반도체 다이오드는 전기 공학 및 전자 분야에서 널리 사용됩니다. 저렴한 비용과 우수한 전력 대 크기 비율로 유사한 목적의 진공 장치를 빠르게 대체했습니다.
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반도체 다이오드의 구성 및 동작 원리
반도체 다이오드는 반도체(실리콘, 게르마늄 등)로 이루어진 두 영역(층)으로 구성됩니다. 한 영역에는 과잉 자유 전자(n-반도체)가 있고 다른 영역에는 부족(p-반도체)이 있습니다. 이는 기본 물질을 도핑하여 달성됩니다.그들 사이에는 n측의 과잉 자유 전자가 p측의 정공을 "닫히는" 작은 크기 영역이 있으며(확산으로 인해 재결합이 발생함) 이 영역에는 자유 전하 캐리어가 없습니다. 직류 전압이 인가되면 재결합 영역이 작고 저항이 작아 다이오드가 이 방향으로 전류를 전도합니다. 역전압이 인가되면 캐리어리스 면적이 증가하고 다이오드 저항이 증가합니다. 이 방향으로 전류가 흐르지 않습니다.
전기 회로의 유형, 분류 및 그래픽
일반적으로 회로의 다이오드는 전류의 방향을 나타내는 양식화된 화살표로 지정됩니다. 장치의 기존 그래픽 묘사(CSD)에는 두 개의 리드가 있습니다. 양극과 음극직접 연결에서 회로의 플러스 측과 마이너스 측 각각에 연결됩니다.
이 2극 반도체 장치에는 다양한 종류가 있으며 목적에 따라 약간 다른 CSD를 가질 수 있습니다.
안정자(제너 다이오드)
스태빌리트론은 반도체 소자이다.애벌랜치 항복 영역에서 역 전압으로 작동합니다. 이 영역에서 제너 다이오드 전압은 장치를 통과하는 광범위한 전류에 걸쳐 안정적입니다. 이 속성은 부하 양단의 전압을 안정화하는 데 사용됩니다.
안정기
Stabilitron은 2V 이상의 전압을 안정화하는 역할을 합니다. 이 한계 미만의 일정한 전압을 얻으려면 안정 장치가 사용됩니다. 이러한 장치를 만드는 재료(실리콘, 셀레늄)를 도핑함으로써 직선 특성의 가장 높은 수직성이 달성됩니다. 이것은 안정기가 작동하여 순방향 전압에서 볼트-암페어 특성의 직접 분기에서 0.5...2V 이내의 기준 전압을 생성하는 모드입니다.
쇼트키 다이오드
쇼트키 다이오드는 반도체-금속 회로를 기반으로 하며 공통 접합이 없습니다. 그 결과 두 가지 중요한 속성이 나타납니다.
- 감소된 순방향 전압 강하(약 0.2V);
- 낮은 고유 커패시턴스로 인해 더 높은 작동 주파수.
단점은 역전류가 증가하고 역전압 레벨에 대한 내성이 감소한다는 것입니다.
변종
각 다이오드에는 전기 용량이 있습니다. 두 개의 체적 전하(p 및 n 반도체 영역)는 커패시터의 덮개 역할을 하고 잠금 층은 유전체입니다. 역전압이 인가되면 이 층이 확장되고 커패시턴스가 감소합니다. 이 속성은 모든 다이오드에 고유하지만 varicaps에서 커패시턴스는 주어진 전압 한계에서 정규화되고 알려져 있습니다. 이를 통해 이러한 장치를 다음과 같이 사용할 수 있습니다. 가변 용량의 커패시터 다른 레벨의 역 전압을 공급하여 회로를 조정하거나 미세 조정하는 데 사용됩니다.
터널 다이오드
이러한 장치는 전압이 증가하면 전류가 감소하는 특성의 전방 섹션에 편향이 있습니다. 이 영역에서 차동 저항은 음수입니다. 이 속성을 통해 터널 다이오드를 30GHz 이상의 주파수에서 약한 신호 및 발진기에 대한 증폭기로 사용할 수 있습니다.
다이니스터
다이오드 사이리스터인 다이니스터(dynistor)는 p-n-p-n 구조와 S자 파형을 가지며 인가 전압이 임계값에 도달할 때까지 전류가 흐르지 않는다. 그 후 전류가 홀드 레벨 아래로 떨어질 때까지 일반 다이오드처럼 열리고 동작합니다. 디니스터는 전력 전자 장치에서 스위치로 사용됩니다.
포토다이오드
포토다이오드는 크리스탈에 가시광선 접근이 가능한 하우징에서 만들어집니다. p-n 접합이 조사되면 EMF가 생성됩니다. 이를 통해 포토다이오드를 전류 소스(태양 전지의 일부로) 또는 광 센서로 사용할 수 있습니다.
LED
포토 다이오드의 주요 특성은 전류가 pn 접합을 통해 흐를 때 빛을 방출할 수 있다는 것입니다.이 발광은 백열등과 같이 가열 강도와 관련이 없으므로 장치가 경제적입니다. 때로는 전이의 직접적인 광선이 사용되지만 더 자주는 인광체 점화 개시제로 사용됩니다. 이를 통해 이전에는 얻을 수 없었던 파란색 및 흰색과 같은 LED 색상을 얻을 수 있습니다.
건 다이오드
Gann 다이오드는 일반적인 기존 그래픽 지정을 가지고 있지만 완전한 의미의 다이오드는 아닙니다. p-n 접합이 없기 때문입니다. 이 장치는 금속 기판에 갈륨 비소 판으로 구성됩니다.
프로세스의 미묘함에 빠지지 않고 : 장치에 특정 값의 전기장을 적용하면 전기 진동이 발생하며 그 기간은 반도체 판의 크기에 따라 다릅니다 (그러나 특정 한계 내에서 주파수는 다음을 통해 수정할 수 있습니다. 외부 요소).
Gann 다이오드는 1GHz 이상의 주파수에서 발진기로 사용됩니다. 장치의 장점은 고주파 안정성이고 단점은 전기 진동의 작은 진폭입니다.
자기 다이오드
기존의 다이오드는 외부 자기장에 약한 영향을 받습니다. 자기 다이오드는 이러한 영향에 대한 감도를 증가시키는 특별한 디자인을 가지고 있습니다. 그들은 확장 된 기반과 함께 p-i-n 기술을 사용하여 만들어집니다. 자기장의 영향으로 순방향의 장치 저항이 증가하며 이는 비접촉식 스위칭 소자, 자기장 변환기 등을 만드는 데 사용할 수 있습니다.
레이저 다이오드
레이저 다이오드의 작동 원리는 재결합 동안 특정 조건에서 단색 및 일관된 가시광선을 방출하는 전자-정공 쌍의 특성을 기반으로 합니다. 이러한 조건을 만드는 방법은 다릅니다. 사용자는 다이오드에서 방출되는 파장과 그 전력만 알면 됩니다.
애벌랜치 스패닝 다이오드.
이 장치는 마이크로파 응용 분야에 사용됩니다.애벌랜치 항복 모드의 특정 조건에서 음의 차동 저항이 있는 섹션이 다이오드 특성에 나타납니다. LPD의 이러한 특성으로 인해 최대 밀리미터 범위의 파장에서 작동하는 발전기로 사용할 수 있습니다. 거기에서 1W 이상의 전력을 얻을 수 있습니다. 더 낮은 주파수에서 이러한 다이오드에서 최대 몇 킬로와트가 제거됩니다.
PIN 다이오드
이 다이오드는 p-i-n 기술을 사용하여 만들어집니다. 반도체의 도핑된 층 사이에는 도핑되지 않은 재료 층이 있습니다. 이러한 이유로 다이오드의 정류기 특성이 악화됩니다(p-존과 n-존 사이에 직접 접촉이 없기 때문에 역전압에서 재결합이 감소함). 그러나 벌크 전하 영역의 분리로 인해 기생 커패시턴스가 매우 작아지고 폐쇄 상태에서 고주파에서의 신호 누출이 실질적으로 제거되며 HF 및 UHF에서 핀 다이오드를 스위칭 소자로 사용할 수 있습니다.
다이오드의 주요 특성 및 매개변수
반도체 다이오드의 주요 특성(고도로 특화된 다이오드 제외)은 다음과 같습니다.
- 최대 허용 역전압(DC 및 펄스);
- 작동 주파수를 제한하십시오.
- 순방향 전압 강하;
- 작동 온도 범위.
다른 중요한 특성은 다이오드의 CVC의 예에서 고려하는 것이 좋으므로 더 명확합니다.
반도체 다이오드의 볼트-암페어 특성
반도체 다이오드의 볼트-암페어 특성은 순방향 분기와 역방향 분기로 구성됩니다. 다이오드를 통과하는 전류와 전압의 방향이 항상 일치하기 때문에 사분면 I 및 III에 있습니다. 볼트-암페어 특성에서 일부 매개변수를 결정하고 장치의 특성이 어떤 영향을 미치는지 시각적으로 확인할 수 있습니다.
전도도 임계 전압
직류 전압이 다이오드에 적용되고 증가하기 시작하면 처음에는 아무 일도 일어나지 않습니다. 전류는 증가하지 않습니다. 그러나 특정 값에서 다이오드가 열리고 전압에 따라 전류가 증가합니다. 이 전압을 전도도 임계값 전압이라고 하며 VAC에 U 임계값으로 표시됩니다. 다이오드가 만들어지는 재료에 따라 다릅니다. 가장 일반적인 반도체의 경우 이 매개변수는 다음과 같습니다.
- 실리콘 - 0.6-0.8V;
- 게르마늄 - 0.2-0.3V;
- 갈륨 비소 - 1.5V
저전압에서 열리는 게르마늄 반도체의 특성은 저전압 회로 및 기타 상황에서 사용됩니다.
직접 켤 때 다이오드를 통한 최대 전류
다이오드가 열리면 순방향 전압이 증가함에 따라 전류가 증가합니다. 이상적인 다이오드의 경우 이 그래프는 무한대로 이동합니다. 실제로 이 매개변수는 반도체의 열 발산 능력에 의해 제한됩니다. 특정 한계에 도달하면 다이오드가 과열되어 고장납니다. 이를 방지하기 위해 제조업체는 최대 허용 전류(BAC의 Imax)를 지정합니다. 다이오드와 하우징의 크기에 따라 대략적으로 결정될 수 있습니다. 내림차순:
- 가장 높은 전류는 금속 쉘의 장치에 의해 유지됩니다.
- 플라스틱 인클로저는 평균 전력을 위해 설계되었습니다.
- 유리 케이스의 다이오드는 저전류 회로에 사용됩니다.
금속 장치를 라디에이터에 장착할 수 있습니다. 이렇게 하면 전력 손실이 증가합니다.
역 누설 전류
다이오드에 역전압이 가해지면 저감도 전류계는 아무것도 표시되지 않습니다. 사실 완벽한 다이오드만이 전류를 흘리지 않습니다. 실제 장치에는 전류가 흐르지만 매우 작으며 역 누설 전류(VAC, Iobr에서)라고 합니다. 수십 마이크로 암페어 또는 1/10 밀리 암페어이며 순방향 전류보다 훨씬 작습니다. 참고서에서 찾을 수 있습니다.
고장 전압
역 전압의 특정 값에서 항복이라고하는 전류가 급격히 증가합니다.터널링 또는 눈사태 특성이 있으며 되돌릴 수 있습니다. 이 모드는 전압을 안정화(애벌런치 모드)하거나 펄스를 생성(터널 모드)하는 데 사용됩니다. 전압이 더 증가함에 따라 항복은 열이 됩니다. 이 모드는 되돌릴 수 없으며 다이오드가 고장납니다.
pn 접합의 기생 커패시턴스
pn 접합은 이미 언급되었습니다. 전기 용량. 그리고 varicaps에서이 속성이 유용하고 사용되는 경우 일반 다이오드에서는 해로울 수 있습니다. 하지만 커패시턴스는 단위 순서입니다. 또는 수십 pF이고 DC 또는 저주파에서 눈에 띄지 않지만 주파수가 증가함에 따라 그 효과가 증가합니다. RF에서 몇 개의 피코패럿은 기생 신호 누출에 대해 충분히 낮은 저항을 생성하고 기존 커패시턴스를 추가하고 회로 매개변수를 변경하며 리드 또는 인쇄된 도체의 인덕턴스와 함께 기생 공진이 있는 회로를 형성합니다. 따라서 접합 커패시턴스를 줄이기 위해 고주파 장치의 제조에 조치가 취해집니다.
다이오드 라벨링
금속 다이오드는 가장 간단한 방법으로 레이블이 지정됩니다. 대부분의 경우 장치 이름과 핀으로 레이블이 지정됩니다. 플라스틱 케이스의 다이오드는 음극 쪽에 링 마크가 표시되어 있습니다. 그러나 제조업체가이 규칙을 엄격히 준수한다는 보장은 없으므로 참고서를 참조하는 것이 좋습니다. 더 나은 방법은 멀티미터로 장치를 테스트하는 것입니다.
가정용 저전력 안정 장치 및 일부 기타 장치에는 케이스의 반대쪽에 서로 다른 색상의 두 개의 고리 또는 점이 있을 수 있습니다. 이러한 다이오드와 핀의 유형을 결정하려면 참고서를 가져오거나 인터넷에서 온라인 마킹 식별자를 찾아야 합니다.
다이오드용 애플리케이션
간단한 구조에도 불구하고 반도체 다이오드는 전자 제품에 널리 사용됩니다.
- 교정용 교류 전압. 장르의 고전 - pn 접합의 특성을 사용하여 전류를 한 방향으로 전도합니다.
- 다이오드 감지기. 이것은 I-V 곡선의 비선형성을 사용하여 신호에서 고조파를 분리할 수 있으며 필요한 고조파는 필터로 분리할 수 있습니다.
- 역병렬로 스위칭된 2개의 다이오드는 민감한 무선 수신기의 후속 입력 단계에 과부하를 줄 수 있는 강력한 신호의 제한기 역할을 합니다.
- 고전압 펄스가 위험 지역에 설치된 센서 회로에 들어가는 것을 방지하기 위해 스태빌리트론을 스파크 보호 요소로 포함할 수 있습니다.
- 다이오드는 고주파 회로에서 스위칭 장치 역할을 할 수 있습니다. DC 전압으로 열리고 RF 신호가 통과(또는 통과하지 않음)되도록 합니다.
- 파라 메트릭 다이오드는 특성의 직접 분기에 음의 저항이있는 섹션이 있기 때문에 마이크로파 범위에서 약한 신호의 증폭기 역할을합니다.
- 다이오드는 전송 또는 수신 장비에서 작동하는 믹서를 만드는 데 사용됩니다. 그들은 혼합 헤테로다인 신호 후속 처리를 위해 고주파수 (또는 저주파) 신호로. 여기서도 IAC의 비선형성이 사용됩니다.
- 비선형 특성으로 인해 UHF 다이오드를 주파수 증배기로 사용할 수 있습니다. 신호가 멀티플라이어 다이오드를 통과하면 더 높은 고조파가 방출됩니다. 이들은 필터링을 통해 추가로 격리할 수 있습니다.
- 다이오드는 공진 회로의 튜닝 요소로 사용됩니다. 이것은 pn 접합에서 제어 가능한 커패시턴스의 존재를 사용합니다.
- 일부 유형의 다이오드는 마이크로파 범위에서 발진기로 사용됩니다. 이들은 주로 터널 다이오드와 간 효과 소자입니다.
이것은 두 개의 리드가 있는 반도체 장치의 기능에 대한 간략한 설명일 뿐입니다. 다이오드를 사용하는 특성과 특성에 대한 심도 있는 연구를 통해 전자 장치 설계자가 겪는 많은 문제를 해결할 수 있습니다.
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