Polovodičové diódy sú široko používané v elektronike a elektronickom priemysle. Používajú sa samostatne aj ako p-n-prechod tranzistorov a mnohých ďalších zariadení. Ako samostatný komponent sú diódy kľúčovou súčasťou mnohých elektronických obvodov. Nachádzajú mnoho aplikácií od nízkoenergetických aplikácií až po usmerňovače.
Čo je dióda?
V preklade z gréčtiny názov tohto elektronického prvku doslova znamená „dva terminály“. Nazývajú sa anóda a katóda. V obvode prúdi prúd z anódy ku katóde. Polovodičová dióda je jednostranný prvok a tok prúdu v opačnom smere je blokovaný.
Princíp fungovania
Zariadenie polovodičových diód je veľmi odlišné. To je dôvod, prečo ich existuje veľa druhov, ktoré sa líšia tak nominálnou hodnotou, ako aj funkciami, ktoré vykonávajú. Vo väčšine prípadov však ide o základný princípčinnosť polovodičových diód je rovnaká. Obsahujú p-n spojenie, ktoré poskytuje ich základnú funkčnosť.
Tento výraz sa zvyčajne používa v súvislosti so štandardným tvarom diódy. V skutočnosti sa to týka takmer každého z nich. Diódy tvoria chrbticu moderného elektronického priemyslu. Všetko – od jednoduchých prvkov a tranzistorov až po moderné mikroprocesory – je založené na polovodičoch. Princíp činnosti polovodičovej diódy je založený na vlastnostiach polovodičov. Technológia je založená na skupine materiálov, ktorých vnášanie nečistôt do kryštálovej mriežky umožňuje získať oblasti, v ktorých sú diery a elektróny nosičmi náboja.
P-n-junction
Dióda typu p-n dostala svoje meno, pretože používa p-n prechod, ktorý umožňuje prúdenie prúdu iba jedným smerom. Prvok má ďalšie vlastnosti, ktoré sú tiež široko používané. Polovodičové diódy môžu napríklad vyžarovať a detegovať svetlo, meniť kapacitu a regulovať napätie.
P-n-prechod je základná polovodičová štruktúra. Ako už názov napovedá, ide o spojenie medzi oblasťami typu p a n. Prechod umožňuje nosičom náboja pohybovať sa iba jedným smerom, čo napríklad umožňuje premeniť striedavý prúd na jednosmerný.
Štandardné diódy sa zvyčajne vyrábajú z kremíka, hoci sa používa aj germánium a iné polovodičové materiály, hlavne na špeciálne účely.
Volt-ampérová charakteristika
Dióda sa vyznačuje krivkou prúd-napätie, ktorú možno rozdeliť na 2 vetvy: doprednú a spätnú. V opačnom smere sa zvodový prúd blíži k 0, ale so zvyšujúcim sa napätím sa pomaly zvyšuje a po dosiahnutí prierazného napätia sa začne prudko zvyšovať. V priepustnom smere prúd rýchlo stúpa s aplikovaným napätím nad prahom vodivosti, čo je 0,7 V pre kremíkové diódy a 0,4 V pre germánium. Články, ktoré používajú rôzne materiály, majú rôzne voltampérové charakteristiky a prah vodivosti a prierazné napätie.
P-n-prechodovú diódu možno považovať za zariadenie základnej úrovne. Je široko používaný v mnohých aplikáciách od signálových obvodov a detektorov až po obmedzovače alebo odrušovače prechodových javov v indukčných alebo reléových cievkach a vysokovýkonných usmerňovačoch.
Funkcie a parametre
Špecifikácie diód poskytujú množstvo údajov. Presné vysvetlenia toho, čo sú, však nie sú vždy dostupné. Nižšie sú uvedené podrobnosti o rôznych charakteristikách a parametroch diódy, ktoré sú uvedené v špecifikáciách.
Polovodičový materiál
Materiál použitý v p-n prechodoch je mimoriadne dôležitý, pretože ovplyvňuje mnohé zo základných charakteristík polovodičových diód. Kremík je najpoužívanejší z dôvodu vysokej účinnosti a nízkych výrobných nákladov. Ďalší často používanýprvkom je germánium. V diódach na špeciálne účely sa zvyčajne používajú iné materiály. Výber polovodičového materiálu je dôležitý, pretože určuje prah vodivosti - asi 0,6 V pre kremík a 0,3 V pre germánium.
Pokles napätia v režime jednosmerného prúdu (U pr.)
Akýkoľvek elektrický obvod, ktorým prechádza prúd, spôsobuje pokles napätia a tento parameter polovodičovej diódy má veľký význam najmä pre usmernenie, kedy sú výkonové straty úmerné U ave. Okrem toho elektronické súčiastky často potrebujú poskytujú malý pokles napätia, pretože signály môžu byť slabé, ale stále to potrebujú prekonať.
Stáva sa to z dvoch dôvodov. Prvý spočíva v samotnej podstate p-n prechodu a je výsledkom prahového napätia vedenia, ktoré umožňuje prúdu prechádzať cez vrstvu vyčerpania. Druhou zložkou je normálna odporová strata.
Indikátor má veľký význam pre usmerňovacie diódy, ktoré môžu prenášať veľké prúdy.
Špičkové spätné napätie (U arr. max.)
Toto je najvyššie spätné napätie, ktoré polovodičová dióda vydrží. Nesmie sa prekročiť, inak môže prvok zlyhať. Nie je to len RMS napätie vstupného signálu. Každý obvod sa musí posudzovať podľa jeho podstaty, ale v prípade jednoduchého polovlnového usmerňovača s vyhladzovacím kondenzátorom si pamätajte, že kondenzátor udrží napätie rovnajúce sa špičke vstupu.signál. Dióda bude potom vystavená špičke prichádzajúceho signálu v opačnom smere, a preto za týchto podmienok bude maximálne spätné napätie rovné maximálnej hodnote vlny.
Maximálny dopredný prúd (U pr. max.)
Pri navrhovaní elektrického obvodu sa uistite, že nie sú prekročené maximálne úrovne prúdu diódy. Keď sa prúd zvyšuje, vytvára sa dodatočné teplo, ktoré sa musí odvádzať.
Unikajúci prúd (príde mi)
V ideálnej dióde by nemal existovať spätný prúd. Ale v skutočných p-n prechodoch je to kvôli prítomnosti menšinových nosičov náboja v polovodiči. Veľkosť unikajúceho prúdu závisí od troch faktorov. Je zrejmé, že najvýznamnejším z nich je spätné napätie. Tiež zvodový prúd závisí od teploty - s jej rastom sa výrazne zvyšuje. Okrem toho veľmi závisí od typu polovodičového materiálu. V tomto ohľade je kremík oveľa lepší ako germánium.
Unikajúci prúd sa určuje pri určitom spätnom napätí a určitej teplote. Zvyčajne sa uvádza v mikroampéroch (ΜA) alebo pikoampéroch (pA).
Prechodová kapacita
Všetky polovodičové diódy majú prechodovú kapacitu. Zóna vyčerpania je dielektrická bariéra medzi dvoma doskami, ktoré sa tvoria na okraji oblasti vyčerpania a oblasti s väčšinou nosičov náboja. Skutočná hodnota kapacity závisí od spätného napätia, čo vedie k zmene prechodovej zóny. Jeho nárast rozširuje zónu vyčerpania a následneznižuje kapacitu. Táto skutočnosť sa využíva pri varaktoroch alebo varikapoch, ale pre iné aplikácie, najmä RF aplikácie, je potrebné tento efekt minimalizovať. Parameter sa zvyčajne uvádza v pF pri danom napätí. Špeciálne nízkoodporové diódy sú dostupné pre mnohé RF aplikácie.
Typ prípadu
V závislosti od účelu sa polovodičové diódy vyrábajú v baleniach rôznych typov a tvarov. V niektorých prípadoch, najmä pri použití v obvodoch na spracovanie signálu, je obal kľúčovým prvkom pri určovaní celkových charakteristík tohto elektronického prvku. V silových obvodoch, kde je dôležitý odvod tepla, môže balenie určiť mnohé zo všeobecných parametrov diódy. Zariadenia s vysokým výkonom sa musia dať pripojiť k chladiču. Menšie položky je možné vyrábať v olovených puzdrách alebo ako zariadenia na povrchovú montáž.
Typy diód
Niekedy je užitočné zoznámiť sa s klasifikáciou polovodičových diód. Niektoré položky však môžu patriť do niekoľkých kategórií.
Reverzná dióda. Aj keď nie je tak rozšírený, ide o typ prvku typu p-n, ktorý je svojou činnosťou veľmi podobný tunelu. Vyznačuje sa nízkym poklesom napätia v zapnutom stave. Používa sa v detektoroch, usmerňovačoch a vysokofrekvenčných spínačoch.
Vstrekovacia prechodová dióda. Má veľa spoločného s bežnejším lavínovým lietaním. Používa sa v mikrovlnných generátoroch a poplašných systémoch.
Diode Gunn. Nepatrí k typu p-n, ale je to polovodičové zariadenie s dvoma vývodmi. Bežne sa používa na generovanie a konverziu mikrovlnných signálov v rozsahu 1-100 GHz.
Svetlo vyžarujúce alebo LED je jedným z najpopulárnejších typov elektronických komponentov. Pri predpätí spôsobuje prúd pretekajúci cez križovatku vyžarovanie svetla. Používajú zložené polovodiče (napr. arzenid gália, fosfid gália, fosfid india) a môžu svietiť rôznymi farbami, hoci pôvodne boli obmedzené len na červenú. Existuje mnoho noviniek, ktoré menia spôsob fungovania a výroby displejov, príkladom je OLED.
Fotodióda. Používa sa na detekciu svetla. Keď fotón zasiahne p-n prechod, môže vytvoriť elektróny a diery. Fotodiódy zvyčajne fungujú v podmienkach reverzného predpätia, kde možno ľahko zistiť aj malé prúdy generované svetlom. Fotodiódy možno použiť na výrobu elektriny. Niekedy sa prvky špendlíkového typu používajú ako fotodetektory.
Pin-dióda. Názov elektronického prvku dobre vystihuje zariadenie polovodičovej diódy. Má štandardné oblasti typu p a n, ale medzi nimi je vnútorná oblasť bez nečistôt. Má vplyv na zväčšenie oblasti oblasti vyčerpania, čo môže byť užitočné pri prepínaní, ako aj vo fotodiódach atď.
Štandardnú p-n-križovatku možno považovať za normálnualebo štandardný typ diódy, ktorý sa dnes používa. Môžu byť použité v RF alebo iných nízkonapäťových aplikáciách, ako aj vo vysokonapäťových a vysokovýkonných usmerňovačoch.
Schottkyho diódy. Majú nižší pokles napätia v priepustnom smere ako štandardné kremíkové polovodiče typu p-n. Pri nízkych prúdoch môže byť od 0,15 do 0,4 V a nie 0,6 V, ako pri kremíkových diódach. K tomu nie sú vyrobené ako zvyčajne - používajú kontakt kov-polovodič. Sú široko používané ako obmedzovače, usmerňovače a v rádiových zariadeniach.
Dióda s akumuláciou náboja. Ide o typ mikrovlnnej diódy používanej na generovanie a tvarovanie impulzov pri veľmi vysokých frekvenciách. Jeho činnosť je založená na veľmi rýchlej vypínacej charakteristike.
Laserová dióda. Od bežného vyžarovania svetla sa líši tým, že vytvára koherentné svetlo. Laserové diódy sa používajú v mnohých zariadeniach, od jednotiek DVD a CD až po laserové ukazovátka. Sú oveľa lacnejšie ako iné formy laserov, ale výrazne drahšie ako LED. Majú obmedzenú životnosť.
Tunelová dióda. Aj keď sa dnes veľmi nepoužíva, predtým sa používal v zosilňovačoch, oscilátoroch a spínacích zariadeniach, časovacích obvodoch osciloskopov, keď bol účinnejší ako iné prvky.
Varaktor alebo varikap. Používa sa v mnohých RF zariadeniach. Pre túto diódu spätné predpätie mení šírku vrstvy vyčerpania v závislosti od použitého napätia. V tejto konfigurácii topôsobí ako kondenzátor s oblasťou vyčerpania pôsobiacou ako izolačné dielektrikum a dosky tvorené vodivými oblasťami. Používa sa v napäťovo riadených oscilátoroch a RF filtroch.
Zenerova dióda. Je to veľmi užitočný typ diódy, pretože poskytuje stabilné referenčné napätie. Vďaka tomu sa zenerova dióda používa v obrovských množstvách. Funguje v podmienkach reverznej zaujatosti a prerazí, keď sa dosiahne určitý potenciálny rozdiel. Ak je prúd obmedzený odporom, potom to poskytuje stabilné napätie. Široko používaný na stabilizáciu napájacích zdrojov. V zenerových diódach existujú 2 typy spätného rozpadu: Zenerov rozklad a nárazová ionizácia.
Rôzne typy polovodičových diód teda zahŕňajú prvky pre nízkoenergetické a vysokovýkonné aplikácie, vyžarujúce a detegujúce svetlo s nízkym poklesom napätia v priepustnom smere a premenlivou kapacitou. Okrem toho existuje množstvo odrôd, ktoré sa používajú v mikrovlnnej technológii.
