Polovodičová dióda je široko používaná v elektrotechnike a elektronike. Vďaka nízkej cene a dobrému pomeru výkonu a veľkosti rýchlo nahradil vákuové zariadenia podobného účelu.
Obsah
Zariadenie a princíp činnosti polovodičovej diódy
Polovodičová dióda pozostáva z dvoch oblastí (vrstiev) vyrobených z polovodiča (kremík, germánium atď.). Jedna oblasť má prebytok voľných elektrónov (n-polovodič), druhá má nedostatok (p-polovodič) - to sa dosiahne dotovaním základného materiálu. Medzi nimi je malá zóna, v ktorej prebytok voľných elektrónov z n-miesta „uzaviera“ otvory z p-miesta (rekombinácia nastáva v dôsledku difúzie) a v tejto oblasti nie sú žiadne voľné nosiče náboja. Keď sa použije priepustné napätie, oblasť rekombinácie je malá, jej odpor je malý a dióda vedie prúd v tomto smere. Pri spätnom napätí sa zóna bez nosiča zvýši, odpor diódy sa zvýši. V tomto smere nebude prúdiť žiadny prúd.
Typy, klasifikácia a grafické označenie na elektrických schémach
Vo všeobecnom prípade je dióda v diagrame označená ako štylizovaná šípka označujúca smer prúdu. Podmienený grafický obraz (UGO) zariadenia obsahuje dva závery - anóda a katóda, ktoré sú v priamom spojení zapojené do plusu elektrického obvodu a do mínusu, resp.
Existuje veľké množstvo odrôd tohto bipolárneho polovodičového zariadenia, ktoré v závislosti od účelu môže mať mierne odlišné UGO.
Zenerove diódy (Zenerove diódy)
Zenerova dióda je polovodičové zariadeniepracujúce pri spätnom napätí v zóne lavínového rozpadu. V tejto oblasti je napätie Zenerovej diódy stabilné v širokom rozsahu prúdu cez zariadenie. Táto vlastnosť sa používa na stabilizáciu napätia na záťaži.
Stabistormi
Zenerove diódy odvádzajú dobrú prácu pri stabilizácii napätia od 2 V a vyššie.Stabistor sa používa na získanie konštantného napätia pod túto hranicu. Dopovaním materiálu, z ktorého sú tieto zariadenia vyrobené (kremík, selén) sa dosahuje najväčšia zvislosť priamej vetvy charakteristiky. V tomto režime fungujú stabilizátory, ktoré vydávajú príkladné napätie v rozsahu 0,5 ... 2 V na priamej vetve charakteristiky prúdového napätia pri priepustnom napätí.
Schottkyho diódy
Schottkyho dióda je postavená podľa schémy polovodič-kov a nemá konvenčné spojenie. Vďaka tomu sa získali dve dôležité vlastnosti:
- znížený pokles napätia vpred (asi 0,2 V);
- zvýšené prevádzkové frekvencie v dôsledku zníženia vlastnej kapacity.
Medzi nevýhody patria zvýšené hodnoty spätných prúdov a znížená tolerancia úrovne spätného napätia.
Varicaps
Každá dióda má elektrickú kapacitu. Dosky kondenzátora sú dva priestorové náboje (oblasti p a n polovodičov) a bariérová vrstva je dielektrikum. Keď sa použije spätné napätie, táto vrstva sa roztiahne a kapacita sa zníži. Táto vlastnosť je vlastná všetkým diódam, ale pre varikapy je kapacita normalizovaná a známa pre dané limity napätia. To umožňuje použiť také zariadenia ako variabilné kondenzátory a použiť na nastavenie alebo jemné doladenie obvodov dodávaním spätného napätia rôznych úrovní.
tunelové diódy
Tieto zariadenia majú v priamom úseku charakteristiky výchylku, v ktorej zvýšenie napätia spôsobuje pokles prúdu. V tejto oblasti je diferenciálny odpor záporný.Táto vlastnosť umožňuje použiť tunelové diódy ako zosilňovače a generátory slabého signálu pri frekvenciách nad 30 GHz.
Dinistorov
Dinistor - diódový tyristor - má štruktúru p-n-p-n a CVC v tvare písmena S, nevedie prúd, kým aplikované napätie nedosiahne prahovú úroveň. Potom sa zapne a chová sa ako normálna dióda, kým prúd neklesne pod udržiavaciu úroveň. Dinistory sa používajú vo výkonovej elektronike ako kľúče.
Fotodiódy
Fotodióda je vyrobená v obale s prístupom viditeľného svetla ku kryštálu. Pri ožiarení p-n prechodu v ňom vzniká emf. To umožňuje použiť fotodiódu ako zdroj prúdu (ako súčasť solárnych panelov) alebo ako svetelný senzor.
LED diódy
Hlavnou vlastnosťou LED je schopnosť vyžarovať svetlo, keď prúd prechádza cez p-n prechod. Táto žiara nesúvisí s intenzitou ohrevu, ako napríklad žiarovka, takže zariadenie je ekonomické. Niekedy sa používa priama žiara prechodu, ale častejšie sa používa ako iniciátor zapálenia fosforu. To umožnilo získať predtým nedosiahnuteľné farby LED, ako je modrá a biela.
Gunnove diódy
Hoci má dióda Gunn obvyklé konvenčné grafické označenie, nie je to dióda v plnom zmysle. Pretože nemá p-n prechod. Toto zariadenie pozostáva z platne arzenidu gália na kovovom substráte.
Bez toho, aby sme zachádzali do podrobností o procesoch: keď sa v zariadení aplikuje elektrické pole určitej veľkosti, dochádza k elektrickým osciláciám, ktorých perióda závisí od veľkosti polovodičovej doštičky (ale v rámci určitých limitov je možné nastaviť frekvenciu vonkajšími prvkami).
Gunnove diódy sa používajú ako oscilátory pri frekvenciách 1 GHz a vyšších. Výhodou zariadenia je vysoká frekvenčná stabilita a nevýhodou malá amplitúda elektrických kmitov.
Magnetické diódy
Bežné diódy sú slabo ovplyvnené vonkajšími magnetickými poľami. Magnetodiódy majú špeciálny dizajn, ktorý zvyšuje citlivosť na tento efekt. Sú vyrobené technológiou p-i-n s predĺženou základňou. Pôsobením magnetického poľa sa zvyšuje odpor zariadenia v doprednom smere, čo môže byť použité na vytvorenie bezkontaktných spínacích prvkov, prevodníkov magnetického poľa atď.
Laserové diódy
Princíp činnosti laserovej diódy je založený na vlastnosti páru elektrón-diera pri rekombinácii za určitých podmienok emitovať monochromatické a koherentné viditeľné žiarenie. Spôsoby vytvárania týchto podmienok sú rôzne, pre používateľa je potrebné poznať len dĺžku vlny vyžarovanej diódou a jej výkon.
Lavínové diódy
Tieto zariadenia sa používajú v mikrovlnnej rúre. Za určitých podmienok sa v režime lavínového rozpadu na charakteristike diódy objaví úsek s negatívnym diferenciálnym odporom. Táto vlastnosť APD umožňuje ich použitie ako generátory pracujúce na vlnových dĺžkach až do milimetrového rozsahu. Tam je možné získať výkon najmenej 1 watt. Pri nižších frekvenciách sa z takýchto diód odoberá až niekoľko kilowattov.
PIN diódy
Tieto diódy sú vyrobené technológiou p-i-n. Medzi dotovanými vrstvami polovodičov je vrstva nedopovaného materiálu. Z tohto dôvodu sa zhoršujú usmerňovacie vlastnosti diódy (pri spätnom napätí sa rekombinácia znižuje kvôli nedostatku priameho kontaktu medzi p- a n-zónou).Ale kvôli rozostupom oblastí priestorového náboja sa parazitná kapacita stáva veľmi malou, v uzavretom stave je únik signálu pri vysokých frekvenciách prakticky vylúčený a kolíkové diódy môžu byť použité na RF a mikrovlnách ako spínacie prvky.
Hlavné charakteristiky a parametre diód
Medzi hlavné charakteristiky polovodičových diód (okrem vysoko špecializovaných) patria:
- maximálne prípustné spätné napätie (konštantné a impulzné);
- hraničná prevádzková frekvencia;
- pokles napätia vpred;
- Rozsah prevádzkových teplôt.
Ostatné dôležité charakteristiky je najlepšie zvážiť pomocou príkladu I-V charakteristík diódy - to je jasnejšie.
Voltampérová charakteristika polovodičovej diódy
Prúdovo-napäťová charakteristika polovodičovej diódy pozostáva z prednej a spätnej vetvy. Sú umiestnené v kvadrantoch I a III, pretože smer prúdu a napätia cez diódu sa vždy zhodujú. Podľa charakteristiky prúdového napätia môžete určiť niektoré parametre a tiež jasne vidieť, čo ovplyvňujú vlastnosti zariadenia.
Prahové napätie vedenia
Ak na diódu privediete dopredné napätie a začnete ho zvyšovať, potom sa v prvom momente nič nestane - prúd sa nezvýši. Ale pri určitej hodnote sa dióda otvorí a prúd sa zvýši podľa napätia. Toto napätie sa nazýva prahové napätie vedenia a je označené na VAC ako Uthreshold. 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 polovodičových zariadení otvárať sa pri nízkom napätí sa využíva pri práci v nízkonapäťových obvodoch a v iných situáciách.
Maximálny prúd cez diódu s priamym pripojením
Po otvorení diódy sa jej prúd zvyšuje spolu s nárastom priepustného napätia. Pre ideálnu diódu ide tento graf do nekonečna. V praxi je tento parameter obmedzený schopnosťou polovodičového zariadenia odvádzať teplo. Po dosiahnutí určitého limitu sa dióda prehreje a zlyhá. Aby sa tomu zabránilo, výrobcovia uvádzajú najvyšší prípustný prúd (na VAC - Imax). Dá sa to zhruba určiť podľa veľkosti diódy a jej obalu. V zostupnom poradí:
- najväčší prúd udržujú zariadenia v kovovom plášti;
- plastové puzdrá sú určené pre stredný výkon;
- Diódy v sklenených obaloch sa používajú v slaboprúdových obvodoch.
Kovové spotrebiče môžu byť inštalované na radiátoroch - tým sa zvýši rozptylový výkon.
Reverzný zvodový prúd
Ak na diódu použijete spätné napätie, potom necitlivý ampérmeter nič neukáže. V skutočnosti iba ideálna dióda neprechádza žiadnym prúdom. Skutočné zariadenie bude mať prúd, ale je veľmi malý a nazýva sa spätný únikový prúd (na CVC - Iobr). Sú to desiatky mikroampérov alebo desatiny miliampérov a oveľa menej ako jednosmerný prúd. Nájdete ho v adresári.
Prierazné napätie
Pri určitej hodnote spätného napätia dochádza k prudkému zvýšeniu prúdu, nazývanému prieraz. Má tunelový alebo lavínový charakter a je reverzibilný. Tento režim sa používa na stabilizáciu napätia (lavína) alebo na generovanie impulzov (tunel).S ďalším zvýšením napätia sa prieraz stáva tepelným. Tento režim je nevratný a dióda zlyhá.
Parazitná kapacita pn-prechod
Už bolo spomenuté, že p-n prechod má elektrická kapacita. A ak je táto vlastnosť užitočná a používa sa vo varicapoch, potom v bežných diódach môže byť škodlivá. Hoci kapacita je jednotiek alebo desiatky pF a pri jednosmernom prúde alebo nízkych frekvenciách je nepostrehnuteľný, so zvyšujúcou sa frekvenciou jeho vplyv narastá. Niekoľko pikofaradov na RF vytvorí dostatočne nízky odpor pre rušivý únik signálu, pridá k existujúcej kapacite a zmení parametre obvodu a spolu s indukčnosťou výstupného alebo tlačeného vodiča vytvorí rušivý rezonančný obvod. Preto sa pri výrobe vysokofrekvenčných zariadení prijímajú opatrenia na zníženie kapacity prechodu.
Označenie diódou
Najjednoduchší spôsob označenia diód v kovovom obale. Vo väčšine prípadov sú označené označením zariadenia a jeho pinoutom. Diódy v plastovom puzdre sú označené krúžkovou značkou na strane katódy. Neexistuje však žiadna záruka, že výrobca toto pravidlo prísne dodržiava, takže je lepšie odkázať na adresár. Ešte lepšie je zazvoniť zariadenie pomocou multimetra.
Domáce nízkoenergetické zenerove diódy a niektoré ďalšie zariadenia môžu mať na opačných stranách puzdra značky dvoch krúžkov alebo bodiek rôznych farieb. Ak chcete určiť typ takejto diódy a jej pinout, musíte si vziať referenčnú knihu alebo nájsť online identifikátor označenia na internete.
Aplikácie diód
Napriek jednoduchému zariadeniu sú polovodičové diódy široko používané v elektronike:
- Na narovnanie striedavé napätie. Klasika žánru - vlastnosť p-n junction sa používa na vedenie prúdu v jednom smere.
- diódové detektory. Tu sa využíva nelinearita I–V charakteristiky, ktorá umožňuje izolovať zo signálu harmonické, ktorých potrebné je možné rozlíšiť pomocou filtrov.
- Dve diódy zapojené chrbtom k sebe slúžia ako obmedzovač pre silné signály, ktoré môžu preťažiť následné vstupné stupne citlivých rádiových prijímačov.
- Zenerove diódy môžu byť zahrnuté ako prvky odolné proti iskreniu, ktoré neumožňujú vstup vysokonapäťových impulzov do obvodov snímačov inštalovaných v nebezpečných priestoroch.
- Diódy môžu slúžiť ako spínacie zariadenia vo vysokofrekvenčných obvodoch. Otvárajú sa konštantným napätím a prechádzajú (alebo neprechádzajú) RF signál.
- Parametrické diódy slúžia ako zosilňovače slabých signálov v mikrovlnnom rozsahu v dôsledku prítomnosti úseku so záporným odporom v priamej vetve charakteristiky.
- Diódy sa používajú na zostavenie mixérov pracujúcich vo vysielacom alebo prijímacom zariadení. Miešajú sa signál lokálneho oscilátora s vysokofrekvenčným (alebo nízkofrekvenčným) signálom na ďalšie spracovanie. Využíva tiež nelinearitu charakteristiky prúd-napätie.
- Nelineárna charakteristika umožňuje použitie mikrovlnných diód ako násobičov frekvencie. Keď signál prechádza cez multiplikačnú diódu, vyššie harmonické sú zvýraznené. Potom ich možno vybrať filtrovaním.
- Diódy sa používajú ako ladiace prvky pre rezonančné obvody. V tomto prípade sa využíva prítomnosť riadenej kapacity na p-n prechode.
- Niektoré typy diód sa používajú ako generátory v mikrovlnnej oblasti. Ide najmä o tunelové diódy a zariadenia s Gunnovým efektom.
Toto je len stručný popis možností dvojpólových polovodičových zariadení. S hlbokým štúdiom vlastností a charakteristík pomocou diód je možné vyriešiť veľa problémov priradených vývojárom elektronických zariadení.
Podobné články:
