Pusvadītāju diodes plaši izmanto elektronikā un elektronikas rūpniecībā. Tos izmanto gan neatkarīgi, gan kā tranzistoru un daudzu citu ierīču p-n-pāreju. Diodes kā atsevišķa sastāvdaļa ir daudzu elektronisko shēmu galvenā sastāvdaļa. Viņi atrod daudzus lietojumus, sākot no mazjaudas lietojumprogrammām līdz taisngriežiem.
Kas ir diode?
Tulkojumā no grieķu valodas šī elektroniskā elementa nosaukums burtiski nozīmē "divi termināļi". Tos sauc par anodu un katodu. Ķēdē strāva plūst no anoda uz katodu. Pusvadītāju diode ir vienpusējs elements, un strāvas plūsma pretējā virzienā ir bloķēta.
Darbības princips
Pusvadītāju diožu ierīce ir ļoti atšķirīga. Šī iemesla dēļ ir daudz to veidu, kas atšķiras gan pēc nominālvērtības, gan pēc veiktajām funkcijām. Tomēr vairumā gadījumu pamatprincipspusvadītāju diožu darbība ir tāda pati. Tie satur p-n savienojumu, kas nodrošina to pamata funkcionalitāti.
Šis termins parasti tiek lietots, atsaucoties uz diodes standarta formu. Faktiski tas attiecas uz gandrīz jebkura veida tiem. Diodes veido mūsdienu elektronikas nozares mugurkaulu. Viss – no vienkāršiem elementiem un tranzistoriem līdz moderniem mikroprocesoriem – ir balstīts uz pusvadītājiem. Pusvadītāju diodes darbības princips ir balstīts uz pusvadītāju īpašībām. Tehnoloģijas pamatā ir materiālu grupa, kuras kristāliskā režģī piemaisījumu ievadīšana ļauj iegūt apgabalus, kuros caurumi un elektroni ir lādiņa nesēji.
P-n-junction
P-n-tipa diode ieguva savu nosaukumu, jo tā izmanto p-n savienojumu, kas ļauj strāvai plūst tikai vienā virzienā. Elementam ir arī citas īpašības, kuras arī tiek plaši izmantotas. Pusvadītāju diodes, piemēram, var izstarot un noteikt gaismu, mainīt kapacitāti un regulēt spriegumu.
P-n-pāreja ir pusvadītāju pamatstruktūra. Kā norāda nosaukums, tas ir p- un n-veida reģionu krustojums. Pāreja ļauj lādiņa nesējiem pārvietoties tikai vienā virzienā, kas, piemēram, ļauj pārveidot maiņstrāvu līdzstrāvā.
Standarta diodes parasti izgatavo no silīcija, lai gan tiek izmantots arī germānija un citi pusvadītāju materiāli, galvenokārt īpašiem mērķiem.
Volts-ampēru raksturlielums
Diodei ir raksturīga strāvas-sprieguma līkne, ko var iedalīt 2 atzaros: uz priekšu un atpakaļ. Pretējā virzienā noplūdes strāva ir tuvu 0, bet, palielinoties spriegumam, tā lēnām palielinās un, sasniedzot pārrāvuma spriegumu, sāk strauji palielināties. Virzienā uz priekšu strāva strauji pieaug ar pielikto spriegumu virs vadītspējas sliekšņa, kas ir 0,7 V silīcija diodēm un 0,4 V germānijam. Šūnām, kurās izmanto dažādus materiālus, ir dažādi voltu ampēru raksturlielumi, vadītspējas slieksnis un pārrāvuma spriegumi.
P-n savienojuma diodi var uzskatīt par pamata līmeņa ierīci. To plaši izmanto daudzos lietojumos, sākot no signālu ķēdēm un detektoriem līdz ierobežotājiem vai pārejas slāpētājiem indukcijas vai releja spoļu un lieljaudas taisngriežos.
Funkcijas un parametri
Diodes specifikācijas nodrošina daudz datu. Tomēr ne vienmēr ir pieejami precīzi paskaidrojumi par to, kas tie ir. Tālāk ir sniegta informācija par dažādiem diodes raksturlielumiem un parametriem, kas norādīti specifikācijās.
Pusvadītāju materiāls
P-n savienojumos izmantotais materiāls ir ārkārtīgi svarīgs, jo tas ietekmē daudzas pusvadītāju diožu pamatīpašības. Silīcijs ir visplašāk izmantotais tā augstās efektivitātes un zemo ražošanas izmaksu dēļ. Vēl viens bieži lietotselements ir germānija. Speciālās diodēs parasti izmanto citus materiālus. Pusvadītāju materiāla izvēle ir svarīga, jo tas nosaka vadītspējas slieksni - apmēram 0,6 V silīcijam un 0,3 V germānijam.
Sprieguma kritums līdzstrāvas režīmā (U pr.)
Jebkura elektriskā ķēde, caur kuru iet strāva, izraisa sprieguma kritumu, un šim pusvadītāju diodes parametram ir liela nozīme, īpaši iztaisnošanai, kad jaudas zudumi ir proporcionāli U ave. Turklāt elektroniskajiem komponentiem bieži vien ir nepieciešams nodrošināt nelielu sprieguma kritumu, jo signāli var būt vāji, taču tiem tas joprojām ir jāpārvar.
Tas notiek divu iemeslu dēļ. Pirmais ir saistīts ar p-n krustojuma būtību un ir vadītspējas sliekšņa sprieguma rezultāts, kas ļauj strāvai šķērsot noplicināšanas slāni. Otrais komponents ir parastais pretestības zudums.
Rādītājs ir ļoti svarīgs taisngriežu diodēm, kuras var pārvadāt lielas strāvas.
Maksimālais pretējais spriegums (U arr. max)
Šis ir augstākais apgrieztais spriegums, ko var izturēt pusvadītāju diode. To nedrīkst pārsniegt, pretējā gadījumā elements var neizdoties. Tas nav tikai ieejas signāla RMS spriegums. Katra ķēde ir jāapsver pēc būtības, bet vienkāršam viena pusviļņa taisngriezim ar izlīdzinošo kondensatoru atcerieties, ka kondensators izturēs spriegumu, kas vienāds ar ieejas maksimumu.signāls. Pēc tam diode tiks pakļauta ienākošā signāla maksimumam pretējā virzienā, un tāpēc šādos apstākļos būs maksimālais apgrieztais spriegums, kas vienāds ar viļņa maksimālo vērtību.
Maksimālā tiešā strāva (U pr. max)
Veidojot elektrisko ķēdi, pārliecinieties, ka netiek pārsniegti maksimālie diodes strāvas līmeņi. Palielinoties strāvai, rodas papildu siltums, kas ir jānoņem.
Noplūdes strāva (I arr.)
Ideālā diodē nedrīkst būt reversās strāvas. Bet reālos p-n krustojumos tas ir saistīts ar mazākuma lādiņu nesēju klātbūtni pusvadītājā. Noplūdes strāvas apjoms ir atkarīgs no trim faktoriem. Acīmredzot nozīmīgākais no tiem ir reversais spriegums. Arī noplūdes strāva ir atkarīga no temperatūras - līdz ar tās pieaugumu tā ievērojami palielinās. Turklāt tas ir ļoti atkarīgs no pusvadītāju materiāla veida. Šajā ziņā silīcijs ir daudz labāks nekā germānija.
Noplūdes strāva tiek noteikta pie noteikta reversa sprieguma un noteiktas temperatūras. To parasti norāda mikroampēros (ΜA) vai pikoampēros (pA).
Pārejas kapacitāte
Visām pusvadītāju diodēm ir savienojuma kapacitāte. Noplicināšanas zona ir dielektriska barjera starp divām plāksnēm, kas veidojas noplicināšanas apgabala malā, un reģionu ar lielāko daļu lādiņu nesēju. Faktiskā kapacitātes vērtība ir atkarīga no apgrieztā sprieguma, kas noved pie pārejas zonas izmaiņām. Tā palielināšanās paplašina izsīkuma zonu un līdz ar tosamazina kapacitāti. Šis fakts tiek izmantots varaktoros vai varikapos, taču citiem lietojumiem, īpaši RF lietojumiem, šis efekts ir jāsamazina. Parametrs parasti tiek norādīts pF pie noteiktā sprieguma. Īpašas zemas pretestības diodes ir pieejamas daudziem RF lietojumiem.
Lietuma veids
Atkarībā no mērķa, pusvadītāju diodes tiek ražotas dažāda veida un formas iepakojumos. Dažos gadījumos, it īpaši, ja to izmanto signālu apstrādes shēmās, pakotne ir galvenais elements šī elektroniskā elementa vispārējo īpašību noteikšanā. Strāvas ķēdēs, kur siltuma izkliedēšana ir svarīga, pakete var noteikt daudzus diodes vispārīgos parametrus. Lieljaudas ierīces jāspēj piestiprināt pie radiatora. Mazākus priekšmetus var izgatavot svina futrāļos vai kā virsmas montāžas ierīces.
Diožu veidi
Dažreiz ir lietderīgi iepazīties ar pusvadītāju diožu klasifikāciju. Tomēr daži vienumi var piederēt vairākām kategorijām.
Apgrieztā diode. Lai gan tas nav tik plaši izmantots, tas ir p-n tipa elementa veids, kas savā darbībā ir ļoti līdzīgs tunelim. Ir zems sprieguma kritums ieslēgtā stāvoklī. Var izmantot detektoros, taisngriežos un augstfrekvences slēdžos.
Iesmidzināšanas tranzīta diode. Tam ir daudz kopīga ar biežāk sastopamo lavīnu lidošanu. Izmanto mikroviļņu ģeneratoros un signalizācijas sistēmās.
Diode Gunn. Tas nepieder pie p-n-tipa, bet ir pusvadītāju ierīce ar diviem spailēm. To parasti izmanto, lai ģenerētu un pārveidotu mikroviļņu signālus diapazonā no 1 līdz 100 GHz.
Gaismu izstarojošs jeb LED ir viens no populārākajiem elektronisko komponentu veidiem. Uz priekšu novirzot, strāva, kas plūst caur krustojumu, izraisa gaismas izstarošanos. Tajos tiek izmantoti salikti pusvadītāji (piemēram, gallija arsenīds, gallija fosfīds, indija fosfīds), un tie var spīdēt dažādās krāsās, lai gan sākotnēji tie bija tikai sarkanā krāsā. Ir daudz jaunu izstrādņu, kas maina displeju darbību un ražošanu, piemēram, OLED.
Fotodiode. Izmanto gaismas noteikšanai. Kad fotons sasniedz p-n krustojumu, tas var radīt elektronus un caurumus. Fotodiodes parasti darbojas apgrieztās novirzes apstākļos, kur var viegli noteikt pat nelielas gaismas radītās strāvas. Fotodiodes var izmantot elektroenerģijas ražošanai. Dažkārt kā fotodetektori tiek izmantoti tapas veida elementi.
Pin-diode. Elektroniskā elementa nosaukums labi raksturo pusvadītāju diodes ierīci. Tam ir standarta p- un n-tipa reģioni, bet starp tiem ir iekšējais reģions bez piemaisījumiem. Tas palielina izsīkuma apgabala laukumu, kas var būt noderīgs pārslēgšanai, kā arī fotodiodēs utt.
Standarta p-n krustojumu var uzskatīt par normāluvai standarta tipa diode, kas tiek izmantota mūsdienās. Tos var izmantot RF vai citos zemsprieguma lietojumos, kā arī augstsprieguma un lieljaudas taisngriežos.
Šotkija diodes. Tiem ir zemāks tiešā sprieguma kritums nekā standarta p-n tipa silīcija pusvadītājiem. Pie zemām strāvām tas var būt no 0,15 līdz 0,4 V, nevis 0,6 V, kā ar silīcija diodēm. Lai to izdarītu, tie nav izgatavoti kā parasti - tie izmanto metāla pusvadītāju kontaktu. Tos plaši izmanto kā ierobežotājus, taisngriežus un radioiekārtās.
Diode ar lādiņa uzkrāšanu. Tas ir mikroviļņu diodes veids, ko izmanto impulsu ģenerēšanai un veidošanai ļoti augstās frekvencēs. Tās darbība ir balstīta uz ļoti ātru izslēgšanas raksturlielumu.
Lāzerdiode. Tas atšķiras no parastās gaismas izstarotās gaismas, jo rada koherentu gaismu. Lāzera diodes tiek izmantotas daudzās ierīcēs, sākot no DVD un CD diskdziņiem līdz lāzera rādītājiem. Tie ir daudz lētāki nekā citi lāzeru veidi, bet ievērojami dārgāki nekā LED. Tiem ir ierobežots kalpošanas laiks.
Tuneļa diode. Lai gan mūsdienās to plaši neizmanto, to iepriekš izmantoja pastiprinātājos, oscilatoros un komutācijas ierīcēs, osciloskopu laika noteikšanas shēmās, kad tas bija efektīvāks par citiem elementiem.
Varactor vai varicap. Izmanto daudzās RF ierīcēs. Šai diodei apgrieztā nobīde maina noplicināšanas slāņa platumu atkarībā no pielietotā sprieguma. Šajā konfigurācijā tasdarbojas kā kondensators ar izsīkuma apgabalu, kas darbojas kā izolācijas dielektriķis un plāksnes, ko veido vadošie apgabali. Izmanto sprieguma kontrolētos oscilatoros un RF filtros.
Zener diode. Tas ir ļoti noderīgs diodes veids, jo nodrošina stabilu atsauces spriegumu. Sakarā ar to Zener diode tiek izmantota milzīgos daudzumos. Tas darbojas apgrieztās novirzes apstākļos un izlaužas, kad tiek sasniegta noteikta potenciāla atšķirība. Ja strāvu ierobežo rezistors, tas nodrošina stabilu spriegumu. Plaši izmanto, lai stabilizētu barošanas avotus. Zenera diodēs ir 2 reversā sadalījuma veidi: Zenera sadalīšanās un triecienjonizācija.
Tādējādi dažāda veida pusvadītāju diodes ietver elementus mazjaudas un lielas jaudas lietojumiem, kas izstaro un nosaka gaismu, ar zemu tiešā sprieguma kritumu un mainīgu kapacitāti. Papildus tam ir vairākas šķirnes, kas tiek izmantotas mikroviļņu tehnoloģijā.
