Hva er en halvlederdiode, typer dioder og en graf over strøm-spenningskarakteristikken

Halvlederdioden er mye brukt i elektroteknikk og elektronikk. Med sine lave kostnader og gode kraft-til-størrelse-forhold, erstattet den raskt vakuumenheter med lignende formål.

Enheten og prinsippet for drift av en halvlederdiode

En halvlederdiode består av to områder (lag) laget av en halvleder (silisium, germanium, etc.). Den ene regionen har et overskudd av frie elektroner (n-halvleder), den andre har en mangel (p-halvleder) - dette oppnås ved å dope grunnmaterialet. Mellom dem er det en liten sone der et overskudd av frie elektroner fra n-stedet "lukker" hull fra p-stedet (rekombinasjon skjer på grunn av diffusjon), og det er ingen frie ladningsbærere i denne regionen. Når en foroverspenning påføres, er rekombinasjonsområdet lite, motstanden er liten, og dioden leder strøm i denne retningen. Med omvendt spenning vil den bærerfrie sonen øke, motstanden til dioden vil øke. Ingen strøm vil flyte i denne retningen.

Typer, klassifisering og grafisk betegnelse på elektriske diagrammer

I det generelle tilfellet er dioden i diagrammet indikert som en stilisert pil som indikerer strømretningen. Det betingede grafiske bildet (UGO) av enheten inneholder to konklusjoner - anode og katode, som i direkte forbindelse er koblet til henholdsvis pluss av den elektriske kretsen og til minus.

Det finnes et stort antall varianter av denne bipolare halvlederenheten, som, avhengig av formålet, kan ha litt forskjellige UGOer.

Zenerdioder (Zenerdioder)

En zenerdiode er en halvlederenhetopererer med omvendt spenning i sonen for snøskred. I denne regionen er Zener-diodespenningen stabil over et bredt spekter av strøm gjennom enheten. Denne egenskapen brukes til å stabilisere spenningen over lasten.

Stabistorer

Zenerdioder gjør en god jobb med å stabilisere spenninger fra 2 V og oppover.Stabistorer brukes for å få en konstant spenning under denne grensen. Doping av materialet som disse enhetene er laget av (silisium, selen) oppnår den største vertikaliteten til den direkte grenen av karakteristikken. I denne modusen fungerer stabitorene, og gir ut en eksemplarisk spenning i området 0,5 ... 2 V på den direkte grenen av strømspenningskarakteristikken ved foroverspenning.

Schottky dioder

Schottky-dioden er bygget i henhold til halvleder-metall-skjemaet, og har ikke et konvensjonelt kryss. På grunn av dette ble to viktige egenskaper oppnådd:

• redusert foroverspenningsfall (ca. 0,2 V);
• økte driftsfrekvenser på grunn av en reduksjon i egenkapasitans.

Ulempene inkluderer økte verdier av reversstrømmer og redusert toleranse til nivået av reversspenning.

Varicaps

Hver diode har en elektrisk kapasitans. Platene til kondensatoren er to romladninger (p og n områder av halvledere), og barrierelaget er dielektrikumet. Når en omvendt spenning påføres, utvider dette laget seg og kapasitansen reduseres. Denne egenskapen er iboende i alle dioder, men for varicaps er kapasitansen normalisert og kjent for gitte spenningsgrenser. Dette gjør det mulig å bruke slike enheter som variable kondensatorer og gjelder for å justere eller finjustere kretser ved å levere omvendt spenning på forskjellige nivåer.

tunnel dioder

Disse enhetene har en avbøyning i den rette delen av karakteristikken, der en økning i spenning forårsaker en reduksjon i strømmen. I denne regionen er differensialmotstanden negativ.Denne egenskapen gjør det mulig å bruke tunneldioder som svake signalforsterkere og generatorer ved frekvenser over 30 GHz.

Dinistorer

Dinistor - diodetyristor - har en p-n-p-n struktur og en S-formet CVC, leder ikke strøm før den påførte spenningen når terskelnivået. Etter det slår den seg på og oppfører seg som en vanlig diode til strømmen faller under holdenivået. Dinistorer brukes i kraftelektronikk som nøkler.

Fotodioder

Fotodioden er laget i en pakke med synlig lystilgang til krystallen. Når et p-n-kryss blir bestrålt, oppstår det en emf i det. Dette lar deg bruke fotodioden som en strømkilde (som en del av solcellepaneler) eller som en lyssensor.

LED-er

Hovedegenskapen til en LED er evnen til å sende ut lys når strømmen går gjennom et p-n-kryss. Denne gløden er ikke relatert til intensiteten av oppvarming, som en glødelampe, så enheten er økonomisk. Noen ganger brukes den direkte gløden av overgangen, men oftere brukes den som en initiator for antennelsen av fosforet. Dette gjorde det mulig å oppnå tidligere uoppnåelige LED-farger, som blått og hvitt.

Gunn Diodes

Selv om Gunn-dioden har den vanlige konvensjonelle grafiske betegnelsen, er det ikke en diode i full forstand. Fordi den ikke har et p-n-kryss. Denne enheten består av en galliumarsenidplate på et metallsubstrat.

Uten å gå inn på detaljene i prosessene: når et elektrisk felt av en viss størrelse påføres i enheten, oppstår det elektriske oscillasjoner, hvor perioden avhenger av størrelsen på halvlederplaten (men innenfor visse grenser kan frekvensen justeres av eksterne elementer).

Gunn-dioder brukes som oscillatorer ved frekvenser på 1 GHz og over. Fordelen med enheten er høyfrekvent stabilitet, og ulempen er den lille amplituden til elektriske svingninger.

Magnetiske dioder

Vanlige dioder er svakt påvirket av ytre magnetfelt. Magnetodioder har en spesiell design som øker følsomheten for denne effekten. De er laget ved hjelp av p-i-n-teknologi med utvidet base. Under påvirkning av et magnetfelt øker motstanden til enheten i foroverretningen, og dette kan brukes til å lage kontaktløse svitsjelementer, magnetfeltomformere, etc.

Laser dioder

Prinsippet for operasjon av en laserdiode er basert på egenskapen til et elektron-hull-par under rekombinasjon under visse forhold for å avgi monokromatisk og koherent synlig stråling. Metodene for å skape disse forholdene er forskjellige, for brukeren er det bare nødvendig å vite lengden på bølgen som sendes ut av dioden og dens kraft.

Skreddioder

Disse enhetene brukes i mikrobølgeovnen. Under visse forhold, i skredsammenbruddsmodus, vises en seksjon med negativ differensialmotstand på diodekarakteristikken. Denne egenskapen til APD gjør at de kan brukes som generatorer som opererer ved bølgelengder opp til millimeterområdet. Der er det mulig å oppnå en effekt på minst 1 watt. Ved lavere frekvenser fjernes opptil flere kilowatt fra slike dioder.

PIN-dioder

Disse diodene er laget ved hjelp av p-i-n-teknologi. Mellom de dopede lagene av halvledere ligger et lag med udopet materiale. Av denne grunn forverres diodens rettingsegenskaper (med omvendt spenning reduseres rekombinasjonen på grunn av mangelen på direkte kontakt mellom p- og n-sonene).Men på grunn av avstanden mellom romladningsområdene, blir den parasittiske kapasitansen veldig liten, i lukket tilstand er signallekkasje ved høye frekvenser praktisk talt utelukket, og pin-dioder kan brukes på RF og mikrobølge som koblingselementer.

Hovedkarakteristikker og parametere til dioder

Hovedkarakteristikkene til halvlederdioder (bortsett fra høyt spesialiserte) inkluderer:

• den maksimalt tillatte reversspenningen (konstant og pulsert);
• grense driftsfrekvens;
• fremover spenningsfall;
• driftstemperaturområde.

Resten av de viktige egenskapene vurderes best ved å bruke eksemplet med I-V-egenskapene til dioden - dette er mer tydelig.

Volt-ampere karakteristikk for en halvlederdiode

Strøm-spenningskarakteristikken til en halvlederdiode består av en forover- og bakovergren. De er plassert i I- og III-kvadranter, siden retningen til strøm og spenning gjennom dioden alltid sammenfaller. I henhold til strømspenningskarakteristikken kan du bestemme noen parametere, samt tydelig se hva egenskapene til enheten påvirker.

Ledningsterskelspenning

Hvis du legger en fremspenning på dioden og begynner å øke den, vil ingenting skje i det første øyeblikket - strømmen vil ikke øke. Men ved en viss verdi vil dioden åpne og strømmen øke i henhold til spenningen. Denne spenningen kalles ledningsterskelspenningen og er merket på VAC som Utreshold. Det avhenger av materialet som dioden er laget av. For de vanligste halvlederne er denne parameteren:

• silisium - 0,6-0,8 V;
• germanium - 0,2-0,3 V;
• galliumarsenid - 1,5 V.

Egenskapen til germanium-halvlederenheter for å åpne ved lav spenning brukes når du arbeider i lavspenningskretser og i andre situasjoner.

Maksimal strøm gjennom dioden med direkte tilkobling

Etter at dioden har åpnet seg, øker strømmen sammen med økningen i foroverspenningen. For en ideell diode går denne grafen til uendelig. I praksis er denne parameteren begrenset av halvlederenhetens evne til å spre varme. Når en viss grense er nådd, vil dioden overopphetes og svikte. For å unngå dette, angir produsentene den høyeste tillatte strømmen (på VAC - Imax). Det kan grovt bestemmes av størrelsen på dioden og dens pakke. I synkende rekkefølge:

• den største strømmen holdes av enheter i en metallkappe;
• plastkasser er designet for middels kraft;
• Dioder i glasskonvolutter brukes i lavstrømskretser.

Metallapparater kan installeres på radiatorer - dette vil øke spredningskraften.

Omvendt lekkasjestrøm

Hvis du bruker en omvendt spenning på dioden, vil et ufølsomt amperemeter ikke vise noe. Faktisk er det bare en ideell diode som ikke passerer noen strøm. En ekte enhet vil ha en strøm, men den er veldig liten, og kalles den omvendte lekkasjestrømmen (på CVC - Iobr). Det er titalls mikroampere eller tiendedeler milliampere og mye mindre enn likestrøm. Du finner den i katalogen.

Spenningsammenbrudd

Ved en viss verdi av reversspenningen oppstår en kraftig økning i strømmen, kalt sammenbrudd. Den har tunnel- eller skredkarakter og er reversibel. Denne modusen brukes til å stabilisere spenningen (skred) eller generere pulser (tunnel).Med en ytterligere økning i spenningen blir sammenbruddet termisk. Denne modusen er irreversibel og dioden svikter.

Parasittisk kapasitans pn-kryss

Det er allerede nevnt at p-n-krysset har elektrisk kapasitet. Og hvis denne egenskapen er nyttig og brukes i varicaps, kan den i vanlige dioder være skadelig. Selv om kapasitet er enheter eller titalls pF og ved likestrøm eller lave frekvenser er umerkelig, med økende frekvens øker dens innflytelse. Noen få picofarads ved RF vil skape lav nok motstand for falsk signallekkasje, legge til den eksisterende kapasitansen og endre parametrene til kretsen, og sammen med induktansen til utgangen eller den trykte lederen danne en falsk resonanskrets. Derfor, ved produksjon av høyfrekvente enheter, tas det tiltak for å redusere kapasitansen til overgangen.

Diodemerking

Den enkleste måten å merke dioder i et metallhus. I de fleste tilfeller er de merket med betegnelsen på enheten og dens pinout. Dioder i et plasthus er merket med et ringmerke på katodesiden. Men det er ingen garanti for at produsenten følger denne regelen strengt, så det er bedre å referere til katalogen. Enda bedre, ring enheten med et multimeter.

Innenlandske laveffekts zenerdioder og noen andre enheter kan ha merker av to ringer eller prikker i forskjellige farger på motsatte sider av dekselet. For å bestemme typen av en slik diode og dens pinout, må du ta en oppslagsbok eller finne en online merkeidentifikator på Internett.

Anvendelser av dioder

Til tross for den enkle enheten, er halvlederdioder mye brukt i elektronikk:

1. For retting AC spenning. En klassiker av sjangeren - p-n junction-egenskapen brukes til å lede strøm i én retning.
2. diode detektorer. Her brukes ikke-lineariteten til I–V-karakteristikken, noe som gjør det mulig å isolere harmoniske fra signalet, hvorav de nødvendige kan skilles ut med filtre.
3. To dioder, koblet rygg-til-rygg, tjener som en begrenser for kraftige signaler som kan overbelaste påfølgende inngangstrinn til sensitive radiomottakere.
4. Zenerdioder kan inkluderes som gnistsikre elementer som ikke tillater høyspentpulser å komme inn i kretsene til sensorer installert i eksplosjonsfarlige områder.
5. Dioder kan tjene som koblingsenheter i høyfrekvente kretser. De åpner med konstant spenning og passerer (eller passerer ikke) RF-signalet.
6. Parametriske dioder tjener som forsterkere av svake signaler i mikrobølgeområdet på grunn av tilstedeværelsen av en seksjon med negativ motstand i den direkte grenen av karakteristikken.
7. Dioder brukes til å sette sammen blandere som opererer i sende- eller mottaksutstyr. De blander seg lokaloscillatorsignal med et høyfrekvent (eller lavfrekvent) signal for videre behandling. Den bruker også ikke-lineariteten til strømspenningskarakteristikken.
8. Den ikke-lineære karakteristikken tillater bruk av mikrobølgedioder som frekvensmultiplikatorer. Når signalet går gjennom multiplikatordioden, utheves de høyere harmoniske. Deretter kan de velges ved filtrering.
9. Dioder brukes som avstemningselementer for resonanskretser. I dette tilfellet brukes tilstedeværelsen av en kontrollert kapasitans ved p-n-krysset.
10. Noen typer dioder brukes som generatorer i mikrobølgeområdet. Dette er hovedsakelig tunneldioder og enheter med Gunn-effekten.

Dette er bare en kort beskrivelse av egenskapene til toterminale halvlederenheter. Med en dyp studie av egenskapene og egenskapene ved hjelp av dioder, er det mulig å løse mange problemer som er tildelt utviklerne av elektronisk utstyr.

Lignende artikler: