A félvezető diódákat széles körben használják az elektronikában és az elektronikai iparban. Mind önállóan, mind tranzisztorok és sok más eszköz p-n-átmeneteként használják. Különálló komponensként a diódák számos elektronikus áramkör kulcsfontosságú részét képezik. Számos alkalmazást találnak az alacsony fogyasztású alkalmazásoktól az egyenirányítókig.
Mi az a dióda?
Görögről lefordítva ennek az elektronikus elemnek a neve szó szerint azt jelenti, hogy „két terminál”. Anódnak és katódnak nevezik őket. Egy áramkörben az áram az anódról a katódra folyik. A félvezető dióda egyoldalú elem, és az ellenkező irányú áram áramlása blokkolva van.
Működési elv
A félvezető diódák eszköze nagyon eltérő. Ez az oka annak, hogy sokféle típus létezik, amelyek mind névértékükben, mind funkciójukban különböznek egymástól. Azonban a legtöbb esetben az alapelvA félvezető diódák működése ugyanaz. Tartalmaznak egy p-n átmenetet, amely biztosítja az alapvető funkciókat.
Ezt a kifejezést általában a dióda szabványos formájára utalják. Valójában szinte minden típusra vonatkozik. A diódák alkotják a modern elektronikai ipar gerincét. Minden – az egyszerű elemektől és tranzisztoroktól a modern mikroprocesszorokig – félvezetőkre épül. A félvezető dióda működési elve a félvezetők tulajdonságain alapul. A technológia egy olyan anyagcsoporton alapul, amelynek kristályrácsába szennyeződések bejuttatása lehetővé teszi olyan régiók kialakítását, amelyekben a lyukak és az elektronok töltéshordozók.
P-n-junction
A p-n típusú dióda azért kapta a nevét, mert p-n átmenetet használ, amely csak egy irányba engedi az áramot. Az elemnek más tulajdonságai is vannak, amelyeket szintén széles körben használnak. A félvezető diódák például képesek fényt kibocsátani és érzékelni, megváltoztatni a kapacitást és szabályozni a feszültséget.
P-n-átmenet egy alapvető félvezető szerkezet. Ahogy a neve is sugallja, ez egy csomópont a p- és n-típusú régiók között. Az átmenet lehetővé teszi, hogy a töltéshordozók csak egy irányba mozogjanak, ami például lehetővé teszi a váltakozó áram egyenárammá alakítását.
A szabványos diódák általában szilíciumból készülnek, bár germániumot és más félvezető anyagokat is használnak, főleg speciális célokra.
Volt-amper karakterisztika
A diódát egy áram-feszültség görbe jellemzi, amely 2 ágra osztható: előre és hátra. Ellenkező irányban a szivárgási áram közel 0, de a feszültség növekedésével lassan növekszik, és a letörési feszültség elérésekor meredeken emelkedni kezd. Előreirányban az áram gyorsan megemelkedik a rákapcsolt feszültséggel a vezetési küszöb felett, ami szilíciumdiódáknál 0,7 V, germániumnál 0,4 V. A különböző anyagokat használó cellák eltérő volt-amper karakterisztikával, vezetési küszöbértékkel és áttörési feszültséggel rendelkeznek.
A p-n átmenetű dióda alapszintű eszköznek tekinthető. Széles körben használják számos alkalmazásban, kezdve a jeláramköröktől és detektoroktól az indukciós vagy relé tekercsekben lévő korlátozókig vagy tranziens elnyomókig és a nagy teljesítményű egyenirányítókig.
Jellemzők és paraméterek
A dióda specifikációi sok adatot szolgáltatnak. Ezek pontos magyarázata azonban nem mindig áll rendelkezésre. Az alábbiakban a dióda különféle jellemzőinek és paramétereinek részletei találhatók, amelyek a specifikációban találhatók.
Félvezető anyag
A p-n átmenetekben használt anyag kiemelkedően fontos, mert befolyásolja a félvezető diódák számos alapvető jellemzőjét. A szilícium a legszélesebb körben használt nagy hatékonysága és alacsony gyártási költségei miatt. Egy másik gyakran használtaz elem germánium. A speciális célú diódákban általában más anyagokat használnak. A félvezető anyag kiválasztása azért fontos, mert ez határozza meg a vezetési küszöböt – körülbelül 0,6 V a szilícium és 0,3 V a germánium esetében.
Feszültségesés egyenáramú üzemmódban (U pr.)
Bármely elektromos áramkör, amelyen áthalad az áram, feszültségesést okoz, és a félvezető diódáknak ez a paramétere nagy jelentőséggel bír, különösen az egyenirányításnál, amikor a teljesítményveszteség arányos az U ave értékkel. Ezenkívül az elektronikus alkatrészeket gyakran biztosítson egy kis feszültségesést, mert a jelek gyengék lehetnek, de ezt még le kell küzdeniük.
Ez két okból történik. Az első a p-n átmenet természetében rejlik, és egy olyan vezetési küszöbfeszültség eredménye, amely lehetővé teszi, hogy az áram áthaladjon a kimerítő rétegen. A második komponens a normál ellenállásveszteség.
A jelző nagy jelentőséggel bír az egyenirányító diódák esetében, amelyek nagy áramot képesek szállítani.
Csúcs fordított feszültség (U arr. max)
Ez a legnagyobb fordított feszültség, amelyet egy félvezető dióda elvisel. Ezt nem szabad túllépni, különben az elem meghibásodhat. Ez nem csak a bemeneti jel RMS feszültsége. Minden áramkört a maga érdemében kell figyelembe venni, de egy egyszerű félhullámú, simítókondenzátorral rendelkező egyenirányító esetén ne feledje, hogy a kondenzátor feszültsége megegyezik a bemenet csúcsával.jel. A dióda ezután a bejövő jel csúcsának lesz kitéve fordított irányban, és ezért ilyen körülmények között a maximális fordított feszültség megegyezik a hullám csúcsértékével.
Maximális előremenő áram (U pr. max)
Elektromos áramkör tervezésekor ügyeljen arra, hogy a dióda maximális áramszintjeit ne lépje túl. Az áramerősség növekedésével további hő keletkezik, amelyet el kell távolítani.
Szivárgó áram (I arr.)
Egy ideális diódában ne legyen fordított áram. De a valódi p-n átmenetekben ez a félvezetőben lévő kisebbségi töltéshordozók jelenlétének köszönhető. A szivárgó áram nagysága három tényezőtől függ. Nyilvánvalóan ezek közül a legjelentősebb a fordított feszültség. Ezenkívül a szivárgási áram a hőmérséklettől függ - növekedésével jelentősen megnő. Ezenkívül nagymértékben függ a félvezető anyag típusától. Ebből a szempontból a szilícium sokkal jobb, mint a germánium.
A szivárgó áram meghatározása egy bizonyos fordított feszültség és egy bizonyos hőmérséklet mellett történik. Általában mikroamperben (ΜA) vagy pikoamperben (pA) adják meg.
Átmeneti kapacitás
Minden félvezető diódának van csatlakozási kapacitása. A kimerülési zóna egy dielektromos gát két lemez között, amelyek a kimerülési régió és a többségi töltéshordozókkal rendelkező tartomány szélén képződnek. A tényleges kapacitásérték a fordított feszültségtől függ, ami az átmeneti zóna megváltozásához vezet. Ennek növekedése kiterjeszti a kimerülési zónát, és ennek következtébencsökkenti a kapacitást. Ezt a tényt kihasználják a varaktorok vagy varikapok, de más alkalmazásoknál, különösen az RF alkalmazásoknál, ezt a hatást minimálisra kell csökkenteni. A paramétert általában pF-ben adják meg adott feszültség mellett. Különleges kis ellenállású diódák állnak rendelkezésre számos RF alkalmazáshoz.
Tok típusa
A céltól függően a félvezető diódákat különféle típusú és formájú csomagokban gyártják. Egyes esetekben, különösen, ha jelfeldolgozó áramkörökben használják, a csomag kulcsfontosságú elem az elektronikus elem általános jellemzőinek meghatározásában. Azokban az áramkörökben, ahol a hőelvezetés fontos, a csomag képes meghatározni a dióda számos általános paraméterét. A nagy teljesítményű eszközöket hűtőbordához kell csatlakoztatni. Kisebb darabok ólomtokokban vagy felületre szerelhető eszközökként is előállíthatók.
Diódatípusok
Néha hasznos megismerkedni a félvezető diódák osztályozásával. Egyes elemek azonban több kategóriába is tartozhatnak.
Fordított dióda. Bár nem olyan széles körben használják, ez egyfajta p-n típusú elem, amely működésében nagyon hasonlít az alagúthoz. Alacsony bekapcsolt állapotú feszültségesés jellemzi. Érzékelőkben, egyenirányítókban és nagyfrekvenciás kapcsolókban használható.
Injekciós tranzitdióda. Sok közös vonása van a gyakoribb lavinarepüléssel. Mikrohullámú generátorokban és riasztórendszerekben használják.
Dióda Gunn. Nem tartozik a p-n-típusba, hanem egy félvezető eszköz, két kivezetéssel. Általában mikrohullámú jelek generálására és konvertálására használják az 1-100 GHz-es tartományban.
A fénykibocsátó vagy LED az elektronikus alkatrészek egyik legnépszerűbb típusa. Előfeszítés esetén a csomóponton átfolyó áram fényt bocsát ki. Összetett félvezetőket (pl. gallium-arzenid, gallium-foszfid, indium-foszfid) használnak, és sokféle színben világíthatnak, bár eredetileg csak vörösre korlátozódtak. Számos új fejlesztés változtatja meg a kijelzők működését és előállítását, erre példa az OLED.
Fotódióda. Fény érzékelésére szolgál. Amikor egy foton eléri a p-n átmenetet, elektronokat és lyukakat hozhat létre. A fotodiódák jellemzően fordított előfeszítési feltételek mellett működnek, ahol a fény által keltett kis áramok is könnyen észlelhetők. A fotodiódák elektromos áram előállítására használhatók. Néha tűszerű elemeket használnak fotodetektorként.
Pin-dióda. Az elektronikus elem neve jól leírja a félvezető dióda eszközét. Szabványos p- és n-típusú régiói vannak, de van köztük egy szennyeződés nélküli belső régió. Megnöveli a kimerülési tartomány területét, ami hasznos lehet kapcsolásnál, valamint fotodiódákban stb.
A szabványos p-n átmenet normálisnak tekinthetővagy a ma használatos szabványos típusú dióda. Használhatók rádiófrekvenciás vagy más alacsony feszültségű alkalmazásokban, valamint nagyfeszültségű és nagy teljesítményű egyenirányítókban.
Schottky diódák. Alacsonyabb előremenő feszültségesésük van, mint a szabványos p-n típusú szilícium félvezetőké. Alacsony áramerősség esetén 0,15-0,4 V lehet, és nem 0,6 V, mint a szilíciumdiódáknál. Ehhez nem a szokásos módon készülnek - fém-félvezető érintkezőt használnak. Széles körben használják korlátozóként, egyenirányítóként és rádióberendezésekben.
Dióda töltésfelhalmozással. Ez egyfajta mikrohullámú dióda, amelyet nagyon magas frekvenciájú impulzusok generálására és alakítására használnak. Működése nagyon gyors kioldási karakterisztikán alapul.
Lézer dióda. Eltér a hagyományos fénykibocsátótól, mivel koherens fényt hoz létre. A lézerdiódákat számos eszközben használják, a DVD- és CD-meghajtóktól a lézermutatókig. Sokkal olcsóbbak, mint a lézerek más formái, de lényegesen drágábbak, mint a LED-ek. Korlátozott élettartamúak.
Alagútdióda. Bár ma még nem használják széles körben, korábban erősítőkben, oszcillátorokban és kapcsolókészülékekben, oszcilloszkópok időzítő áramköreiben használták, amikor hatékonyabb volt, mint a többi elem.
Varactor vagy varicap. Számos RF eszközben használják. Ennél a diódánál a fordított előfeszítés megváltoztatja a kimerítő réteg szélességét az alkalmazott feszültség függvényében. Ebben a konfigurációban azkondenzátorként működik, szigetelő dielektrikumként és a vezető tartományokból kialakított lemezek kimerülési tartományával. Feszültségvezérelt oszcillátorokban és RF szűrőkben használják.
Zener dióda. Ez egy nagyon hasznos típusú dióda, mivel stabil referenciafeszültséget biztosít. Ennek köszönhetően a zener diódát hatalmas mennyiségben használják. Fordított előfeszítés mellett működik, és egy bizonyos potenciálkülönbség elérésekor áttör. Ha az áramot ellenállás korlátozza, akkor ez stabil feszültséget biztosít. Széles körben használják a tápegységek stabilizálására. A zener-diódákban kétféle fordított bontás létezik: Zener-bontás és ütési ionizáció.
Így a különböző típusú félvezető diódák kis teljesítményű és nagy teljesítményű alkalmazásokhoz is tartalmaznak olyan elemeket, amelyek fényt bocsátanak ki és érzékelnek, alacsony előremenő feszültségeséssel és változó kapacitással. Ezen kívül számos fajtát használnak a mikrohullámú technológiában.
