Što je poluvodička dioda, vrste dioda i graf strujno-naponske karakteristike

Poluvodička dioda se široko koristi u elektrotehnici i elektronici. Svojom niskom cijenom i dobrim omjerom snage i veličine brzo je zamijenio vakuumske uređaje slične namjene.

Uređaj i princip rada poluvodičke diode

Poluvodička dioda sastoji se od dva područja (slojeva) izrađena od poluvodiča (silicij, germanij itd.). Jedna regija ima višak slobodnih elektrona (n-poluvodič), druga ima manjak (p-poluvodič) - to se postiže dopiranjem osnovnog materijala. Između njih postoji mala zona u kojoj višak slobodnih elektrona s n-mjesta "zatvara" rupe s p-mjesta (rekombinacija dolazi zbog difuzije), a u tom području nema slobodnih nositelja naboja. Kada se primijeni napon naprijed, područje rekombinacije je malo, njegov otpor je mali i dioda provodi struju u tom smjeru. S obrnutim naponom, zona bez nositelja će se povećati, otpor diode će se povećati. U tom smjeru neće teći struja.

Vrste, klasifikacija i grafička oznaka na električnim shemama

U općem slučaju, dioda na dijagramu je označena kao stilizirana strelica koja pokazuje smjer struje. Uvjetna grafička slika (UGO) uređaja sadrži dva zaključka - anoda i katoda, koji su u izravnoj vezi spojeni na plus električnog kruga, odnosno na minus.

Postoji veliki broj varijanti ovog bipolarnog poluvodičkog uređaja, koji, ovisno o namjeni, mogu imati nešto drugačije UGO.

Zener diode (Zener diode)

Zener dioda je poluvodički uređajradeći na obrnutom naponu u zoni lavinskog proboja. U ovom području, napon Zener diode je stabilan u širokom rasponu struje kroz uređaj. Ovo svojstvo se koristi za stabilizaciju napona na opterećenju.

Stabistori

Zener diode dobro rade na stabilizaciji napona od 2 V i više.Stabistori se koriste za dobivanje konstantnog napona ispod ove granice. Dopiranjem materijala od kojeg su ovi uređaji izrađeni (silicij, selen) postiže se najveća vertikalnost direktne grane karakteristike. U ovom načinu rada stabilizatori rade, dajući primjerni napon u rasponu od 0,5 ... 2 V na izravnoj grani strujno-naponske karakteristike pri naprijed naponu.

Schottky diode

Schottky dioda je izgrađena prema shemi poluvodič-metal, i nema konvencionalni spoj. Zbog toga su dobivena dva važna svojstva:

• smanjen pad napona naprijed (oko 0,2 V);
• povećane radne frekvencije zbog smanjenja vlastitog kapaciteta.

Nedostaci uključuju povećane vrijednosti obrnutih struja i smanjenu toleranciju na razinu obrnutog napona.

Varikapi

Svaka dioda ima električni kapacitet. Ploče kondenzatora su dva prostorna naboja (p i n područja poluvodiča), a sloj barijere je dielektrik. Kada se primijeni obrnuti napon, ovaj sloj se širi, a kapacitivnost se smanjuje. Ovo svojstvo je svojstveno svim diodama, ali za varikape, kapacitet je normaliziran i poznat za dane granice napona. To omogućuje korištenje uređaja kao što su promjenjivi kondenzatori i primjenjuju se za podešavanje ili fino podešavanje krugova opskrbom obrnutim naponom različitih razina.

tunelske diode

Ovi uređaji imaju otklon u ravnom dijelu karakteristike, u kojem povećanje napona uzrokuje smanjenje struje. U ovoj regiji diferencijalni otpor je negativan.Ovo svojstvo omogućuje korištenje tunelskih dioda kao pojačala i generatora slabih signala na frekvencijama iznad 30 GHz.

Dinistori

Dinistor - diodni tiristor - ima p-n-p-n strukturu i CVC u obliku slova S, ne provodi struju dok primijenjeni napon ne dosegne razinu praga. Nakon toga se uključuje i ponaša se kao normalna dioda sve dok struja ne padne ispod razine zadržavanja. Dinistori se koriste u energetskoj elektronici kao ključevi.

Fotodiode

Fotodioda je izrađena u paketu s vidljivim svjetlom pristupa kristalu. Kada se p-n spoj ozrači, u njemu nastaje emf. To vam omogućuje da fotodiodu koristite kao izvor struje (kao dio solarnih panela) ili kao svjetlosni senzor.

LED diode

Glavno svojstvo LED-a je sposobnost emitiranja svjetlosti kada struja prolazi kroz p-n spoj. Ovaj sjaj nije povezan s intenzitetom zagrijavanja, poput žarulje sa žarnom niti, pa je uređaj ekonomičan. Ponekad se koristi izravni sjaj prijelaza, ali češće se koristi kao inicijator paljenja fosfora. To je omogućilo dobivanje dosad nedostižnih LED boja, poput plave i bijele.

Gunn diode

Iako Gunn dioda ima uobičajenu konvencionalnu grafičku oznaku, ona nije dioda u punom smislu. Budući da nema p-n spoj. Ovaj uređaj se sastoji od ploče galij arsenida na metalnoj podlozi.

Ne ulazeći u detalje procesa: kada se u uređaj primijeni električno polje određene veličine, dolazi do električnih oscilacija čije razdoblje ovisi o veličini poluvodičke pločice (ali unutar određenih granica, frekvencija se može podesiti vanjskim elementima).

Gunn diode se koriste kao oscilatori na frekvencijama od 1 GHz i više. Prednost uređaja je visoka frekvencijska stabilnost, a nedostatak mala amplituda električnih oscilacija.

Magnetske diode

Na obične diode slabo utječu vanjska magnetska polja. Magnetodiode imaju poseban dizajn koji povećava osjetljivost na ovaj učinak. Izrađuju se po p-i-n tehnologiji s produženom bazom. Pod djelovanjem magnetskog polja povećava se otpor uređaja u smjeru naprijed, a to se može koristiti za izradu beskontaktnih sklopnih elemenata, pretvarača magnetskog polja itd.

Laserske diode

Princip rada laserske diode temelji se na svojstvu para elektron-rupa tijekom rekombinacije pod određenim uvjetima da emitira monokromatsko i koherentno vidljivo zračenje. Metode stvaranja ovih uvjeta su različite, za korisnika je potrebno samo znati duljinu vala koji emitira dioda i njezinu snagu.

Lavine diode

Ovi uređaji se koriste u mikrovalnoj pećnici. Pod određenim uvjetima, u načinu lavinskog proboja, na karakteristici diode pojavljuje se dio s negativnim diferencijalnim otporom. Ovo svojstvo APD-a omogućuje im da se koriste kao generatori koji rade na valnim duljinama do milimetarskog raspona. Tamo je moguće dobiti snagu od najmanje 1 vata. Na nižim frekvencijama iz takvih dioda se uklanja i do nekoliko kilovata.

PIN diode

Ove diode su izrađene pomoću p-i-n tehnologije. Između dopiranih slojeva poluvodiča nalazi se sloj nedopiranog materijala. Zbog toga su ispravljačka svojstva diode pogoršana (kod obrnutog napona rekombinacija je smanjena zbog nedostatka izravnog kontakta između p- i n-zona).Ali zbog razmaka područja prostornog naboja, parazitski kapacitet postaje vrlo mali, u zatvorenom stanju, curenje signala na visokim frekvencijama je praktički isključeno, a pin diode se mogu koristiti na RF i mikrovalnoj pećnici kao sklopni elementi.

Glavne karakteristike i parametri dioda

Glavne karakteristike poluvodičkih dioda (osim visokospecijaliziranih) uključuju:

• najveći dopušteni obrnuti napon (konstantni i impulsni);
• granična radna frekvencija;
• pad napona naprijed;
• raspon radne temperature.

Ostale važne karakteristike najbolje je razmotriti na primjeru I-V karakteristika diode - to je jasnije.

Volt-amperska karakteristika poluvodičke diode

Strujna naponska karakteristika poluvodičke diode sastoji se od prednje i reverzne grane. Smješteni su u I i III kvadrantima, budući da se smjer struje i napona kroz diodu uvijek podudaraju. Prema strujno-naponskoj karakteristici možete odrediti neke parametre, kao i jasno vidjeti na što utječu karakteristike uređaja.

Napon praga vodljivosti

Ako na diodu primijenite naprijed napon i počnete ga povećavati, tada se u prvom trenutku ništa neće dogoditi - struja se neće povećati. Ali pri određenoj vrijednosti, dioda će se otvoriti i struja će se povećati u skladu s naponom. Taj se napon naziva napon praga vodljivosti i na VAC-u je označen kao Uthreshold. Ovisi o materijalu od kojeg je dioda izrađena. Za najčešće poluvodiče ovaj parametar je:

• silicij - 0,6-0,8 V;
• germanij - 0,2-0,3 V;
• galijev arsenid - 1,5 V.

Svojstvo germanijevih poluvodičkih uređaja da se otvaraju na niskom naponu koristi se pri radu u niskonaponskim krugovima i u drugim situacijama.

Maksimalna struja kroz diodu s izravnim priključkom

Nakon što se dioda otvori, njezina struja raste zajedno s povećanjem napona naprijed. Za idealnu diodu, ovaj graf ide u beskonačnost. U praksi je ovaj parametar ograničen sposobnošću poluvodičkog uređaja da odvodi toplinu. Kada se dosegne određena granica, dioda će se pregrijati i otkazati. Kako bi to izbjegli, proizvođači navode najveću dopuštenu struju (na VAC - Imax). Može se grubo odrediti veličinom diode i njezinim paketom. Silaznim redoslijedom:

• najveću struju drže uređaji u metalnom omotaču;
• plastična kućišta dizajnirana su za srednju snagu;
• Diode u staklenim omotačima koriste se u niskostrujnim krugovima.

Metalni uređaji mogu se ugraditi na radijatore - to će povećati snagu disipacije.

Reverzna struja curenja

Ako na diodu primijenite obrnuti napon, tada neosjetljivi ampermetar neće pokazati ništa. Zapravo, samo idealna dioda ne propušta nikakvu struju. Pravi uređaj će imati struju, ali je vrlo mala, i naziva se obrnuta struja curenja (na CVC - Iobr). To je desetine mikroampera ili desetinke miliampera i mnogo manje od istosmjerne struje. Možete ga pronaći u imeniku.

Probojni napon

Pri određenoj vrijednosti obrnutog napona dolazi do oštrog povećanja struje, što se naziva slom. Ima tunelski ili lavinski karakter i reverzibilan je. Ovaj način rada se koristi za stabilizaciju napona (lavina) ili za generiranje impulsa (tunel).S daljnjim povećanjem napona, slom postaje toplinski. Ovaj način rada je nepovratan i dioda pokvari.

Parazitni kapacitet pn-spoj

Već je spomenuto da p-n spoj ima električni kapacitet. A ako je ovo svojstvo korisno i koristi se u varikapima, onda u običnim diodama može biti štetno. Iako kapacitet je jedinica ili desetke pF i pri istosmjernoj struji ili niskim frekvencijama je neprimjetan, s povećanjem frekvencije njegov utjecaj raste. Nekoliko pikofarada na RF će stvoriti dovoljno nizak otpor za lažno curenje signala, dodati postojeći kapacitet i promijeniti parametre kruga, te zajedno s induktivnošću izlaznog ili tiskanog vodiča formirati lažni rezonancijski krug. Stoga se u proizvodnji visokofrekventnih uređaja poduzimaju mjere za smanjenje kapacitivnosti prijelaza.

Označavanje dioda

Najlakši način za označavanje dioda u metalnom kućištu. U većini slučajeva označeni su oznakom uređaja i njegovim pinoutom. Diode u plastičnom kućištu označene su oznakom prstena na strani katode. Ali nema jamstva da proizvođač strogo poštuje ovo pravilo, pa je bolje pogledati imenik. Još bolje, zvonite uređaj multimetrom.

Domaće zener diode male snage i neki drugi uređaji mogu imati oznake dva prstena ili točkice različitih boja na suprotnim stranama kućišta. Da biste odredili vrstu takve diode i njezin pinout, morate uzeti referentnu knjigu ili pronaći mrežni identifikator označavanja na Internetu.

Primjena dioda

Unatoč jednostavnom uređaju, poluvodičke diode naširoko se koriste u elektronici:

1. Za ravnanje AC napon. Klasik žanra - svojstvo p-n spoja koristi se za provođenje struje u jednom smjeru.
2. diodni detektori. Ovdje se koristi nelinearnost I-V karakteristike, što omogućuje izolaciju harmonika iz signala, od kojih se potrebno može razlikovati filtrima.
3. Dvije diode, spojene jedna uz drugu, služe kao limiter za snažne signale koji mogu preopteretiti sljedeće ulazne stupnjeve osjetljivih radio prijemnika.
4. Zener diode mogu biti uključene kao elementi otporni na iskre koji ne dopuštaju visokonaponskim impulsima da uđu u krugove senzora instaliranih u opasnim područjima.
5. Diode mogu poslužiti kao sklopni uređaji u visokofrekventnim krugovima. Otvaraju se konstantnim naponom i propuštaju (ili ne propuštaju) RF signal.
6. Parametarske diode služe kao pojačala slabih signala u mikrovalnom području zbog prisutnosti dijela s negativnim otporom u izravnoj grani karakteristike.
7. Diode se koriste za sastavljanje mješalica koje rade u opremi za prijenos ili prijam. Miješaju se signal lokalnog oscilatora s visokofrekventnim (ili niskofrekventnim) signalom za daljnju obradu. Također koristi nelinearnost strujno-naponske karakteristike.
8. Nelinearna karakteristika omogućuje korištenje mikrovalnih dioda kao množitelja frekvencije. Kada signal prođe kroz diodu množenja, istaknuti su viši harmonici. Zatim se mogu odabrati filtriranjem.
9. Diode se koriste kao elementi za podešavanje rezonantnih krugova. U ovom slučaju koristi se prisutnost kontroliranog kapaciteta na p-n spoju.
10. Neke vrste dioda koriste se kao generatori u mikrovalnom rasponu. To su uglavnom tunelske diode i uređaji s Gunn efektom.

Ovo je samo kratak opis mogućnosti poluvodičkih uređaja s dva terminala. Uz duboko proučavanje svojstava i karakteristika uz pomoć dioda, moguće je riješiti mnoge probleme koji su dodijeljeni programerima elektroničke opreme.

Slični članci: