Напівпровідникові діоди: типи, класифікація, принцип дії, характеристики, пристрій і застосування

Напівпровідникові діоди широко застосовуються в електроніці та електронної промисловості. Вони використовуються як самостійно, так і в якості p-n-переходу транзисторів і багатьох інших пристроїв. Як дискретний компонент діоди є ключовою частиною багатьох електронних схем. Вони знаходять безліч застосувань, починаючи від малопотужних додатків до випрямлячів струму.

Що таке діод?

У перекладі з грецької назва даного електронного елемента буквально означає «два висновки». Вони називаються анодом і катодом. У ланцюзі струм проходить від анода до катода. Напівпровідниковий діод є одностороннім елементом, і рух струму в протилежному напрямку блокується.

Загрузка...

Принцип дії

Пристрій напівпровідникових діодів дуже різне. Це є причиною того, що існує багато типів, які різняться як за номіналом, так і по виконуваним ними функціям. Тим не менш в більшості випадків основний принцип роботи напівпровідникових діодів однаковий. Вони містять р-n-перехід, який і забезпечує базову функціональність.

Цей термін зазвичай використовується по відношенню до стандартної формі діода. В дійсності ж він застосовується практично до будь-якого їх типу. Діоди складають основу сучасної електронної промисловості. Всі – від простих елементів і транзисторів до сучасних мікропроцесорів – базується на напівпровідниках. Принцип дії напівпровідникового діода оснований на властивості напівпровідників. Технологія спирається на групу матеріалів, внесення домішок в кристалічну решітку яких дозволяє отримати ділянки, в яких носіями заряду є дірки і електрони.

Р-n-перехід

Діод р-n-типу отримав свою назву тому, що в ньому використовується р-n-перехід, який дозволяє струму текти тільки в одному напрямку. Елемент володіє і іншими властивостями, які також знаходять широке застосування. Напівпровідникові діоди, наприклад, здатні випромінювати і реєструвати світло, змінювати ємність і регулювати напругу.

P-n-перехід є базовою напівпровідникової структурою. Як випливає з назви, він являє собою з’єднання між областями p — і n-типу. Перехід дозволяє носіїв заряду рухатися тільки в одному напрямку, що, наприклад, дає можливість перетворювати змінний струм в постійний.

Стандартні діоди зазвичай виробляються з кремнію, хоча також використовується германій та інші напівпровідникові матеріали, в основному для спеціальних цілей.

Вольт-амперна характеристика

Діод характеризується вольт-амперної кривої, яку можна розділити на 2 гілки: прямий і зворотний. У зворотному напрямку струм витоку близький до 0, але з ростом напруги він повільно збільшується і при досягненні напруги пробою починає різко зростати. В прямому напрямку струм швидко наростає зі збільшенням прикладеної напруги вище порогу провідності, який становить 0,7 В для діодів з кремнію і 0,4 з німеччина. Елементи, в яких використовуються інші матеріали, що мають інші вольт-амперні характеристики і напруги порога провідності і пробою.

Діод c р-n-переходом можна розглядати як пристрій базового рівня. Він широко використовується в багатьох додатках – від сигнальних ланцюгів і детекторів до обмежувачів або подавлювача перехідних процесів в індукційних або релейних котушках і випрямлячів високої потужності.

Загрузка...

Характеристики і параметри

Специфікації діодів надають великий обсяг даних. При цьому точні пояснення того, що вони собою представляють, не завжди доступні. Нижче наведені докладні відомості про різні характеристики і параметри діода, які наводяться в специфікаціях.

Матеріал напівпровідника

Матеріал, що використовується в р-n-переходах, має першорядне значення, оскільки він впливає на основні характеристики напівпровідникових діодів. Найбільш широко застосовується кремній, оскільки він відрізняється високою ефективністю і найнижчими виробничими витратами. Ще одним часто використовуваним елементом є германій. Інші матеріали, як правило, застосовуються в діодах спеціального призначення. Вибір напівпровідникового матеріалу важливий, оскільки від нього залежить поріг провідності – близько 0,6 В для кремнію і 0,3 В німеччина.

Падіння напруги в режимі прямого струму (U тощо)

Будь-яка електрична ланцюг, через яку проходить струм, що викликає падіння напруги, і цей параметр напівпровідникового діода має велике значення, особливо для випрямлення, коли втрати потужності пропорційні U ін. Крім того, електронні елементи часто мають забезпечувати невелике падіння напруги, оскільки сигнали можуть бути слабкими, але їм все ж необхідно подолати його.

Це відбувається з двох причин. Перша полягає в самій природі р-n-переходу і є результатом напруги порога провідності, яке дозволяє струму подолати збіднений шар. Друга складова – нормальні резистивні втрати.

Показник має велике значення для випрямних діодів, по яких можуть проходити великі струми.

Пікове зворотне напруга (U обр. max)

Це найбільша зворотна напруга, яке напівпровідниковий діод може витримати. Його не можна перевищувати, інакше елемент може вийти з ладу. Це не просто середньоквадратичне напруга вхідного сигналу. Кожна ланцюг повинна розглядатися по суті, але для простого випрямляча з одного полуволной з конденсатором слід пам’ятати, що конденсатор буде утримувати напругу, рівну піку вхідного сигналу. Потім діод буде піддаватися дії піку вхідного сигналу в зворотному напрямку, і тому в цих умовах буде мати місце максимальне зворотне напруга, рівне пікового значення хвилі.

Максимальний прямий струм (U пр. max)

При проектуванні електричної ланцюга необхідно впевнитися в тому, що не перевищують максимальні рівні струму діода. По мірі збільшення сили струму виділяється додаткове тепло, яке необхідно відводити.

Струм витоку (I обр.)

В ідеальному діоді зворотного струму не повинно бути. Але в реальних р-n-переходах він є із-за присутності в напівпровіднику неосновних носіїв заряду. Сила струму витоку залежить від трьох факторів. Очевидно, що найбільш значущим з них є зворотне напруга. Також струм витоку залежить від температури – з її зростанням він значно підвищується. Крім того, він сильно залежить від типу напівпровідникового матеріалу. В цьому відношенні кремній набагато краще німеччина.

Струм витоку визначається при певному зворотному напрузі і конкретної температурі. Зазвичай він вказується в микроамперах (мка) або пикоамперах (pA).

Ємність переходу

Всі напівпровідникові діоди мають ємність переходу. Збіднена зона являє собою діелектричний бар’єр між двома пластинами, які формуються на краю збідненого ділянки та області з основними носіями заряду. Фактичне значення ємності залежить від зворотної напруги, що призводить до зміни перехідної зони. Його збільшення розширює збіднену зону і, отже, зменшує ємність. Цей факт використовується в варакторах або варикапах, але для інших застосувань, особливо радіочастотних, цей ефект необхідно звести до мінімуму. Параметр зазвичай вказується в pF при заданій напрузі. Для багатьох мобільних застосувань доступні спеціальні низькоомні діоди.

Тип корпусу

В залежності від призначення напівпровідникові діоди виробляються в корпусах різного типу і форми. У деяких випадках, особливо при використанні в схемах обробки сигналів, корпус є ключовим елементом у визначенні загальних характеристик цього електронного елемента. В силових ланцюгах, у яких важливо розсіювання тепла, корпус може визначати багато загальні параметри діода. Пристроїв великої потужності необхідно мати можливість кріплення до радіатора. Невеликі елементи можуть проводитися в свинцевих корпусах або в якості пристроїв для поверхневого монтажу.

Типи діодів

Іноді буває корисно ознайомитися з класифікацією напівпровідникових діодів. При цьому деякі елементи можуть відноситися до декількох категорій.

Звернений діод. Хоча він і не так широко використовується, являє собою різновид елемента р-n-типу, який по своїй дії дуже схожий на тунельний. Відрізняється низьким падінням напруги у відкритому стані. Знаходить застосування в детекторах, випрямлячах і високочастотних перемикачах.

Інжекційно-пролітний діод. Має багато спільного з більш поширеним лавинно-пролетным. Використовується в НВЧ-генератори і системах сигналізації.

Діод Ганна. Не належить до р-n-типу, але являє собою напівпровідниковий пристрій з двома висновками. Він зазвичай використовується для генерації і перетворення сигналів НВЧ в діапазоні 1-100 ГГц.

Світловипромінюючий або світлодіод – один з найбільш популярних типів електронних елементів. При прямому зміщенні струм, що протікає через перехід, викликає випромінювання світла. В них використовуються складові напівпровідники (наприклад, арсенід галію, фосфід галію, фосфід індію), і вони можуть світитися різними кольорами, хоча спочатку обмежувалися тільки червоним. Існує безліч нових розробок, які змінюють спосіб функціонування і виробництва дисплеїв, прикладом яких є OLED-світлодіоди.

Фотодіод. Використовується для виявлення світла. Коли фотон потрапляє на p-n-перехід, він може створювати електрони і дірки. Фотодіоди зазвичай працюють в умовах зворотного зміщення, при яких можна легко виявити навіть невеликий струм, що виникає в результаті дії світла. Фотодіоди можна використовувати для генерації електроенергії. Іноді в якості фотоприймачів застосовуються елементи pin-типу.

Pin-діод. Назва електронного елемента добре описує пристрій напівпровідникового діода. У нього стандартні області р — і n-типу, але між ними існує внутрішня область без домішок. Вона надає ефект збільшення площі області виснаження, яка може бути корисна для перемикання, а також у фотодиодах і т. д.

Стандартний р-n-перехід можна розглядати як звичайний або стандартний тип діода, який використовується сьогодні. Вони можуть застосовуватися в радіочастотних або інших низьковольтних пристроях, а також у високовольтних і високопотужних випрямлячах.

Діоди Шотткі. Мають більш низьке пряме падіння напруги, ніж стандартні кремнієві напівпровідники р-n-типу. При малих струмах воно може становити від 0,15 до 0,4 B, a не 0,6 В, як у кремнієвих діодів. Для цього вони виготовляються не як зазвичай – в них використовується контакт метал-напівпровідник. Вони широко застосовуються в якості обмежувачів, випрямлячів і в радіоапаратурі.

Діод з накопиченням заряду. Являє собою різновид СВЧ-діода, що використовується для створення і формування імпульсів на дуже високих частотах. Його робота заснована на дуже швидкій характеристикою відключення.

Лазерний діод. Відрізняється від звичайного світло випромінюючого, оскільки виробляє когерентний світло. Лазерні діоди застосовуються в багатьох пристроях – від DVD і CD-приводів до лазерних указок. Вони набагато дешевше інших форм лазерів, але значно дорожче світлодіодів. Відрізняються обмеженим строком експлуатації.

Тунельний діод. Хоча сьогодні він широко не використовується, раніше застосовувався в підсилювачах, генераторах і перемикаючих пристроїв, схемах синхронізації осцилографів, коли він був ефективніше інших елементів.

Варактор або варикап. Використовується в багатьох мобільних пристроях. У даного діода зворотне зміщення змінює ширину шару виснаження в залежності від прикладеної напруги. У цій конфігурації він діє як конденсатор з областю виснаження, що виконує роль ізолюючого діелектрика, і пластинами, утвореними провідними галузями. Застосовується у генераторах, керованих напругою, і радіочастотних фільтрах.

Стабілітрон. Є дуже корисним типом діода, оскільки забезпечує стабільне опорне напруга. Завдяки цьому стабілітрон використовується у величезних кількостях. Працює в умовах зворотного зміщення і пробивається при досягненні певної різниці потенціалів. Якщо струм обмежений резистором, то це забезпечує стабільну напругу. Широко використовується для стабілізації джерел живлення. У стабилитронах мають місце 2 види зворотного пробою: розкладання Зинера і ударна іонізація.

Таким чином, різні типи напівпровідникових діодів включають елементи для малопотужних і високопотужних застосувань, випромінюють і виявляють світло, з низьким прямим падінням напруги і змінною ємністю. На додаток до цього існує ряд різновидів, які використовуються в НВЧ-техніки.