Polprevodniške diode se pogosto uporabljajo v elektroniki in elektronski industriji. Uporabljajo se tako samostojno kot kot p-n stičišče tranzistorjev in mnogih drugih naprav. Kot diskretna komponenta so diode ključni del številnih elektronskih vezij. Najdejo veliko aplikacij, od aplikacij z nizko porabo do usmernikov.
Kaj je dioda?
V prevodu iz grščine ime tega elektronskega elementa dobesedno pomeni "dva terminala". Imenujejo se anoda in katoda. V vezju tok teče od anode do katode. Polprevodniška dioda je enostranski element in tok v nasprotni smeri je blokiran.
Načelo delovanja
Naprava polprevodniških diod je zelo drugačna. To je razlog, da jih obstaja veliko vrst, ki se razlikujejo tako po nominalni vrednosti kot po funkcijah, ki jih opravljajo. Vendar pa je v večini primerov osnovno načelodelovanje polprevodniških diod je enako. Vsebujejo p-n stičišče, ki zagotavlja njihovo osnovno funkcionalnost.
Ta izraz se običajno uporablja v zvezi s standardno obliko diode. Pravzaprav velja za skoraj vse vrste njih. Diode tvorijo hrbtenico sodobne elektronske industrije. Vse – od preprostih elementov in tranzistorjev do sodobnih mikroprocesorjev – temelji na polprevodnikih. Načelo delovanja polprevodniške diode temelji na lastnostih polprevodnikov. Tehnologija temelji na skupini materialov, katerih vnos nečistoč v kristalno mrežo omogoča pridobivanje regij, v katerih so luknje in elektroni nosilci naboja.
P-n-junction
Dioda tipa p-n je dobila ime, ker uporablja p-n spoj, ki omogoča, da tok teče samo v eni smeri. Element ima tudi druge lastnosti, ki se prav tako pogosto uporabljajo. Polprevodniške diode, na primer, lahko oddajajo in zaznavajo svetlobo, spreminjajo kapacitivnost in uravnavajo napetost.
P-n-spoj je osnovna polprevodniška struktura. Kot že ime pove, gre za stičišče med regijami p- in n-tipa. Prehod omogoča premikanje nosilcev naboja samo v eno smer, kar na primer omogoča pretvorbo izmeničnega toka v enosmerni.
Standardne diode so običajno izdelane iz silicija, čeprav se uporabljajo tudi germanij in drugi polprevodniški materiali, predvsem za posebne namene.
Volt-amperska karakteristika
Diodo je značilna krivulja tokovne napetosti, ki jo lahko razdelimo na 2 veji: naprej in nazaj. V nasprotni smeri je tok uhajanja blizu 0, vendar se z naraščajočo napetostjo počasi povečuje in, ko je dosežena prelomna napetost, se začne močno povečevati. V smeri naprej tok hitro narašča z uporabljeno napetostjo nad prevodnim pragom, ki je 0,7 V za silicijeve diode in 0,4 V za germanij. Celice, ki uporabljajo različne materiale, imajo različne volt-amperske karakteristike ter prag prevodnosti in napetosti prekinitve.
P-n-spoj diodo lahko štejemo za napravo osnovnega nivoja. Široko se uporablja v številnih aplikacijah, od signalnih vezij in detektorjev do omejevalnikov ali prehodnih dušilnikov v indukcijskih ali relejnih tuljavah in usmernikih visoke moči.
Funkcije in parametri
Specifikacije diode zagotavljajo veliko podatkov. Vendar pa natančne razlage o tem, kaj so, niso vedno na voljo. Spodaj so podrobnosti o različnih značilnostih in parametrih diode, ki so podani v specifikacijah.
polprevodniški material
Materijal, uporabljen v p-n stičiščih, je izjemnega pomena, ker vpliva na številne temeljne značilnosti polprevodniških diod. Silicij je zaradi svoje visoke učinkovitosti in nizkih proizvodnih stroškov najbolj razširjen. Še ena pogosto uporabljenaelement je germanij. Drugi materiali se običajno uporabljajo v diodah za posebne namene. Izbira polprevodniškega materiala je pomembna, ker določa prag prevodnosti - približno 0,6 V za silicij in 0,3 V za germanij.
Padec napetosti v enosmernem načinu (U pr.)
Vsak električni tokokrog, skozi katerega teče tok, povzroči padec napetosti in ta parameter polprevodniške diode je zelo pomemben, zlasti za popravek, ko so izgube moči sorazmerne U ave. Poleg tega morajo elektronske komponente pogosto zagotavljajo majhen padec napetosti, ker so signali lahko šibki, vendar ga morajo kljub temu premagati.
To se zgodi iz dveh razlogov. Prvi je v sami naravi p-n spoja in je posledica napetosti praga prevodnosti, ki omogoča, da tok prečka izčrpajočo plast. Druga komponenta je normalna uporovna izguba.
Indikator je zelo pomemben za usmerniške diode, ki lahko prenašajo velike tokove.
Maksimalna povratna napetost (U arr. max)
To je najvišja povratna napetost, ki jo lahko prenese polprevodniška dioda. Ne sme se preseči, sicer lahko element odpove. Ne gre samo za RMS napetost vhodnega signala. Vsako vezje je treba upoštevati glede na njegove zasluge, toda za preprost enojni polvalovni usmernik z izravnalnim kondenzatorjem ne pozabite, da bo kondenzator držal napetost, ki je enaka najvišji vrednosti vhoda.signal. Dioda bo nato izpostavljena vrhuncu vhodnega signala v obratni smeri, zato bo pod temi pogoji največja povratna napetost enaka najvišji vrednosti vala.
Maksimalni naprej tok (U pr. max)
Pri načrtovanju električnega tokokroga pazite, da ne presežete najvišje ravni toka diode. Ko se tok poveča, se ustvari dodatna toplota, ki jo je treba odstraniti.
Uhajalni tok (I dop.)
V idealni diodi ne bi smelo biti povratnega toka. Toda v resničnih p-n stičiščih je to posledica prisotnosti manjšinskih nosilcev naboja v polprevodniku. Količina uhajajočega toka je odvisna od treh dejavnikov. Očitno je najpomembnejša med njimi povratna napetost. Tudi tok uhajanja je odvisen od temperature - s svojo rastjo se znatno poveča. Poleg tega je močno odvisno od vrste polprevodniškega materiala. V tem pogledu je silicij veliko boljši od germanija.
Tok uhajanja se določi pri določeni povratni napetosti in določeni temperaturi. Običajno je določen v mikroamperih (ΜA) ali pikoamperih (pA).
prehodna kapacitivnost
Vse polprevodniške diode imajo spojno kapacitivnost. Območje izčrpavanja je dielektrična pregrada med dvema ploščama, ki se tvorita na robu območja izčrpavanja in območjem z večinskimi nosilci naboja. Dejanska vrednost kapacitivnosti je odvisna od povratne napetosti, kar vodi do spremembe prehodnega območja. Njegovo povečanje razširi območje izčrpavanja in posledičnozmanjša zmogljivost. To dejstvo se izkorišča v varaktorjih ali varikapih, toda za druge aplikacije, zlasti RF aplikacije, je treba ta učinek čim bolj zmanjšati. Parameter je običajno določen v pF pri dani napetosti. Za številne RF aplikacije so na voljo posebne diode z nizko upornostjo.
vrsta ohišja
Odvisno od namena se polprevodniške diode proizvajajo v paketih različnih vrst in oblik. V nekaterih primerih, zlasti kadar se uporablja v vezjih za obdelavo signalov, je paket ključni element pri določanju splošnih značilnosti tega elektronskega elementa. V napajalnih tokokrogih, kjer je odvajanje toplote pomembno, lahko paket določi številne splošne parametre diode. Naprave z visoko močjo morajo imeti možnost pritrditve na hladilnik. Manjše predmete je mogoče izdelati v svinčenih ohišjih ali kot naprave za površinsko montažo.
Vrste diod
Včasih se je koristno seznaniti s klasifikacijo polprevodniških diod. Vendar lahko nekateri predmeti spadajo v več kategorij.
Obrnjena dioda. Čeprav se ne uporablja tako široko, gre za vrsto elementa p-n tipa, ki je po svojem delovanju zelo podoben tunelu. Odlikuje ga nizek padec napetosti v vklopljenem stanju. Najde se za uporabo v detektorjih, usmernikih in visokofrekvenčnih stikalih.
Tranzitna dioda za vbrizgavanje. Ima veliko skupnega z bolj pogostim plazenjem. Uporablja se v mikrovalovnih generatorjih in alarmnih sistemih.
Diode Gunn. Ne spada v p-n-tip, ampak je polprevodniška naprava z dvema terminaloma. Običajno se uporablja za ustvarjanje in pretvorbo mikrovalovnih signalov v območju 1-100 GHz.
Svetlobna ali LED je ena izmed najbolj priljubljenih vrst elektronskih komponent. Pri prednapetosti tok, ki teče skozi stičišče, povzroči oddajanje svetlobe. Uporabljajo sestavljene polprevodnike (npr. galijev arzenid, galijev fosfid, indijev fosfid) in lahko svetijo v različnih barvah, čeprav so bili prvotno omejeni samo na rdečo. Obstaja veliko novih dogodkov, ki spreminjajo način delovanja in proizvodnje zaslonov, na primer OLED.
fotodioda. Uporablja se za zaznavanje svetlobe. Ko foton zadene p-n stičišče, lahko ustvari elektrone in luknje. Fotodiode običajno delujejo v pogojih obratne pristranskosti, kjer je mogoče zlahka zaznati tudi majhne tokove, ki jih ustvarja svetloba. Fotodiode se lahko uporabljajo za proizvodnjo električne energije. Včasih se kot fotodetektorji uporabljajo elementi tipa pin.
Pin-dioda. Ime elektronskega elementa dobro opisuje napravo polprevodniške diode. Ima standardna območja p- in n-tipa, vendar je med njimi notranja regija brez nečistoč. Učinek povečanja območja izčrpavanja, kar je lahko koristno za preklapljanje, pa tudi pri fotodiodah itd.
Standardni p-n-spoj se lahko šteje za normalnoali standardna vrsta diode, ki je v uporabi danes. Uporabljajo se lahko v RF ali drugih nizkonapetostnih aplikacijah, pa tudi v visokonapetostnih in visokonapetostnih usmernikih.
Schottkyjeve diode. Imajo manjši padec napetosti naprej kot standardni silicijevi polprevodniki p-n tipa. Pri nizkih tokovih je lahko od 0,15 do 0,4 V in ne 0,6 V, kot pri silicijevih diodah. Da bi to naredili, niso izdelani kot običajno - uporabljajo kovinsko-polprevodniški kontakt. Široko se uporabljajo kot omejevalniki, usmerniki in v radijski opremi.
Dioda z nabiranjem naboja. To je vrsta mikrovalovne diode, ki se uporablja za ustvarjanje in oblikovanje impulzov pri zelo visokih frekvencah. Njegovo delovanje temelji na lastnostih zelo hitrega izklopa.
Laserska dioda. Od običajne svetlobe se razlikuje, saj proizvaja koherentno svetlobo. Laserske diode se uporabljajo v številnih napravah, od pogonov DVD in CD do laserskih kazalcev. So veliko cenejši od drugih oblik laserjev, vendar bistveno dražji od LED. Imajo omejeno življenjsko dobo.
Tunelska dioda. Čeprav se danes ne uporablja široko, je bil prej uporabljen v ojačevalnikih, oscilatorjih in preklopnih napravah, časovnih vezjih osciloskopa, ko je bil učinkovitejši od drugih elementov.
Varactor ali varicap. Uporablja se v številnih RF napravah. Za to diodo povratna pristranskost spremeni širino izčrpavajočega sloja glede na uporabljeno napetost. V tej konfiguraciji jedeluje kot kondenzator z izčrpanim območjem, ki deluje kot izolacijski dielektrik in plošče, ki jih tvorijo prevodna področja. Uporablja se v napetostno nadzorovanih oscilatorjih in RF filtrih.
Zener dioda. Je zelo uporabna vrsta diode, saj zagotavlja stabilno referenčno napetost. Zaradi tega se zener dioda uporablja v ogromnih količinah. Deluje v pogojih obratne pristranskosti in se prebije, ko je dosežena določena potencialna razlika. Če je tok omejen z uporom, potem to zagotavlja stabilno napetost. Široko se uporablja za stabilizacijo napajalnikov. V zener diodah obstajata dve vrsti povratne razgradnje: Zenerjeva razgradnja in udarna ionizacija.
Tako različne vrste polprevodniških diod vključujejo elemente za aplikacije z nizko in visoko močjo, ki oddajajo in zaznavajo svetlobo, z nizkim padcem napetosti naprej in spremenljivo kapacitivnostjo. Poleg tega obstajajo številne različice, ki se uporabljajo v mikrovalovni tehnologiji.
