Félvezető diódák, LED-ek

A fejezet tartalma:

• A félvezetők fizikája
  • Termikus töltéshordozók
  • A félvezetők szennyezése
  • N-típusú szennyezés
  • P-típusú szennyezés
  • P-N átmenetek
• Félvezető dióda
  • Nyitóirányú előfeszítés
  • Záróirányú előfeszítés
  • A diódák felhasználási területei
• Fénykibocsátó dióda (LED)
  • OLED - szerves fénykibocsátó dióda
  • LED-ek jelleggörbéje
• LED-ek munkapontjának beállítása
  • LED vezérlés MSP430G2 Launchpad kártyával
  • LED vezérlés Arduino kártyával
• Felhasznált irodalom

A félvezetők fizikája

Félvezetők alatt olyan kristályos szilárd anyagokat értünk, amelyeknek fajlagos elektromos vezetése közönséges hőmérséklete kevesebb, mint a fémeké és több, mint a szigetelőké, és amelyikben a vezetést elektronok (tehát nem ionok) közvetítik.  Vannak  elemi  félvezetők, mint pl. a germánium (Ge) vagy a szilícium (Si), és félvezető vegyületek, mint pl. a gallium-arzenid (GaAs).

A félvezetőipar legfontosabb alapanyaga a Si, négy vegyértékű. Minden atom a vegyértékelektronjait négy másik atommal osztja meg (elektronpárok alakulnak ki - kovalens kötés), így alakul ki egy szimmetrikus tetraéderes szerkezet. Ez a gyémánt típusú kristályszerkezet a nagyon kemény és stabil kristályokra jellemző. Az alábbiakban egyszerűsítve, síkban ábrázolva mutatjuk be a kötésszerkezetet:

Termikus töltéshordozók

A tiszta (intrinsic) monokristályos félvezetőben minden vegyértékelektron kötött állapotban van, nincsenek szabad töltéshordozók. Ez azonban csak az abszolút nulla hőmérsékleten igaz. Ha a félvezető anyag hőmérsékletét megnöveljük, akkor a hőmozgás következtében néhány kovalens kötés felbomlik, ami a vezetőképesség megnövekedését eredményezi. A kötéséből kilépő és eltávozó elektron elektronhiányt, azaz pozitív töltésű lyukat hagy maga után. A lyuk tehát egy elektronhiányt jelent, amely betöltődhet a szomszédos atom elektronjával, így a lyuk is "vándorolhat". A hőmozgás által keltett elektron-lyuk párokat termikus töltéshordozónak nevezzük.  Ha egy termikus elektron bolyongása közben egy lyukkal találkozik, akkor rekombinálódnak. A termikus elektron-lyuk párok tehát keletkeznek és megszűnnek.

A félvezetők szennyezése

A tiszta félvezetőket önmagukban kis értékű vezetőképességük miatt a gyakorlatban csak ritkán alkalmazzuk (pl. negatív hőfoktényezőjű (NTK) ellenállásként anyagaként).

A félvezető anyag vezetőképességét más atomokkal való szennyezéssel növelhetjük. A négy vegyértékű félvezető anyagokat három vagy öt vegyértékű atomokkal szokták szennyezni, így növelve meg vezetőképességét:

•  Három vegyértékű szennyezőatomok: bór (B), alumínium (Al), indium (In), gallium (Ga)
•  Öt vegyértékű szennyezőatomok: foszfor (P), antimon (Sb), arzén (As), bizmut (Bi).

N-típusú szennyezés

Ha egy szilícium egységkristályt ötvegyértékű (pl. foszfor) atomokkal szennyezünk, akkor a foszfor atom négy elektronja kötést alakít ki a szomszédos szilícium atomok elektronjaival, míg az ötödik amelyik nem tud kötést kialakítani csak lazán kötődik atomtörzséhez, így már minimális energiaközlés hatására (szobahőmérsékletnél kisebb hőmérsékleten is) vezetési elektronná válik. Az ötvegyékértékű atomok mindegyike tehát egy szabad elektront hoz létre a kristályban anélkül, hogy pozitív töltésű lyuk keletkezne (elektron donor).  N-típusú szennyezés esetén az elektronokat többségi töltéshordozóknak, míg a (termikus hatásra létrejövő) lyukakat kisebbségi töltéshordozóknak nevezzük. Az N-típusú félvezetőkben a vezetési elektronok egy része a donor atomokból, más része a hőmozgás okán keletkezik.

P-típusú szennyezés

A félvezető anyag vezetőképességének növelése más módon, háromvegyértékű szennyezőatomok kristályba való beépítésével is létrehozható. Ilyen esetben a szennyező atom körül csak három kovalens kötés jöhet létre, a negyedik kötéshez hiányzik egy elektron. Akár már kis energia közlés esetén is megtörténhet az, hogy valamelyik közeli atom egyik elektronja erre az üres helyre beugorjon és így saját helyét hagyja betöltetlenül. Ez a lyuk egy másik elektron számára marad betölthetővé, és így a lyuk (elektronhiány) kristályban történő vándorlása máris megvalósult. Mivel a háromvegyértékű szennyező atom elektront tud befogni, elektron akceptornak nevezzük.

P-N átmenetek

P-N átmenetet egy monokristály lapkából alakítják ki úgy, hogy a lapka egyik felét p, míg a másik felét n típusú adalékanyaggal szennyezik. A p-típusú és az n-típusú tartomány közötti határfelület nevezzük p-n átmenetnek.

A 4. ábra mutatja a létrejött p-n átmenetet. A bal oldali, p típusú tartományban a lyukak, a jobb oldali, n típusú tartományban az elektronok a többségi töltéshordozók, amelyek az adott tartományban nagy koncentrációban vannak jelen.

 
A p-n átmenet kialakulásakor megkezdődik a szabad töltéshordozók diffúziós áramlása. A  p-n  átmeneten  átdiffundáló  töltéshordozók  azonban  nem  maradnak  "szabadok",  hanem  legnagyobb részük rekombinálódik az azon a részen lévő  többségi töltéshordozóval: a p-típusú részben a lyukakkal, n-típusúban az elektronokkal. A rekombinációs folyamat miatt a p-n átmenet mindkét oldalán egy szabad töltéshordozókban  szegény kiürített  réteg jön  létre. A mozgékony töltéshordozók határrétegben történő rekombinációja miatt a határréteg két oldalán töltések halmozódnak fel, amelyek akadályozzák  a további diffúziós áramlást.

A szabad töltéshordozók diffúziója során kialakuló potenciálgát (diffúziós potenciál) nagysága:

• germánium esetében 0,1-0,2 V
• szilícium esetében 0,5-0,7 V

Félvezető dióda

A félvezető dióda egyetlen p-n átmenettel rendelkező félvezető eszköz, olyan  kétpólus,  ahol  az  egyik kivezetés (az anód) egy félvezető kristály p-típusúra adalékolt oldalához, a másik kivezetés (a katód) az n-típusú oldalhoz csatlakozik. Az ohmikus (további félvezető átmenetet nem tartalmazó) kivezetésekkel ellátott p-n átmenet egyenirányító tulajdonsággal rendelkezik, diódaként viselkedik.
A dióda rajzjele: 

A dióda nemlineáris áramköri elem: a rajta átfolyó áram és a rajta eső feszültség nem egyenesen arányos.

Nyitóirányú előfeszítés

Kapcsoljunk a p-oldalra (anód) az n-oldalhoz (katód) képest pozitív U_F feszültséget! Ekkor az n rétegbe elektronok érkeznek, a p rétegből elektronok távoznak, s ennek következtében a potenciálgát csökken.

Ha a nyitófeszültség eléri a diffúziós potenciált (azaz U_F > U_D), a potenciálgát megszűnik, és nincs akadálya annak, hogy a többségi töltéshordozók átlépjék a határréteget. A diódán átfolyó áram az U_F feszültségen kívül a hőmérséklettől is függ (a termikus töltéshordozók is besegítenek)!

Záróirányú előfeszítés

Fordított polaritású U_R feszültség rákapcsolásakor U_R < U_Z esetén csak a kisebbségi töltéshordozók elhanyagolható árama folyik (a dióda praktikusan „nem vezet”), a többségi töltéshordozókat akadályozó potenciálgát megnő.

U_R ≥ U_Z esetén két effektus lép fel, amelyek miatt ugrásszerűen megnő az áram:

• Vékony határréteg esetén a nagy elektromos tér töltéshordozókat szakít  ki a kötésekből (Zener-effektus).
• A magasabb feszültség által felgyorsított kisebbségi töltéshordozók ütközés révén elektronokat szakítanak ki a kötésekből, amelyek felgyorsulva további elektronokat ütnek ki  (lavina effektus).

A diódák felhasználási területei

A diódákat sokféle célra használjuk, s eleve a felhasználási célokra optimalizálva gyártják:

• Egyenirányító dióda - A dióda talán legelterjedtebb használata az egyenirányítás, melynek során  segítségével váltakozó áramot alakítunk át egyenárammá.  Kapcsolástechnikailag az egyenirányító lehet egy- és kétutas. Az egyszerű tápegységekben túlnyomórészt négy diódából álló, ún. Graetz-kapcsolású egyenirányítást alkalmaznak. Az egyenirányítással a Tápegységek c. fejezetben foglalkozunk részletesebben.
  
• Zener dióda – A Zener-diódákat az elektronikában főként feszültségstabilizálásra, feszültséghatárolásra használják, ritkábban feszültségszint eltolására.
  
• Kapacitás dióda – A záróirányban előfeszített diódában a kiürített rétegben nincsenek szabad töltéshordozók, tehát úgy viselkedik, mint egy kondenzátor, ahol a szabad töltéshordozókat tartalmazó „fegyverzetek” távolsága a kiürített réteg szélességével, azaz a záró irányban bekapcsolt feszültség nagyságával szabályozható. Minél nagyobb a zárófeszültség, annál távolabb kerülnek egymástól a „fegyverzetek”, így annál kisebb lesz a kapacitás.A hangolható kapacitásként viselkedő varicap diódát általában feszültségvezérelt oszcillátorokban használjuk (pl. URH Rádió vagy TV tuner), de egyéb, változtatható kapacitást igénylő helyen is találkozhatunk vele.
• Alagút dióda – Mind a p, mind az n réteget sok adalékanyaggal szennyezve, speciális karakterisztikájú dióda állítható elő: nyitó irányban 50-100 mV feszültségig az áram növekszik, majd kb. 250 mV nyitófeszültségig növekvő feszültséghez csökkenő áram tartozik, 250 mV nyitófeszültség felett az áram ismét növekszik. A 100 mV...250 mV közötti szakaszban a dióda differenciális ellenállása negatív. Ezt a tulajdonságát pl. LC oszcillátorokban, a rezgőköri veszteségek kompenzálására használják fel.
• Schottky dióda – Fém-félvezető átmenetből áll, például n típusú félvezető anyagra vékony aranyréteget párologtatnak. A fém-félvezető átmenet diódaként viselkedik, kiürített réteg csak a  félvezetőben alakul ki. Nyitófeszültsége kisebb, mint a p-n átmenettel rendelkező szilícium diódáé. A fém-félvezető átmenet kapacitása kicsi, ezért a Schottky-dióda nagyfrekvencián is jól használható. Kapcsolóüzemű tápegységekben használják egyenirányításra és minden olyan helyen, ahol nagyon gyors működésre, illetve alacsony nyitófeszültségre van szükség.
• Fénykibocsátó dióda (LED) - jelzőfényként, kijelzőként, fényforrásként.
  

Fénykibocsátó dióda (LED)

A mindennapi életben a diódák közül leghamarabb és leggyakrabban a fénykibocsátó típusokkal találkozunk, hiszen mindenütt megtaláljuk: az autók műszerfalán, sok bolti pénztárgép kijelzőjén, a kis boltok fényreklámjain, világító kulcstartón,  vagy a Samsung telefonok AMOLED kijelzőjén. A fénykibocsátó dióda (Light Emitting Diode, LED) működésének alapja az, hogy a nyitó irányban előfeszített p-n átmenetben az n rétegből szabad elektronok haladnak a p rétegbe, ahol rekombinálódnak az ott többségi töltéshordozó lyukakkal. Hasonló módon a p rétegből lyukak haladnak át a határrétegen keresztül az n rétegbe, ahol az ott többségi töltéshordozó elektronokkal rekombinálódnak. A rekombinációkor felszabaduló energia  kisugárzódik. A rekombinációknak körülbelül az 1%-a jár foton kibocsátással, míg a többi hőtermeléssel. Régen a legnagyobb hatásfokkal az infravörös fénydióda rendelkezett (1-5%), a többinél ez 0,05% alatt volt, ám a mai LED-ek már elérik a 20%-os hatásfokot is (nagy fényerejű LED). A LED által kisugárzott fény monokromatikus, de nem koherens. A kicsit eltérő szerkezetű (P-I-N dióda) és -elvű (indukált emisszió) lézer diódák fénye azonban koherens.

A keletkező fény színe (hullámhossza) az alapanyagtól, és a megfelelő arányban ötvözött adalékanyagoktól (pl. foszfor) függ. Jelenleg a vörös, zöld, sárga, narancs, kék színek különféle árnyalataiban, illetve fehér fényű fényemittáló diódákat gyártanak. A látható tartományon kívüli fényre (pl. infravörös, vagy lágy UV sugárzás) is készítenek LED-et.

1. táblázat: Különböző színű fénykibocsátó diódák jellemző adatai

Anyag	Szín	Hullámhossz
Gallium-arzenid (GaAs)	infravörös	940 nm
Gallium-alumínium-arzenid (AlGaAs)	vörös és infravörös	890 nm
Gallium-arzenid-foszfid (GaAsP)	vörös, narancs és sárga	630 nm
Gallium-foszfid (GaP)	zöld	555 nm
Gallium-nitrid (GaN)	zöld	525 nm
Cink-szelenid (ZnSe)	kék	~500 nm
Szilícium-karbid (SiC)	kék	480 nm
Indium-gallium-nitrid (InGaN)	kék	450 nm
Gyémánt (C)	ultraibolya	400 nm

A világításra használt fehér színű diódák félvezetője leggyakrabban szintén InGaN, mely kék vagy kék közeli UV fényt bocsát ki. A félvezetőt azonban különböző fluoreszkáló anyagokkal vonják be, amely a kék fény hatására zöldessárga fénnyel világít. Így összetett fénnyel világító eszközt kapunk, melynek színét az emberi szem fehérként érzékeli.

A kereskedelmi forgalomban kapható egyedi diódák teljesítménye ma már eléri a 100 wattos nagyságrendet, fényhasznosításuk pedig meghaladja a 100 lm/W értéket. Megfelelő áramgenerátoros táplálás esetén ez az egyik legkedvezőbb érték a világítástechnikában.

OLED - szerves fénykibocsátó dióda

A fénykibocsátó diódák egy külön csoportját alkotják az OLED eszközök. OLED-nek (Organic Light-Emitting Diode, magyarul: szerves fénykibocsátó dióda) nevezzük az olyan LED-eket, ahol a fénykibocsátásért felelős elektrolumineszcens réteg szerves vegyület, ami elektromos áram hatására világít. Ez a réteg szerves félvezető anyagból készül, és két elektróda között helyezkedik el. Általában a fény kijutása érdekében az egyik elektróda átlátszó.

Az OLED-eket két családba soroljuk: a kis molekulákat és a polimert használókba. Ezen kívül megkülönböztetünk passzív mátrixú (PMOLED) és aktív mátrixú (AMOLED) képpontvezérlést. Utóbbiban egy vékony tranzisztor-film (TFT) hátlapot alkalmaznak az egyes képpontok ki-be kapcsolásához, és így nagyobb felbontás és kijelzőméret érhető el. Az OLED kijelzők – a hagyományos folyadékkristályosokkal ellentétben (LCD) – háttérvilágítás nélkül működnek. Ennek előnye, hogy a fekete színt kisebb fényerővel, tehát nagyobb kontraszttal tudják megjeleníteni, valamint vékonyabbak és könnyebbek is lehetnek a hagyományos, folyadékkristályos kijelzőknél. Hátrányuk viszont, hogy a felhasznált anyagok gyenge hővezetése miatt kisebb fényerősség érhető el velük. OLED-ekkel egyre több alkalmazási területen találkozhatunk: használjuk őket televíziókban, monitorokban, kis, hordozható eszközök (mobiltelefonok, PDA-k, karórák) kijelzőjeként is. Sőt, újabban nagy felületen, például épületekben is, világításra.

LED-ek jelleggörbéje

A LED-ek jelleggörbéje hasonlít az általános célú diódákéra, de a nyitófeszültség jóval nagyobb, a LED színétől (anyagától) függően. Az elsődleges cél a tiszta szín biztosítása és minél jobb hatásfok elérése  (a kibocsátott fényenergia és a betáplált elektromos energia hányadosa).

Általában a vörös LED nyitófeszültsége kisebb, mint a zöld LED nyitófeszültsége, s a kék, illetve "fehér" LED nyitófeszültsége a a legmagasabb.

A gyengébb minőségű LED-eknél gyorsabb az öregedési folyamat: a fényerő  erőteljesen csökken az idő múltával. Ez nem feltétlenül a félvezető hibája, oka lehet a polimer alapú  fényáteresztő ablak öregedése is… 

A gyártók/kereskedők sokszor csak táblázatos formában adják meg a főbb paramétereket, egy tipikus munkapontra vonatkozóan. Az alábbi táblázatban például az I_f = 20 mA névleges nyitóáramra vonatkozó adatok  szerepelnek.                 


2. táblázat: Különböző színű LED-ek jellemző paraméterei

LED-ek munkapontjának beállítása

LED működtetésének megtervezésekor a legfontosabb feladat a munkapont beállítása és az átfolyó áram korlátozása. A munkapont meghatározása azt jelenti, hogy eldöntjük, hogy mekkora árammal akarjuk járatni az adott LED-et, például 20  mA nyitóirányú árammal. Ekkor, ha a 20 mA-es osztás magasságában az x-tengellyel párhuzamost húzunk a  LED jelleggörbéjén, az kijelöl azon egy pontot. Ezt a pontot nevezzük a kiválasztott munkapontnak.  Ha a munkapontból kiindulva merőlegest állítunk az x-tengelyre, leolvashatjuk a munkaponthoz tartozó nyitófeszültséget.

A legtöbb esetben feszültségforrással tápláljuk a LED-et. Ilyen feszültségforrásnak tekinthető a kísérleteinkhez használt 9 V-os elem, egy logikai kapu kimenete, vagy egy mikrovezérlő digitális I/O kivezetése is. Hogyan állíthatjuk be ezekben az esetekben a munkapontot, s hogyan korlátozhatjuk a LED-en átfolyó áramot? Kisteljesítményű LED-ek esetén (pl. jelzőfény) legegyszerűbben egy soros ellenállással oldhatjuk ezt meg. A betáplált feszültség és a LED munkaponti nyitófeszültségének különbsége ekkor a soros ellenálláson esik. A méretezés ezért egyszerűen, Ohm törvénye felhasználásával végezhető. Az alábbiakban két egyszerű esetet mutatunk be:

LED vezérlés MSP430G2 Launchpad kártyával

Az elmúlt évek során sokat foglalkoztunk a Texas Instruments MSP430G2 Launchpad kártyával és az MSP430G2553 mikrovezérlővel. Ha ezzel a mikrovezérlővel közvetlenül akarunk LED-et kapcsolgatni, akkor az alábbiakra kell ügyelnünk:

• A mikrovezérlő U_t tápfeszültsége 3,5 V, így a digitális kimenetek feszültsége legfeljebb ekkora lesz.
• A mikrovezérlő kimeneteiről legfeljebb 4 mA áram vehető ki, így közvetlen meghajtás esetén ekkora I_f nyitóirányú áram folyhat a LED-en.

Mekkora értékű áramkorlátozó ellenállást kell sorbakötnünk egy vörös, illetve egy zöld LED esetén?

Az R áramkorlátozó ellenállást úgy kell megválasztani, hogy  a munkaponti áram hatására U_t – U_f  feszültség essen rajta. Egy tipikus vörös LED U_f nyitófeszültsége  4 mA áramnál 1,6 V körüli értéknek vehető. Ohm törvénye alapján:

Tehát vörös LED esetén egy 470 Ω-os soros ellenállás szükséges a munkapont beállításához.

Egy tipikus zöld LED U_f nyitófeszültsége  4 mA áramnál kb. 2,6 V-nak vehető. Ohm törvénye alapján:

Zöld LED meghajtása esetén tehát egy 220 Ω-os (ez fentihez legközelebb eső szabványos érték) soros ellenállás szükséges a munkapont beállításához.

A fentiek alapján már könnyen érthető, hogy az MSP430G2 Launchpad kártyára ráépített LED-eknél miért találunk kétféle ellenállás értéket! Azért, mert a piros és a zöld LED nyitófeszültsége különböző.

Megjegyzés: Az, hogy a Launchpad kártyán nem 220 Ω, hanem 270 Ω van a zöld LED-del sorba kötve, azt jelenti, hogy a kártyára épített zöld LED nyitófeszültsége valamivel kisebb a fenti példában szereplő értéknél (kb. 2,4 V a példánkban szereplő 2.6 V helyett).

LED vezérlés Arduino kártyával

Egy másik méretezési példát is bemutatunk: LED vezérlése Arduino kártyával (azaz ATmega328P mikrovezérlővel).

• A mikrovezérlő U_t tápfeszültsége 5 V, így a digitális kimenetek feszültsége legfeljebb ekkora lesz.
• A mikrovezérlő kimeneteiről akár 20 mA áram is kivehető, így közvetlen meghajtás esetén legfeljebb ekkora I_f nyitóirányú áram folyhat a LED-en.

Mekkora értékű áramkorlátozó ellenállást kell sorbakötnünk egy vörös, illetve egy zöld LED esetén?

Az R áramkorlátozó ellenállást úgy kell megválasztani, hogy  a munkaponti áram hatására U_t – U_f  feszültség essen rajta. A vörös LED U_f nyitófeszültsége  20 mA áramnál kb. 2 V-nak vehető. Ohm törvénye alapján:

Tehát vörös LED esetén egy 150 Ω-os soros ellenállás szükséges a munkapont beállításához.

A zöld LED U_f nyitófeszültsége  20 mA áramnál kb. 3 V-nak vehető. Ohm törvénye alapján:

Zöld LED meghajtása esetén tehát egy 100 Ω-os soros ellenállás szükséges a munkapont beállításához.

Felhasznált irodalom:

• Sulinet - Tudásbázis: Félvezető diódak
• hamWiki: A dióda működése
• Wikipedia: Világító dióda (LED)
• Wikipedia: OLED (szerves fénykibocsátó dióda)
  
• LED Diszkont: Mindent a LED világáról
• Dr. Veres György: Röviden és tömören a LED-ekről
• U. Tietze – Ch. Schenk: Analóg és digitális áramkörök