De halfgeleiderdiode wordt veel gebruikt in de elektrotechniek en elektronica. Met zijn lage kosten en goede vermogen-tot-maatverhouding verving het snel vacuümapparaten met een vergelijkbaar doel.
Inhoud
Het apparaat en het werkingsprincipe van een halfgeleiderdiode
Een halfgeleiderdiode bestaat uit twee gebieden (lagen) gemaakt van een halfgeleider (silicium, germanium, enz.). Het ene gebied heeft een overmaat aan vrije elektronen (n-halfgeleider), het andere heeft een tekort (p-halfgeleider) - dit wordt bereikt door het basismateriaal te doteren. Daartussen bevindt zich een kleine zone waarin een overmaat aan vrije elektronen van de n-plaats gaten van de p-plaats "afsluit" (recombinatie treedt op als gevolg van diffusie), en er zijn geen vrije ladingsdragers in dit gebied. Wanneer een voorwaartse spanning wordt aangelegd, is het recombinatiegebied klein, is de weerstand klein en geleidt de diode stroom in deze richting. Bij sperspanning zal de draaggolfvrije zone toenemen, de weerstand van de diode zal toenemen. Er zal geen stroom in deze richting vloeien.
Types, classificatie en grafische aanduiding op elektrische schema's
In het algemene geval wordt de diode in het diagram aangegeven als een gestileerde pijl die de stroomrichting aangeeft. De voorwaardelijke grafische afbeelding (UGO) van het apparaat bevat twee conclusies: anode en kathode, die in directe verbinding zijn aangesloten op respectievelijk de plus van het elektrische circuit en de min.
Er zijn een groot aantal varianten van dit bipolaire halfgeleiderapparaat, die, afhankelijk van het doel, enigszins verschillende UGO's kunnen hebben.
Zenerdiodes (Zenerdiodes)
Een zenerdiode is een halfgeleiderapparaatwerkend op sperspanning in de zone van lawinedoorslag. In dit gebied is de zenerdiodespanning stabiel over een breed stroombereik door het apparaat. Deze eigenschap wordt gebruikt om de spanning over de belasting te stabiliseren.
Stabistoren
Zenerdiodes zijn goed in het stabiliseren van spanningen vanaf 2 V en hoger.Stabistoren worden gebruikt om een constante spanning onder deze limiet te krijgen. Doping van het materiaal waaruit deze apparaten zijn gemaakt (silicium, selenium) bereikt de grootste verticaliteit van de directe tak van het kenmerk. In deze modus werken de stabistoren en geven ze een voorbeeldspanning in het bereik van 0,5 ... 2 V op de directe tak van de stroom-spanningskarakteristiek bij voorwaartse spanning.
Schottky-diodes
De Schottky-diode is gebouwd volgens het halfgeleider-metaalschema en heeft geen conventionele kruising. Hierdoor werden twee belangrijke eigenschappen verkregen:
- verminderde voorwaartse spanningsval (ongeveer 0,2 V);
- verhoogde werkfrequenties als gevolg van een afname van de eigen capaciteit.
De nadelen zijn onder meer verhoogde waarden van sperstromen en verminderde tolerantie voor het niveau van sperspanning.
Varicaps
Elke diode heeft een elektrische capaciteit. De platen van de condensator zijn twee ruimteladingen (p- en n-gebieden van halfgeleiders), en de barrièrelaag is het diëlektricum. Wanneer een sperspanning wordt aangelegd, zet deze laag uit en neemt de capaciteit af. Deze eigenschap is inherent aan alle diodes, maar voor varicaps is de capaciteit genormaliseerd en bekend voor bepaalde spanningslimieten. Dit maakt het mogelijk om apparaten te gebruiken zoals: variabele condensatoren en toepassen om circuits aan te passen of te verfijnen door sperspanning van verschillende niveaus te leveren.
tunneldiodes
Deze apparaten hebben een afbuiging in het rechte gedeelte van de karakteristiek, waarbij een toename van de spanning een afname van de stroom veroorzaakt. In dit gebied is de differentiële weerstand negatief.Deze eigenschap maakt het mogelijk om tunneldiodes te gebruiken als zwakke signaalversterkers en generatoren bij frequenties boven 30 GHz.
dinistors
Dinistor - diodethyristor - heeft een p-n-p-n-structuur en een S-vormige CVC, geleidt geen stroom totdat de aangelegde spanning het drempelniveau bereikt. Daarna gaat het aan en gedraagt het zich als een normale diode totdat de stroom onder het houdniveau zakt. Dinistors worden gebruikt in vermogenselektronica als sleutels.
Fotodiodes
De fotodiode is gemaakt in een verpakking met zichtbaar licht toegang tot het kristal. Wanneer een pn-overgang wordt bestraald, ontstaat daarin een emf. Hierdoor kun je de fotodiode gebruiken als stroombron (als onderdeel van zonnepanelen) of als lichtsensor.
LED's
De belangrijkste eigenschap van een LED is het vermogen om licht uit te stralen wanneer stroom door een pn-overgang gaat. Deze gloed is niet gerelateerd aan de intensiteit van de verwarming, zoals een gloeilamp, dus het apparaat is zuinig. Soms wordt de directe gloed van de overgang gebruikt, maar vaker wordt het gebruikt als initiator van het ontsteken van de fosfor. Dit maakte het mogelijk om voorheen onbereikbare LED-kleuren te verkrijgen, zoals blauw en wit.
Gunn-diodes
Hoewel de Gunn-diode de gebruikelijke conventionele grafische aanduiding heeft, is het geen diode in de volledige betekenis van het woord. Omdat het geen pn-overgang heeft. Dit apparaat bestaat uit een galliumarsenideplaat op een metalen ondergrond.
Zonder in te gaan op de details van de processen: wanneer een elektrisch veld van een bepaalde grootte in het apparaat wordt aangelegd, treden elektrische oscillaties op waarvan de periode afhangt van de grootte van de halfgeleiderwafel (maar binnen bepaalde grenzen kan de frequentie worden aangepast door externe elementen).
Gunn-diodes worden gebruikt als oscillatoren bij frequenties van 1 GHz en hoger. Het voordeel van het apparaat is de hoge frequentiestabiliteit en het nadeel is de kleine amplitude van elektrische oscillaties.
Magnetische diodes
Gewone diodes worden zwak beïnvloed door externe magnetische velden. Magnetodiodes hebben een speciaal ontwerp dat de gevoeligheid voor dit effect verhoogt. Ze zijn gemaakt met behulp van p-i-n-technologie met een verlengde basis. Onder invloed van een magnetisch veld neemt de weerstand van het apparaat in de voorwaartse richting toe, en dit kan worden gebruikt om contactloze schakelelementen, magnetische veldomzetters, enz. Te creëren.
Laserdiodes
Het werkingsprincipe van een laserdiode is gebaseerd op de eigenschap van een elektron-gatpaar tijdens recombinatie onder bepaalde omstandigheden om monochromatische en coherente zichtbare straling uit te zenden. De methoden om deze voorwaarden te creëren zijn verschillend, voor de gebruiker is het alleen nodig om de lengte van de door de diode uitgezonden golf en het vermogen ervan te kennen.
Lawinediodes
Deze apparaten worden gebruikt in de magnetron. Onder bepaalde omstandigheden verschijnt in de lawinedoorslagmodus een sectie met een negatieve differentiële weerstand op de diodekarakteristiek. Dankzij deze eigenschap van APD kunnen ze worden gebruikt als generatoren die werken bij golflengten tot op de millimeter. Daar is het mogelijk om een vermogen van minimaal 1 watt te verkrijgen. Bij lagere frequenties worden tot enkele kilowatts verwijderd uit dergelijke diodes.
PIN-diodes
Deze diodes zijn gemaakt met behulp van p-i-n-technologie. Tussen de gedoteerde lagen van halfgeleiders bevindt zich een laag ongedoteerd materiaal. Om deze reden worden de gelijkrichtende eigenschappen van de diode verslechterd (bij sperspanning wordt de recombinatie verminderd door het ontbreken van direct contact tussen de p- en n-zones).Maar vanwege de afstand tussen de ruimteladingsgebieden wordt de parasitaire capaciteit erg klein, in de gesloten toestand is signaallekkage bij hoge frequenties praktisch uitgesloten en kunnen pindiodes worden gebruikt op RF en microgolf als schakelelementen.
Belangrijkste kenmerken en parameters van diodes:
De belangrijkste kenmerken van halfgeleiderdiodes (behalve voor zeer gespecialiseerde) zijn onder meer:
- de maximaal toegestane sperspanning (constant en gepulseerd);
- grens werkfrequentie;
- voorwaartse spanningsval;
- bedrijfstemperatuurbereik.
De overige belangrijke kenmerken kunnen het best worden overwogen met behulp van het voorbeeld van de IV-kenmerken van de diode - dit is duidelijker.
Volt-ampère-karakteristiek van een halfgeleiderdiode
De stroom-spanningskarakteristiek van een halfgeleiderdiode bestaat uit een voorwaartse en achterwaartse tak. Ze bevinden zich in I- en III-kwadranten, omdat de richting van stroom en spanning door de diode altijd samenvalt. Volgens de stroom-spanningskarakteristiek kunt u enkele parameters bepalen en duidelijk zien wat de kenmerken van het apparaat beïnvloeden.
Geleidingsdrempelspanning:
Als u een voorwaartse spanning op de diode toepast en deze begint te verhogen, gebeurt er op het eerste moment niets - de stroom zal niet toenemen. Maar bij een bepaalde waarde zal de diode openen en zal de stroom toenemen naargelang de spanning. Deze spanning wordt de geleidingsdrempelspanning genoemd en is op de VAC gemarkeerd als Uthreshold. Het hangt af van het materiaal waaruit de diode is gemaakt. Voor de meest voorkomende halfgeleiders is deze parameter:
- silicium - 0,6-0,8 V;
- germanium - 0,2-0,3 V;
- galliumarsenide - 1,5 V.
De eigenschap van germanium halfgeleiderapparaten om te openen bij lage spanning wordt gebruikt bij het werken in laagspanningscircuits en in andere situaties.
Maximale stroom door de diode bij directe aansluiting
Nadat de diode is geopend, neemt de stroom ervan toe samen met de toename van de voorwaartse spanning. Voor een ideale diode gaat deze grafiek naar oneindig. In de praktijk wordt deze parameter beperkt door het vermogen van de halfgeleiderinrichting om warmte af te voeren. Wanneer een bepaalde limiet is bereikt, zal de diode oververhit raken en uitvallen. Om dit te vermijden, geven fabrikanten de hoogst toelaatbare stroom aan (op de VAC - Imax). Het kan ruwweg worden bepaald door de grootte van de diode en het pakket. In aflopende volgorde:
- de grootste stroom wordt door apparaten in een metalen omhulsel vastgehouden;
- plastic behuizingen zijn ontworpen voor gemiddeld vermogen;
- Diodes in glazen omhulsels worden gebruikt in laagstroomcircuits.
Metalen apparaten kunnen op radiatoren worden geïnstalleerd - dit zal het dissipatievermogen vergroten.
Omgekeerde lekstroom:
Zet je een sperspanning op de diode, dan geeft een ongevoelige ampèremeter niets aan. In feite laat alleen een ideale diode geen stroom door. Een echt apparaat zal stroom hebben, maar het is erg klein en wordt de omgekeerde lekstroom genoemd (op de CVC - Iobr). Het is tientallen microampères of tienden van milliampères en veel minder dan gelijkstroom. Je vindt het in de map.
Doorslagspanning:
Bij een bepaalde waarde van de sperspanning treedt een sterke toename van de stroom op, de zogenaamde doorslag. Het heeft een tunnel- of lawinekarakter en is omkeerbaar. Deze modus wordt gebruikt om de spanning te stabiliseren (lawine) of om pulsen te genereren (tunnel).Bij een verdere toename van de spanning wordt de doorslag thermisch. Deze modus is onomkeerbaar en de diode faalt.
Parasitaire capaciteit pn-junctie:
Er is al vermeld dat de pn-overgang heeft elektrisch vermogen:. En als deze eigenschap nuttig is en wordt gebruikt in varicaps, dan kan het in gewone diodes schadelijk zijn. Hoewel capaciteit is eenheden of tientallen pF en bij gelijkstroom of lage frequenties is niet waarneembaar, met toenemende frequentie neemt de invloed ervan toe. Een paar picofarads bij RF zullen een weerstand creëren die laag genoeg is voor valse signaallekkage, toevoegen aan de bestaande capaciteit en de parameters van het circuit veranderen, en samen met de inductantie van de output of gedrukte geleider vormen een valse resonantiecircuit. Daarom worden bij de productie van hoogfrequente apparaten maatregelen genomen om de capaciteit van de overgang te verminderen.
Diode markering
De eenvoudigste manier om diodes in een metalen behuizing te markeren. In de meeste gevallen zijn ze gemarkeerd met de aanduiding van het apparaat en de pin-out. Diodes in een plastic behuizing zijn gemarkeerd met een ringmarkering aan de kathodezijde. Maar er is geen garantie dat de fabrikant deze regel strikt naleeft, dus het is beter om naar de directory te verwijzen. Nog beter, bel het apparaat met een multimeter.
Huishoudelijke zenerdiodes met laag vermogen en sommige andere apparaten kunnen twee ringen of stippen van verschillende kleuren aan weerszijden van de behuizing hebben. Om het type van een dergelijke diode en zijn pinout te bepalen, moet u een naslagwerk nemen of een online markeringsidentificatie op internet zoeken.
Toepassingen van diodes
Ondanks het eenvoudige apparaat worden halfgeleiderdiodes veel gebruikt in de elektronica:
- Voor rechttrekken wisselspanning. Een klassieker in het genre - de pn-junctie-eigenschap wordt gebruikt om stroom in één richting te geleiden.
- diode detectoren. Hier wordt de niet-lineariteit van de I–V-karakteristiek gebruikt, wat het mogelijk maakt om harmonischen van het signaal te isoleren, waarvan de noodzakelijke kan worden onderscheiden door filters.
- Twee dioden, back-to-back aangesloten, dienen als begrenzer voor krachtige signalen die latere ingangstrappen van gevoelige radio-ontvangers kunnen overbelasten.
- Zenerdiodes kunnen worden opgenomen als vonkvrije elementen die geen hoogspanningspulsen doorlaten in de circuits van sensoren die in explosiegevaarlijke gebieden zijn geïnstalleerd.
- Diodes kunnen dienen als schakelapparatuur in hoogfrequente circuits. Ze openen met een constante spanning en geven het RF-signaal door (of laten het niet door).
- Parametrische diodes dienen als versterkers van zwakke signalen in het microgolfbereik vanwege de aanwezigheid van een sectie met negatieve weerstand in de directe tak van de karakteristiek.
- Diodes worden gebruikt om mixers te assembleren die werken in zend- of ontvangstapparatuur. ze mixen lokaal oscillatorsignaal: met een hoogfrequent (of laagfrequent) signaal voor verdere verwerking. Het maakt ook gebruik van de niet-lineariteit van de stroom-spanningskarakteristiek.
- De niet-lineaire karakteristiek maakt het gebruik van microgolfdiodes als frequentievermenigvuldigers mogelijk. Wanneer het signaal door de vermenigvuldigingsdiode gaat, worden de hogere harmonischen gemarkeerd. Vervolgens kunnen ze worden geselecteerd door te filteren.
- Diodes worden gebruikt als afstemelementen voor resonantiecircuits. In dit geval wordt de aanwezigheid van een gecontroleerde capaciteit op de pn-overgang gebruikt.
- Sommige soorten diodes worden gebruikt als generatoren in het microgolfbereik. Dit zijn voornamelijk tunneldiodes en apparaten met het Gunn-effect.
Dit is slechts een korte beschrijving van de mogelijkheden van halfgeleiderapparaten met twee aansluitingen. Met een diepgaande studie van de eigenschappen en kenmerken met behulp van diodes, is het mogelijk om veel problemen op te lossen die zijn toegewezen aan de ontwikkelaars van elektronische apparatuur.
Vergelijkbare artikelen:
