Vad är en halvledardiod, typer av dioder och en graf över ström-spänningskarakteristiken

Halvledardioden används ofta inom elektroteknik och elektronik. Med sin låga kostnad och goda effekt-till-storlek-förhållande ersatte den snabbt vakuumenheter av liknande syfte.

Enheten och principen för drift av en halvledardiod

En halvledardiod består av två regioner (lager) gjorda av en halvledare (kisel, germanium, etc.). En region har ett överskott av fria elektroner (n-halvledare), den andra har en brist (p-halvledare) - detta uppnås genom dopning av basmaterialet. Mellan dem finns det en liten zon där ett överskott av fria elektroner från n-platsen "stänger" hål från p-platsen (rekombination sker på grund av diffusion), och det finns inga fria laddningsbärare i denna region. När en framåtspänning appliceras är rekombinationsområdet litet, dess motstånd är litet och dioden leder ström i denna riktning. Med omvänd spänning kommer den bärarfria zonen att öka, diodens resistans ökar. Ingen ström kommer att flyta i denna riktning.

Typer, klassificering och grafisk beteckning på elscheman

I det allmänna fallet indikeras dioden i diagrammet som en stiliserad pil som indikerar strömriktningen. Den villkorliga grafiska bilden (UGO) av enheten innehåller två slutsatser - anod och katod, som i direkt anslutning är kopplade till plus för den elektriska kretsen respektive till minus.

Det finns ett stort antal varianter av denna bipolära halvledarenhet, som beroende på syftet kan ha lite olika UGO.

Zenerdioder (zenerdioder)

En zenerdiod är en halvledarenhetarbetar med omvänd spänning i zonen för lavinbrott. I denna region är Zener-diodspänningen stabil över ett brett strömområde genom enheten. Denna egenskap används för att stabilisera spänningen över lasten.

Stabistorer

Zenerdioder gör ett bra jobb med att stabilisera spänningar från 2 V och uppåt.Stabistorer används för att få en konstant spänning under denna gräns. Doping av materialet från vilket dessa enheter är gjorda (kisel, selen) uppnår den största vertikaliteten av den direkta grenen av egenskapen. I detta läge arbetar stabistorerna och ger ut en exemplifierande spänning i intervallet 0,5 ... 2 V på den direkta grenen av ström-spänningskarakteristiken vid framspänning.

Schottky dioder

Schottky-dioden är byggd enligt halvledar-metallschemat och har ingen konventionell koppling. På grund av detta erhölls två viktiga egenskaper:

• reducerat framåtspänningsfall (ca 0,2 V);
• ökade driftsfrekvenser på grund av en minskning av självkapacitans.

Nackdelarna inkluderar ökade värden på backströmmar och minskad tolerans mot nivån av backspänning.

Varicaps

Varje diod har en elektrisk kapacitans. Kondensatorns plattor är två rymdladdningar (p och n områden av halvledare), och barriärskiktet är dielektrikumet. När en omvänd spänning appliceras expanderar detta lager och kapacitansen minskar. Denna egenskap är inneboende i alla dioder, men för varicaps är kapacitansen normaliserad och känd för givna spänningsgränser. Detta gör det möjligt att använda sådana enheter som variabla kondensatorer och tillämpas för att justera eller finjustera kretsar genom att tillhandahålla omvänd spänning på olika nivåer.

tunneldioder

Dessa enheter har en avböjning i den raka delen av karakteristiken, där en ökning av spänningen orsakar en minskning av strömmen. I denna region är differentialresistansen negativ.Denna egenskap gör det möjligt att använda tunneldioder som svaga signalförstärkare och generatorer vid frekvenser över 30 GHz.

Dinistorer

Dinistor - diodtyristor - har en p-n-p-n struktur och en S-formad CVC, leder inte ström förrän den pålagda spänningen når tröskelnivån. Efter det tänds den och beter sig som en vanlig diod tills strömmen sjunker under hållnivån. Dinistorer används i kraftelektronik som nycklar.

Fotodioder

Fotodioden är gjord i en förpackning med synligt ljus tillträde till kristallen. När en p-n-övergång bestrålas uppstår en emf i den. Detta gör att du kan använda fotodioden som en strömkälla (som en del av solpaneler) eller som en ljussensor.

lysdioder

Huvudegenskapen hos en LED är förmågan att avge ljus när ström passerar genom en p-n-övergång. Denna glöd är inte relaterad till intensiteten av uppvärmning, som en glödlampa, så enheten är ekonomisk. Ibland används den direkta glöden från övergången, men oftare används den som en initiator för antändning av fosforn. Detta gjorde det möjligt att få tidigare ouppnåeliga LED-färger, som blått och vitt.

Gunn dioder

Även om Gunn-dioden har den vanliga konventionella grafiska beteckningen är det inte en diod i full bemärkelse. Eftersom den inte har en p-n-korsning. Denna enhet består av en galliumarsenidplatta på ett metallsubstrat.

Utan att gå in på detaljerna i processerna: när ett elektriskt fält av en viss storlek appliceras i enheten uppstår elektriska oscillationer, vars period beror på storleken på halvledarskivan (men inom vissa gränser kan frekvensen justeras av externa element).

Gunn-dioder används som oscillatorer vid frekvenser på 1 GHz och högre. Fördelen med enheten är den höga frekvensstabiliteten, och nackdelen är den lilla amplituden av elektriska svängningar.

Magnetiska dioder

Vanliga dioder påverkas svagt av yttre magnetfält. Magnetodioder har en speciell design som ökar känsligheten för denna effekt. De är gjorda med p-i-n-teknik med utökad bas. Under inverkan av ett magnetfält ökar enhetens motstånd i framåtriktningen, och detta kan användas för att skapa beröringsfria omkopplingselement, magnetfältsomvandlare, etc.

Laserdioder

Principen för driften av en laserdiod är baserad på egenskapen hos ett elektron-hålspar under rekombination under vissa förhållanden för att avge monokromatisk och koherent synlig strålning. Metoderna för att skapa dessa förhållanden är olika, för användaren är det bara nödvändigt att veta längden på vågen som emitteras av dioden och dess effekt.

Lavindioder

Dessa enheter används i mikrovågsugnen. Under vissa förhållanden, i lavinbrytningsläget, visas en sektion med en negativ differentialresistans på diodkarakteristiken. Denna egenskap hos APD gör att de kan användas som generatorer som arbetar vid våglängder upp till millimeterområdet. Där går det att få en effekt på minst 1 watt. Vid lägre frekvenser tas upp till flera kilowatt bort från sådana dioder.

PIN-dioder

Dessa dioder är tillverkade med p-i-n-teknik. Mellan de dopade skikten av halvledare finns ett skikt av odopat material. Av denna anledning försämras diodens likriktande egenskaper (med omvänd spänning reduceras rekombinationen på grund av bristen på direkt kontakt mellan p- och n-zonerna).Men på grund av avståndet mellan rymdladdningsregionerna blir den parasitiska kapacitansen mycket liten, i det stängda tillståndet är signalläckage vid höga frekvenser praktiskt taget uteslutet, och stiftdioder kan användas på RF och mikrovågor som omkopplingselement.

Huvudegenskaper och parametrar för dioder

De viktigaste egenskaperna hos halvledardioder (förutom mycket specialiserade) inkluderar:

• den maximalt tillåtna backspänningen (konstant och pulsad);
• gränsdriftsfrekvens;
• framåtspänningsfall;
• Drifttemperaturens omfång.

Resten av de viktiga egenskaperna övervägs bäst med exemplet med I-V-egenskaperna hos dioden - detta är tydligare.

Volt-ampere karakteristisk för en halvledardiod

Ström-spänningskarakteristiken för en halvledardiod består av en framåt- och bakåtgren. De är belägna i I- och III-kvadranter, eftersom riktningen för ström och spänning genom dioden alltid sammanfaller. Enligt strömspänningskarakteristiken kan du bestämma vissa parametrar, samt tydligt se vad enhetens egenskaper påverkar.

Ledningströskelspänning

Om du applicerar en framåtspänning på dioden och börjar öka den, kommer ingenting att hända i första ögonblicket - strömmen kommer inte att öka. Men vid ett visst värde kommer dioden att öppnas och strömmen kommer att öka enligt spänningen. Denna spänning kallas ledningströskelspänningen och är markerad på VAC som Utreshold. Det beror på materialet från vilket dioden är gjord. För de vanligaste halvledarna är denna parameter:

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

Egenskapen för germanium-halvledarenheter att öppna vid låg spänning används vid arbete i lågspänningskretsar och i andra situationer.

Maximal ström genom dioden med direktanslutning

Efter att dioden har öppnat ökar dess ström tillsammans med ökningen av framspänningen. För en idealisk diod går denna graf till oändlighet. I praktiken är denna parameter begränsad av halvledaranordningens förmåga att avleda värme. När en viss gräns nås kommer dioden att överhettas och misslyckas. För att undvika detta anger tillverkarna den högsta tillåtna strömmen (på VAC - Imax). Det kan grovt bestämmas av storleken på dioden och dess paket. I fallande ordning:

• den största strömmen hålls av enheter i en metallmantel;
• plastfodral är designade för medelkraft;
• Dioder i glashöljen används i lågströmskretsar.

Metallapparater kan installeras på radiatorer - detta kommer att öka spridningseffekten.

Omvänd läckström

Om du applicerar en omvänd spänning på dioden, visar en okänslig amperemeter ingenting. Faktum är att bara en ideal diod inte passerar någon ström. En riktig enhet kommer att ha en ström, men den är väldigt liten och kallas den omvända läckströmmen (på CVC - Iobr). Det är tiotals mikroampere eller tiondels milliampere och mycket mindre än likström. Du hittar den i katalogen.

Genombrottsspänning

Vid ett visst värde på backspänningen uppstår en kraftig ökning av strömmen, kallad genombrott. Den har en tunnel- eller lavinkaraktär och är vändbar. Detta läge används för att stabilisera spänningen (lavin) eller för att generera pulser (tunnel).Med en ytterligare ökning av spänningen blir nedbrytningen termisk. Detta läge är oåterkalleligt och dioden misslyckas.

Parasitisk kapacitans pn-övergång

Det har redan nämnts att p-n-korsningen har elektrisk kapacitet. Och om den här egenskapen är användbar och används i varicaps, kan den i vanliga dioder vara skadlig. Fastän kapacitet är enheter eller tiotals pF och vid likström eller låga frekvenser är omärklig, med ökande frekvens ökar dess inflytande. Några picofarads vid RF kommer att skapa tillräckligt lågt motstånd för falskt signalläckage, lägga till den befintliga kapacitansen och ändra parametrarna för kretsen, och tillsammans med induktansen för utgången eller den tryckta ledaren bilda en falsk resonanskrets. Därför vidtas åtgärder vid produktion av högfrekventa enheter för att minska kapacitansen för övergången.

Diodmärkning

Det enklaste sättet att markera dioder i ett metallhölje. I de flesta fall är de märkta med enhetens beteckning och dess pinout. Dioder i en plastlåda är märkta med en ringmarkering på katodsidan. Men det finns ingen garanti för att tillverkaren strikt följer denna regel, så det är bättre att hänvisa till katalogen. Ännu bättre, ring enheten med en multimeter.

Inhemska lågeffekts zenerdioder och vissa andra enheter kan ha märken av två ringar eller prickar i olika färger på motsatta sidor av höljet. För att bestämma typen av en sådan diod och dess pinout måste du ta en referensbok eller hitta en onlinemarkeringsidentifierare på Internet.

Tillämpningar av dioder

Trots den enkla enheten används halvledardioder i stor utsträckning inom elektronik:

1. För uträtning AC spänning. En klassiker av genren - egenskapen p-n junction används för att leda ström i en riktning.
2. dioddetektorer. Här används I–V-karakteristikens olinjäritet, vilket gör det möjligt att isolera övertoner från signalen, vars nödvändiga kan särskiljas med filter.
3. Två dioder, anslutna rygg mot rygg, fungerar som en begränsare för kraftfulla signaler som kan överbelasta efterföljande ingångssteg för känsliga radiomottagare.
4. Zenerdioder kan inkluderas som gnistsäkra element som inte tillåter högspänningspulser att komma in i kretsarna för sensorer installerade i farliga områden.
5. Dioder kan fungera som omkopplingsanordningar i högfrekvenskretsar. De öppnar med konstant spänning och passerar (eller passerar inte) RF-signalen.
6. Parametriska dioder fungerar som förstärkare av svaga signaler i mikrovågsområdet på grund av närvaron av en sektion med negativt motstånd i den direkta grenen av karakteristiken.
7. Dioder används för att montera blandare som arbetar i sändande eller mottagande utrustning. De blandas lokaloscillatorsignal med en högfrekvent (eller lågfrekvent) signal för vidare bearbetning. Den använder också olinjäriteten hos ström-spänningskarakteristiken.
8. Den icke-linjära karaktäristiken tillåter användning av mikrovågsdioder som frekvensmultiplikatorer. När signalen passerar genom multiplikatordioden markeras de högre övertonerna. Sedan kan de väljas genom filtrering.
9. Dioder används som avstämningselement för resonanskretsar. I detta fall används närvaron av en kontrollerad kapacitans vid p-n-övergången.
10. Vissa typer av dioder används som generatorer i mikrovågsområdet. Dessa är främst tunneldioder och enheter med Gunn-effekten.

Detta är bara en kort beskrivning av kapaciteten hos halvledarenheter med dubbla terminaler. Med en djup studie av egenskaperna och egenskaperna med hjälp av dioder är det möjligt att lösa många problem som tilldelats utvecklarna av elektronisk utrustning.

Liknande artiklar: