Puolijohdediodia käytetään laajalti sähkötekniikassa ja elektroniikassa. Alhaisilla kustannuksillaan ja hyvällä teho/koko-suhteella se syrjäytti nopeasti samantyyppiset tyhjiölaitteet.
Sisältö
Puolijohdediodin laite ja toimintaperiaate
Puolijohdediodi koostuu kahdesta alueesta (kerroksesta), jotka on valmistettu puolijohteesta (pii, germanium jne.). Yhdellä alueella on ylimäärä vapaita elektroneja (n-puolijohde), toisella on puute (p-puolijohde) - tämä saavutetaan seostamalla perusmateriaalia. Niiden välissä on pieni vyöhyke, jossa ylimäärä vapaita elektroneja n-kohdasta "sulkee" reikiä p-kohdasta (rekombinaatio tapahtuu diffuusion vuoksi), eikä tällä alueella ole vapaita varauksenkantajia. Myötäjännitettä käytettäessä rekombinaatioalue on pieni, sen resistanssi on pieni ja diodi johtaa virtaa tähän suuntaan. Käänteisellä jännitteellä kantoaaltovapaa vyöhyke kasvaa, diodin vastus kasvaa. Virta ei kulje tähän suuntaan.
Tyypit, luokitukset ja graafiset merkinnät sähkökaavioissa
Yleisessä tapauksessa diodi kaaviossa on esitetty tyyliteltynä nuolena, joka osoittaa virran suunnan. Laitteen ehdollinen graafinen kuva (UGO) sisältää kaksi johtopäätöstä - anodi ja katodi, jotka on suorassa yhteydessä kytketty sähköpiirin plus- ja miinuskohtaan, vastaavasti.
Tästä kaksinapaisesta puolijohdelaitteesta on olemassa suuri määrä erilaisia muotoja, joissa käyttötarkoituksesta riippuen voi olla hieman erilaisia UGO:ita.
Zener-diodit (Zener-diodit)
Zener-diodi on puolijohdelaitetoimii käänteisellä jännitteellä lumivyöryn rikkoutumisalueella. Tällä alueella Zener-diodin jännite on vakaa laajalla laitteen läpi kulkevalla virralla. Tätä ominaisuutta käytetään tasaamaan jännite kuorman yli.
Stabistorit
Zener-diodit tekevät hyvää työtä 2 V:n ja sitä suuremman jännitteen stabiloinnissa.Stabistoreita käytetään saamaan vakiojännite tämän rajan alapuolelle. Materiaalin seostus, josta nämä laitteet on valmistettu (pii, seleeni), saavuttaa ominaisuuden suoran haaran suurimman pystysuoran. Tässä tilassa stabistorit toimivat antaen esimerkinomaisen jännitteen alueella 0,5 ... 2 V virta-jännite-ominaisuuden suorahaaralla lähtöjännitteellä.
Schottky diodit
Schottky-diodi on rakennettu puolijohde-metallikaavion mukaan, eikä siinä ole tavanomaista liitosta. Tämän ansiosta saatiin kaksi tärkeää ominaisuutta:
- pienentynyt myötäjännitehäviö (noin 0,2 V);
- lisääntyneet toimintataajuudet oman kapasitanssin pienenemisen vuoksi.
Haittoja ovat lisääntyneet käänteisvirtojen arvot ja vähentynyt toleranssi käänteisen jännitteen tasoon.
Varicaps
Jokaisella diodilla on sähköinen kapasitanssi. Kondensaattorin levyt ovat kaksi avaruusvarausta (puolijohteiden p ja n aluetta), ja sulkukerros on dielektrinen. Kun käänteinen jännite kytketään, tämä kerros laajenee ja kapasitanssi pienenee. Tämä ominaisuus on luontainen kaikille diodeille, mutta varikapsien kapasitanssi on normalisoitu ja tunnetaan tietyillä jänniterajoilla. Tämä mahdollistaa sellaisten laitteiden käytön kuin säädettävät kondensaattorit ja soveltuu piirien säätämiseen tai hienosäätämiseen syöttämällä eri tasoisia käänteisjännitettä.
tunnelidiodit
Näillä laitteilla on ominaiskäyrän suorassa osassa taipuma, jossa jännitteen nousu aiheuttaa virran laskun. Tällä alueella erovastus on negatiivinen.Tämä ominaisuus mahdollistaa tunnelidiodien käytön heikkoina signaalin vahvistimina ja generaattoreina yli 30 GHz:n taajuuksilla.
Dinistorit
Dinistor - diodityristori - on rakenteeltaan p-n-p-n ja S-muotoinen CVC, ei johda virtaa ennen kuin käytetty jännite saavuttaa kynnystason. Sen jälkeen se kytkeytyy päälle ja käyttäytyy kuin normaali diodi, kunnes virta laskee pitotason alapuolelle. Dinistoreita käytetään tehoelektroniikassa avaimina.
Valodiodit
Valodiodi on valmistettu pakkauksessa, josta näkyy näkyvä valo pääsy kristalliin. Kun p-n-liitos säteilytetään, syntyy siihen emf. Tämän avulla voit käyttää valodiodia virtalähteenä (osana aurinkopaneeleja) tai valoanturina.
LEDit
LEDin pääominaisuus on kyky lähettää valoa, kun virta kulkee p-n-liitoksen läpi. Tämä hehku ei liity lämmityksen voimakkuuteen, kuten hehkulamppu, joten laite on taloudellinen. Joskus käytetään siirtymän suoraa hehkua, mutta useammin sitä käytetään loisteaineen syttymisen käynnistäjänä. Tämä mahdollisti aiemmin saavuttamattomien LED-värien, kuten sinisen ja valkoisen, saamisen.
Gunn Diodit
Vaikka Gunn-diodilla on tavallinen tavanomainen graafinen nimitys, se ei ole diodi sen varsinaisessa merkityksessä. Koska siinä ei ole p-n-liitosta. Tämä laite koostuu galliumarsenidilevystä metallisubstraatilla.
Menemättä prosessien yksityiskohtiin: kun laitteeseen kohdistetaan tietyn suuruinen sähkökenttä, syntyy sähköisiä värähtelyjä, joiden jakso riippuu puolijohdekiekon koosta (mutta tietyissä rajoissa taajuutta voidaan säätää ulkoisten elementtien takia).
Gunn-diodeja käytetään oskillaattorina 1 GHz:n ja sitä suuremmilla taajuuksilla. Laitteen etuna on korkean taajuuden vakaus ja haittapuolena sähköisten värähtelyjen pieni amplitudi.
Magneettiset diodit
Ulkoiset magneettikentät vaikuttavat heikosti tavallisiin diodeihin. Magnetodiodeissa on erityinen muotoilu, joka lisää herkkyyttä tälle vaikutukselle. Ne on valmistettu p-i-n-tekniikalla ja pidennetyllä pohjalla. Magneettikentän vaikutuksesta laitteen resistanssi kasvaa eteenpäin, ja tätä voidaan käyttää kosketuksettomien kytkentäelementtien, magneettikentän muuntajien jne.
Laser diodit
Laserdiodin toimintaperiaate perustuu elektroni-reikä-parin kykyyn rekombinaation aikana tietyissä olosuhteissa lähettää monokromaattista ja koherenttia näkyvää säteilyä. Näiden olosuhteiden luomismenetelmät ovat erilaisia, käyttäjän tarvitsee vain tietää diodin lähettämän aallon pituus ja sen teho.
Lumivyörydiodit
Näitä laitteita käytetään mikroaaltouunissa. Tietyissä olosuhteissa lumivyöryn rikkoutumistilassa diodin ominaiskäyrälle ilmestyy negatiivinen erovastus. Tämä APD:n ominaisuus mahdollistaa niiden käytön generaattoreina, jotka toimivat millimetrialueen aallonpituuksilla. Siellä on mahdollista saada vähintään 1 watin teho. Matalilla taajuuksilla tällaisista diodeista poistetaan jopa useita kilowatteja.
PIN-diodit
Nämä diodit on valmistettu p-i-n-tekniikalla. Seostettujen puolijohteiden kerrosten välissä on kerros seostamatonta materiaalia. Tästä syystä diodin tasasuuntausominaisuudet huononevat (käänteisellä jännitteellä rekombinaatio vähenee, koska p- ja n-vyöhykkeiden välillä ei ole suoraa kosketusta).Mutta tilavarausalueiden etäisyyden vuoksi loiskapasitanssi tulee hyvin pieneksi, suljetussa tilassa signaalivuoto korkeilla taajuuksilla on käytännössä poissuljettu, ja pin-diodeja voidaan käyttää RF- ja mikroaaltouunissa kytkentäelementteinä.
Diodien pääominaisuudet ja parametrit
Puolijohdediodien (paitsi erittäin erikoistuneita) pääominaisuuksia ovat:
- suurin sallittu paluujännite (vakio ja pulssi);
- raja-toimintataajuus;
- eteenpäin jännitehäviö;
- Käyttölämpötila.
Loput tärkeät ominaisuudet on parasta harkita käyttämällä esimerkkiä diodin IV-ominaisuuksista - tämä on selkeämpi.
Puolijohdediodin voltti-ampeeriominaisuus
Puolijohdediodin virta-jännite-ominaisuus koostuu myötä- ja taaksepäinhaaroista. Ne sijaitsevat I ja III kvadranteissa, koska virran ja jännitteen suunta diodin läpi ovat aina samat. Virta-jännite-ominaisuuden mukaan voit määrittää joitain parametreja sekä nähdä selvästi, mihin laitteen ominaisuudet vaikuttavat.
Johdon kynnysjännite
Jos käytät eteenpäin suunnattua jännitettä diodille ja alat lisätä sitä, niin ensimmäisellä hetkellä mitään ei tapahdu - virta ei kasva. Mutta tietyllä arvolla diodi avautuu ja virta kasvaa jännitteen mukaan. Tätä jännitettä kutsutaan johtavuuskynnysjännitteeksi ja se on merkitty VAC:iin Uthreshold-arvoksi. Se riippuu materiaalista, josta diodi on valmistettu. Yleisimmille puolijohteille tämä parametri on:
- pii - 0,6-0,8 V;
- germanium - 0,2-0,3 V;
- galliumarsenidi - 1,5 V.
Germaniumpuolijohdelaitteiden ominaisuutta avautua matalalla jännitteellä käytetään pienjännitepiireissä työskennellessä ja muissa tilanteissa.
Suurin virta diodin läpi suoralla kytkennällä
Kun diodi on avautunut, sen virta kasvaa myötäjännitteen kasvaessa. Ihanteelliselle diodille tämä kuvaaja menee äärettömään. Käytännössä tätä parametria rajoittaa puolijohdelaitteen kyky haihduttaa lämpöä. Kun tietty raja saavutetaan, diodi ylikuumenee ja epäonnistuu. Tämän välttämiseksi valmistajat ilmoittavat suurimman sallitun virran (VAC - Imax). Se voidaan karkeasti määrittää diodin ja sen pakkauksen koon perusteella. Alenevassa järjestyksessä:
- laitteet pitävät suurimman virran metallivaipassa;
- muovikotelot on suunniteltu keskiteholle;
- Lasikoteloissa olevia diodeja käytetään pienvirtapiireissä.
Metallilaitteet voidaan asentaa patteriin - tämä lisää hajoamistehoa.
Käänteinen vuotovirta
Jos käytät käänteistä jännitettä diodille, herkkä ampeerimittari ei näytä mitään. Itse asiassa vain ihanteellinen diodi ei läpäise virtaa. Oikealla laitteella on virta, mutta se on hyvin pieni, ja sitä kutsutaan käänteisvuotovirraksi (CVC:ssä - Iobr). Se on kymmeniä mikroampeeria tai kymmenesosia milliampeerista ja paljon vähemmän kuin tasavirta. Löydät sen hakemistosta.
Läpilyöntijännite
Tietyllä käänteisen jännitteen arvolla tapahtuu jyrkkä virran nousu, jota kutsutaan rikkoutumiseksi. Siinä on tunneli- tai lumivyöryluonne ja se on käännettävä. Tätä tilaa käytetään jännitteen stabiloimiseen (lumivyöry) tai pulssien tuottamiseen (tunneli).Jännitteen lisääntyessä hajoamisesta tulee termistä. Tämä tila on peruuttamaton ja diodi ei toimi.
Parasiittisen kapasitanssin pn-liitos
On jo mainittu, että p-n-liitoksella on sähköinen kapasiteetti. Ja jos tämä ominaisuus on hyödyllinen ja sitä käytetään varikapeissa, niin tavallisissa diodeissa se voi olla haitallista. Siitä huolimatta kapasiteetti on yksikköä tai kymmeniä pF ja tasavirralla tai matalilla taajuuksilla on huomaamaton, taajuuden kasvaessa sen vaikutus kasvaa. Muutama pikofaradi RF:llä luo riittävän pienen vastuksen virhesignaalivuodolle, lisää olemassa olevaa kapasitanssia ja muuttaa piirin parametreja ja muodostaa yhdessä lähdön tai painetun johtimen induktanssin kanssa väärän resonanssipiirin. Siksi suurtaajuisten laitteiden tuotannossa toteutetaan toimenpiteitä siirtymän kapasitanssin vähentämiseksi.
Diodimerkintä
Helpoin tapa merkitä diodit metallikoteloon. Useimmissa tapauksissa niihin on merkitty laitteen nimi ja sen liitin. Muovikotelossa olevat diodit on merkitty rengasmerkillä katodin puolella. Mutta ei ole takeita siitä, että valmistaja noudattaa tiukasti tätä sääntöä, joten on parempi viitata hakemistoon. Vielä parempi, soita laitteeseen yleismittarilla.
Kotimaisissa pienitehoisissa zener-diodeissa ja joissakin muissa laitteissa voi olla merkkejä kahdesta erivärisestä renkaasta tai pisteestä kotelon vastakkaisilla puolilla. Tällaisen diodin tyypin ja sen liittimen määrittämiseksi sinun on otettava hakuteos tai löydettävä online-merkintätunniste Internetistä.
Diodien sovellukset
Yksinkertaisesta laitteesta huolimatta puolijohdediodeja käytetään laajalti elektroniikassa:
- Oikaisua varten AC jännite. Genren klassikko - p-n-liitosominaisuutta käytetään johtamaan virtaa yhteen suuntaan.
- diodiilmaisimet. Tässä hyödynnetään I–V-ominaiskäyrän epälineaarisuutta, mikä mahdollistaa yliaaltojen eristämisen signaalista, joista tarpeelliset voidaan erottaa suodattimilla.
- Kaksi peräkkäin kytkettyä diodia toimivat voimakkaiden signaalien rajoittimena, joka voi ylikuormittaa herkkien radiovastaanottimien myöhempiä tulovaiheita.
- Zener-diodit voidaan sisällyttää kipinäsuojatuiksi elementeiksi, jotka eivät päästä suurjännitepulsseja vaarallisille alueille asennettujen antureiden piireihin.
- Diodit voivat toimia kytkinlaitteina suurtaajuuspiireissä. Ne avautuvat vakiojännitteellä ja läpäisevät (tai eivät läpäise) RF-signaalia.
- Parametriset diodit toimivat heikkojen signaalien vahvistimina mikroaaltoalueella, koska ominaisuuden suorassa haarassa on negatiivinen vastus.
- Diodeja käytetään lähetys- tai vastaanottolaitteissa toimivien sekoittimien kokoamiseen. Ne sekoittuvat paikallisoskillaattorin signaali korkeataajuisella (tai matalataajuisella) signaalilla jatkokäsittelyä varten. Se käyttää myös virta-jännite-ominaisuuden epälineaarisuutta.
- Epälineaarinen ominaisuus mahdollistaa mikroaaltodiodien käytön taajuuskertojana. Kun signaali kulkee kertojadiodin läpi, korkeammat harmoniset korostuvat. Sitten ne voidaan valita suodattamalla.
- Diodeja käytetään virityselementteinä resonanssipiireihin. Tässä tapauksessa käytetään ohjatun kapasitanssin läsnäoloa p-n-liitoksessa.
- Tietyntyyppisiä diodeja käytetään generaattoreina mikroaaltoalueella. Nämä ovat pääasiassa tunnelidiodeja ja laitteita, joissa on Gunn-efekti.
Tämä on vain lyhyt kuvaus kaksinapaisten puolijohdelaitteiden ominaisuuksista. Ominaisuuksien ja ominaisuuksien syvällisen tutkimuksen avulla diodien avulla on mahdollista ratkaista monia elektroniikkalaitteiden kehittäjille osoitettuja ongelmia.
Samanlaisia artikkeleita:
