteen huippujännite. Kokoaaltotasasuuntaus kahdella diodilla
Yleensä AC-jännitelähteen ja tasasuuntaajan välissä käytetään muuntajaa. Muuntajalla jännitettä voidaan muuttaa ylös tai alaspäin ja muuntaja muodostaa sähköisen erotuksen jännitelähteen ja tasasuuntaajan välille. Muuntajan käämin ensiö ja toisio kierroslukujen suhde on yhtä suuri kuin ensiö- ja toisiöjännitteiden suhde. Siten V2 = (N2 / N1) * V1 Jos toisiokierrosluku on suurempi kuin ensiökierrosluku muuntaja korottaa jännitettä ja päinvastoin. Kokoaaltotasasuuntaus kahdella diodilla toteutetaan väliulosotolla varustetulla käämillä. Käämin väliulosotto kytketään kuorman miinukseksi Käämin molempiin päihin tasasuuntausdiodin anodit, joiden katodit kytketään yhteen. Kuorma kytketään diodien katodien ja muuntajan keskipisteen väliin. Kytkentä muodostuu itse asiassa kahdesta rinnakkain kytketystä puoliaaltotasasuuntaajasta, jotka toimivat vuorotellen. Tasasuuntaajalta saatava jännite on noin puolet toisiojännitteen arvosta, koska molempia diodeja syötetään käämin pään ja puolivälissä oleva väliulosoton välistä eli puolella toisiojännitteen arvosta. Lisäksi kuorman jännitettä pudottaa diodin kynnysjännite. Kierrosluvusta riippumatta kuoman jännite voidaan laskea Vout = V2 / 2 - VB, jossa (B = Barrier). Suurin estosuuntainen jännite, joka kytkeytyy vuoroin kummallekin diodille on toisiojännitteen suuruinen eli kaksi kertaa kuormaan saatavan jännitteen suuruinen. Tasasuunnatun jännitteen suodatus Tasasuuntauksessa tehdään yleensä verkkojännitteestä alennetusta 50 Hz vaihtojännitteestä tasajännitettä, jonka arvo vaihtelee huippuarvon ja nollan välillä, puhutaan ns. sykkivästä tasajännitteestä.
Puoliaaltotasasuuntauksen jälkeen vaihtelu tapahtuu 50 Hz:n taajuudella, kokoaaltotasasuuntauksen jälkeen 100 Hz:n taajuudella. Käytännössä kyseinen jännitevaihtelu pyritään suodattamaan pois. Jännitteen suodatus voidaan tehdä kuormituksen rinnalle kytkettävällä riittävän isolla kondensaattorilla. Positiivisen puolijakson aikana diodin läpi kulkeva virta lataa kondensaattorin. Negatiivisen puolijakson aikana kondensaattoriin varautunut energia purkautuu kuorman kautta. Kun syöttöjännite nousee uudelleen kynnysjännitteen verran suuremmaksi kuin kondensaattorin jännite avautuu diodi ja kondensaattori varautuu uudelleen. Kondensaattorin ja siis myös kuorman napoihin jäävää jännitevaihtelua kutsutaan hurinajännitteeksi (Ripple Voltage). Sen suuruuden määrää suodatuskondensaattorin kapasitanssi ja kuormavirta. Aaltoisuuskerroin r (ripple factor) ilmaisee hurinajännitteen ja tasajännitteen keskiarvon suhteen. Mitä pienempi aaltoisuuskerroin on sitä parempi on suodatin. Riittävän suurella kondensaattorilla varustetuissa kokoaaltotasasuuntaajissa kuormaan saatava tasajännite on lähellä suodattimelle tuotavan jännitteen huippuarvoa. Silloin tasajännite ja hurinajännite voidaan laskea seuraavilla likiarvokaavoilla. Vdc = ( 1-0.005 / RL * C ) * Vp(in) Vr = ( 0.0029 / RL * C ) * Vp(in) Kytkettäessä jännite tasasuuntaajalle, kun kondensaattorin varaus on nollassa, kulkee diodin läpi hetkellisesti suuri käynnistysvirta. Sen vaikutusta ehkäisemään käytetään joskus sarjavastusta diodien ja kondensaattorin välissä. Sen arvo tulee olla pieni verrattuna kuorman arvoon. Pelkällä kondensaattorilla toteutetua suodatinta parempi suodatus saadaan aikaan käytämällä kelojen ja kondensaattoreiden yhteenkytkentää. (-tyypin suodin rakennetaan kahdesta kondensaattorista ja yhdestä kelasta. T-tyypin suodatin kahdesta kelasta ja yhdestä kondensaattorista. Komponentit kytketään tyyppikirjaimen muotoon, kelat vaakasuoraan ja kondensaattorit pystysuoraan, alapää maahan. T-tyypin suotimella saadaan hurinajännite pienemmäksi, mutta se vaimentaa enemmän kuormaan saatavaa jännitettä.
Sisällysluettelo Puolijohteet... 1 Puolijohdetekniikan perusteet... 1 Puolijohdeaineet... 1 PN-liitos... 1 Puolijohdediodit... 2 Tasasuuntausdiodit... 3 Diodin ominaiskäyrä... 3 Tasasuuntausdiodin ominaisuudet... 3 Diodin testaaminen yleismittarilla... 4 Puoliaaltotasasuuntaus... 4 Kokoaaltotasasuuntaus... 5 Kokoaaltotasasuuntaus diodisillalla... 5 Kokoaaltotasasuuntaus kahdella diodilla... 5 Tasasuunnatun jännitteen suodatus... 6