Polovodičové diody jsou široce používány v elektronice a elektronickém průmyslu. Používají se jak samostatně, tak jako p-n-přechod tranzistorů a mnoha dalších zařízení. Jako diskrétní součást jsou diody klíčovou součástí mnoha elektronických obvodů. Nacházejí mnoho aplikací od nízkoenergetických aplikací po usměrňovače.
Co je dioda?
V překladu z řečtiny název tohoto elektronického prvku doslova znamená „dva terminály“. Říká se jim anoda a katoda. V obvodu proud teče z anody ke katodě. Polovodičová dioda je jednostranný prvek a tok proudu v opačném směru je blokován.
Princip fungování
Zařízení polovodičových diod je velmi odlišné. To je důvod, proč jich existuje mnoho typů, které se liší jak nominální hodnotou, tak funkcemi, které plní. Ve většině případů však jde o základní principčinnost polovodičových diod je stejná. Obsahují p-n přechod, který poskytuje jejich základní funkčnost.
Tento termín se obvykle používá v souvislosti se standardním tvarem diody. Ve skutečnosti to platí pro téměř jakýkoli typ z nich. Diody tvoří páteř moderního elektronického průmyslu. Všechno – od jednoduchých prvků a tranzistorů až po moderní mikroprocesory – je založeno na polovodičích. Princip činnosti polovodičové diody je založen na vlastnostech polovodičů. Technologie je založena na skupině materiálů, jejichž vnášení nečistot do krystalové mřížky umožňuje získat oblasti, ve kterých jsou díry a elektrony nosiče náboje.
P-n-junction
Dioda typu p-n dostala své jméno, protože používá p-n přechod, který umožňuje proudění proudu pouze jedním směrem. Prvek má další vlastnosti, které jsou také široce používány. Polovodičové diody mohou například vyzařovat a detekovat světlo, měnit kapacitu a regulovat napětí.
P-n-přechod je základní polovodičová struktura. Jak název napovídá, jedná se o spojení mezi oblastmi typu p a n. Přechod umožňuje nosičům náboje pohybovat se pouze jedním směrem, což například umožňuje přeměnit střídavý proud na stejnosměrný.
Standardní diody jsou obvykle vyrobeny z křemíku, ačkoli se používá také germanium a další polovodičové materiály, hlavně pro speciální účely.
Volt-ampérová charakteristika
Dioda se vyznačuje křivkou proud-napětí, kterou lze rozdělit na 2 větve: vpřed a vzad. V opačném směru se svodový proud blíží 0, ale s rostoucím napětím se pomalu zvyšuje a při dosažení průrazného napětí začíná prudce narůstat. V propustném směru proud rychle roste s přiloženým napětím nad práh vodivosti, který je 0,7 V pro křemíkové diody a 0,4 V pro germanium. Články, které používají různé materiály, mají různé voltampérové charakteristiky a práh vodivosti a průrazná napětí.
Diodu p-n-přechod lze považovat za zařízení základní úrovně. Je široce používán v mnoha aplikacích od signálových obvodů a detektorů po omezovače nebo potlačovače přechodových jevů v indukčních nebo reléových cívkách a vysokovýkonných usměrňovačích.
Funkce a parametry
Specifikace diod poskytují velké množství dat. Přesná vysvětlení toho, co jsou, však nejsou vždy k dispozici. Níže jsou uvedeny podrobnosti o různých charakteristikách a parametrech diody, které jsou uvedeny ve specifikacích.
Polovodičový materiál
Materiál použitý v p-n přechodech má prvořadý význam, protože ovlivňuje mnoho základních charakteristik polovodičových diod. Křemík je nejrozšířenější kvůli své vysoké účinnosti a nízkým výrobním nákladům. Další často používanýprvkem je germanium. Jiné materiály se obvykle používají ve speciálních diodách. Volba polovodičového materiálu je důležitá, protože určuje práh vodivosti - asi 0,6 V pro křemík a 0,3 V pro germanium.
Pokles napětí v režimu stejnosměrného proudu (U pr.)
Jakýkoli elektrický obvod, kterým prochází proud, způsobuje pokles napětí a tento parametr polovodičové diody má velký význam zejména pro usměrnění, kdy jsou výkonové ztráty úměrné U ave. Elektronické součástky navíc často potřebují poskytují malý pokles napětí, protože signály mohou být slabé, ale stále je potřebují překonat.
Stává se to ze dvou důvodů. První spočívá v samotné povaze p-n přechodu a je výsledkem prahového napětí vedení, které umožňuje proudu procházet přes vrstvu vyčerpání. Druhou složkou je normální odporová ztráta.
Indikátor má velký význam pro usměrňovací diody, které mohou přenášet velké proudy.
Špičkové zpětné napětí (U arr. max.)
Toto je nejvyšší zpětné napětí, kterému může polovodičová dioda odolat. Nesmí se překročit, jinak může prvek selhat. Nejde jen o RMS napětí vstupního signálu. Každý obvod musí být zvážen podle jeho podstaty, ale u jednoduchého půlvlnného usměrňovače s vyhlazovacím kondenzátorem si pamatujte, že kondenzátor udrží napětí rovné špičce vstupu.signál. Dioda pak bude vystavena špičce příchozího signálu ve zpětném směru, a proto za těchto podmínek bude maximální zpětné napětí rovné maximální hodnotě vlny.
Maximální dopředný proud (U pr. max.)
Při navrhování elektrického obvodu se ujistěte, že nejsou překročeny maximální úrovně proudu diod. Jak se proud zvyšuje, vzniká další teplo, které musí být odstraněno.
Unikající proud (dorazím)
V ideální diodě by neměl být žádný zpětný proud. Ale ve skutečných p-n přechodech je to kvůli přítomnosti menšinových nosičů náboje v polovodiči. Velikost svodového proudu závisí na třech faktorech. Je zřejmé, že nejvýznamnější z nich je zpětné napětí. Také svodový proud závisí na teplotě - s jejím růstem se výrazně zvyšuje. Navíc velmi závisí na typu polovodičového materiálu. V tomto ohledu je křemík mnohem lepší než germanium.
Unikající proud je určen při určitém zpětném napětí a určité teplotě. Obvykle se uvádí v mikroampérech (ΜA) nebo pikoampech (pA).
Přechodová kapacita
Všechny polovodičové diody mají přechodovou kapacitu. Zóna vyčerpání je dielektrická bariéra mezi dvěma deskami, které se tvoří na okraji oblasti vyčerpání a oblasti s většinou nosičů náboje. Skutečná hodnota kapacity závisí na zpětném napětí, které vede ke změně přechodové zóny. Jeho nárůst rozšiřuje zónu vyčerpání a následněsnižuje kapacitu. Tato skutečnost je využívána u varaktorů nebo varikapů, ale pro jiné aplikace, zejména RF aplikace, je nutné tento efekt minimalizovat. Parametr je obvykle uveden v pF při daném napětí. Pro mnoho RF aplikací jsou k dispozici speciální nízkoodporové diody.
Typ pouzdra
Polovodičové diody se podle účelu vyrábějí v obalech různých typů a tvarů. V některých případech, zejména při použití v obvodech pro zpracování signálu, je pouzdro klíčovým prvkem při určování celkových charakteristik tohoto elektronického prvku. V silových obvodech, kde je důležitý odvod tepla, může balíček určit mnoho obecných parametrů diody. Zařízení s vysokým výkonem musí být možné připojit k chladiči. Menší položky lze vyrábět v olověném pouzdře nebo jako zařízení pro povrchovou montáž.
Typy diod
Někdy je užitečné seznámit se s klasifikací polovodičových diod. Některé položky však mohou patřit do několika kategorií.
Reverzní dioda. I když není tak široce používán, jedná se o typ prvku typu p-n, který je svým působením velmi podobný tunelu. Vyznačuje se nízkým poklesem napětí v zapnutém stavu. Nachází použití v detektorech, usměrňovačích a vysokofrekvenčních spínačích.
Vstřikovací průchozí dioda. Má mnoho společného s běžnějším lavinovým létáním. Používá se v mikrovlnných generátorech a poplašných systémech.
Diode Gunn. Nepatří k typu p-n, ale jedná se o polovodičové zařízení se dvěma vývody. Běžně se používá ke generování a převodu mikrovlnných signálů v rozsahu 1–100 GHz.
Světlo emitující neboli LED je jedním z nejoblíbenějších typů elektronických součástek. V dopředném předpětí způsobí proud protékající přechodem vyzařování světla. Používají složené polovodiče (např. arsenid galia, fosfid galia, fosfid india) a mohou svítit v různých barvách, ačkoli byly původně omezeny pouze na červenou. Existuje mnoho novinek, které mění způsob, jakým displeje fungují a jak se vyrábějí, příkladem je OLED.
Fotodioda. Používá se k detekci světla. Když foton narazí na p-n přechod, může vytvořit elektrony a díry. Fotodiody obvykle pracují za podmínek obráceného zkreslení, kde lze snadno detekovat i malé proudy generované světlem. Fotodiody lze použít k výrobě elektřiny. Někdy se jako fotodetektory používají prvky kolíkového typu.
Pin-dioda. Název elektronického prvku dobře popisuje zařízení polovodičové diody. Má standardní oblasti typu p a n, ale mezi nimi je vnitřní oblast bez nečistot. Má vliv na zvětšení oblasti oblasti vyčerpání, což může být užitečné pro přepínání, stejně jako ve fotodiodách atd.
Standardní p-n-přechod lze považovat za normálnínebo standardní typ diody, který se dnes používá. Mohou být použity v RF nebo jiných nízkonapěťových aplikacích, stejně jako ve vysokonapěťových a vysokovýkonových usměrňovačích.
Schottkyho diody. Mají nižší propustný úbytek napětí než standardní křemíkové polovodiče typu p-n. Při nízkých proudech to může být od 0,15 do 0,4 V a ne 0,6 V, jako u křemíkových diod. K tomu nejsou vyrobeny jako obvykle - používají kontakt kov-polovodič. Jsou široce používány jako omezovače, usměrňovače a v rádiových zařízeních.
Dioda s akumulací náboje. Jedná se o typ mikrovlnné diody používané ke generování a tvarování pulsů na velmi vysokých frekvencích. Jeho provoz je založen na velmi rychlé vypínací charakteristice.
Laserová dioda. Od běžného vyzařování světla se liší tím, že vytváří koherentní světlo. Laserové diody se používají v mnoha zařízeních, od jednotek DVD a CD až po laserová ukazovátka. Jsou mnohem levnější než jiné formy laserů, ale výrazně dražší než LED. Mají omezenou životnost.
Tunelová dioda. Ačkoli se dnes příliš nepoužívá, dříve se používal v zesilovačích, oscilátorech a spínacích zařízeních, obvodech časování osciloskopů, kdy byl účinnější než jiné prvky.
Varaktor nebo varicap. Používá se v mnoha RF zařízeních. U této diody reverzní předpětí mění šířku ochuzovací vrstvy v závislosti na použitém napětí. V této konfiguraci topůsobí jako kondenzátor s oblastí vyčerpání působící jako izolační dielektrikum a deskami tvořenými vodivými oblastmi. Používá se v napěťově řízených oscilátorech a RF filtrech.
Zenerova dioda. Je to velmi užitečný typ diody, protože poskytuje stabilní referenční napětí. Díky tomu se zenerova dioda používá ve velkém množství. Funguje za podmínek obráceného zkreslení a prorazí, když je dosaženo určitého rozdílu potenciálu. Pokud je proud omezen odporem, pak to poskytuje stabilní napětí. Široce se používá ke stabilizaci napájecích zdrojů. U zenerových diod existují 2 typy zpětného rozpadu: Zenerův rozklad a nárazová ionizace.
Různé typy polovodičových diod tedy obsahují prvky pro nízkoenergetické a vysokovýkonové aplikace, které vyzařují a detekují světlo, s nízkým propustným úbytkem napětí a proměnnou kapacitou. Kromě toho existuje řada odrůd, které se používají v mikrovlnné technologii.
