Hvad er en halvlederdiode, typer af dioder og en graf over strøm-spændingskarakteristikken

Halvlederdioden er meget udbredt i elektroteknik og elektronik. Med dens lave pris og gode effekt-til-størrelse-forhold erstattede den hurtigt vakuumenheder med lignende formål.

Enheden og princippet om drift af en halvlederdiode

En halvlederdiode består af to områder (lag) lavet af en halvleder (silicium, germanium osv.). Den ene region har et overskud af frie elektroner (n-halvleder), den anden har en mangel (p-halvleder) - dette opnås ved at dope grundmaterialet. Mellem dem er der en lille zone, hvor et overskud af frie elektroner fra n-stedet "lukker" huller fra p-stedet (rekombination sker på grund af diffusion), og der er ingen frie ladningsbærere i denne region. Når en fremadspænding påføres, er rekombinationsområdet lille, dets modstand er lille, og dioden leder strøm i denne retning. Med omvendt spænding vil den bærerfri zone stige, diodens modstand vil stige. Ingen strøm vil flyde i denne retning.

Typer, klassifikation og grafisk betegnelse på elektriske diagrammer

I det generelle tilfælde er dioden i diagrammet angivet som en stiliseret pil, der angiver strømmens retning. Det betingede grafiske billede (UGO) af enheden indeholder to konklusioner - anode og katode, som i direkte forbindelse er forbundet til henholdsvis plus af det elektriske kredsløb og til minus.

Der er et stort antal varianter af denne bipolære halvlederenhed, som afhængigt af formålet kan have lidt forskellige UGO'er.

Zenerdioder (Zenerdioder)

En zenerdiode er en halvlederenhedarbejder ved omvendt spænding i lavinesammenbrudszonen. I dette område er Zener-diodespændingen stabil over en lang række strømstyrke gennem enheden. Denne egenskab bruges til at stabilisere spændingen over belastningen.

Stabistorer

Zenerdioder gør et godt stykke arbejde med at stabilisere spændinger fra 2 V og derover.Stabistorer bruges til at få en konstant spænding under denne grænse. Doping af det materiale, hvorfra disse enheder er lavet (silicium, selen), opnår den største vertikalitet af den direkte gren af ​​karakteristikken. I denne tilstand fungerer stabistorerne og giver en eksemplarisk spænding i området 0,5 ... 2 V på den direkte gren af ​​strømspændingskarakteristikken ved fremadspænding.

Schottky dioder

Schottky-dioden er bygget i henhold til halvleder-metalskemaet og har ikke et konventionelt kryds. På grund af dette blev to vigtige egenskaber opnået:

• reduceret fremadgående spændingsfald (ca. 0,2 V);
• øgede driftsfrekvenser på grund af et fald i selvkapacitet.

Ulemperne omfatter øgede værdier af omvendte strømme og reduceret tolerance til niveauet af omvendt spænding.

Varicaps

Hver diode har en elektrisk kapacitans. Kondensatorens plader er to rumladninger (p og n områder af halvledere), og barrierelaget er dielektrikumet. Når en omvendt spænding påføres, udvider dette lag sig, og kapacitansen falder. Denne egenskab er iboende i alle dioder, men for varicaps er kapacitansen normaliseret og kendt for givne spændingsgrænser. Dette gør det muligt at bruge sådanne enheder som variable kondensatorer og anvende til at justere eller finjustere kredsløb ved at levere omvendt spænding på forskellige niveauer.

tunnel dioder

Disse enheder har en afbøjning i den lige sektion af karakteristikken, hvor en stigning i spændingen forårsager et fald i strømmen. I denne region er den differentielle modstand negativ.Denne egenskab gør det muligt at bruge tunneldioder som svage signalforstærkere og generatorer ved frekvenser over 30 GHz.

Dinistorer

Dinistor - diode tyristor - har en p-n-p-n struktur og en S-formet CVC, leder ikke strøm før den påførte spænding når tærskelniveauet. Derefter tænder den og opfører sig som en normal diode, indtil strømmen falder under holdeniveauet. Dinistorer bruges i kraftelektronik som nøgler.

Fotodioder

Fotodioden er lavet i en pakke med synlig lysadgang til krystallen. Når et p-n kryds bestråles, opstår der en emf i det. Dette giver dig mulighed for at bruge fotodioden som en strømkilde (som en del af solpaneler) eller som en lyssensor.

LED'er

Hovedegenskaben ved en LED er evnen til at udsende lys, når strømmen passerer gennem et p-n kryds. Denne glød er ikke relateret til intensiteten af ​​opvarmning, som en glødelampe, så enheden er økonomisk. Nogle gange bruges overgangens direkte glød, men oftere bruges den som initiator til antændelse af fosforet. Dette gjorde det muligt at opnå hidtil uopnåelige LED-farver, såsom blå og hvid.

Gunn dioder

Selvom Gunn-dioden har den sædvanlige konventionelle grafiske betegnelse, er det ikke en diode i fuld forstand. Fordi den ikke har et p-n kryds. Denne enhed består af en galliumarsenidplade på et metalsubstrat.

Uden at gå ind i detaljerne i processerne: når et elektrisk felt af en vis størrelse påføres i enheden, opstår der elektriske svingninger, hvis periode afhænger af størrelsen af ​​halvlederwaferen (men inden for visse grænser kan frekvensen justeres af eksterne elementer).

Gunn-dioder bruges som oscillatorer ved frekvenser på 1 GHz og derover. Fordelen ved enheden er den høje frekvensstabilitet, og ulempen er den lille amplitude af elektriske svingninger.

Magnetiske dioder

Almindelige dioder er svagt påvirket af eksterne magnetfelter. Magnetodioder har et specielt design, der øger følsomheden over for denne effekt. De er lavet ved hjælp af p-i-n teknologi med en udvidet base. Under påvirkning af et magnetfelt øges modstanden af ​​enheden i fremadgående retning, og dette kan bruges til at skabe kontaktløse koblingselementer, magnetfeltomformere osv.

Laser dioder

Princippet for drift af en laserdiode er baseret på egenskaben af ​​et elektron-hul-par under rekombination under visse betingelser for at udsende monokromatisk og kohærent synlig stråling. Metoderne til at skabe disse betingelser er forskellige, for brugeren er det kun nødvendigt at kende længden af ​​den bølge, der udsendes af dioden, og dens effekt.

Lavine dioder

Disse enheder bruges i mikrobølgeovnen. Under visse forhold, i lavine-nedbrudstilstanden, vises et afsnit med en negativ differensmodstand på diodekarakteristikken. Denne egenskab ved APD tillader dem at blive brugt som generatorer, der arbejder ved bølgelængder op til millimeterområdet. Der er det muligt at opnå en effekt på mindst 1 watt. Ved lavere frekvenser fjernes op til flere kilowatt fra sådanne dioder.

PIN-dioder

Disse dioder er lavet ved hjælp af p-i-n teknologi. Mellem de doterede lag af halvledere er et lag af udopet materiale. Af denne grund forværres diodens ensretteregenskaber (med omvendt spænding reduceres rekombinationen på grund af manglen på direkte kontakt mellem p- og n-zonerne).Men på grund af afstanden mellem rumladningsområderne bliver den parasitære kapacitans meget lille, i lukket tilstand er signallækage ved høje frekvenser praktisk talt udelukket, og stiftdioder kan bruges på RF og mikrobølger som omskiftningselementer.

Hovedkarakteristika og parametre for dioder

De vigtigste egenskaber ved halvlederdioder (undtagen højt specialiserede) omfatter:

• den maksimalt tilladte omvendte spænding (konstant og pulseret);
• grænse driftsfrekvens;
• fremadgående spændingsfald;
• driftstemperaturområde.

Resten af ​​de vigtige egenskaber overvejes bedst ved at bruge eksemplet med diodens I-V-karakteristika - dette er mere klart.

Volt-ampere karakteristisk for en halvlederdiode

Strøm-spændingskarakteristikken for en halvlederdiode består af en fremadgående og omvendt gren. De er placeret i I og III kvadranter, da retningen af ​​strøm og spænding gennem dioden altid er sammenfaldende. I henhold til strømspændingskarakteristikken kan du bestemme nogle parametre samt tydeligt se, hvad enhedens egenskaber påvirker.

Ledningstærskelspænding

Hvis du anvender en fremadspænding til dioden og begynder at øge den, sker der ikke noget i det første øjeblik - strømmen vil ikke stige. Men ved en vis værdi åbner dioden, og strømmen vil stige i henhold til spændingen. Denne spænding kaldes ledningstærskelspændingen og er markeret på VAC'en som Utreshold. Det afhænger af det materiale, som dioden er lavet af. For de mest almindelige halvledere er denne parameter:

• silicium - 0,6-0,8 V;
• germanium - 0,2-0,3 V;
• galliumarsenid - 1,5 V.

Egenskaben for germanium-halvlederenheder til at åbne ved lav spænding bruges, når du arbejder i lavspændingskredsløb og i andre situationer.

Maksimal strøm gennem dioden med direkte tilslutning

Efter at dioden er åbnet, stiger dens strøm sammen med stigningen i fremadspænding. For en ideel diode går denne graf til det uendelige. I praksis er denne parameter begrænset af halvlederanordningens evne til at sprede varme. Når en vis grænse er nået, vil dioden overophedes og svigte. For at undgå dette angiver producenterne den højeste tilladte strøm (på VAC - Imax). Det kan groft bestemmes af størrelsen af ​​dioden og dens pakke. I faldende rækkefølge:

• den største strøm holdes af enheder i en metalkappe;
• plastikhylstre er designet til medium kraft;
• Dioder i glaskonvolutter bruges i lavstrømskredsløb.

Metalapparater kan installeres på radiatorer - dette vil øge spredningseffekten.

Omvendt lækstrøm

Hvis du anvender en omvendt spænding på dioden, vil et ufølsomt amperemeter ikke vise noget. Faktisk er det kun en ideel diode, der ikke passerer nogen strøm. En rigtig enhed vil have en strøm, men den er meget lille og kaldes den omvendte lækstrøm (på CVC - Iobr). Det er snesevis af mikroampere eller tiendedele milliampere og meget mindre end jævnstrøm. Du kan finde det i mappen.

Nedbrudsspænding

Ved en vis værdi af omvendt spænding sker der en kraftig stigning i strømmen, kaldet sammenbrud. Den har en tunnel- eller lavinekarakter og er vendbar. Denne tilstand bruges til at stabilisere spændingen (lavine) eller til at generere impulser (tunnel).Med en yderligere stigning i spændingen bliver sammenbruddet termisk. Denne tilstand er irreversibel, og dioden svigter.

Parasitisk kapacitans pn-forbindelse

Det er allerede nævnt, at p-n krydset har elektrisk kapacitet. Og hvis denne egenskab er nyttig og bruges i varicaps, så kan det i almindelige dioder være skadeligt. Selvom kapacitet er enheder eller titusinder af pF og ved jævnstrøm eller lave frekvenser er umærkelig, med stigende frekvens øges dens indflydelse. Et par picofarads ved RF vil skabe lav nok modstand til falsk signallækage, tilføje til den eksisterende kapacitans og ændre kredsløbets parametre og sammen med induktansen af ​​udgangen eller den trykte leder danne et falsk resonanskredsløb. Derfor tages der ved produktion af højfrekvente enheder foranstaltninger til at reducere overgangens kapacitans.

Diode mærkning

Den nemmeste måde at markere dioder i en metalkasse. I de fleste tilfælde er de markeret med betegnelsen for enheden og dens pinout. Dioder i en plastkasse er mærket med et ringmærke på katodesiden. Men der er ingen garanti for, at producenten nøje overholder denne regel, så det er bedre at henvise til biblioteket. Endnu bedre, ring til enheden med et multimeter.

Zenerdioder med lav effekt i hjemmet og nogle andre enheder kan have mærker af to ringe eller prikker i forskellige farver på modsatte sider af kabinettet. For at bestemme typen af ​​en sådan diode og dens pinout skal du tage en opslagsbog eller finde en online-mærkeidentifikation på internettet.

Anvendelser af dioder

På trods af den enkle enhed er halvlederdioder meget brugt i elektronik:

1. Til opretning AC spænding. En klassiker af genren - p-n junction-egenskaben bruges til at lede strøm i én retning.
2. diode detektorer. Her bruges ikke-lineariteten af ​​I–V-karakteristikken, hvilket gør det muligt at isolere harmoniske fra signalet, hvis nødvendige kan skelnes med filtre.
3. To dioder, der er forbundet back-to-back, tjener som begrænser for kraftige signaler, der kan overbelaste efterfølgende indgangstrin for følsomme radiomodtagere.
4. Zenerdioder kan inkluderes som gnistsikre elementer, der ikke tillader højspændingsimpulser at komme ind i kredsløbene af sensorer installeret i farlige områder.
5. Dioder kan tjene som koblingsenheder i højfrekvente kredsløb. De åbner med en konstant spænding og passerer (eller passerer ikke) RF-signalet.
6. Parametriske dioder tjener som forstærkere af svage signaler i mikrobølgeområdet på grund af tilstedeværelsen af ​​en sektion med negativ modstand i den direkte gren af ​​karakteristikken.
7. Dioder bruges til at samle blandere, der fungerer i sende- eller modtageudstyr. De blander sig lokaloscillator signal med et højfrekvent (eller lavfrekvent) signal til yderligere behandling. Den bruger også ikke-lineariteten af ​​strøm-spændingskarakteristikken.
8. Den ikke-lineære karakteristik tillader brugen af ​​mikrobølgedioder som frekvensmultiplikatorer. Når signalet passerer gennem multiplikatordioden, fremhæves de højere harmoniske. Derefter kan de vælges ved filtrering.
9. Dioder bruges som afstemningselementer til resonanskredsløb. I dette tilfælde bruges tilstedeværelsen af ​​en styret kapacitans ved p-n-forbindelsen.
10. Nogle typer dioder bruges som generatorer i mikrobølgeområdet. Disse er hovedsageligt tunneldioder og enheder med Gunn-effekten.

Dette er kun en kort beskrivelse af mulighederne for dobbeltterminale halvlederenheder. Med en dyb undersøgelse af egenskaberne og egenskaberne ved hjælp af dioder er det muligt at løse mange problemer, der er tildelt udviklerne af elektronisk udstyr.

Lignende artikler: