Polovodičová dioda: princip činnosti, aplikace a výhody

Polovodičová dioda nejjednodušší polovodičová součástka sestávající z jediného PN přechodu. Jeho hlavní funkcí je vést elektrický proud v jednom směru a nedovolit mu projít opačným směrem. Dioda se skládá ze dvou vrstev polovodičových typů N a P (obrázek 1.2.1)

Obrázek 1.2.1 Struktura diody

Na přechodu P a N přechodu vzniká přechod PN. Elektroda připojená k P se nazývá anoda. Elektroda připojená k N se nazývá katoda. Dioda vede proud ve směru od anody ke katodě a nevede jej zpět.

Dioda je v klidu.

Dioda je v klidu, když není k anodě ani katodě připojeno žádné napětí (obrázek 1.2.2).

Obrázek 1.2.2 Dioda v klidu

Část N je k dispozici zdarma elektrony – záporně nabité částice. Část P obsahuje kladně nabité ionty – díry. Výsledkem je, že v místě, kde jsou částice s náboji různých znaků, vzniká elektrické pole, které je k sobě přitahuje.

Vlivem tohoto pole se volné elektrony z N části driftují přes PN přechod do P části a vyplňují některé díry. Výsledkem je velmi slabý elektrický proud, měřený v nanoampérech. V důsledku toho se hustota látky v P části zvyšuje a difúze (touha látky dosáhnout jednotné koncentrace), tlačí částice zpět na stranu N.

Reverzní zapojení diody.

Nyní se podíváme na to, jak polovodičová dioda zvládá plnit svou hlavní funkci – vést proud pouze jedním směrem. Připojíme zdroj – plus ke katodě, mínus k anodě (obrázek 1.2.3)

Obrázek 1.2.3 Reverzní zapojení diody

V souladu s přitažlivou silou, která vzniká mezi náboji různých polarit, se elektrony z N začnou pohybovat směrem k plusu a vzdalovat se od PN přechodu. Podobně budou díry z P přitahovány k mínusu a také se budou vzdalovat od PN přechodu. V důsledku toho se zvyšuje hustota látky na elektrodách. Do hry vstupuje difúze a začíná vytlačovat částice zpět, čímž dochází k rovnoměrné hustotě hmoty.

Jak vidíme, v tomto stavu dioda nevede proud. S rostoucím napětím bude v PN přechodu stále méně nabitých částic.

Přímé připojení diody.

Měníme polaritu zdroje – plus na anodu, mínus na katodu.

Obrázek 1.2.4 Přímé zapojení diody

V této poloze vzniká mezi náboji stejné polarity odpudivá síla. Záporně nabité elektrony se vzdalují od záporu a pohybují se směrem k pn přechodu. Kladně nabité díry jsou zase odpuzovány od plusu a směřují k elektronům. PN přechod je obohacen o nabité částice různé polarity, mezi kterými vzniká elektrické pole – vnitřní elektrické pole PN přechodu. Pod jeho vlivem začnou elektrony driftovat na stranu P. Některé z nich rekombinují s dírami (vyplní místo v atomech, kde není dostatek elektronu). Zbývající elektrony spěchají na kladnou stranu baterie. Diodou protékal proud I_D.

1.2.1 Usměrňovací diody

Usměrňovací dioda je polovodičová dioda určená k přeměně střídavého proudu na stejnosměrný proud.

Činnost usměrňovacích diod je založena na vlastnosti jednosměrné vodivosti pn přechodu, která spočívá v tom, že tento při přímém zapojení dobře vede proud (má malý odpor) a prakticky nevede proud (má velmi vysoký odpor) při obráceném zapojení.

Hlavní parametry usměrňovacích polovodičových diod jsou:

• propustný proud diody I_пр, které je normalizováno při určitém propustném napětí (obvykle U_пр=1. 2V);
• maximální přípustný dopředný proud I_pr.max dioda;
• maximální přípustné zpětné napětí diody U_arr.max, při kterém může dioda ještě dlouhou dobu normálně fungovat;
• konstantní zpětný proud I_arr, protékající diodou při zpětném napětí rovném U_arr.max;
• průměrný usměrněný proud I_vp.sr, který může procházet diodou po dlouhou dobu při přijatelné teplotě ohřevu;
• maximální přípustný výkon P_houpačka, rozptýlené diodou, při kterém je zajištěna stanovená spolehlivost diody.

Pro zachování funkčnosti germaniové diody by její teplota neměla překročit +85°C, křemíkové diody mohou pracovat při teplotách až +150°C.

Proudově napěťová charakteristika germaniové a křemíkové diody je uvedena na obrázku 1.2.1.1

Obrázek 1.2.1.1 Proudově-napěťová charakteristika germaniové a křemíkové diody: a-germaniová dioda; b-silikonová dioda

Pokles napětí při průchodu dopředného proudu pro germaniové diody je U_пр=0,3…0,6V, pro křemíkové diody U_пр=0,8…1,2V.

Velké poklesy napětí při průchodu stejnosměrného proudu křemíkovými diodami ve srovnání s přímými poklesy napětí na germaniových diodách jsou spojeny s vyšší výškou potenciálové bariéry pn přechodů vytvořených v křemíku. S rostoucí teplotou klesá propustný úbytek napětí, což je spojeno s poklesem výšky potenciálové bariéry. Při přivedení zpětného napětí na polovodičovou diodu v ní vzniká mírný zpětný proud v důsledku pohybu nevětšinových nosičů náboje přes pn přechod. Se zvyšující se teplotou pn přechodu se zvyšuje počet menšinových nosičů náboje v důsledku přechodu některých elektronů z valenčního pásma do vodivostního pásma a tvorby párů nosičů náboje elektron-díra. Proto vzrůstá zpětný proud diody. Když je na diodu přivedeno zpětné napětí několik set voltů, vnější elektrické pole v blokovací vrstvě zesílí natolik, že může stáhnout elektrony z valenčního pásma do vodivostního pásma (Zenerův efekt). V tomto případě se zpětný proud prudce zvýší, což způsobí zahřátí diody, další zvýšení proudu a nakonec tepelný průraz (zničení) pn přechodu.

Většina diod může spolehlivě pracovat při zpětném napětí nepřesahujícím (0,7. 0,8) U_Vzorky. Přípustné zpětné napětí germaniových diod dosahuje – 100. 400V a pro křemíkové diody – 1000. 1500V.

Usměrňovací diody se používají k usměrnění střídavého proudu (přeměna střídavého proudu na stejnosměrný); používá se v řídicích a spínacích obvodech k omezení parazitních napěťových rázů, jako prvky elektrické izolace obvodů atd.

1.2.2 Polovodičová zenerova dioda

Polovodičová Zenerova dioda je polovodičová dioda, jejíž napětí v oblasti elektrického průrazu slabě závisí na proudu a které se používá ke stabilizaci napětí.

Polovodičové zenerovy diody využívají vlastnosti mírné změny zpětného napětí na přechodu pn při elektrickém (lavinovém nebo tunelovém) průrazu. Je to způsobeno tím, že malé zvýšení napětí na pn přechodu v režimu elektrického průrazu způsobí intenzivnější generování nosičů náboje a výrazné zvýšení zpětného proudu.

Nízkonapěťové zenerovy diody jsou vyrobeny na bázi silně legovaného (nízkoodporového) materiálu. V tomto případě je vytvořen úzký planární přechod, ve kterém dochází k tunelovému elektrickému průrazu při relativně nízkých zpětných napětích (méně než 6V). Vysokonapěťové zenerovy diody jsou vyrobeny na bázi lehce legovaného (vysokoodolného) materiálu. Proto je jejich princip fungování spojen s lavinový elektrický průraz.

Hlavní parametry zenerových diod:

• Stabilizační napětí U_umění. (U_umění.=1. 1000V);
• minimálně I_st.min a maximálně I_st.max stabilizační proudy (I_st.min»1,0…10 mA, I_st.max“0,05. 2,0A);
• maximální povolený ztrátový výkon P_houpačka;
• diferenciálního odporu v úseku stabilizace

Obrázek 1.2.2.1 Konvenční grafické označení zenerovy diody a) nesymetrická zenerova dioda b) symetrická zenerova dioda

Voltampérové ​​charakteristiky zenerovy diody na obrázku 1.2.2.2

Obrázek 1.2.2.2 Voltampérová charakteristika zenerovy diody

Zenerovy diody se používají ke stabilizaci napětí napájecích zdrojů a také k fixaci napěťových úrovní v různých obvodech.

Existují také oboustranné (symetrické) zenerovy diody, které mají symetrickou charakteristiku proud-napětí vzhledem k původu. Zenerovy diody lze zapojit do série, přičemž výsledné stabilizační napětí se rovná součtu napětí zenerových diod: Ust = Ust1 + Ust2 +…

1.2.3 Tunelová dioda

Tunelová dioda je polovodičová dioda založená na degenerovaném polovodiči, ve které tunelový efekt vede k výskytu negativního úseku diferenciálního odporu na charakteristice proud-napětí při propustném napětí.

Tunelová dioda je vyrobena z germania nebo arsenidu galia s velmi vysokou koncentrací nečistot, tzn. s velmi nízkým odporem. Takové polovodiče s nízkým odporem se nazývají degenerované. To umožňuje získat velmi úzký přechod PN. Při takových přechodech vznikají podmínky pro relativně volný tunelový průchod elektronů potenciálovou bariérou (tunelový efekt). Tunelový efekt vede ke vzniku úseku se záporným rozdílovým odporem na přímé větvi charakteristiky proud-napětí diody.

Hlavní parametry tunelových diod:

• Špičkový proud I_п – dopředný proud v maximálním bodě charakteristiky proud-napětí;
• Údolní proud I_в − stejnosměrný proud v minimálním bodě charakteristiky proud-napětí;
• Poměr proudu tunelové diody I_п/I_в;
• špičkové napětí U_п – dopředné napětí odpovídající špičkovému proudu;
• údolní napětí U_в − dopředné napětí odpovídající údolnímu proudu;

Tunelové diody se používají pro generování a zesilování elektromagnetických oscilací, stejně jako ve vysokorychlostních spínacích a pulzních obvodech.

Proudově napěťová charakteristika tunelové diody a její UGO je znázorněna na obrázku 1.2.3.1

Obrázek 1.2.3.1 Voltampérová charakteristika tunelové diody a její UGO

1.2.4 Reverzní dioda

Reverzní dioda – dioda na bázi polovodiče s kritickou koncentrací nečistot, u které je vodivost při zpětném napětí v důsledku tunelovacího efektu výrazně větší než při propustném napětí.

Princip činnosti reverzní diody je založen na využití tunelového efektu. Ale u reverzních diod je koncentrace nečistot nižší než u konvenčních tunelových diod. Proto je rozdíl kontaktních potenciálů pro reverzní diody menší a tloušťka pn přechodu je větší. To vede k tomu, že pod vlivem stejnosměrného napětí nevzniká stejnosměrný tunelový proud. Propustný proud v reverzních diodách vzniká injektováním nevětšinových nosičů náboje přes pn přechod, tzn. stejnosměrný proud je difúzní. Při obrácení napětí protéká přechodem významný tunelovací proud, který vzniká pohybem elektronů přes potenciálovou bariéru z p-oblasti do n-oblasti. Pracovní úsek proudově-napěťové charakteristiky reverzní diody je zpětná větev. Reverzní diody tedy mají usměrňovací účinek, ale jejich procházející (vodivý) směr odpovídá zpětnému zapojení a blokovací (nevodivý) směr odpovídá přímému zapojení.

Proudově napěťová charakteristika reverzní diody a její UGO je uvedena na obrázku 1.2.4.1

Obrázek 1.2.4.1 Proudově-napěťová charakteristika reverzní diody a UGO

Reverzní diody se používají v pulzních zařízeních a také jako převodníky signálu (směšovače a detektory) v zařízeních radiotechniky.

1.2.5 Varicaps

Varicap – Jedná se o polovodičovou diodu, která využívá závislosti kapacity na velikosti zpětného napětí a je určena pro použití jako elektricky řízený kapacitní prvek. Polovodičovým materiálem pro výrobu varikapů je křemík.

Základní parametry varicaps:

• jmenovitá kapacita C_в– kapacita při daném zpětném napětí (C_в=10. 500 pF);
• koeficient překrytí kapacity (poměr varikapových kapacit při dvou daných hodnotách reverzních napětí.)

Varikapy jsou široce používány v různých obvodech pro automatické nastavení frekvence a v parametrických zesilovačích.

Obrázek 1.2.5.1 ukazuje proudově napěťovou charakteristiku varikapu a jeho UGO

Obrázek 1.2.5.1 Voltampérová charakteristika varikapu a UGO

1.2.6 Světelné diody

LED diody se nazývají nízkovýkonové polovodičové světelné zdroje, jejichž základem je vyzařovací rp–přechod. Záře pn přechodu je způsobena rekombinací nosičů náboje. Při přivedení stejnosměrného napětí pronikají elektrony z n-oblasti do p-oblasti, kde se rekombinují s dírami a emitují uvolněnou energii ve formě světla.

LED diody jsou vyrobeny z karbidu křemíku, arsenidu galia nebo fosfidu galia. Záře může být poměrně intenzivní a leží v infračervené, červené, zelené a modré části spektra. LED začne vydávat světlo, jakmile je přivedeno stejnosměrné napětí, a intenzita záře se zvyšuje s rostoucím proudem.

Hlavní parametry LED diod jsou:

• Р_vyzařovat – celkový radiační výkon (až 100 mW).
• U_np – konstantní dopředné napětí (řádově několik voltů) při — konst.
• I_пр. – stejnosměrný dopředný proud (až 110 mA).
• Barva září.

Přímá větev proudově napěťové charakteristiky LED a její symbol jsou znázorněny na obrázku 1.2.6.1

Obrázek 1.2.6.1 I-V charakteristiky LED a jejich UGO

LED diody se používají ve vizuálních informačních zobrazovacích zařízeních.

1.2.7 Fotodiody

Fotodioda je polovodičové zařízení, jehož princip činnosti je založen na vnitřním fotoelektrickém jevu, který spočívá v generování párů elektron-díra v rp pod vlivem světla.–přechodu, což má za následek zvýšení koncentrace hlavních a minoritních nosičů náboje v jeho objemu. Zpětný proud fotodiody je určen koncentrací minoritního nosiče a tedy intenzitou ozáření. Charakteristiky proudového napětí fotodiody (obrázek 1.2.7.1 (viz strana 28)) ukazují, že pro každou hodnotu světelného toku Ф odpovídá určité hodnotě zpětného proudu. Tento režim činnosti zařízení se nazývá fotodioda.

Fotodioda je znázorněna ve schématu na obrázku 1.2.7.2

Obrázek 1.2.7.2 Fotodioda UGO

Obrázek 1.2.7.1 Proudově-napěťová charakteristika fotodiody

Jako světelné senzory se používají fotodiody.

Zadání pro samostatnou práci

na téma 1.2 „Polovodičové diody“

č. 1 Vyplňte tabulku a vložte ji do chatu.

Zhodnoťte práci svých spolužáků pomocí emotikonů.

Hlavní charakteristická vlastnost diody

Polovodičová dioda je speciální zařízení s jedním p-n přechodem, stejně jako anodovými a katodovými vývody, které je určeno pro všechny druhy změn elektrického signálu. Ve většině případů je prvek vyroben z křemíku, i když se někdy používají jiné polovodičové materiály. Mezi hlavní součásti zařízení patří krystalická část s p-n přechodem.

Všeobecné informace

Je třeba poznamenat, že moderní polovodičové diody jsou vytvořeny na bázi germania nebo selenu, stejně jako před více než sto lety. Tyto materiály mají specifickou strukturu, která umožňuje použití prvků pro modernizaci obvodů a elektrických spotřebičů, stejně jako přeměnu různých proudů.

Ve světě existují různé typy takových vynálezů, které se liší materiálem výroby, principem činnosti a oblastmi použití. Zvláště žádané jsou planární a polykrystalické usměrňovače, což jsou obdoby mostů. Komunikují prostřednictvím dvou kontaktů.

Pokud jde o výhody zařízení, patří mezi ně:

1. Plná zaměnitelnost. Poškozený prvek lze nahradit jakýmkoli jiným se stejnými vlastnostmi a principem fungování. Neexistují žádné zvláštní požadavky na výběr přesně stejného modelu.
2. Vysoká propustnost.
3. Levnost a dostupnost. Polovodičové diody se prodávají v každém obchodě s elektroinstalací. Náklady na takové produkty jsou od 50 rublů. Kromě toho je můžete odstranit vlastními rukama z obvodů starých zařízení.

Princip činnosti

Není těžké pochopit princip fungování polovodičové diody. Stačí porozumět základním fyzikálním zákonům a vědět, jak probíhají některé elektrické procesy.

Zpočátku na katodu působí elektrický proud, který způsobí žhavení topného tělesa. Elektrony jsou zase emitovány z elektrody a mezi oběma částmi se objeví elektrické pole.

Anody s kladným nábojem působí na elektrony a přitahují je a vzniklé pole působí jako katalyzátor takové reakce. V tomto okamžiku se také vytváří emisní proud.

U dvou elektrod začíná vznik prostorově záporného náboje, který může bránit toku elektronů. To se však děje pouze tehdy, když anodový potenciál klesá, v důsledku čehož se hmota elektronů nedokáže vyrovnat s negativními prvky, což je nutí pohybovat se v opačném pořadí, to znamená, že se elektrony znovu vrátí ke katodě. .

Naměřené hodnoty katodového proudu často zůstávají nulové – k tomu dochází, když jsou vystaveny částicím se záporným nábojem. Díky tomu generované pole nenutí elektrony k rychlejšímu pohybu, ale vyvolává opačnou reakci – zpomaluje je a nutí je vrátit se zpět na katodu. Nakonec se obvod otevře, protože dioda zůstane ve vypnutém stavu.

Zařízení a konstrukce

Po pochopení principu činnosti polovodičové diody můžete začít studovat její strukturu a design. Tyto informace budou potřebné pro další využití diody a hlubší pochopení jejích provozních vlastností. Prvek je založen na následujících komponentách:

1. Vnější plášť. Jako tělo se používá malý válec. Je zcela vakuový a může být vyroben ze skla, kovu nebo keramiky.
2. Uvnitř konstrukce jsou dvě elektrody. První se používá jako vláknová katoda, která poskytuje stabilní emisi elektronů. Ve své nejjednodušší formě se jedná o vlákno s minimální tloušťkou, které může svítit při použití proudu. V současné době se však modely nepřímého vytápění aktivně rozšiřují. Na rozdíl od klasických typů jsou prezentovány ve formě malých válečků se specifickou vrstvou, kde jsou emitovány elektrony.
3. Pokud jde o druhou elektrodu, je to anoda, která přijímá elektrony z katody. Prvek má kladný náboj a válcový tvar. Při výrobě diodového krystalu se používá křemík nebo germanium.

Oblasti použití a účel

Oblasti použití polovodičových diod jsou velmi rozsáhlé. Dnes je těžké si bez nich představit provoz většiny elektrických spotřebičů, a to není překvapivé. Prvky se používají k výrobě diodových můstků, jakož i následujících zařízení:

1. Zařízení pro ochranu zařízení před přepólováním nebo přetížením.
2. Přepínače.
3. Diodové systémy ochrany proti jiskrám.

Pokud jde o diodové můstky, jedná se o zařízení se čtyřmi, šesti nebo dvanácti zapojenými diodami (přesný počet diod je dán typem obvodu, který je 1fázový, 3fázový polomůstkový nebo 3fázový celomůstkový ). Systém se používá jako usměrňovač a je často instalován v generátorech automobilů. Faktem je, že použití takového mostu umožnilo výrazně zmenšit velikost zařízení a učinit jej spolehlivějším.

Diodové detektory se skládají z diod a kondenzátorů, které umožňují nízkofrekvenční modulaci z různých signálů, včetně amplitudově modulovaných rádiových signálů. Zařízení jsou nepostradatelná pro provoz různých domácích spotřebičů, například televizoru nebo rádia. Také pomocí polovodičových diod je možné zajistit plnou ochranu proti porušení polarity při spouštění vyměnitelných vstupů a přetížení.

Úkolem spínačů na bázi diod je přepínat vysokofrekvenční signály. K ovládání obvodu se používá konstantní elektrický proud, frekvenční dělení a přívod signálu do kondenzátorů. Na základě diod je také vytvořena výkonná ochrana proti jiskrám, zabraňující přetížení a odchylkám od povoleného limitu napětí.

Bez použití diod se v moderní elektronice prakticky neobejdete. Proto je velmi užitečné vědět, jak jsou taková běžná zařízení navržena, jak fungují a k čemu jsou určena.

Způsoby zapnutí

Přechod rn je ovlivněn vnějšími napětími a také velikostí a polaritou, které ovlivňují konečný výkon elektrického proudu. Při použití přímého připojení je kladně nabitý vodič připojen k oblasti typu p a záporný pól k oblasti typu n. V tomto případě se události vyvinou následovně:

1. Vlivem přivedeného vnějšího napětí bude v přechodu typu rn generováno elektrické pole, které bude směřováno opačným směrem než difúzní pole uvnitř.
2. Poté hodnoty napětí pole znatelně poklesnou, což zúží blokovací vrstvu.
3. Pak se většina elektronů bude moci přesunout z jedné oblasti do druhé a poté se vrátit zpět.
4. Parametry driftového proudu zůstanou nezměněny, protože jsou ovlivněny pouze počtem nabitých nosičů v oblasti rn.

Jak se zpětné napětí zvyšuje, proud dosáhne nejvyšší úrovně a vstoupí do další fáze – saturace. S rostoucí teplotou se zvyšují parametry saturačního proudu.

Běžné poruchy

Někdy polovodičová zařízení přestanou fungovat, což se vysvětluje přirozeným znehodnocením nebo koncem stanovené provozní životnosti. Existují další typy poruch, které zahrnují:

1. Rozdělení přechodu. Tímto jevem se z polovodiče stává obyčejný vodič, který nemá ustálené vlastnosti a nedrží elektrický proud v určeném směru. Problém můžete vyřešit pomocí standardního multimetru, který pípne a určí úroveň odporu.
2. Přechodová přestávka. Jde o zpětný proces, v jehož důsledku se zařízení promění v izolant. Elektrický proud v tomto případě prochází pouze jedním směrem. Chcete-li určit místo přerušení, musíte použít tester s pracovními sondami. Pokud tyto prvky nebudou dostatečně kvalitní, pak nebude možné provést přesnou a správnou diagnózu.
3. Porušení těsnosti. Jakýkoli únik je vážnou hrozbou pro normální provoz polovodičových zařízení.

Typy poruch

Existuje několik typů poruch, ke kterým dochází při zvýšení zpětného proudu. Patří sem:

1. Tepelné poruchy.
2. Elektrické poruchy.

První nebezpečí nastává, když prvek chladiče pracuje nevyváženě nebo když se rn přechod přehřívá v důsledku vystavení příliš vysokým úrovním proudu. Problém tepelného úniku může vést k mnoha nepříjemným následkům, včetně:

1. Růst vibrací atomů z krystalové kompozice.
2. Interakce elektronů s vodivou oblastí.
3. Rychlé zvýšení ukazatelů teploty.
4. Deformační procesy ve struktuře krystalů.
5. Úplné poškození rádiové součásti.

Pokud jde o elektrický průraz, nelze jej nazvat nevratným procesem, protože při takovém obtěžování krystal zůstává funkční. Včasná opatření proto pomohou chránit diodu před zničením a prodloužit její životnost.

V závislosti na typu mohou být elektrické poruchy tunelové nebo lavinové. V prvním případě se problém vyvíjí v důsledku průchodu příliš vysokého napětí úzkými přechody, v důsledku čehož elektrony volně proklouzávají průrazem. Takové defekty se tvoří, když se v molekulách objeví velké množství nečistot. Jev způsobuje zvýšení zpětného proudu a pokles napětí.

Pokud jde o lavinové rozpady, dochází k nim vlivem silných polí, která urychlují nosič na vrcholové úrovně a následně vyřazují z atomů mnoho valenčních elektronů. Z tohoto důvodu se elektrony dostávají do vodivé oblasti a ztrácejí své vlastnosti. Specifické chování, připomínající svým charakterem lavinu, se začalo nazývat lavinový průraz.

Bez polovodičových diod bezesporu nemohou plně fungovat moderní elektrospotřebiče a různé radiotechnické vynálezy. A abyste prodloužili životnost domácích spotřebičů s těmito prvky, musíte vědět o principu jejich fungování, hlavních poruchách a způsobech, jak se s nimi vypořádat.