Polprevodniška dioda se pogosto uporablja v elektrotehniki in elektroniki. S svojo nizko ceno in dobrim razmerjem med močjo in velikostjo je hitro nadomestil vakuumske naprave podobnega namena.
Vsebina
Naprava in načelo delovanja polprevodniške diode
Polprevodniška dioda je sestavljena iz dveh področij (plasti), ki sta narejena iz polprevodnika (silicij, germanij itd.). Ena regija ima presežek prostih elektronov (n-polprevodnik), druga ima pomanjkanje (p-polprevodnik) - to dosežemo z dopiranjem osnovnega materiala. Med njimi je majhna cona, v kateri presežek prostih elektronov z n-mesta "zapira" luknje s p-mesta (rekombinacija pride zaradi difuzije), v tem območju pa ni prostih nosilcev naboja. Ko se uporabi prednja napetost, je območje rekombinacije majhno, njen upor je majhen in dioda vodi tok v tej smeri. Z povratno napetostjo se bo območje brez nosilcev povečalo, upor diode se bo povečal. V tej smeri ne bo tekel tok.
Vrste, klasifikacija in grafična oznaka na električnih shemah
V splošnem primeru je dioda na diagramu označena kot stilizirana puščica, ki označuje smer toka. Pogojna grafična slika (UGO) naprave vsebuje dva zaključka - anoda in katoda, ki so v neposredni povezavi priključeni na plus električnega tokokroga oziroma na minus.
Obstaja veliko različic te bipolarne polprevodniške naprave, ki imajo lahko glede na namen nekoliko drugačne UGO.
Zener diode (zener diode)
Zener dioda je polprevodniška napravaki delujejo pri povratni napetosti v območju plazovnega razpada. V tem območju je napetost Zener diode stabilna v širokem razponu toka skozi napravo. Ta lastnost se uporablja za stabilizacijo napetosti na obremenitvi.
Stabistorji
Zener diode dobro stabilizirajo napetosti od 2 V in več.Stabistorji se uporabljajo za doseganje konstantne napetosti pod to mejo. Dopiranje materiala, iz katerega so te naprave izdelane (silicij, selen), doseže največjo navpičnost direktne veje karakteristike. V tem načinu delujejo stabistorji, ki oddajajo zgledno napetost v območju 0,5 ... 2 V na neposredni veji tokovno-napetostne karakteristike pri napetosti naprej.
Schottky diode
Schottkyjeva dioda je zgrajena po shemi polprevodnik-kovina in nima običajnega spoja. Zaradi tega sta bili pridobljeni dve pomembni lastnosti:
- zmanjšan padec napetosti naprej (približno 0,2 V);
- povečane delovne frekvence zaradi zmanjšanja lastne kapacitivnosti.
Slabosti vključujejo povečane vrednosti povratnih tokov in zmanjšano toleranco na raven povratne napetosti.
Varikapi
Vsaka dioda ima električno kapacitivnost. Ploščice kondenzatorja sta dva prostorska naboja (p in n področja polprevodnikov), pregradna plast pa je dielektrik. Ko se uporabi povratna napetost, se ta plast razširi in kapacitivnost se zmanjša. Ta lastnost je značilna za vse diode, toda za varikape je kapacitivnost normalizirana in znana za dane napetostne meje. To omogoča uporabo takšnih naprav, kot so spremenljivi kondenzatorji in se uporablja za prilagajanje ali fino nastavitev vezij z dovajanjem povratne napetosti različnih nivojev.
tunelske diode
Te naprave imajo odklon v ravnem delu značilnosti, pri katerem povečanje napetosti povzroči zmanjšanje toka. V tem območju je diferenčni upor negativen.Ta lastnost omogoča uporabo tunelskih diod kot ojačevalnikov in generatorjev šibkih signalov pri frekvencah nad 30 GHz.
Dinistorji
Dinistor - diodni tiristor - ima strukturo p-n-p-n in CVC v obliki črke S, ne prevaja toka, dokler uporabljena napetost ne doseže mejne vrednosti. Po tem se vklopi in se obnaša kot običajna dioda, dokler tok ne pade pod raven zadrževanja. Dinistorji se v močnostni elektroniki uporabljajo kot ključi.
Fotodiode
Fotodioda je izdelana v paketu z dostopom vidne svetlobe do kristala. Ko se p-n stičišče obseva, v njem nastane emf. To vam omogoča, da fotodiodo uporabite kot vir toka (kot del sončnih kolektorjev) ali kot svetlobni senzor.
LED diode
Glavna lastnost LED je sposobnost oddajanja svetlobe, ko tok teče skozi p-n spoj. Ta sijaj ni povezan z intenzivnostjo segrevanja, kot žarnica z žarilno nitko, zato je naprava ekonomična. Včasih se uporablja neposredni sijaj prehoda, pogosteje pa se uporablja kot iniciator vžiga fosforja. To je omogočilo pridobivanje prej nedosegljivih LED barv, kot sta modra in bela.
Gunnove diode
Čeprav ima Gunnova dioda običajno konvencionalno grafično oznako, ni dioda v polnem pomenu. Ker nima p-n stičišča. Ta naprava je sestavljena iz plošče iz galijevega arzenida na kovinski podlagi.
Ne da bi se spuščali v podrobnosti procesov: ko se v napravo uporabi električno polje določene velikosti, se pojavijo električna nihanja, katerih obdobje je odvisno od velikosti polprevodniške rezine (vendar v določenih mejah je frekvenco mogoče prilagoditi z zunanjimi elementi).
Gunn diode se uporabljajo kot oscilatorji pri frekvencah 1 GHz in več. Prednost naprave je visoka frekvenčna stabilnost, pomanjkljivost pa majhna amplituda električnih nihanj.
Magnetne diode
Na navadne diode zunanja magnetna polja slabo vplivajo. Magnetodiode imajo posebno zasnovo, ki poveča občutljivost na ta učinek. 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 ustvarjanje brezkontaktnih stikalnih elementov, pretvornikov magnetnega polja itd.
Laserske diode
Načelo delovanja laserske diode temelji na lastnosti para elektron-luknja med rekombinacijo pod določenimi pogoji, da oddaja monokromatsko in koherentno vidno sevanje. Metode ustvarjanja teh pogojev so različne, za uporabnika je potrebno le poznati dolžino vala, ki ga oddaja dioda, in njeno moč.
Lavinske diode
Te naprave se uporabljajo v mikrovalovni pečici. Pod določenimi pogoji se v načinu plazovnega razpada na karakteristiki diode pojavi odsek z negativnim diferencialnim uporom. Ta lastnost APD jim omogoča, da se uporabljajo kot generatorji, ki delujejo na valovnih dolžinah do milimetrskega območja. Tam je mogoče pridobiti moč vsaj 1 vat. Pri nižjih frekvencah se iz takšnih diod odstrani do nekaj kilovatov.
PIN diode
Te diode so izdelane po tehnologiji p-i-n. Med dopiranimi plastmi polprevodnikov je plast nedopiranega materiala. Zaradi tega se usmerjevalne lastnosti diode poslabšajo (z povratno napetostjo se rekombinacija zmanjša zaradi pomanjkanja neposrednega stika med p- in n-območji).Toda zaradi razmika območij prostorskega naboja postane parazitska kapacitivnost zelo majhna, v zaprtem stanju je uhajanje signala pri visokih frekvencah praktično izključeno, pin diode pa se lahko uporabljajo na RF in mikrovalovni pečici kot stikalni elementi.
Glavne značilnosti in parametri diod
Glavne značilnosti polprevodniških diod (razen visoko specializiranih) vključujejo:
- največja dovoljena povratna napetost (konstantna in impulzna);
- mejna delovna frekvenca;
- padec napetosti naprej;
- delovno temperaturno območje.
Preostale pomembne značilnosti je najbolje upoštevati na primeru I-V značilnosti diode - to je bolj jasno.
Volt-amperska značilnost polprevodniške diode
Tokovno-napetostna značilnost polprevodniške diode je sestavljena iz sprednje in povratne veje. Nahajajo se v I in III kvadrantih, saj smer toka in napetosti skozi diodo vedno sovpadata. Glede na tokovno-napetostno karakteristiko lahko določite nekatere parametre, pa tudi jasno vidite, na kaj vplivajo značilnosti naprave.
Napetost praga prevodnosti
Če na diodo nanesete napetost naprej in jo začnete povečevati, se v prvem trenutku 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 Uthreshold. Odvisno je od materiala, iz katerega je dioda izdelana. 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 polprevodniških naprav, da se odpirajo pri nizki napetosti, se uporablja pri delu v nizkonapetostnih vezjih in v drugih situacijah.
Največji tok skozi diodo z direktno povezavo
Ko se dioda odpre, se njen tok poveča skupaj s povečanjem napetosti naprej. Za idealno diodo gre ta graf v neskončnost. V praksi je ta parameter omejen s sposobnostjo polprevodniške naprave, da odvaja toploto. Ko je dosežena določena meja, se dioda pregreje in odpove. Da bi se temu izognili, proizvajalci navedejo najvišji dovoljeni tok (na VAC - Imax). Približno ga je mogoče določiti z velikostjo diode in njenega paketa. V padajočem vrstnem redu:
- največji tok zadržujejo naprave v kovinskem ovoju;
- plastična ohišja so zasnovana za srednjo moč;
- Diode v steklenih ovojih se uporabljajo v nizkotokovnih vezjih.
Kovinske naprave je mogoče namestiti na radiatorje - to bo povečalo moč odvajanja.
Povratni tok uhajanja
Če na diodo uporabite povratno napetost, potem neobčutljiv ampermeter ne bo pokazal ničesar. Pravzaprav samo idealna dioda ne prepušča toka. Prava naprava bo imela tok, vendar je zelo majhen in se imenuje povratni tok uhajanja (na CVC - Iobr). Je desetine mikroamperov ali desetinke miliamperov in veliko manj kot enosmerni tok. Najdete ga v imeniku.
Razbojna napetost
Pri določeni vrednosti povratne napetosti pride do močnega povečanja toka, ki se imenuje zlom. Ima tunelski ali lavinski značaj in je reverzibilen. Ta način se uporablja za stabilizacijo napetosti (lavin) ali za generiranje impulzov (tunel).Z nadaljnjim dvigom napetosti postane okvar toploten. Ta način je nepovraten in dioda odpove.
Parazitska kapacitivnost pn-spoj
Omenjeno je bilo že, da ima p-n stičišče električna zmogljivost. In če je ta lastnost uporabna in se uporablja v varikapih, potem je v navadnih diodah lahko škodljiva. Čeprav zmogljivost je enote ali desetine pF in pri enosmernem toku ali nizkih frekvencah je neopazen, z naraščajočo frekvenco se njegov vpliv povečuje. Nekaj pikofarad pri RF bo ustvarilo dovolj nizek upor za lažno uhajanje signala, dodalo k obstoječi kapacitivnosti in spremenilo parametre vezja ter skupaj z induktivnostjo izhodnega ali tiskanega vodnika tvorilo lažno resonančno vezje. Zato se pri proizvodnji visokofrekvenčnih naprav izvajajo ukrepi za zmanjšanje kapacitivnosti prehoda.
Označevanje diode
Najlažji način za označevanje diod v kovinskem ohišju. V večini primerov so označeni z oznako naprave in njeno pinout. Diode v plastičnem ohišju so označene z oznako obroča na strani katode. Vendar ni nobenega zagotovila, da proizvajalec to pravilo strogo upošteva, zato je bolje, da se obrnete na imenik. Še bolje, pokličite napravo z multimetrom.
Domače zener diode z majhno močjo in nekatere druge naprave imajo lahko oznake dveh obročev ali pik različnih barv na nasprotnih straneh ohišja. Če želite določiti vrsto takšne diode in njen pinout, morate vzeti referenčno knjigo ali poiskati spletni identifikator označevanja na internetu.
Uporaba diod
Kljub preprosti napravi se polprevodniške diode pogosto uporabljajo v elektroniki:
- Za ravnanje AC napetost. Klasika žanra - lastnost p-n spoja se uporablja za prevajanje toka v eno smer.
- diodni detektorji. Tu se uporablja nelinearnost I-V karakteristike, ki omogoča izolacijo harmonikov od signala, od katerih je potrebno ločiti s filtri.
- Dve diodi, ki sta medsebojno povezani, služita kot omejevalnik močnih signalov, ki lahko preobremenijo naslednje vhodne stopnje občutljivih radijskih sprejemnikov.
- Zener diode so lahko vključene kot varni elementi, ki ne dopuščajo, da bi visokonapetostni impulzi vstopili v vezja senzorjev, nameščenih v nevarnih območjih.
- Diode lahko služijo kot stikalne naprave v visokofrekvenčnih vezjih. Odpirajo se s konstantno napetostjo in prehajajo (ali ne prepuščajo) RF signala.
- Parametrične diode služijo kot ojačevalniki šibkih signalov v mikrovalovnem območju zaradi prisotnosti odseka z negativnim uporom v neposredni veji značilnosti.
- Diode se uporabljajo za sestavljanje mešalnikov, ki delujejo v oddajni ali sprejemni opremi. Mešajo se signal lokalnega oscilatorja z visokofrekvenčnim (ali nizkofrekvenčnim) signalom za nadaljnjo obdelavo. Uporablja tudi nelinearnost tokovno-napetostne karakteristike.
- Nelinearna karakteristika omogoča uporabo mikrovalovnih diod kot frekvenčnih množiteljev. Ko signal prehaja skozi množilno diodo, so poudarjeni višji harmoniki. Nato jih lahko izberete s filtriranjem.
- Diode se uporabljajo kot nastavitveni elementi za resonančna vezja. V tem primeru se uporablja prisotnost nadzorovane kapacitivnosti na p-n stičišču.
- Nekatere vrste diod se uporabljajo kot generatorji v mikrovalovnem območju. To so predvsem tunelske diode in naprave z Gunnovim učinkom.
To je le kratek opis zmogljivosti polprevodniških naprav z dvojnim terminalom. S poglobljenim preučevanjem lastnosti in značilnosti s pomočjo diod je mogoče rešiti številne težave, dodeljene razvijalcem elektronske opreme.
Podobni članki:
