Princip činnosti a rozsah polovodičových diod

Dioda je elektronické zařízení se dvěma (někdy i třemi) elektrodami s jednosměrnou vodivostí. Elektroda připojená ke kladnému pólu zařízení se nazývá anoda a elektroda připojená k zápornému pólu se nazývá katoda. Pokud je na zařízení přivedeno stejnosměrné napětí, pak je v otevřeném stavu, ve kterém je odpor nízký a proud teče bez překážek. Pokud je přivedeno zpětné napětí, je zařízení kvůli vysokému odporu uzavřeno. Zpětný proud je přítomen, ale je tak malý, že se běžně předpokládá, že je nulový.

Obecná klasifikace

Diody se dělí do velkých skupin – nepolovodičové a polovodičové.

Nepolovodičové

Jednou z nejstarších odrůd jsou elektronkové (elektrické vakuové) diody. Jsou to rádiové elektronky se dvěma elektrodami, z nichž jedna je vyhřívaná vláknem. V otevřeném stavu se náboje přesouvají z povrchu žhavené katody k anodě. Při opačném směru pole přejde zařízení do zavřené polohy a neprochází prakticky žádný proud.

Dalším typem nepolovodičových součástek jsou plynem plněné, z nichž se dnes používají pouze modely s obloukovým výbojem. Gastrony (zařízení s tepelnými katodami) jsou plněny inertními plyny, rtuťovými parami nebo parami jiných kovů. Speciální oxidové anody používané v plynem plněných diodách jsou schopny odolat vysokému proudovému zatížení.

Polovodič

Polovodičová zařízení jsou založena na principu pn přechodu. Existují dva typy polovodičů – typ p a typ n. Polovodiče typu P se vyznačují přebytkem kladných nábojů a polovodiče typu n přebytkem záporných nábojů (elektronů). Pokud jsou polovodiče těchto dvou typů umístěny vedle sebe, pak blízko hranice, která je odděluje, existují dvě úzké nabité oblasti, které se nazývají pn přechod. Takové zařízení se dvěma typy polovodičů s různou vodivostí nečistot (neboli polovodič a kov) a pn přechodem se nazývá polovodičová dioda. Právě polovodičová diodová zařízení jsou v moderních zařízeních pro různé účely nejvíce žádaná. Pro různé oblasti použití bylo vyvinuto mnoho modifikací takových zařízení.

Typy diod podle velikosti přechodu

Na základě velikosti a charakteru pn přechodu se rozlišují tři typy zařízení – rovinné, bodové a mikroslitiny.

Rovinné části představují jednu polovodičovou destičku, ve které jsou dvě oblasti s různou vodivostí nečistot. Nejoblíbenější produkty jsou vyrobeny z germania a křemíku. Výhodou těchto modelů je schopnost pracovat při významných stejnosměrných proudech a v podmínkách vysoké vlhkosti. Vzhledem ke své vysoké kapacitě bariéry mohou pracovat pouze při nízkých frekvencích. Jejich hlavní aplikací jsou střídavé usměrňovače instalované v napájecích zdrojích. Tyto modely se nazývají usměrňovače.

Bodové diody mají extrémně malou plochu přechodu pn a jsou přizpůsobeny pro práci s nízkými proudy. Vysokofrekvenční se jim říká proto, že se používají hlavně k převodu modulovaných kmitů významné frekvence.

Modely mikroslitin se získávají fúzí monokrystalů polovodičů typu p a n. Podle principu činnosti jsou taková zařízení rovinná, ale jejich vlastnosti jsou podobné bodovým.

Materiály pro výrobu diod

Při výrobě diod se používá křemík, germanium, arsenid gallia, fosfid india a selen. Nejběžnější jsou první tři materiály.

Čištěný křemík je relativně levný a snadno zpracovatelný materiál, který je nejrozšířenější. Křemíkové diody jsou vynikající diody pro všeobecné použití. Jejich předpětí je 0,7 V. U germaniových diod je tato hodnota 0,3 V. Germanium je vzácnější a dražší materiál. Proto se germaniová zařízení používají v případech, kdy křemíková zařízení nemohou účinně zvládnout technický úkol, například v nízkoenergetických a přesných elektrických obvodech.

Typy diod podle frekvenčního rozsahu

Podle provozní frekvence se diody dělí na:

• nízká frekvence – do 1 kHz;
• vysokofrekvenční a ultravysokofrekvenční – do 600 MHz, na takovýchto frekvencích se používají především bodová zařízení; Kapacita přechodu by měla být nízká – ne více než 1-2 pF; účinné v širokém rozsahu frekvencí, včetně nízkých frekvencí, proto jsou univerzální;
• Pulzní diody se používají v obvodech, ve kterých je základním faktorem vysoká rychlost. Podle výrobní technologie se tyto modely dělí na bodové, slitinové, svařované a difúzní.

Typy diod podle typu konstrukce

Zenerovy diody (Zenerovy diody)

Zenerovy diody (Zenerovy diody) jsou schopny zachovat výkonnostní charakteristiky v režimu elektrického průrazu. Nízkonapěťová zařízení (napětí do 5,7 V) využívají tunelový průraz a vysokonapěťová zařízení využívají lavinový průraz. Stabilizátory zajišťují stabilizaci nízkého napětí.

Stabilizátory

Stabistor neboli normistor je polovodičová dioda, ve které se přímá větev charakteristiky proud-napětí používá ke stabilizaci napětí (tedy v oblasti propustného předpětí napětí na stabistoru slabě závisí na proudu). Charakteristickým rysem stabilizátorů oproti zenerovým diodám je jejich nižší stabilizační napětí (cca 0,7–2 V).

Schottkyho diody

Schottkyho diody jsou zařízení používaná jako usměrňovače, násobiče a ladicí zařízení, fungují na bázi kontaktu kov-polovodič. Konstrukčně se jedná o destičky vyrobené z nízkoodporového křemíku, na které je nanesen vysoce odolný film se stejným typem vodivosti. Na film je vakuově nastříkána kovová vrstva.

Varicaps

Varikapy plní funkce kapacity, jejíž hodnota se mění se změnami napětí. Hlavní charakteristikou tohoto zařízení je kapacitní napětí.

Tunelové diody

Tyto polovodičové diody mají klesající podíl na charakteristice proud-napětí, ke kterému dochází v důsledku tunelovacího efektu. Modifikací tunelového zařízení je reverzní dioda, ve které je záporná odporová větev slabě vyjádřena nebo chybí. Zpětná větev zpětné diody odpovídá přední větvi tradičního diodového zařízení.

Tyristory

Na rozdíl od klasické diody má tyristor kromě anody a katody ještě třetí řídicí elektrodu. Tyto modely se vyznačují dvěma stabilními stavy – otevřeným a uzavřeným. Tyto části se na základě konstrukce dělí na dinistory, tyristory a triaky. Při výrobě těchto produktů se používá především křemík.

triaky

Triaky (symetrické tyristory) jsou typem tyristoru, který se používá pro spínání ve střídavých obvodech. Na rozdíl od tyristoru, který má katodu a anodu, je nesprávné nazývat hlavní (výkonové) svorky triaku katodou nebo anodou, protože vzhledem ke struktuře triaku jsou obě současně. Triak zůstává otevřený tak dlouho, dokud proud protékající hlavními svorkami překročí určitou hodnotu nazývanou přídržný proud.

dinisté

Dinistor neboli diodový tyristor je zařízení, které neobsahuje řídicí elektrody. Místo toho jsou řízeny napětím aplikovaným mezi hlavní elektrody. Jejich hlavní aplikací je ovládání výkonných zátěží pomocí slabých signálů. Dinistory se také používají při výrobě spínacích zařízení.

Diodové můstky

Diodové můstky jsou 4, 6 nebo 12 diod, které jsou vzájemně propojeny. Počet diodových prvků je dán typem obvodu, který může být jednofázový, třífázový, celomůstkový nebo polomůstkový. Můstky plní funkci usměrnění proudu. Často se používá v generátorech automobilů.

Fotodiody

Navrženo pro přeměnu světelné energie na elektrický signál. Princip fungování je podobný jako u solárních baterií.

LED diody

Tato zařízení po připojení k elektrickému proudu vyzařují světlo. LED diody, které mají širokou škálu barev a výkonu luminiscence, se používají jako indikátory v různých zařízeních, zářiče světla v optočlenech a používají se v mobilních telefonech pro podsvícení klávesnice. Vysoce výkonná zařízení jsou žádaná jako moderní světelné zdroje v lucernách.

Infračervené diody

Infračervené diody jsou typem LED, které vyzařují světlo v infračerveném rozsahu. Používá se v bezkabelových komunikačních linkách, přístrojovém vybavení, zařízeních dálkového ovládání a ve video monitorovacích kamerách pro sledování území v noci. Infračervená zařízení generují světlo v rozsahu, který není viditelný pro lidské oko. Můžete to zjistit pomocí fotoaparátu mobilního telefonu.

Gunnovy diody

Tento typ mikrovlnné diody je vyroben z polovodičového materiálu se složitou strukturou vodivostního pásu. Typicky se při výrobě těchto zařízení používá arsenid gallia s elektronickou vodivostí. V tomto zařízení není žádný pn přechod, to znamená, že charakteristiky zařízení jsou vlastní a nevznikají na hranici spojení dvou různých polovodičů.

Magnetodody

V takových zařízeních se charakteristika proudového napětí mění pod vlivem magnetického pole. Zařízení se používají v bezkontaktních tlačítkách určených pro zadávání informací, pohybových senzorech, zařízeních pro sledování a měření neelektrických veličin.

Laserové diody

Tato zařízení, která mají složitou krystalovou strukturu a složitý princip fungování, poskytují vzácnou příležitost generovat laserový paprsek v každodenních podmínkách. Díky svému vysokému optickému výkonu a široké funkčnosti jsou zařízení účinná ve vysoce přesných měřicích přístrojích pro domácí, lékařské a vědecké aplikace.

Lavinové a lavinové tranzitní diody

Principem činnosti zařízení je lavinové zmnožení nosičů náboje při zpětném předpětí pn přechodu a jejich překonání letového prostoru v určitém časovém úseku. Jako výchozí materiály se používá arsenid galia nebo křemík. Zařízení jsou navržena především k produkci ultravysokofrekvenčních oscilací.

PIN diody

Zařízení PIN mezi oblastmi p a n mají svůj vlastní nedopovaný polovodič (oblast i). Široká nedopovaná oblast neumožňuje použití tohoto zařízení jako usměrňovače. PIN diody jsou však široce používány jako směšovací, detektorové, parametrické, spínací, omezovací, ladicí a generátorové diody.

triody

Triody jsou elektronky. Má tři elektrody: termionickou katodu (přímou nebo nepřímo vyhřívanou), anodu a řídicí mřížku. Dnes byly triody téměř zcela nahrazeny polovodičovými tranzistory. Výjimkou jsou oblasti, kde je potřeba konverze signálů s frekvencí řádově stovky MHz – GHz vysokého výkonu s malým počtem aktivních součástek a rozměry a hmotnost nemají velký význam.

Oblasti použití diod

Moderní výrobci nabízejí širokou škálu diod přizpůsobených pro konkrétní aplikace.

Usměrňovací diody

Usměrňovací diody se používají k usměrnění sinusoidy střídavého proudu. Jejich princip činnosti je založen na vlastnosti zařízení přejít při zpětném předpětí do uzavřeného stavu. V důsledku činnosti diodového zařízení jsou odříznuty záporné půlvlny proudové sinusoidy. Na základě ztrátového výkonu, který závisí na nejvyšším povoleném propustném proudu, se usměrňovací diody dělí na tři typy – nízkopříkonové, středně výkonné a vysoce výkonné.

• Nízkoproudé diody lze použít v obvodech, ve kterých proud nepřesahuje 0,3 A. Výrobky jsou lehké a kompaktní, protože jejich pouzdro je vyrobeno z polymerních materiálů.
• Diody středního výkonu mohou pracovat v proudovém rozsahu 0,3-10,0 A. Ve většině případů mají kovové pouzdro a pevné přívody. Vyrábějí se převážně z čištěného křemíku. Na straně katody je vytvořen závit pro fixaci na chladiči.
• Výkonné (výkonové) diody pracují v obvodech s proudem větším než 10 A. Jejich pouzdra jsou vyrobena z kovokeramického a kovoskla. Design – pin nebo tablet. Výrobci nabízejí modely určené pro proudy do 100 000 A a napětí do 6 kV. Jsou vyrobeny převážně z křemíku.

Diodové detektory

Taková zařízení se získávají kombinací diod s kondenzátory v obvodu. Jsou navrženy tak, aby extrahovaly nízké frekvence z modulovaných signálů. Přítomný ve většině domácích zařízení – rádia a televize. Fotodiody se používají jako detektory záření, převádějící světlo dopadající na fotocitlivou oblast na elektrický signál.

Omezovací zařízení

Ochranu proti přetížení zajišťuje řetězec několika diod, které jsou připojeny na napájecí sběrnice v opačném směru. Za standardních provozních podmínek jsou všechny diody zavřené. Když však napětí překročí přípustný cíl, spustí se jeden z ochranných prvků.

Diodové spínače

Spínače jsou kombinací diod, které se používají k okamžité změně vysokofrekvenčních signálů. Takový systém je řízen stejnosměrným elektrickým proudem. Vysokofrekvenční a řídicí signály jsou odděleny pomocí kondenzátorů a tlumivek.

Diodová ochrana proti jiskrám

Účinná ochrana proti jiskrám je vytvořena kombinací napěťově omezující bočníkové diodové bariéry s proudově omezujícími odpory.

Parametrické diody

Používají se v parametrických zesilovačích, které jsou podtypem rezonančních regeneračních zesilovačů. Princip činnosti je založen na fyzikálním efektu, který spočívá v tom, že když signály o různých frekvencích dorazí na nelineární kapacitu, část výkonu jednoho signálu může být směrována ke zvýšení výkonu jiného signálu. Prvek navržený tak, aby obsahoval nelineární kapacitu, je parametrická dioda.

Směšovací diody

Směšovací zařízení se používají k transformaci mikrovlnných signálů na mezifrekvenční signály. Transformace signálu se provádí díky nelinearitě parametrů směšovací diody. Jako směšovací mikrovlnné diody se používají zařízení se Schottkyho bariérou, varikapy, reverzní diody a Mottovy diody.

Multiplikační diody

Tato mikrovlnná zařízení se používají v násobičích frekvence. Mohou pracovat v rozsahu vlnových délek decimetrů, centimetrů a milimetrů. Jako multiplikační zařízení se zpravidla používají zařízení na bázi křemíku a arsenidu galia, často se Schottkyho jevem.

Ladicí diody

Princip činnosti ladicích diod je založen na závislosti bariérové ​​kapacity pn přechodu na hodnotě zpětného napětí. Jako ladicí zařízení se používají zařízení z křemíku a arsenidu galia. Tyto části se používají v zařízeních pro ladění frekvence v mikrovlnném rozsahu.

Generátorové diody

Pro generování signálů v mikrovlnném rozsahu jsou požadovány dva hlavní typy zařízení: lavinové diody a Gunnovy diody. Některé generátorové diody, když jsou zapnuty v určitém režimu, mohou vykonávat funkce multiplikačních zařízení.

Označení diod

Označení polovodičových diodových součástek zahrnuje čísla a písmena/

• První písmeno charakterizuje výchozí materiál. Například K – křemík, G – germanium, A – arsenid galia, I – fosfid india.
• Druhé písmeno je třída nebo skupina diody.
• Třetí prvek, obvykle digitální, označuje použití a elektrické vlastnosti modelu.
• Čtvrtým prvkem je písmeno jedna (od A do Z), které označuje možnost vývoje.

Příklad: KD202K – křemíková usměrňovací difúzní dioda.

polovodičová dioda, dvouelektrodové elektronické zařízení vyrobené na bázi polovodičového krystalu; druh polovodičového zařízení. Koncept „polovodičové diody“ spojuje zařízení s různými principy činnosti a mající různé účely. Působení polovodičové diody je způsobeno vlastnostmi buď přechodu elektron-díra nebo kontaktu kov-polovodič (Schottkyho diody), nebo objemovým efektem doménové nestability homogenního polovodiče (diody s intervalovým elektronovým přechodem).

Nejrozšířenější jsou polovodičové diody, jejichž činnost je založena na použití p–n přechodu. Pokud k p–n-aplikujte napětí na přechod diody v propustném směru, když je kladný pól napájecího zdroje připojen k oblasti р-typ a negativní – s plochou n-typ, pak se potenciálová bariéra přechodu zmenšuje a diodou protéká velký propustný proud. Při použití napětí s obrácenou polaritou se potenciálová bariéra zvětší p–n-přechod teče jen velmi malý menšinový nosný proud (zpětný proud). Proudově-napěťová charakteristika polovodičové struktury s p–n-přechod je asymetrický. Tato vlastnost je základem pro činnost usměrňovacích polovodičových diod určených k přeměně střídavého proudu (s frekvencí obvykle do 5 kHz) na stejnosměrný proud. Frekvenční limit usměrňovací polovodičové diody je omezen setrvačností určenou životností minoritních nosičů náboje. Pro usměrňovací zařízení a jiné silnoproudé elektrické obvody se vyrábějí usměrňovací polovodičové diody, které mají přípustný usměrněný proud do 300 A a maximální přípustné zpětné napětí U_arr až několik kilovoltů. Vychovat U_arr do několika desítek kilovoltů se používají usměrňovací kolony.

Dopování polovodičů nečistotami (především zlatem) umožnilo výrazně snížit životnost nosičů náboje a vytvořit vysokorychlostní pulzní polovodičové diody (s dobou sepnutí 10–7–10–10 s), určené především pro provoz ve spínací režim elektrických obvodů.

Při určitých zpětných (tzv. průrazných) napětích v p–n-přechod, dojde k elektrickému průrazu, vedoucímu k prudkému nárůstu proudu s téměř konstantním napětím na polovodičové diodě. Tento efekt je základem pro činnost polovodičových zenerových diod, používaných zejména ve stabilizátorech a omezovačích stejnosměrného a pulzního napětí, jako zdroj referenčního napětí a v potenciometrických zařízeních.

Setrvačnost ve vývoji lavinového rozpadu v p–n-přechod způsobuje vznik záporného rozdílového odporu v mikrovlnném rozsahu spojeného s fázovým posunem mezi proudem a napětím v diodě. Tento princip je základem činnosti lavinových diod používaných ke generování mikrovlnných oscilací, jejichž frekvenční limit dosahuje 150 GHz. Lavinový rozpad p–n-přechod je doprovázen výraznými výkyvy, vedoucími k velkému množství šumu, čehož se využívá u šumových diod.

Polovodičový přechod při použití zpětného napětí (nepřesahujícího U_arr) se chová jako kondenzátor, kapacita C_Б který závisí na použitém napětí. Této vlastnosti se využívá u varikapů používaných pro elektronické ladění rezonančních frekvencí oscilačních obvodů, v parametrických mikrovlnných diodách používaných k zesílení amplitudy signálu, v násobicích mikrovlnných diodách k násobení frekvence signálu. Polovodičové mikrovlnné diody používané pro detekci a konverzi elektrických signálů v mikrovlnném rozsahu (mikrovlnné detektorové diody, mikrovlnné směšovací diody atd.) se obvykle montují přímo do vlnovodných systémů, což klade určité požadavky na konstrukci takových diod, jakož i na volba struktury a geometrie polovodičového krystalu. Ve většině případů se jedná o bodové diody s kov-polovodičovým usměrňovacím kontaktem. Zmenšení plochy p–n-přechody a použití konstrukce se Schottkyho bariérou poskytují nízkou hodnotu kapacity C_Б takové polovodičové diody. Pro získání nízkého odporu báze r_б (hlavní zdroj aktivních ztrát) se obvykle na původní polovodičový wafer s nízkým odporem (substrát) nanáší tenká vrstva vysokoodporového polovodiče metodou epitaxního růstu. Pro řízení úrovně výkonu v mikrovlnných přenosových vedeních se používají spínací mikrovlnné diody, jejichž činnost je založena na prudké změně jejich elektrického odporu při změně polarity vstupního napětí, a dále omezovací diody.

Mezi polovodičové mikrovlnné diody patří také tunelové diody a reverzní diody, jejichž působení je založeno na tunelovém efektu, ke kterému dochází v p–n– křižovatka o šířce ne větší než 10–2 mikronů. Praktická setrvačnost těchto zařízení v mikrovlnném rozsahu zajišťuje úspěšný provoz tunelových diod ve vysokorychlostních pulzních zařízeních (multivibrátory, spouštěče atd.), v zesilovačích a generátorech elektrických kmitů a reverzních diodách – jako detektory a směšovače mikrovlnných signály.

Speciální skupina polovodičových diod (neobsahující p–n-junction) jsou diody s intervalovým přechodem elektronů (Gunnovy diody), u kterých se v důsledku zvláštností pásové struktury určité třídy polovodičů (hlavně GaAs, InP) vyskytuje v silném elektrickém poli záporná diferenciální vodivost. Gunnovy diody se používají k zesílení a generování mikrovlnných oscilací s frekvencí až 100 GHz.

Vlastnost fotonů a jaderných částic vytvářet páry elektron-díra a tím zvyšovat zpětný proud p–n-přechod při pohlcení záření v aktivní oblasti polovodičového krystalu, přímo sousedící s přechodem, tvoří základ fotodiod a polovodičových detektorů jaderného záření. Optimální pro tento typ diody je kolík– struktura, jejíž vlastnosti jsou do značné míry podobné těm p–n-přechod. Radiační rekombinace elektronů a děr za podmínek průtoku p–n-dopředný proudový přechod, charakteristický pro některé polovodičové struktury, se používá u emisních diod a polovodičových laserů, které lze také zařadit mezi polovodičové diody. Emisní spektrum je určeno zakázaným pásmem polovodiče a navíc dopingovými nečistotami, které tvoří centra radiační rekombinace.

Mezi polovodičové diody patří i neřízené čtyřvrstvé p–n–p–n-struktura; taková zařízení se nazývají dinistory.

Planární technologie je široce používána pro výrobu polovodičových diod a rozšířily se různé technologické metody (fúze, difúze, epitaxní růst atd.). Jako polovodičové materiály se používají především křemík a germanium, polovodiče skupiny A Ⅲ – B Ⅴ (například GaAs, GaP, InP) a jejich tuhé roztoky, jako kontaktní materiály – zlato, hliník, cín, nikl, měď. Pro ochranu polovodičového čipu bývá polovodičová dioda umístěna v kov-skleněném, kovokeramickém, skleněném nebo plastovém pouzdře.

S rozvojem polovodičové elektroniky se přešlo k výrobě (spolu s diskrétními polovodičovými diodami) diodových struktur v polovodičových monolitických integrovaných obvodech a funkčních zařízeních.

Polovodičové diody se od svých elektrických vakuových analogů (například kenotron, zenerova dioda s plynovou výbojkou) liší zpravidla výrazně vyšší spolehlivostí a životností, menšími celkovými rozměry a hmotností, lepšími technickými vlastnostmi, nižší cenou a proto je ve většině případů nahrazují. oblastí. Polovodičové diody se používají v radioelektronice, elektrotechnice, výpočetní technice a automatizaci; používané v zařízeních pro přenos a zobrazování informací atd.

Aladinský Vladimír Konstantinovič. První publikace: Elektronika: encyklopedický slovník, 1991.

Publikováno 23. listopadu 2023 v 10:54 (GMT+3). Poslední aktualizace 23. listopadu 2023 v 10:54 (GMT+3). Kontaktujte redakci