De diode in vaste toestand wordt veel gebruikt in elektrotechniek en elektronica. Met zijn lage kostprijs en goede verhouding tussen vermogen en grootte heeft het snel vacuüminstrumenten voor soortgelijke toepassingen vervangen.
Inhoud
Bouw en werking van een halfgeleiderdiode
Een halfgeleiderdiode bestaat uit twee gebieden (lagen) van een halfgeleider (silicium, germanium, enz.). Eén gebied heeft een overmaat aan vrije elektronen (n-halfgeleider), en één gebied heeft een tekort (p-halfgeleider) - dit wordt bereikt door het basismateriaal te doperen. Daartussen bevindt zich een kleine zone waarin een overmaat aan vrije elektronen van de n-pool de gaten van de p-pool "bedekt" (recombinatie door diffusie), en er zijn geen vrije ladingsdragers in dit gebied. Wanneer een gelijkspanning wordt toegepast, is het recombinatiegebied klein, de weerstand laag, en de diode voert stroom in die richting. Wanneer de sperspanning wordt aangelegd, zal de draaggolfvrije zone groeien en de weerstand van de diode toenemen. In deze richting zal geen stroom lopen.
Soorten, Classificatie en Grafieken in Elektrische Circuits
In het algemeen wordt een diode in een diagram aangegeven door een gestileerde pijl die de richting van de stroom aangeeft. Een conventionele grafische voorstelling (CSR) van een apparaat bevat twee aansluitingen - anode en kathodeDe tweepolige halfgeleiders zijn rechtstreeks verbonden met respectievelijk de plus- en de minkant van de stroomkring.
Er zijn vele variaties van dit tweepolige halfgeleiderelement, die een enigszins verschillende CSD kunnen hebben, afhankelijk van hun doel.
Stabilitrons (Zener Diodes)
Een stabilitron is een halfgeleiderapparaatHij werkt met sperspanning in het gebied van de lawinedoorslag. In dit gebied is de spanning over een Zener-diode stabiel over een groot bereik van de stroom door het apparaat. Deze eigenschap wordt gebruikt om de spanning over de belasting te stabiliseren.
Stabilisatoren
Stabilitrons kunnen spanningen van 2V en hoger goed stabiliseren. Om een constante spanning onder deze grens te verkrijgen, worden stabilisatoren gebruikt. Door het materiaal waaruit deze toestellen zijn vervaardigd (silicium, selenium) te doperen, wordt de grootst mogelijke verticaliteit van de rechte lijn van de karakteristiek bereikt. Dit is de modus waarin de stabilisatoren werken, waarbij een referentiespanning van tussen 0,5V en 2V wordt geproduceerd op de rechte lijntak van de voltampèrekarakteristiek bij voorwaartse spanning.
Schottky diodes
Schottky-dioden zijn gebaseerd op een halfgeleider-metaalschakeling en hebben geen gemeenschappelijke junctie. Dit levert twee belangrijke eigenschappen op:
- Verminderde voorwaartse spanningsval (ongeveer 0,2 V);
- Hogere bedrijfsfrequenties door lagere intrinsieke capaciteit.
De nadelen zijn hogere sperspanningen en lagere tolerantie voor sperspanning.
Varicaps.
Elke diode heeft een elektrische capaciteit. De twee bulkladingen (de p- en n-halfgeleidergebieden) dienen als omhulsel van de condensator, en het diëlektricum is de afsluitende laag. Wanneer een sperspanning wordt aangelegd, zet deze laag uit en neemt de capaciteit af. Deze eigenschap is inherent aan alle diodes, maar bij varicaps is de capaciteit genormaliseerd en bekend bij bepaalde spanningsgrenzen. Dit maakt het mogelijk om apparaten te gebruiken zoals condensatoren met variabele capaciteit en gebruikt om circuits af te stellen of te verfijnen door verschillende niveaus van sperspanning te leveren.
Tunnel diodes
Deze apparaten hebben een afbuiging in het voorwaartse deel van de karakteristiek, waarbij een toename van de spanning een afname van de stroom veroorzaakt. De differentiële weerstand is negatief in dit gebied. Deze eigenschap maakt het mogelijk tunneldioden te gebruiken als versterkers voor zwakke signalen en als oscillatoren bij frequenties boven 30 GHz.
Dynistors
Diode-thyristoren - Diode-thyristoren hebben een p-n-p-n structuur en hebben een S-vormige golfvorm, en geleiden geen stroom totdat de toegepaste spanning een drempelniveau bereikt. Daarna gaat hij open en gedraagt zich als een normale diode totdat de stroom onder het wachtniveau komt. Dinistors worden in de vermogenselektronica gebruikt als schakelaars.
Fotodiodes
Een fotodiode wordt gemaakt in een behuizing waarbij zichtbaar licht het kristal bereikt. Wanneer de p-n-overgang wordt bestraald, wordt er een EMF in opgewekt. Hierdoor kan de fotodiode worden gebruikt als stroombron (als onderdeel van een zonnecel) of als lichtsensor.
LED's .
De basiseigenschap van een fotodiode is dat deze licht kan uitzenden wanneer een stroom door een p-n-junctie loopt. Deze gloed gaat niet gepaard met de verwarmingsintensiteit van een gloeilamp, zodat het toestel zuinig is. Soms wordt de directe gloed van het knooppunt gebruikt, maar vaker wordt het gebruikt als een initiator om de fosfor te ontsteken. Dit heeft voorheen onbereikbare LED-kleuren mogelijk gemaakt, zoals blauw en wit.
Gunn diodes
Hoewel een Gann-diode het gebruikelijke symbool heeft, is het geen diode in de volledige zin van het woord. Dat komt omdat hij geen p-n-overgang heeft. Dit apparaat bestaat uit een galliumarsenide wafer op een metalen substraat.
Zonder in de bijzonderheden van de processen te treden: wanneer een elektrisch veld van een bepaalde grootte op een toestel wordt toegepast, worden elektrische oscillaties geproduceerd, waarvan de periode afhangt van de grootte van de halfgeleiderwafel (maar binnen bepaalde grenzen kan de frequentie worden gecorrigeerd door externe elementen).
Gann-dioden worden gebruikt als oscillatoren bij frequenties van 1 GHz en hoger. Het voordeel van het toestel is de hoge frequentiestabiliteit, het nadeel is de geringe amplitude van de elektrische oscillaties.
Magnetodiodes
Conventionele dioden worden slechts in geringe mate beïnvloed door externe magnetische velden. Magnetodiodes zijn speciaal ontworpen om hun gevoeligheid te verhogen. Ze zijn gemaakt met behulp van p-i-n technologie met een verlengde basis. Onder invloed van een magnetisch veld neemt de voorwaartse weerstand van het apparaat toe, en dit kan worden gebruikt om benaderingsschakelaars, magneetveldomzetters e.d. te maken.
Laserdioden
Het werkingsprincipe van een laserdiode is gebaseerd op de eigenschap van het elektron-gat paar om onder bepaalde omstandigheden tijdens de recombinatie monochromatisch en coherent zichtbaar licht uit te zenden. Er zijn verschillende manieren om deze voorwaarden te creëren, en de gebruiker hoeft alleen de golflengte te kennen die door de diode wordt uitgezonden en het vermogen daarvan.
Avalanche-spanningsdioden
Deze toestellen worden gebruikt in de microgolfindustrie. Onder bepaalde omstandigheden resulteert een lawine-uitval in een negatief differentiaalweerstandsgebied op de diodekarakteristiek. Deze eigenschap van LPD's maakt het mogelijk ze te gebruiken als generatoren, die werken bij golflengten tot in het millimeterbereik. Daar is het mogelijk een vermogen van ten minste 1 W te verkrijgen. Bij lagere frequenties produceren deze diodes tot enkele kilowatts.
PIN-dioden .
Deze diodes worden vervaardigd met behulp van p-i-n technologie. Tussen de gedoteerde lagen halfgeleiders bevindt zich een laag ongedoteerd materiaal. Om deze reden worden de gelijkrichtereigenschappen van de diode aangetast (de recombinatie wordt verminderd bij sperspanning door de afwezigheid van direct contact tussen de p- en n- zones). Anderzijds wordt de parasitaire capaciteit zeer klein door de afstand tussen de bulkcharge-gebieden, wordt signaallekkage bij hoge frequenties praktisch geëlimineerd in gesloten toestand, en kunnen speldioden op HF en UHF worden gebruikt als schakelelementen.
Belangrijkste kenmerken en parameters van diodes
De belangrijkste kenmerken van halfgeleiderdioden (met uitzondering van dioden voor speciale doeleinden) zijn
- maximaal toelaatbare sperspanning (DC en puls)
- de werkfrequentie te beperken;
- voorwaartse spanningsval;
- bedrijfstemperatuurbereik.
De andere belangrijke kenmerken kunnen beter worden geïllustreerd aan de hand van de I-V-kromme van de diode.
Spanning-ampèrekarakteristiek van een halfgeleiderdiode
De volt-ampèrekarakteristiek van een halfgeleiderdiode bestaat uit een voorwaartse en een achterwaartse tak. Zij bevinden zich in de kwadranten I en III, aangezien de richting van stroom en spanning door de diode altijd samenvallen. Uit de volt-ampèrekarakteristiek kunnen enkele parameters worden bepaald en kan ook visueel worden gezien welke invloed de kenmerken van het toestel hebben.
Geleidingsdrempelspanning
Indien een gelijkspanning op een diode wordt gezet en deze begint te stijgen, zal er in het begin niets gebeuren - de stroom zal niet stijgen. Maar bij een bepaalde waarde zal de diode openen en zal de stroom toenemen naarmate de spanning toeneemt. Deze spanning wordt de geleidingsdrempelspanning genoemd en wordt op de VAC aangeduid als U-drempel. Dat hangt af van het materiaal waarvan de diode is gemaakt. Voor de meest voorkomende halfgeleiders is deze parameter:
- silicium - 0,6-0,8 V;
- germanium - 0,2-0,3 V;
- Gallium arsenide - 1,5 V.
De eigenschap van germaniumhalfgeleiders om bij lage spanning open te gaan, wordt gebruikt in laagspanningscircuits en andere situaties.
Maximale stroom door een diode bij rechtstreekse inschakeling
Nadat een diode is geopend, neemt de stroom toe met toenemende voorwaartse spanning. Voor een ideale diode gaat deze grafiek naar oneindig. In de praktijk wordt het beperkt door het vermogen van de halfgeleider om warmte af te voeren. Als een bepaalde limiet wordt bereikt, zal de diode oververhitten en defect raken. Om dit te voorkomen, geven de fabrikanten de hoogst toelaatbare stroom aan (Imax op de CVC). Dit kan worden benaderd aan de hand van de grootte van de diode en de behuizing. In aflopende volgorde:
- In metaal gevatte apparaten houden de hoogste stroom vast;
- Plastic behuizingen zijn ontworpen voor gemiddeld vermogen;
- In glas gevatte diodes worden gebruikt in zwakstroomcircuits.
Metalen toestellen kunnen op radiatoren worden gemonteerd - dit zal het afvoervermogen verhogen.
Omgekeerde lekstroom
Als er sperspanning op een diode wordt gezet, zal een laag-gevoelige ampèremeter niets aangeven. In feite lekt alleen een perfecte diode geen stroom. Een echt apparaat zal stroom hebben, maar deze is zeer klein, en wordt omgekeerde lekstroom genoemd (op de golfvorm, Iobr). Hij bedraagt tientallen microamperes of tienden van milliamperes en is veel kleiner dan de voorwaartse stroom. Het kan worden vastgesteld aan de hand van een referentieboek.
Spanning afbreken
Bij een bepaalde waarde van de sperspanning treedt een snelle toename van de stroom op, die doorslag wordt genoemd. Dit is van het tunneling- of lawinetype en is omkeerbaar. Deze werkingswijze wordt gebruikt om de spanning te stabiliseren (lawinemodus) of om pulsen te genereren (tunnelmodus). Wanneer de spanning verder wordt opgevoerd, wordt de afbraak thermisch. Deze modus is onomkeerbaar en de diode faalt.
Parasitische capaciteit van de pn-overgang
Er is al gezegd dat een p-n-overgang elektrische capaciteit. En terwijl deze eigenschap in varicaps nuttig is en gebruikt wordt, kan zij in conventionele diodes schadelijk zijn. Hoewel de capaciteit is in de orde van eenheden of tientallen pF en is misschien niet merkbaar bij gelijkstroom of lage frequenties, maar het effect ervan neemt toe naarmate de frequentie toeneemt. Een paar picofarads bij RF zal een voldoende lage weerstand creëren voor parasitaire signaallekkage, toevoegen aan de bestaande capaciteit en de circuitparameters veranderen, en in combinatie met de inductie van een lood of gedrukte geleider een circuit vormen met parasitaire resonantie. Daarom worden bij de vervaardiging van hoogfrequente toestellen maatregelen genomen om de junctiecapaciteit te verminderen.
Etikettering van diodes
De eenvoudigste methode om diodes te labelen is het gebruik van een metalen behuizing. In de meeste gevallen zijn ze voorzien van een etiket met de aanduiding van het apparaat en de pintoewijzing. Diodes in plastic behuizingen zijn gemarkeerd met een ringmarkering aan de kathodezijde. Maar er is geen garantie dat de fabrikant zich strikt aan deze regel houdt, dus is het beter een naslagwerk te raadplegen. Beter nog, gebruik een multimeter om het apparaat te testen.
Huishoudelijke low-power stabilitrons en sommige andere apparaten kunnen twee ringen of stippen van verschillende kleuren hebben aan tegenover elkaar liggende zijden van de behuizing. Om het type van een dergelijke diode en de pin ervan te bepalen, moet u een naslagwerk raadplegen of op Internet een online-markeringszoeker vinden.
Toepassingen voor diodes
Ondanks hun eenvoudige constructie worden halfgeleiderdioden veel gebruikt in de elektronica:
- Om te rectificeren AC-spanning. Een klassieker in het genre - gebruik maken van de eigenschap van een p-n-overgang om stroom in één richting te geleiden.
- Diode detectoren. Hierbij wordt gebruik gemaakt van de niet-lineariteit van de golfvorm om harmonischen uit het signaal te halen, waarvan de gewenste harmonischen door filters kunnen worden opgepikt.
- Twee tegenparallel geschakelde diodes dienen als begrenzer voor signalen met een hoog vermogen die de stroomafwaartse ingangstrappen van gevoelige radio-ontvangers kunnen overbelasten.
- Stabilitrons kunnen worden opgenomen als vonkbeschermingselementen om te voorkomen dat hoogspanningspulsen de sensorcircuits bereiken die in gevaarlijke omgevingen zijn geïnstalleerd.
- Dioden kunnen dienen als schakelapparatuur in hoogfrequente circuits. Zij openen met gelijkspanning en laten het HF-signaal door (of niet).
- Parametrische dioden dienen als versterkers van zwakke signalen in het microgolfbereik door de aanwezigheid van een negatief-impedantiegedeelte in de rechte lijn van de karakteristiek.
- Dioden worden gebruikt om mixers te bouwen die werken in zend- of ontvangstapparatuur. Ze mixen heterodyne signaal met een hoogfrequent (of laagfrequent) signaal voor verdere verwerking. Dit maakt ook gebruik van de niet-lineariteit van de I-V curve.
- De niet-lineaire karakteristiek maakt het mogelijk UHF-dioden te gebruiken als frequentievermenigvuldigers. Wanneer een signaal door een vermenigvuldigingsdiode gaat, worden de hogere harmonischen geëxtraheerd. Deze kunnen verder worden geïsoleerd door filtering.
- Dioden worden gebruikt als afstemelementen in resonantiekringen. Dit maakt gebruik van de gecontroleerde capaciteit bij de p-n-overgang.
- Sommige soorten dioden worden gebruikt als oscillatoren in het microgolfbereik. Dit zijn hoofdzakelijk tunneldioden en Gann-effectelementen.
Dit is slechts een korte beschrijving van de mogelijkheden van halfgeleiderelementen met twee aansluitdraden. Met een grondige studie van de eigenschappen en kenmerken kunnen dioden worden gebruikt om veel van de uitdagingen op te lossen waarvoor ontwerpers van elektronische apparatuur zich gesteld zien.
Verwante artikelen:
