Polovodičová dióda sa široko používa v elektrotechnike a elektronike. Vďaka nízkym nákladom a dobrému pomeru výkonu k veľkosti rýchlo nahradil vákuové zariadenia s podobným použitím.
Obsah
Konštrukcia a činnosť polovodičovej diódy
Polovodičová dióda sa skladá z dvoch oblastí (vrstiev) vyrobených z polovodiča (kremík, germánium atď.). Jedna oblasť má prebytok voľných elektrónov (n-polovodič) a druhá ich má nedostatok (p-polovodič) - to sa dosiahne dopovaním základného materiálu. Medzi nimi sa nachádza malá zóna, v ktorej prebytok voľných elektrónov z pólu n "pokrýva" diery z pólu p (rekombinácia difúziou) a v tejto oblasti nie sú žiadne voľné nosiče náboja. Keď je privedené jednosmerné napätie, oblasť rekombinácie je malá, jej odpor je nízky a dióda vedie prúd v tomto smere. Keď sa privedie spätné napätie, zväčší sa zóna bez nosiča a zvýši sa odpor diódy. Týmto smerom nepreteká žiadny prúd.
Typy, klasifikácia a grafika v elektrických obvodoch
Vo všeobecnosti sa dióda na schéme označuje štylizovanou šípkou, ktorá naznačuje smer prúdu. Konvenčné grafické znázornenie (CSR) zariadenia obsahuje dve svorky - anóda a katódaDvojpólové polovodiče sú pripojené v priamom zapojení na plusovú a mínusovú stranu obvodu.
Existuje mnoho variantov tohto dvojpólového polovodičového zariadenia, ktoré môžu mať mierne odlišnú CSD v závislosti od ich účelu.
Stabilitróny (Zenerove diódy)
Stabilitrón je polovodičové zariadeniePracuje so spätným napätím v oblasti lavínového prierazu. V tejto oblasti je napätie na Zenerovej dióde stabilné v širokom rozsahu prúdu prechádzajúceho zariadením. Táto vlastnosť sa používa na stabilizáciu napätia na záťaži.
Stabilizátory
Stabilitróny dobre stabilizujú napätie od 2 V a vyššie. Na dosiahnutie konštantného napätia pod touto hranicou sa používajú stabilizátory. Dopovaním materiálu, z ktorého sú tieto zariadenia vyrobené (kremík, selén), sa dosiahne čo najväčšia vertikalita priamky charakteristiky. V tomto režime pracujú stabilizátory, ktoré vytvárajú referenčné napätie medzi 0,5 V a 2 V na priamke voltampérovej charakteristiky pri priamom napätí.
Schottkyho diódy
Schottkyho diódy sú založené na polovodičovo-kovovom zapojení a nemajú spoločný prechod. To poskytuje dve dôležité vlastnosti:
- Znížený úbytok napätia v priamom smere (približne 0,2 V);
- Vyššie pracovné frekvencie vďaka nižšej vlastnej kapacite.
Nevýhodou sú vyššie spätné prúdy a nižšia tolerancia voči spätnému napätiu.
Varicaps .
Každá dióda má elektrickú kapacitu. Dva objemové náboje (p a n polovodičové oblasti) slúžia ako podložky kondenzátora a dielektrikum je blokovacia vrstva. Pri spätnom napätí sa táto vrstva rozšíri a kapacita sa zníži. Táto vlastnosť je vlastná všetkým diódam, ale pri varikapoch je kapacita normalizovaná a známa pri daných medziach napätia. To umožňuje používať také zariadenia, ako sú kondenzátory s premenlivou kapacitou a používa sa na ladenie alebo dolaďovanie obvodov dodávaním rôznych úrovní spätného napätia.
Tunelové diódy
Tieto zariadenia majú výchylku v priamej časti charakteristiky, v ktorej zvýšenie napätia spôsobuje zníženie prúdu. Diferenciálny odpor je v tejto oblasti záporný. Táto vlastnosť umožňuje používať tunelové diódy ako zosilňovače slabých signálov a ako oscilátory pri frekvenciách nad 30 GHz.
Dynistory
Diódové tyristory - diódové tyristory majú štruktúru p-n-p-n, tvar vlny S a nevedú prúd, kým privádzané napätie nedosiahne prahovú úroveň. Potom sa otvorí a správa sa ako normálna dióda, kým prúd neklesne pod úroveň udržiavania. Dinistory sa používajú vo výkonovej elektronike ako spínače.
Fotodiódy
Fotodióda je umiestnená v kryte, do ktorého dopadá viditeľné svetlo. Keď je p-n prechod ožiarený, vzniká v ňom EMP. To umožňuje použiť fotodiódu ako zdroj prúdu (ako súčasť solárneho článku) alebo ako svetelný senzor.
LED diódy .
Základnou vlastnosťou fotodiódy je, že môže vyžarovať svetlo, keď cez p-n prechod preteká prúd. Táto žiara nie je spojená s intenzitou ohrevu žiarovky, takže zariadenie je úsporné. Niekedy sa využíva priama žiara z križovatky, ale častejšie sa používa ako iniciátor na zapálenie luminoforu. To umožnilo doteraz nedosiahnuteľné farby LED, napríklad modrú a bielu.
Gunnove diódy
Hoci Gannova dióda má obvyklý symbol, nie je to dióda v plnom zmysle slova. Je to preto, lebo nemá p-n prechod. Toto zariadenie pozostáva z plátku arzenidu gália na kovovom substráte.
Bez toho, aby sme zachádzali do zložitých procesov: keď sa na zariadenie aplikuje elektrické pole určitej veľkosti, vznikajú elektrické oscilácie, ktorých perióda závisí od veľkosti polovodičovej doštičky (v určitých medziach však možno frekvenciu korigovať externými prvkami).
Gannove diódy sa používajú ako oscilátory pri frekvenciách 1 GHz a vyšších. Výhodou zariadenia je vysoká frekvenčná stabilita, nevýhodou je malá amplitúda elektrických kmitov.
Magnetodiódy
Na bežné diódy majú vonkajšie magnetické polia slabý vplyv. Magnetodiódy sú špeciálne navrhnuté na zvýšenie ich citlivosti. Sú vyrobené technológiou p-i-n s rozšírenou základňou. Pod vplyvom magnetického poľa sa zvyšuje odpor zariadenia v priamom smere, čo sa dá využiť na vytvorenie bezkontaktných spínačov, konvertorov magnetického poľa a podobne.
Laserové diódy
Princíp činnosti laserovej diódy je založený na vlastnosti páru elektrón-diera vyžarovať za určitých podmienok pri rekombinácii monochromatické a koherentné viditeľné svetlo. Spôsoby vytvorenia týchto podmienok sú rôzne a používateľ musí poznať len vlnovú dĺžku vyžarovanú diódou a jej výkon.
Lavínové diódy
Tieto zariadenia sa používajú v mikrovlnnom priemysle. Za určitých podmienok vedie režim lavínového prierazu k zápornej oblasti diferenciálneho odporu na charakteristike diódy. Táto vlastnosť LPD umožňuje ich použitie ako generátorov, ktoré pracujú na vlnových dĺžkach až do milimetrového rozsahu. Tam je možné dosiahnuť výkon aspoň 1 W. Pri nižších frekvenciách tieto diódy produkujú až niekoľko kilowattov.
PIN diódy .
Tieto diódy sa vyrábajú technológiou p-i-n. Medzi dopovanými vrstvami polovodičov sa nachádza vrstva nedopovaného materiálu. Z tohto dôvodu sa zhoršujú usmerňovacie vlastnosti diódy (rekombinácia sa pri spätnom napätí znižuje v dôsledku absencie priameho kontaktu medzi p- a n- zónou). Na druhej strane, vďaka rozstupu oblastí objemového náboja sa parazitná kapacita stáva veľmi malou, únik signálu pri vysokých frekvenciách je v uzavretom stave prakticky eliminovaný a vývodové diódy sa môžu používať na KV a UHF ako spínacie prvky.
Hlavné charakteristiky a parametre diód
Hlavné charakteristiky polovodičových diód (okrem diód na špeciálne účely) sú
- maximálne prípustné spätné napätie (jednosmerné a impulzné)
- obmedziť prevádzkovú frekvenciu;
- pokles napätia v priamom smere;
- rozsah prevádzkových teplôt.
Ďalšie dôležité charakteristiky lepšie znázorňuje I-V krivka diódy.
Voltampérová charakteristika polovodičovej diódy
Voltampérová charakteristika polovodičovej diódy sa skladá z priamej a spätnej vetvy. Nachádzajú sa v kvadrantoch I a III, pretože smer prúdu a napätia cez diódu sa vždy zhoduje. Z voltampérovej charakteristiky je možné určiť niektoré parametre a tiež vizuálne vidieť, čo vlastnosti zariadenia ovplyvňujú.
Prahové napätie vodivosti
Ak na diódu privedieme jednosmerné napätie a začneme ho zvyšovať, najprv sa nič nestane - prúd sa nezvýši. Pri určitej hodnote sa však dióda otvorí a prúd sa zvýši v závislosti od napätia. Toto napätie sa nazýva prahové napätie vodivosti a na VAC je označené ako U-prah. Závisí to od materiálu, z ktorého je dióda vyrobená. Pre najbežnejšie polovodiče je tento parameter:
- kremík - 0,6-0,8 V;
- germánium - 0,2-0,3 V;
- Arzenid gália - 1,5 V.
Vlastnosť germániových polovodičov otvárať sa pri nízkom napätí sa využíva v nízkonapäťových obvodoch a v iných situáciách.
Maximálny prúd prechádzajúci diódou pri priamom napájaní
Po otvorení diódy sa jej prúd zvyšuje s rastúcim napätím v priamom smere. V prípade ideálnej diódy tento graf smeruje do nekonečna. V praxi je to obmedzené schopnosťou polovodiča odvádzať teplo. Ak sa dosiahne určitý limit, dióda sa prehreje a zlyhá. Aby sa tomu zabránilo, výrobcovia uvádzajú najvyšší povolený prúd (Imax na CVC). To sa dá približne určiť podľa veľkosti diódy a jej puzdra. V zostupnom poradí:
- Zariadenia s kovovým plášťom majú najvyšší prúd;
- Plastové skrine sú určené pre stredný výkon;
- Sklenené zapuzdrené diódy sa používajú v nízkoprúdových obvodoch.
Kovové spotrebiče možno namontovať na radiátory - zvýši sa tým ich rozptylová kapacita.
Spätný zvodový prúd
Ak sa na diódu privedie spätné napätie, nízkocitlivý ampérmeter nič neukáže. V skutočnosti len dokonalá dióda neprepúšťa žiadny prúd. Skutočné zariadenie bude mať prúd, ktorý je však veľmi malý a nazýva sa spätný zvodový prúd (na krivke Iobr). Ide o desiatky mikroampérov alebo desatiny miliampérov a je oveľa menší ako priamy prúd. Dá sa určiť podľa referenčnej knihy.
Rozdelenie napätia
Pri určitej hodnote spätného napätia dochádza k rýchlemu nárastu prúdu, ktorý sa nazýva prieraz. Ide o tunelový alebo lavínový typ a je vratný. Tento režim prevádzky sa používa na stabilizáciu napätia (lavínový režim) alebo na generovanie impulzov (tunelový režim). Pri ďalšom zvyšovaní napätia sa porucha stáva tepelnou. Tento režim je nevratný a dióda zlyhá.
Parazitná kapacita pn prechodu
Už bolo spomenuté, že p-n prechod má elektrická kapacita. Zatiaľ čo vo varikapoch je táto vlastnosť užitočná a využívaná, v bežných diódach môže byť na škodu. Hoci kapacita je rádovo v jednotkách alebo desiatky pF a nemusí byť viditeľný pri jednosmernom prúde alebo nízkych frekvenciách, jeho účinok sa zvyšuje so zvyšujúcou sa frekvenciou. Niekoľko pikofaradov na RF vytvorí dostatočne nízky odpor pre parazitný únik signálu, pridá sa k existujúcej kapacite a zmení parametre obvodu a v kombinácii s indukčnosťou vedenia alebo tlačeného vodiča vytvorí obvod s parazitnou rezonanciou. Preto sa pri výrobe vysokofrekvenčných zariadení prijímajú opatrenia na zníženie kapacity spoja.
Označovanie diód
Najjednoduchšou metódou označovania diód je použitie kovového puzdra. Vo väčšine prípadov sú označené označením zariadenia a priradením pinov. Diódy v plastových puzdrách sú na katódovej strane označené krúžkom. Neexistuje však záruka, že výrobca toto pravidlo striktne dodržiava, preto je lepšie nahliadnuť do referenčnej knihy. Ešte lepšie je otestovať zariadenie pomocou multimetra.
Domáce nízkoenergetické stabilizátory a niektoré iné zariadenia môžu mať na opačných stranách puzdra dva krúžky alebo bodky rôznych farieb. Ak chcete určiť typ takejto diódy a jej vývod, musíte si zaobstarať referenčnú knihu alebo nájsť online identifikátor označenia na internete.
Aplikácie diód
Napriek jednoduchej konštrukcii sa polovodičové diódy v elektronike široko používajú:
- Na nápravu Striedavé napätie. Klasika tohto žánru - využitie vlastnosti p-n prechodu na vedenie prúdu jedným smerom.
- Diodové detektory. Využíva sa nelinearita tvaru vlny, ktorá umožňuje extrahovať zo signálu harmonické zložky, z ktorých sa pomocou filtrov dajú zachytiť požadované harmonické zložky.
- Dve diódy spínané protibežne slúžia ako obmedzovač vysokovýkonných signálov, ktoré môžu preťažiť nadväzujúce vstupné stupne citlivých rádiových prijímačov.
- Stabilitróny môžu byť zahrnuté ako prvky ochrany proti iskrám, aby sa zabránilo dosiahnutiu vysokonapäťových impulzov do obvodov snímačov inštalovaných v nebezpečných oblastiach.
- Diódy môžu slúžiť ako spínacie zariadenia vo vysokofrekvenčných obvodoch. Otvárajú sa jednosmerným napätím a prepúšťajú (alebo neprepúšťajú) vf signál.
- Parametrické diódy slúžia ako zosilňovače slabých signálov v mikrovlnnom rozsahu vďaka prítomnosti zápornej impedančnej časti v priamke charakteristiky.
- Diódy sa používajú na zostavenie zmiešavačov, ktoré pracujú vo vysielacom alebo prijímacom zariadení. Miešajú sa heterodynný signál s vysokofrekvenčným (alebo nízkofrekvenčným) signálom na ďalšie spracovanie. Tým sa využíva aj nelinearita IAC.
- Nelineárna charakteristika umožňuje použitie UHF diód ako násobičov frekvencie. Keď signál prechádza cez násobiacu diódu, extrahujú sa vyššie harmonické. Tie možno ďalej izolovať filtrovaním.
- Diódy sa používajú ako ladiace prvky v rezonančných obvodoch. Využíva sa pritom riadená kapacita na p-n prechode.
- Niektoré druhy diód sa používajú ako oscilátory v mikrovlnnom rozsahu. Ide najmä o tunelové diódy a zariadenia s Gannovým efektom.
Toto je len stručný opis možností polovodičových zariadení s dvoma vodičmi. Po dôkladnom preskúmaní vlastností a charakteristík možno diódy použiť na riešenie mnohých výziev, ktoré stoja pred konštruktérmi elektronických zariadení.
Súvisiace články:
