Pusvadītāju diode tiek plaši izmantota elektrotehnikā un elektronikā. Ar zemām izmaksām un labo jaudas un izmēra attiecību tas ātri nomainīja līdzīga mērķa vakuumierīces.
Saturs
Pusvadītāju diodes ierīce un darbības princips
Pusvadītāju diode sastāv no diviem apgabaliem (slāņiem), kas izgatavoti no pusvadītāja (silīcija, germānija utt.). Vienā reģionā ir brīvo elektronu pārpalikums (n-pusvadītājs), otrā ir deficīts (p-pusvadītājs) - tas tiek panākts, leģējot pamatmateriālu. Starp tiem ir neliela zona, kurā brīvo elektronu pārpalikums no n-vietas "aizver" caurumus no p-vietas (rekombinācija notiek difūzijas dēļ), un šajā reģionā nav brīvu lādiņu nesēju. Kad tiek pielietots tiešais spriegums, rekombinācijas apgabals ir mazs, tā pretestība ir maza, un diode vada strāvu šajā virzienā. Ar apgriezto spriegumu palielināsies bez nesēja zona, palielināsies diodes pretestība. Šajā virzienā strāva neplūst.
Tipi, klasifikācija un grafiskais apzīmējums uz elektriskajām shēmām
Vispārīgā gadījumā diode diagrammā ir norādīta kā stilizēta bultiņa, kas norāda strāvas virzienu. Ierīces nosacītais grafiskais attēls (UGO) satur divus secinājumus - anods un katods, kas tiešā savienojumā ir savienoti attiecīgi ar elektriskās ķēdes plusu un ar mīnusu.
Ir liels skaits šīs bipolārās pusvadītāju ierīces šķirņu, kurām atkarībā no mērķa var būt nedaudz atšķirīgi UGO.
Zenera diodes (Zener diodes)
Zenera diode ir pusvadītāju ierīcedarbojas ar apgrieztu spriegumu lavīnas pārrāvuma zonā. Šajā reģionā Zenera diodes spriegums ir stabils plašā strāvas diapazonā caur ierīci. Šo īpašību izmanto, lai stabilizētu spriegumu pāri slodzei.
Stabistori
Zenera diodes veic labu darbu, stabilizējot spriegumu no 2 V un vairāk.Stabistori tiek izmantoti, lai iegūtu pastāvīgu spriegumu zem šīs robežas. Materiāla, no kura izgatavotas šīs ierīces (silīcijs, selēns), dopings nodrošina vislielāko raksturlieluma tiešās atzaras vertikāli. Šajā režīmā darbojas stabistori, kas izdod priekšzīmīgu spriegumu diapazonā no 0,5 ... 2 V uz strāvas-sprieguma raksturlīknes tiešā atzara pie tiešā sprieguma.
Šotkija diodes
Šotkija diode ir veidota saskaņā ar pusvadītāju-metāla shēmu, un tai nav parastā savienojuma. Pateicoties tam, tika iegūtas divas svarīgas īpašības:
- samazināts tiešā sprieguma kritums (apmēram 0,2 V);
- palielinātas darbības frekvences paškapacitātes samazināšanās dēļ.
Trūkumi ir palielinātas pretējo strāvu vērtības un samazināta tolerance pret apgrieztā sprieguma līmeni.
Varicaps
Katrai diodei ir elektriskā kapacitāte. Kondensatora plāksnes ir divi kosmosa lādiņi (pusvadītāju p un n apgabali), un barjeras slānis ir dielektrisks. Kad tiek pielietots apgrieztais spriegums, šis slānis paplašinās un kapacitāte samazinās. Šī īpašība ir raksturīga visām diodēm, bet varikapiem kapacitāte ir normalizēta un zināma noteiktām sprieguma robežām. Tas dod iespēju izmantot tādas ierīces kā mainīgie kondensatori un izmanto, lai regulētu vai precizētu ķēdes, piegādājot dažāda līmeņa pretējo spriegumu.
tuneļa diodes
Šīm ierīcēm ir novirze raksturlīknes taisnajā daļā, kurā sprieguma pieaugums izraisa strāvas samazināšanos. Šajā reģionā diferenciālā pretestība ir negatīva.Šis īpašums ļauj izmantot tuneļdiodes kā vāju signālu pastiprinātājus un ģeneratorus frekvencēs virs 30 GHz.
Dinistori
Dinistoram - diode tiristoram - ir p-n-p-n struktūra un S-veida CVC, tas nevada strāvu, kamēr pielietotais spriegums sasniedz sliekšņa līmeni. Pēc tam tas ieslēdzas un darbojas kā parasta diode, līdz strāva nokrītas zem noturības līmeņa. Dinistori tiek izmantoti spēka elektronikā kā atslēgas.
Fotodiodes
Fotodiode ir izgatavota iepakojumā ar redzamās gaismas piekļuvi kristālam. Kad p-n krustojums tiek apstarots, tajā rodas emf. Tas ļauj izmantot fotodiodi kā strāvas avotu (kā daļu no saules paneļiem) vai kā gaismas sensoru.
Gaismas diodes
LED galvenā īpašība ir spēja izstarot gaismu, kad strāva iet caur p-n krustojumu. Šis spīdums nav saistīts ar sildīšanas intensitāti, piemēram, kvēlspuldzei, tāpēc ierīce ir ekonomiska. Dažreiz tiek izmantots tiešais pārejas spīdums, bet biežāk tas tiek izmantots kā fosfora aizdegšanās iniciators. Tas ļāva iegūt iepriekš nesasniedzamas LED krāsas, piemēram, zilu un baltu.
Gunn Diodes
Lai gan Gunn diodei ir parastais parastais grafiskais apzīmējums, tā nav diode pilnā nozīmē. Jo tam nav p-n krustojuma. Šī ierīce sastāv no gallija arsenīda plāksnes uz metāla pamatnes.
Neiedziļinoties procesu detaļās: iedarbinot ierīcē noteikta lieluma elektrisko lauku, rodas elektriskās svārstības, kuru periods ir atkarīgs no pusvadītāju vafeles izmēra (bet noteiktās robežās var regulēt frekvenci ar ārējiem elementiem).
Gunn diodes izmanto kā oscilatorus 1 GHz un lielākās frekvencēs. Ierīces priekšrocība ir augstfrekvences stabilitāte, un trūkums ir mazā elektrisko svārstību amplitūda.
Magnētiskās diodes
Parastās diodes vāji ietekmē ārējie magnētiskie lauki. Magnetodiodēm ir īpašs dizains, kas palielina jutību pret šo efektu. Tie ir izgatavoti, izmantojot p-i-n tehnoloģiju ar pagarinātu pamatni. Magnētiskā lauka iedarbībā palielinās ierīces pretestība virzienā uz priekšu, un to var izmantot, lai izveidotu bezkontakta komutācijas elementus, magnētiskā lauka pārveidotājus utt.
Lāzera diodes
Lāzerdiodes darbības princips ir balstīts uz elektronu-caurumu pāra īpašību rekombinācijas laikā noteiktos apstākļos izstarot monohromatisku un koherentu redzamo starojumu. Šo apstākļu radīšanas metodes ir dažādas, lietotājam ir tikai jāzina diodes izstarotā viļņa garums un tā jauda.
Lavīnu diodes
Šīs ierīces tiek izmantotas mikroviļņu krāsnī. Noteiktos apstākļos lavīnas pārrāvuma režīmā uz diodes raksturlīknes parādās sadaļa ar negatīvu diferenciālo pretestību. Šī APD īpašība ļauj tos izmantot kā ģeneratorus, kas darbojas viļņu garumos līdz milimetru diapazonam. Tur ir iespējams iegūt jaudu vismaz 1 vatu. Zemākās frekvencēs no šādām diodēm tiek noņemti līdz pat vairākiem kilovatiem.
PIN diodes
Šīs diodes ir izgatavotas, izmantojot p-i-n tehnoloģiju. Starp pusvadītāju leģētiem slāņiem ir neleģēta materiāla slānis. Šī iemesla dēļ tiek pasliktinātas diodes taisngrieža īpašības (ar pretējo spriegumu rekombinācija tiek samazināta, jo nav tieša kontakta starp p- un n-zonu).Bet telpu lādiņu reģionu atstatuma dēļ parazitārā kapacitāte kļūst ļoti maza, slēgtā stāvoklī signāla noplūde augstās frekvencēs ir praktiski izslēgta, un pin diodes var izmantot RF un mikroviļņu krāsnī kā komutācijas elementus.
Diožu galvenie raksturlielumi un parametri
Pusvadītāju diožu (izņemot ļoti specializētās) galvenās īpašības ir šādas:
- maksimālais pieļaujamais reversais spriegums (pastāvīgs un impulss);
- robeždarba frekvence;
- sprieguma kritums uz priekšu;
- darba temperatūras diapazons.
Pārējos svarīgos raksturlielumus vislabāk var apsvērt, izmantojot diodes I-V raksturlielumu piemēru - tas ir skaidrāks.
Pusvadītāju diodes voltu ampēru raksturlielums
Pusvadītāju diodes strāvas-sprieguma raksturlielums sastāv no tiešās un apgrieztās atzaras. Tie atrodas I un III kvadrantos, jo strāvas un sprieguma virziens caur diodi vienmēr sakrīt. Saskaņā ar strāvas-sprieguma raksturlielumu jūs varat noteikt dažus parametrus, kā arī skaidri redzēt, ko ietekmē ierīces īpašības.
Vadītspējas sliekšņa spriegums
Ja pieliek diodei tiešo spriegumu un sāk to palielināt, tad pirmajā brīdī nekas nenotiks - strāva nepalielināsies. Bet pie noteiktas vērtības diode atvērsies un strāva palielināsies atbilstoši spriegumam. Šo spriegumu sauc par vadītspējas sliekšņa spriegumu un uz VAC ir atzīmēts kā Uthreshold. Tas ir atkarīgs no materiāla, no kura izgatavota diode. Visbiežāk sastopamajiem pusvadītājiem šis parametrs ir:
- silīcijs - 0,6-0,8 V;
- germānija - 0,2-0,3 V;
- gallija arsenīds - 1,5 V.
Germānija pusvadītāju ierīču īpašība atvērties pie zema sprieguma tiek izmantota, strādājot zemsprieguma ķēdēs un citās situācijās.
Maksimālā strāva caur diodi ar tiešu savienojumu
Pēc diodes atvēršanas tās strāva palielinās līdz ar tiešā sprieguma pieaugumu. Ideālai diodei šis grafiks iet līdz bezgalībai. Praksē šo parametru ierobežo pusvadītāju ierīces spēja izkliedēt siltumu. Sasniedzot noteiktu robežu, diode pārkarst un neizdosies. Lai no tā izvairītos, ražotāji norāda augstāko pieļaujamo strāvu (uz VAC - Imax). To var aptuveni noteikt pēc diodes izmēra un tā iepakojuma. dilstošā secībā:
- vislielāko strāvu notur ierīces metāla apvalkā;
- plastmasas korpusi ir paredzēti vidējai jaudai;
- Stikla aploksnēs esošās diodes izmanto vājstrāvas ķēdēs.
Metāla ierīces var uzstādīt uz radiatoriem - tas palielinās izkliedes jaudu.
Reversā noplūdes strāva
Ja diodei pieliekat apgriezto spriegumu, tad nejutīgs ampērmetrs neko nerādīs. Faktiski tikai ideāla diode nelaiž cauri strāvu. Reālai ierīcei būs strāva, taču tā ir ļoti maza, un to sauc par reversās noplūdes strāvu (uz CVC - Iobr). Tas ir desmitiem mikroampēru vai desmitdaļas miliampēru un daudz mazāks par līdzstrāvu. To var atrast direktorijā.
Pārrāvuma spriegums
Pie noteiktas apgrieztā sprieguma vērtības notiek straujš strāvas pieaugums, ko sauc par sadalījumu. Tam ir tuneļa vai lavīnas raksturs, un tas ir atgriezenisks. Šo režīmu izmanto, lai stabilizētu spriegumu (lavīnu) vai radītu impulsus (tunelis).Ar turpmāku sprieguma pieaugumu, sadalījums kļūst termisks. Šis režīms ir neatgriezenisks, un diode neizdodas.
Parazitārās kapacitātes pn-pāreja
Jau tika minēts, ka p-n krustojumam ir elektriskā jauda. Un, ja šis īpašums ir noderīgs un tiek izmantots varikaps, tad parastajās diodēs tas var būt kaitīgs. Lai gan jauda ir vienības vai desmitiem pF un pie līdzstrāvas vai zemām frekvencēm ir nemanāma, palielinoties frekvencei, tās ietekme palielinās. Dažas pikofarādes pie RF radīs pietiekami zemu pretestību viltus signāla noplūdei, papildinās esošo kapacitāti un mainīs ķēdes parametrus, un kopā ar izejas vai drukātā vadītāja induktivitāti veidos viltus rezonanses ķēdi. Tāpēc augstfrekvences ierīču ražošanā tiek veikti pasākumi, lai samazinātu pārejas kapacitāti.
Diodes marķēšana
Vieglākais veids, kā atzīmēt diodes metāla korpusā. Vairumā gadījumu tie ir marķēti ar ierīces apzīmējumu un tās spraudni. Diodes plastmasas korpusā ir marķētas ar gredzena atzīmi katoda pusē. Bet nav garantijas, ka ražotājs stingri ievēro šo noteikumu, tāpēc labāk ir atsaukties uz direktoriju. Vēl labāk, zvaniet ierīcei ar multimetru.
Mājas mazjaudas Zener diodēm un dažām citām ierīcēm korpusa pretējās pusēs var būt divu dažādu krāsu gredzenu vai punktu zīmes. Lai noteiktu šādas diodes veidu un tā kontaktligzdu, jums ir jāņem atsauces grāmata vai jāatrod tiešsaistes marķējuma identifikators internetā.
Diožu pielietojumi
Neskatoties uz vienkāršu ierīci, pusvadītāju diodes tiek plaši izmantotas elektronikā:
- Iztaisnošanai Maiņstrāvas spriegums. Žanra klasika - p-n savienojuma īpašība tiek izmantota, lai vadītu strāvu vienā virzienā.
- diožu detektori. Šeit tiek izmantota I–V raksturlieluma nelinearitāte, kas ļauj izolēt no signāla harmonikas, no kurām nepieciešamās var atšķirt ar filtriem.
- Divas diodes, kas savienotas viena otrai, kalpo kā ierobežotājs spēcīgiem signāliem, kas var pārslogot jutīgo radio uztvērēju nākamos ievades posmus.
- Zenera diodes var iekļaut kā dzirksteles necaurlaidīgus elementus, kas neļauj augstsprieguma impulsiem iekļūt bīstamās zonās uzstādīto sensoru ķēdēs.
- Diodes var kalpot kā komutācijas ierīces augstfrekvences ķēdēs. Tie atveras ar pastāvīgu spriegumu un izlaiž (vai neizlaiž) RF signālu.
- Parametriskās diodes kalpo kā vāju signālu pastiprinātāji mikroviļņu diapazonā, jo raksturlīknes tiešajā atzarā ir sadaļa ar negatīvu pretestību.
- Diodes izmanto, lai saliktu maisītājus, kas darbojas raidīšanas vai uztveršanas iekārtās. Viņi sajaucas vietējā oscilatora signāls ar augstfrekvences (vai zemas frekvences) signālu turpmākai apstrādei. Tas izmanto arī strāvas-sprieguma raksturlīknes nelinearitāti.
- Nelineārais raksturlielums ļauj izmantot mikroviļņu diodes kā frekvences reizinātājus. Kad signāls iet caur reizinātāja diodi, tiek izceltas augstākās harmonikas. Pēc tam tos var atlasīt filtrējot.
- Diodes tiek izmantotas kā rezonanses ķēžu regulēšanas elementi. Šajā gadījumā tiek izmantota kontrolētas kapacitātes klātbūtne p-n krustojumā.
- Dažu veidu diodes tiek izmantotas kā ģeneratori mikroviļņu diapazonā. Tās galvenokārt ir tuneļdiodes un ierīces ar Gunn efektu.
Šis ir tikai īss divu terminālu pusvadītāju ierīču iespēju apraksts. Padziļināti izpētot īpašības un raksturlielumus ar diožu palīdzību, ir iespējams atrisināt daudzas elektronisko iekārtu izstrādātājiem uzdotās problēmas.
Līdzīgi raksti:
