Festkörperdioden sind in der Elektrotechnik und Elektronik weit verbreitet. Aufgrund seiner geringen Kosten und seines guten Verhältnisses von Leistung zu Größe hat er schnell Vakuumgeräte für ähnliche Anwendungen ersetzt.
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Aufbau und Betrieb einer Halbleiterdiode
Eine Halbleiterdiode besteht aus zwei Bereichen (Schichten), die aus einem Halbleiter (Silizium, Germanium usw.) bestehen. Ein Bereich hat einen Überschuss an freien Elektronen (n-Halbleiter), ein anderer einen Mangel (p-Halbleiter) - dies wird durch Dotierung des Grundmaterials erreicht. Dazwischen befindet sich eine kleine Zone, in der ein Überschuss an freien Elektronen vom n-Pol die Löcher vom p-Pol "bedeckt" (Rekombination durch Diffusion), und in der es keine freien Ladungsträger gibt. Wenn eine Gleichspannung angelegt wird, ist der Rekombinationsbereich klein, sein Widerstand ist gering, und die Diode leitet Strom in diese Richtung. Wenn eine Sperrspannung angelegt wird, vergrößert sich die trägerfreie Zone und der Widerstand der Diode steigt. In diese Richtung fließt kein Strom.
Typen, Klassifizierung und Grafiken in elektrischen Schaltkreisen
Im Allgemeinen wird eine Diode in einem Diagramm durch einen stilisierten Pfeil angezeigt, der die Stromrichtung angibt. Eine konventionelle grafische Darstellung (CSR) eines Geräts enthält zwei Anschlüsse - Anode und KathodeDie zweipoligen Halbleiter sind direkt mit der Plus- bzw. Minusseite des Stromkreises verbunden.
Es gibt viele Varianten dieses zweipoligen Halbleiterbauelements, die je nach Verwendungszweck eine etwas andere CSD aufweisen können.
Stabilitrons (Zenerdioden)
Ein Stabilitron ist ein HalbleiterbauelementEr arbeitet mit Sperrspannung im Bereich des Avalanche-Durchbruchs. In diesem Bereich ist die Spannung an einer Zenerdiode über einen großen Bereich des Stromflusses durch das Gerät stabil. Diese Eigenschaft wird zur Stabilisierung der Spannung an der Last genutzt.
Stabilisatoren
Stabilitrons leisten gute Arbeit bei der Stabilisierung von Spannungen ab 2 V und darüber. Um eine konstante Spannung unterhalb dieser Grenze zu erreichen, werden Stabilisatoren eingesetzt. Durch Dotierung des Materials, aus dem diese Bauelemente hergestellt werden (Silizium, Selen), wird die größtmögliche Vertikalität der Kennlinie erreicht. In diesem Modus arbeiten die Stabilisatoren und erzeugen eine Referenzspannung zwischen 0,5 V und 2 V auf dem geraden Zweig der Volt-Ampere-Kennlinie bei Durchlassspannung.
Schottky-Dioden
Schottky-Dioden beruhen auf einem Halbleiter-Metall-Schaltkreis und haben keinen gemeinsamen Sperrschichtpunkt. Dadurch ergeben sich zwei wichtige Eigenschaften:
- Geringerer Durchlassspannungsabfall (etwa 0,2 V);
- Höhere Betriebsfrequenzen aufgrund einer geringeren Eigenkapazität.
Die Nachteile sind höhere Rückströme und eine geringere Toleranz gegenüber Rückspannungen.
Varikaps.
Jede Diode hat eine elektrische Kapazität. Die beiden Bulk-Ladungen (die p- und n-Halbleiterbereiche) dienen als Pads des Kondensators, und das Dielektrikum ist die Sperrschicht. Wenn eine Sperrspannung angelegt wird, dehnt sich diese Schicht aus und die Kapazität nimmt ab. Diese Eigenschaft ist allen Dioden eigen, aber bei Varicaps ist die Kapazität normalisiert und bei bestimmten Spannungsgrenzen bekannt. Dies ermöglicht die Verwendung von Geräten wie zum Beispiel Kondensatoren mit variabler Kapazität und werden zur Abstimmung oder Feinabstimmung von Schaltkreisen verwendet, indem sie unterschiedliche Werte für die Sperrspannung liefern.
Tunnel-Dioden
Diese Geräte haben eine Auslenkung im Vorwärtsabschnitt der Kennlinie, bei der ein Anstieg der Spannung einen Rückgang des Stroms bewirkt. Der Differentialwiderstand ist in diesem Bereich negativ. Dank dieser Eigenschaft können Tunneldioden als Verstärker für schwache Signale und als Oszillatoren bei Frequenzen über 30 GHz eingesetzt werden.
Dynistoren
Dioden-Thyristoren - Dioden-Thyristoren haben eine p-n-p-n-Struktur und weisen eine S-förmige Wellenform auf. Sie leiten keinen Strom, bis die angelegte Spannung einen Schwellenwert erreicht. Danach öffnet sie sich und verhält sich wie eine normale Diode, bis der Strom unter den Haltepegel fällt. Dinistoren werden in der Leistungselektronik als Schalter verwendet.
Fotodioden
Eine Fotodiode befindet sich in einem Gehäuse, wobei sichtbares Licht auf den Kristall trifft. Wenn der p-n-Übergang bestrahlt wird, wird in ihm eine EMK erzeugt. Dadurch kann die Fotodiode als Stromquelle (als Teil einer Solarzelle) oder als Lichtsensor verwendet werden.
LEDs .
Die grundlegende Eigenschaft einer Fotodiode ist, dass sie Licht aussenden kann, wenn ein Strom durch einen p-n-Übergang fließt. Dieses Leuchten hängt nicht mit der Wärmeintensität zusammen wie bei einer Glühbirne, so dass das Gerät sparsam ist. Manchmal wird das direkte Glühen der Verbindungsstelle genutzt, häufiger jedoch wird es als Initiator verwendet, um den Leuchtstoff zu entzünden. Dadurch wurden bisher unerreichte LED-Farben wie Blau und Weiß möglich.
Gunn-Dioden
Obwohl eine Gann-Diode das übliche Symbol hat, ist sie keine Diode im eigentlichen Sinne. Das liegt daran, dass es keinen p-n-Übergang hat. Dieses Bauelement besteht aus einem Galliumarsenid-Wafer auf einem Metallsubstrat.
Ohne auf die Feinheiten der Prozesse einzugehen: Wenn ein elektrisches Feld einer bestimmten Stärke an ein Bauelement angelegt wird, entstehen elektrische Schwingungen, deren Periode von der Größe des Halbleiterwafers abhängt (innerhalb bestimmter Grenzen kann die Frequenz jedoch durch externe Elemente korrigiert werden).
Gann-Dioden werden als Oszillatoren bei Frequenzen von 1 GHz und darüber eingesetzt. Der Vorteil des Geräts ist die hohe Frequenzstabilität, der Nachteil ist die geringe Amplitude der elektrischen Schwingungen.
Magnetodioden
Herkömmliche Dioden werden von äußeren Magnetfeldern nur schwach beeinflusst. Magnetodioden sind speziell dafür ausgelegt, ihre Empfindlichkeit zu erhöhen. Sie werden in p-i-n-Technologie mit einer verlängerten Basis hergestellt. Unter dem Einfluss eines Magnetfeldes erhöht sich der Durchlasswiderstand des Bauelements, was zur Herstellung von Näherungsschaltern, Magnetfeldwandlern und dergleichen genutzt werden kann.
Laserdioden
Das Funktionsprinzip einer Laserdiode beruht auf der Eigenschaft des Elektron-Loch-Paares, unter bestimmten Bedingungen bei der Rekombination monochromes und kohärentes sichtbares Licht zu emittieren. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, diese Bedingungen zu schaffen, und der Benutzer muss nur die von der Diode emittierte Wellenlänge und ihre Leistung kennen.
Avalanche-Spanndioden
Diese Geräte werden in der Mikrowellenindustrie eingesetzt. Unter bestimmten Bedingungen führt ein Avalanche-Durchbruch zu einem negativen Differenzwiderstandsbereich auf der Diodenkennlinie. Dank dieser Eigenschaft können LPDs als Generatoren eingesetzt werden, die bei Wellenlängen bis in den Millimeterbereich arbeiten. Dort ist es möglich, eine Leistung von mindestens 1 W zu erzielen. Bei niedrigen Frequenzen erzeugen diese Dioden bis zu mehreren Kilowatt.
PIN-Dioden .
Diese Dioden werden in p-i-n-Technologie hergestellt. Zwischen den dotierten Halbleiterschichten befindet sich eine Schicht aus undotiertem Material. Aus diesem Grund werden die Gleichrichtereigenschaften der Diode verschlechtert (die Rekombination bei Sperrspannung ist aufgrund des fehlenden direkten Kontakts zwischen der p- und der n-Zone geringer). Andererseits ist die parasitäre Kapazität aufgrund der Abstände zwischen den Ladungsbereichen sehr gering, Signalverluste bei hohen Frequenzen sind im geschlossenen Zustand praktisch ausgeschlossen, und Pin-Dioden können bei HF und UHF als Schaltelemente verwendet werden.
Hauptmerkmale und Parameter von Dioden
Die wichtigsten Merkmale von Halbleiterdioden (mit Ausnahme von Spezialdioden) sind
- maximal zulässige Sperrspannung (DC und Impuls)
- Betriebsfrequenz begrenzen;
- Durchlassspannungsabfall;
- Betriebstemperaturbereich.
Die anderen wichtigen Eigenschaften werden durch die I-U-Kurve der Diode besser veranschaulicht.
Volt-Ampere-Kennlinie einer Halbleiterdiode
Die Volt-Ampere-Kennlinie einer Halbleiterdiode besteht aus einem Durchlasszweig und einem Sperrzweig. Sie befinden sich in den Quadranten I und III, da die Richtung von Strom und Spannung durch die Diode immer übereinstimmen. Aus der Volt-Ampere-Kennlinie lassen sich einige Parameter bestimmen und auch visuell erkennen, wie sich die Eigenschaften des Geräts auswirken.
Schwellenspannung der Leitfähigkeit
Legt man an eine Diode eine Gleichspannung an und beginnt, diese zu erhöhen, so geschieht zunächst nichts - der Strom steigt nicht an. Ab einem bestimmten Wert öffnet sich die Diode und der Strom steigt mit der Spannung. Diese Spannung wird als Leitfähigkeitsschwellenspannung bezeichnet und ist auf dem VAC als U-Schwellenspannung gekennzeichnet. Sie hängt von dem Material ab, aus dem die Diode hergestellt ist. Für die gängigsten Halbleiter beträgt dieser Parameter:
- Silizium - 0,6-0,8 V;
- Germanium - 0,2-0,3 V;
- Galliumarsenid - 1,5 V.
Die Eigenschaft von Germanium-Halbleitern, sich bei niedriger Spannung zu öffnen, wird in Niederspannungsschaltungen und anderen Situationen genutzt.
Maximaler Strom durch eine Diode bei direkter Bestromung
Nachdem eine Diode geöffnet wurde, steigt ihr Strom mit zunehmender Durchlassspannung an. Bei einer idealen Diode geht dieser Graph ins Unendliche. In der Praxis wird sie durch die Fähigkeit des Halbleiters zur Wärmeableitung begrenzt. Wenn ein bestimmter Grenzwert erreicht wird, überhitzt die Diode und fällt aus. Um dies zu vermeiden, geben die Hersteller den höchstzulässigen Strom (Imax auf dem CVC) an. Dies lässt sich anhand der Größe der Diode und ihres Gehäuses annähernd bestimmen. In absteigender Reihenfolge:
- Metallgekapselte Geräte halten den höchsten Strom;
- Kunststoffgehäuse sind für mittlere Leistungen ausgelegt;
- Glasgekapselte Dioden werden in Schwachstromkreisen verwendet.
Metallgeräte können auf Heizkörpern montiert werden - dies erhöht die Wärmeabgabekapazität.
Rückwärts gerichteter Leckstrom
Wenn an einer Diode eine Sperrspannung anliegt, zeigt ein Strommessgerät mit geringer Empfindlichkeit nichts an. Nur bei einer perfekten Diode fließt kein Strom. In einem realen Gerät fließt zwar Strom, dieser ist jedoch sehr gering und wird als Leckstrom bezeichnet (in der Wellenform Iobr). Er beträgt einige zehn Mikroampere oder Zehntel Milliampere und ist viel kleiner als der Durchlassstrom. Sie kann durch ein Nachschlagewerk ermittelt werden.
Abbruch der Spannung
Bei einem bestimmten Wert der Sperrspannung kommt es zu einem raschen Anstieg des Stroms, der als Durchbruch bezeichnet wird. Es handelt sich dabei um eine Art Tunnel- oder Lawinenbildung, die reversibel ist. Diese Betriebsart wird zur Stabilisierung der Spannung (Avalanche-Modus) oder zur Erzeugung von Impulsen (Tunnelmodus) verwendet. Wenn die Spannung weiter erhöht wird, kommt es zu einem thermischen Durchschlag. Dieser Modus ist irreversibel und die Diode fällt aus.
Parasitäre Kapazität des pn-Übergangs
Es wurde bereits erwähnt, dass ein p-n-Übergang elektrische Kapazität. Und während diese Eigenschaft bei Varicaps nützlich ist und genutzt wird, kann sie bei herkömmlichen Dioden nachteilig sein. Obwohl die Kapazität liegt in der Größenordnung von Einheiten oder einige zehn pF und kann bei Gleichstrom oder niedrigen Frequenzen unauffällig sein, seine Wirkung nimmt mit steigender Frequenz zu. Einige Pikofarad bei HF erzeugen einen ausreichend niedrigen Widerstand für parasitäre Signalverluste, addieren sich zur vorhandenen Kapazität und verändern die Schaltungsparameter und bilden zusammen mit der Induktivität einer Leitung oder eines gedruckten Leiters eine Schaltung mit parasitärer Resonanz. Daher werden bei der Herstellung von Hochfrequenzgeräten Maßnahmen ergriffen, um die Sperrschichtkapazität zu verringern.
Kennzeichnung von Dioden
Die einfachste Methode zur Kennzeichnung von Dioden ist die Verwendung eines Metallgehäuses. In den meisten Fällen sind sie mit der Bezeichnung des Geräts und der Anschlussbelegung beschriftet. Dioden in Kunststoffgehäusen sind mit einer Ringmarkierung auf der Kathodenseite gekennzeichnet. Es gibt jedoch keine Garantie dafür, dass der Hersteller diese Regel strikt befolgt, daher ist es besser, ein Nachschlagewerk zu Rate zu ziehen. Noch besser ist es, das Gerät mit einem Multimeter zu testen.
Haushalts-Stabilitronen mit geringer Leistung und einige andere Geräte können zwei verschiedenfarbige Ringe oder Punkte auf gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses aufweisen. Um den Typ einer solchen Diode und ihren Stift zu bestimmen, müssen Sie sich ein Nachschlagewerk besorgen oder eine Online-Kennzeichnung im Internet finden.
Anwendungen für Dioden
Trotz ihres einfachen Aufbaus sind Halbleiterdioden in der Elektronik weit verbreitet:
- Zur Behebung Wechselspannung. Ein Klassiker des Genres - Nutzung der Eigenschaft des p-n-Übergangs, Strom in eine Richtung zu leiten.
- Diodendetektoren. Dabei wird die Nichtlinearität der Wellenform genutzt, um Oberschwingungen aus dem Signal zu extrahieren, von denen die gewünschten Oberschwingungen durch Filter aufgefangen werden können.
- Zwei gegenparallel geschaltete Dioden dienen als Begrenzer für Hochleistungssignale, die die nachgeschalteten Eingangsstufen empfindlicher Funkempfänger überlasten können.
- Stabilitrons können als Funkenschutzelemente eingesetzt werden, um zu verhindern, dass Hochspannungsimpulse die in explosionsgefährdeten Bereichen installierten Sensorkreise erreichen.
- Dioden können als Schaltgeräte in Hochfrequenzschaltungen eingesetzt werden. Sie öffnen sich bei Gleichspannung und lassen das HF-Signal passieren (oder auch nicht).
- Parametrische Dioden dienen als Verstärker für schwache Signale im Mikrowellenbereich, da die Kennlinie einen Abschnitt mit negativer Impedanz enthält.
- Dioden werden zum Bau von Mischern verwendet, die in Sende- oder Empfangsanlagen eingesetzt werden. Sie mischen Überlagerungssignal mit einem Hochfrequenz- (oder Niederfrequenz-) Signal zur weiteren Verarbeitung. Dabei wird auch die Nichtlinearität der I-U-Kurve ausgenutzt.
- Die nichtlineare Charakteristik ermöglicht den Einsatz von UHF-Dioden als Frequenzvervielfacher. Wenn ein Signal eine Multiplizierdiode durchläuft, werden die höheren Oberwellen extrahiert. Diese können durch Filterung weiter isoliert werden.
- Dioden werden als Abstimmmittel in Resonanzkreisen verwendet. Dabei wird die kontrollierte Kapazität am p-n-Übergang genutzt.
- Einige Arten von Dioden werden als Oszillatoren im Mikrowellenbereich eingesetzt. Dabei handelt es sich hauptsächlich um Tunneldioden und Gann-Effekt-Bauelemente.
Dies ist nur eine kurze Beschreibung der Möglichkeiten von Halbleiterbauelementen mit zwei Anschlüssen. Mit einer eingehenden Untersuchung der Eigenschaften und Merkmale von Dioden lassen sich viele der Herausforderungen lösen, die sich den Entwicklern elektronischer Geräte stellen.
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