Dioda cu semiconductori este utilizată pe scară largă în inginerie electrică și electronică. Datorită costului său scăzut și a raportului bun putere-dimensiuni, a înlocuit rapid dispozitivele cu vid pentru aplicații similare.
Cuprins
Construcția și funcționarea unei diode semiconductoare
O diodă semiconductoare este formată din două regiuni (straturi) realizate dintr-un semiconductor (siliciu, germaniu etc.). O regiune are un exces de electroni liberi (n-semiconductor), iar alta are un deficit (p-semiconductor) - acest lucru se obține prin doparea materialului de bază. Între ele se află o mică zonă în care un exces de electroni liberi de la polul n "acoperă" găurile de la polul p p (recombinare prin difuzie), iar în această regiune nu există purtători de sarcină liberi. Atunci când se aplică o tensiune continuă, regiunea de recombinare este mică, rezistența sa este scăzută, iar dioda transportă curentul în acea direcție. Atunci când se aplică tensiunea inversă, zona fără purtător va crește și rezistența diodei va crește. În această direcție nu va trece niciun curent.
Tipuri, clasificare și grafică în circuitele electrice
În general, o diodă este indicată într-o diagramă printr-o săgeată stilizată care indică direcția curentului. O reprezentare grafică convențională (CSR) a unui dispozitiv conține două terminale - anod și catodSemiconductorii bipolari sunt conectați în conexiune directă la partea pozitivă și, respectiv, negativă a circuitului.
Există mai multe varietăți ale acestui dispozitiv semiconductor bipolar, care pot avea un CSD ușor diferit în funcție de scopul lor.
Stabilitroni (diode Zener)
Un stabilitron este un dispozitiv semiconductorAcesta funcționează cu tensiune inversă în regiunea de defecțiune prin avalanșă. În această regiune, tensiunea pe o diodă Zener este stabilă pe o gamă largă de fluxuri de curent prin dispozitiv. Această proprietate este utilizată pentru a stabiliza tensiunea la nivelul sarcinii.
Stabilizatori
Stabilitronii fac o treabă bună în stabilizarea tensiunilor de la 2V și peste. Pentru a obține o tensiune constantă sub această limită, se utilizează stabilizatoare. Prin doparea materialului din care sunt fabricate aceste dispozitive (siliciu, seleniu), se obține cea mai mare verticalitate posibilă a liniei drepte a caracteristicii. Acesta este modul în care funcționează stabilizatoarele, producând o tensiune de referință cuprinsă între 0,5 V și 2 V pe ramura de linie dreaptă a caracteristicii volt-amperice la tensiune directă.
Diode Schottky
Diodele Schottky se bazează pe un circuit semiconductor-metal și nu au o joncțiune comună. Acest lucru oferă două proprietăți importante:
- Cădere redusă a tensiunii directe (aproximativ 0,2 V);
- Frecvențe de operare mai mari datorită capacității intrinseci mai mici.
Dezavantajele sunt curenții inversați mai mari și toleranța mai mică la tensiunea inversă.
Varicaps .
Fiecare diodă are o capacitate electrică. Cele două sarcini în masă (regiunile semiconductoare p și n) servesc drept învelișuri ale condensatorului, iar dielectricul este stratul de blocare. Atunci când se aplică o tensiune inversă, acest strat se extinde și capacitatea scade. Această proprietate este inerentă tuturor diodelor, dar în cazul diodelor varicaps capacitatea este normalizată și cunoscută la anumite limite de tensiune. Acest lucru face posibilă utilizarea unor dispozitive precum condensatori cu capacitate variabilă și utilizate pentru a regla sau a regla fin circuitele prin furnizarea de diferite niveluri de tensiune inversă.
Diode tunel
Aceste dispozitive au o deviație în secțiunea directă a caracteristicii în care o creștere a tensiunii determină o scădere a curentului. Rezistența diferențială este negativă în această zonă. Această proprietate permite ca diodele tunel să fie utilizate ca amplificatoare pentru semnale slabe și ca oscilatoare la frecvențe de peste 30 GHz.
Dinistori
Tiristoare cu diode - Tiristoarele cu diode au o structură p-n-p-n și au o formă de undă în formă de S și nu conduc curentul până când tensiunea aplicată nu atinge un nivel de prag. După aceea, se deschide și se comportă ca o diodă normală până când curentul scade sub nivelul de menținere. Dinistoarele sunt utilizate în electronica de putere ca întrerupătoare.
Fotodiode
O fotodiodă este realizată într-o carcasă, iar lumina vizibilă ajunge la cristal. Atunci când joncțiunea p-n este iradiată, se generează un câmp electromagnetic în ea. Acest lucru permite ca fotodioda să fie utilizată ca sursă de curent (ca parte a unei celule solare) sau ca senzor de lumină.
LED-uri .
Proprietatea de bază a unei fotodiode este că poate emite lumină atunci când un curent trece printr-o joncțiune p-n. Această strălucire nu este legată de intensitatea căldurii, ca în cazul unui bec cu incandescență, astfel încât dispozitivul este economic. Uneori se folosește strălucirea directă a joncțiunii, dar cel mai adesea este folosită ca inițiator pentru a aprinde fosforul. Acest lucru a permis obținerea unor culori de LED-uri care nu puteau fi atinse anterior, cum ar fi albastrul și albul.
Diode Gunn
Deși o diodă Gann are simbolul obișnuit, nu este o diodă în sensul deplin al cuvântului. Acest lucru se datorează faptului că nu are o joncțiune p-n. Acest dispozitiv este format dintr-o plachetă de arsenură de galiu pe un substrat metalic.
Fără a intra în complexitatea proceselor: atunci când un câmp electric de o anumită magnitudine este aplicat unui dispozitiv, se produc oscilații electrice, a căror perioadă depinde de dimensiunea plăcii semiconductoare (dar în anumite limite frecvența poate fi corectată de elemente externe).
Diodele Gann sunt utilizate ca oscilatoare la frecvențe de 1 GHz și peste. Avantajul dispozitivului este stabilitatea frecvenței ridicate, iar dezavantajul este amplitudinea mică a oscilațiilor electrice.
Magnetodiode
Diodele convenționale sunt slab afectate de câmpurile magnetice externe. Magnetodiodele sunt proiectate special pentru a le crește sensibilitatea. Acestea sunt realizate cu ajutorul tehnologiei p-i-n cu o bază extinsă. Sub influența unui câmp magnetic, rezistența directă a dispozitivului crește, iar acest lucru poate fi folosit pentru a crea comutatoare de proximitate, convertoare de câmp magnetic și altele asemenea.
Diode laser
Principiul de funcționare al unei diode laser se bazează pe proprietatea perechii electron-găur de a emite lumină vizibilă monocromatică și coerentă în anumite condiții în timpul recombinării. Modalitățile de creare a acestor condiții variază, iar utilizatorul trebuie doar să cunoască lungimea de undă emisă de diodă și puterea acesteia.
Diode de deschidere a avalanșei
Aceste dispozitive sunt utilizate în industria de microunde. În anumite condiții, un mod de defalcare în avalanșă are ca rezultat o regiune de rezistență diferențială negativă pe caracteristica diodei. Această proprietate a LPD-urilor le permite să fie utilizate ca generatoare, funcționând la lungimi de undă de până la milimetru. Acolo este posibil să se obțină o putere de cel puțin 1 W. La frecvențe mai mici, aceste diode produc până la câțiva kilowați.
Diode PIN .
Aceste diode sunt fabricate folosind tehnologia p-i-n. Între straturile dopate de semiconductori se află un strat de material ne-dopat. Din acest motiv, proprietățile redresoare ale diodei sunt degradate (recombinarea este redusă la tensiunea inversă datorită absenței contactului direct între zonele p și n). Pe de altă parte, datorită distanțării regiunilor de încărcare masivă, capacitatea parazită devine foarte mică, scurgerile de semnal la frecvențe înalte sunt practic eliminate în stare închisă, iar diodele pin pot fi utilizate la HF și UHF ca elemente de comutare.
Principalele caracteristici și parametri ai diodelor
Principalele caracteristici ale diodelor semiconductoare (cu excepția celor cu destinație specială) sunt următoarele
- tensiunea inversă maximă admisibilă (DC și impulsuri)
- limitarea frecvenței de funcționare;
- căderea de tensiune directă;
- Gama de temperaturi de funcționare.
Celelalte caracteristici importante sunt mai bine ilustrate de curba I-V a diodei.
Caracteristica volt-ampermetrică a unei diode semiconductoare
Caracteristica volt-ampermetrică a unei diode semiconductoare constă într-o ramură directă și o ramură inversă. Acestea sunt situate în cadranele I și III, deoarece direcția curentului și a tensiunii prin diodă coincid întotdeauna. Din caracteristica volt-ampermetrică este posibil să se determine unii parametri și, de asemenea, să se vadă vizual ce afectează caracteristicile dispozitivului.
Tensiunea de prag de conductivitate
Dacă se aplică o tensiune continuă la o diodă și începe să o crească, la început 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 se numește tensiune de prag de conductivitate și este marcată pe VAC ca prag U. Depinde de materialul din care este fabricată dioda. Pentru cei mai comuni semiconductori, acest parametru este:
- siliciu - 0,6-0,8 V;
- germaniu - 0,2-0,3 V;
- Arseniură de galiu - 1,5 V.
Proprietatea semiconductorilor de germaniu de a se deschide la tensiuni joase este utilizată în circuitele de joasă tensiune și în alte situații.
Curentul maxim printr-o diodă atunci când este alimentată direct
După ce o diodă s-a deschis, curentul său crește odată cu creșterea tensiunii de alimentare. Pentru o diodă ideală, acest grafic merge la infinit. În practică, aceasta este limitată de capacitatea semiconductorului de a disipa căldura. Dacă este atinsă o anumită limită, dioda se supraîncălzește și cedează. Pentru a evita acest lucru, producătorii indică cel mai mare curent admisibil (Imax pe CVC). Acest lucru poate fi aproximat prin dimensiunea diodei și a carcasei sale. În ordine descrescătoare:
- Dispozitivele cu carcasă metalică rețin cel mai mare curent;
- Carcasele din plastic sunt concepute pentru putere medie;
- Diodele încapsulate în sticlă sunt utilizate în circuitele de curent redus.
Aparatele metalice pot fi montate pe radiatoare - acest lucru va crește capacitatea de disipare.
Curent de scurgere inversă
Dacă tensiunea inversă este aplicată la o diodă, un ampermetru cu sensibilitate scăzută nu va arăta nimic. De fapt, numai o diodă perfectă nu pierde curent. Un dispozitiv real va avea curent, dar acesta este foarte mic și se numește curent de scurgere inversă (pe forma de undă, Iobr). Acesta este de zeci de microamperi sau zecimi de miliamperi și este mult mai mic decât curentul direct. Acesta poate fi determinat de cartea de referință.
Descompunerea tensiunii
La o anumită valoare a tensiunii inverse se produce o creștere rapidă a curentului, care se numește clacare. Aceasta este de tip tunelare sau avalanșă și este reversibilă. Acest mod de funcționare este utilizat pentru a stabiliza tensiunea (modul avalanșă) sau pentru a genera impulsuri (modul tunelizare). Atunci când tensiunea este în continuare crescută, defecțiunea devine termică. Acest mod este ireversibil și dioda cedează.
Capacitate parazită a joncțiunii pn
S-a menționat deja că o joncțiune p-n are capacitate electrică. Și în timp ce în cazul varicaps această proprietate este utilă și utilizată, în cazul diodelor convenționale poate fi dăunătoare. Deși capacitatea este de ordinul unităților sau zeci de pF și poate să nu fie vizibil la frecvențe joase sau de curent continuu, efectul său crește pe măsură ce crește frecvența. Câțiva picofarade la RF vor crea o rezistență suficient de mică pentru scurgerea semnalului parazit, se vor adăuga la capacitatea existentă și vor schimba parametrii circuitului, iar în combinație cu inductanța unui conductor sau a unui conductor imprimat vor forma un circuit cu rezonanță parazită. Prin urmare, la fabricarea dispozitivelor de înaltă frecvență se iau măsuri de reducere a capacității de joncțiune.
Etichetarea diodelor
Cea mai simplă metodă de etichetare a diodelor este de a utiliza o carcasă metalică. În cele mai multe cazuri, acestea sunt etichetate cu denumirea dispozitivului și alocarea pinilor. Diodele din carcasele de plastic sunt marcate cu un inel pe partea catodică. Dar nu există nici o garanție că producătorul respectă cu strictețe această regulă, așa că este mai bine să consultați o carte de referință. Mai bine, utilizați un multimetru pentru a testa dispozitivul.
Stabilizatoarele de joasă putere de uz casnic și unele alte dispozitive pot avea două inele sau puncte de culori diferite pe părțile opuse ale carcasei. Pentru a determina tipul unei astfel de diode și pinul său, trebuie să obțineți o carte de referință sau să găsiți un identificator de marcaj online pe Internet.
Aplicații pentru diode
În ciuda construcției lor simple, diodele semiconductoare sunt utilizate pe scară largă în electronică:
- Pentru rectificare Tensiune AC. Un clasic al genului - utilizarea proprietății joncțiunii p-n pentru a conduce curentul într-o singură direcție.
- Detectoare cu diode. Aceasta utilizează neliniaritatea formei de undă pentru a permite extragerea armonicilor din semnal, din care armonicile dorite pot fi preluate de filtre.
- Două diode comutate în contra-paralel servesc drept limitator pentru semnalele de mare putere care pot supraîncărca etajele de intrare din aval ale receptoarelor radio sensibile.
- Stabilitronii pot fi incluși ca elemente de protecție împotriva scânteilor pentru a preveni ca impulsurile de înaltă tensiune să ajungă la circuitele senzorilor instalați în zone periculoase.
- Diodele pot servi ca dispozitive de comutare în circuitele de înaltă frecvență. Acestea se deschid cu tensiune continuă și permit semnalului HF să treacă (sau nu) prin ele.
- Diodele parametrice servesc ca amplificatoare de semnale slabe în gama de microunde datorită prezenței unei secțiuni cu impedanță negativă în linia dreaptă a caracteristicii.
- Diodele sunt utilizate pentru a construi mixere care funcționează în echipamentele de transmisie sau de recepție. Se amestecă semnal heterodină cu un semnal de înaltă frecvență (sau de joasă frecvență) în vederea prelucrării ulterioare. Acest lucru profită, de asemenea, de neliniaritatea IAC.
- Caracteristica neliniară permite ca diodele UHF să fie utilizate ca multiplicatori de frecvență. Atunci când un semnal trece printr-o diodă multiplicatoare, sunt extrase armonicele superioare. Acestea pot fi izolate în continuare prin filtrare.
- Diodele sunt utilizate ca elemente de acord în circuitele rezonante. Acest lucru utilizează capacitatea controlată la joncțiunea p-n.
- Unele tipuri de diode sunt utilizate ca oscilatoare în gama de microunde. Acestea sunt în principal diode tunel și dispozitive cu efect Gann.
Aceasta este doar o scurtă descriere a capacităților dispozitivelor semiconductoare cu două conductoare. Cu un studiu aprofundat al proprietăților și caracteristicilor, diodele pot fi folosite pentru a rezolva multe dintre provocările cu care se confruntă proiectanții de dispozitive electronice.
Articole conexe:
