Полупроводниковият диод се използва широко в електротехниката и електрониката. С ниската си цена и доброто съотношение мощност към размер, той бързо замени вакуумните устройства с подобно предназначение.
Съдържание
Устройството и принципът на работа на полупроводников диод
Полупроводниковият диод се състои от две области (слоя), направени от полупроводник (силиций, германий и др.). Едната област има излишък от свободни електрони (n-полупроводник), другата има дефицит (p-полупроводник) - това се постига чрез легиране на основния материал. Между тях има малка зона, в която излишъкът от свободни електрони от n-местото "затваря" дупки от p-местото (рекомбинация възниква поради дифузия), и в тази област няма свободни носители на заряд. Когато се приложи право напрежение, областта на рекомбинация е малка, нейното съпротивление е малко и диодът провежда ток в тази посока. При обратно напрежение зоната без носител ще се увеличи, съпротивлението на диода ще се увеличи. В тази посока няма да тече ток.
Видове, класификация и графично обозначение на електрически схеми
В общия случай диодът на диаграмата е обозначен като стилизирана стрелка, указваща посоката на тока. Условното графично изображение (UGO) на устройството съдържа два извода - анод и катод, които в директна връзка са свързани съответно към плюса на електрическата верига и към минуса.
Има голям брой разновидности на това биполярно полупроводниково устройство, което в зависимост от предназначението може да има малко по-различни UGO.
Ценерови диоди (Ценерови диоди)
Ценеровият диод е полупроводниково устройствоработещи при обратно напрежение в зоната на лавинен пробив. В този регион напрежението на Zener диода е стабилно в широк диапазон на тока през устройството. Това свойство се използва за стабилизиране на напрежението в товара.
Стабистори
Ценеровите диоди вършат добра работа за стабилизиране на напреженията от 2 V и повече.Стабисторите се използват за получаване на постоянно напрежение под тази граница. Допирането на материала, от който са направени тези устройства (силиций, селен), постига най-голяма вертикалност на директния клон на характеристиката. В този режим стабисторите работят, като издават примерно напрежение в диапазона от 0,5 ... 2 V върху директния клон на характеристиката на тока-напрежение при напрежение в посока.
Диоди на Шотки
Диодът на Шотки е изграден по схемата полупроводник-метал и няма конвенционален възел. Благодарение на това бяха получени две важни свойства:
- намален спад на напрежението напред (около 0,2 V);
- повишени работни честоти поради намаляване на собствения капацитет.
Недостатъците включват повишени стойности на обратните токове и намален толеранс към нивото на обратното напрежение.
Варикапси
Всеки диод има електрически капацитет. Плочите на кондензатора са два пространствени заряда (p и n области на полупроводниците), а бариерен слой е диелектрикът. Когато се приложи обратно напрежение, този слой се разширява и капацитетът намалява. Това свойство е присъщо на всички диоди, но за варикапите, капацитетът е нормализиран и известен за дадени граници на напрежението. Това прави възможно използването на такива устройства като променливи кондензатори и се прилага за регулиране или фина настройка на вериги чрез подаване на обратно напрежение на различни нива.
тунелни диоди
Тези устройства имат отклонение в правия участък на характеристиката, при което увеличаването на напрежението причинява намаляване на тока. В тази област диференциалното съпротивление е отрицателно.Това свойство прави възможно използването на тунелни диоди като усилватели и генератори на слаб сигнал при честоти над 30 GHz.
Динистори
Динистор - диоден тиристор - има p-n-p-n структура и S-образна CVC, не провежда ток, докато приложеното напрежение не достигне праговото ниво. След това се включва и се държи като нормален диод, докато токът падне под нивото на задържане. Динисторите се използват в силовата електроника като ключове.
Фотодиоди
Фотодиодът е изработен в опаковка с достъп на видима светлина до кристала. Когато p-n преходът е облъчен, в него възниква ЕДС. Това ви позволява да използвате фотодиода като източник на ток (като част от слънчеви панели) или като сензор за светлина.
светодиоди
Основното свойство на светодиода е способността да излъчва светлина, когато токът преминава през p-n преход. Този блясък не е свързан с интензивността на нагряване, като лампа с нажежаема жичка, така че устройството е икономично. Понякога се използва директното сияние на прехода, но по-често се използва като инициатор на запалването на фосфора. Това направи възможно получаването на недостижими преди LED цветове, като синьо и бяло.
Диоди на Gunn
Въпреки че диодът на Gunn има обичайното конвенционално графично обозначение, той не е диод в пълния смисъл. Тъй като няма p-n преход. Това устройство се състои от плоча от галиев арсенид върху метална подложка.
Без да навлизаме в детайлите на процесите: когато в устройството се приложи електрическо поле с определена величина, възникват електрически трептения, чийто период зависи от размера на полупроводниковата пластина (но в определени граници честотата може да се регулира от външни елементи).
Диодите на Gunn се използват като осцилатори при честоти от 1 GHz и повече. Предимството на устройството е високата честотна стабилност, а недостатъкът е малката амплитуда на електрическите трептения.
Магнитни диоди
Обикновените диоди са слабо засегнати от външни магнитни полета. Магнитодиодите имат специален дизайн, който повишава чувствителността към този ефект. Изработени са по p-i-n технология с удължена основа. Под действието на магнитно поле съпротивлението на устройството в посока напред се увеличава и това може да се използва за създаване на безконтактни превключващи елементи, преобразуватели на магнитно поле и др.
Лазерни диоди
Принципът на действие на лазерния диод се основава на свойството на двойка електрон-дупка по време на рекомбинация при определени условия да излъчва монохроматично и кохерентно видимо излъчване. Методите за създаване на тези условия са различни, за потребителя е необходимо само да знае дължината на вълната, излъчвана от диода, и неговата мощност.
Лавинни диоди
Тези устройства се използват в микровълновата печка. При определени условия в режим на лавинен пробив се появява участък с отрицателно диференциално съпротивление на диодната характеристика. Това свойство на APD им позволява да се използват като генератори, работещи на дължини на вълните до милиметровия диапазон. Там е възможно да се получи мощност от поне 1 ват. При по-ниски честоти от такива диоди се отстраняват до няколко киловата.
PIN диоди
Тези диоди са направени по p-i-n технология. Между легираните слоеве на полупроводниците е слой от нелегиран материал. Поради тази причина изправителните свойства на диода се влошават (при обратно напрежение рекомбинацията се намалява поради липсата на директен контакт между p- и n-зоните).Но поради разстоянието между областите на пространствения заряд, паразитният капацитет става много малък, в затворено състояние изтичането на сигнал при високи честоти е практически изключено и pin диодите могат да се използват на RF и микровълновата като превключващи елементи.
Основни характеристики и параметри на диодите
Основните характеристики на полупроводниковите диоди (с изключение на високоспециализираните) включват:
- максимално допустимото обратно напрежение (постоянно и импулсно);
- гранична работна честота;
- преден спад на напрежението;
- Диапазон на работната температура.
Останалите важни характеристики се разглеждат най-добре с помощта на примера на I-V характеристиките на диода - това е по-ясно.
Волт-амперна характеристика на полупроводников диод
Характеристиката на токовото напрежение на полупроводниковия диод се състои от преден и обратен клон. Те са разположени в I и III квадранти, тъй като посоката на тока и напрежението през диода винаги съвпада. Според характеристиката на токовото напрежение можете да определите някои параметри, както и ясно да видите какво влияят характеристиките на устройството.
Прагово напрежение на проводимост
Ако приложите напрежение напред към диода и започнете да го увеличавате, тогава в първия момент нищо няма да се случи - токът няма да се увеличи. Но при определена стойност диодът ще се отвори и токът ще се увеличи според напрежението. Това напрежение се нарича напрежение на прага на проводимост и е маркирано на VAC като Uthreshold. Зависи от материала, от който е направен диодът. За най-често срещаните полупроводници този параметър е:
- силиций - 0,6-0,8 V;
- германий - 0,2-0,3 V;
- галиев арсенид - 1,5 V.
Свойството на германиеви полупроводникови устройства да се отварят при ниско напрежение се използва при работа във вериги с ниско напрежение и в други ситуации.
Максимален ток през диода с директна връзка
След отваряне на диода неговият ток се увеличава заедно с увеличаването на напрежението в посока. За идеален диод тази графика отива до безкрайност. На практика този параметър е ограничен от способността на полупроводниковото устройство да разсейва топлината. Когато се достигне определена граница, диодът ще прегрее и ще се повреди. За да се избегне това, производителите посочват най-високия допустим ток (на VAC - Imax). Може да се определи грубо от размера на диода и неговата опаковка. В низходящ ред:
- най-големият ток се поддържа от устройства в метална обвивка;
- пластмасовите кутии са предназначени за средна мощност;
- В слаботокови вериги се използват диоди в стъклени обвивки.
На радиатори могат да се монтират метални уреди - това ще увеличи мощността на разсейване.
Обратен ток на утечка
Ако приложите обратно напрежение към диода, тогава нечувствителен амперметър няма да покаже нищо. Всъщност само идеалният диод не пропуска никакъв ток. Истинското устройство ще има ток, но той е много малък и се нарича обратен ток на утечка (на CVC - Iobr). Това е десетки микроампера или десети милиампера и много по-малко от постоянния ток. Можете да го намерите в директорията.
Напрежение на пробив
При определена стойност на обратното напрежение настъпва рязко увеличаване на тока, наречено пробив. Има тунелен или лавинообразен характер и е обратим. Този режим се използва за стабилизиране на напрежението (лавина) или за генериране на импулси (тунел).При по-нататъшно увеличаване на напрежението разбивката става термична. Този режим е необратим и диодът не работи.
Паразитен капацитет pn-преход
Вече беше споменато, че p-n преходът има електрически капацитет. И ако това свойство е полезно и се използва при варикапи, то в обикновените диоди може да бъде вредно. Макар че капацитетът е единици или десетки pF и при постоянен ток или ниски честоти е незабележимо, с увеличаване на честотата влиянието му се увеличава. Няколко пикофарада при RF ще създадат достатъчно ниско съпротивление за фалшиво изтичане на сигнал, ще добавят към съществуващия капацитет и ще променят параметрите на веригата и заедно с индуктивността на изхода или печатния проводник ще образуват фалшива резонансна верига. Ето защо при производството на високочестотни устройства се вземат мерки за намаляване на капацитета на прехода.
Диодна маркировка
Най-лесният начин за маркиране на диоди в метален корпус. В повечето случаи те са маркирани с обозначението на устройството и неговото изводи. Диодите в пластмасов корпус са маркирани с пръстен от страната на катода. Но няма гаранция, че производителят стриктно спазва това правило, така че е по-добре да се обърнете към указателя. Още по-добре, позвънете на устройството с мултицет.
Домашните ценерови диоди с ниска мощност и някои други устройства могат да имат белези от два пръстена или точки с различни цветове от противоположните страни на корпуса. За да определите типа на такъв диод и неговата изводка, трябва да вземете справочник или да намерите онлайн идентификатор за маркиране в Интернет.
Приложения на диоди
Въпреки простото устройство, полупроводниковите диоди се използват широко в електрониката:
- За изправяне AC напрежение. Класика на жанра - свойството p-n преход се използва за провеждане на ток в една посока.
- диодни детектори. Тук се използва нелинейността на I-V характеристиката, което прави възможно изолирането на хармоници от сигнала, необходимото от което може да се различи чрез филтри.
- Два диода, свързани гръб към гръб, служат като ограничител за мощни сигнали, които могат да претоварят следващите входни етапи на чувствителни радиоприемници.
- Ценерови диоди могат да бъдат включени като искроустойчиви елементи, които не позволяват на импулси с високо напрежение да влязат във веригите на сензорите, инсталирани в опасни зони.
- Диодите могат да служат като превключващи устройства във високочестотни вериги. Те се отварят с постоянно напрежение и пропускат (или не пропускат) RF сигнала.
- Параметричните диоди служат като усилватели на слаби сигнали в микровълновия диапазон поради наличието на участък с отрицателно съпротивление в директния клон на характеристиката.
- Диодите се използват за сглобяване на смесители, работещи в предавателно или приемно оборудване. Те се смесват сигнал на локален осцилатор с високочестотен (или нискочестотен) сигнал за по-нататъшна обработка. Той също така използва нелинейността на характеристиката на ток-напрежение.
- Нелинейната характеристика позволява използването на микровълнови диоди като честотни умножители. Когато сигналът преминава през умножителния диод, по-високите хармоници се подчертават. След това те могат да бъдат избрани чрез филтриране.
- Диодите се използват като настройващи елементи за резонансни вериги. В този случай се използва наличието на контролиран капацитет в p-n прехода.
- Някои видове диоди се използват като генератори в микровълновия диапазон. Това са основно тунелни диоди и устройства с ефекта на Gunn.
Това е само кратко описание на възможностите на полупроводниковите устройства с два извода. С задълбочено проучване на свойствата и характеристиките с помощта на диоди е възможно да се решат много проблеми, възложени на разработчиците на електронно оборудване.
Подобни статии:
