Puolijohdediodeja käytetään laaj alti elektroniikassa ja elektroniikkateollisuudessa. Niitä käytetään sekä itsenäisesti että transistorien ja monien muiden laitteiden p-n-liitoksena. Erillisenä komponenttina diodit ovat keskeinen osa monia elektronisia piirejä. He löytävät monia sovelluksia pienitehoisista sovelluksista tasasuuntaajiin.
Mikä on diodi?
Kreikasta käännettynä tämän elektronisen elementin nimi tarkoittaa kirjaimellisesti "kaksi päätettä". Niitä kutsutaan anodiksi ja katodeksi. Piirissä virta kulkee anodista katodille. Puolijohdediodi on yksipuolinen elementti ja virran kulku vastakkaiseen suuntaan on estetty.
Toimintaperiaate
Puolijohdediodien laite on hyvin erilainen. Tästä syystä niitä on monia tyyppejä, jotka eroavat sekä nimellisarvoltaan että suorittamistaan toiminnoilta. Kuitenkin useimmissa tapauksissa perusperiaatepuolijohdediodien toiminta on sama. Ne sisältävät p-n-liitoksen, joka tarjoaa niiden perustoiminnot.
Tätä termiä käytetään yleensä viitattaessa diodin vakiomuotoon. Itse asiassa se pätee melkein kaikkiin niistä. Diodit muodostavat modernin elektroniikkateollisuuden selkärangan. Kaikki - yksinkertaisista elementeistä ja transistoreista nykyaikaisiin mikroprosessoreihin - perustuu puolijohteisiin. Puolijohdediodin toimintaperiaate perustuu puolijohteiden ominaisuuksiin. Tekniikka perustuu materiaaliryhmään, jonka epäpuhtauksien lisääminen kidehilaan mahdollistaa alueiden, joissa aukot ja elektronit ovat varauksenkantajia.
P-n-risteys
P-n-tyypin diodi sai nimensä, koska se käyttää p-n-liitosta, joka mahdollistaa virran kulkemisen vain yhteen suuntaan. Elementillä on myös muita laaj alti käytettyjä ominaisuuksia. Esimerkiksi puolijohdediodit voivat lähettää ja havaita valoa, muuttaa kapasitanssia ja säätää jännitettä.
P-n-liitos on peruspuolijohderakenne. Kuten nimestä voi päätellä, se on p- ja n-tyypin alueiden välinen liitos. Siirtymä mahdollistaa varauksenkuljettajien liikkumisen vain yhteen suuntaan, mikä mahdollistaa esimerkiksi vaihtovirran muuntamisen tasavirraksi.
Vakiodiodit valmistetaan yleensä piistä, vaikka myös germaniumia ja muita puolijohdemateriaaleja käytetään pääasiassa erikoistarkoituksiin.
Volt-ampeerin ominaisuus
Diodille on ominaista virta-jännite-käyrä, joka voidaan jakaa kahteen haaraan: eteenpäin ja taaksepäin. Vastakkaisessa suunnassa vuotovirta on lähellä nollaa, mutta jännitteen kasvaessa se hitaasti kasvaa ja kun läpilyöntijännite saavutetaan, se alkaa nousta voimakkaasti. Eteenpäin virta nousee nopeasti syötetyllä jännitteellä yli johtavuuskynnyksen, joka on piidiodilla 0,7 V ja germaniumilla 0,4 V. Eri materiaaleja käyttävillä kennoilla on erilaiset jännite-ampeeriominaisuudet sekä johtavuuskynnys ja läpilyöntijännitteet.
P-n-liitosdiodia voidaan pitää perustason laitteena. Sitä käytetään laajasti monissa sovelluksissa signaalipiireistä ja ilmaisimista induktio- tai relekäämissä oleviin rajoittimiin tai transienttisuojaimiin ja suuritehoisiin tasasuuntaajiin.
Ominaisuudet ja parametrit
Diodien tekniset tiedot tarjoavat paljon tietoa. Tarkkoja selityksiä siitä, mitä ne ovat, ei kuitenkaan aina ole saatavilla. Alla on yksityiskohtaiset tiedot diodin eri ominaisuuksista ja parametreista, jotka on annettu teknisissä tiedoissa.
Puolijohdemateriaali
P-n-liitoksissa käytetty materiaali on äärimmäisen tärkeää, koska se vaikuttaa moniin puolijohdediodien perusominaisuuksiin. Pii on laajimmin käytetty korkean hyötysuhteensa ja alhaisten tuotantokustannustensa vuoksi. Toinen usein käytettyalkuaine on germanium. Erikoisdiodeissa käytetään tyypillisesti muita materiaaleja. Puolijohdemateriaalin valinta on tärkeä, koska se määrittää johtavuuden kynnyksen - noin 0,6 V piille ja 0,3 V germaniumille.
Jännitehäviö tasavirtatilassa (U pr.)
Mikä tahansa sähköpiiri, jonka läpi virta kulkee, aiheuttaa jännitehäviön, ja tämä puolijohdediodin parametri on erittäin tärkeä, erityisesti tasasuuntauksen kann alta, kun tehohäviöt ovat verrannollisia U aveen. Lisäksi elektroniikkakomponentit joutuvat usein antaa pienen jännitehäviön, koska signaalit voivat olla heikkoja, mutta niiden on silti voitettava se.
Tämä tapahtuu kahdesta syystä. Ensimmäinen on p-n-liitoksen luonteessa ja on seurausta johtavuuskynnysjännitteestä, joka sallii virran kulkea tyhjennyskerroksen yli. Toinen komponentti on normaali resistiivinen häviö.
Osoitin on erittäin tärkeä tasasuuntausdiodeille, jotka voivat kuljettaa suuria virtoja.
Käänteisen jännitteen huippu (U arr. max)
Tämä on suurin käänteinen jännite, jonka puolijohdediodi voi kestää. Sitä ei saa ylittää, muuten elementti voi epäonnistua. Se ei ole vain tulosignaalin RMS-jännite. Jokaista piiriä on tarkasteltava sen ansioiden perusteella, mutta yksinkertaisen yhden puolia altotasasuuntaajan, jossa on tasoituskondensaattori, muista, että kondensaattorissa on jännite, joka on yhtä suuri kuin tulon huippusignaali. Diodiin kohdistuu sitten tulevan signaalin huippu päinvastaisessa suunnassa, ja siksi näissä olosuhteissa suurin vastajännite on yhtä suuri kuin aallon huippuarvo.
Enimmäisvirta eteenpäin (U pr. max)
Kun suunnittelet sähköpiiriä, varmista, että diodin maksimivirtatasot eivät ylity. Virran kasvaessa syntyy lisälämpöä, joka on poistettava.
Vuotovirta (I arr.)
Ihanteellisessa diodissa ei pitäisi olla käänteistä virtaa. Mutta todellisissa p-n-liitoksissa se johtuu vähemmistövarauksen kantajien läsnäolosta puolijohteessa. Vuotovirran määrä riippuu kolmesta tekijästä. Ilmeisesti merkittävin niistä on käänteinen jännite. Myös vuotovirta riippuu lämpötilasta - sen kasvun myötä se kasvaa merkittävästi. Lisäksi se riippuu suuresti puolijohdemateriaalin tyypistä. Tässä suhteessa pii on paljon parempi kuin germanium.
Vuotovirta määritetään tietyllä käänteisjännitteellä ja tietyssä lämpötilassa. Se ilmoitetaan yleensä mikroampeereina (ΜA) tai pikoampeereina (pA).
Siirtymäkapasitanssi
Kaikissa puolijohdediodeissa on liitoskapasitanssi. Tyhjennysvyöhyke on dielektrinen este kahden levyn välillä, jotka muodostuvat tyhjennysalueen reunaan ja alueen, jossa on v altaosa varauksenkantajista. Todellinen kapasitanssiarvo riippuu käänteisjännitteestä, mikä johtaa muutokseen siirtymävyöhykkeessä. Sen kasvu laajentaa ehtymisvyöhykettä ja sitenvähentää kapasiteettia. Tätä tosiasiaa hyödynnetään varaktoreissa tai varicapsissa, mutta muissa sovelluksissa, erityisesti RF-sovelluksissa, tämä vaikutus on minimoitava. Parametri määritellään yleensä pF:nä tietyllä jännitteellä. Moniin RF-sovelluksiin on saatavana erityisiä matalaresistanssisia diodeja.
Tapaustyyppi
Puolijohdediodeja valmistetaan käyttötarkoituksesta riippuen erityyppisissä ja -muotoisissa pakkauksissa. Joissakin tapauksissa, erityisesti käytettäessä signaalinkäsittelypiireissä, paketti on avaintekijä määritettäessä kyseisen elektronisen elementin yleisiä ominaisuuksia. Tehopiireissä, joissa lämmönpoisto on tärkeää, paketti voi määrittää monia diodin yleisiä parametreja. Suuritehoiset laitteet on voitava kiinnittää jäähdytyselementtiin. Pienemmät tuotteet voidaan valmistaa lyijykoteloissa tai pinta-asennuslaitteina.
Diodityypit
Joskus on hyödyllistä tutustua puolijohdediodien luokitukseen. Jotkut kohteet voivat kuitenkin kuulua useisiin luokkiin.
Käänteinen diodi. Vaikka se ei ole niin laaj alti käytetty, se on eräänlainen p-n-tyyppinen elementti, joka on toiminn altaan hyvin samanlainen kuin tunneli. Ominaisuudet pieni jännitteen pudotus. Löytyy käyttöä ilmaisimissa, tasasuuntaajissa ja suurtaajuuskytkimissä.
Injektiosiirtodiodi. Sillä on paljon yhteistä yleisemmän lumivyörylentämisen kanssa. Käytetään mikroa altogeneraattoreissa ja hälytysjärjestelmissä.
Diodi Gunn. Se ei kuulu p-n-tyyppiin, vaan se on puolijohdelaite, jossa on kaksi liitintä. Sitä käytetään yleisesti mikroa altosignaalien tuottamiseen ja muuntamiseen 1-100 GHz:n alueella.
Light emitting eli LED on yksi suosituimmista elektroniikkakomponenteista. Myötäsuuntaisessa biasissa liitoksen läpi kulkeva virta aiheuttaa valon säteilemistä. Ne käyttävät yhdistepuolijohteita (esim. galliumarsenidi, galliumfosfidi, indiumfosfidi) ja voivat hehkua useissa eri väreissä, vaikka ne alun perin rajoittuivat vain punaiseen. On olemassa monia uusia kehityssuuntia, jotka muuttavat näyttöjen toimintaa ja tuotantoa, esimerkkinä OLED.
Photodiodi. Käytetään valon havaitsemiseen. Kun fotoni osuu p-n-liitokseen, se voi luoda elektroneja ja reikiä. Valodiodit toimivat tyypillisesti käänteisissä bias-olosuhteissa, joissa pienetkin valon synnyttämät virrat voidaan havaita helposti. Valodiodeja voidaan käyttää sähkön tuottamiseen. Joskus valotunnistimina käytetään pin-tyyppisiä elementtejä.
Pin-diodi. Elektronisen elementin nimi kuvaa hyvin puolijohdediodin laitetta. Siinä on standardinmukaiset p- ja n-tyypin alueet, mutta niiden välissä on sisäinen alue ilman epäpuhtauksia. Se lisää tyhjennysalueen pinta-alaa, mikä voi olla hyödyllistä vaihdossa sekä valodiodeissa jne.
Standardista p-n-risteystä voidaan pitää normaalinatai nykyään käytössä oleva standardi diodi. Niitä voidaan käyttää RF- tai muissa pienjännitesovelluksissa sekä suurjännite- ja suurtehotasasuuntaajissa.
Schottky-diodit. Niillä on pienempi eteenpäin suunnattu jännitehäviö kuin tavallisissa p-n-tyypin piipuolijohteissa. Pienillä virroilla se voi olla 0,15 - 0,4 V, ei 0,6 V, kuten piidiodeissa. Tätä varten niitä ei tehdä tavalliseen tapaan - ne käyttävät metalli-puolijohdekontaktia. Niitä käytetään laaj alti rajoittimina, tasasuuntaajina ja radiolaitteissa.
Diodi varauksen kertymällä. Se on eräänlainen mikroa altodiodi, jota käytetään tuottamaan ja muotoilemaan pulsseja erittäin korkeilla taajuuksilla. Sen toiminta perustuu erittäin nopeaan laukaisuominaisuuteen.
Laserdiodi. Se eroaa tavallisesta valoa emittoivasta, koska se tuottaa koherenttia valoa. Laserdiodeja käytetään monissa laitteissa DVD- ja CD-asemista laserosoittimiin. Ne ovat paljon halvempia kuin muut laserit, mutta huomattavasti kalliimpia kuin LEDit. Niiden käyttöikä on rajoitettu.
Tunneldiodi. Vaikka sitä ei käytetä nykyään laaj alti, sitä käytettiin aiemmin vahvistimissa, oskillaattorissa ja kytkinlaitteissa, oskilloskoopin ajoituspiireissä, jolloin se oli muita elementtejä tehokkaampi.
Varactor tai varikap. Käytetään monissa RF-laitteissa. Tämän diodin käänteinen esijännite muuttaa tyhjennyskerroksen leveyttä käytetyn jännitteen mukaan. Tässä kokoonpanossa setoimii kondensaattorina, jonka tyhjennysalue toimii eristävänä dielektrisenä ja johtavien alueiden muodostamina levyinä. Käytetään jänniteohjatuissa oskillaattorissa ja RF-suodattimissa.
Zener-diodi. Se on erittäin hyödyllinen diodityyppi, koska se tarjoaa vakaan vertailujännitteen. Tästä johtuen zener-diodia käytetään v altavia määriä. Se toimii käänteisessä bias-olosuhteissa ja murtuu, kun tietty potentiaaliero saavutetaan. Jos virtaa rajoittaa vastus, tämä tarjoaa vakaan jännitteen. Käytetään laajasti virtalähteiden stabilointiin. Zener-diodeissa on 2 tyyppistä käänteistä hajoamista: Zener-hajoaminen ja iskuionisaatio.
Siksi erityyppiset puolijohdediodit sisältävät elementtejä pienitehoisiin ja suuritehoisiin sovelluksiin, jotka lähettävät ja havaitsevat valoa, pienellä eteenpäin suunnatulla jännitehäviöllä ja muuttuvalla kapasitanssilla. Tämän lisäksi mikroa altouunissa käytetään useita lajikkeita.
