Mikä on puolijohdediodi, diodityypit ja jännite-ampeeri-ominaisuutta kuvaava kaavio.

Solid-state-diodia käytetään laajalti sähkötekniikassa ja elektroniikassa. Alhaisen hintansa ja hyvän teho-koko-suhteensa ansiosta se on nopeasti korvannut vastaavanlaisten sovellusten tyhjiölaitteet.

Puolijohdediodin rakenne ja toiminta

Puolijohdediodi koostuu kahdesta alueesta (kerroksesta), jotka on valmistettu puolijohteesta (pii, germanium jne.). Toisella alueella on liikaa vapaita elektroneja (n-puolijohde) ja toisella alueella liian vähän (p-puolijohde) - tämä saavutetaan seostamalla perusmateriaalia. Niiden välissä on pieni alue, jossa n-napasta tulevien vapaiden elektronien ylijäämä "peittää" p-p-napasta tulevat reiät (rekombinaatio diffuusion avulla), eikä tällä alueella ole vapaita varauksenkuljettajia. Kun suoraa jännitettä käytetään, rekombinaatioalue on pieni, sen resistanssi on pieni ja diodi johtaa virtaa tähän suuntaan. Kun käänteisjännite kytketään, kantoaaltovapaa vyöhyke kasvaa ja diodin resistanssi kasvaa. Virta ei kulje tähän suuntaan.

Tyypit, luokittelu ja grafiikka sähköpiireissä

Yleensä diodi osoitetaan kaaviossa virran suuntaa osoittavalla tyylitellyllä nuolella. Laitteen tavanomaisessa graafisessa esityksessä (CSR) on kaksi päätelaitetta. anodi ja katodiKaksinapaiset puolijohteet kytketään suoraan virtapiirin plus- ja miinuspuolelle.

Tästä kaksinapaisesta puolijohdekomponentista on monia muunnelmia, joiden CSD voi olla hieman erilainen käyttötarkoituksesta riippuen.

Stabilitronit (Zener-diodit)

Stabilastroni on puolijohdekomponenttiSe toimii käänteisjännitteellä avalanche-läpilyöntialueella. Tällä alueella Zener-diodin yli tuleva jännite on vakaa laajalla alueella laitteen läpi kulkevalla virralla. Tätä ominaisuutta käytetään kuorman yli olevan jännitteen vakauttamiseen.

Stabilistorit

Stabilitronit vakauttavat hyvin jännitteitä 2 V:sta ylöspäin. Tämän rajan alapuolella olevan vakiojännitteen saavuttamiseksi käytetään vakauttajia. Dopingaineistamalla materiaalia, josta nämä laitteet on valmistettu (pii, seleeni), saavutetaan ominaispiirteen suoran linjan mahdollisimman suuri pystysuoruus. Tässä tilassa vakauttajat toimivat, ja ne tuottavat 0,5-2V:n viitejännitteen voltti-ampeeri-ominaisuuden suoralla haaralla eteenpäin suuntautuvalla jännitteellä.

Schottky-diodit

Schottky-diodit perustuvat puolijohde-metallipiiriin, eikä niissä ole yhteistä liitosta. Tämä tarjoaa kaksi tärkeää ominaisuutta:

• Vähentynyt eteenpäin suuntautuva jännitehäviö (noin 0,2 V);
• Korkeammat toimintataajuudet pienemmän ominaiskapasitanssin ansiosta.

Haittapuolina ovat suuremmat käänteisvirrat ja heikompi sietokyky käänteisjännitettä vastaan.

Varicaps .

Jokaisella diodilla on sähköinen kapasitanssi. Kaksi irtovarausta (p- ja n-puolijohdealueet) toimivat kondensaattorin kuorina, ja dielektrinen aine on lukituskerros. Kun kytketään käänteisjännite, tämä kerros laajenee ja kapasitanssi pienenee. Tämä ominaisuus on luontainen kaikille diodeille, mutta varicapsin kapasitanssi on normalisoitu ja tunnettu tietyillä jänniterajoilla. Tämä mahdollistaa sellaisten laitteiden käytön kuin kondensaattorit, joiden kapasitanssi on muuttuva ja niitä käytetään piirien virittämiseen tai hienosäätöön syöttämällä eri tasoisia käänteisjännitteitä.

Tunnelidiodit

Näissä laitteissa on poikkeama ominaispiirteen eteenpäin suuntautuvassa osassa, jossa jännitteen nousu aiheuttaa virran pienenemisen. Differentiaalinen vastus on negatiivinen tällä alueella. Tämän ominaisuuden ansiosta tunnelidiodeja voidaan käyttää heikkojen signaalien vahvistimina ja oskillaattoreina yli 30 GHz:n taajuuksilla.

Dynistorit

Diodityristorit - Diodityristorit ovat p-n-p-n-rakenteisia, ja niiden aaltomuoto on S-muotoinen, eivätkä ne johda virtaa ennen kuin jännite saavuttaa kynnystason. Sen jälkeen se avautuu ja käyttäytyy kuin tavallinen diodi, kunnes virta laskee alle pitotason. Dinistoreja käytetään tehoelektroniikassa kytkiminä.

Valodiodit

Fotodiodi tehdään koteloon, jossa kiteeseen pääsee näkyvää valoa. Kun p-n-liitosta säteilytetään, siihen syntyy sähkömagneettinen kenttä. Tämän ansiosta fotodiodia voidaan käyttää virtalähteenä (osana aurinkokennoa) tai valoisuusanturina.

LEDit .

Fotodiodin perusominaisuus on, että se voi lähettää valoa, kun virta kulkee p-n-liitoksen läpi. Tämä hehku ei liity lämmön voimakkuuteen kuten hehkulamppu, joten laite on taloudellinen. Joskus käytetään liitoskohdan suoraa hehkua, mutta useammin sitä käytetään sytyttimenä fosforin sytyttämiseen. Tämä on mahdollistanut aiemmin saavuttamattomat LED-värit, kuten sinisen ja valkoisen.

Gunn-diodit

Vaikka Gann-diodilla on tavanomainen symboli, se ei ole diodi sanan täydessä merkityksessä. Tämä johtuu siitä, että siinä ei ole p-n-liitosta. Tämä laite koostuu galliumarsenidikiekosta metallisubstraatilla.

Menemättä prosessien yksityiskohtiin: kun laitteeseen kohdistetaan tietyn suuruinen sähkökenttä, syntyy sähköisiä värähtelyjä, joiden kesto riippuu puolijohdekiekkojen koosta (mutta tietyissä rajoissa taajuutta voidaan korjata ulkoisilla elementeillä).

Gann-diodeja käytetään oskillaattoreina 1 GHz:n ja sitä suuremmilla taajuuksilla. Laitteen etuna on korkea taajuusvakaus, haittapuolena on sähköisten värähtelyjen pieni amplitudi.

Magnetodiodit

Ulkoiset magneettikentät vaikuttavat tavanomaisiin diodeihin heikosti. Magnetodiodit on suunniteltu erityisesti niiden herkkyyden lisäämiseksi. Ne on valmistettu p-i-n-tekniikkaa käyttäen ja niissä on laajennettu pohja. Magneettikentän vaikutuksesta laitteen eteenpäin suuntautuva vastus kasvaa, ja tätä voidaan käyttää läheisyyskytkimien, magneettikenttämuuntimien ja vastaavien valmistamiseen.

Laserdiodit

Laserdiodin toimintaperiaate perustuu elektroni-aukkoparin ominaisuuteen emittoida monokromaattista ja koherenttia näkyvää valoa tietyissä olosuhteissa rekombinaation aikana. Näiden olosuhteiden luomiseen on erilaisia tapoja, ja käyttäjän tarvitsee vain tietää diodin lähettämä aallonpituus ja sen teho.

Avalanche-luovutusdiodit

Näitä laitteita käytetään mikroaaltoteollisuudessa. Tietyissä olosuhteissa lumivyöryn läpilyöntitila johtaa diodin ominaispiirteeseen negatiivisen differentiaaliresistanssin alueeseen. Tämän LPD:n ominaisuuden ansiosta niitä voidaan käyttää generaattoreina, jotka toimivat jopa millimetrien aallonpituuksilla. Siellä on mahdollista saada vähintään 1 W:n teho. Alemmilla taajuuksilla nämä diodit tuottavat jopa useita kilowatteja.

PIN-diodit .

Nämä diodit valmistetaan p-i-n-tekniikalla. Dopingoitujen puolijohdekerrosten välissä on seostamatonta materiaalia oleva kerros. Tästä syystä diodin tasasuuntausominaisuudet heikkenevät (rekombinaatio vähenee käänteisjännitteellä, koska p- ja n-vyöhykkeiden välillä ei ole suoraa kosketusta). Toisaalta irtolatausalueiden välimatkan vuoksi loiskapasitanssi on hyvin pieni, signaalivuoto korkeilla taajuuksilla on käytännössä eliminoitu suljetussa tilassa, ja tappidiodia voidaan käyttää HF- ja UHF-alueilla kytkinelementteinä.

Diodien tärkeimmät ominaisuudet ja parametrit

Puolijohdediodien (lukuun ottamatta erikoisdiodeja) tärkeimmät ominaisuudet ovat seuraavat

• suurin sallittu käänteisjännite (DC ja pulssi)
• rajoittaa toimintataajuutta;
• eteenpäin suuntautuva jännitehäviö;
• käyttölämpötila-alue.

Muita tärkeitä ominaisuuksia havainnollistaa paremmin diodin I-V-käyrä.

Puolijohdediodin jännite-ampeeriominaisuus

Puolijohdediodin voltti-ampeeri-ominaisuus koostuu etu- ja takahaarasta. Ne sijaitsevat kvadranteissa I ja III, koska diodin läpi kulkevan virran ja jännitteen suunta on aina sama. Jännite-ampeeri-ominaisuudesta voidaan määrittää joitakin parametreja ja nähdä myös visuaalisesti, mihin laitteen ominaisuudet vaikuttavat.

Johtavuuden kynnysjännite

Jos diodiin kytketään suora jännite ja sitä aletaan kasvattaa, aluksi ei tapahdu mitään - virta ei nouse. Mutta tietyssä arvossa diodi avautuu ja virta kasvaa jännitteen mukaan. Tätä jännitettä kutsutaan johtavuuden kynnysjännitteeksi, ja se on merkitty VAC:iin U-kynnysjännitteeksi. Se riippuu materiaalista, josta diodi on valmistettu. Yleisimmille puolijohteille tämä parametri on:

• pii - 0,6-0,8 V;
• germanium - 0,2-0,3 V;
• Galliumarsenidi - 1,5 V.

Germanium-puolijohteiden ominaisuutta avautua pienellä jännitteellä käytetään pienjännitepiireissä ja muissa tilanteissa.

Suurin virta diodin läpi, kun se on suoraan jännitteinen.

Kun diodi on avautunut, sen virta kasvaa etujännitteen kasvaessa. Ihanteellisella diodilla tämä kuvaaja on ääretön. Käytännössä sitä rajoittaa puolijohteen kyky johtaa lämpöä pois. Jos tietty raja saavutetaan, diodi ylikuumenee ja pettää. Tämän välttämiseksi valmistajat ilmoittavat suurimman sallitun virran (Imax CVC:ssä). Tämä voidaan arvioida diodin ja sen kotelon koon perusteella. Alenevassa järjestyksessä:

• Metallikoteloituihin laitteisiin kulkee eniten virtaa;
• Muovikotelot on suunniteltu keskiteholle;
• Lasikapseloituja diodeja käytetään pienivirtapiireissä.

Metalliset laitteet voidaan asentaa pattereiden päälle - tämä lisää jäähdytyskykyä.

Käänteinen vuotovirta

Jos diodiin kytketään käänteisjännite, matala-herkkä ampeerimittari ei näytä mitään. Itse asiassa vain täydellinen diodi ei vuoda virtaa. Todellisessa laitteessa on virtaa, mutta se on hyvin pieni, ja sitä kutsutaan käänteiseksi vuotovirraksi (aaltomuodossa Iobr). Se on kymmeniä mikroampeereja tai milliampeerien kymmenyksiä ja paljon pienempi kuin eteenpäin suuntautuva virta. Se voidaan määrittää viitekirjan avulla.

Jännitteen hajottaminen

Tietyllä käänteisjännitteen arvolla virta kasvaa nopeasti, mitä kutsutaan läpilyönniksi. Kyseessä on tunneloituva tai lumivyörytyyppinen ja palautuva. Tätä toimintatapaa käytetään jännitteen vakauttamiseen (lumivyörytila) tai pulssien tuottamiseen (tunnelointitila). Kun jännitettä nostetaan edelleen, läpilyönti muuttuu termiseksi. Tämä tila on peruuttamaton ja diodi pettää.

pn-liitoksen loiskapasitanssi

On jo mainittu, että p-n-liitoksella on sähköinen kapasitanssi. Vaikka tämä ominaisuus on hyödyllinen ja käytetty varicapissa, tavanomaisissa diodeissa se voi olla haitallinen. Vaikka kapasitanssi on yksikköjen luokkaa. tai kymmeniä pF:iä, eikä sitä välttämättä huomaa tasavirralla tai matalilla taajuuksilla, mutta sen vaikutus kasvaa taajuuden kasvaessa. Muutama pikofaradi RF:ssä luo riittävän alhaisen resistanssin loissignaalin vuotoa varten, lisää olemassa olevaan kapasitanssiin ja muuttaa piirin parametreja sekä yhdistää lyijyn tai painetun johtimen induktanssin muodostaakseen piirin, jossa on loisresonanssi. Siksi suurtaajuuslaitteiden valmistuksessa ryhdytään toimenpiteisiin liitoskapasitanssin pienentämiseksi.

Diodien merkintä

Yksinkertaisin tapa merkitä diodit on käyttää metallikoteloa. Useimmissa tapauksissa ne on merkitty laitteen nimellä ja nastojen määrittelyllä. Muovikoteloissa olevat diodit on merkitty rengasmerkillä katodin puolella. Ei kuitenkaan ole mitään takeita siitä, että valmistaja noudattaa tätä sääntöä tarkasti, joten on parempi tutustua hakuteokseen. Vielä parempi on testata laite yleismittarilla.

Kotimaisissa pienitehoisissa stabilitroneissa ja joissakin muissa laitteissa voi olla kaksi eriväristä rengasta tai pistettä kotelon vastakkaisilla puolilla. Tällaisen diodin tyypin ja sen nastan määrittämiseksi sinun on hankittava hakuteos tai löydettävä merkintätunniste Internetistä.

Diodien sovellukset

Yksinkertaisesta rakenteestaan huolimatta puolijohdediodit ovat laajalti käytössä elektroniikassa:

1. Oikaisua varten Vaihtojännite. Tyylilajin klassikko - p-n-liitoksen ominaisuuden käyttäminen virran johtamiseen yhteen suuntaan.
2. Diodi-ilmaisimet. Tässä käytetään hyväksi aaltomuodon epälineaarisuutta, jotta signaalista voidaan poimia harmonisia yliaaltoja, joista halutut yliaallot voidaan poimia suodattimilla.
3. Kaksi vastakkain rinnakkain kytkettyä diodia toimii rajoittimena suuritehoisille signaaleille, jotka voivat ylikuormittaa herkkien radiovastaanottimien tulovaiheita.
4. Stabilitronit voidaan sisällyttää kipinäsuojaelementteinä estämään korkeajännitepulssien pääsyn räjähdysvaarallisiin tiloihin asennettuihin anturipiireihin.
5. Diodit voivat toimia kytkinlaitteina suurtaajuuspiireissä. Ne avautuvat tasajännitteellä ja antavat HF-signaalin kulkea (tai olla kulkematta).
6. Parametriset diodit toimivat heikkojen signaalien vahvistimina mikroaaltoalueella, koska niiden ominaispiirteen suorassa linjassa on negatiivisen impedanssin osa.
7. Diodeja käytetään lähetys- tai vastaanottolaitteissa toimivien sekoittimien rakentamiseen. He sekoittavat heterodynaaminen signaali korkeataajuisen (tai matalataajuisen) signaalin kanssa jatkokäsittelyä varten. Näin hyödynnetään myös I-V-käyrän epälineaarisuutta.
8. Epälineaarisen ominaisuuden ansiosta UHF-diodia voidaan käyttää taajuuskerroinmuuttajana. Kun signaali kulkee kertodiodin läpi, korkeammat harmoniset yliaallot erotetaan. Nämä voidaan edelleen eristää suodattamalla.
9. Diodeja käytetään virityselementteinä resonanssipiireissä. Tässä hyödynnetään p-n-liitoksen hallittua kapasitanssia.
10. Joitakin diodityyppejä käytetään oskillaattoreina mikroaaltoalueella. Näitä ovat pääasiassa tunnelidiodit ja Gann-efektilaitteet.

Tämä on vain lyhyt kuvaus kahdella johdolla varustettujen puolijohdekomponenttien ominaisuuksista. Ominaisuuksien ja ominaisuuksien syvällisen tutkimisen avulla diodeja voidaan käyttää monien elektronisten laitteiden suunnittelijoille asetettujen haasteiden ratkaisemiseen.

Aiheeseen liittyvät artikkelit: