Co to jest dioda półprzewodnikowa, rodzaje diod i wykres charakterystyki prądowo-napięciowej

Dioda półprzewodnikowa jest szeroko stosowana w elektrotechnice i elektronice. Dzięki niskim kosztom i dobremu stosunkowi mocy do rozmiaru szybko zastąpiła urządzenia próżniowe o podobnym przeznaczeniu.

Urządzenie i zasada działania diody półprzewodnikowej

Dioda półprzewodnikowa składa się z dwóch obszarów (warstw) wykonanych z półprzewodnika (krzemu, germanu itp.). Jeden region ma nadmiar wolnych elektronów (n-półprzewodnik), drugi ma niedobór (p-półprzewodnik) - osiąga się to poprzez domieszkowanie materiału podstawowego. Pomiędzy nimi znajduje się niewielka strefa, w której nadmiar wolnych elektronów z miejsca n „zamyka” dziury z miejsca p (rekombinacja następuje w wyniku dyfuzji), a w tym obszarze nie ma wolnych nośników ładunku. Po przyłożeniu napięcia przewodzenia obszar rekombinacji jest mały, jego rezystancja jest mała, a dioda przewodzi prąd w tym kierunku. Przy napięciu wstecznym strefa bez nośnika wzrośnie, rezystancja diody wzrośnie. W tym kierunku nie popłynie żaden prąd.

Rodzaje, klasyfikacja i oznaczenia graficzne na schematach elektrycznych

W ogólnym przypadku dioda na schemacie jest oznaczona jako stylizowana strzałka wskazująca kierunek prądu. Warunkowy obraz graficzny (UGO) urządzenia zawiera dwa wnioski - anoda i katoda, które w bezpośrednim połączeniu są połączone odpowiednio z plusem obwodu elektrycznego i minusem.

Istnieje wiele odmian tego bipolarnego urządzenia półprzewodnikowego, które w zależności od przeznaczenia mogą mieć nieco inne UGO.

Diody Zenera (diody Zenera)

Dioda Zenera to urządzenie półprzewodnikowedziałający przy napięciu wstecznym w strefie przebicia lawinowego. W tym regionie napięcie diody Zenera jest stabilne w szerokim zakresie prądu przepływającego przez urządzenie. Ta właściwość służy do stabilizacji napięcia na obciążeniu.

Stabilizatory

Diody Zenera dobrze stabilizują napięcia od 2 V wzwyż.Stabilizatory służą do uzyskania stałego napięcia poniżej tego limitu. Domieszkowanie materiału, z którego te urządzenia są wykonane (krzem, selen) osiąga największą pionowość bezpośredniej gałęzi charakterystyki. W tym trybie stabilizatory pracują, podając przykładowe napięcie w zakresie 0,5...2 V na bezpośrednim odgałęzieniu charakterystyki prądowo-napięciowej przy napięciu przewodzenia.

Diody Schottky'ego

Dioda Schottky'ego jest zbudowana zgodnie ze schematem półprzewodnikowo-metalowym i nie ma konwencjonalnego złącza. Dzięki temu uzyskano dwie ważne właściwości:

• zmniejszony spadek napięcia przewodzenia (około 0,2 V);
• zwiększone częstotliwości robocze ze względu na zmniejszenie pojemności własnej.

Wady to zwiększone wartości prądów wstecznych i zmniejszona tolerancja na poziom napięcia wstecznego.

Varicaps

Każda dioda ma pojemność elektryczną. Płyty kondensatora to dwa ładunki przestrzenne (obszary p i n półprzewodników), a warstwą barierową jest dielektryk. Po przyłożeniu napięcia wstecznego warstwa ta rozszerza się, a pojemność maleje. Ta właściwość jest nieodłączna we wszystkich diodach, ale w przypadku varicapów pojemność jest znormalizowana i znana dla danych granic napięcia. Umożliwia to korzystanie z takich urządzeń jak: kondensatory zmienne i zastosować do regulacji lub dostrojenia obwodów poprzez dostarczanie napięcia wstecznego o różnych poziomach.

diody tunelowe

Urządzenia te mają ugięcie na prostym odcinku charakterystyki, w którym wzrost napięcia powoduje spadek prądu. W tym regionie rezystancja różnicowa jest ujemna.Ta właściwość umożliwia wykorzystanie diod tunelowych jako wzmacniaczy i generatorów słabych sygnałów o częstotliwościach powyżej 30 GHz.

Diniści

Dinistor - tyrystor diodowy - ma strukturę p-n-p-n i CVC w kształcie litery S, nie przewodzi prądu, dopóki przyłożone napięcie nie osiągnie poziomu progowego. Następnie włącza się i zachowuje jak normalna dioda, dopóki prąd nie spadnie poniżej poziomu trzymania. Dinistory są używane w energoelektronice jako klucze.

Fotodiody

Fotodioda wykonana jest w opakowaniu z dostępem światła widzialnego do kryształu. Kiedy złącze p-n jest napromieniowane, powstaje w nim emf. Pozwala to na wykorzystanie fotodiody jako źródła prądu (w ramach paneli słonecznych) lub jako czujnika światła.

diody LED

Główną właściwością diody LED jest zdolność do emitowania światła, gdy prąd przepływa przez złącze p-n. Ta poświata nie jest związana z intensywnością nagrzewania, jak żarówka, więc urządzenie jest ekonomiczne. Czasami stosuje się bezpośrednie jarzenie przejścia, ale częściej jest ono wykorzystywane jako inicjator zapłonu luminoforu. Umożliwiło to uzyskanie wcześniej nieosiągalnych kolorów LED, takich jak niebieski i biały.

Diody Gunna

Choć dioda Gunna ma zwyczajowe konwencjonalne oznaczenie graficzne, nie jest to dioda w pełnym tego słowa znaczeniu. Ponieważ nie ma złącza p-n. To urządzenie składa się z płytki z arsenku galu na metalowym podłożu.

Bez wchodzenia w szczegóły procesów: gdy do urządzenia przyłożone jest pole elektryczne o określonej wielkości, pojawiają się oscylacje elektryczne, których okres zależy od wielkości płytki półprzewodnikowej (ale w pewnych granicach częstotliwość można regulować przez elementy zewnętrzne).

Diody Gunna są używane jako oscylatory przy częstotliwościach 1 GHz i wyższych. Zaletą urządzenia jest stabilność wysokich częstotliwości, wadą jest mała amplituda oscylacji elektrycznych.

Diody magnetyczne

Zwykłe diody są słabo podatne na zewnętrzne pola magnetyczne. Magnetodiody mają specjalną konstrukcję, która zwiększa wrażliwość na ten efekt. Wykonane są w technologii p-i-n z przedłużoną podstawą. Pod działaniem pola magnetycznego wzrasta rezystancja urządzenia w kierunku do przodu, co można wykorzystać do tworzenia bezstykowych elementów przełączających, przetworników pola magnetycznego itp.

Diody laserowe

Zasada działania diody laserowej opiera się na właściwości pary elektron-dziura podczas rekombinacji w określonych warunkach do emisji monochromatycznego i spójnego promieniowania widzialnego. Sposoby tworzenia tych warunków są różne, dla użytkownika konieczna jest jedynie znajomość długości fali emitowanej przez diodę oraz jej mocy.

Diody lawinowe

Te urządzenia są używane w kuchence mikrofalowej. W określonych warunkach, w stanie przebicia lawinowego, na charakterystyce diody pojawia się odcinek o ujemnej rezystancji różnicowej. Ta właściwość APD pozwala na ich stosowanie jako generatorów działających w zakresie długości fal do milimetrów. Tam można uzyskać moc co najmniej 1 wata. Przy niższych częstotliwościach z takich diod usuwa się do kilku kilowatów.

Diody PIN

Diody te wykonane są w technologii p-i-n. Pomiędzy domieszkowanymi warstwami półprzewodników znajduje się warstwa niedomieszkowanego materiału. Z tego powodu właściwości prostownicze diody ulegają pogorszeniu (przy napięciu wstecznym rekombinacja jest zmniejszona ze względu na brak bezpośredniego kontaktu między strefami p i n).Ale ze względu na rozmieszczenie obszarów ładunku kosmicznego pojemność pasożytnicza staje się bardzo mała, w stanie zamkniętym praktycznie wyklucza się wyciek sygnału przy wysokich częstotliwościach, a diody pinowe mogą być używane w RF i mikrofalach jako elementy przełączające.

Główne cechy i parametry diod

Główne cechy diod półprzewodnikowych (oprócz wysokospecjalistycznych) to:

• maksymalne dopuszczalne napięcie wsteczne (stałe i pulsacyjne);
• graniczna częstotliwość robocza;
• spadek napięcia przewodzenia;
• Zakres temperatury pracy.

Resztę ważnych cech najlepiej rozważyć na przykładzie charakterystyki IV diody - jest to bardziej jasne.

Charakterystyka woltamperowa diody półprzewodnikowej

Charakterystyka prądowo-napięciowa diody półprzewodnikowej składa się z gałęzi do przodu i do tyłu. Znajdują się one w kwadrantach I i III, ponieważ kierunek prądu i napięcia przez diodę zawsze się pokrywa. Zgodnie z charakterystyką prądowo-napięciową możesz określić niektóre parametry, a także wyraźnie zobaczyć, na co wpływa charakterystyka urządzenia.

Napięcie progowe przewodzenia

Jeśli przyłożysz do diody napięcie przewodzenia i zaczniesz je zwiększać, to w pierwszej chwili nic się nie stanie - prąd nie wzrośnie. Ale przy pewnej wartości dioda się otworzy, a prąd wzrośnie zgodnie z napięciem. To napięcie jest nazywane napięciem progowym przewodzenia i jest oznaczone na VAC jako Uthreshold. Zależy to od materiału, z którego wykonana jest dioda. Dla najpopularniejszych półprzewodników ten parametr to:

• krzem - 0,6-0,8 V;
• german - 0,2-0,3 V;
• arsenek galu - 1,5 V.

Właściwość urządzeń półprzewodnikowych germanowych do otwierania przy niskim napięciu jest wykorzystywana podczas pracy w obwodach niskiego napięcia oraz w innych sytuacjach.

Maksymalny prąd płynący przez diodę przy bezpośrednim połączeniu

Po otwarciu diody jej prąd rośnie wraz ze wzrostem napięcia przewodzenia. Dla idealnej diody ten wykres idzie w nieskończoność. W praktyce parametr ten jest ograniczony zdolnością urządzenia półprzewodnikowego do rozpraszania ciepła. Po osiągnięciu pewnego limitu dioda przegrzeje się i ulegnie awarii. Aby tego uniknąć, producenci wskazują najwyższy dopuszczalny prąd (na VAC - Imax). Można to z grubsza określić na podstawie wielkości diody i jej obudowy. W kolejności malejącej:

• największy prąd utrzymują urządzenia w metalowej osłonie;
• plastikowe obudowy są przeznaczone do średniej mocy;
• Diody w bańkach szklanych stosowane są w obwodach niskoprądowych.

Na grzejnikach można instalować urządzenia metalowe - zwiększy to moc rozpraszania.

Odwrotny prąd upływu

Jeśli zastosujesz napięcie wsteczne do diody, nieczuły amperomierz nic nie pokaże. W rzeczywistości tylko idealna dioda nie przepuszcza żadnego prądu. Rzeczywiste urządzenie będzie miało prąd, ale jest bardzo mały i nazywa się odwrotnym prądem upływowym (na CVC - Iobr). To dziesiątki mikroamperów lub dziesiątych miliamperów i znacznie mniej niż prąd stały. Możesz go znaleźć w katalogu.

Napięcie przebicia

Przy określonej wartości napięcia wstecznego następuje gwałtowny wzrost prądu, zwany przebiciem. Ma charakter tunelowy lub lawinowy i jest odwracalny. Ten tryb służy do stabilizacji napięcia (lawina) lub do generowania impulsów (tunel).Przy dalszym wzroście napięcia przebicie staje się termiczne. Ten tryb jest nieodwracalny i dioda ulega awarii.

Pasożytnicza pojemność pn-złącze

Wspomniano już, że złącze p-n ma moc elektryczna. A jeśli ta właściwość jest przydatna i wykorzystywana w varicaps, to w zwykłych diodach może być szkodliwa. Mimo że pojemność to jednostki lub dziesiątek pF i przy prądzie stałym lub niskich częstotliwościach jest niezauważalny, wraz ze wzrostem częstotliwości jego wpływ wzrasta. Kilka pikofaradów w RF wytworzy wystarczająco niską rezystancję dla fałszywego wycieku sygnału, zwiększy istniejącą pojemność i zmieni parametry obwodu, a wraz z indukcyjnością wyjściową lub drukowanym przewodnikiem utworzy fałszywy obwód rezonansowy. Dlatego przy produkcji urządzeń o wysokiej częstotliwości podejmowane są środki mające na celu zmniejszenie pojemności przejścia.

Oznaczenie diodowe

Najprostszy sposób na oznaczenie diod w metalowej obudowie. W większości przypadków są one oznaczone oznaczeniem urządzenia i jego pinout. Diody w plastikowej obudowie są oznaczone pierścieniem po stronie katody. Ale nie ma gwarancji, że producent ściśle przestrzega tej zasady, więc lepiej odnieść się do katalogu. Jeszcze lepiej, zadzwoń do urządzenia multimetrem.

Domowe diody Zenera małej mocy i niektóre inne urządzenia mogą mieć ślady dwóch pierścieni lub kropek w różnych kolorach po przeciwnych stronach obudowy. Aby określić rodzaj takiej diody i jej pinout, musisz wziąć książkę referencyjną lub znaleźć identyfikator oznaczenia online w Internecie.

Zastosowania diod

Pomimo prostego urządzenia, diody półprzewodnikowe są szeroko stosowane w elektronice:

1. Do prostowania Napięcie AC. Klasyka gatunku - właściwość złącza p-n służy do przewodzenia prądu w jednym kierunku.
2. detektory diodowe. Wykorzystywana jest tutaj nieliniowość charakterystyki I–V, co pozwala na wyizolowanie z sygnału harmonicznych, których niezbędne można odróżnić za pomocą filtrów.
3. Dwie diody połączone tyłem do siebie służą jako ogranicznik dla silnych sygnałów, które mogą przeciążać kolejne stopnie wejściowe wrażliwych odbiorników radiowych.
4. Diody Zenera mogą być zawarte jako elementy nieiskrzące, które nie pozwalają na dostanie się impulsów wysokiego napięcia do obwodów czujników zainstalowanych w obszarach niebezpiecznych.
5. Diody mogą służyć jako urządzenia przełączające w obwodach wysokiej częstotliwości. Otwierają się przy stałym napięciu i przepuszczają (lub nie przepuszczają) sygnał RF.
6. Diody parametryczne służą jako wzmacniacze słabych sygnałów w zakresie mikrofalowym ze względu na obecność odcinka o ujemnej rezystancji w bezpośrednim odgałęzieniu charakterystyki.
7. Diody służą do montażu mikserów pracujących w sprzęcie nadawczym lub odbiorczym. Mieszają się lokalny sygnał oscylatora z sygnałem o wysokiej częstotliwości (lub niskiej częstotliwości) do dalszego przetwarzania. Wykorzystuje również nieliniowość charakterystyki prądowo-napięciowej.
8. Nieliniowa charakterystyka pozwala na zastosowanie diod mikrofalowych jako powielaczy częstotliwości. Gdy sygnał przechodzi przez diodę powielacza, wyższe harmoniczne są podświetlane. Następnie można je wybrać poprzez filtrowanie.
9. Diody służą jako elementy dostrajające do obwodów rezonansowych. W tym przypadku wykorzystywana jest obecność kontrolowanej pojemności na złączu p-n.
10. Niektóre rodzaje diod są używane jako generatory w zakresie mikrofal. Są to głównie diody tunelowe oraz urządzenia z efektem Gunna.

To tylko krótki opis możliwości urządzeń półprzewodnikowych z dwoma zaciskami. Dzięki dogłębnej analizie właściwości i właściwości za pomocą diod możliwe jest rozwiązanie wielu problemów przypisanych twórcom sprzętu elektronicznego.

Podobne artykuły: