Fastdiod används i stor utsträckning inom elektroteknik och elektronik. Med sin låga kostnad och sitt goda förhållande mellan effekt och storlek har den snabbt ersatt vakuumapparater med liknande tillämpning.
Innehåll
Konstruktion och drift av en halvledardiod
En halvledardiod består av två områden (lager) av en halvledare (kisel, germanium osv.). En region har ett överskott av fria elektroner (n-halvledare) och en region har ett underskott (p-halvledare) - detta uppnås genom att grundmaterialet dopas. Däremellan finns en liten zon där ett överskott av fria elektroner från n-polen "täcker" hålen från p-p-polen (rekombination genom diffusion), och det finns inga fria laddningsbärare i denna region. När en likspänning läggs på är rekombinationsområdet litet, dess motstånd är lågt och dioden leder ström i den riktningen. När en omvänd spänning läggs på ökar den bärarfria zonen och diodens motstånd ökar. Ingen ström kommer att flöda i denna riktning.
Typer, klassificering och grafik i elektriska kretsar
I allmänhet visas en diod i ett diagram med en stiliserad pil som anger strömriktningen. En konventionell grafisk representation (CSR) av en anordning innehåller två terminaler - Anod och katod.De tvåpoliga halvledarna är direkt anslutna till kretsens plus- respektive minussida.
Det finns många olika varianter av denna tvåpoliga halvledarenhet, som kan ha en något annorlunda CSD beroende på deras syfte.
Stabilitroner (Zenerdioder)
En stabilitron är en halvledaranordning.Den fungerar med omvänd spänning i området för lavinbrytning. I detta område är spänningen över en Zenerdiod stabil över ett brett intervall av strömmen genom enheten. Denna egenskap används för att stabilisera spänningen över belastningen.
Stabilisatorer
Stabilitroner gör ett bra jobb med att stabilisera spänningar från 2 V och uppåt. För att få en konstant spänning under denna gräns används stabilisatorer. Genom att dopning av det material som dessa anordningar tillverkas av (kisel, selen) uppnås största möjliga vertikalitet på den raka linjen i karakteristiken. Stabilisatorerna fungerar i detta läge och producerar en referensspänning på mellan 0,5 och 2 V på den raka linjesträckningen av volt-ampere-karaktären vid framspänning.
Schottky dioder
Schottkydioder är baserade på en halvledarmetallkrets och har ingen gemensam övergång. Detta ger två viktiga egenskaper:
- Minskat spänningsfall i framspänning (ca 0,2 V);
- Högre driftsfrekvenser tack vare lägre egenkapacitet.
Nackdelarna är högre omvändströmmar och lägre tolerans mot omvänd spänning.
Varicaps .
Varje diod har en elektrisk kapacitans. De två bulkladdningarna (p- och n-halvledarområdena) fungerar som kondensatorns höljen, och dielektrikumet är låsskiktet. När en omvänd spänning läggs på expanderar detta skikt och kapacitansen minskar. Denna egenskap är inneboende i alla dioder, men med varicaps är kapacitansen normaliserad och känd vid givna spänningsgränser. Detta gör det möjligt att använda sådana anordningar som kondensatorer med variabel kapacitans och används för att ställa in eller finjustera kretsar genom att leverera olika nivåer av omvänd spänning.
Tunneldioder
Dessa anordningar har en avböjning i den framåtriktade delen av karakteristiken där en ökning av spänningen orsakar en minskning av strömmen. Det differentiella motståndet är negativt i detta område. Denna egenskap gör att tunneldioder kan användas som förstärkare för svaga signaler och som oscillatorer vid frekvenser över 30 GHz.
Dynistorer
Diodthyristorer - Diodthyristorer har en p-n-p-n-struktur och har en S-formad vågform och leder inte ström förrän den applicerade spänningen når en tröskelnivå. Därefter öppnas den och beter sig som en vanlig diod tills strömmen sjunker under hållnivån. Dinistorer används i kraftelektronik som brytare.
Fotodioder
En fotodiod tillverkas i ett hölje där synligt ljus når kristallen. När p-n-övergången bestrålas genereras en EMF i den. Detta gör att fotodioden kan användas som en strömkälla (som en del av en solcell) eller som en ljussensor.
Lysdioder .
Den grundläggande egenskapen hos en fotodiod är att den kan avge ljus när en ström går genom en p-n-övergång. Denna glöd är inte relaterad till värmeintensiteten som en glödlampa, så apparaten är ekonomisk. Ibland används den direkta glöden från korsningen, men oftare används den som en initiator för att tända fosforn. Detta har gjort det möjligt att få fram LED-färger som tidigare var omöjliga att uppnå, t.ex. blått och vitt.
Gunn-dioder
Även om en Gann-diod har den vanliga symbolen är det inte en diod i ordets fulla betydelse. Detta beror på att den inte har en p-n-övergång. Denna anordning består av en galliumarsenidskiva på ett metallsubstrat.
Utan att gå in på processernas detaljer: när ett elektriskt fält av en viss storlek appliceras på en anordning uppstår elektriska svängningar vars period beror på storleken på halvledarplattan (men inom vissa gränser kan frekvensen korrigeras med hjälp av externa element).
Gann-dioder används som oscillatorer vid frekvenser på 1 GHz och högre. Fördelen med anordningen är den höga frekvensstabiliteten, nackdelen är den lilla amplituden hos de elektriska svängningarna.
Magnetodioder
Konventionella dioder påverkas svagt av externa magnetfält. Magnetodioder är särskilt utformade för att öka deras känslighet. De är tillverkade med p-i-n-teknik och har en förlängd bas. Under påverkan av ett magnetfält ökar enhetens framåtgående motstånd, och detta kan användas för att skapa närhetsbrytare, magnetfältsomvandlare och liknande.
Laserdioder
Principen för en laserdiods funktion bygger på elektron-hål-parets egenskap att avge monokromatiskt och koherent synligt ljus under vissa förhållanden under rekombination. Det finns olika sätt att skapa dessa förhållanden, och användaren behöver bara känna till den våglängd som dioden avger och dess effekt.
Avalanchespannande dioder
Dessa apparater används inom mikrovågsindustrin. Under vissa förhållanden resulterar en lavinutslagning i en negativ differentialmotståndsregion i diodens karakteristik. Denna egenskap hos LPD:er gör det möjligt att använda dem som generatorer som arbetar vid våglängder upp till millimeterområdet. Där är det möjligt att få en effekt på minst 1 W. Vid lägre frekvenser producerar dessa dioder upp till flera kilowatt.
PIN-dioder .
Dessa dioder tillverkas med hjälp av p-i-n-teknik. Mellan de dopade skikten av halvledare finns ett skikt av odopat material. Därför försämras diodens likriktaregenskaper (rekombinationen minskar vid omvänd spänning på grund av avsaknaden av direktkontakt mellan p- och n-zonerna). Å andra sidan blir den parasitära kapacitansen mycket liten på grund av avståndet mellan bulkladdningsområdena, signalläckage vid höga frekvenser elimineras praktiskt taget i stängt tillstånd och stiftdioder kan användas vid HF och UHF som kopplingselement.
Huvudsakliga egenskaper och parametrar hos dioder
De viktigaste egenskaperna hos halvledardioder (med undantag för dem för speciella ändamål) är följande
- Maximalt tillåten omvänd spänning (likström och puls).
- begränsa driftsfrekvensen;
- spänningsfall i framåtriktning;
- Drifttemperaturområde.
De andra viktiga egenskaperna illustreras bättre av diodens I-V-kurva.
Volt-ampere-karaktäristik för en halvledardiod
Volt-ampere-karaktären för en halvledardiod består av en framåtgående gren och en bakåtgående gren. De är placerade i kvadranterna I och III, eftersom ström- och spänningsriktningen genom dioden alltid sammanfaller. Utifrån volt-ampere-karaktären är det möjligt att bestämma vissa parametrar och även visuellt se vad enhetens egenskaper påverkar.
Tröskelspänning för konduktivitet
Om en likspänning läggs på en diod och börjar öka den, händer först ingenting - strömmen ökar inte. Men vid ett visst värde öppnas dioden och strömmen ökar i takt med spänningen. Denna spänning kallas konduktivitetströskelspänning och är markerad på VAC som U-tröskel. Det beror på materialet som dioden är tillverkad av. För de vanligaste halvledarna är denna parameter:
- kisel - 0,6-0,8 V;
- germanium - 0,2-0,3 V;
- Galliumarsenid - 1,5 V.
Germaniumhalvledarnas egenskap att öppna sig vid låg spänning används bland annat i lågspänningskretsar.
Maximal ström genom en diod när den är direkt strömförande.
När en diod har öppnat sig ökar strömmen med ökande spänning. För en idealisk diod går grafen mot oändligheten. I praktiken begränsas den av halvledarens förmåga att avleda värme. Om en viss gräns uppnås överhettas dioden och går sönder. För att undvika detta anger tillverkarna den högsta tillåtna strömmen (Imax på CVC). Detta kan uppskattas med hjälp av diodens storlek och dess hölje. I fallande ordning:
- Metallkapslade enheter har den högsta strömmen;
- Plasthöljen är utformade för medelhög effekt;
- Glaskapslade dioder används i kretsar med låg strömstyrka.
Metallapparater kan monteras på radiatorer - detta ökar dissipationskapaciteten.
Läckström i omvänd riktning
Om omvänd spänning läggs på en diod visar en lågkänslig amperemeter ingenting. I själva verket är det bara en perfekt diod som inte läcker någon ström. En riktig enhet har ström, men den är mycket liten och kallas för omvänd läckström (på vågformen Iobr). Den är tiotals mikroampere eller tiondelar av milliampere och är mycket mindre än den framåtriktade strömmen. Den kan fastställas med hjälp av en referensbok.
Nedbrytning av spänning
Vid ett visst värde av den omvända spänningen sker en snabb ökning av strömmen, vilket kallas för nedbrytning. Den är av tunneltyp eller lavinart och är reversibel. Detta driftläge används för att stabilisera spänningen (lavinläge) eller för att generera pulser (tunnelläge). När spänningen ökas ytterligare blir nedbrytningen termisk. Detta läge är irreversibelt och dioden går sönder.
Parasitära kapacitans för pn-övergången
Det har redan nämnts att en p-n-övergång har elektrisk kapacitans. I varicaps är denna egenskap användbar och utnyttjas, men i konventionella dioder kan den vara skadlig. Även om kapacitansen är i storleksordningen enheter. eller tiotals pF och kanske inte är märkbar vid likström eller låga frekvenser, men dess effekt ökar när frekvensen ökar. Några picofarads vid RF skapar ett tillräckligt lågt motstånd för parasitärt signalläckage, lägger till den befintliga kapacitansen och ändrar kretsens parametrar och kombinerar med induktansen hos en ledning eller tryckt ledare för att bilda en krets med parasitär resonans. Därför vidtas åtgärder vid tillverkningen av högfrekventa enheter för att minska sammanfogningskapacitansen.
Märkning av dioder
Den enklaste metoden för att märka dioder är att använda ett metallhölje. I de flesta fall är de märkta med enhetens beteckning och stifttilldelning. Dioder i plasthöljen är märkta med ett ringmärke på katodsidan. Men det finns ingen garanti för att tillverkaren strikt följer denna regel, så det är bättre att konsultera en referensbok. Ännu bättre är att använda en multimeter för att testa enheten.
Inhemska stabilitroner med låg effekt och vissa andra enheter kan ha två ringar eller prickar i olika färger på motsatta sidor av höljet. För att bestämma typen av en sådan diod och dess stift måste du hämta en referensbok eller hitta en märkningsidentifierare på Internet.
Användningsområden för dioder
Trots sin enkla konstruktion används halvledardioder i stor utsträckning i elektronik:
- För rättelse Växelspänning. En klassiker i genren - att använda p-n-övergångens egenskaper för att leda ström i en riktning.
- Dioddetektorer. Detta använder vågformens icke-linjäritet för att extrahera övertoner från signalen, av vilka de önskade övertonerna kan tas upp av filter.
- Två dioder som kopplas motparallel fungerar som en begränsare för högeffektsignaler som kan överbelasta ingångsstegen i känsliga radiomottagare.
- Stabilitroner kan ingå som gnistskydd för att förhindra att högspänningsimpulser når sensorkretsar som installeras i farliga områden.
- Dioder kan fungera som omkopplare i högfrekventa kretsar. De öppnas med likspänning och låter HF-signalen passera (eller inte) igenom.
- Parametriska dioder fungerar som förstärkare av svaga signaler i mikrovågsområdet på grund av att det finns en negativ impedansdel i den raka linjen i karakteristiken.
- Dioder används för att bygga blandare som fungerar i sändnings- och mottagningsutrustning. De blandar heterodynsignal. med en högfrekvent (eller lågfrekvent) signal för vidare bearbetning. Detta drar också fördel av IAC:s icke-linjäritet.
- Den icke-linjära egenskapen gör att UHF-dioder kan användas som frekvensmultiplikatorer. När en signal passerar genom en multiplikatordiod extraheras de högre övertonerna. Dessa kan isoleras ytterligare genom filtrering.
- Dioder används som avstämningselement i resonanskretsar. Detta utnyttjar den kontrollerade kapacitansen vid p-n-övergången.
- Vissa typer av dioder används som oscillatorer i mikrovågsområdet. Dessa är huvudsakligen tunneldioder och Gann-effektanordningar.
Detta är bara en kort beskrivning av kapaciteten hos halvledarenheter med två ledningar. Med en djupgående studie av egenskaperna kan dioder användas för att lösa många av de utmaningar som konstruktörer av elektroniska enheter ställs inför.
Relaterade artiklar:
