Η δίοδος στερεάς κατάστασης χρησιμοποιείται ευρέως στην ηλεκτρολογία και την ηλεκτρονική. Με το χαμηλό κόστος και την καλή αναλογία ισχύος προς μέγεθος, αντικατέστησε γρήγορα τις συσκευές κενού παρόμοιας εφαρμογής.
Περιεχόμενα
Κατασκευή και λειτουργία διόδου ημιαγωγού
Μια δίοδος ημιαγωγού αποτελείται από δύο περιοχές (στρώματα) από ημιαγωγό (πυρίτιο, γερμάνιο κ.λπ.). Η μία περιοχή έχει περίσσεια ελεύθερων ηλεκτρονίων (n-ημιαγωγός) και η άλλη έχει έλλειψη (p-ημιαγωγός) - αυτό επιτυγχάνεται με την πρόσμιξη του βασικού υλικού. Ενδιάμεσα υπάρχει μια μικρή ζώνη στην οποία μια περίσσεια ελεύθερων ηλεκτρονίων από το τμήμα n "καλύπτει" τις οπές από το τμήμα p (ανασυνδυασμός με διάχυση) και δεν υπάρχουν ελεύθεροι φορείς φορτίου σε αυτή την περιοχή. Όταν εφαρμόζεται συνεχής τάση, η περιοχή ανασυνδυασμού είναι μικρή, η αντίστασή της είναι χαμηλή και η δίοδος μεταφέρει ρεύμα προς αυτή την κατεύθυνση. Όταν εφαρμόζεται αντίστροφη τάση, η ζώνη χωρίς φορείς θα αυξηθεί και η αντίσταση της διόδου θα αυξηθεί. Κανένα ρεύμα δεν θα ρέει προς αυτή την κατεύθυνση.
Τύποι, ταξινόμηση και γραφικά στα ηλεκτρικά κυκλώματα
Γενικά, μια δίοδος υποδεικνύεται σε ένα διάγραμμα με ένα στυλιζαρισμένο βέλος που δείχνει την κατεύθυνση του ρεύματος. Μια συμβατική γραφική αναπαράσταση (CSR) μιας συσκευής περιέχει δύο ακροδέκτες - άνοδος και κάθοδοςΟι διπολικοί ημιαγωγοί συνδέονται σε απευθείας σύνδεση με τη συν και τη μείον πλευρά του κυκλώματος αντίστοιχα.
Υπάρχουν πολλές ποικιλίες αυτής της διπολικής ημιαγωγικής διάταξης, οι οποίες μπορεί να έχουν ελαφρώς διαφορετικό CSD ανάλογα με τον σκοπό τους.
Stabilitrons (Δίοδοι Zener)
Το σταθερότρον είναι μια διάταξη ημιαγωγώνΛειτουργεί με ανάστροφη τάση στην περιοχή διάσπασης χιονοστιβάδας. Σε αυτή την περιοχή η τάση σε μια δίοδο Zener είναι σταθερή σε ένα ευρύ φάσμα του ρεύματος που διαρρέει τη διάταξη. Αυτή η ιδιότητα χρησιμοποιείται για τη σταθεροποίηση της τάσης στο φορτίο.
Σταθεροποιητές
Τα Stabilitrons κάνουν καλή δουλειά στη σταθεροποίηση τάσεων από 2V και πάνω. Για να επιτευχθεί σταθερή τάση κάτω από αυτό το όριο, χρησιμοποιούνται σταθεροποιητές. Με την πρόσμιξη του υλικού από το οποίο κατασκευάζονται οι διατάξεις αυτές (πυρίτιο, σελήνιο) επιτυγχάνεται η μεγαλύτερη δυνατή καθετότητα της ευθείας γραμμής της χαρακτηριστικής. Αυτός είναι ο τρόπος λειτουργίας των σταθεροποιητών, οι οποίοι παράγουν μια τάση αναφοράς μεταξύ 0,5V και 2V στον εμπρόσθιο κλάδο της χαρακτηριστικής βολτ-ampere στην εμπρόσθια τάση.
Δίοδοι Schottky
Οι δίοδοι Schottky βασίζονται σε ένα κύκλωμα ημιαγωγού-μετάλλου και δεν έχουν κοινή επαφή. Αυτό παρέχει δύο σημαντικές ιδιότητες:
- Μειωμένη πτώση τάσης προς τα εμπρός (περίπου 0,2 V),
- Υψηλότερες συχνότητες λειτουργίας λόγω χαμηλότερης εγγενούς χωρητικότητας.
Τα μειονεκτήματα είναι τα υψηλότερα αντίστροφα ρεύματα και η χαμηλότερη ανοχή στην αντίστροφη τάση.
Varicaps .
Κάθε δίοδος έχει μια ηλεκτρική χωρητικότητα. Τα δύο χύδην φορτία (οι περιοχές του ημιαγωγού p και n) χρησιμεύουν ως κελύφη του πυκνωτή και το διηλεκτρικό είναι το στρώμα ασφάλισης. Όταν εφαρμόζεται αντίστροφη τάση, το στρώμα αυτό διαστέλλεται και η χωρητικότητα μειώνεται. Αυτή η ιδιότητα είναι εγγενής σε όλες τις διόδους, αλλά με τα varicaps η χωρητικότητα είναι κανονικοποιημένη και γνωστή σε συγκεκριμένα όρια τάσης. Αυτό καθιστά δυνατή τη χρήση συσκευών όπως πυκνωτές με μεταβλητή χωρητικότητα και χρησιμοποιούνται για τη ρύθμιση ή τη ρύθμιση κυκλωμάτων με την παροχή διαφορετικών επιπέδων ανάστροφης τάσης.
Δίοδοι σήραγγας
Αυτές οι διατάξεις έχουν μια εκτροπή στο εμπρόσθιο τμήμα της χαρακτηριστικής, όπου η αύξηση της τάσης προκαλεί μείωση του ρεύματος. Η διαφορική αντίσταση είναι αρνητική σε αυτή την περιοχή. Αυτή η ιδιότητα επιτρέπει στις διόδους σήραγγας να χρησιμοποιούνται ως ενισχυτές για ασθενή σήματα και ως ταλαντωτές σε συχνότητες άνω των 30 GHz.
Dynistors
Θυρίστορ διόδου - Τα θυρίστορ διόδου έχουν δομή p-n-p-n και κυματομορφή σχήματος S και δεν οδηγούν ρεύμα έως ότου η εφαρμοζόμενη τάση φθάσει σε ένα επίπεδο κατωφλίου. Μετά από αυτό, ανοίγει και συμπεριφέρεται σαν κανονική δίοδος μέχρι το ρεύμα να πέσει κάτω από το επίπεδο συγκράτησης. Τα ντινίστορ χρησιμοποιούνται στα ηλεκτρονικά ισχύος ως διακόπτες.
Φωτοδίοδοι
Μια φωτοδίοδος κατασκευάζεται σε ένα περίβλημα με το ορατό φως να φτάνει στον κρύσταλλο. Όταν η ένωση p-n ακτινοβολείται, δημιουργείται ηλεκτρομαγνητική τάση σε αυτήν. Αυτό επιτρέπει στη φωτοδίοδο να χρησιμοποιηθεί ως πηγή ρεύματος (ως μέρος ενός ηλιακού στοιχείου) ή ως αισθητήρας φωτός.
LEDs .
Η βασική ιδιότητα μιας φωτοδιόδου είναι ότι μπορεί να εκπέμπει φως όταν ένα ρεύμα διαρρέει μια ένωση p-n. Αυτή η λάμψη δεν συνδυάζεται με την ένταση θέρμανσης ενός λαμπτήρα πυρακτώσεως, οπότε η συσκευή είναι οικονομική. Μερικές φορές χρησιμοποιείται η άμεση λάμψη από τη διασταύρωση, αλλά πιο συχνά χρησιμοποιείται ως εκκινητής για την ανάφλεξη του φωσφόρου. Αυτό επέτρεψε προηγουμένως ανέφικτα χρώματα LED, όπως το μπλε και το λευκό.
Δίοδοι Gunn
Αν και η δίοδος Gann έχει το συνηθισμένο σύμβολο, δεν είναι δίοδος με την πλήρη έννοια της λέξης. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι δεν έχει επαφή p-n. Η διάταξη αυτή αποτελείται από ένα πλακίδιο αρσενικούχου γαλλίου σε μεταλλικό υπόστρωμα.
Χωρίς να υπεισέλθουμε στις περιπλοκές των διαδικασιών: όταν ένα ηλεκτρικό πεδίο ορισμένου μεγέθους εφαρμόζεται σε μια διάταξη, παράγονται ηλεκτρικές ταλαντώσεις, η περίοδος των οποίων εξαρτάται από το μέγεθος του πλακιδίου ημιαγωγού (αλλά εντός ορισμένων ορίων η συχνότητα μπορεί να διορθωθεί από εξωτερικά στοιχεία).
Οι δίοδοι Gann χρησιμοποιούνται ως ταλαντωτές σε συχνότητες 1 GHz και άνω. Το πλεονέκτημα της συσκευής είναι η σταθερότητα υψηλής συχνότητας, ενώ το μειονέκτημα είναι το μικρό πλάτος των ηλεκτρικών ταλαντώσεων.
Μαγνητοδίοδοι
Οι συμβατικές δίοδοι επηρεάζονται ελάχιστα από εξωτερικά μαγνητικά πεδία. Οι μαγνητοδίοδοι είναι ειδικά σχεδιασμένες για να αυξάνουν την ευαισθησία τους. Κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας τεχνολογία p-i-n με εκτεταμένη βάση. Υπό την επίδραση ενός μαγνητικού πεδίου, η αντίσταση προώθησης της διάταξης αυξάνεται και αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία διακοπτών προσέγγισης, μετατροπέων μαγνητικού πεδίου και παρόμοιων.
Δίοδοι λέιζερ
Η αρχή λειτουργίας μιας διόδου λέιζερ βασίζεται στην ιδιότητα του ζεύγους ηλεκτρονίων-οπών να εκπέμπει μονοχρωματικό και συνεκτικό ορατό φως υπό ορισμένες συνθήκες κατά τον ανασυνδυασμό. Οι τρόποι δημιουργίας αυτών των συνθηκών ποικίλλουν και ο χρήστης χρειάζεται μόνο να γνωρίζει το μήκος κύματος που εκπέμπει η δίοδος και την ισχύ της.
Δίοδοι σάρωσης Avalanche
Οι συσκευές αυτές χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία μικροκυμάτων. Υπό ορισμένες συνθήκες, η λειτουργία διάσπασης χιονοστιβάδας οδηγεί σε μια περιοχή αρνητικής διαφορικής αντίστασης στη χαρακτηριστική της διόδου. Αυτή η ιδιότητα των LPD επιτρέπει τη χρήση τους ως γεννήτριες, που λειτουργούν σε μήκη κύματος έως και χιλιοστά του μέτρου. Εκεί είναι δυνατόν να επιτευχθεί ισχύς τουλάχιστον 1 W. Σε χαμηλότερες συχνότητες, αυτές οι δίοδοι παράγουν έως και αρκετά κιλοβάτ.
Δίοδοι PIN .
Αυτές οι δίοδοι κατασκευάζονται με τεχνολογία p-i-n. Μεταξύ των ντοπαρισμένων στρωμάτων ημιαγωγών υπάρχει ένα στρώμα μη ντοπαρισμένου υλικού. Για το λόγο αυτό, οι ανορθωτικές ιδιότητες της διόδου υποβαθμίζονται (ο ανασυνδυασμός μειώνεται στην ανάστροφη τάση λόγω της απουσίας άμεσης επαφής μεταξύ των ζωνών p- και n-). Από την άλλη πλευρά, λόγω της απόστασης των περιοχών φορτίου χύδην, η παρασιτική χωρητικότητα γίνεται πολύ μικρή, η διαρροή σήματος στις υψηλές συχνότητες πρακτικά εξαλείφεται στην κλειστή κατάσταση και οι δίοδοι ακίδων μπορούν να χρησιμοποιηθούν στα HF και UHF ως στοιχεία μεταγωγής.
Κύρια χαρακτηριστικά και παράμετροι των διόδων
Τα κύρια χαρακτηριστικά των διόδων ημιαγωγών (εκτός από τις διόδους ειδικού σκοπού) είναι τα εξής
- μέγιστη επιτρεπόμενη αντίστροφη τάση (DC και παλμική)
- όριο συχνότητας λειτουργίας,
- πτώση τάσης προς τα εμπρός,
- εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας.
Τα άλλα σημαντικά χαρακτηριστικά απεικονίζονται καλύτερα από την καμπύλη I-V της διόδου.
Χαρακτηριστική τάσης-αμπέρ μιας διόδου ημιαγωγού
Η χαρακτηριστική τάση-άμπρο μιας διόδου ημιαγωγού αποτελείται από έναν κλάδο προς τα εμπρός και έναν κλάδο προς τα πίσω. Βρίσκονται στα τεταρτημόρια I και III, δεδομένου ότι η κατεύθυνση του ρεύματος και της τάσης μέσω της διόδου συμπίπτει πάντα. Από τη χαρακτηριστική βολτ-αμπέρ είναι δυνατόν να προσδιοριστούν ορισμένες παράμετροι και επίσης να δούμε οπτικά τι επηρεάζουν τα χαρακτηριστικά της συσκευής.
Τάση κατωφλίου αγωγιμότητας
Αν μια συνεχής τάση εφαρμοστεί σε μια δίοδο και αρχίσει να την αυξάνει, στην αρχή δεν θα συμβεί τίποτα - το ρεύμα δεν θα αυξηθεί. Αλλά σε μια ορισμένη τιμή, η δίοδος θα ανοίξει και το ρεύμα θα αυξηθεί σύμφωνα με την τάση. Η τάση αυτή ονομάζεται τάση κατωφλίου αγωγιμότητας και σημειώνεται στο VAC ως U-threshold. Εξαρτάται από το υλικό από το οποίο είναι κατασκευασμένη η δίοδος. Για τους πιο συνηθισμένους ημιαγωγούς η παράμετρος αυτή είναι:
- πυρίτιο - 0,6-0,8 V,
- γερμάνιο - 0,2-0,3 V,
- Αρσενίδιο του γαλλίου - 1,5 V.
Η ιδιότητα των ημιαγωγών γερμανίου να ανοίγουν σε χαμηλή τάση χρησιμοποιείται σε κυκλώματα χαμηλής τάσης και σε άλλες καταστάσεις.
Μέγιστο ρεύμα που διαρρέει μια δίοδο όταν βρίσκεται υπό άμεση τάση
Αφού ανοίξει μια δίοδος, το ρεύμα της αυξάνεται με την αύξηση της τάσης εμπροσθοπορείας. Για μια ιδανική δίοδο το γράφημα αυτό πηγαίνει στο άπειρο. Στην πράξη, περιορίζεται από την ικανότητα του ημιαγωγού να αποβάλλει θερμότητα. Εάν επιτευχθεί ένα ορισμένο όριο, η δίοδος θα υπερθερμανθεί και θα αποτύχει. Για να αποφευχθεί αυτό, οι κατασκευαστές αναφέρουν το υψηλότερο επιτρεπόμενο ρεύμα (Imax στο BAC). Αυτό μπορεί να προσεγγιστεί από το μέγεθος της διόδου και του περιβλήματός της. Με φθίνουσα σειρά:
- Οι συσκευές με μεταλλικό περίβλημα συγκρατούν το υψηλότερο ρεύμα,
- Τα πλαστικά περιβλήματα έχουν σχεδιαστεί για μεσαία ισχύ,
- Οι δίοδοι με γυάλινο εγκιβωτισμό χρησιμοποιούνται σε κυκλώματα χαμηλού ρεύματος.
Οι μεταλλικές συσκευές μπορούν να τοποθετηθούν σε θερμαντικά σώματα - αυτό θα αυξήσει την ικανότητα απαγωγής.
Αντίστροφο ρεύμα διαρροής
Εάν εφαρμοστεί αντίστροφη τάση σε μια δίοδο, ένα αμπερόμετρο χαμηλής ευαισθησίας δεν θα δείξει τίποτα. Στην πραγματικότητα, μόνο μια τέλεια δίοδος δεν διαρρέει ρεύμα. Μια πραγματική συσκευή θα έχει ρεύμα, αλλά είναι πολύ μικρό και ονομάζεται ρεύμα αντίστροφης διαρροής (στην κυματομορφή, Iobr). Πρόκειται για δεκάδες μικροαμπέρ ή δέκατα χιλιοστοαμπέρ και είναι πολύ μικρότερο από το ρεύμα εμπροσθοπορείας. Μπορεί να προσδιοριστεί από το βιβλίο αναφοράς.
Σπάσιμο της τάσης
Σε μια ορισμένη τιμή της ανάστροφης τάσης παρατηρείται ταχεία αύξηση του ρεύματος που ονομάζεται διάσπαση. Είναι τύπου σήραγγας ή χιονοστιβάδας και είναι αναστρέψιμη. Αυτός ο τρόπος λειτουργίας χρησιμοποιείται για τη σταθεροποίηση της τάσης (λειτουργία χιονοστιβάδας) ή για τη δημιουργία παλμών (λειτουργία σήραγγας). Όταν η τάση αυξάνεται περαιτέρω, η διάσπαση γίνεται θερμική. Αυτή η λειτουργία είναι μη αναστρέψιμη και η δίοδος αστοχεί.
Παρασιτική χωρητικότητα της ένωσης pn
Έχει ήδη αναφερθεί ότι μια ένωση p-n έχει ηλεκτρική χωρητικότητα. Και ενώ στα varicaps η ιδιότητα αυτή είναι χρήσιμη και χρησιμοποιείται, στις συμβατικές διόδους μπορεί να είναι επιζήμια. Παρόλο που το η χωρητικότητα είναι της τάξης των μονάδων ή δεκάδες pF και μπορεί να μην είναι αισθητή σε DC ή χαμηλές συχνότητες, η επίδρασή της αυξάνεται όσο αυξάνεται η συχνότητα. Μερικά picofarads στο RF θα δημιουργήσουν μια αρκετά χαμηλή αντίσταση για παρασιτική διαρροή σήματος, θα προστεθούν στην υπάρχουσα χωρητικότητα και θα αλλάξουν τις παραμέτρους του κυκλώματος, και θα συνδυαστούν με την επαγωγή ενός μολύβδου ή ενός τυπωμένου αγωγού για να σχηματίσουν ένα κύκλωμα με παρασιτικό συντονισμό. Ως εκ τούτου, κατά την κατασκευή των διατάξεων υψηλής συχνότητας λαμβάνονται μέτρα για τη μείωση της χωρητικότητας της σύνδεσης.
Επισήμανση των διόδων
Η απλούστερη μέθοδος επισήμανσης διόδων είναι η χρήση μεταλλικού περιβλήματος. Στις περισσότερες περιπτώσεις, φέρουν ετικέτα με την ονομασία της συσκευής και την ανάθεση ακροδεκτών. Οι δίοδοι σε πλαστικά περιβλήματα επισημαίνονται με ένα σήμα δακτυλίου στην πλευρά της καθόδου. Δεν υπάρχει όμως καμία εγγύηση ότι ο κατασκευαστής ακολουθεί αυστηρά αυτόν τον κανόνα, οπότε είναι προτιμότερο να συμβουλευτείτε ένα βιβλίο αναφοράς. Ακόμα καλύτερα, χρησιμοποιήστε ένα πολύμετρο για να ελέγξετε τη συσκευή.
Τα οικιακά σταθεροτρόνια χαμηλής ισχύος και ορισμένες άλλες συσκευές μπορεί να έχουν δύο δακτυλίους ή κουκίδες διαφορετικού χρώματος στις αντίθετες πλευρές του περιβλήματος. Για να προσδιορίσετε τον τύπο μιας τέτοιας διόδου και τον ακροδέκτη της, πρέπει να προμηθευτείτε ένα βιβλίο αναφοράς ή να βρείτε ένα ηλεκτρονικό αναγνωριστικό σήμανσης στο Διαδίκτυο.
Εφαρμογές για διόδους
Παρά την απλή κατασκευή τους, οι δίοδοι ημιαγωγών χρησιμοποιούνται ευρέως στην ηλεκτρονική:
- Για διόρθωση Τάση εναλλασσόμενου ρεύματος. Κλασικό του είδους - χρήση της ιδιότητας της ένωσης p-n για την αγωγή ρεύματος προς μία κατεύθυνση.
- Ανιχνευτές διόδων. Αυτό χρησιμοποιεί τη μη γραμμικότητα της κυματομορφής για να επιτρέψει την εξαγωγή αρμονικών από το σήμα, από τις οποίες οι επιθυμητές αρμονικές μπορούν να ληφθούν από φίλτρα.
- Δύο δίοδοι αντιπαράλληλα συνδεδεμένες χρησιμεύουν ως περιοριστής για σήματα υψηλής ισχύος που μπορεί να υπερφορτώσουν τις μεταγενέστερες βαθμίδες εισόδου ευαίσθητων ραδιοφωνικών δεκτών.
- Τα Stabilitrons μπορούν να συμπεριληφθούν ως στοιχεία προστασίας από σπινθήρες για να αποτρέψουν την επίτευξη παλμών υψηλής τάσης στα κυκλώματα αισθητήρων που είναι εγκατεστημένα σε επικίνδυνους χώρους.
- Οι δίοδοι μπορούν να χρησιμεύσουν ως διακοπτικές διατάξεις σε κυκλώματα υψηλής συχνότητας. Ανοίγουν με τάση συνεχούς ρεύματος και επιτρέπουν τη διέλευση (ή μη) του σήματος HF.
- Οι παραμετρικές δίοδοι χρησιμεύουν ως ενισχυτές ασθενών σημάτων στην περιοχή των μικροκυμάτων λόγω της παρουσίας ενός τμήματος αρνητικής εμπέδησης στην ευθεία γραμμή της χαρακτηριστικής.
- Οι δίοδοι χρησιμοποιούνται για την κατασκευή μίκτες που λειτουργούν σε εξοπλισμό εκπομπής ή λήψης. Αναμειγνύουν σήμα ετεροδύνου με ένα σήμα υψηλής συχνότητας (ή χαμηλής συχνότητας) για περαιτέρω επεξεργασία. Αυτό εκμεταλλεύεται επίσης τη μη γραμμικότητα της καμπύλης I-V.
- Η μη γραμμική χαρακτηριστική επιτρέπει στις διόδους UHF να χρησιμοποιούνται ως πολλαπλασιαστές συχνότητας. Όταν ένα σήμα διέρχεται από μια δίοδο πολλαπλασιαστή, εξάγονται οι υψηλότερες αρμονικές. Αυτά μπορούν να απομονωθούν περαιτέρω με φιλτράρισμα.
- Οι δίοδοι χρησιμοποιούνται ως στοιχεία συντονισμού σε κυκλώματα συντονισμού. Αυτό κάνει χρήση της ελεγχόμενης χωρητικότητας στην ένωση p-n.
- Ορισμένα είδη διόδων χρησιμοποιούνται ως ταλαντωτές στην περιοχή των μικροκυμάτων. Πρόκειται κυρίως για διόδους σήραγγας και διατάξεις με φαινόμενο Gann.
Αυτή είναι μόνο μια σύντομη περιγραφή των δυνατοτήτων των διατάξεων ημιαγωγών με δύο καλώδια. Με μια σε βάθος μελέτη των ιδιοτήτων και των χαρακτηριστικών τους, οι δίοδοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την επίλυση πολλών από τις προκλήσεις που τίθενται στους σχεδιαστές ηλεκτρονικών διατάξεων.
Σχετικά άρθρα:
