A félvezető diódát széles körben használják az elektrotechnikában és az elektronikában. Alacsony költségével és jó teljesítmény-méretarányával gyorsan leváltotta a hasonló célú vákuumberendezéseket.
Tartalom
A félvezető dióda berendezése és működési elve
A félvezető dióda két félvezetőből (szilícium, germánium stb.) készült régióból (rétegből) áll. Az egyik régióban túl sok a szabad elektron (n-félvezető), a másikban hiány van (p-félvezető) - ezt az alapanyag adalékolásával érik el. Közöttük van egy kis zóna, amelyben az n-helyről származó szabad elektronok feleslege "bezárja" a p-helyről származó lyukakat (rekombináció történik a diffúzió miatt), és ebben a régióban nincsenek szabad töltéshordozók. Ha előremenő feszültséget alkalmazunk, a rekombinációs tartomány kicsi, az ellenállása kicsi, és a dióda ebben az irányban vezeti az áramot. Fordított feszültség esetén a vivőmentes zóna nő, a dióda ellenállása nő. Ebben az irányban nem folyik áram.
Típusok, osztályozás és grafikai jelölések elektromos diagramokon
Általános esetben a diagramon a diódát stilizált nyílként jelöljük, amely az áram irányát jelzi. Az eszköz feltételes grafikus képe (UGO) két következtetést tartalmaz: anód és katód, amelyek közvetlen kapcsolatban vannak az elektromos áramkör pluszjával, illetve mínuszával.
Ennek a bipoláris félvezető eszköznek számos változata létezik, amelyek a céltól függően kissé eltérő UGO-kkal rendelkeznek.
Zener diódák (Zener diódák)
A zener dióda egy félvezető eszközfordított feszültséggel működik a lavinatörés zónájában. Ebben a régióban a Zener-dióda feszültsége az eszközön áthaladó áram széles tartományában stabil. Ez a tulajdonság a terhelés feszültségének stabilizálására szolgál.
Stabilistorok
A Zener-diódák jó munkát végeznek a feszültségek stabilizálásában 2 V-tól és afelett.A stabisztorokat arra használják, hogy állandó feszültséget e határérték alatt érjenek el. Azon anyagok adalékolása, amelyből ezek az eszközök készülnek (szilícium, szelén), a jellemző közvetlen ágának legnagyobb vertikálisságát éri el. Ebben az üzemmódban a stabisztorok működnek, 0,5 ... 2 V tartományban példaértékű feszültséget adnak ki az áram-feszültség karakterisztika közvetlen ágán előremenő feszültségnél.
Schottky diódák
A Schottky-dióda a félvezető-fém séma szerint épül fel, és nincs hagyományos csomópontja. Ennek köszönhetően két fontos tulajdonságot kaptunk:
- csökkentett előremenő feszültségesés (kb. 0,2 V);
- megnövekedett működési frekvenciák az önkapacitás csökkenése miatt.
A hátrányok közé tartozik a fordított áramok megnövekedett értéke és a fordított feszültség szintjének csökkentett toleranciája.
Varicaps
Minden diódának van elektromos kapacitása. A kondenzátor lemezei két tértöltés (a félvezetők p és n tartománya), a gátréteg pedig a dielektrikum. Fordított feszültség alkalmazásakor ez a réteg kitágul, és a kapacitás csökken. Ez a tulajdonság minden diódában rejlik, de a varikapok esetében a kapacitás normalizált, és adott feszültséghatárokhoz ismert. Ez lehetővé teszi olyan eszközök használatát, mint pl változtatható kondenzátorok és alkalmazza az áramkörök beállítására vagy finomhangolására különböző szintű fordított feszültség biztosításával.
alagútdiódák
Ezeknél az eszközöknél a karakterisztika egyenes szakaszában van egy elhajlás, amelyben a feszültség növekedése áramcsökkenést okoz. Ebben a régióban a differenciális ellenállás negatív.Ez a tulajdonság lehetővé teszi az alagútdiódák gyenge jelerősítőként és generátorként történő használatát 30 GHz feletti frekvencián.
Dinistorok
A Dinistor - dióda tirisztor - p-n-p-n szerkezettel és S-alakú CVC-vel rendelkezik, nem vezet áramot, amíg az alkalmazott feszültség el nem éri a küszöbszintet. Ezt követően bekapcsol, és úgy viselkedik, mint egy normál dióda, amíg az áram a tartási szint alá nem csökken. A dinisztorokat a teljesítményelektronikában kulcsként használják.
Fotodiódák
A fotodióda olyan csomagolásban készül, amelyen látható fény hozzáfér a kristályhoz. Amikor egy p-n átmenetet besugároznak, emf keletkezik benne. Ez lehetővé teszi a fotodióda áramforrásként (napelemek részeként) vagy fényérzékelőként történő használatát.
LED-ek
A LED fő tulajdonsága, hogy fényt bocsát ki, amikor az áram áthalad egy p-n átmeneten. Ez a fény nem függ össze a fűtés intenzitásával, mint egy izzólámpa, így a készülék gazdaságos. Néha az átmenet közvetlen fényét használják, de gyakrabban a foszfor gyulladásának kezdeményezőjeként. Ez lehetővé tette korábban elérhetetlen LED-színek, például kék és fehér elérését.
Gunn Diódák
Bár a Gunn dióda a szokásos hagyományos grafikus jelöléssel rendelkezik, nem a teljes értelemben vett dióda. Mert nincs p-n átmenete. Ez az eszköz egy fémhordozón lévő gallium-arzenid lemezből áll.
Anélkül, hogy belemennénk a folyamatok részleteibe: ha egy bizonyos nagyságú elektromos mezőt alkalmazunk a készülékben, elektromos rezgések lépnek fel, amelyek időtartama a félvezető lapka méretétől függ (de bizonyos határok között a frekvencia állítható külső elemek által).
A Gunn diódákat oszcillátorként használják 1 GHz-es és annál magasabb frekvenciákon. A készülék előnye a nagyfrekvenciás stabilitás, hátránya pedig az elektromos rezgések kis amplitúdója.
Mágneses diódák
A közönséges diódákat gyengén befolyásolják a külső mágneses mezők. A magnetodiódák speciális kialakítással rendelkeznek, amely növeli az érzékenységet erre a hatásra. P-i-n technológiával készülnek, kiterjesztett alappal. Mágneses tér hatására megnövekszik a készülék ellenállása előrefelé, és ebből lehet érintésmentes kapcsolóelemeket, mágneses tér átalakítókat stb.
Lézer diódák
A lézerdióda működési elve azon a tulajdonságon alapul, hogy bizonyos körülmények között a rekombináció során egy elektron-lyuk pár monokromatikus és koherens látható sugárzást bocsát ki. E feltételek létrehozásának módjai eltérőek, a felhasználó számára csak a dióda által kibocsátott hullám hosszát és teljesítményét kell ismernie.
Lavina diódák
Ezeket az eszközöket mikrohullámú sütőben használják. Bizonyos körülmények között a lavina letörési módban egy negatív differenciálellenállású szakasz jelenik meg a dióda karakterisztikán. Az APD ezen tulajdonsága lehetővé teszi, hogy generátorként használják őket a milliméteres tartományig terjedő hullámhosszon. Ott legalább 1 watt teljesítmény érhető el. Alacsonyabb frekvenciákon akár több kilowatt is eltávolítható az ilyen diódákból.
PIN diódák
Ezek a diódák p-i-n technológiával készülnek. A félvezetők adalékolt rétegei között van egy réteg adalékolatlan anyag. Emiatt a dióda egyenirányító tulajdonságai romlanak (fordított feszültség esetén a rekombináció csökken a p- és n-zóna közötti közvetlen érintkezés hiánya miatt).De a tértöltési tartományok távolsága miatt a parazita kapacitás nagyon kicsivé válik, zárt állapotban gyakorlatilag kizárt a jelszivárgás magas frekvencián, és kapcsolóelemként RF-en és mikrohullámú sütőben is használhatóak a tűs diódák.
A diódák főbb jellemzői és paraméterei
A félvezető diódák fő jellemzői (kivéve a nagyon speciális diódákat):
- a legnagyobb megengedett fordított feszültség (állandó és impulzusos);
- határműködési frekvencia;
- előremenő feszültségesés;
- Működési hőmérséklet tartomány.
A többi fontos jellemzőt a dióda IV karakterisztikájának példáján érdemes figyelembe venni - ez egyértelműbb.
Félvezető dióda Volt-amper karakterisztikája
A félvezető dióda áram-feszültség karakterisztikája egy előre és egy fordított ágból áll. Az I és III kvadránsban helyezkednek el, mivel a diódán áthaladó áram és feszültség iránya mindig egybeesik. Az áram-feszültség karakterisztika szerint meghatározhat néhány paramétert, valamint világosan láthatja, hogy az eszköz jellemzői mit befolyásolnak.
Vezetési küszöbfeszültség
Ha előremenő feszültséget kapcsol a diódára, és elkezdi növelni, akkor az első pillanatban semmi sem fog történni - az áram nem fog növekedni. De egy bizonyos értéknél a dióda kinyílik, és az áramerősség a feszültségnek megfelelően nő. Ezt a feszültséget vezetési küszöbfeszültségnek nevezik, és a VAC-on Uthreshold-ként jelölik. Ez attól függ, hogy milyen anyagból készült a dióda. A leggyakoribb félvezetők esetében ez a paraméter:
- szilícium - 0,6-0,8 V;
- germánium - 0,2-0,3 V;
- gallium-arzenid - 1,5 V.
A germánium félvezető eszközök alacsony feszültségen történő nyitási tulajdonságát használják kisfeszültségű áramkörökben és más helyzetekben.
Maximális áram a diódán keresztül közvetlen csatlakozással
Miután a dióda kinyílt, az árama az előremenő feszültség növekedésével együtt nő. Egy ideális diódánál ez a grafikon a végtelenbe megy. A gyakorlatban ezt a paramétert korlátozza a félvezető eszköz hőleadó képessége. Egy bizonyos határ elérésekor a dióda túlmelegszik és meghibásodik. Ennek elkerülése érdekében a gyártók jelzik a legnagyobb megengedett áramerősséget (a VAC - Imax-on). Nagyjából a dióda mérete és a csomagolása alapján határozható meg. Csökkenő sorrendben:
- a legnagyobb áramot az eszközök fémhüvelyben tartják;
- a műanyag tokokat közepes teljesítményre tervezték;
- Az üvegburokban lévő diódákat gyengeáramú áramkörökben használják.
Fém készülékek felszerelhetők a radiátorokra - ez növeli a disszipációs teljesítményt.
Fordított szivárgási áram
Ha fordított feszültséget kapcsol a diódára, akkor az érzéketlen ampermérő semmit nem mutat. Valójában csak egy ideális dióda nem enged át semmilyen áramot. Egy valódi eszköznek van árama, de nagyon kicsi, és fordított szivárgási áramnak nevezik (a CVC-n - Iobr). Ez több tíz mikroamper vagy tized milliamper, és sokkal kevesebb, mint az egyenáram. A könyvtárban megtalálod.
Áttörési feszültség
A fordított feszültség egy bizonyos értékénél az áramerősség éles növekedése következik be, amelyet leállásnak neveznek. Alagút vagy lavina jellegű, és megfordítható. Ez a mód a feszültség stabilizálására (lavina) vagy impulzusok generálására (alagút) szolgál.A feszültség további növekedésével az áttörés termikussá válik. Ez az üzemmód visszafordíthatatlan, és a dióda meghibásodik.
Parazita kapacitású pn-átmenet
Már említettük, hogy a p-n átmenet rendelkezik elektromos kapacitás. És ha ez a tulajdonság hasznos és a varikapákban használatos, akkor a közönséges diódákban káros lehet. Habár a kapacitás egység vagy több tíz pF és egyenáramon vagy alacsony frekvenciákon észrevehetetlen, a frekvencia növekedésével a befolyása növekszik. Néhány pikofarad RF-nél elég alacsony ellenállást hoz létre a hamis jelszivárgáshoz, növeli a meglévő kapacitást és megváltoztatja az áramkör paramétereit, és a kimeneti vagy nyomtatott vezető induktivitásával együtt hamis rezonancia áramkört képez. Ezért a nagyfrekvenciás eszközök gyártása során intézkedéseket tesznek az átmenet kapacitásának csökkentésére.
Dióda jelölés
A legegyszerűbb módja a diódák fém tokban történő megjelölésének. A legtöbb esetben az eszköz megnevezésével és annak kivezetésével vannak jelölve. A műanyag tokban lévő diódák a katód oldalán gyűrűjelzéssel vannak megjelölve. De nincs garancia arra, hogy a gyártó szigorúan betartja ezt a szabályt, ezért jobb, ha a könyvtárra hivatkozik. Még jobb, ha a készüléket multiméterrel csengetjük.
A háztartási kis teljesítményű zener-diódákon és néhány más eszközön két különböző színű gyűrű vagy pont látható a ház ellentétes oldalán. Az ilyen dióda típusának és kivezetésének meghatározásához vegyen egy kézikönyvet, vagy találjon egy online jelölési azonosítót az interneten.
Diódák alkalmazásai
Az egyszerű eszköz ellenére a félvezető diódákat széles körben használják az elektronikában:
- Egyengetéshez AC feszültség. A műfaj klasszikusa - a p-n átmenet tulajdonsága az áram egyirányú vezetésére szolgál.
- dióda detektorok. Itt az I–V karakterisztika nemlinearitása kerül felhasználásra, amely lehetővé teszi a harmonikusok elválasztását a jelből, amelyek szükségesek szűrőkkel megkülönböztethetők.
- Két, egymás mellé kapcsolt dióda korlátozza az erős jeleket, amelyek túlterhelhetik az érzékeny rádióvevők következő bemeneti fokozatait.
- A Zener diódák szikraálló elemekként beépíthetők, amelyek nem engedik, hogy nagyfeszültségű impulzusok kerüljenek a veszélyes területekre telepített érzékelők áramköreibe.
- A diódák kapcsolóeszközként szolgálhatnak a nagyfrekvenciás áramkörökben. Állandó feszültséggel nyitnak és átengedik (vagy nem adják át) az RF jelet.
- A paraméteres diódák gyenge jelek erősítésére szolgálnak a mikrohullámú tartományban, mivel a karakterisztika közvetlen ágában negatív ellenállású szakasz található.
- A diódákat adó- vagy vevőberendezésekben működő keverők összeszerelésére használják. Keverik helyi oszcillátor jel nagyfrekvenciás (vagy alacsony frekvenciájú) jellel a további feldolgozáshoz. Az áram-feszültség karakterisztika nemlinearitását is használja.
- A nemlineáris karakterisztika lehetővé teszi mikrohullámú diódák használatát frekvenciaszorzóként. Amikor a jel áthalad a szorzódiódán, a magasabb harmonikusok kiemelésre kerülnek. Ezután szűréssel kiválaszthatók.
- A rezonáns áramkörök hangolóelemeiként diódákat használnak. Ebben az esetben a p-n átmeneten szabályozott kapacitást használnak.
- Bizonyos típusú diódákat generátorként használnak a mikrohullámú tartományban. Ezek főleg alagútdiódák és Gunn-effektussal rendelkező eszközök.
Ez csak egy rövid leírás a kétterminális félvezető eszközök képességeiről. A tulajdonságok és jellemzők diódák segítségével történő mélyreható tanulmányozásával számos, az elektronikus berendezések fejlesztőire háruló probléma megoldható.
Hasonló cikkek:
