Cietvielu diodi plaši izmanto elektrotehnikā un elektronikā. Tā kā tā ir lēta un ar labu jaudas un izmēra attiecību, tā ir ātri aizstājusi līdzīga lietojuma vakuuma ierīces.
Saturs
Pusvadītāju diodes konstrukcija un darbība
Pusvadītāju diode sastāv no diviem apgabaliem (slāņiem), kas izgatavoti no pusvadītāja (silīcija, ģermānija utt.). Vienā apgabalā ir brīvo elektronu pārpalikums (n pusvadītājs), bet otrā - to trūkums (p pusvadītājs) - tas tiek panākts ar pamatmateriāla dopingu. Starp tām ir neliela zona, kurā brīvo elektronu pārpalikums no n pola "pārklāj" caurumus no p p pola (rekombinācija difūzijas ceļā), un šajā zonā nav brīvu lādiņnesēju. Ja tiek pielikts līdzspriegums, rekombinācijas apgabals ir mazs, tā pretestība ir zema, un diode vada strāvu šajā virzienā. Ja tiek pielikts reversais spriegums, palielināsies bez nesēja zona un palielināsies diodes pretestība. Šajā virzienā strāva plūdīs.
Veidi, klasifikācija un grafikas elektriskās ķēdēs
Parasti diode diagrammā ir norādīta ar stilizētu bultiņu, kas norāda strāvas virzienu. Ierīces konvencionāli grafiskajā attēlojumā (CSR) ir divi termināli - anoda un katodaDivpolu pusvadītāji ir tieši savienoti attiecīgi ar ķēdes plusa un mīnusa pusi.
Šai divpolu pusvadītāju ierīcei ir daudz paveidu, un atkarībā no tās mērķa var būt nedaudz atšķirīgs CSD.
Stabilitroni (Zenera diodes)
Stabilizitrons ir pusvadītāju ierīce.Tas darbojas ar reverso spriegumu lavīnas sadalīšanās apgabalā. Šajā apgabalā spriegums Zenera diodē ir stabils plašā strāvas plūsmas diapazonā caur ierīci. Šo īpašību izmanto, lai stabilizētu spriegumu slodzē.
Stabilizatori
Stabilitroni labi stabilizē spriegumu no 2 V un vairāk. Lai iegūtu nemainīgu spriegumu zem šīs robežas, tiek izmantoti stabilizatori. Dopējot materiālu, no kura izgatavotas šīs ierīces (silīciju, selēnu), tiek panākts lielākais iespējamais raksturlīknes taisnes vertikālums. Šajā režīmā stabilizatori darbojas, radot atskaites spriegumu no 0,5 V līdz 2 V uz volt-ampēra raksturlīknes taisnvirziena atzara pie tiešā sprieguma.
Šotkija diodes
Šotkija diodes ir balstītas uz pusvadītāja un metāla shēmu, un tām nav kopīga savienojuma. Tas nodrošina divas svarīgas īpašības:
- Samazināts tiešā sprieguma kritums (aptuveni 0,2 V);
- Augstākas darba frekvences zemākas iekšējās kapacitātes dēļ.
Trūkumi ir lielākas reversās strāvas un zemāka tolerance pret reverso spriegumu.
Varicaps .
Katrai diodei ir elektriskā kapacitāte. Divi tilpuma lādiņi (p un n pusvadītāja apgabali) kalpo kā kondensatora čaulas, un dielektriķis ir bloķējošais slānis. Kad tiek pielikts reversais spriegums, šis slānis paplašinās un kapacitāte samazinās. Šī īpašība ir raksturīga visām diodēm, bet varikapiem kapacitāte ir normalizēta un zināma pie noteiktām sprieguma robežām. Tas ļauj izmantot tādas ierīces kā kondensatori ar mainīgu kapacitāti un izmanto, lai regulētu vai precizētu shēmas, pievadot dažādus reversā sprieguma līmeņus.
Tuneļa diodes
Šīm ierīcēm ir novirze raksturlīknes tiešajā daļā, kurā sprieguma palielināšanās izraisa strāvas samazināšanos. Diferenciālā pretestība šajā apgabalā ir negatīva. Šī īpašība ļauj izmantot tuneļdiodes kā vāju signālu pastiprinātājus un kā oscilatorus frekvencēs virs 30 GHz.
Diniatori
Diodu tiristori - Diodu tiristoriem ir p-n-p-n struktūra, un tiem ir S-veida viļņu forma, un tie nelaiž strāvu, kamēr pieliktais spriegums nesasniedz robežlīmeni. Pēc tam tā atveras un darbojas kā parasta diode, līdz strāva nokrīt zem aiztures līmeņa. Dinistorus izmanto energoelektronikā kā slēdžus.
Fotodiodes
Fotodiods ir izgatavots korpusā, kurā kristālu sasniedz redzamā gaisma. Kad p-n pāreja tiek apstarota, tajā rodas EML. Tas ļauj fotodiodu izmantot kā strāvas avotu (kā daļu no saules baterijas) vai kā gaismas sensoru.
Gaismas diodes .
Fotodiodes pamatīpašība ir tā, ka tā var izstarot gaismu, ja caur p-n krustojumu plūst strāva. Šis mirdzums nav saistīts ar siltuma intensitāti, kā tas ir ar kvēlspuldzi, tāpēc ierīce ir ekonomiska. Dažreiz tiek izmantots tiešais spīdums no savienojuma, bet biežāk to izmanto kā iniciatoru, lai aizdedzinātu luminoforu. Tas ir ļāvis radīt iepriekš nesasniedzamas LED krāsas, piemēram, zilu un baltu.
Gunna diodes
Lai gan Gana diodei ir ierastais simbols, tā nav diode vārda pilnā nozīmē. Tas ir tāpēc, ka tam nav p-n savienojuma. Šī ierīce sastāv no gallija arsenīda plāksnītes uz metāla pamatnes.
Neiedziļinoties procesu niansēs: kad ierīcei tiek pielikts noteikta lieluma elektriskais lauks, rodas elektriskās svārstības, kuru periods ir atkarīgs no pusvadītāju plāksnītes izmēra (bet noteiktās robežās frekvenci var koriģēt ar ārējiem elementiem).
Ganna diodes izmanto kā oscilatorus frekvencēs 1 GHz un augstāk. Ierīces priekšrocība ir augstfrekvences stabilitāte, bet trūkums - nelielā elektrisko svārstību amplitūda.
Magnetodiodes
Parastās diodes vāji ietekmē ārējie magnētiskie lauki. Magnetodiodes ir īpaši izstrādātas, lai palielinātu to jutību. Tie ir izgatavoti, izmantojot p-i-n tehnoloģiju ar pagarinātu pamatni. Magnētiskā lauka ietekmē ierīces tiešā pretestība palielinās, un to var izmantot, lai izveidotu tuvinājuma slēdžus, magnētiskā lauka pārveidotājus un tamlīdzīgi.
Lāzera diodes
Lāzera diodes darbības princips balstās uz elektronu-durvju pāra īpašību noteiktos apstākļos rekombinācijas laikā izstarot monohromatisku un koherentu redzamo gaismu. Šo apstākļu radīšanas veidi ir dažādi, un lietotājam ir jāzina tikai diodes izstarotā viļņa garums un jauda.
Lavīnu aptverošās diodes
Šīs ierīces tiek izmantotas mikroviļņu rūpniecībā. Noteiktos apstākļos lavīnveida sadalīšanās režīmā diodes raksturlīknē rodas negatīvas diferenciālās pretestības apgabals. Šī LPD īpašība ļauj tos izmantot kā ģeneratorus, kas darbojas līdz pat milimetru viļņu garumā. Tur ir iespējams iegūt vismaz 1 W jaudu. Zemākās frekvencēs šīs diodes rada līdz pat vairākiem kilovatiem.
PIN diodes .
Šīs diodes tiek ražotas, izmantojot p-i-n tehnoloģiju. Starp leģēto pusvadītāju slāņiem ir nedopēta materiāla slānis. Šī iemesla dēļ diodes iztaisnotāja īpašības ir pasliktinātas (rekombinācija samazinās pie reversā sprieguma, jo nav tieša kontakta starp p- un n- zonu). No otras puses, pateicoties attālumam starp tilpuma lādiņa apgabaliem, parazītiskā kapacitāte kļūst ļoti maza, signāla noplūde augstās frekvencēs slēgtā stāvoklī ir praktiski novērsta, un pin diodes var izmantot HF un UHF kā komutācijas elementus.
Diodu galvenie raksturlielumi un parametri
Pusvadītāju diodēm (izņemot speciālās diodes) ir šādas galvenās īpašības.
- maksimālais pieļaujamais reversais spriegums (līdzstrāvas un impulsa)
- ierobežot darba frekvenci;
- sprieguma kritums uz priekšu;
- darba temperatūras diapazons.
Citas svarīgas īpašības labāk ilustrē diodes I-V līkne.
Pusvadītāju diodes volt-ampēra raksturojums
Pusvadītāju diodes volt-ampēra raksturlīkne sastāv no tiešā un atpakaļgaitas atzara. Tie atrodas I un III kvadrantā, jo strāvas un sprieguma virziens caur diodi vienmēr sakrīt. No volt-ampēra raksturlieluma var noteikt dažus parametrus, kā arī vizuāli redzēt, ko ietekmē ierīces raksturlielumi.
Vadītspējas sliekšņa spriegums
Ja diodei pievada līdzstrāvu un sāk to palielināt, sākumā nekas nenotiks - strāva nepalielināsies. Bet pie noteiktas vērtības diode atvērsies un strāva palielināsies atbilstoši spriegumam. Šo spriegumu sauc par vadītspējas sliekšņa spriegumu, un tas ir atzīmēts uz VAC kā U slieksnis. Tas ir atkarīgs no materiāla, no kura izgatavota diode. Visbiežāk sastopamajiem pusvadītājiem šis parametrs ir:
- silīcijs - 0,6-0,8 V;
- germānijs - 0,2-0,3 V;
- Gallija arsenīds - 1,5 V.
Ģermānija pusvadītāju īpašība atvērties pie zema sprieguma tiek izmantota zemsprieguma ķēdēs un citās situācijās.
Maksimālā strāva caur diodi, kad tā ir tieši pieslēgta strāvai
Pēc tam, kad diode ir atvērusies, tās strāva pieaug, palielinoties tiešajam spriegumam. Ideālam diodam šis grafiks iet līdz bezgalībai. Praksē to ierobežo pusvadītāja spēja izkliedēt siltumu. Ja tiek sasniegta noteikta robeža, diode pārkarst un sabojājas. Lai no tā izvairītos, ražotāji norāda lielāko pieļaujamo strāvu (Imax uz CVC). To var aptuveni noteikt pēc diodes un tās korpusa izmēra. Dilstošā secībā:
- Vislielāko strāvu saglabā ierīces ar metāla apvalku;
- Plastmasas korpusi ir paredzēti vidējas jaudas;
- Stikla iekapsulētās diodes tiek izmantotas zemas strāvas ķēdēs.
Metāla ierīces var uzstādīt uz radiatoriem - tas palielinās izkliedes spēju.
Reversās noplūdes strāva
Ja diodei tiek pielikts reversais spriegums, zemas jutības ampērmetrs neko neuzrādīs. Patiesībā tikai perfekta diode nelaiž strāvu. Reālai ierīcei būs strāva, bet tā ir ļoti maza, un to sauc par reversās noplūdes strāvu (uz viļņu formas, Iobr). Tā ir desmitiem mikroamperu vai desmitdaļas miliamperu un ir daudz mazāka par tiešo strāvu. To var noteikt pēc atsauces grāmatas.
Sprieguma sadalīšana
Pie noteiktas reversā sprieguma vērtības strauji palielinās strāva, ko sauc par sadalījumu. Tas ir tuneļveida vai lavīnveida un atgriezenisks. Šo darbības režīmu izmanto, lai stabilizētu spriegumu (lavīnas režīms) vai ģenerētu impulsus (tuneļošanas režīms). Ja spriegums tiek palielināts vēl vairāk, sadalījums kļūst termisks. Šis režīms ir neatgriezenisks, un diode nedarbojas.
Pn savienojuma parazītiskā kapacitāte
Jau tika minēts, ka p-n savienojumam ir elektriskā kapacitāte. Un, lai gan varikapos šī īpašība ir noderīga un izmantojama, parastajās diodēs tā var būt kaitīga. Lai gan kapacitāte ir mērvienību kārtībā vai desmitiem pF un var nebūt pamanāms pie līdzstrāvas vai zemām frekvencēm, tā ietekme palielinās, palielinoties frekvencei. Daži pikosfaradi RF frekvencē radīs pietiekami zemu pretestību parazītiskajai signāla noplūdei, papildinās esošo kapacitāti un mainīs shēmas parametrus, kā arī apvienosies ar svina vai iespiestā vadītāja induktivitāti, veidojot ķēdi ar parazītisku rezonansi. Tāpēc, ražojot augstfrekvences ierīces, tiek veikti pasākumi, lai samazinātu savienojuma kapacitāti.
Diožu marķēšana
Vienkāršākā metode diodu marķēšanai ir izmantot metāla korpusu. Vairumā gadījumu tie ir marķēti, norādot ierīces apzīmējumu un pieslēgumu. Diodes plastmasas korpusos ir marķētas ar gredzena zīmi katoda pusē. Taču nav garantijas, ka ražotājs stingri ievēro šo noteikumu, tāpēc labāk ir iepazīties ar kādu uzziņu grāmatu. Vēl labāk ierīces pārbaudei izmantojiet multimetru.
Mājsaimniecības mazjaudas stabilizatoriem un dažām citām ierīcēm var būt divi dažādu krāsu gredzeni vai punkti pretējās korpusa pusēs. Lai noteiktu šādas diodes tipu un tās tapu, jums ir jāsaņem uzziņu grāmata vai jāatrod tiešsaistes marķējuma identifikators internetā.
Diodu lietojumi
Neskatoties uz to vienkāršo uzbūvi, pusvadītāju diodes tiek plaši izmantotas elektronikā:
- labošanai Maiņstrāvas spriegums. Žanra klasika - p-n savienojuma īpašības izmantošana, lai vadītu strāvu vienā virzienā.
- Diožu detektori. Tas izmanto viļņu formas nelinearitāti, lai no signāla varētu izdalīt harmonikas, no kurām vēlamās harmonikas var uztvert ar filtriem.
- Divas diodes, kas ieslēgtas pretī paralēli, kalpo kā ierobežotājs lieljaudas signāliem, kas var pārslogot jutīgu radiouztvērēju pakāpju ieejas posmus.
- Stabilitronus var iekļaut kā dzirksteļaizsardzības elementus, lai novērstu augstsprieguma impulsu nokļūšanu sensoru ķēdēs, kas uzstādītas bīstamās zonās.
- Diodes var kalpot kā komutācijas ierīces augstfrekvences ķēdēs. Tie atveras ar līdzstrāvas spriegumu un ļauj (vai neļauj) HF signālam iziet cauri.
- Parametriskās diodes kalpo kā vāju signālu pastiprinātāji mikroviļņu diapazonā, jo raksturlīknes taisnajā līnijā ir negatīvas impedances daļa.
- Diodes izmanto, lai izveidotu mikserus, kas darbojas raidīšanas vai uztveršanas iekārtās. Viņi sajauc heterodīna signāls ar augstfrekvences (vai zemas frekvences) signālu tālākai apstrādei. Tādējādi tiek izmantota arī I-V līknes nelinearitāte.
- Nelineārā raksturojuma dēļ UHF diodes var izmantot kā frekvenču reizinātājus. Kad signāls iet caur reizinātāja diodi, tiek izdalītas augstākās harmonikas. Tos var tālāk izolēt, izmantojot filtrēšanu.
- Diodes tiek izmantotas kā noskaņošanas elementi rezonanses ķēdēs. Tādējādi tiek izmantota p-n savienojuma kontrolētā kapacitāte.
- Dažu veidu diodes tiek izmantotas kā oscilatori mikroviļņu diapazonā. Tās galvenokārt ir tuneļa diodes un Gana efekta ierīces.
Šis ir tikai īss apraksts par pusvadītāju ierīču ar diviem izvadiem iespējām. Padziļināti izpētot diodes īpašības un raksturlielumus, tās var izmantot, lai atrisinātu daudzas problēmas, ar kurām saskaras elektronisko ierīču projektētāji.
Saistītie raksti:
