Dioda półprzewodnikowa jest szeroko stosowana w elektrotechnice i elektronice. Dzięki niskim kosztom i dobremu stosunkowi mocy do wielkości szybko zastąpił urządzenia próżniowe o podobnym zastosowaniu.
Spis treści
Budowa i działanie diody półprzewodnikowej
Dioda półprzewodnikowa składa się z dwóch regionów (warstw) wykonanych z półprzewodnika (krzemu, germanu itp.). Jeden region ma nadmiar wolnych elektronów (półprzewodnik n), a drugi niedobór (półprzewodnik p) - uzyskuje się to przez domieszkowanie materiału podstawowego. Pomiędzy nimi znajduje się niewielka strefa, w której nadmiar elektronów swobodnych z bieguna n "przykrywa" dziury z bieguna p (rekombinacja przez dyfuzję) i w tym obszarze nie ma swobodnych nośników ładunku. Gdy przyłożone jest napięcie stałe, obszar rekombinacji jest mały, jego rezystancja jest niska, a dioda przewodzi prąd w tym kierunku. Po przyłożeniu napięcia wstecznego strefa wolna od nośnika powiększa się, a rezystancja diody wzrasta. W tym kierunku nie będzie płynął prąd.
Rodzaje, klasyfikacja i grafika w obwodach elektrycznych
Na ogół dioda jest oznaczona na schemacie stylizowaną strzałką wskazującą kierunek prądu. Konwencjonalna reprezentacja graficzna (CSR) urządzenia zawiera dwa zaciski - anoda i katodaDwubiegunowe półprzewodniki są podłączone bezpośrednio, odpowiednio, do plusa i minusa obwodu.
Istnieje wiele odmian tego dwubiegunowego przyrządu półprzewodnikowego, które w zależności od przeznaczenia mogą mieć nieco inne CSD.
Stabilitrony (diody Zenera)
Stabilitron jest urządzeniem półprzewodnikowymDziała on przy napięciu wstecznym w obszarze przebicia lawinowego. W tym obszarze napięcie na diodzie Zenera jest stabilne w szerokim zakresie prądu przepływającego przez urządzenie. Ta właściwość jest wykorzystywana do stabilizacji napięcia na obciążeniu.
Stabilizatory
Stabilizatory dobrze radzą sobie ze stabilizacją napięć od 2V wzwyż. Aby uzyskać stałe napięcie poniżej tej granicy, stosuje się stabilizatory. Poprzez domieszkowanie materiału, z którego wykonane są te urządzenia (krzem, selen), uzyskuje się największą możliwą pionowość linii prostej charakterystyki. W tym trybie pracy stabilizatory wytwarzają napięcie odniesienia o wartości od 0,5 V do 2 V na gałęzi przedniej charakterystyki woltowo-amperowej przy napięciu zasilania.
Diody Schottky'ego
Diody Schottky'ego są oparte na układzie półprzewodnik-metal i nie mają wspólnego złącza. Zapewnia to dwie ważne właściwości:
- Zmniejszony spadek napięcia zasilania (około 0,2 V);
- Wyższe częstotliwości pracy dzięki mniejszej pojemności wewnętrznej.
Wadą tego rozwiązania są wyższe prądy wsteczne i mniejsza tolerancja na napięcie wsteczne.
Varicaps .
Każda dioda ma pojemność elektryczną. Dwa ładunki masowe (obszary półprzewodnikowe p i n) służą jako wkładki kondensatora, a dielektryk jest warstwą blokującą. Gdy przyłożone jest napięcie wsteczne, warstwa ta rozszerza się i pojemność maleje. Ta właściwość jest nieodłączną cechą wszystkich diod, ale w przypadku warikapów pojemność jest znormalizowana i znana przy określonych wartościach granicznych napięcia. Umożliwia to korzystanie z takich urządzeń jak kondensatory o zmiennej pojemności i używane do strojenia lub dostrajania obwodów poprzez dostarczanie różnych poziomów napięcia wstecznego.
Diody tunelowe
Urządzenia te mają odchylenie w przedniej części charakterystyki, w której wzrost napięcia powoduje spadek prądu. W tym obszarze opór różnicowy jest ujemny. Dzięki tej właściwości diody tunelowe mogą być stosowane jako wzmacniacze słabych sygnałów oraz jako oscylatory przy częstotliwościach powyżej 30 GHz.
Dynistory
Dynistor to tyrystor diodowy o strukturze p-n-p-n i kształcie fali S, który nie przewodzi prądu, dopóki przyłożone napięcie nie osiągnie poziomu progowego. Następnie otwiera się i zachowuje jak zwykła dioda, dopóki prąd nie spadnie poniżej poziomu podtrzymania. Dinistory są stosowane w energoelektronice jako przełączniki.
Fotodiody
Fotodioda jest umieszczona w obudowie, a do kryształu dociera światło widzialne. Gdy złącze p-n jest napromieniowane, wytwarza się w nim EMF. Dzięki temu fotodioda może być wykorzystywana jako źródło prądu (jako część ogniwa słonecznego) lub jako czujnik światła.
Diody LED .
Podstawową właściwością fotodiody jest to, że może emitować światło, gdy przez złącze p-n przepływa prąd. Blask ten nie jest związany z intensywnością ciepła, jak w przypadku żarówki, więc urządzenie jest ekonomiczne. Czasami wykorzystuje się bezpośrednie żarzenie się złącza, ale częściej jest ono wykorzystywane jako inicjator do zapalenia luminoforu. Umożliwiło to uzyskanie wcześniej nieosiągalnych kolorów diod LED, takich jak niebieski i biały.
Diody Gunn'a
Chociaż dioda Ganna ma typowy symbol, nie jest diodą w pełnym tego słowa znaczeniu. Dzieje się tak dlatego, że nie ma w nim złącza p-n. Urządzenie to składa się z płytki z arsenku galu umieszczonej na metalowym podłożu.
Nie zagłębiając się w zawiłości tych procesów: gdy do urządzenia przyłożone jest pole elektryczne o określonej wielkości, powstają drgania elektryczne, których okres zależy od wielkości płytki półprzewodnikowej (ale w pewnych granicach częstotliwość można korygować za pomocą elementów zewnętrznych).
Diody Ganna są stosowane jako oscylatory o częstotliwościach 1 GHz i wyższych. Zaletą urządzenia jest stabilność wysokiej częstotliwości, wadą - mała amplituda drgań elektrycznych.
Magnetodiody
Konwencjonalne diody słabo reagują na zewnętrzne pola magnetyczne. Magnetodiody są specjalnie zaprojektowane w celu zwiększenia ich czułości. Są one wykonane w technologii p-i-n z przedłużoną podstawą. Pod wpływem pola magnetycznego wzrasta opór przewodzenia urządzenia, co można wykorzystać do tworzenia przełączników zbliżeniowych, konwerterów pola magnetycznego itp.
Diody laserowe
Zasada działania diody laserowej opiera się na właściwości pary elektron-dziura do emitowania monochromatycznego i spójnego światła widzialnego w określonych warunkach podczas rekombinacji. Sposoby tworzenia tych warunków są różne, a użytkownik musi jedynie znać długość fali emitowanej przez diodę i jej moc.
Diody lawinowe
Urządzenia te są stosowane w przemyśle mikrofalowym. W pewnych warunkach awaria lawinowa powoduje powstanie ujemnego obszaru rezystancji różnicowej na charakterystyce diody. Ta właściwość LPD pozwala na wykorzystanie ich jako generatorów, działających w zakresie fal o długości do milimetra. Można tam uzyskać moc co najmniej 1 W. Przy niższych częstotliwościach diody te wytwarzają moc do kilku kilowatów.
Diody PIN .
Diody te są produkowane w technologii p-i-n. Pomiędzy warstwami domieszkowanymi półprzewodników znajduje się warstwa materiału niedomieszkowanego. Z tego powodu właściwości prostownicze diody ulegają pogorszeniu (rekombinacja jest ograniczona przy napięciu wstecznym ze względu na brak bezpośredniego kontaktu między strefami p- i n-). Z drugiej strony, ze względu na odstępy między obszarami ładunku masowego, pojemność pasożytnicza staje się bardzo mała, upływ sygnału przy wysokich częstotliwościach jest praktycznie wyeliminowany w stanie zamkniętym, a diody szpilkowe mogą być stosowane w zakresie HF i UHF jako elementy przełączające.
Główne właściwości i parametry diod
Główne cechy charakterystyczne diod półprzewodnikowych (z wyjątkiem diod specjalnego przeznaczenia) to
- maksymalne dopuszczalne napięcie wsteczne (stałe i impulsowe)
- ograniczenie częstotliwości pracy;
- spadek napięcia w przód;
- zakres temperatur pracy.
Inne ważne charakterystyki lepiej ilustruje krzywa I-V diody.
Charakterystyka woltowo-amperowa diody półprzewodnikowej
Charakterystyka woltowo-amperowa diody półprzewodnikowej składa się z gałęzi przewodzenia i gałęzi wstecznej. Znajdują się one w kwadrantach I i III, ponieważ kierunek prądu i napięcia przez diodę zawsze się pokrywają. Na podstawie charakterystyki woltowo-amperowej można określić niektóre parametry, a także zobaczyć wizualnie, jaki wpływ mają właściwości urządzenia.
Napięcie progowe przewodności
Jeśli do diody przyłożymy napięcie stałe i zaczniemy je zwiększać, początkowo nic się nie stanie - prąd nie wzrośnie. Jednak przy pewnej wartości dioda otworzy się, a prąd wzrośnie zgodnie z napięciem. Napięcie to jest nazywane napięciem progowym przewodności i jest oznaczone na przetworniku VAC jako próg U. Zależy to od materiału, z którego wykonana jest dioda. Dla najbardziej rozpowszechnionych półprzewodników parametr ten wynosi:
- krzem - 0,6-0,8 V;
- german - 0,2-0,3 V;
- Arsenek galu - 1,5 V.
Właściwość półprzewodników germanowych polegająca na otwieraniu się przy niskim napięciu jest wykorzystywana w obwodach niskonapięciowych i innych sytuacjach.
Maksymalny prąd płynący przez diodę przy bezpośrednim zasilaniu
Po otwarciu diody jej prąd wzrasta wraz ze wzrostem napięcia przewodzenia. Dla diody idealnej wykres ten dąży do nieskończoności. W praktyce jest to ograniczone zdolnością półprzewodnika do odprowadzania ciepła. Jeśli zostanie osiągnięty pewien limit, dioda przegrzeje się i ulegnie awarii. Aby tego uniknąć, producenci podają najwyższy dopuszczalny prąd (Imax na CVC). Można to w przybliżeniu określić na podstawie rozmiarów diody i jej obudowy. W kolejności malejącej:
- Urządzenia w obudowie metalowej mają największy prąd;
- Obudowy z tworzywa sztucznego są przeznaczone do zastosowań o średniej mocy;
- Diody w obudowie szklanej są stosowane w obwodach niskoprądowych.
Urządzenia metalowe można montować na grzejnikach - zwiększy to wydajność rozpraszania ciepła.
Odwrotny prąd upływu
Jeśli do diody zostanie przyłożone napięcie wsteczne, amperomierz o niskiej czułości nic nie pokaże. W rzeczywistości tylko idealna dioda nie przecieka żadnego prądu. W prawdziwym urządzeniu płynie prąd, ale jest on bardzo mały i nazywa się prądem upływu wstecznego (na wykresie falowym Iobr). Jest to prąd rzędu dziesiątek mikroamperów lub dziesiątych części miliampera i jest znacznie mniejszy od prądu płynącego w przód. Można ją ustalić na podstawie książki referencyjnej.
Napięcie rozładowania
Przy pewnej wartości napięcia wstecznego następuje gwałtowny wzrost prądu, który nazywa się przebiciem. Ma to charakter tunelowy lub lawinowy i jest odwracalne. Ten tryb pracy jest wykorzystywany do stabilizacji napięcia (tryb lawinowy) lub do generowania impulsów (tryb tunelowy). Gdy napięcie jest dalej zwiększane, następuje przebicie termiczne. Ten tryb jest nieodwracalny i dioda ulega uszkodzeniu.
Pojemność pasożytnicza złącza pn
Wspomniano już, że złącze p-n ma pojemność elektryczna. I o ile w warikapach ta właściwość jest przydatna i wykorzystywana, o tyle w konwencjonalnych diodach może być szkodliwa. Chociaż pojemność jest rzędu jednostek lub dziesiątki pF i może być niezauważalny przy prądzie stałym lub niskich częstotliwościach, jego wpływ rośnie wraz ze wzrostem częstotliwości. Kilka pikofaradów w zakresie częstotliwości radiowych wytworzy wystarczająco małą rezystancję dla pasożytniczego przecieku sygnału, doda się do istniejącej pojemności i zmieni parametry obwodu, a także połączy się z indukcyjnością przewodnika prowadzącego lub drukowanego, tworząc obwód z pasożytniczym rezonansem. Dlatego w produkcji urządzeń wysokiej częstotliwości podejmuje się działania mające na celu zmniejszenie pojemności złącza.
Etykietowanie diod
Najprostszą metodą oznaczania diod jest użycie metalowej obudowy. W większości przypadków są one opatrzone etykietą z oznaczeniem urządzenia i przypisaniem styków. Diody w obudowach plastikowych są oznaczone pierścieniem po stronie katodowej. Nie ma jednak gwarancji, że producent ściśle przestrzega tej zasady, dlatego lepiej jest sięgnąć po książkę referencyjną. Jeszcze lepszym rozwiązaniem jest przetestowanie urządzenia za pomocą multimetru.
Krajowe stabilizatory małej mocy i niektóre inne urządzenia mogą mieć dwa pierścienie lub kropki w różnych kolorach po przeciwnych stronach obudowy. Aby określić typ takiej diody i jej pin, należy sięgnąć po książkę referencyjną lub znaleźć w Internecie identyfikator oznaczeń.
Zastosowania diod
Mimo prostej budowy diody półprzewodnikowe są szeroko stosowane w elektronice:
- Do sprostowania Napięcie zmienne. Klasyka gatunku - wykorzystanie właściwości złącza p-n do przewodzenia prądu w jednym kierunku.
- Czujki diodowe. W ten sposób wykorzystuje się nieliniowość kształtu fali, aby umożliwić wyodrębnienie z sygnału harmonicznych, z których pożądane harmoniczne można wyłapać za pomocą filtrów.
- Dwie diody połączone przeciwbieżnie służą jako ogranicznik sygnałów o dużej mocy, które mogą przeciążyć kolejne stopnie wejściowe czułych odbiorników radiowych.
- Stabilitrony mogą być stosowane jako elementy ochrony przed iskrami, zapobiegające przedostawaniu się impulsów wysokiego napięcia do obwodów czujników zainstalowanych w strefach zagrożonych wybuchem.
- Diody mogą służyć jako urządzenia przełączające w obwodach wysokiej częstotliwości. Otwierają się one pod wpływem napięcia stałego i przepuszczają (lub nie) sygnał HF.
- Diody parametryczne służą jako wzmacniacze słabych sygnałów w zakresie mikrofalowym ze względu na obecność odcinka o ujemnej impedancji w prostej charakterystyki.
- Diody są używane do budowy mieszaczy, które działają w urządzeniach nadawczych i odbiorczych. Mieszają sygnał heterodynowy z sygnałem o wysokiej częstotliwości (lub niskiej częstotliwości) do dalszego przetwarzania. Wykorzystuje to również nieliniowość układu IAC.
- Nieliniowa charakterystyka pozwala na stosowanie diod UHF jako wzmacniaczy częstotliwości. Gdy sygnał przechodzi przez diodę zwielokrotniającą, wyodrębniane są wyższe harmoniczne. Można je dodatkowo wyizolować przez filtrowanie.
- Diody są używane jako elementy dostrajające w obwodach rezonansowych. Wykorzystuje to kontrolowaną pojemność w złączu p-n.
- Niektóre rodzaje diod są stosowane jako oscylatory w zakresie mikrofalowym. Są to głównie diody tunelowe i urządzenia z efektem Ganna.
To tylko krótki opis możliwości przyrządów półprzewodnikowych z dwoma wyprowadzeniami. Dzięki dogłębnemu poznaniu właściwości i charakterystyk diod można je wykorzystać do rozwiązania wielu problemów, z jakimi borykają się projektanci urządzeń elektronicznych.
Powiązane artykuły:
