半導体ダイオードは、電気工学および電子工学で広く使用されています。低コストで出力対サイズ比が優れているため、同様の目的の真空装置をすぐに置き換えました。
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半導体ダイオードの構造と動作原理
半導体ダイオードは、半導体（シリコン、ゲルマニウムなど）でできた2つの領域（層）で構成されています。一方の領域には過剰な自由電子 (n 半導体) があり、もう一方の領域には不足 (p 半導体) があります。これは、基材をドーピングすることによって実現されます。それらの間には、n 側からの過剰な自由電子が p 側からの正孔を「閉じる」小さなサイズのゾーンがあり (拡散により再結合が発生します)、この領域には自由電荷キャリアはありません。直流電圧が印加されると、再結合領域は小さく、その抵抗は小さく、ダイオードはこの方向に電流を伝導します。逆電圧が印加されると、キャリアレス領域が増加し、ダイオード抵抗が増加します。この方向には電流は流れません。
電気回路のタイプ、分類、およびグラフィックス
一般に、回路内のダイオードは、電流の方向を示す様式化された矢印で指定されます。デバイスの従来のグラフィック描写 (CSD) には、2 つのリードが含まれています。 陽極と陰極それぞれ回路のプラス側とマイナス側に直結しています。
この 2 極半導体デバイスにはさまざまな種類があり、目的に応じて CSD がわずかに異なる場合があります。
スタビリトロン（ツェナーダイオード）
スタビリトロンは半導体デバイスですアバランシェ降伏領域では逆電圧で動作します。この領域では、ツェナー ダイオードの電圧は、デバイスを流れる広範囲の電流にわたって安定しています。この特性は、負荷の両端の電圧を安定させるために使用されます。
安定剤
スタビリトロンは、2 V 以上の電圧を安定させるのに優れています。この制限を下回る一定の電圧を得るには、スタビリトロンが使用されます。これらのデバイスの材料 (シリコン、セレン) をドーピングすることにより、直線特性の最高の垂直性が達成されます。これは安定器が動作するモードで、順方向電圧での電圧-アンペア特性の直接分岐で 0.5...2 V 以内の基準電圧を生成します。
ショットキーダイオード
ショットキー ダイオードは、半導体金属回路に基づいており、共通接合部がありません。これにより、次の 2 つの重要なプロパティが得られます。
- 順方向電圧降下の低減 (約 0.2 V);
- 固有静電容量が低いため、動作周波数が高くなります。
不利な点には、逆電流の増加と逆電圧レベルに対する耐性の低下が含まれます。
バリキャップ
各ダイオードには電気容量があります。 2 つの体積電荷 (p および n 半導体領域) がコンデンサのカバーとして機能し、ロック層が誘電体です。逆電圧が印加されると、この層が膨張し、静電容量が減少します。この特性はすべてのダイオードに固有のものですが、バリキャップでは静電容量は正規化されており、特定の電圧制限で既知です。これにより、そのようなデバイスを次のように使用できます。 可変容量コンデンサ 異なるレベルの逆電圧を供給することにより、回路の調整または微調整に使用されます。
トンネルダイオード
これらのデバイスは、電圧の増加が電流の減少を引き起こす特性の前方セクションに偏向があります。この領域では、微分抵抗は負です。この特性により、トンネル ダイオードを 30 GHz を超える周波数の弱い信号や発振器の増幅器として使用できます。
ダイニスターズ
ダイオード サイリスタであるダイニスタは、pnpn 構造と S 字型の波形を持ち、印加電圧がしきい値レベルに達するまで電流を伝導しません。その後、電流が保持レベルを下回るまで開き、通常のダイオードのように動作します。ダイニスタは、パワー エレクトロニクスでスイッチとして使用されます。
フォトダイオード
フォトダイオードは、結晶への可視光アクセスを備えたハウジング内に作られています。 pn接合が照射されると、そこにEMFが発生します。これにより、フォトダイオードを電流源 (太陽電池の一部として) または光センサーとして使用することが可能になります。
LED
フォトダイオードの主な特性は、電流が pn 接合を流れるときに光を放出できることです。このグローは、白熱灯のように加熱の強さとは関係がないため、デバイスは経済的です。トランジションの直接グローが使用されることもありますが、より多くの場合、蛍光体の点火イニシエーターとして使用されます。これにより、青や白など、これまで実現できなかったLEDの色が得られるようになりました。
ガンダイオード
ギャン ダイオードには通常の従来のグラフィック表示がありますが、完全な意味でのダイオードではありません。これは、pn接合がないためです。このデバイスは、金属基板上のガリウムヒ素プレートで構成されています。
プロセスの微妙な点には触れずに、デバイスに特定の値の電界を印加すると、電気振動が発生し、その周期は半導体プレートのサイズに依存します (ただし、特定の制限内では、周波数は次の方法で修正できます)。外部要素)。
ギャン ダイオードは、1 GHz 以上の周波数で発振器として使用されます。このデバイスの利点は高い周波数安定性であり、欠点は電気振動の振幅が小さいことです。
マグネトダイオード
従来のダイオードは、外部磁場の影響をほとんど受けません。マグネトダイオードには、この影響に対する感度を高める特別な設計があります。それらは拡張ベースの p-i-n テクノロジーを使用して作られています。磁場の影響下では、順方向のデバイス抵抗が増加し、これを使用して非接触スイッチング素子、磁場トランスデューサなどを作成できます。
レーザーダイオード
レーザー ダイオードの動作原理は、電子と正孔のペアが再結合中に特定の条件下で単色でコヒーレントな可視光を放出するという特性に基づいています。これらの条件を作成する方法は異なります。ユーザーは、ダイオードが放射する波長とその出力を知るだけで済みます。
アバランシェ スパニング ダイオード。
これらのデバイスは、マイクロ波アプリケーションで使用されます。アバランシェ降伏モードの特定の条件下では、ダイオード特性に負性微分抵抗を持つ部分が現れます。 LPD のこの特性により、LPD を発生器として使用することができ、ミリ範囲までの波長で動作します。そこでは、1 W以上の電力を得ることができます。より低い周波数では、そのようなダイオードから最大数キロワットが取り除かれます。
ピンダイオード
これらのダイオードは、p-i-n 技術を使用して作られています。ドープされた半導体層の間には、ドープされていない材料の層がある。このため、ダイオードの整流特性が悪化します (p ゾーンと n ゾーンが直接接触しないため、逆電圧での再結合が減少します)。しかし、バルク充電領域が分離されているため、寄生容量は非常に小さくなり、高周波での信号漏れは閉状態で実質的に排除され、ピンダイオードはスイッチング素子としてHFおよびUHFで使用できます。
ダイオードの主な特性とパラメータ
半導体ダイオードの主な特徴（高度に特殊化されたものを除く）は次のとおりです。
- 最大許容逆電圧 (DC およびパルス);
- 動作周波数を制限します。
- 順方向電圧降下;
- 動作温度範囲。
他の重要な特性は、ダイオードの CVC の例で検討したほうがよいため、より明確になります。
半導体ダイオードのボルトアンペア特性
半導体ダイオードの電圧-アンペア特性は、順分岐と逆分岐で構成されます。ダイオードを通る電流と電圧の方向は常に一致するため、それらは象限IとIIIにあります。電圧-アンペア特性から、いくつかのパラメータを決定し、デバイスの特性がどのような影響を与えるかを視覚的に確認することができます。
導電率閾値電圧
ダイオードに直流電圧が印加されて増加し始めると、最初は何も起こらず、電流は増加しません。しかし、特定の値でダイオードが開き、電圧に応じて電流が増加します。この電圧は導電率しきい値電圧と呼ばれ、VAC では U しきい値としてマークされています。それは、ダイオードが作られている材料に依存します。最も一般的な半導体の場合、このパラメーターは次のとおりです。
- シリコン - 0.6-0.8 V;
- ゲルマニウム - 0.2-0.3 V;
- ガリウムヒ素 - 1.5 V。
ゲルマニウム半導体が低電圧で開く性質を利用して、低電圧回路などに利用されています。
直接スイッチを入れたときのダイオードを流れる最大電流
ダイオードが開いた後、その電流は順方向電圧の増加とともに増加します。理想ダイオードの場合、このグラフは無限大になります。実際には、このパラメータは半導体の熱放散能力によって制限されます。特定の制限に達すると、ダイオードが過熱して故障します。これを回避するために、メーカーは最大許容電流 (BAC の Imax) を指定しています。ダイオードとそのハウジングのサイズによって大まかに決定できます。降順:
- 最大電流は、金属シェル内のデバイスによって保持されます。
- プラスチック製の筐体は、平均的な電力向けに設計されています。
- ガラスケースに入ったダイオードは、低電流回路で使用されます。
金属製のデバイスをラジエーターに取り付けることができます-これにより、電力消費が増加します。
逆漏れ電流
逆電圧がダイオードに印加されると、感度の低い電流計は何も表示しません。実際、完全なダイオードだけが電流をリークしません。実際のデバイスには電流がありますが、それは非常に小さく、逆漏れ電流 (VAC では Iobr) と呼ばれます。それは数十マイクロアンペアまたは数ミリアンペアであり、順方向電流よりもはるかに小さいです。参考書でわかります。
降伏電圧
逆電圧のある値で、ブレークダウンと呼ばれる電流の急激な増加があります。トンネルまたは雪崩の特徴があり、リバーシブルです。このモードは、電圧の安定化 (アバランシェ モード) またはパルスの生成 (トンネル モード) に使用されます。電圧がさらに上昇すると、破壊は熱的になります。このモードは元に戻せず、ダイオードは故障します。
pn接合の寄生容量
pn接合があることはすでに述べました。 電気容量.そして、バリキャップでこの特性が有用で使用されている場合、通常のダイオードでは有害になる可能性があります。それでも 静電容量は単位のオーダーです または数十pFであり、DCまたは低周波数では目立ちませんが、周波数が高くなるにつれてその影響が大きくなります。 RF での数ピコファラッドは、寄生信号漏れに対して十分に低い抵抗を作成し、既存の静電容量を増やして回路パラメータを変更し、リードまたはプリント導体のインダクタンスと一緒に、寄生共振を伴う回路を形成します。このため、高周波デバイスの製造では、接合容量を低減するための対策が講じられています。
ダイオード標識
金属ダイオードは、最も簡単な方法でラベル付けされています。ほとんどの場合、デバイス名とそのピンでラベル付けされています。プラスチックケースに入ったダイオードは、カソード側にリングマークが付いています。ただし、メーカーがこのルールを厳密に守っているとは限りませんので、参考書などを参考にしてください。さらに良いことに、マルチメーターでデバイスをテストします。
国産の低出力スタビリトロンやその他のデバイスには、ケースの反対側に異なる色の 2 つのリングまたはドットがある場合があります。このようなダイオードとそのピンのタイプを特定するには、参考書を入手するか、インターネットでオンラインのマーキング識別子を見つける必要があります。
ダイオードの用途
シンプルな構造にもかかわらず、半導体ダイオードは電子機器で広く使用されています。
- 整流用 交流電圧.ジャンルの古典 - pn 接合の特性を利用して電流を一方向に伝導します。
- ダイオード検出器。これは、I-V 曲線の非線形性を利用して、信号から高調波を分離することを可能にし、必要な高調波はフィルターによって分離することができます。
- 逆並列に切り替えられた 2 つのダイオードは、強力な信号のリミッターとして機能し、敏感なラジオ受信機の後続の入力段を過負荷にする可能性があります。
- スタビリトロンは、高電圧パルスが危険な場所に設置されたセンサー回路に入るのを防ぐための火花保護要素として含めることができます。
- ダイオードは、高周波回路のスイッチング デバイスとして機能します。それらは DC 電圧で開き、RF 信号を通過させます (または通過させません)。
- パラメトリックダイオードは、特性の直接分岐に負性抵抗を持つセクションが存在するため、マイクロ波範囲の弱い信号の増幅器として機能します。
- ダイオードは、送信または受信機器で動作するミキサーを構築するために使用されます。彼らは混ざります ヘテロダイン信号 その後の処理のために高周波（または低周波）信号を使用します。ここでも IAC の非線形性が使用されます。
- 非線形特性により、UHF ダイオードを周波数逓倍器として使用できます。信号がマルチプライヤ ダイオードを通過すると、高調波が放出されます。これらは、フィルタリングによってさらに分離できます。
- ダイオードは、共振回路の同調素子として使用されます。これは、pn 接合に制御可能な静電容量が存在することを利用しています。
- いくつかのタイプのダイオードは、マイクロ波範囲の発振器として使用されます。これらは主にトンネルダイオードとギャン効果デバイスです。
これは、2 つのリードを備えた半導体デバイスの機能の簡単な説明にすぎません。ダイオードを使用した特性と特性の詳細な研究により、電子デバイス設計者の多くの課題を解決できます。
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