Η δίοδος ημιαγωγών χρησιμοποιείται ευρέως στην ηλεκτρική μηχανική και την ηλεκτρονική. Με το χαμηλό κόστος και την καλή αναλογία ισχύος προς μέγεθος, αντικατέστησε γρήγορα συσκευές κενού παρόμοιου σκοπού.
Περιεχόμενο
Η συσκευή και η αρχή λειτουργίας μιας διόδου ημιαγωγών
Μια δίοδος ημιαγωγών αποτελείται από δύο περιοχές (στρώσεις) κατασκευασμένες από ημιαγωγό (πυρίτιο, γερμάνιο κ.λπ.). Η μία περιοχή έχει περίσσεια ελεύθερων ηλεκτρονίων (n-ημιαγωγός), η άλλη έχει ανεπάρκεια (p-ημιαγωγός) - αυτό επιτυγχάνεται με ντόπινγκ του υλικού βάσης. Ανάμεσά τους υπάρχει μια μικρή ζώνη στην οποία μια περίσσεια ελεύθερων ηλεκτρονίων από τη θέση n "κλείνει" οπές από τη θέση p (ο ανασυνδυασμός συμβαίνει λόγω διάχυσης) και δεν υπάρχουν φορείς ελεύθερου φορτίου σε αυτήν την περιοχή. Όταν εφαρμόζεται μια τάση προς τα εμπρός, η περιοχή ανασυνδυασμού είναι μικρή, η αντίστασή της είναι μικρή και η δίοδος μεταφέρει ρεύμα προς αυτή την κατεύθυνση. Με την αντίστροφη τάση, η ζώνη χωρίς φορέα θα αυξηθεί, η αντίσταση της διόδου θα αυξηθεί. Δεν θα ρέει ρεύμα προς αυτή την κατεύθυνση.
Τύποι, ταξινόμηση και γραφική ονομασία σε ηλεκτρικά διαγράμματα
Στη γενική περίπτωση, η δίοδος στο διάγραμμα υποδεικνύεται ως ένα στυλιζαρισμένο βέλος που δείχνει την κατεύθυνση του ρεύματος. Η υπό όρους γραφική εικόνα (UGO) της συσκευής περιέχει δύο συμπεράσματα - άνοδος και κάθοδος, τα οποία σε απευθείας σύνδεση συνδέονται με το συν του ηλεκτρικού κυκλώματος και με το μείον, αντίστοιχα.
Υπάρχει ένας μεγάλος αριθμός ποικιλιών αυτής της διπολικής συσκευής ημιαγωγών, οι οποίες, ανάλογα με τον σκοπό, μπορεί να έχουν ελαφρώς διαφορετικούς UGO.
Δίοδοι Zener (δίοδοι Zener)
Μια δίοδος zener είναι μια συσκευή ημιαγωγώνλειτουργεί με αντίστροφη τάση στη ζώνη κατάρρευσης χιονοστιβάδας. Σε αυτήν την περιοχή, η τάση της διόδου Zener είναι σταθερή σε ένα ευρύ φάσμα ρεύματος μέσω της συσκευής. Αυτή η ιδιότητα χρησιμοποιείται για τη σταθεροποίηση της τάσης στο φορτίο.
Σταμπίστορ
Οι δίοδοι Zener κάνουν καλή δουλειά στη σταθεροποίηση των τάσεων από 2 V και άνω.Οι σταθεροποιητές χρησιμοποιούνται για τη λήψη σταθερής τάσης κάτω από αυτό το όριο. Το ντόπινγκ του υλικού από το οποίο κατασκευάζονται αυτές οι συσκευές (πυρίτιο, σελήνιο) επιτυγχάνει τη μεγαλύτερη κατακόρυφη θέση του άμεσου κλάδου του χαρακτηριστικού. Σε αυτόν τον τρόπο λειτουργίας, οι σταθεροποιητές λειτουργούν, δίνοντας μια υποδειγματική τάση στην περιοχή 0,5 ... 2 V στον άμεσο κλάδο του χαρακτηριστικού ρεύματος-τάσης στην μπροστινή τάση.
Δίοδοι Schottky
Η δίοδος Schottky είναι κατασκευασμένη σύμφωνα με το σχήμα ημιαγωγών-μετάλλων και δεν έχει συμβατική διασταύρωση. Εξαιτίας αυτού, αποκτήθηκαν δύο σημαντικές ιδιότητες:
- μειωμένη πτώση τάσης προς τα εμπρός (περίπου 0,2 V).
- αυξημένες συχνότητες λειτουργίας λόγω μείωσης της αυτο-χωρητικότητας.
Τα μειονεκτήματα περιλαμβάνουν αυξημένες τιμές αντίστροφων ρευμάτων και μειωμένη ανοχή στο επίπεδο αντίστροφης τάσης.
Varicaps
Κάθε δίοδος έχει μια ηλεκτρική χωρητικότητα. Οι πλάκες του πυκνωτή είναι δύο χωρικά φορτία (p και n περιοχές ημιαγωγών) και το στρώμα φραγμού είναι το διηλεκτρικό. Όταν εφαρμόζεται αντίστροφη τάση, αυτό το στρώμα διαστέλλεται και η χωρητικότητα μειώνεται. Αυτή η ιδιότητα είναι εγγενής σε όλες τις διόδους, αλλά για τα varicaps, η χωρητικότητα είναι κανονικοποιημένη και γνωστή για δεδομένα όρια τάσης. Αυτό καθιστά δυνατή τη χρήση τέτοιων συσκευών όπως μεταβλητούς πυκνωτές και ισχύουν για ρύθμιση ή βελτιστοποίηση κυκλωμάτων παρέχοντας αντίστροφη τάση διαφόρων επιπέδων.
διόδους σήραγγας
Αυτές οι συσκευές έχουν μια εκτροπή στο ευθύ τμήμα του χαρακτηριστικού, στο οποίο μια αύξηση της τάσης προκαλεί μείωση του ρεύματος. Σε αυτή την περιοχή, η διαφορική αντίσταση είναι αρνητική.Αυτή η ιδιότητα καθιστά δυνατή τη χρήση διόδων σήραγγας ως ενισχυτές ασθενούς σήματος και γεννήτριες σε συχνότητες άνω των 30 GHz.
Dinistors
Το Dinistor - θυρίστορ διόδου - έχει δομή p-n-p-n και CVC σε σχήμα S, δεν μεταφέρει ρεύμα έως ότου η εφαρμοζόμενη τάση φτάσει στο επίπεδο κατωφλίου. Μετά από αυτό, ανάβει και συμπεριφέρεται σαν μια κανονική δίοδος έως ότου το ρεύμα πέσει κάτω από το επίπεδο συγκράτησης. Τα Dinistor χρησιμοποιούνται στα ηλεκτρονικά ισχύος ως κλειδιά.
Φωτοδίοδοι
Η φωτοδίοδος κατασκευάζεται σε συσκευασία με ορατό φως πρόσβαση στον κρύσταλλο. Όταν μια διασταύρωση p-n ακτινοβολείται, εμφανίζεται ένα emf σε αυτήν. Αυτό σας επιτρέπει να χρησιμοποιείτε τη φωτοδίοδο ως πηγή ρεύματος (ως μέρος των ηλιακών συλλεκτών) ή ως αισθητήρα φωτός.
LED
Η κύρια ιδιότητα ενός LED είναι η ικανότητα να εκπέμπει φως όταν το ρεύμα διέρχεται από μια διασταύρωση p-n. Αυτή η λάμψη δεν σχετίζεται με την ένταση της θέρμανσης, όπως μια λάμπα πυρακτώσεως, επομένως η συσκευή είναι οικονομική. Μερικές φορές χρησιμοποιείται η άμεση λάμψη της μετάβασης, αλλά πιο συχνά χρησιμοποιείται ως εκκινητής της ανάφλεξης του φωσφόρου. Αυτό κατέστησε δυνατή την απόκτηση χρωμάτων LED που δεν ήταν εφικτά στο παρελθόν, όπως το μπλε και το λευκό.
Gunn Diodes
Αν και η δίοδος Gunn έχει τη συνήθη συμβατική γραφική ονομασία, δεν είναι δίοδος με την πλήρη έννοια. Επειδή δεν έχει διασταύρωση p-n. Αυτή η συσκευή αποτελείται από μια πλάκα αρσενικού γαλλίου σε μεταλλικό υπόστρωμα.
Χωρίς να υπεισέλθω στις λεπτομέρειες των διεργασιών: όταν εφαρμόζεται ένα ηλεκτρικό πεδίο συγκεκριμένου μεγέθους στη συσκευή, συμβαίνουν ηλεκτρικές ταλαντώσεις, η περίοδος των οποίων εξαρτάται από το μέγεθος του πλακιδίου ημιαγωγών (αλλά εντός ορισμένων ορίων, η συχνότητα μπορεί να ρυθμιστεί από εξωτερικά στοιχεία).
Οι δίοδοι Gunn χρησιμοποιούνται ως ταλαντωτές σε συχνότητες 1 GHz και άνω. Το πλεονέκτημα της συσκευής είναι η σταθερότητα σε υψηλές συχνότητες, και το μειονέκτημα είναι το μικρό εύρος ηλεκτρικών ταλαντώσεων.
Μαγνητικές δίοδοι
Οι συνηθισμένες δίοδοι επηρεάζονται ασθενώς από εξωτερικά μαγνητικά πεδία. Οι μαγνητοδιόδους έχουν ειδικό σχεδιασμό που αυξάνει την ευαισθησία σε αυτό το φαινόμενο. Κατασκευάζονται με τεχνολογία p-i-n με εκτεταμένη βάση. Υπό τη δράση ενός μαγνητικού πεδίου, η αντίσταση της συσκευής στην προς τα εμπρός κατεύθυνση αυξάνεται και αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία στοιχείων μεταγωγής χωρίς επαφή, μετατροπέων μαγνητικού πεδίου κ.λπ.
Δίοδοι λέιζερ
Η αρχή της λειτουργίας μιας διόδου λέιζερ βασίζεται στην ιδιότητα ενός ζεύγους ηλεκτρονίων-οπών κατά τον ανασυνδυασμό υπό ορισμένες συνθήκες να εκπέμπει μονοχρωματική και συνεκτική ορατή ακτινοβολία. Οι μέθοδοι δημιουργίας αυτών των συνθηκών είναι διαφορετικές, για τον χρήστη είναι απαραίτητο μόνο να γνωρίζει το μήκος του κύματος που εκπέμπεται από τη δίοδο και την ισχύ της.
Δίοδοι χιονοστιβάδας
Αυτές οι συσκευές χρησιμοποιούνται στον φούρνο μικροκυμάτων. Υπό ορισμένες συνθήκες, στη λειτουργία κατάρρευσης χιονοστιβάδας, εμφανίζεται ένα τμήμα με αρνητική διαφορική αντίσταση στο χαρακτηριστικό της διόδου. Αυτή η ιδιότητα του APD τους επιτρέπει να χρησιμοποιούνται ως γεννήτριες που λειτουργούν σε μήκη κύματος έως το εύρος χιλιοστών. Εκεί είναι δυνατό να αποκτήσετε ισχύ τουλάχιστον 1 watt. Σε χαμηλότερες συχνότητες, αφαιρούνται έως και αρκετά κιλοβάτ από τέτοιες διόδους.
Δίοδοι PIN
Αυτές οι δίοδοι κατασκευάζονται με την τεχνολογία p-i-n. Ανάμεσα στα ντοπαρισμένα στρώματα των ημιαγωγών υπάρχει ένα στρώμα μη επιστρωμένου υλικού. Για το λόγο αυτό, οι ιδιότητες ανόρθωσης της διόδου επιδεινώνονται (με την αντίστροφη τάση, ο ανασυνδυασμός μειώνεται λόγω της έλλειψης άμεσης επαφής μεταξύ των ζωνών p και n).Αλλά λόγω της απόστασης των περιοχών φόρτισης χώρου, η παρασιτική χωρητικότητα γίνεται πολύ μικρή, σε κλειστή κατάσταση, η διαρροή σήματος σε υψηλές συχνότητες πρακτικά αποκλείεται και οι διόδους ακροδεκτών μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ραδιοσυχνότητες και μικροκύματα ως στοιχεία μεταγωγής.
Κύρια χαρακτηριστικά και παράμετροι διόδων
Τα κύρια χαρακτηριστικά των διόδων ημιαγωγών (εκτός από τις εξαιρετικά εξειδικευμένες) περιλαμβάνουν:
- η μέγιστη επιτρεπόμενη αντίστροφη τάση (σταθερή και παλμική).
- οριακή συχνότητα λειτουργίας.
- Μπροστινή πτώση τάσης?
- εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας.
Τα υπόλοιπα σημαντικά χαρακτηριστικά εξετάζονται καλύτερα χρησιμοποιώντας το παράδειγμα των χαρακτηριστικών I-V της διόδου - αυτό είναι πιο σαφές.
Χαρακτηριστικό Volt-ampere μιας διόδου ημιαγωγών
Το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης μιας διόδου ημιαγωγών αποτελείται από έναν κλάδο προς τα εμπρός και προς τα πίσω. Βρίσκονται σε τεταρτημόρια Ι και ΙΙΙ, αφού η κατεύθυνση του ρεύματος και της τάσης μέσω της διόδου συμπίπτει πάντα. Σύμφωνα με το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης, μπορείτε να προσδιορίσετε ορισμένες παραμέτρους, καθώς και να δείτε ξεκάθαρα τι επηρεάζουν τα χαρακτηριστικά της συσκευής.
Τάση κατωφλίου αγωγιμότητας
Εάν εφαρμόσετε μια τάση προς τα εμπρός στη δίοδο και αρχίσετε να την αυξάνετε, τότε την πρώτη στιγμή δεν θα συμβεί τίποτα - το ρεύμα δεν θα αυξηθεί. Αλλά σε μια ορισμένη τιμή, η δίοδος θα ανοίξει και το ρεύμα θα αυξηθεί ανάλογα με την τάση. Αυτή η τάση ονομάζεται τάση κατωφλίου αγωγιμότητας και επισημαίνεται στο VAC ως κατώτατο όριο. Εξαρτάται από το υλικό από το οποίο κατασκευάζεται η δίοδος. Για τους πιο συνηθισμένους ημιαγωγούς, αυτή η παράμετρος είναι:
- πυρίτιο - 0,6-0,8 V;
- γερμάνιο - 0,2-0,3 V;
- αρσενίδιο γαλλίου - 1,5 V.
Η ιδιότητα των συσκευών ημιαγωγών γερμανίου να ανοίγουν σε χαμηλή τάση χρησιμοποιείται όταν εργάζονται σε κυκλώματα χαμηλής τάσης και σε άλλες καταστάσεις.
Μέγιστο ρεύμα μέσω της διόδου με απευθείας σύνδεση
Αφού ανοίξει η δίοδος, το ρεύμα της αυξάνεται μαζί με την αύξηση της μπροστινής τάσης. Για μια ιδανική δίοδο, αυτό το γράφημα πηγαίνει στο άπειρο. Στην πράξη, αυτή η παράμετρος περιορίζεται από την ικανότητα της συσκευής ημιαγωγών να διαχέει τη θερμότητα. Όταν επιτευχθεί ένα συγκεκριμένο όριο, η δίοδος θα υπερθερμανθεί και θα αποτύχει. Για να αποφευχθεί αυτό, οι κατασκευαστές υποδεικνύουν το υψηλότερο επιτρεπόμενο ρεύμα (στο VAC - Imax). Μπορεί να προσδιοριστεί χονδρικά από το μέγεθος της διόδου και τη συσκευασία της. Με φθίνουσα σειρά:
- Το μεγαλύτερο ρεύμα διατηρείται από συσκευές σε μεταλλικό περίβλημα.
- Οι πλαστικές θήκες έχουν σχεδιαστεί για μέση ισχύ.
- Οι δίοδοι σε γυάλινους φακέλους χρησιμοποιούνται σε κυκλώματα χαμηλού ρεύματος.
Μπορούν να εγκατασταθούν μεταλλικές συσκευές σε καλοριφέρ - αυτό θα αυξήσει την ισχύ διαρροής.
Αντίστροφο ρεύμα διαρροής
Εάν εφαρμόσετε αντίστροφη τάση στη δίοδο, τότε ένα μη ευαίσθητο αμπερόμετρο δεν θα δείξει τίποτα. Στην πραγματικότητα, μόνο μια ιδανική δίοδος δεν περνά καθόλου ρεύμα. Μια πραγματική συσκευή θα έχει ρεύμα, αλλά είναι πολύ μικρό, και ονομάζεται αντίστροφο ρεύμα διαρροής (στο CVC - Iobr). Είναι δεκάδες microamps ή δέκατα των milliamps και πολύ λιγότερο από το συνεχές ρεύμα. Μπορείτε να το βρείτε στον κατάλογο.
Τάση διάσπασης
Σε μια ορισμένη τιμή της αντίστροφης τάσης, εμφανίζεται μια απότομη αύξηση του ρεύματος, που ονομάζεται διάσπαση. Έχει χαρακτήρα σήραγγας ή χιονοστιβάδας και είναι αναστρέψιμο. Αυτή η λειτουργία χρησιμοποιείται για τη σταθεροποίηση της τάσης (χιονοστιβάδα) ή για τη δημιουργία παλμών (σήραγγα).Με περαιτέρω αύξηση της τάσης, η διάσπαση γίνεται θερμική. Αυτή η λειτουργία είναι μη αναστρέψιμη και η δίοδος αποτυγχάνει.
Παρασιτική χωρητικότητα pn-junction
Έχει ήδη αναφερθεί ότι η διασταύρωση p-n έχει ηλεκτρική χωρητικότητα. Και αν αυτή η ιδιότητα είναι χρήσιμη και χρησιμοποιείται σε varicaps, τότε σε συνηθισμένες διόδους μπορεί να είναι επιβλαβής. Παρόλο χωρητικότητα είναι μονάδες ή δεκάδες pF και σε συνεχές ρεύμα ή χαμηλές συχνότητες είναι ανεπαίσθητη, με την αύξηση της συχνότητας η επιρροή του αυξάνεται. Λίγα picofarads στο RF θα δημιουργήσουν αρκετά χαμηλή αντίσταση για διαρροή ψευδούς σήματος, θα προσθέσουν στην υπάρχουσα χωρητικότητα και θα αλλάξουν τις παραμέτρους του κυκλώματος και μαζί με την αυτεπαγωγή της εξόδου ή του τυπωμένου αγωγού θα σχηματίσουν ένα κύκλωμα ψευδούς συντονισμού. Ως εκ τούτου, στην παραγωγή συσκευών υψηλής συχνότητας, λαμβάνονται μέτρα για τη μείωση της χωρητικότητας της μετάβασης.
Σήμανση διόδου
Ο ευκολότερος τρόπος για να επισημάνετε διόδους σε μεταλλική θήκη. Στις περισσότερες περιπτώσεις, επισημαίνονται με την ονομασία της συσκευής και το pinout της. Οι δίοδοι σε πλαστική θήκη επισημαίνονται με ένα σημάδι δακτυλίου στην πλευρά της καθόδου. Αλλά δεν υπάρχει καμία εγγύηση ότι ο κατασκευαστής τηρεί αυστηρά αυτόν τον κανόνα, επομένως είναι καλύτερο να ανατρέξετε στον κατάλογο. Ακόμα καλύτερα, κουδουνίστε τη συσκευή με ένα πολύμετρο.
Οι οικιακές δίοδοι zener χαμηλής κατανάλωσης και ορισμένες άλλες συσκευές μπορεί να έχουν σημάδια δύο δακτυλίων ή κουκκίδων διαφορετικών χρωμάτων στις απέναντι πλευρές της θήκης. Για να προσδιορίσετε τον τύπο μιας τέτοιας διόδου και το pinout της, πρέπει να πάρετε ένα βιβλίο αναφοράς ή να βρείτε ένα online αναγνωριστικό σήμανσης στο Διαδίκτυο.
Εφαρμογές διόδων
Παρά την απλή συσκευή, οι δίοδοι ημιαγωγών χρησιμοποιούνται ευρέως στην ηλεκτρονική:
- Για ίσιωμα AC τάση. Ένα κλασικό του είδους - η ιδιότητα σύνδεσης p-n χρησιμοποιείται για τη διεξαγωγή ρεύματος προς μία κατεύθυνση.
- ανιχνευτές διόδου. Εδώ, χρησιμοποιείται η μη γραμμικότητα του χαρακτηριστικού I-V, γεγονός που καθιστά δυνατή την απομόνωση αρμονικών από το σήμα, τα απαραίτητα από τα οποία μπορούν να διακριθούν με φίλτρα.
- Δύο δίοδοι, συνδεδεμένες πλάτη με πλάτη, χρησιμεύουν ως περιοριστής για ισχυρά σήματα που μπορούν να υπερφορτώσουν τα επόμενα στάδια εισόδου ευαίσθητων ραδιοφωνικών δεκτών.
- Οι δίοδοι Zener μπορούν να συμπεριληφθούν ως αντισπινθήρες στοιχεία που δεν επιτρέπουν την είσοδο παλμών υψηλής τάσης στα κυκλώματα των αισθητήρων που είναι εγκατεστημένοι σε επικίνδυνες περιοχές.
- Οι δίοδοι μπορούν να χρησιμεύσουν ως συσκευές μεταγωγής σε κυκλώματα υψηλής συχνότητας. Ανοίγουν με σταθερή τάση και περνούν (ή δεν περνούν) το σήμα RF.
- Οι παραμετρικές δίοδοι χρησιμεύουν ως ενισχυτές αδύναμων σημάτων στην περιοχή μικροκυμάτων λόγω της παρουσίας τμήματος με αρνητική αντίσταση στον άμεσο κλάδο του χαρακτηριστικού.
- Οι δίοδοι χρησιμοποιούνται για τη συναρμολόγηση μείκτη που λειτουργούν σε εξοπλισμό μετάδοσης ή λήψης. Ανακατεύονται σήμα τοπικού ταλαντωτή με σήμα υψηλής συχνότητας (ή χαμηλής συχνότητας) για περαιτέρω επεξεργασία. Χρησιμοποιεί επίσης τη μη γραμμικότητα του χαρακτηριστικού ρεύματος-τάσης.
- Το μη γραμμικό χαρακτηριστικό επιτρέπει τη χρήση διόδων μικροκυμάτων ως πολλαπλασιαστές συχνότητας. Όταν το σήμα διέρχεται από τη δίοδο πολλαπλασιαστή, επισημαίνονται οι υψηλότερες αρμονικές. Στη συνέχεια, μπορούν να επιλεγούν με φιλτράρισμα.
- Οι δίοδοι χρησιμοποιούνται ως στοιχεία συντονισμού για κυκλώματα συντονισμού. Σε αυτή την περίπτωση, χρησιμοποιείται η παρουσία ελεγχόμενης χωρητικότητας στη διασταύρωση p-n.
- Ορισμένοι τύποι διόδων χρησιμοποιούνται ως γεννήτριες στην περιοχή των μικροκυμάτων. Πρόκειται κυρίως για διόδους τούνελ και συσκευές με το φαινόμενο Gunn.
Αυτή είναι μόνο μια σύντομη περιγραφή των δυνατοτήτων των συσκευών ημιαγωγών διπλού τερματικού. Με μια βαθιά μελέτη των ιδιοτήτων και των χαρακτηριστικών με τη βοήθεια διόδων, είναι δυνατό να λυθούν πολλά προβλήματα που έχουν ανατεθεί στους προγραμματιστές ηλεκτρονικού εξοπλισμού.
Παρόμοια άρθρα:
