Diody półprzewodnikowe są szeroko stosowane w elektronice i przemyśle elektronicznym. Są używane zarówno niezależnie, jak i jako p-n-złącze tranzystorów i wielu innych urządzeń. Jako element dyskretny, diody są kluczowym elementem wielu obwodów elektronicznych. Znajdują wiele zastosowań, od aplikacji małej mocy po prostowniki.
Co to jest dioda?
Przetłumaczona z greckiego nazwa tego elementu elektronicznego oznacza dosłownie „dwa terminale”. Nazywane są anodą i katodą. W obwodzie prąd płynie od anody do katody. Dioda półprzewodnikowa jest elementem jednostronnym i przepływ prądu w przeciwnym kierunku jest zablokowany.
Zasada działania
Urządzenie z diod półprzewodnikowych jest zupełnie inne. Z tego powodu istnieje wiele ich rodzajów, różniących się zarówno wartością nominalną, jak i pełnionymi funkcjami. Jednak w większości przypadków podstawowa zasadadziałanie diod półprzewodnikowych jest takie samo. Zawierają złącze p-n, które zapewnia ich podstawową funkcjonalność.
Ten termin jest zwykle używany w odniesieniu do standardowego kształtu diody. W rzeczywistości dotyczy to prawie każdego z nich. Diody stanowią kręgosłup współczesnego przemysłu elektronicznego. Wszystko - od prostych elementów i tranzystorów po nowoczesne mikroprocesory - oparte jest na półprzewodnikach. Zasada działania diody półprzewodnikowej opiera się na właściwościach półprzewodników. Technologia oparta jest na grupie materiałów, których wprowadzenie zanieczyszczeń do sieci krystalicznej umożliwia uzyskanie obszarów, w których nośnikami ładunku są dziury i elektrony.
P-n-skrzyżowanie
Dioda typu p-n ma swoją nazwę, ponieważ wykorzystuje złącze p-n, które umożliwia przepływ prądu tylko w jednym kierunku. Element posiada inne właściwości, które również są szeroko stosowane. Na przykład diody półprzewodnikowe mogą emitować i wykrywać światło, zmieniać pojemność i regulować napięcie.
P-n-złącze to podstawowa struktura półprzewodnikowa. Jak sama nazwa wskazuje, jest to skrzyżowanie regionów typu p i n. Przejście umożliwia przemieszczanie się nośników ładunku tylko w jednym kierunku, co na przykład umożliwia konwersję prądu przemiennego na prąd stały.
Standardowe diody są zwykle wykonane z krzemu, chociaż używa się również germanu i innych materiałów półprzewodnikowych, głównie do celów specjalnych.
Volt-charakterystyka amperowa
Dioda charakteryzuje się krzywą prąd-napięcie, którą można podzielić na 2 gałęzie: do przodu i do tyłu. W przeciwnym kierunku prąd upływu jest bliski 0, ale wraz ze wzrostem napięcia powoli rośnie, a po osiągnięciu napięcia przebicia zaczyna gwałtownie rosnąć. W kierunku do przodu prąd szybko rośnie wraz z przyłożonym napięciem powyżej progu przewodzenia, który wynosi 0,7 V dla diod krzemowych i 0,4 V dla germanu. Ogniwa, które wykorzystują różne materiały, mają różne charakterystyki woltamperowe oraz próg przewodzenia i napięcia przebicia.
Dioda p-n-złącza może być uważana za urządzenie poziomu podstawowego. Jest szeroko stosowany w wielu zastosowaniach, od obwodów sygnałowych i detektorów po ograniczniki lub tłumiki przepięć w cewkach indukcyjnych lub przekaźnikowych oraz prostownikach dużej mocy.
Funkcje i parametry
Specyfikacje diod dostarczają dużo danych. Jednak dokładne wyjaśnienia, czym one są, nie zawsze są dostępne. Poniżej znajdują się szczegóły różnych charakterystyk i parametrów diody, które są podane w specyfikacjach.
Materiał półprzewodnikowy
Materiał używany w złączach p-n ma ogromne znaczenie, ponieważ wpływa na wiele podstawowych cech diod półprzewodnikowych. Krzem jest najszerzej stosowany ze względu na wysoką wydajność i niskie koszty produkcji. Inny często używanypierwiastkiem jest german. Inne materiały są zwykle używane w diodach specjalnego przeznaczenia. Wybór materiału półprzewodnikowego jest ważny, ponieważ determinuje próg przewodnictwa - ok. 0,6 V dla krzemu i 0,3 V dla germanu.
Spadek napięcia w trybie prądu stałego (U pr.)
Każdy obwód elektryczny, przez który przepływa prąd powoduje spadek napięcia, a ten parametr diody półprzewodnikowej ma ogromne znaczenie, szczególnie w przypadku prostowania, gdy straty mocy są proporcjonalne do średniej U. Ponadto elementy elektroniczne często muszą zapewniają niewielki spadek napięcia, ponieważ sygnały mogą być słabe, ale nadal muszą go przezwyciężyć.
Dzieje się tak z dwóch powodów. Pierwszy leży w samej naturze złącza p-n i jest wynikiem progowego napięcia przewodzenia, które umożliwia przepływ prądu przez warstwę zubożoną. Drugi składnik to normalna strata rezystancyjna.
Wskaźnik ma duże znaczenie dla diod prostownikowych, które mogą przenosić duże prądy.
Szczytowe napięcie wsteczne (maks. U arr.)
Jest to najwyższe napięcie wsteczne, jakie może wytrzymać dioda półprzewodnikowa. Nie wolno go przekraczać, w przeciwnym razie element może ulec awarii. Nie chodzi tylko o napięcie skuteczne sygnału wejściowego. Każdy obwód należy rozważyć pod kątem jego zalet, ale w przypadku prostego prostownika jednopołówkowego z kondensatorem wygładzającym należy pamiętać, że kondensator utrzyma napięcie równe szczytowi sygnału wejściowegosygnał. Dioda zostanie wtedy poddana działaniu szczytowemu przychodzącego sygnału w kierunku odwrotnym, a zatem w tych warunkach maksymalne napięcie wsteczne będzie równe wartości szczytowej fali.
Maksymalny prąd przewodzenia (U pr. max)
Podczas projektowania obwodu elektrycznego upewnij się, że maksymalne poziomy prądu diody nie są przekroczone. Wraz ze wzrostem prądu generowane jest dodatkowe ciepło, które należy usunąć.
Prąd upływu (I przyw.)
W idealnej diodzie nie powinno być prądu wstecznego. Ale w rzeczywistych złączach p-n wynika to z obecności mniejszościowych nośników ładunku w półprzewodniku. Wielkość prądu upływu zależy od trzech czynników. Oczywiście najważniejszym z nich jest napięcie wsteczne. Również prąd upływu zależy od temperatury - wraz ze wzrostem znacznie wzrasta. Ponadto w dużym stopniu zależy od rodzaju materiału półprzewodnikowego. Pod tym względem krzem jest znacznie lepszy niż german.
Prąd upływu jest określany przy określonym napięciu wstecznym i określonej temperaturze. Jest zwykle określany w mikroamperach (ΜA) lub pikoamperach (pA).
Pojemność przejściowa
Wszystkie diody półprzewodnikowe mają pojemność złącza. Strefa zubożenia jest barierą dielektryczną pomiędzy dwiema płytami, które tworzą się na krawędzi regionu zubożenia i obszaru z większościowymi nośnikami ładunku. Rzeczywista wartość pojemności zależy od napięcia wstecznego, co prowadzi do zmiany strefy przejściowej. Jego wzrost rozszerza strefę wyczerpania, a w konsekwencjizmniejsza pojemność. Fakt ten jest wykorzystywany w varactors lub varicaps, ale w przypadku innych zastosowań, zwłaszcza zastosowań RF, efekt ten musi być zminimalizowany. Parametr jest zwykle podawany w pF przy danym napięciu. Dla wielu zastosowań RF dostępne są specjalne diody o niskiej rezystancji.
Typ sprawy
W zależności od przeznaczenia diody półprzewodnikowe produkowane są w opakowaniach o różnych typach i kształtach. W niektórych przypadkach, zwłaszcza w obwodach przetwarzania sygnałów, pakiet jest kluczowym elementem w określaniu ogólnych właściwości tego elementu elektronicznego. W obwodach zasilających, w których ważne jest odprowadzanie ciepła, pakiet może określić wiele ogólnych parametrów diody. Urządzenia o dużej mocy muszą mieć możliwość podłączenia do radiatora. Mniejsze elementy mogą być produkowane w ołowianych pudełkach lub jako urządzenia do montażu powierzchniowego.
Rodzaje diod
Czasami warto zapoznać się z klasyfikacją diod półprzewodnikowych. Jednak niektóre elementy mogą należeć do kilku kategorii.
Odwrócona dioda. Choć nie jest tak szeroko stosowany, jest to rodzaj elementu typu p-n, który w swoim działaniu jest bardzo podobny do tunelu. Charakteryzuje się niskim spadkiem napięcia w stanie włączenia. Znajduje zastosowanie w detektorach, prostownikach i przełącznikach wysokiej częstotliwości.
Dioda przejścia wtrysku. Ma wiele wspólnego z bardziej powszechnym lataniem lawinowym. Stosowany w generatorach mikrofal i systemach alarmowych.
Pistolet diodowy. Nie należy do typu p-n, ale jest urządzeniem półprzewodnikowym z dwoma zaciskami. Jest powszechnie używany do generowania i przetwarzania sygnałów mikrofalowych w zakresie 1-100 GHz.
Emitujące światło lub LED to jeden z najpopularniejszych rodzajów elementów elektronicznych. Przy polaryzacji do przodu prąd przepływający przez złącze powoduje emisję światła. Wykorzystują złożone półprzewodniki (np. arsenek galu, fosforek galu, fosforek indu) i mogą świecić w różnych kolorach, chociaż początkowo były one ograniczone tylko do czerwieni. Istnieje wiele nowych rozwiązań, które zmieniają sposób funkcjonowania i produkcji wyświetlaczy, czego przykładem jest OLED.
Fotodioda. Służy do wykrywania światła. Kiedy foton uderza w złącze p-n, może tworzyć elektrony i dziury. Fotodiody zwykle działają w warunkach odwróconej polaryzacji, gdzie nawet niewielkie prądy generowane przez światło mogą być łatwo wykryte. Fotodiody mogą służyć do wytwarzania energii elektrycznej. Czasami jako fotodetektory wykorzystywane są elementy typu pin.
Pin-dioda. Nazwa elementu elektronicznego dobrze opisuje urządzenie diody półprzewodnikowej. Ma standardowe regiony typu p i n, ale istnieje między nimi region wewnętrzny bez zanieczyszczeń. Ma to wpływ na zwiększenie obszaru obszaru zubożenia, co może być przydatne przy przełączaniu, a także w fotodiodach itp.
Standardowe połączenie p-n można uznać za normalnelub standardowy typ diody, który jest obecnie używany. Mogą być używane w zastosowaniach RF lub innych niskonapięciowych, jak również w prostownikach wysokiego napięcia i dużej mocy.
Diody Schottky'ego. Mają niższy spadek napięcia przewodzenia niż standardowe półprzewodniki krzemowe typu p-n. Przy niskich prądach może wynosić od 0,15 do 0,4 V, a nie 0,6 V, jak w przypadku diod krzemowych. Aby to zrobić, nie są one wykonane jak zwykle - używają styku metal-półprzewodnik. Są szeroko stosowane jako ograniczniki, prostowniki oraz w sprzęcie radiowym.
Dioda z akumulacją ładunku. Jest to rodzaj diody mikrofalowej służącej do generowania i kształtowania impulsów o bardzo wysokich częstotliwościach. Jego działanie opiera się na bardzo szybkiej charakterystyce wyzwalania.
Dioda laserowa. Różni się od zwykłego emitowania światła, ponieważ wytwarza spójne światło. Diody laserowe są stosowane w wielu urządzeniach, od napędów DVD i CD po wskaźniki laserowe. Są znacznie tańsze niż inne formy laserów, ale znacznie droższe niż diody LED. Mają ograniczoną żywotność.
Dioda tunelowa. Chociaż nie jest dziś powszechnie stosowany, był wcześniej stosowany we wzmacniaczach, oscylatorach i urządzeniach przełączających, obwodach czasowych oscyloskopów, kiedy był bardziej wydajny niż inne elementy.
Vactor lub varicap. Używany w wielu urządzeniach RF. W przypadku tej diody odwrócenie polaryzacji zmienia szerokość warstwy zubożonej w zależności od przyłożonego napięcia. W tej konfiguracji todziała jak kondensator z obszarem zubożenia działającym jako izolujący dielektryk i płytkami utworzonymi przez obszary przewodzące. Stosowany w oscylatorach sterowanych napięciem i filtrach RF.
Dioda Zenera. Jest to bardzo przydatny rodzaj diody, ponieważ zapewnia stabilne napięcie odniesienia. Z tego powodu dioda Zenera jest używana w ogromnych ilościach. Działa w warunkach odwrotnego obciążenia i przebija się, gdy osiągnięta zostanie pewna różnica potencjałów. Jeśli prąd jest ograniczony przez rezystor, zapewnia to stabilne napięcie. Szeroko stosowany do stabilizacji zasilaczy. W diodach Zenera występują 2 rodzaje przebicia wstecznego: rozkład Zenera i jonizacja uderzeniowa.
Dlatego różne typy diod półprzewodnikowych zawierają elementy do zastosowań o małej i dużej mocy, emitujące i wykrywające światło, z niskim spadkiem napięcia przewodzenia i zmienną pojemnością. Oprócz tego istnieje wiele odmian wykorzystywanych w technologii mikrofalowej.
