Apa itu dioda semikonduktor, jenis dioda dan grafik karakteristik volt-ampere?

Dioda semikonduktor banyak digunakan dalam teknik listrik dan elektronik. Dengan biaya rendah dan rasio daya terhadap ukuran yang baik, dengan cepat menggantikan perangkat vakum dengan tujuan yang sama.

Prinsip Konstruksi dan Operasi Dioda Semikonduktor

Dioda semikonduktor terdiri dari dua daerah (lapisan) yang terbuat dari semikonduktor (silikon, germanium, dll). Satu wilayah memiliki kelebihan elektron bebas (n-semikonduktor), yang lain memiliki kekurangan (p-semikonduktor) - ini dicapai dengan doping bahan dasar.Di antara mereka ada zona ukuran kecil di mana kelebihan elektron bebas dari sisi-n "menutup" lubang dari sisi-p (rekombinasi terjadi karena difusi), dan tidak ada pembawa muatan bebas di daerah ini. Ketika tegangan searah diterapkan, daerah rekombinasi kecil, resistansinya kecil, dan dioda mengalirkan arus ke arah ini. Ketika tegangan balik diterapkan, area tanpa pembawa akan meningkat, dan resistansi dioda akan meningkat. Tidak ada arus yang akan mengalir ke arah ini.

Jenis, Klasifikasi, dan Grafik dalam Rangkaian Listrik

Secara umum, dioda dalam rangkaian ditunjuk dengan panah bergaya yang menunjukkan arah arus. Penggambaran grafis konvensional (CSD) perangkat berisi dua lead - anoda dan katodayang dalam hubungan langsung masing-masing dihubungkan ke sisi plus dari rangkaian dan ke sisi minus.

Ada banyak jenis perangkat semikonduktor dua kutub ini, yang, tergantung pada tujuannya, mungkin memiliki CSD yang sedikit berbeda.

Stabilitron (Dioda Zener)

Stabilitron adalah perangkat semikonduktorIni beroperasi dengan tegangan balik di wilayah longsoran salju. Di wilayah ini, tegangan dioda Zener stabil pada berbagai arus yang melalui perangkat. Properti ini digunakan untuk menstabilkan tegangan di seluruh beban.

Stabilisator

Stabilitron melakukan pekerjaan yang baik untuk menstabilkan tegangan dari 2 V ke atas. Untuk mendapatkan tegangan konstan di bawah batas ini, digunakan stabilitron. Dengan doping bahan dari mana perangkat ini dibuat (silikon, selenium) vertikalitas tertinggi dari karakteristik garis lurus dicapai. Ini adalah mode di mana stabilisator beroperasi, menghasilkan tegangan referensi dalam 0,5...2 V pada cabang langsung dari karakteristik volt-ampere pada tegangan maju.

Dioda Schottky

Dioda Schottky didasarkan pada sirkuit logam-semikonduktor dan tidak memiliki sambungan yang sama. Ini menghasilkan dua sifat penting:

• Penurunan tegangan maju (sekitar 0,2 V);
• frekuensi operasi yang lebih tinggi karena kapasitansi intrinsik yang lebih rendah.

Kerugiannya termasuk peningkatan arus balik dan berkurangnya toleransi terhadap level tegangan balik.

Varicaps

Setiap dioda memiliki kapasitansi listrik. Dua muatan volumetrik (daerah semikonduktor p dan n) berfungsi sebagai penutup kapasitor, dan lapisan pengunci adalah dielektrik. Ketika tegangan balik diterapkan, lapisan ini mengembang dan kapasitansi berkurang. Sifat ini melekat pada semua dioda, tetapi dalam varikap kapasitansi dinormalisasi dan diketahui pada batas tegangan yang diberikan. Ini memungkinkan perangkat tersebut digunakan sebagai kapasitor kapasitas variabel dan digunakan untuk tuning atau fine-tuning sirkuit dengan memasok berbagai tingkat tegangan balik.

Dioda terowongan

Perangkat ini memiliki defleksi di bagian depan karakteristik, di mana peningkatan tegangan menyebabkan penurunan arus. Di wilayah ini, resistansi diferensial negatif. Properti ini memungkinkan dioda terowongan digunakan sebagai amplifier untuk sinyal lemah dan osilator pada frekuensi di atas 30 GHz.

Dinistor

Sebuah dynistor, yang merupakan thyristor dioda, memiliki struktur p-n-p-n dan bentuk gelombang S, dan tidak menghantarkan arus sampai tegangan yang diberikan mencapai tingkat ambang batas. Setelah itu, ia terbuka dan berperilaku seperti dioda normal sampai arus turun di bawah level penahanan. Dinistor digunakan dalam elektronika daya sebagai sakelar.

fotodioda

Fotodioda dibuat dalam wadah dengan akses cahaya tampak ke kristal. Ketika p-n junction disinari, sebuah EMF dihasilkan di dalamnya. Hal ini memungkinkan untuk menggunakan fotodioda sebagai sumber arus (sebagai bagian dari sel surya) atau sebagai sensor cahaya.

LED

Sifat utama fotodioda adalah dapat memancarkan cahaya ketika arus mengalir melalui sambungan p-n.Cahaya ini tidak terkait dengan intensitas pemanasan, seperti pada lampu pijar, sehingga perangkat ini ekonomis. Terkadang cahaya transisi langsung digunakan, tetapi lebih sering digunakan sebagai inisiator penyalaan fosfor. Ini memungkinkan untuk mendapatkan warna LED yang sebelumnya tidak dapat dicapai, seperti biru dan putih.

Dioda Gunn

Meskipun dioda Gann memiliki penunjukan grafis konvensional yang biasa, itu bukan dioda dalam arti penuh. Hal ini karena tidak memiliki p-n junction. Perangkat ini terdiri dari pelat galium arsenida pada substrat logam.

Tanpa membahas seluk-beluk proses: ketika menerapkan medan listrik dengan nilai tertentu di perangkat, ada osilasi listrik, yang periodenya tergantung pada ukuran pelat semikonduktor (tetapi dalam batas tertentu frekuensi dapat dikoreksi oleh elemen luar).

Dioda Gann digunakan sebagai osilator pada frekuensi 1 GHz dan lebih tinggi. Keuntungan dari perangkat ini adalah stabilitas frekuensi tinggi, dan kerugiannya adalah amplitudo osilasi listrik yang kecil.

Magnetodioda

Dioda konvensional dipengaruhi secara lemah oleh medan magnet luar. Magnetodioda memiliki desain khusus yang meningkatkan kepekaan terhadap pengaruh ini. Mereka dibuat menggunakan teknologi p-i-n dengan basis yang diperluas. Di bawah pengaruh medan magnet, resistansi perangkat dalam arah maju meningkat, dan ini dapat digunakan untuk membuat elemen sakelar tanpa kontak, transduser medan magnet, dll.

dioda laser

Prinsip pengoperasian dioda laser didasarkan pada sifat pasangan lubang elektron untuk memancarkan radiasi tampak monokromatik dan koheren dalam kondisi tertentu selama rekombinasi. Cara untuk menciptakan kondisi ini berbeda; pengguna hanya perlu mengetahui panjang gelombang yang dipancarkan oleh dioda dan kekuatannya.

Dioda rentang longsor.

Perangkat ini digunakan dalam aplikasi gelombang mikro.Dalam kondisi tertentu dalam mode kerusakan longsoran, bagian dengan resistansi diferensial negatif muncul pada karakteristik dioda. Properti LPD ini memungkinkan mereka untuk digunakan sebagai generator, bekerja pada panjang gelombang hingga kisaran milimeter. Di sana dimungkinkan untuk mendapatkan daya tidak kurang dari 1 W. Pada frekuensi yang lebih rendah, hingga beberapa kilowatt dikeluarkan dari dioda tersebut.

dioda PIN

Dioda ini dibuat menggunakan teknologi p-i-n. Di antara lapisan semikonduktor yang didoping adalah lapisan bahan yang tidak didoping. Untuk alasan ini, sifat penyearah dioda memburuk (rekombinasi berkurang pada tegangan balik karena tidak adanya kontak langsung antara zona p dan n). Tetapi karena pemisahan wilayah muatan massal, kapasitansi parasit menjadi sangat kecil, kebocoran sinyal pada frekuensi tinggi praktis dihilangkan dalam keadaan tertutup, dan dioda pin dapat digunakan pada HF dan UHF sebagai elemen switching.

Karakteristik utama dan parameter dioda

Karakteristik utama dioda semikonduktor (kecuali yang sangat khusus) adalah:

• Tegangan balik maksimum yang diizinkan (DC dan pulsa);
• membatasi frekuensi operasi;
• penurunan tegangan maju;
• rentang suhu operasi.

Karakteristik penting lainnya lebih baik untuk dipertimbangkan pada contoh CVC dioda - sehingga lebih jelas.

Karakteristik volt-ampere dari dioda semikonduktor

Karakteristik volt-ampere dioda semikonduktor terdiri dari cabang maju dan cabang mundur. Mereka terletak di kuadran I dan III, karena arah arus dan tegangan melalui dioda selalu bertepatan. Dari karakteristik volt-ampere dimungkinkan untuk menentukan beberapa parameter dan juga untuk melihat secara visual apa yang mempengaruhi karakteristik perangkat.

Tegangan Ambang Konduktivitas

Jika tegangan langsung diterapkan ke dioda dan mulai meningkatkannya, pada awalnya tidak akan terjadi apa-apa - arus tidak akan meningkat. Namun pada nilai tertentu dioda akan terbuka dan arus akan bertambah sesuai dengan tegangannya. Tegangan ini disebut tegangan ambang batas konduktivitas dan ditandai pada VAC sebagai ambang batas U. Itu tergantung pada bahan dari mana dioda dibuat. Untuk semikonduktor yang paling umum, parameter ini adalah:

• silikon - 0,6-0,8 V;
• Germanium - 0,2-0,3 V;
• galium arsenida - 1,5 V.

Sifat semikonduktor germanium untuk membuka pada tegangan rendah digunakan dalam rangkaian tegangan rendah dan situasi lainnya.

Arus maksimum melalui dioda ketika dinyalakan secara langsung

Setelah dioda dibuka, arusnya meningkat dengan meningkatnya tegangan maju. Untuk dioda ideal, grafik ini menuju tak terhingga. Dalam praktiknya, parameter ini dibatasi oleh kemampuan semikonduktor untuk menghilangkan panas. Ketika batas tertentu tercapai, dioda akan terlalu panas dan gagal. Untuk menghindari hal ini, pabrikan menentukan arus yang diijinkan tertinggi (Imax pada BAC). Secara kasar dapat ditentukan oleh ukuran dioda dan rumahnya. Dalam urutan menurun:

• arus tertinggi dipegang oleh perangkat dalam cangkang logam;
• Selungkup plastik dirancang untuk daya rata-rata;
• dioda dalam wadah kaca digunakan dalam rangkaian arus rendah.

Perangkat logam dapat dipasang pada radiator - ini akan meningkatkan disipasi daya.

Arus Kebocoran Terbalik

Jika tegangan balik diterapkan ke dioda, ammeter sensitivitas rendah tidak akan menunjukkan apa-apa. Faktanya, hanya dioda sempurna yang tidak membocorkan arus apa pun. Perangkat nyata akan memiliki arus, tetapi sangat kecil, dan disebut arus bocor terbalik (pada VAC, Iobr). Ini adalah puluhan mikroampere atau sepersepuluh miliampere dan jauh lebih kecil daripada arus maju. Anda dapat menemukannya di buku referensi.

Tegangan rusak

Pada nilai tegangan balik tertentu, terjadi peningkatan arus yang tajam yang disebut breakdown.Ini memiliki karakter tunneling atau longsoran dan reversibel. Mode ini digunakan untuk menstabilkan tegangan (mode avalanche) atau untuk membangkitkan pulsa (mode terowongan). Sebagai tegangan meningkat lebih lanjut kerusakan menjadi termal. Mode ini tidak dapat diubah dan dioda gagal.

Kapasitansi parasit pn junction

Telah disebutkan bahwa p-n junction memiliki kapasitansi listrik. Dan jika di varicaps properti ini berguna dan digunakan, di dioda biasa bisa berbahaya. Meskipun kapasitansi dalam urutan unit atau puluhan pF dan tidak terlalu mencolok pada frekuensi DC atau rendah, efeknya meningkat seiring dengan meningkatnya frekuensi. Beberapa picofarad di RF akan menciptakan resistansi yang cukup rendah untuk kebocoran sinyal parasit, menambah kapasitansi yang ada dan mengubah parameter rangkaian, dan bersama-sama dengan induktansi dari konduktor timah atau konduktor tercetak, membentuk rangkaian dengan resonansi parasit. Oleh karena itu, langkah-langkah diambil dalam pembuatan perangkat frekuensi tinggi untuk mengurangi kapasitansi sambungan.

Pelabelan dioda

Dioda logam diberi label dengan cara yang paling sederhana. Dalam kebanyakan kasus, mereka diberi label dengan nama perangkat dan pinnya. Dioda dalam wadah plastik ditandai dengan tanda cincin di sisi katoda. Tetapi tidak ada jaminan bahwa pabrikan secara ketat mengikuti aturan ini, jadi lebih baik berkonsultasi dengan buku referensi. Lebih baik lagi, uji perangkat dengan multimeter.

Stabilitron berdaya rendah domestik dan beberapa perangkat lain mungkin memiliki dua cincin atau titik dengan warna berbeda di sisi yang berlawanan dari kasing. Untuk menentukan jenis dioda dan pin tersebut, Anda harus mengambil buku referensi atau menemukan pengidentifikasi penandaan online di Internet.

Aplikasi untuk dioda

Meskipun konstruksinya sederhana, dioda semikonduktor banyak digunakan dalam elektronik:

1. Untuk memperbaiki tegangan AC. Klasik genre - menggunakan properti p-n junction untuk mengalirkan arus dalam satu arah.
2. Detektor dioda. Ini menggunakan non-linier dari kurva IV, yang memungkinkan untuk memisahkan harmonik dari sinyal, yang diperlukan yang dapat diisolasi oleh filter.
3. Dua dioda yang diaktifkan secara kontra-paralel berfungsi sebagai pembatas sinyal kuat, yang dapat membebani tahap input berikutnya dari penerima radio sensitif.
4. Stabilitron dapat dimasukkan sebagai elemen pelindung percikan untuk mencegah pulsa tegangan tinggi memasuki sirkuit sensor yang dipasang di area berbahaya.
5. Dioda dapat berfungsi sebagai perangkat switching di sirkuit frekuensi tinggi. Mereka membuka dengan tegangan DC dan membiarkan sinyal RF lewat (atau tidak).
6. Dioda parametrik berfungsi sebagai penguat sinyal lemah dalam rentang gelombang mikro karena adanya bagian dengan resistansi negatif di cabang langsung karakteristik.
7. Dioda digunakan untuk membangun mixer yang beroperasi pada peralatan transmisi atau penerima. Mereka mencampur sinyal heterodyne dengan sinyal frekuensi tinggi (atau frekuensi rendah) untuk pemrosesan selanjutnya. Di sini juga nonlinier IAC digunakan.
8. Sifat nonlinier memungkinkan dioda UHF digunakan sebagai pengali frekuensi. Ketika sinyal melewati dioda pengali, harmonik yang lebih tinggi dilepaskan. Ini dapat diisolasi lebih lanjut dengan penyaringan.
9. Dioda digunakan sebagai elemen penyetelan untuk rangkaian resonansi. Ini menggunakan keberadaan kapasitansi yang dapat dikontrol di persimpangan p-n.
10. Beberapa jenis dioda digunakan sebagai osilator dalam rentang gelombang mikro. Ini terutama dioda terowongan dan perangkat efek Gann.

Ini hanya deskripsi singkat tentang kemampuan perangkat semikonduktor dengan dua sadapan. Dengan studi mendalam tentang sifat dan karakteristik menggunakan dioda, banyak tantangan bagi perancang perangkat elektronik dapat diselesaikan.

Artikel terkait: