Dioda semiconductoare este utilizată pe scară largă în inginerie electrică și electronică. Cu costul său scăzut și raportul bun putere/dimensiune, a înlocuit rapid dispozitivele de vid cu un scop similar.
Conţinut
Dispozitivul și principiul de funcționare al unei diode semiconductoare
O diodă semiconductoare este formată din două regiuni (straturi) formate dintr-un semiconductor (siliciu, germaniu etc.). O regiune are un exces de electroni liberi (n-semiconductor), cealaltă are o deficiență (p-semiconductor) - acest lucru se realizează prin doparea materialului de bază. Între ele există o zonă mică în care un exces de electroni liberi din situl n „închid” găurile din situl p (recombinarea are loc datorită difuziei) și nu există purtători de sarcină liberi în această regiune. Când se aplică o tensiune directă, regiunea de recombinare este mică, rezistența sa este mică, iar dioda conduce curentul în această direcție. Cu tensiune inversă, zona fără purtători va crește, rezistența diodei va crește. Nici un curent nu va curge în această direcție.
Tipuri, clasificare și desemnare grafică pe scheme electrice
În cazul general, dioda din diagramă este indicată ca o săgeată stilizată care indică direcția curentului. Imaginea grafică condiționată (UGO) a dispozitivului conține două concluzii - anod și catod, care în legătură directă sunt conectate la plusul circuitului electric, respectiv la minus.
Există un număr mare de varietăți ale acestui dispozitiv semiconductor bipolar, care, în funcție de scop, pot avea UGO-uri ușor diferite.
Diode Zener (diode Zener)
O diodă zener este un dispozitiv semiconductorfuncționând la tensiune inversă în zona de defalcare a avalanșei. În această regiune, tensiunea diodei Zener este stabilă pe o gamă largă de curent prin dispozitiv. Această proprietate este utilizată pentru a stabiliza tensiunea pe sarcină.
Stabistori
Diodele Zener fac o treabă bună de stabilizare a tensiunilor de la 2 V și mai sus.Stabistorii sunt utilizați pentru a obține o tensiune constantă sub această limită. Dopajul materialului din care sunt realizate aceste dispozitive (siliciu, seleniu) realizează cea mai mare verticalitate a ramului direct al caracteristicii. În acest mod, stabistorii funcționează, oferind o tensiune exemplară în intervalul 0,5 ... 2 V pe ramura directă a caracteristicii curent-tensiune la tensiune directă.
Diode Schottky
Dioda Schottky este construită conform schemei semiconductor-metal și nu are o joncțiune convențională. Datorită acestui fapt, s-au obținut două proprietăți importante:
- cădere redusă de tensiune directă (aproximativ 0,2 V);
- frecvențe de funcționare crescute datorită scăderii capacității proprii.
Dezavantajele includ valori crescute ale curenților inversi și toleranță redusă la nivelul tensiunii inverse.
Varicaps
Fiecare diodă are o capacitate electrică. Plăcile condensatorului sunt două sarcini spațiale (p și n regiuni ale semiconductorilor), iar stratul de barieră este dielectricul. Când se aplică o tensiune inversă, acest strat se extinde și capacitatea scade. Această proprietate este inerentă tuturor diodelor, dar pentru varicaps, capacitatea este normalizată și cunoscută pentru limitele de tensiune date. Acest lucru face posibilă utilizarea unor astfel de dispozitive ca condensatoare variabile și se aplică pentru reglarea sau reglarea fină a circuitelor prin furnizarea de tensiune inversă de diferite niveluri.
diode tunel
Aceste dispozitive au o deformare în secțiunea dreaptă a caracteristicii, în care o creștere a tensiunii determină o scădere a curentului. În această regiune, rezistența diferențială este negativă.Această proprietate face posibilă utilizarea diodelor tunel ca amplificatoare și generatoare de semnal slab la frecvențe de peste 30 GHz.
Dinistori
Dinistorul - tiristor diodă - are o structură p-n-p-n și un CVC în formă de S, nu conduce curent până când tensiunea aplicată atinge nivelul pragului. După aceea, pornește și se comportă ca o diodă normală până când curentul scade sub nivelul de menținere. Dinistorii sunt folosiți în electronica de putere ca chei.
Fotodiode
Fotodioda este realizată într-un pachet cu acces la lumină vizibilă la cristal. Când o joncțiune p-n este iradiată, în ea apare o fem. Acest lucru vă permite să utilizați fotodioda ca sursă de curent (ca parte a panourilor solare) sau ca senzor de lumină.
LED-uri
Principala proprietate a unui LED este capacitatea de a emite lumină atunci când curentul trece printr-o joncțiune p-n. Această strălucire nu este legată de intensitatea încălzirii, ca o lampă cu incandescență, așa că dispozitivul este economic. Uneori este folosită strălucirea directă a tranziției, dar mai des este folosită ca inițiator al aprinderii fosforului. Acest lucru a făcut posibilă obținerea unor culori LED inaccesibile anterior, cum ar fi albastru și alb.
Diode Gunn
Deși dioda Gunn are denumirea grafică convențională obișnuită, nu este o diodă în sensul deplin. Pentru că nu are o joncțiune p-n. Acest dispozitiv constă dintr-o placă de arseniură de galiu pe un substrat metalic.
Fără a intra în detaliile proceselor: atunci când în dispozitiv se aplică un câmp electric de o anumită mărime, apar oscilații electrice, a căror perioadă depinde de dimensiunea plachetei semiconductoare (dar în anumite limite, frecvența poate fi ajustată de elemente externe).
Diodele Gunn sunt folosite ca oscilatoare la frecvențe de 1 GHz și mai sus. Avantajul dispozitivului este stabilitatea la înaltă frecvență, iar dezavantajul este amplitudinea mică a oscilațiilor electrice.
Diode magnetice
Diodele obișnuite sunt slab afectate de câmpurile magnetice externe. Magnetodiodele au un design special care crește sensibilitatea la acest efect. Sunt realizate folosind tehnologia p-i-n cu o bază extinsă. Sub acțiunea unui câmp magnetic, rezistența dispozitivului în direcția înainte crește, iar aceasta poate fi folosită pentru a crea elemente de comutare fără contact, convertoare de câmp magnetic etc.
Diode laser
Principiul de funcționare al unei diode laser se bazează pe proprietatea unei perechi electron-gaură în timpul recombinării în anumite condiții de a emite radiații vizibile monocromatice și coerente. Metodele de creare a acestor condiții sunt diferite, pentru utilizator este necesar doar să cunoască lungimea undei emise de diodă și puterea acesteia.
Diode de avalanșă
Aceste dispozitive sunt folosite la cuptorul cu microunde. În anumite condiții, în modul de avarie de avalanșă, pe caracteristica diodei apare o secțiune cu o rezistență diferențială negativă. Această proprietate a APD le permite să fie utilizate ca generatoare care funcționează la lungimi de undă de până la milimetri. Acolo se poate obține o putere de cel puțin 1 watt. La frecvențe mai joase, de la astfel de diode sunt îndepărtați până la câțiva kilowați.
diode PIN
Aceste diode sunt realizate folosind tehnologia p-i-n. Între straturile dopate ale semiconductorilor se află un strat de material nedopat. Din acest motiv, proprietățile de redresare ale diodei sunt înrăutățite (cu tensiune inversă, recombinarea este redusă din cauza lipsei de contact direct între zonele p și n).Dar datorită distanței dintre regiunile de încărcare spațială, capacitatea parazită devine foarte mică, în stare închisă, scurgerea semnalului la frecvențe înalte este practic exclusă, iar diodele cu pin pot fi folosite pe RF și microunde ca elemente de comutare.
Principalele caracteristici și parametri ai diodelor
Principalele caracteristici ale diodelor semiconductoare (cu excepția celor foarte specializate) includ:
- tensiunea inversă maximă admisă (constantă și pulsată);
- frecvența limită de operare;
- cădere de tensiune directă;
- intervalul de temperatură de funcționare.
Restul caracteristicilor importante sunt cel mai bine luate în considerare folosind exemplul caracteristicilor I-V ale diodei - acest lucru este mai clar.
Caracteristica volt-amper a unei diode semiconductoare
Caracteristica curent-tensiune a unei diode semiconductoare constă dintr-o ramură directă și inversă. Ele sunt situate în cadranele I și III, deoarece direcția curentului și a tensiunii prin diodă coincide întotdeauna. În funcție de caracteristica curent-tensiune, puteți determina unii parametri și puteți vedea clar ce afectează caracteristicile dispozitivului.
Tensiune de prag de conducere
Dacă aplicați o tensiune directă diodei și începeți să o creșteți, atunci în primul moment nu se va întâmpla nimic - curentul nu va crește. Dar la o anumită valoare, dioda se va deschide și curentul va crește în funcție de tensiune. Această tensiune este numită tensiune de prag de conducție și este marcată pe VAC ca Uthreshold. Depinde de materialul din care este fabricată dioda. Pentru cei mai obișnuiți semiconductori, acest parametru este:
- siliciu - 0,6-0,8 V;
- germaniu - 0,2-0,3 V;
- arseniura de galiu - 1,5 V.
Proprietatea dispozitivelor semiconductoare cu germaniu de a se deschide la tensiune joasă este utilizată atunci când se lucrează în circuite de joasă tensiune și în alte situații.
Curent maxim prin diodă cu conexiune directă
După ce dioda s-a deschis, curentul acesteia crește odată cu creșterea tensiunii directe. Pentru o diodă ideală, acest grafic merge la infinit. În practică, acest parametru este limitat de capacitatea dispozitivului semiconductor de a disipa căldura. Când se atinge o anumită limită, dioda se va supraîncălzi și se va defecta. Pentru a evita acest lucru, producătorii indică cel mai mare curent admisibil (pe VAC - Imax). Poate fi determinată aproximativ de dimensiunea diodei și a pachetului acesteia. În ordine descrescătoare:
- cel mai mare curent este păstrat de dispozitive într-o manta metalică;
- carcasele din plastic sunt proiectate pentru putere medie;
- Diodele din plicuri de sticlă sunt utilizate în circuitele cu curent scăzut.
Pe radiatoare pot fi instalate aparate metalice - aceasta va crește puterea de disipare.
Curent de scurgere invers
Dacă aplicați o tensiune inversă la diodă, atunci un ampermetru insensibil nu va arăta nimic. De fapt, doar o diodă ideală nu trece nici un curent. Un dispozitiv real va avea un curent, dar este foarte mic și se numește curent de scurgere inversă (pe CVC - Iobr). Este de zeci de microamperi sau zecimi de miliamperi și mult mai puțin decât curentul continuu. Îl găsiți în director.
Tensiunea de avarie
La o anumită valoare a tensiunii inverse, are loc o creștere bruscă a curentului, numită defalcare. Are caracter de tunel sau de avalansa si este reversibil. Acest mod este folosit pentru a stabiliza tensiunea (avalanșă) sau pentru a genera impulsuri (tunel).Odată cu o creștere suplimentară a tensiunii, defecțiunea devine termică. Acest mod este ireversibil și dioda eșuează.
Capacitate parazita jonctiune pn
S-a menționat deja că joncțiunea p-n are capacitate electrică. Și dacă această proprietate este utilă și utilizată în varicaps, atunci în diodele obișnuite poate fi dăunătoare. Cu toate că capacitatea este de unități sau zeci de pF și la curent continuu sau frecvențe joase este imperceptibil, cu creșterea frecvenței influența sa crește. Câteva picofaradi la RF vor crea o rezistență suficient de scăzută pentru scurgerile de semnal fals, se vor adăuga capacității existente și vor modifica parametrii circuitului și, împreună cu inductanța ieșirii sau a conductorului imprimat, formează un circuit de rezonanță fals. Prin urmare, în producția de dispozitive de înaltă frecvență, se iau măsuri pentru reducerea capacității tranziției.
Marcarea cu diode
Cel mai simplu mod de a marca diodele într-o carcasă metalică. În cele mai multe cazuri, acestea sunt marcate cu denumirea dispozitivului și pinout-ul acestuia. Diodele dintr-o carcasă de plastic sunt marcate cu un semn inel pe partea catodului. Dar nu există nicio garanție că producătorul respectă cu strictețe această regulă, așa că este mai bine să vă referiți la director. Și mai bine, sună dispozitivul cu un multimetru.
Diodele Zener de mică putere și alte dispozitive pot avea semne de două inele sau puncte de culori diferite pe părțile opuse ale carcasei. Pentru a determina tipul unei astfel de diode și pinout-ul acesteia, trebuie să luați o carte de referință sau să găsiți un identificator de marcare online pe Internet.
Aplicații ale diodelor
În ciuda dispozitivului simplu, diodele semiconductoare sunt utilizate pe scară largă în electronică:
- Pentru îndreptare Tensiune AC. Un clasic al genului - proprietatea de joncțiune p-n este folosită pentru a conduce curentul într-o singură direcție.
- detectoare cu diode. Aici, este utilizată neliniaritatea caracteristicii I–V, ceea ce face posibilă izolarea armonicilor de semnal, al căror necesar poate fi distins prin filtre.
- Două diode, conectate spate la spate, servesc drept limitator pentru semnale puternice care pot supraîncărca etapele de intrare ulterioare ale receptoarelor radio sensibile.
- Diodele Zener pot fi incluse ca elemente antiscântei care nu permit impulsurilor de înaltă tensiune să pătrundă în circuitele senzorilor instalați în zone periculoase.
- Diodele pot servi ca dispozitive de comutare în circuitele de înaltă frecvență. Se deschid cu o tensiune constantă și trec (sau nu trec) semnalul RF.
- Diodele parametrice servesc ca amplificatoare ale semnalelor slabe în domeniul microundelor datorită prezenței unei secțiuni cu rezistență negativă în ramura directă a caracteristicii.
- Diodele sunt folosite pentru a asambla mixere care funcționează în echipamente de transmisie sau recepție. Se amestecă semnal oscilator local cu un semnal de înaltă frecvență (sau de joasă frecvență) pentru procesare ulterioară. De asemenea, utilizează neliniaritatea caracteristicii curent-tensiune.
- Caracteristica neliniară permite utilizarea diodelor cu microunde ca multiplicatori de frecvență. Când semnalul trece prin dioda multiplicatoare, armonicile superioare sunt evidențiate. Apoi pot fi selectate prin filtrare.
- Diodele sunt folosite ca elemente de reglare pentru circuitele rezonante. În acest caz, se utilizează prezența unei capacități controlate la joncțiunea p-n.
- Unele tipuri de diode sunt folosite ca generatoare în domeniul microundelor. Acestea sunt în principal diode tunel și dispozitive cu efect Gunn.
Aceasta este doar o scurtă descriere a capacităților dispozitivelor semiconductoare cu două terminale. Cu un studiu profund al proprietăților și caracteristicilor cu ajutorul diodelor, este posibil să se rezolve multe probleme atribuite dezvoltatorilor de echipamente electronice.
Articole similare:
