Polovodičová dioda se široce používá v elektrotechnice a elektronice. Díky své nízké ceně a dobrému poměru výkonu k velikosti rychle nahradil vakuová zařízení s podobným použitím.
Obsah
Konstrukce a fungování polovodičové diody
Polovodičová dioda se skládá ze dvou oblastí (vrstev) vyrobených z polovodiče (křemíku, germania atd.). Jedna oblast má přebytek volných elektronů (n-polovodič) a druhá jich má nedostatek (p-polovodič) - toho se dosáhne dopováním základního materiálu. Mezi nimi se nachází malá zóna, v níž přebytek volných elektronů z pólu n "překrývá" díry z pólu p (rekombinace difuzí) a v této oblasti nejsou žádné volné nosiče náboje. Při stejnosměrném napětí je oblast rekombinace malá, její odpor je nízký a dioda vede proud tímto směrem. Při přivedení zpětného napětí se zvětší zóna bez nosiče a zvýší se odpor diody. Tímto směrem nepoteče žádný proud.
Typy, klasifikace a grafika v elektrických obvodech
Obecně se dioda na schématu označuje stylizovanou šipkou udávající směr proudu. Konvenční grafické znázornění (CSR) zařízení obsahuje dvě svorky - anoda a katodaDvoupólové polovodiče jsou připojeny v přímém spojení k plusové a minusové straně obvodu.
Existuje mnoho variant tohoto dvoupólového polovodičového zařízení, které mohou mít v závislosti na svém účelu mírně odlišnou CSD.
Stabilitrony (Zenerovy diody)
Stabilitron je polovodičové zařízení.Pracuje se zpětným napětím v oblasti lavinového průrazu. V této oblasti je napětí na Zenerově diodě stabilní v širokém rozsahu průtoku proudu zařízením. Tato vlastnost slouží ke stabilizaci napětí v zátěži.
Stabilizátory
Stabilitrony dobře stabilizují napětí od 2 V výše. K dosažení konstantního napětí pod touto hranicí se používají stabilizátory. Dopováním materiálu, z něhož jsou tato zařízení vyrobena (křemík, selen), se dosáhne co největší vertikality přímky charakteristiky. V tomto režimu pracují stabilizátory, které vytvářejí referenční napětí mezi 0,5 V a 2 V na přímkové větvi voltampérové charakteristiky při přímém napětí.
Schottkyho diody
Schottkyho diody jsou založeny na zapojení polovodič-kov a nemají společný přechod. To poskytuje dvě důležité vlastnosti:
- Snížený úbytek napětí v přímém směru (přibližně 0,2 V);
- Vyšší pracovní frekvence díky nižší vlastní kapacitě.
Nevýhodou jsou vyšší zpětné proudy a nižší tolerance vůči zpětnému napětí.
Varicaps .
Každá dioda má elektrickou kapacitu. Dva objemové náboje (p a n polovodičová oblast) slouží jako pláště kondenzátoru a dielektrikum je blokovací vrstva. Při přivedení zpětného napětí se tato vrstva rozšíří a kapacita se sníží. Tato vlastnost je vlastní všem diodám, ale u varikapů je kapacita normalizovaná a známá při daných mezních hodnotách napětí. To umožňuje používat zařízení, jako jsou kondenzátory s proměnnou kapacitou a používají se k ladění nebo dolaďování obvodů dodáváním různých úrovní zpětného napětí.
Tunelové diody
Tato zařízení mají v dopředné části charakteristiky výchylku, při níž zvýšení napětí způsobuje pokles proudu. Diferenciální odpor je v této oblasti záporný. Tato vlastnost umožňuje použití tunelových diod jako zesilovačů slabých signálů a oscilátorů na frekvencích nad 30 GHz.
Dynistory
Diodové tyristory - Diodové tyristory mají strukturu p-n-p-n, mají průběh ve tvaru písmene S a nevedou proud, dokud přiložené napětí nedosáhne prahové úrovně. Poté se otevře a chová se jako normální dioda, dokud proud neklesne pod úroveň udržování. Dinistory se používají ve výkonové elektronice jako spínače.
Fotodiody
Fotodioda je umístěna v krytu, do kterého dopadá viditelné světlo. Když je p-n přechod ozářen, vzniká v něm EMP. Díky tomu lze fotodiodu použít jako zdroj proudu (jako součást solárního článku) nebo jako světelný senzor.
LED diody .
Základní vlastností fotodiody je, že může vyzařovat světlo, když p-n přechodem protéká proud. Tento svit není závislý na intenzitě tepla jako u žárovky, takže zařízení je úsporné. Někdy se používá přímá záře ze spoje, ale častěji se používá jako iniciátor k zapálení luminoforu. To umožnilo dříve nedosažitelné barvy LED, jako je modrá a bílá.
Gunnovy diody
Ačkoli má Gannova dioda obvyklý symbol, nejedná se o diodu v plném slova smyslu. Je to proto, že nemá p-n přechod. Toto zařízení se skládá z destičky arsenidu galia na kovovém substrátu.
Aniž bychom zacházeli do složitých procesů: když se na zařízení přiloží elektrické pole určité velikosti, vznikají elektrické oscilace, jejichž perioda závisí na velikosti polovodičové destičky (v určitých mezích však lze frekvenci korigovat vnějšími prvky).
Ganovy diody se používají jako oscilátory při frekvencích 1 GHz a vyšších. Výhodou zařízení je vysoká frekvenční stabilita, nevýhodou malá amplituda elektrických kmitů.
Magnetodiody
Běžné diody jsou slabě ovlivňovány vnějšími magnetickými poli. Magnetodiody jsou speciálně navrženy tak, aby se zvýšila jejich citlivost. Jsou vyrobeny technologií p-i-n s rozšířenou základnou. Vlivem magnetického pole se zvyšuje dopředný odpor zařízení, čehož lze využít k vytvoření bezkontaktních spínačů, měničů magnetického pole apod.
Laserové diody
Princip činnosti laserové diody je založen na vlastnosti páru elektron-díra vyzařovat za určitých podmínek při rekombinaci monochromatické a koherentní viditelné světlo. Způsoby vytvoření těchto podmínek jsou různé a uživatel musí znát pouze vlnovou délku vyzařovanou diodou a její výkon.
Lavinové spínací diody
Tato zařízení se používají v mikrovlnném průmyslu. Za určitých podmínek vede lavinový průrazný režim k záporné oblasti diferenciálního odporu na charakteristice diody. Tato vlastnost LPD umožňuje jejich použití jako generátorů pracujících na vlnových délkách až do milimetrového rozsahu. Tam je možné dosáhnout výkonu alespoň 1 W. Při nižších frekvencích tyto diody produkují až několik kilowattů.
PIN diody .
Tyto diody jsou vyráběny technologií p-i-n. Mezi dopovanými vrstvami polovodičů se nachází vrstva nedopovaného materiálu. Z tohoto důvodu se zhoršují usměrňovací vlastnosti diody (rekombinace se při zpětném napětí snižuje v důsledku absence přímého kontaktu mezi p- a n- zónou). Na druhou stranu je díky odstupu oblastí objemového náboje parazitní kapacita velmi malá, únik signálu při vysokých frekvencích je v uzavřeném stavu prakticky eliminován a vývodové diody lze použít na KV a UHF jako spínací prvky.
Hlavní charakteristiky a parametry diod
Hlavní charakteristiky polovodičových diod (s výjimkou speciálních) jsou tyto.
- maximální přípustné zpětné napětí (stejnosměrné a pulzní)
- omezit provozní frekvenci;
- úbytek napětí v přímém směru;
- rozsah provozních teplot.
Další důležité charakteristiky lépe ilustruje I-V křivka diody.
Voltampérová charakteristika polovodičové diody
Voltampérová charakteristika polovodičové diody se skládá z přímé a zpětné větve. Nacházejí se v kvadrantech I a III, protože směr proudu a napětí procházejícího diodou se vždy shoduje. Z voltampérové charakteristiky je možné určit některé parametry a také vizuálně vidět, jaký vliv mají vlastnosti zařízení.
Prahové napětí vodivosti
Pokud na diodu přivedeme stejnosměrné napětí a začneme ho zvyšovat, zpočátku se nic nestane - proud se nezvýší. Při určité hodnotě se však dioda otevře a proud se zvýší v závislosti na napětí. Toto napětí se nazývá prahové napětí vodivosti a na VAC je označeno jako U-prah. Záleží na materiálu, ze kterého je dioda vyrobena. Pro nejběžnější polovodiče je tento parametr:
- křemík - 0,6-0,8 V;
- germanium - 0,2-0,3 V;
- Arsenid galia - 1,5 V.
Vlastnost germaniových polovodičů otevírat se při nízkém napětí se využívá v obvodech nízkého napětí a v dalších situacích.
Maximální proud procházející diodou při přímém napájení
Po otevření diody její proud roste s rostoucím dopředným napětím. U ideální diody tento graf směřuje do nekonečna. V praxi je omezena schopností polovodiče odvádět teplo. Pokud je dosaženo určité hranice, dioda se přehřeje a selže. Aby se tomu zabránilo, uvádějí výrobci na CVC nejvyšší povolený proud (Imax). To lze přibližně určit podle velikosti diody a jejího pouzdra. V sestupném pořadí:
- Zařízení s kovovým pouzdrem udrží nejvyšší proud;
- Plastové skříně jsou určeny pro střední výkon;
- Skleněné zapouzdřené diody se používají v nízkoproudých obvodech.
Kovové spotřebiče lze namontovat na radiátory - tím se zvýší jejich rozptylová kapacita.
Zpětný svodový proud
Pokud je na diodu přivedeno zpětné napětí, nízkocitlivý ampérmetr nic neukáže. Ve skutečnosti pouze dokonalá dioda nepropouští žádný proud. Skutečné zařízení bude mít proud, který je však velmi malý a nazývá se zpětný svodový proud (na křivce Iobr). Jedná se o desítky mikroampérů nebo desetiny miliampérů a je mnohem menší než přímý proud. Lze ji určit podle referenční knihy.
Rozložení napětí
Při určité hodnotě zpětného napětí dochází k rychlému nárůstu proudu, který se nazývá průraz. Jedná se o tunelový nebo lavinový typ, který je vratný. Tento provozní režim se používá ke stabilizaci napětí (lavinový režim) nebo ke generování impulzů (tunelový režim). Při dalším zvyšování napětí dochází k tepelnému průrazu. Tento režim je nevratný a dioda selže.
Parazitní kapacita přechodu pn
Již bylo zmíněno, že p-n přechod má elektrická kapacita. Zatímco u varikapů je tato vlastnost užitečná a využívaná, u běžných diod může být na škodu. Ačkoli kapacita je v řádu jednotek nebo desítky pF a nemusí být patrný při stejnosměrném proudu nebo nízkých frekvencích, jeho vliv se zvyšuje s rostoucí frekvencí. Několik pikofaradů na VF vytvoří dostatečně nízký odpor pro parazitní únik signálu, přidá se ke stávající kapacitě a změní parametry obvodu a v kombinaci s indukčností vedení nebo tištěného vodiče vytvoří obvod s parazitní rezonancí. Proto se při výrobě vysokofrekvenčních zařízení přijímají opatření ke snížení kapacity spoje.
Označování diod
Nejjednodušší metodou značení diod je použití kovového pouzdra. Ve většině případů jsou označeny označením zařízení a přiřazením pinů. Diody v plastových pouzdrech jsou označeny kroužkovou značkou na straně katody. Neexistuje však záruka, že výrobce toto pravidlo striktně dodržuje, proto je lepší nahlédnout do referenční knihy. Ještě lépe je otestovat zařízení pomocí multimetru.
Domácí stabilitrony s nízkou spotřebou energie a některá další zařízení mohou mít na protilehlých stranách pouzdra dva kroužky nebo tečky různých barev. Chcete-li určit typ takové diody a její vývod, musíte si pořídit referenční knihu nebo najít online identifikátor značení na internetu.
Aplikace diod
Přes svou jednoduchou konstrukci mají polovodičové diody v elektronice široké uplatnění:
- K nápravě Střídavé napětí. Klasika žánru - využití vlastnosti p-n přechodu k vedení proudu jedním směrem.
- Diodové detektory. Využívá nelinearitu tvaru vlny k tomu, aby bylo možné ze signálu extrahovat harmonické složky, z nichž lze filtry zachytit požadované harmonické složky.
- Dvě diody spínané protiběžně slouží jako omezovač vysoce výkonných signálů, které by mohly přetížit navazující vstupní stupně citlivých rádiových přijímačů.
- Stabilitrony mohou být zařazeny jako prvky jiskrové ochrany, aby se zabránilo pronikání vysokonapěťových impulsů do obvodů snímačů instalovaných v nebezpečných prostorech.
- Diody mohou sloužit jako spínací zařízení ve vysokofrekvenčních obvodech. Otevírají se stejnosměrným napětím a propouštějí (nebo nepropouštějí) vf signál.
- Parametrické diody slouží jako zesilovače slabých signálů v mikrovlnném rozsahu díky přítomnosti záporně impedančního úseku v přímce charakteristiky.
- Diody se používají ke konstrukci směšovačů, které pracují ve vysílacích nebo přijímacích zařízeních. Smíchají se heterodynní signál s vysokofrekvenčním (nebo nízkofrekvenčním) signálem pro další zpracování. Tím se také využívá nelinearita převodníku IAC.
- Nelineární charakteristika umožňuje použití UHF diod jako násobičů frekvence. Když signál prochází násobicí diodou, dochází k extrakci vyšších harmonických. Ty lze dále izolovat filtrováním.
- Diody se používají jako ladicí prvky v rezonančních obvodech. Využívá se tak řízená kapacita na p-n přechodu.
- Některé druhy diod se používají jako oscilátory v mikrovlnném rozsahu. Jedná se především o tunelové diody a zařízení s Gannovým jevem.
Toto je pouze stručný popis možností polovodičových zařízení se dvěma vývody. Při důkladném studiu vlastností a charakteristik lze diody využít k řešení mnoha problémů, které stojí před konstruktéry elektronických zařízení.
Související články:
