A szilárdtest-diódát széles körben használják az elektrotechnikában és az elektronikában. Alacsony költségével és jó teljesítmény/méret arányával gyorsan felváltotta a hasonló alkalmazású vákuumos eszközöket.
Tartalomjegyzék
Félvezető dióda felépítése és működése
A félvezető dióda két félvezetőből (szilícium, germánium stb.) készült területből (rétegből) áll. Az egyik régióban többlet szabad elektronok vannak (n-félvezető), a másikban pedig hiány (p-félvezető) - ezt az alapanyag adalékolásával érik el. A kettő között van egy kis zóna, amelyben az n pólusról származó szabad elektronok többlete "elfedi" a p p pólusról származó lyukakat (diffúziós rekombináció), és ebben a régióban nincsenek szabad töltéshordozók. Egyenfeszültség alkalmazása esetén a rekombinációs tartomány kicsi, ellenállása alacsony, és a dióda ebben az irányban vezeti az áramot. Ha fordított feszültséget alkalmazunk, a vivőmentes zóna megnő, és a dióda ellenállása megnő. Ebben az irányban nem folyik áram.
Típusok, osztályozás és grafika az elektromos áramkörökben
Általában a diódát az ábrán az áram irányát jelző stilizált nyíl jelzi. Egy eszköz hagyományos grafikus ábrázolása (CSR) két terminált tartalmaz - anód és katódA kétpólusú félvezetők közvetlen összeköttetésben vannak az áramkör plusz és mínusz oldalához csatlakoztatva.
Ennek a kétpólusú félvezető eszköznek számos változata létezik, amelyek rendeltetésüktől függően kissé eltérő CSD-vel rendelkezhetnek.
Stabilitronok (Zener diódák)
A stabilitron egy félvezető eszköz, amelyA lavinaszerű átbomlási tartományban fordított feszültséggel működik. Ebben a tartományban a Zener-diódán keresztüli feszültség az eszközön átfolyó áram széles tartományában stabil. Ezt a tulajdonságot a terhelésen keresztüli feszültség stabilizálására használják.
Stabilizátorok
A stabilitronok jól stabilizálják a 2 V-os és a feletti feszültségeket. Annak érdekében, hogy e határérték alatt állandó feszültséget érjenek el, stabilizátorokat használnak. Az anyag, amelyből ezek az eszközök készülnek (szilícium, szelén) doppingolásával a karakterisztika egyenesének lehető legnagyobb függőlegességét érik el. Ebben az üzemmódban működnek a stabilizátorok, amelyek 0,5V és 2V közötti referenciafeszültséget állítanak elő a volt-amper karakterisztika egyenes ágán az előremenő feszültségen.
Schottky diódák
A Schottky-diódák félvezető-fém áramkörön alapulnak, és nincs közös átmenetük. Ez két fontos tulajdonságot biztosít:
- Csökkentett előremenő feszültségesés (kb. 0,2 V);
- Magasabb működési frekvenciák az alacsonyabb saját kapacitás miatt.
Hátránya a nagyobb fordított áram és a kisebb tolerancia a fordított feszültséggel szemben.
Varicaps .
Minden diódának van egy elektromos kapacitása. A két ömlesztett töltés (a p és n félvezető tartományok) a kondenzátor héjaként szolgálnak, a dielektrikum pedig a záróréteg. Ha fordított feszültséget alkalmazunk, ez a réteg kitágul, és a kapacitás csökken. Ez a tulajdonság minden diódának sajátja, de a varikapszisok esetében a kapacitás normalizált és adott feszültséghatárok mellett ismert. Ez lehetővé teszi az olyan eszközök használatát, mint változó kapacitású kondenzátorok és az áramkörök hangolására vagy finomhangolására használják különböző szintű fordított feszültségek biztosításával.
Alagútdiódák
Ezeknél az eszközöknél a karakterisztika előremenő szakaszában van egy olyan eltérés, amelyben a feszültség növekedése az áram csökkenését okozza. A differenciális ellenállás negatív ezen a területen. Ez a tulajdonság lehetővé teszi, hogy az alagútdiódákat gyenge jelek erősítőjeként és 30 GHz feletti frekvenciákon oszcillátorként használják.
Dinisztorok
Diódás tirisztorok - A diódás tirisztorok p-n-p-n szerkezetűek, S alakú hullámformával rendelkeznek, és nem vezetnek áramot, amíg az alkalmazott feszültség el nem ér egy küszöbszintet. Ezután kinyílik, és úgy viselkedik, mint egy normál dióda, amíg az áram a tartási szint alá nem esik. A dinisztorokat a teljesítményelektronikában kapcsolóként használják.
Fotodiódák
A fotodióda egy házban készül, a kristályra látható fény jut. Amikor a p-n átmenetet besugározzák, EMF keletkezik benne. Ez lehetővé teszi, hogy a fotodióda áramforrásként (napelem részeként) vagy fényérzékelőként használható legyen.
LED-ek .
A fotodióda alapvető tulajdonsága, hogy akkor képes fényt kibocsátani, ha egy p-n átmenetben áram folyik. Ez az izzás nem párosul az izzó fűtési intenzitásával, így a készülék gazdaságos. Néha a csomópont közvetlen izzását használják, de gyakrabban a foszfor meggyújtásához használják iniciátorként. Ez olyan, korábban elérhetetlen LED-színeket tett lehetővé, mint a kék és a fehér.
Gunn diódák
Bár a Gann-dióda a szokásos szimbólummal rendelkezik, a szó teljes értelmében nem dióda. Ez azért van, mert nincs p-n átmenet. Ez az eszköz egy fémszubsztráton lévő gallium-arzenidszeletből áll.
Anélkül, hogy belemennénk a folyamatok bonyolultságába: amikor egy bizonyos nagyságú elektromos mezőt alkalmazunk egy eszközre, elektromos rezgések keletkeznek, amelyek periódusa a félvezető ostya méretétől függ (de bizonyos határokon belül a frekvencia külső elemekkel korrigálható).
A Gann-diódákat 1 GHz-es vagy annál magasabb frekvenciákon használják oszcillátorként. A készülék előnye a nagy frekvenciastabilitás, hátránya az elektromos rezgések kis amplitúdója.
Magnetodiódák
A hagyományos diódákra a külső mágneses mezők gyengén hatnak. A magnetodiódákat kifejezetten az érzékenységük növelése érdekében tervezték. A p-i-n technológiával készültek, kiterjesztett talppal. Mágneses mező hatására az eszköz átmenő ellenállása megnő, és ezt fel lehet használni közelségkapcsolók, mágneses mező átalakítók és hasonlók létrehozására.
Lézerdiódák
A lézerdióda működési elve az elektron-lyuk pár azon tulajdonságán alapul, hogy bizonyos körülmények között a rekombináció során monokromatikus és koherens látható fényt bocsát ki. E feltételek megteremtésének módjai különbözőek, és a felhasználónak csak a dióda által kibocsátott hullámhosszot és annak teljesítményét kell ismernie.
Lavinás pásztázó diódák
Ezeket az eszközöket a mikrohullámú iparban használják. Bizonyos körülmények között a lavinaszerű átbomlási mód a dióda karakterisztikáján negatív differenciálellenállási tartományt eredményez. Az LPD-k ezen tulajdonsága lehetővé teszi, hogy generátorként használják őket, akár milliméteres hullámhosszon is működve. Ott legalább 1 W teljesítményt lehet elérni. Alacsonyabb frekvenciákon ezek a diódák akár több kilowattot is termelnek.
PIN diódák .
Ezeket a diódákat p-i-n technológiával gyártják. Az adalékolt félvezető rétegek között van egy nem adalékolt anyagréteg. Emiatt a dióda egyenirányító tulajdonságai romlanak (a p- és n- zóna közötti közvetlen kapcsolat hiánya miatt a rekombináció csökken a fordított feszültségnél). Másrészt az ömlesztett töltésrészek távolsága miatt a parazita kapacitás nagyon kicsi lesz, a jelszivárgás magas frekvenciákon zárt állapotban gyakorlatilag megszűnik, és a pin diódák HF és UHF tartományban kapcsolóelemként használhatók.
A diódák főbb jellemzői és paraméterei
A félvezető diódák fő jellemzői (a speciális célú diódák kivételével) a következők
- maximálisan megengedett fordított feszültség (egyenáram és impulzus)
- korlátozza a működési frekvenciát;
- előremenő feszültségesés;
- üzemi hőmérséklet-tartomány.
A többi fontos jellemzőt jobban szemlélteti a dióda I-V görbéje.
Félvezető dióda feszültség-amper karakterisztikája
A félvezető dióda feszültség-amper karakterisztikája egy előremenő és egy hátramenő ágból áll. Ezek az I. és III. kvadránsban helyezkednek el, mivel a diódán áthaladó áram és feszültség iránya mindig egybeesik. A feszültség-amper karakterisztikából meghatározható néhány paraméter, és vizuálisan is látható, hogy a készülék jellemzői mire hatnak.
Vezetési küszöbfeszültség
Ha egyenfeszültséget kapcsolunk egy diódára, és elkezdjük növelni azt, először semmi sem fog történni - az áram nem fog emelkedni. Egy bizonyos értéknél azonban a dióda kinyílik, és az áram a feszültségnek megfelelően növekszik. Ezt a feszültséget nevezzük vezetési küszöbfeszültségnek, és a VAC-on U-küszöbként van jelölve. Ez attól függ, hogy milyen anyagból készült a dióda. A leggyakoribb félvezetők esetében ez a paraméter:
- szilícium - 0,6-0,8 V;
- germánium - 0,2-0,3 V;
- Gallium-arzenid - 1,5 V.
A germánium félvezetők azon tulajdonságát, hogy kisfeszültségnél kinyílnak, kisfeszültségű áramkörökben és más helyzetekben használják.
A diódán átfolyó maximális áram közvetlen feszültség alatt
Miután egy dióda kinyílt, az áramerőssége az előremenő feszültség növekedésével növekszik. Ideális dióda esetén ez a grafikon a végtelenbe megy. A gyakorlatban a félvezető hőleadó képessége korlátozza. Ha egy bizonyos határértéket elér, a dióda túlmelegszik és meghibásodik. Ennek elkerülése érdekében a gyártók feltüntetik a legnagyobb megengedett áramot (Imax a CVC-n). Ez a dióda és a ház mérete alapján közelíthető meg. Csökkenő sorrendben:
- A fémmel burkolt eszközök tartják a legnagyobb áramot;
- A műanyag burkolatokat közepes teljesítményre tervezték;
- Az üvegkapszulázott diódákat kisáramú áramkörökben használják.
A fémkészülékek radiátorokra szerelhetők - ez növeli a hőleadó képességet.
Fordított szivárgási áram
Ha egy diódára fordított feszültséget kapcsolunk, egy alacsony érzékenységű árammérő semmit sem fog mutatni. Valójában csak egy tökéletes dióda nem szivárogtat áramot. Egy valódi eszközben van áram, de ez nagyon kicsi, és fordított szivárgási áramnak nevezik (a hullámformán Iobr). Ez több tíz mikroamper vagy tized milliamper, és sokkal kisebb, mint az előremenő áram. Ezt a referencia könyv alapján lehet meghatározni.
A feszültség lebontása
A fordított feszültség egy bizonyos értékénél az áram gyors növekedése következik be, amit átütésnek nevezünk. Ez alagút- vagy lavinatípusú, és visszafordítható. Ez a működési mód a feszültség stabilizálására (lavinamód) vagy impulzusok létrehozására (alagút üzemmód) szolgál. Ha a feszültséget tovább növeljük, a meghibásodás termikussá válik. Ez az üzemmód visszafordíthatatlan, és a dióda meghibásodik.
A pn-összeköttetés parazita kapacitása
Már említettük, hogy a p-n átmenetnek van elektromos kapacitás. És míg a varikapszisoknál ez a tulajdonság hasznos és hasznos, a hagyományos diódáknál káros lehet. Bár a a kapacitás egységnyi nagyságrendű vagy több tíz pF, és egyenáramnál vagy alacsony frekvenciákon nem feltétlenül észrevehető, hatása a frekvencia növekedésével növekszik. Néhány pikofarád RF-en elég alacsony ellenállást hoz létre a parazita jelszivárgáshoz, hozzáadódik a meglévő kapacitáshoz és megváltoztatja az áramkör paramétereit, valamint egy vezeték vagy nyomtatott vezető induktivitásával kombinálva parazita rezonanciájú áramkört alkot. Ezért a nagyfrekvenciás eszközök gyártása során intézkedéseket tesznek a csomóponti kapacitás csökkentése érdekében.
A diódák címkézése
A diódák feliratozásának legegyszerűbb módja a fémház használata. A legtöbb esetben az eszköz megnevezésével és a csatlakozótüskék hozzárendelésével vannak felcímkézve. A műanyag burkolatú diódákat a katódoldalon gyűrűs jelöléssel látják el. De nincs garancia arra, hogy a gyártó szigorúan betartja ezt a szabályt, ezért jobb, ha egy szakkönyvhöz fordul. Még jobb, ha multiméterrel teszteli a készüléket.
A hazai kis teljesítményű stabilitronok és néhány más készülék két különböző színű gyűrűvel vagy ponttal rendelkezhet a készülékház ellentétes oldalán. Egy ilyen dióda típusának és csapjának meghatározásához be kell szereznie egy szakkönyvet, vagy találnia kell egy online jelölésazonosítót az interneten.
A diódák alkalmazásai
Egyszerű felépítésük ellenére a félvezető diódákat széles körben használják az elektronikában:
- A helyesbítéshez Váltakozó feszültség. A műfaj klasszikusa - a p-n átmenet tulajdonságának kihasználása az áram egy irányba történő vezetésére.
- Diódaérzékelők. Ez a hullámforma nemlinearitását használja ki arra, hogy a jelből harmonikusokat lehessen kivonni, amelyekből a kívánt harmonikusokat szűrőkkel ki lehet venni.
- Két ellenpárhuzamosan kapcsolt dióda szolgál a nagy teljesítményű jelek korlátozójaként, amelyek túlterhelhetik az érzékeny rádióvevőkészülékek alsó bemeneti fokozatait.
- A Stabilitronok szikravédelmi elemként beépíthetők, hogy megakadályozzák, hogy a nagyfeszültségű impulzusok elérjék a veszélyes területeken telepített érzékelő áramköröket.
- A diódák nagyfrekvenciás áramkörökben kapcsolószerként szolgálhatnak. Egyenfeszültséggel nyitnak, és átengedik (vagy nem engedik) a HF jelet.
- A parametrikus diódák a mikrohullámú tartományban gyenge jelek erősítőjeként szolgálnak, mivel a karakterisztika egyenesében negatív ellenállású szakasz található.
- A diódákat az adó- vagy vevőberendezésekben működő keverők építésére használják. Összekeverik heterodin jel egy nagyfrekvenciás (vagy alacsony frekvenciájú) jellel a további feldolgozáshoz. Ez is kihasználja az IAC nemlinearitását.
- A nemlineáris karakterisztika lehetővé teszi, hogy az UHF-diódákat frekvenciaszorzóként használják. Amikor egy jel áthalad egy szorzó diódán, a magasabb felharmonikusok kivonásra kerülnek. Ezek szűréssel tovább elkülöníthetők.
- A diódákat rezonáns áramkörökben hangolóelemként használják. Ez kihasználja a p-n átmenet szabályozott kapacitását.
- Néhány diódafajtát oszcillátorként használnak a mikrohullámú tartományban. Ezek főként alagútdiódák és Gann-effektusú eszközök.
Ez csak egy rövid leírás a kétvezetékes félvezető eszközök képességeiről. A tulajdonságok és jellemzők alapos tanulmányozásával a diódák számos, az elektronikai eszközök tervezői előtt álló kihívás megoldására használhatók.
Kapcsolódó cikkek:
