Faststofdioder anvendes i vid udstrækning inden for elektroteknik og elektronik. Med sin lave pris og gode effekt/størrelsesforhold har den hurtigt erstattet vakuumapparater med lignende anvendelsesformål.
Indhold
Konstruktion og drift af en halvlederdiode
En halvlederdiode består af to områder (lag) af en halvleder (silicium, germanium osv.). Et område har et overskud af frie elektroner (n-halvleder), og et område har et underskud (p-halvleder) - dette opnås ved at dotere grundmaterialet. Derimellem er der en lille zone, hvor et overskud af frie elektroner fra n-polen "dækker" hullerne fra p-p-polen (rekombination ved diffusion), og der er ingen frie ladningsbærere i dette område. Når der påføres en jævnspænding, er rekombinationsområdet lille, dets modstand er lav, og dioden fører strøm i den retning. Når der påføres en omvendt spænding, øges den bæringsfri zone, og diodens modstand øges. Der vil ikke løbe strøm i denne retning.
Typer, klassifikation og grafik i elektriske kredsløb
Generelt er en diode angivet i et diagram med en stiliseret pil, der angiver strømretningen. En konventionel grafisk repræsentation (CSR) af en enhed indeholder to terminaler - anode og katodeDe topolede halvledere er forbundet i direkte forbindelse med henholdsvis plus- og minussiden af kredsløbet.
Der findes mange forskellige varianter af denne topolede halvlederanordning, som kan have en lidt forskellig CSD afhængigt af deres formål.
Stabilitroner (Zenerdioder)
En stabilitron er en halvlederanordningDen fungerer med omvendt spænding i lavinedennedbrydningsområdet. I dette område er spændingen over en Zener-diode stabil over et bredt område af strømmen gennem enheden. Denne egenskab bruges til at stabilisere spændingen over belastningen.
Stabilisatorer
Stabilitroner er gode til at stabilisere spændinger fra 2V og derover. For at opnå en konstant spænding under denne grænse anvendes der stabilisatorer. Ved at dotere det materiale, som disse anordninger er fremstillet af (silicium, selen), opnås den størst mulige vertikalitet af karakteristikkens lige linje. Dette er den tilstand, som stabilisatorerne fungerer i, idet de producerer en referencespænding på mellem 0,5 V og 2 V på den fremadrettede gren af volt-ampere-karakteristikken ved fremadrettet spænding.
Schottky dioder
Schottky-dioder er baseret på et halvleder-metal-kredsløb og har ikke en fælles samlingspunkt. Dette giver to vigtige egenskaber:
- Reduceret spændingsfald i fremadrettet retning (ca. 0,2 V);
- Højere driftsfrekvenser på grund af lavere egenkapacitans.
Ulemperne er højere omvendte strømme og lavere tolerance over for omvendt spænding.
Varicaps .
Hver diode har en elektrisk kapacitet. De to bulkladninger (p- og n-halvlederområderne) fungerer som kondensatorens skaller, og dielektricummet er det lukkende lag. Når der påføres en omvendt spænding, udvider dette lag sig, og kapacitansen falder. Denne egenskab er iboende for alle dioder, men med varicaps er kapacitansen normaliseret og kendt ved bestemte spændingsgrænser. Dette gør det muligt at anvende f.eks. kondensatorer med variabel kapacitet og bruges til at afstemme eller finjustere kredsløb ved at tilføre forskellige niveauer af omvendt spænding.
Tunneldioder
Disse enheder har en afbøjning i den fremadrettede del af karakteristikken, hvor en stigning i spændingen medfører et fald i strømmen. Differentialmodstanden er negativ i dette område. Denne egenskab gør det muligt at anvende tunneldioder som forstærkere til svage signaler og som oscillatorer ved frekvenser over 30 GHz.
Dynistorer
Diode-thyristorer - Diode-thyristorer har en p-n-p-n-struktur og har en S-formet bølgeform og leder ikke strøm, før den påførte spænding når et tærskelniveau. Derefter åbner den og opfører sig som en normal diode, indtil strømmen falder under hold-niveauet. Dinistorer anvendes i effektelektronik som afbrydere.
Fotodioder
En fotodiode er fremstillet i et hus, hvor synligt lys når krystallen. Når p-n-forbindelsen bestråles, genereres der en EMF i den. Dette gør det muligt at bruge fotodioden som strømkilde (som en del af en solcelle) eller som lyssensor.
Lysdioder .
Den grundlæggende egenskab ved en fotodiode er, at den kan udsende lys, når en strøm løber gennem et p-n-forbindelsespunkt. Denne glød er ikke kombineret med varmeintensiteten fra en glødepære, så apparatet er økonomisk. Nogle gange bruges den direkte glød fra krydset, men oftere bruges den som en initiator til at antænde fosforen. Dette har gjort det muligt at opnå tidligere uopnåelige LED-farver som f.eks. blå og hvid.
Gunn-dioder
Selv om en Gann-diode har det sædvanlige symbol, er det ikke en diode i ordets fulde betydning. Det skyldes, at den ikke har en p-n-forbindelse. Denne enhed består af en galliumarsenidskive på et metalsubstrat.
Uden at gå ind i de indviklede processer: Når et elektrisk felt af en vis størrelse påføres en enhed, opstår der elektriske svingninger, hvis periode afhænger af størrelsen af halvlederpladen (men inden for visse grænser kan frekvensen korrigeres af eksterne elementer).
Gann-dioder anvendes som oscillatorer ved frekvenser på 1 GHz og derover. Fordelen ved enheden er den høje frekvensstabilitet, ulempen er den lille amplitude af de elektriske svingninger.
Magnetodioder
Konventionelle dioder påvirkes kun svagt af eksterne magnetfelter. Magnetodioderne er specielt designet til at øge deres følsomhed. De er fremstillet ved hjælp af p-i-n-teknologi med en forlænget base. Under påvirkning af et magnetfelt øges enhedens fremadrettede modstand, og dette kan bruges til at skabe nærhedsafbrydere, magnetfeltkonvertere og lignende.
Laserdioder
Laserdiodens funktionsprincip er baseret på elektron-hul-parrets egenskab til at udsende monokromatisk og sammenhængende synligt lys under visse betingelser under rekombination. Der findes forskellige måder at skabe disse betingelser på, og brugeren behøver kun at kende den bølgelængde, der udsendes af dioden, og dens effekt.
Avalanche-spændingsdioder
Disse enheder anvendes i mikrobølgeindustrien. Under visse betingelser resulterer en lavine nedbrydningstilstand i et område med negativ differentialmodstand på diodens karakteristik. Denne egenskab ved LPD'er gør det muligt at anvende dem som generatorer, der fungerer ved bølgelængder op til millimeterområdet. Her er det muligt at opnå en effekt på mindst 1 W. Ved lavere frekvenser kan disse dioder producere op til flere kilowatt.
PIN-dioder .
Disse dioder er fremstillet ved hjælp af p-i-n-teknologi. Mellem de doterede lag af halvledere er der et lag af ikke-doteret materiale. Derfor forringes diodens ensretteregenskaber (rekombinationen reduceres ved omvendt spænding på grund af den manglende direkte kontakt mellem p- og n-zonerne). På den anden side bliver den parasitære kapacitet meget lille på grund af afstanden mellem bulk-ladningsområderne, signallækage ved høje frekvenser er praktisk taget elimineret i lukket tilstand, og pin-dioder kan anvendes ved HF og UHF som koblingselementer.
Hovedegenskaber og parametre for dioder
De vigtigste egenskaber ved halvlederdioder (bortset fra dioder til særlige formål) er
- maksimalt tilladte omvendte spænding (DC og puls)
- begrænse driftsfrekvensen;
- spændingsfald i fremadrettet retning;
- driftstemperaturområde.
De andre vigtige egenskaber illustreres bedre ved hjælp af diodens I-V-kurve.
Volt-ampere-karakteristik for en halvlederdiode
Volt-ampere-karakteristikken for en halvlederdiode består af en fremadrettet gren og en omvendt gren. De er placeret i kvadrant I og III, da strøm- og spændingsretningen gennem dioden altid er sammenfaldende. Ud fra volt-ampere-karakteristikken er det muligt at bestemme nogle parametre og også visuelt at se, hvad enhedens egenskaber påvirker.
Tærskelspænding for ledningsevne
Hvis en jævnspænding påføres en diode og begynder at øge den, sker der først intet - strømmen stiger ikke. Men ved en vis værdi åbner dioden, og strømmen stiger i takt med spændingen. Denne spænding kaldes ledningsevne-tærskelspændingen og er markeret på VAC'en som U-tærskel. Det afhænger af det materiale, som dioden er fremstillet af. For de mest almindelige halvledere er denne parameter:
- silicium - 0,6-0,8 V;
- germanium - 0,2-0,3 V;
- Galliumarsenid - 1,5 V.
Germaniumhalvlederes egenskab til at åbne ved lav spænding anvendes i lavspændingskredsløb og andre situationer.
Maksimal strøm gennem en diode, når den er direkte aktiveret
Når en diode er åbnet, stiger dens strøm med stigende fremadrettet spænding. For en ideel diode går denne graf til uendelighed. I praksis er den begrænset af halvlederens evne til at aflede varme. Hvis en vis grænse er nået, overopheder dioden og svigter. For at undgå dette angiver fabrikanterne den højeste tilladte strøm (Imax på CVC'en). Dette kan tilnærmes ved hjælp af diodens størrelse og dens kabinet. I faldende rækkefølge:
- Metalindkapslede enheder har den højeste strømstyrke;
- Plastkabinetter er beregnet til middelstor effekt;
- Glasindkapslede dioder anvendes i kredsløb med lav strømstyrke.
Metalapparater kan monteres på radiatorer - dette vil øge dissipationskapaciteten.
Omvendt lækstrøm
Hvis en diode påføres omvendt spænding, viser et amperemeter med lav følsomhed intet. Faktisk er det kun en perfekt diode, der ikke lækker nogen strøm. En rigtig enhed vil have strøm, men den er meget lille og kaldes omvendt lækstrøm (på bølgeformen Iobr). Den er på tiendedele af mikroampere eller tiendedele af milliampere og er meget mindre end den fremadrettede strøm. Det kan bestemmes ved hjælp af en referencebog.
Nedbrydning af spænding
Ved en vis værdi af den omvendte spænding sker der en hurtig stigning i strømmen, som kaldes nedbrydning. Der er tale om tunnel- eller lavineformet og er reversibel. Denne driftsform bruges til at stabilisere spændingen (lavinetilstand) eller til at generere impulser (tunnelling-tilstand). Når spændingen øges yderligere, bliver nedbrydningen termisk. Denne tilstand er irreversibel, og dioden svigter.
Parasitær kapacitet i pn-forbindelsen
Det er allerede blevet nævnt, at et p-n-forbindelsesled har elektrisk kapacitans. Og mens denne egenskab er nyttig og anvendelig i varicaps, kan den være skadelig i konventionelle dioder. Selv om kapacitansen er i størrelsesordenen enheder eller tiendedele af pF og er måske ikke mærkbar ved jævnstrøm eller lave frekvenser, men dens virkning øges, når frekvensen stiger. Et par picofarads ved RF vil skabe en tilstrækkelig lav modstand til parasitær signallækage, føje til den eksisterende kapacitet og ændre kredsløbsparametrene og kombinere med induktansen af en ledning eller en trykt leder for at danne et kredsløb med parasitær resonans. Derfor træffes der foranstaltninger ved fremstillingen af højfrekvente enheder for at reducere forbindelseskapacitansen.
Mærkning af dioder
Den enkleste metode til mærkning af dioder er at bruge et metalhus. I de fleste tilfælde er de mærket med enhedens betegnelse og pin-belægning. Dioder i plastkabinetter er markeret med et ringmærke på katodens side. Men der er ingen garanti for, at producenten nøje følger denne regel, så det er bedre at konsultere en referencebog. Endnu bedre er det at bruge et multimeter til at teste enheden.
Indenlandske lavenergistabilitroner og nogle andre enheder kan have to ringe eller prikker i forskellige farver på modsatte sider af huset. For at bestemme typen af en sådan diode og dens pin skal du hente en referencebog eller finde en online-mærkningsidentifikator på internettet.
Anvendelsesområder for dioder
På trods af deres enkle konstruktion er halvlederdioder meget udbredte i elektronikken:
- Til berigtigelse AC-spænding. En klassiker inden for genren - den bruger p-n-forbindelsen til at lede strømmen i én retning.
- Diode detektorer. Dette udnytter bølgeformens ikke-linearitet til at udtrække overtoner fra signalet, hvoraf de ønskede overtoner kan opfanges af filtre.
- To dioder, der er koblet modparallelt, tjener som en begrænser for højeffektsignaler, som kan overbelaste de efterfølgende indgangstrin i følsomme radiomodtagere.
- Stabilitroner kan indgå som gnistbeskyttelseselementer for at forhindre, at højspændingsimpulser når sensorkredsene, der er installeret i eksplosionsfarlige områder.
- Dioder kan fungere som koblingsenheder i højfrekvenskredsløb. De åbnes med jævnspænding og tillader HF-signalet at passere (eller ikke) igennem.
- Parametriske dioder tjener som forstærkere af svage signaler i mikrobølgeområdet på grund af tilstedeværelsen af et negativt impedansafsnit i karakteristikkens lige linje.
- Dioder bruges til at bygge blandere, der fungerer i sende- og modtageudstyr. De blander heterodynesignal med et højfrekvent (eller lavfrekvent) signal til yderligere behandling. Dette udnytter også I-V-kurvens ikke-linearitet.
- Den ikke-lineære karakteristik gør det muligt at anvende UHF-dioder som frekvensmultiplikatorer. Når et signal passerer gennem en multiplikatordiode, udvindes de højere overtoner. Disse kan isoleres yderligere ved filtrering.
- Dioder anvendes som afstemningselementer i resonanskredsløb. Dette gør brug af den kontrollerede kapacitet ved p-n-forbindelsen.
- Nogle typer dioder anvendes som oscillatorer i mikrobølgeområdet. Det drejer sig hovedsagelig om tunneldioder og Gann-effekt-enheder.
Dette er kun en kort beskrivelse af mulighederne i halvlederkomponenter med to ledninger. Med en grundig undersøgelse af egenskaber og karakteristika kan dioder bruges til at løse mange af de udfordringer, som designere af elektroniske enheder står over for.
Relaterede artikler:
