Polprevodniška dioda se pogosto uporablja v elektrotehniki in elektroniki. Z nizkimi stroški in dobrim razmerjem med močjo in velikostjo je hitro izpodrinil vakuumske naprave podobnega namena.
Vsebina
Zgradba in princip delovanja polprevodniške diode
Polprevodniška dioda je sestavljena iz dveh področij (plasti) iz polprevodnika (silicija, germanija itd.). Ena regija ima presežek prostih elektronov (n-polprevodnik), druga pa pomanjkanje (p-polprevodnik) - to dosežemo z dopiranjem osnovnega materiala.Med njima je območje majhne velikosti, v katerem presežek prostih elektronov s strani n "zapre" luknje s strani p (do rekombinacije pride zaradi difuzije), v tem območju pa ni prostih nosilcev naboja. Pri enosmerni napetosti je območje rekombinacije majhno, njegov upor je majhen in dioda prevaja tok v tej smeri. Ko se uporabi obratna napetost, se bo območje brez nosilca povečalo in upor diode se bo povečal. V tej smeri ne bo tekel noben tok.
Vrste, klasifikacija in grafika v električnih vezjih
Na splošno je dioda v vezju označena s stilizirano puščico, ki kaže smer toka. Konvencionalni grafični prikaz (CSD) naprave vsebuje dva vodila - anoda in katodaki sta v neposredni povezavi priključena na plus stran vezja oziroma na minus stran.
Obstaja veliko različic te dvopolne polprevodniške naprave, ki imajo lahko glede na namen nekoliko drugačen CSD.
Stabiltroni (zener diode)
Stabiltron je polprevodniška napravaDeluje z reverzno napetostjo v območju lavinskega preboja. V tem območju je napetost zener diode stabilna v širokem razponu toka skozi napravo. Ta lastnost se uporablja za stabilizacijo napetosti na bremenu.
Stabilizatorji
Stabiltroni dobro opravljajo stabilizacijo napetosti od 2 V in več. Da bi dosegli konstantno napetost pod to mejo, se uporabljajo stabiltroni. Z dopiranjem materiala, iz katerega so te naprave izdelane (silicij, selen), se doseže najvišja vertikalnost premočrtne karakteristike. To je način, v katerem delujejo stabilizatorji, ki proizvajajo referenčno napetost znotraj 0,5 do 2 V na neposredni veji volt-amperske karakteristike pri prednji napetosti.
Schottkyjeve diode
Schottkyjeva dioda temelji na vezju polprevodnik-kovina in nima skupnega stičišča. Posledica tega sta dve pomembni lastnosti:
- Zmanjšan padec napetosti naprej (približno 0,2 V);
- višje delovne frekvence zaradi nižje intrinzične kapacitivnosti.
Slabosti vključujejo povečane povratne tokove in zmanjšano toleranco za nivoje povratne napetosti.
Varikaps
Vsaka dioda ima električno kapacitivnost. Dva volumetrična naboja (p in n polprevodniška področja) služita kot pokrova kondenzatorja, zaklepna plast pa je dielektrik. Ko se uporabi obratna napetost, se ta plast razširi in kapacitivnost zmanjša. Ta lastnost je neločljivo povezana z vsemi diodami, vendar je v varikapah kapacitivnost normalizirana in znana pri danih napetostnih mejah. To omogoča, da se takšne naprave uporabljajo kot kondenzatorji spremenljive kapacitete in se uporablja za uravnavanje ali fino uravnavanje tokokrogov z dovajanjem različnih nivojev povratne napetosti.
Tunelske diode
Te naprave imajo odklon v sprednjem delu karakteristike, pri katerem povečanje napetosti povzroči zmanjšanje toka. V tem območju je diferencialni upor negativen. Ta lastnost omogoča, da se tunelske diode uporabljajo kot ojačevalci za šibke signale in oscilatorji pri frekvencah nad 30 GHz.
Dinistorji
Dinistor, ki je diodni tiristor, ima strukturo p-n-p-n in valovno obliko v obliki črke S ter ne prevaja toka, dokler uporabljena napetost ne doseže mejne vrednosti. Po tem se odpre in se obnaša kot običajna dioda, dokler tok ne pade pod nivo zadrževanja. Dinistorji se uporabljajo v močnostni elektroniki kot stikala.
Fotodiode
Fotodioda je izdelana v ohišju z dostopom vidne svetlobe do kristala. Ko je p-n spoj obsevan, se v njem ustvari EMF. To omogoča uporabo fotodiode kot tokovnega vira (kot del sončnih celic) ali kot svetlobnega senzorja.
LED diode
Glavna lastnost fotodiode je, da lahko oddaja svetlobo, ko tok teče skozi p-n spoj.Ta sij ni povezan z intenzivnostjo ogrevanja, kot pri žarnici z žarilno nitko, zato je naprava ekonomična. Včasih se uporablja neposredni sij prehoda, pogosteje pa se uporablja kot iniciator vžiga fosforja. To je omogočilo pridobitev prej nedosegljivih LED barv, kot sta modra in bela.
Gunnove diode
Čeprav ima Gannova dioda običajno konvencionalno grafično oznako, ni dioda v polnem pomenu. To je zato, ker nima p-n spoja. Ta naprava je sestavljena iz plošče galijevega arzenida na kovinski podlagi.
Ne da bi se spuščali v tankosti procesov: pri uporabi električnega polja določene vrednosti v napravi pride do električnih nihanj, katerih obdobje je odvisno od velikosti polprevodniške plošče (vendar je v določenih mejah frekvenco mogoče popraviti z zunanji elementi).
Gannove diode se uporabljajo kot oscilatorji pri frekvencah 1 GHz in več. Prednost naprave je visoka stabilnost frekvence, slabost pa majhna amplituda električnih nihanj.
Magnetodiode
Na običajne diode zunanja magnetna polja slabo vplivajo. Magnetodiode imajo posebno zasnovo, ki povečuje občutljivost na ta vpliv. Izdelane so po p-i-n tehnologiji s podaljšano bazo. Pod vplivom magnetnega polja se upor naprave v smeri naprej poveča, kar se lahko uporablja za izdelavo brezkontaktnih preklopnih elementov, pretvornikov magnetnega polja itd.
Laserske diode
Načelo delovanja laserske diode temelji na lastnosti para elektron-luknja, da pod določenimi pogoji med rekombinacijo oddaja monokromatsko in koherentno vidno sevanje. Načini ustvarjanja teh pogojev so različni; uporabnik mora poznati le valovno dolžino, ki jo oddaja dioda, in njeno moč.
Lavinske vpete diode.
Te naprave se uporabljajo v mikrovalovnih aplikacijah.Pod določenimi pogoji v načinu lavinske razgradnje se na karakteristiki diode pojavi odsek z negativnim diferencialnim uporom. Ta lastnost LPD omogoča, da se uporabljajo kot generatorji, ki delujejo na valovnih dolžinah do milimetrskega območja. Tam je mogoče dobiti moč najmanj 1 W. Pri nižjih frekvencah se iz takšnih diod odstrani do nekaj kilovatov.
PIN diode
Te diode so izdelane po p-i-n tehnologiji. Med dopiranimi plastmi polprevodnikov je plast nedopiranega materiala. Zaradi tega se usmerniške lastnosti diode poslabšajo (rekombinacija se zmanjša pri obratni napetosti zaradi odsotnosti neposrednega stika med p- in n-območji). Toda zaradi ločevanja območij množičnega naboja postane parazitna kapacitivnost zelo majhna, uhajanje signala pri visokih frekvencah je praktično odpravljeno v zaprtem stanju, pin diode pa se lahko uporabljajo na HF in UHF kot preklopni elementi.
Glavne značilnosti in parametri diod
Glavne značilnosti polprevodniških diod (razen visoko specializiranih) so:
- Največja dovoljena povratna napetost (DC in impulz);
- omejitev delovne frekvence;
- padec napetosti naprej;
- delovno temperaturno območje.
Ostale pomembne značilnosti je bolje upoštevati na primeru CVC diode - tako je bolj jasno.
Volt-amperska karakteristika polprevodniške diode
Volt-amperska karakteristika polprevodniške diode je sestavljena iz prednje in povratne veje. Nahajajo se v kvadrantih I in III, ker smer toka in napetosti skozi diodo vedno sovpadata. Iz volt-amperske karakteristike je mogoče določiti nekatere parametre in tudi vizualno videti, na kaj vplivajo značilnosti naprave.
Mejna napetost prevodnosti
Če se na diodo uporabi enosmerna napetost in jo začne povečevati, se sprva ne bo zgodilo nič - tok se ne bo povečal. Toda pri določeni vrednosti se bo dioda odprla in tok se bo povečal glede na napetost. Ta napetost se imenuje napetost praga prevodnosti in je na VAC označena kot U-prag. Odvisno je od materiala, iz katerega je izdelana dioda. Za najpogostejše polprevodnike je ta parameter:
- silicij - 0,6-0,8 V;
- Germanij - 0,2-0,3 V;
- galijev arzenid - 1,5 V.
Lastnost germanijevih polprevodnikov, da se odprejo pri nizki napetosti, se uporablja v nizkonapetostnih tokokrogih in drugih situacijah.
Največji tok skozi diodo pri neposrednem vklopu
Ko se dioda odpre, njen tok narašča s povečanjem napetosti naprej. Za idealno diodo gre ta graf v neskončnost. V praksi je ta parameter omejen s sposobnostjo polprevodnika, da odvaja toploto. Ko je dosežena določena meja, se dioda pregreje in odpove. Da bi se temu izognili, proizvajalci določijo najvišji dovoljeni tok (Imax na BAC). Približno ga lahko določimo glede na velikost diode in njenega ohišja. V padajočem vrstnem redu:
- največji tok imajo naprave v kovinskem ohišju;
- Plastična ohišja so zasnovana za povprečno moč;
- diode v steklenih škatlah se uporabljajo v nizkotokovnih tokokrogih.
Kovinske naprave lahko namestite na radiatorje - to bo povečalo disipacijo moči.
Povratni tok uhajanja
Če se na diodo uporabi povratna napetost, ampermeter z nizko občutljivostjo ne bo pokazal ničesar. Pravzaprav samo popolna dioda ne pušča nobenega toka. Prava naprava bo imela tok, vendar je zelo majhen in se imenuje povratni tok uhajanja (na VAC, Iobr). Gre za desetine mikroamperov ali desetinke miliamperov in je veliko manjši od predhodnega toka. Najdete ga v priročniku.
Razčlenitvena napetost
Pri določeni vrednosti povratne napetosti pride do močnega povečanja toka, imenovanega razčlenitev.Ima tunelski ali lavinski značaj in je reverzibilen. Ta način se uporablja za stabilizacijo napetosti (lavinski način) ali za ustvarjanje impulzov (tunelski način). Ko napetost še narašča, razpad postane toploten. Ta način je nepovraten in dioda odpove.
Parazitna kapacitivnost pn spoja
Omenjeno je bilo že, da ima p-n spoj električna kapacitivnost. In če je v varikapah ta lastnost koristna in uporabljena, je v navadnih diodah lahko škodljiva. čeprav kapacitivnost je v vrstnem redu enot ali desetine pF in je neopazen pri enosmernem toku ali nizkih frekvencah, njegov učinek se povečuje z naraščanjem frekvence. Nekaj pikofaradov pri RF bo ustvarilo dovolj nizek upor za parazitsko uhajanje signala, povečalo obstoječo kapacitivnost in spremenilo parametre vezja ter skupaj z induktivnostjo svinca ali tiskanega vodnika oblikovalo vezje s parazitsko resonanco. Zato se pri izdelavi visokofrekvenčnih naprav izvajajo ukrepi za zmanjšanje kapacitivnosti spoja.
Označevanje diod
Kovinske diode so označene na najpreprostejši način. V večini primerov so označeni z imenom naprave in njenim pin-om. Diode v plastičnem ohišju so označene z obročasto oznako na katodni strani. Vendar ni nobenega zagotovila, da proizvajalec dosledno upošteva to pravilo, zato je bolje, da se obrnete na referenčno knjigo. Še bolje, preizkusite napravo z multimetrom.
Domači stabiltroni majhne moči in nekatere druge naprave imajo lahko na nasprotnih straneh ohišja dva obroča ali piki različnih barv. Če želite določiti vrsto takšne diode in njen pin, morate vzeti referenčno knjigo ali poiskati spletni identifikator oznak na internetu.
Aplikacije za diode
Kljub preprosti konstrukciji se polprevodniške diode pogosto uporabljajo v elektroniki:
- Za popravljanje AC napetost. Klasika žanra - uporaba lastnosti p-n spoja za vodenje toka v eno smer.
- Diodni detektorji. To uporablja nelinearnost I-V krivulje, ki omogoča ločevanje harmonikov od signala, od katerih je potrebno izolirati s filtri.
- Dve kontraparalelno vklopljeni diodi služita kot omejevalnik močnih signalov, ki lahko preobremenijo naslednje vhodne stopnje občutljivih radijskih sprejemnikov.
- Stabiltrone je mogoče vključiti kot elemente za zaščito pred iskrenjem, ki preprečujejo, da bi visokonapetostni impulzi vstopili v senzorska vezja, nameščena v nevarnih območjih.
- Diode lahko služijo kot stikalne naprave v visokofrekvenčnih tokokrogih. Odpirajo se z enosmerno napetostjo in omogočajo prehod (ali ne) RF signala.
- Parametrične diode služijo kot ojačevalci šibkih signalov v mikrovalovnem območju zaradi prisotnosti odseka z negativnim uporom v neposredni veji karakteristike.
- Diode se uporabljajo za izdelavo mešalnikov, ki delujejo v oddajni ali sprejemni opremi. Mešajo se heterodinski signal z visokofrekvenčnim (ali nizkofrekvenčnim) signalom za nadaljnjo obdelavo. Tu se uporablja tudi nelinearnost IAC.
- Nelinearna karakteristika omogoča uporabo UHF diod kot frekvenčnih množiteljev. Ko gre signal skozi množilno diodo, se sprostijo višji harmoniki. Te lahko dodatno izoliramo s filtriranjem.
- Diode se uporabljajo kot nastavitveni elementi za resonančna vezja. To uporablja prisotnost kapacitivnosti, ki jo je mogoče nadzorovati na p-n spoju.
- Nekatere vrste diod se uporabljajo kot oscilatorji v mikrovalovnem območju. To so predvsem tunelske diode in naprave z Gannovim efektom.
To je le kratek opis zmogljivosti polprevodniških naprav z dvema vodnikoma. S poglobljeno študijo lastnosti in karakteristik, ki uporabljajo diode, je mogoče rešiti številne izzive za oblikovalce elektronskih naprav.
Povezani članki:
