Polovodičová dioda je široce používána v elektrotechnice a elektronice. Svou nízkou cenou a dobrým poměrem výkonu k velikosti rychle nahradil vakuová zařízení podobného účelu.
Obsah
Zařízení a princip činnosti polovodičové diody
Polovodičová dioda se skládá ze dvou oblastí (vrstev) vyrobených z polovodiče (křemík, germanium atd.). Jedna oblast má přebytek volných elektronů (n-polovodič), druhá má nedostatek (p-polovodič) - toho je dosaženo dotováním základního materiálu. Mezi nimi je malá zóna, ve které přebytek volných elektronů z n-místa „uzavírá“ díry z p-místa (dochází k rekombinaci v důsledku difúze), a v této oblasti nejsou žádné volné nosiče náboje. Při použití propustného napětí je oblast rekombinace malá, její odpor je malý a dioda vede proud tímto směrem. Při zpětném napětí se zóna bez nosiče zvýší, odpor diody se zvýší. V tomto směru nepoteče žádný proud.
Typy, klasifikace a grafické označení na elektrických schématech
V obecném případě je dioda ve schématu označena jako stylizovaná šipka označující směr proudu. Podmíněný grafický obraz (UGO) zařízení obsahuje dva závěry - anoda a katoda, které jsou v přímé vazbě zapojeny do plusu elektrického obvodu a do mínusu, resp.
Existuje velké množství odrůd tohoto bipolárního polovodičového zařízení, které v závislosti na účelu mohou mít mírně odlišné UGO.
Zenerovy diody (Zenerovy diody)
Zenerova dioda je polovodičové zařízenípracující při zpětném napětí v zóně lavinového průvalu. V této oblasti je napětí Zenerovy diody stabilní v širokém rozsahu proudu procházejícího zařízením. Tato vlastnost se používá ke stabilizaci napětí na zátěži.
Stabistory
Zenerovy diody odvádějí dobrou práci při stabilizaci napětí od 2 V a výše.Stabistor se používá k získání konstantního napětí pod tuto mez. Dopováním materiálu, ze kterého jsou tato zařízení vyrobena (křemík, selen), se dosahuje největší svislosti přímé větve charakteristiky. V tomto režimu pracují stabistory, které dávají příkladné napětí v rozsahu 0,5 ... 2 V na přímé větvi charakteristiky proud-napětí při propustném napětí.
Schottkyho diody
Schottkyho dioda je postavena podle schématu polovodič-kov a nemá konvenční přechod. Díky tomu byly získány dvě důležité vlastnosti:
- snížený pokles napětí v propustném směru (asi 0,2 V);
- zvýšené provozní frekvence v důsledku snížení vlastní kapacity.
Mezi nevýhody patří zvýšené hodnoty zpětných proudů a snížená tolerance k úrovni zpětného napětí.
Varicaps
Každá dioda má elektrickou kapacitu. Desky kondenzátoru jsou dva prostorové náboje (oblasti p a n polovodičů) a bariérová vrstva je dielektrikum. Při použití zpětného napětí se tato vrstva roztáhne a kapacita se sníží. Tato vlastnost je vlastní všem diodám, ale u varikapů je kapacita normalizovaná a známá pro dané meze napětí. To umožňuje používat taková zařízení jako variabilní kondenzátory a použít k nastavení nebo jemnému doladění obvodů dodáním zpětného napětí různých úrovní.
tunelové diody
Tato zařízení mají v přímém úseku charakteristiky výchylku, ve které zvýšení napětí způsobí pokles proudu. V této oblasti je diferenciální odpor záporný.Tato vlastnost umožňuje použít tunelové diody jako zesilovače a generátory slabého signálu při frekvencích nad 30 GHz.
dinisté
Dinistor - diodový tyristor - má strukturu p-n-p-n a CVC ve tvaru S, nevede proud, dokud přiložené napětí nedosáhne prahové úrovně. Poté se rozsvítí a chová se jako normální dioda, dokud proud neklesne pod přídržnou úroveň. Dinistory se používají ve výkonové elektronice jako klíče.
Fotodiody
Fotodioda je vyrobena v obalu s přístupem viditelného světla ke krystalu. Při ozáření p-n přechodu v něm vzniká emf. To umožňuje použít fotodiodu jako zdroj proudu (jako součást solárních panelů) nebo jako světelný senzor.
LED diody
Hlavní vlastností LED je schopnost vyzařovat světlo, když proud prochází p-n přechodem. Tato záře nesouvisí s intenzitou ohřevu, jako je tomu u žárovky, takže zařízení je ekonomické. Někdy se používá přímá záře přechodu, ale častěji se používá jako iniciátor zapálení fosforu. To umožnilo získat dříve nedosažitelné barvy LED, jako je modrá a bílá.
Gunnovy diody
Přestože má dioda Gunn obvyklé konvenční grafické označení, nejedná se o diodu v plném slova smyslu. Protože nemá p-n přechod. Toto zařízení se skládá z desky arsenidu galia na kovovém substrátu.
Aniž bychom zacházeli do detailů procesů: když je v zařízení aplikováno elektrické pole určité velikosti, dochází k elektrickým oscilacím, jejichž perioda závisí na velikosti polovodičové destičky (ale v určitých mezích lze frekvenci upravit vnějšími prvky).
Gunnovy diody se používají jako oscilátory při frekvencích 1 GHz a vyšších. Výhodou zařízení je vysoká frekvenční stabilita, nevýhodou malá amplituda elektrických kmitů.
Magnetické diody
Běžné diody jsou slabě ovlivněny vnějšími magnetickými poli. Magnetodody mají speciální konstrukci, která zvyšuje citlivost na tento efekt. Jsou vyrobeny technologií p-i-n s rozšířenou základnou. Působením magnetického pole se zvyšuje odpor zařízení v propustném směru a toho lze využít k vytvoření bezkontaktních spínacích prvků, měničů magnetického pole atd.
Laserové diody
Princip činnosti laserové diody je založen na vlastnosti páru elektron-díra při rekombinaci za určitých podmínek emitovat monochromatické a koherentní viditelné záření. Způsoby vytváření těchto podmínek jsou různé, pro uživatele je pouze potřeba znát délku vlny vyzařované diodou a její výkon.
Lavinové diody
Tato zařízení se používají v mikrovlnné troubě. Za určitých podmínek se v režimu lavinového průrazu objeví na charakteristice diody úsek s negativním rozdílovým odporem. Tato vlastnost APD umožňuje jejich použití jako generátory pracující na vlnových délkách až do milimetrového rozsahu. Tam je možné získat výkon minimálně 1 watt. Při nižších frekvencích je z takových diod odstraněno až několik kilowattů.
PIN diody
Tyto diody jsou vyrobeny pomocí technologie p-i-n. Mezi dotovanými vrstvami polovodičů je vrstva nedotovaného materiálu. Z tohoto důvodu se zhoršují usměrňovací vlastnosti diody (při zpětném napětí se rekombinace snižuje kvůli chybějícímu přímému kontaktu mezi p- a n-zónou).Ale vzhledem k rozteči oblastí prostorového náboje se parazitní kapacita stává velmi malou, v zavřeném stavu je únik signálu na vysokých frekvencích prakticky vyloučen a jako spínací prvky lze použít pinové diody na RF a mikrovlnce.
Hlavní charakteristiky a parametry diod
Mezi hlavní charakteristiky polovodičových diod (kromě vysoce specializovaných) patří:
- maximální povolené zpětné napětí (konstantní a pulzní);
- mezní pracovní frekvence;
- pokles napětí v dopředném směru;
- Rozsah provozních teplot.
Zbytek důležitých charakteristik je nejlépe zvážit na příkladu I-V charakteristiky diody - to je jasnější.
Voltampérová charakteristika polovodičové diody
Proudově napěťová charakteristika polovodičové diody se skládá z dopředné a zpětné větve. Jsou umístěny v I a III kvadrantech, protože směr proudu a napětí procházející diodou se vždy shoduje. Podle charakteristiky proudového napětí můžete určit některé parametry a také jasně vidět, co vlastnosti zařízení ovlivňují.
Prahové napětí vedení
Pokud na diodu přivedete propustné napětí a začnete ho zvyšovat, pak se v první chvíli nic nestane - proud se nezvýší. Ale při určité hodnotě se dioda otevře a proud se zvýší podle napětí. Toto napětí se nazývá prahové napětí vedení a je označeno na VAC jako Uthreshold. Záleží na materiálu, ze kterého je dioda vyrobena. Pro nejběžnější polovodiče je tento parametr:
- křemík - 0,6-0,8 V;
- germanium - 0,2-0,3 V;
- arsenid galia - 1,5 V.
Vlastnost germaniových polovodičových součástek otevřít se při nízkém napětí se využívá při práci v nízkonapěťových obvodech a v jiných situacích.
Maximální proud diodou s přímým připojením
Po otevření diody se její proud zvyšuje spolu s nárůstem propustného napětí. Pro ideální diodu jde tento graf do nekonečna. V praxi je tento parametr omezen schopností polovodičové součástky odvádět teplo. Při dosažení určité hranice se dioda přehřeje a selže. Aby se tomu zabránilo, výrobci udávají nejvyšší přípustný proud (na VAC - Imax). Dá se to zhruba určit podle velikosti diody a jejího pouzdra. V sestupném pořadí:
- největší proud udržují přístroje v kovovém plášti;
- plastové kufry jsou určeny pro střední výkon;
- Diody ve skleněných obalech se používají v slaboproudých obvodech.
Kovové spotřebiče lze instalovat na radiátory - tím se zvýší ztrátový výkon.
Zpětný svodový proud
Pokud na diodu přivedete zpětné napětí, pak necitlivý ampérmetr nic neukáže. Ve skutečnosti jen ideální diodou neprochází žádný proud. Skutečné zařízení bude mít proud, ale je velmi malý a nazývá se zpětný svodový proud (na CVC - Iobr). Jsou to desítky mikroampérů nebo desetin miliampérů a mnohem méně než stejnosměrný proud. Najdete ho v adresáři.
Průrazné napětí
Při určité hodnotě zpětného napětí dochází k prudkému nárůstu proudu, nazývanému průraz. Má tunelový nebo lavinový charakter a je reverzibilní. Tento režim se používá ke stabilizaci napětí (lavina) nebo ke generování pulzů (tunel).S dalším zvýšením napětí se průraz stává tepelným. Tento režim je nevratný a dioda selže.
Parazitní kapacitní pn-přechod
Již bylo zmíněno, že p-n přechod má elektrická kapacita. A pokud je tato vlastnost užitečná a používaná ve varikapech, pak v běžných diodách může být škodlivá. Ačkoli kapacita je jednotek nebo desítkách pF a při stejnosměrném proudu nebo nízkých frekvencích je neznatelný, s rostoucí frekvencí jeho vliv roste. Několik pikofaradů na RF vytvoří dostatečně nízký odpor pro rušivý únik signálu, přidá ke stávající kapacitě a změní parametry obvodu a spolu s indukčností výstupního nebo tištěného vodiče vytvoří rušivý rezonanční obvod. Proto se při výrobě vysokofrekvenčních zařízení přijímají opatření ke snížení kapacity přechodu.
Diodové značení
Nejjednodušší způsob označení diod v kovovém pouzdře. Ve většině případů jsou označeny označením zařízení a jeho pinoutem. Diody v plastovém pouzdře jsou označeny kroužkovou značkou na straně katody. Neexistuje však žádná záruka, že výrobce toto pravidlo přísně dodržuje, takže je lepší odkazovat na adresář. Ještě lepší je zazvonit zařízení pomocí multimetru.
Domácí nízkopříkonové zenerovy diody a některá další zařízení mohou mít na opačných stranách pouzdra značky dvou kroužků nebo teček různých barev. Chcete-li určit typ takové diody a její pinout, musíte si vzít referenční knihu nebo najít online identifikátor značení na internetu.
Aplikace diod
Navzdory jednoduchému zařízení jsou polovodičové diody široce používány v elektronice:
- Pro narovnání střídavé napětí. Klasika žánru - vlastnost p-n junction se používá k vedení proudu v jednom směru.
- diodové detektory. Zde je využito nelinearity I–V charakteristiky, která umožňuje izolovat ze signálu harmonické, jejichž potřebné lze rozlišit pomocí filtrů.
- Dvě diody, zapojené zády k sobě, slouží jako omezovač výkonných signálů, které mohou přetížit následné vstupní stupně citlivých rádiových přijímačů.
- Zenerovy diody lze zařadit jako jiskrově odolné prvky, které neumožňují vstup vysokonapěťových impulzů do obvodů snímačů instalovaných v nebezpečných oblastech.
- Diody mohou sloužit jako spínací zařízení ve vysokofrekvenčních obvodech. Otevírají se konstantním napětím a propouštějí (nebo neprocházejí) RF signál.
- Parametrické diody slouží jako zesilovače slabých signálů v mikrovlnném rozsahu díky přítomnosti úseku se záporným odporem v přímé větvi charakteristiky.
- Diody se používají k montáži směšovačů pracujících ve vysílacím nebo přijímacím zařízení. Míchají se signál lokálního oscilátoru s vysokofrekvenčním (nebo nízkofrekvenčním) signálem pro další zpracování. Využívá také nelinearitu charakteristiky proud-napětí.
- Nelineární charakteristika umožňuje použití mikrovlnných diod jako násobičů frekvence. Když signál prochází násobící diodou, vyšší harmonické jsou zvýrazněny. Poté je lze vybrat filtrováním.
- Diody se používají jako ladicí prvky pro rezonanční obvody. V tomto případě se využívá přítomnost řízené kapacity na p-n přechodu.
- Některé typy diod se používají jako generátory v mikrovlnné oblasti. Jedná se především o tunelové diody a zařízení s Gunnovým efektem.
Toto je pouze stručný popis schopností dvoukoncových polovodičových součástek. S hlubokým studiem vlastností a charakteristik pomocí diod je možné vyřešit mnoho problémů přiřazených vývojářům elektronických zařízení.
Podobné články:
