Οι δίοδοι ημιαγωγών χρησιμοποιούνται ευρέως σεβιομηχανία ηλεκτρονικών και ηλεκτρονικών. Χρησιμοποιούνται τόσο ανεξάρτητα όσο και ως σύνδεση p-n τρανζίστορ και πολλών άλλων συσκευών. Ως διακριτό εξάρτημα, οι δίοδοι αποτελούν βασικό μέρος πολλών ηλεκτρονικών κυκλωμάτων. Βρίσκουν πολλές χρήσεις, που κυμαίνονται από εφαρμογές χαμηλής ισχύος μέχρι ανορθωτές ρεύματος.
Τι είναι μια δίοδος;
Μετάφραση από τα ελληνικά, το όνομα αυτούηλεκτρονικό στοιχείο κυριολεκτικά σημαίνει "δύο τερματικά". Ονομάζονται άνοδος και κάθοδος. Στο κύκλωμα, το ρεύμα ρέει από την άνοδο στην κάθοδο. Μια δίοδος ημιαγωγών είναι ένα στοιχείο μονής κατεύθυνσης και η ροή ρεύματος προς την αντίθετη κατεύθυνση εμποδίζεται.
Αρχή λειτουργίας
Ο σχεδιασμός των διόδων ημιαγωγών είναι πολύ διαφορετικός.Αυτός είναι ο λόγος που υπάρχουν πολλοί τύποι τους, οι οποίοι διαφέρουν τόσο ως προς την ονομασία όσο και ως προς τις λειτουργίες που εκτελούν. Ωστόσο, στις περισσότερες περιπτώσεις η βασική αρχή λειτουργίας των διόδων ημιαγωγών είναι η ίδια. Περιέχουν μια διασταύρωση p-n, η οποία παρέχει τη βασική τους λειτουργικότητα.
Αυτός ο όρος χρησιμοποιείται συνήθως σε σχέση μετυπική μορφή διόδου. Στην πραγματικότητα, ισχύει σχεδόν για κάθε τύπο τους. Οι δίοδοι αποτελούν τη βάση της σύγχρονης βιομηχανίας ηλεκτρονικών. Τα πάντα - από απλά στοιχεία και τρανζίστορ μέχρι σύγχρονους μικροεπεξεργαστές - βασίζονται σε ημιαγωγούς. Η αρχή λειτουργίας μιας διόδου ημιαγωγών βασίζεται στις ιδιότητες των ημιαγωγών. Η τεχνολογία βασίζεται σε μια ομάδα υλικών, η εισαγωγή ακαθαρσιών στο κρυσταλλικό πλέγμα των οποίων καθιστά δυνατή την απόκτηση περιοχών στις οποίες φορείς φορτίου είναι οπές και ηλεκτρόνια.
Διασταύρωση P-n
Η δίοδος τύπου pn πήρε το όνομά της επειδήΧρησιμοποιεί μια διασταύρωση p-n, η οποία επιτρέπει στο ρεύμα να ρέει μόνο προς μία κατεύθυνση. Το στοιχείο έχει και άλλες ιδιότητες που χρησιμοποιούνται επίσης ευρέως. Οι δίοδοι ημιαγωγών, για παράδειγμα, είναι ικανές να εκπέμπουν και να ανιχνεύουν φως, να αλλάζουν χωρητικότητα και να ρυθμίζουν την τάση.
Η διασταύρωση P-n είναι ένας βασικός ημιαγωγόςδομή. Όπως υποδηλώνει το όνομα, είναι μια διασταύρωση μεταξύ περιοχών τύπου p και n. Η διασταύρωση επιτρέπει στους φορείς φορτίου να κινούνται μόνο προς μία κατεύθυνση, η οποία, για παράδειγμα, καθιστά δυνατή τη μετατροπή του εναλλασσόμενου ρεύματος σε συνεχές ρεύμα.
Οι τυπικές δίοδοι κατασκευάζονται συνήθως από πυρίτιο, αν και χρησιμοποιούνται επίσης γερμάνιο και άλλα υλικά ημιαγωγών, κυρίως για ειδικούς σκοπούς.
Χαρακτηριστικά βολτ-αμπέρ
Η δίοδος χαρακτηρίζεται από μια καμπύλη ρεύματος-τάσης,που μπορεί να χωριστεί σε 2 κλάδους: άμεσο και αντίστροφο. Στην αντίθετη κατεύθυνση, το ρεύμα διαρροής είναι κοντά στο 0, αλλά με την αύξηση της τάσης αυξάνεται αργά και όταν επιτευχθεί η τάση διάσπασης, αρχίζει να αυξάνεται απότομα. Στην κατεύθυνση προς τα εμπρός, το ρεύμα αυξάνεται γρήγορα με την αύξηση της εφαρμοζόμενης τάσης πάνω από το όριο αγωγιμότητας, το οποίο είναι 0,7 V για τις διόδους πυριτίου και 0,4 V για τις διόδους γερμανίου. Τα στοιχεία που χρησιμοποιούν άλλα υλικά έχουν διαφορετικά χαρακτηριστικά ρεύματος-τάσης και τάσεις κατωφλίου αγωγιμότητας και διάσπασης.
Μια δίοδος με διασταύρωση pn μπορεί να θεωρηθεί ωςσυσκευή βασικού επιπέδου. Χρησιμοποιείται ευρέως σε πολλές εφαρμογές που κυμαίνονται από κυκλώματα σήματος και ανιχνευτές έως περιοριστές ή μεταβατικούς καταστολείς σε πηνία επαγωγής ή ρελέ και ανορθωτές υψηλής ισχύος.
Χαρακτηριστικά και παράμετροι
Οι προδιαγραφές διόδου παρέχουν μεγάλο όγκοδεδομένα. Ωστόσο, ακριβείς εξηγήσεις για το τι είναι δεν είναι πάντα διαθέσιμες. Παρακάτω αναφέρονται οι λεπτομέρειες των διαφόρων χαρακτηριστικών και παραμέτρων της διόδου, οι οποίες δίνονται στις προδιαγραφές.
Υλικό ημιαγωγών
Το υλικό που χρησιμοποιείται σε συνδέσεις p-n έχειυψίστης σημασίας γιατί επηρεάζει πολλά από τα βασικά χαρακτηριστικά των διόδων ημιαγωγών. Το πυρίτιο είναι το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο υλικό λόγω της υψηλής απόδοσης και του χαμηλού κόστους παραγωγής του. Ένα άλλο στοιχείο που χρησιμοποιείται συνήθως είναι το γερμάνιο. Άλλα υλικά χρησιμοποιούνται συνήθως σε διόδους ειδικής χρήσης. Η επιλογή του υλικού ημιαγωγού είναι σημαντική γιατί καθορίζει το όριο αγωγιμότητας - περίπου 0,6 V για το πυρίτιο και 0,3 V για το γερμάνιο.
Πτώση τάσης σε λειτουργία μπροστινού ρεύματος (U pr.)
Οποιοδήποτε ηλεκτρικό κύκλωμα από το οποίο διέρχεταιρεύμα, προκαλεί πτώση τάσης και αυτή η παράμετρος μιας διόδου ημιαγωγών είναι μεγάλης σημασίας, ειδικά για την ανόρθωση, όπου η απώλεια ισχύος είναι ανάλογη του U av. Επιπλέον, τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα συχνά πρέπει να παρέχουν μια μικρή πτώση τάσης, καθώς τα σήματα μπορεί να να είναι αδύναμος, αλλά πρέπει ακόμα να ξεπεραστεί το δικό του.
Αυτό συμβαίνει για δύο λόγους.Το πρώτο είναι η ίδια η φύση της σύνδεσης pn και είναι το αποτέλεσμα της τάσης κατωφλίου αγωγιμότητας που επιτρέπει στο ρεύμα να διασχίσει το στρώμα εξάντλησης. Το δεύτερο συστατικό είναι οι κανονικές απώλειες αντίστασης.
Ο δείκτης έχει μεγάλη σημασία για τις διόδους ανορθωτή, μέσω των οποίων μπορούν να περάσουν μεγάλα ρεύματα.
Μέγιστη αντίστροφη τάση (U rev. max)
Αυτή είναι η υψηλότερη αντίστροφη τάση πουημιαγωγική δίοδος μπορεί να αντέξει. Δεν πρέπει να γίνεται υπέρβαση, διαφορετικά το στοιχείο μπορεί να αποτύχει. Δεν είναι μόνο η τάση RMS του εισερχόμενου σήματος. Κάθε κύκλωμα πρέπει να εξετάζεται με βάση τα πλεονεκτήματα του, αλλά για έναν απλό ανορθωτή μισού κύματος με πυκνωτή εξομάλυνσης, να θυμάστε ότι ο πυκνωτής θα έχει τάση ίση με την κορυφή του σήματος εισόδου. Στη συνέχεια, η δίοδος θα εκτεθεί στην κορυφή του εισερχόμενου σήματος προς την αντίστροφη κατεύθυνση, και έτσι υπό αυτές τις συνθήκες θα υπάρχει μια μέγιστη αντίστροφη τάση ίση με την τιμή κορυφής του κύματος.
Μέγιστο ρεύμα προς τα εμπρός (U pr. max)
Κατά το σχεδιασμό ενός ηλεκτρικού κυκλώματος είναι απαραίτητοΒεβαιωθείτε ότι δεν γίνεται υπέρβαση των μέγιστων επιπέδων ρεύματος διόδου. Καθώς το ρεύμα αυξάνεται, παράγεται επιπλέον θερμότητα που πρέπει να αφαιρεθεί.
Ρεύμα διαρροής (I rev.)
Σε μια ιδανική δίοδο δεν πρέπει να υπάρχει αντίστροφο ρεύμα.Αλλά σε πραγματικές συνδέσεις p-n υπάρχει λόγω της παρουσίας μειοψηφικών φορέων φορτίου στον ημιαγωγό. Η ισχύς του ρεύματος διαρροής εξαρτάται από τρεις παράγοντες. Προφανώς, το πιο σημαντικό από αυτά είναι η αντίστροφη τάση. Επίσης, το ρεύμα διαρροής εξαρτάται από τη θερμοκρασία - καθώς αυξάνεται, αυξάνεται σημαντικά. Επιπλέον, εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τον τύπο του υλικού ημιαγωγού. Από αυτή την άποψη, το πυρίτιο είναι πολύ καλύτερο από το γερμάνιο.
Το ρεύμα διαρροής προσδιορίζεται σε μια συγκεκριμένη αντίστροφη τάση και μια συγκεκριμένη θερμοκρασία. Συνήθως προσδιορίζεται σε μικροαμπέρ (μA) ή πικοαμπέρ (pA).
Χωρητικότητα μεταφοράς
Όλες οι δίοδοι ημιαγωγών έχουν χωρητικότηταμετάβαση. Η ζώνη εξάντλησης είναι ένα διηλεκτρικό φράγμα μεταξύ δύο πλακών, οι οποίες σχηματίζονται στην άκρη της περιοχής εξάντλησης και στην περιοχή με τους περισσότερους φορείς φορτίου. Η πραγματική τιμή χωρητικότητας εξαρτάται από την αντίστροφη τάση, η οποία προκαλεί την αλλαγή της ζώνης μετάβασης. Η αύξησή του επεκτείνει τη ζώνη εξάντλησης και επομένως μειώνει τη χωρητικότητα. Αυτό το γεγονός χρησιμοποιείται σε varactors ή varicaps, αλλά για άλλες εφαρμογές, ειδικά ραδιοσυχνότητες, αυτό το φαινόμενο πρέπει να περιοριστεί στο ελάχιστο. Η παράμετρος καθορίζεται συνήθως σε pF σε μια δεδομένη τάση. Ειδικές δίοδοι χαμηλής αντίστασης είναι διαθέσιμες για πολλές εφαρμογές ραδιοσυχνοτήτων.
Τύπος κελύφους
Ανάλογα με τον σκοπό, ημιαγωγόςΟι δίοδοι παράγονται σε συσκευασίες διαφόρων τύπων και σχημάτων. Σε ορισμένες περιπτώσεις, ειδικά όταν χρησιμοποιείται σε κυκλώματα επεξεργασίας σήματος, το πακέτο είναι βασικό στοιχείο για τον προσδιορισμό των συνολικών χαρακτηριστικών αυτού του ηλεκτρονικού στοιχείου. Σε κυκλώματα ισχύος όπου η απαγωγή θερμότητας είναι σημαντική, το περίβλημα μπορεί να καθορίσει πολλές κοινές παραμέτρους διόδου. Οι συσκευές υψηλής ισχύος πρέπει να μπορούν να συνδέονται σε καλοριφέρ. Οι μικρές κυψέλες μπορούν να παραχθούν σε περιβλήματα μολύβδου ή ως συσκευές επιφανειακής τοποθέτησης.
Τύποι διόδων
Μερικές φορές είναι χρήσιμο να εξοικειωθείτε με την ταξινόμηση των διόδων ημιαγωγών. Ωστόσο, ορισμένα στοιχεία μπορεί να ανήκουν σε πολλές κατηγορίες.
Αντίστροφη δίοδος.Αν και δεν χρησιμοποιείται ευρέως, είναι ένας τύπος στοιχείου τύπου pn που λειτουργεί πολύ παρόμοια με ένα στοιχείο σήραγγας. Διαθέτει χαμηλή πτώση τάσης σε ανοιχτή κατάσταση. Βρίσκει εφαρμογή σε ανιχνευτές, ανορθωτές και διακόπτες υψηλής συχνότητας.
Δίοδος διέλευσης έγχυσης. Έχει πολλά κοινά με την πιο κοινή πτήση με χιονοστιβάδα. Χρησιμοποιείται σε γεννήτριες μικροκυμάτων και συστήματα συναγερμού.
Δίοδος Gunn. Δεν είναι τύπου pn, αλλά είναι μια συσκευή ημιαγωγών με δύο ακροδέκτες. Χρησιμοποιείται συνήθως για τη δημιουργία και τη μετατροπή σημάτων μικροκυμάτων στην περιοχή 1-100 GHz.
Η δίοδος εκπομπής φωτός ή LED είναι μία από τις περισσότερεςδημοφιλείς τύποι ηλεκτρονικών στοιχείων. Σε πόλωση προς τα εμπρός, το ρεύμα που ρέει μέσω της διασταύρωσης προκαλεί την εκπομπή φωτός. Χρησιμοποιούν σύνθετους ημιαγωγούς (π.χ. αρσενίδιο του γαλλίου, φωσφίδιο του γαλλίου, φωσφίδιο του ινδίου) και μπορούν να λάμπουν σε μια ποικιλία χρωμάτων, αν και αρχικά περιορίζονται μόνο σε κόκκινο. Υπάρχουν πολλές νέες εξελίξεις που αλλάζουν τον τρόπο λειτουργίας και παραγωγής των οθονών, ένα παράδειγμα των οποίων είναι τα OLED LED.
Φωτοδίοδος. Χρησιμοποιείται για την ανίχνευση φωτός.Όταν ένα φωτόνιο προσπίπτει σε μια διασταύρωση pn, μπορεί να δημιουργήσει ηλεκτρόνια και οπές. Οι φωτοδίοδοι λειτουργούν συνήθως υπό συνθήκες αντίστροφης πόλωσης, όπου ακόμη και μικρά ρεύματα που προκύπτουν από το φως μπορούν εύκολα να ανιχνευθούν. Οι φωτοδίοδοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Μερικές φορές στοιχεία τύπου pin χρησιμοποιούνται ως φωτοανιχνευτές.
Δίοδος καρφίτσας.Το όνομα του ηλεκτρονικού στοιχείου περιγράφει καλά τη δομή της διόδου ημιαγωγών. Έχει τυπικές περιοχές τύπου p και n, αλλά μεταξύ τους υπάρχει μια εσωτερική περιοχή χωρίς ακαθαρσίες. Έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της επιφάνειας της περιοχής εξάντλησης, η οποία μπορεί να είναι χρήσιμη για μεταγωγή καθώς και σε φωτοδίοδοι κ.λπ.
Μια τυπική διασταύρωση pn μπορεί να θεωρηθεί ωςο κοινός ή τυπικός τύπος διόδου που χρησιμοποιείται σήμερα. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε RF ή άλλες εφαρμογές χαμηλής τάσης, καθώς και σε ανορθωτές υψηλής τάσης και υψηλής ισχύος.
Δίοδοι Schottky.Έχουν χαμηλότερη πτώση τάσης προς τα εμπρός από τους τυπικούς ημιαγωγούς πυριτίου τύπου pn. Σε χαμηλά ρεύματα μπορεί να είναι από 0,15 έως 0,4 V και όχι 0,6 V, όπως συμβαίνει με τις διόδους πυριτίου. Για να γίνει αυτό, δεν κατασκευάζονται ως συνήθως - χρησιμοποιούν μια επαφή μετάλλου-ημιαγωγού. Χρησιμοποιούνται ευρέως ως περιοριστές, ανορθωτές και σε ραδιοεξοπλισμό.
Δίοδος αποθήκευσης φόρτισης.Είναι ένας τύπος διόδου μικροκυμάτων που χρησιμοποιείται για τη δημιουργία και τη διαμόρφωση παλμών σε πολύ υψηλές συχνότητες. Η λειτουργία του βασίζεται σε ένα πολύ γρήγορο χαρακτηριστικό τερματισμού λειτουργίας.
Δίοδος λέιζερ.Διαφέρει από το κανονικό φως που εκπέμπει επειδή παράγει συνεκτικό φως. Οι δίοδοι λέιζερ χρησιμοποιούνται σε πολλές συσκευές - από μονάδες DVD και CD μέχρι δείκτες λέιζερ. Είναι πολύ φθηνότερα από άλλες μορφές λέιζερ, αλλά σημαντικά πιο ακριβά από τα LED. Έχουν περιορισμένη διάρκεια ζωής.
Δίοδος σήραγγας.Αν και δεν χρησιμοποιείται ευρέως σήμερα, χρησιμοποιήθηκε προηγουμένως σε ενισχυτές, ταλαντωτές και συσκευές μεταγωγής και κυκλώματα σκανδάλης παλμογράφου όταν ήταν πιο αποτελεσματικό από άλλα στοιχεία.
Varactor ή varicap.Χρησιμοποιείται σε πολλές συσκευές ραδιοσυχνοτήτων. Σε αυτή τη δίοδο, η αντίστροφη πόλωση αλλάζει το πλάτος του στρώματος εξάντλησης ανάλογα με την εφαρμοζόμενη τάση. Σε αυτή τη διαμόρφωση, λειτουργεί ως πυκνωτής με την περιοχή εξάντλησης να λειτουργεί ως μονωτικό διηλεκτρικό και τις πλάκες που σχηματίζονται από τις αγώγιμες περιοχές. Χρησιμοποιείται σε ταλαντωτές ελεγχόμενης τάσης και φίλτρα ραδιοσυχνοτήτων.
Δίοδος Ζένερ.Είναι ένας πολύ χρήσιμος τύπος διόδου επειδή παρέχει σταθερή τάση αναφοράς. Λόγω αυτού, οι δίοδοι zener χρησιμοποιούνται σε τεράστιες ποσότητες. Λειτουργεί υπό συνθήκες αντίστροφης προκατάληψης και σπάει όταν επιτευχθεί μια ορισμένη διαφορά δυναμικού. Εάν το ρεύμα περιορίζεται από μια αντίσταση, αυτό εξασφαλίζει μια σταθερή τάση. Χρησιμοποιείται ευρέως για τη σταθεροποίηση των τροφοδοτικών. Υπάρχουν 2 τύποι αντίστροφης διάσπασης στις διόδους zener: αποσύνθεση Zener και ιονισμός κρούσης.
Έτσι, διαφορετικοί τύποι ημιαγωγώνΟι δίοδοι περιλαμβάνουν στοιχεία για εφαρμογές χαμηλής και υψηλής ισχύος που εκπέμπουν και ανιχνεύουν φως, με χαμηλή πτώση τάσης προς τα εμπρός και μεταβλητή χωρητικότητα. Εκτός από αυτό, υπάρχει μια σειρά από ποικιλίες που χρησιμοποιούνται στην τεχνολογία μικροκυμάτων.
