Οι δίοδοι ημιαγωγών χρησιμοποιούνται ευρέως στην ηλεκτρονική και τη βιομηχανία ηλεκτρονικών. Χρησιμοποιούνται τόσο ανεξάρτητα όσο και ως p-n-junction τρανζίστορ και πολλών άλλων συσκευών. Ως διακριτό εξάρτημα, οι δίοδοι αποτελούν βασικό μέρος πολλών ηλεκτρονικών κυκλωμάτων. Βρίσκουν πολλές εφαρμογές που κυμαίνονται από εφαρμογές χαμηλής ισχύος έως ανορθωτές.
Τι είναι μια δίοδος;
Μετάφραση από τα ελληνικά, το όνομα αυτού του ηλεκτρονικού στοιχείου σημαίνει κυριολεκτικά "δύο τερματικά". Ονομάζονται άνοδος και κάθοδος. Σε ένα κύκλωμα, το ρεύμα ρέει από την άνοδο στην κάθοδο. Η δίοδος ημιαγωγών είναι ένα μονόπλευρο στοιχείο και η ροή ρεύματος προς την αντίθετη κατεύθυνση είναι μπλοκαρισμένη.
Αρχή λειτουργίας
Η συσκευή των διόδων ημιαγωγών είναι πολύ διαφορετική. Αυτός είναι ο λόγος που υπάρχουν πολλοί τύποι τους, οι οποίοι διαφέρουν τόσο ως προς την ονομαστική τους αξία όσο και ως προς τις λειτουργίες που επιτελούν. Ωστόσο, στις περισσότερες περιπτώσεις η βασική αρχήη λειτουργία των διόδων ημιαγωγών είναι η ίδια. Περιέχουν μια διασταύρωση p-n, η οποία παρέχει τη βασική τους λειτουργικότητα.
Αυτός ο όρος χρησιμοποιείται συνήθως σε σχέση με το τυπικό σχήμα μιας διόδου. Στην πραγματικότητα, ισχύει σχεδόν για κάθε τύπο τους. Οι δίοδοι αποτελούν τη ραχοκοκαλιά της σύγχρονης βιομηχανίας ηλεκτρονικών. Τα πάντα - από απλά στοιχεία και τρανζίστορ μέχρι σύγχρονους μικροεπεξεργαστές - βασίζονται σε ημιαγωγούς. Η αρχή της λειτουργίας μιας διόδου ημιαγωγών βασίζεται στις ιδιότητες των ημιαγωγών. Η τεχνολογία βασίζεται σε μια ομάδα υλικών, η εισαγωγή ακαθαρσιών στο κρυσταλλικό πλέγμα των οποίων καθιστά δυνατή τη λήψη περιοχών στις οποίες οι οπές και τα ηλεκτρόνια είναι φορείς φορτίου.
P-n-junction
Η δίοδος τύπου p-n πήρε το όνομά της επειδή χρησιμοποιεί μια διασταύρωση p-n που επιτρέπει στο ρεύμα να ρέει μόνο προς μία κατεύθυνση. Το στοιχείο έχει και άλλες ιδιότητες που χρησιμοποιούνται επίσης ευρέως. Οι δίοδοι ημιαγωγών, για παράδειγμα, μπορούν να εκπέμπουν και να ανιχνεύουν φως, να αλλάζουν χωρητικότητα και να ρυθμίζουν την τάση.
Η P-n-junction είναι μια βασική δομή ημιαγωγών. Όπως υποδηλώνει το όνομα, είναι μια διασταύρωση μεταξύ περιοχών τύπου p και n. Η μετάβαση επιτρέπει στους φορείς φόρτισης να κινούνται μόνο προς μία κατεύθυνση, η οποία, για παράδειγμα, καθιστά δυνατή τη μετατροπή του εναλλασσόμενου ρεύματος σε συνεχές ρεύμα.
Οι τυπικές δίοδοι κατασκευάζονται συνήθως από πυρίτιο, αν και χρησιμοποιούνται επίσης γερμάνιο και άλλα υλικά ημιαγωγών, κυρίως για ειδικούς σκοπούς.
Volt-χαρακτηριστικό αμπέρ
Η δίοδος χαρακτηρίζεται από μια καμπύλη ρεύματος-τάσης, η οποία μπορεί να χωριστεί σε 2 κλάδους: προς τα εμπρός και προς τα πίσω. Στην αντίθετη κατεύθυνση, το ρεύμα διαρροής είναι κοντά στο 0, αλλά με την αύξηση της τάσης αυξάνεται αργά και, όταν επιτευχθεί η τάση διάσπασης, αρχίζει να αυξάνεται απότομα. Στην προς τα εμπρός κατεύθυνση, το ρεύμα αυξάνεται γρήγορα με την εφαρμοζόμενη τάση πάνω από το κατώφλι αγωγιμότητας, το οποίο είναι 0,7 V για τις διόδους πυριτίου και 0,4 V για το γερμάνιο. Οι κυψέλες που χρησιμοποιούν διαφορετικά υλικά έχουν διαφορετικά χαρακτηριστικά βολτ-αμπέρ και κατώφλι αγωγιμότητας και τάσεις διάσπασης.
Η δίοδος p-n-junction μπορεί να θεωρηθεί ως συσκευή βασικού επιπέδου. Χρησιμοποιείται ευρέως σε πολλές εφαρμογές που κυμαίνονται από κυκλώματα σήματος και ανιχνευτές έως περιοριστές ή μεταβατικούς καταστολείς σε πηνία επαγωγής ή ρελέ και ανορθωτές υψηλής ισχύος.
Λειτουργίες και παράμετροι
Οι προδιαγραφές της διόδου παρέχουν πολλά δεδομένα. Ωστόσο, ακριβείς εξηγήσεις για το τι είναι δεν είναι πάντα διαθέσιμες. Ακολουθούν οι λεπτομέρειες των διαφόρων χαρακτηριστικών και παραμέτρων της διόδου, οι οποίες δίνονται στις προδιαγραφές.
Υλικό ημιαγωγών
Το υλικό που χρησιμοποιείται στις συνδέσεις p-n είναι υψίστης σημασίας επειδή επηρεάζει πολλά από τα θεμελιώδη χαρακτηριστικά των διόδων ημιαγωγών. Το πυρίτιο είναι το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο λόγω της υψηλής απόδοσης και του χαμηλού κόστους παραγωγής του. Ένα άλλο που χρησιμοποιείται συχνάτο στοιχείο είναι το γερμάνιο. Άλλα υλικά χρησιμοποιούνται συνήθως σε διόδους ειδικού σκοπού. Η επιλογή του υλικού ημιαγωγού είναι σημαντική γιατί καθορίζει το όριο αγωγιμότητας - περίπου 0,6 V για το πυρίτιο και 0,3 V για το γερμάνιο.
Πτώση τάσης σε λειτουργία συνεχούς ρεύματος (U pr.)
Οποιοδήποτε ηλεκτρικό κύκλωμα μέσω του οποίου διέρχεται το ρεύμα προκαλεί πτώση τάσης και αυτή η παράμετρος μιας διόδου ημιαγωγών είναι μεγάλης σημασίας, ειδικά για την ανόρθωση, όταν οι απώλειες ισχύος είναι ανάλογες με το U. Επιπλέον, τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα συχνά χρειάζονται παρέχουν μια μικρή πτώση τάσης, επειδή τα σήματα μπορεί να είναι αδύναμα, αλλά πρέπει ακόμα να το ξεπεράσουν.
Αυτό συμβαίνει για δύο λόγους. Το πρώτο έγκειται στην ίδια τη φύση της σύνδεσης p-n και είναι το αποτέλεσμα μιας τάσης κατωφλίου αγωγιμότητας που επιτρέπει στο ρεύμα να διασχίσει το στρώμα εξάντλησης. Το δεύτερο συστατικό είναι η κανονική απώλεια αντίστασης.
Ο δείκτης έχει μεγάλη σημασία για τις διόδους ανορθωτή, οι οποίες μπορούν να μεταφέρουν μεγάλα ρεύματα.
Μέγιστη αντίστροφη τάση (U arr. max)
Αυτή είναι η υψηλότερη αντίστροφη τάση που μπορεί να αντέξει μια δίοδος ημιαγωγών. Δεν πρέπει να γίνεται υπέρβαση, διαφορετικά το στοιχείο μπορεί να αποτύχει. Δεν είναι μόνο η τάση RMS του σήματος εισόδου. Κάθε κύκλωμα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη στα πλεονεκτήματά του, αλλά για έναν απλό ανορθωτή μισού κύματος με πυκνωτή εξομάλυνσης, να θυμάστε ότι ο πυκνωτής θα έχει τάση ίση με την κορυφή της εισόδουσήμα. Στη συνέχεια, η δίοδος θα υποβληθεί στην κορυφή του εισερχόμενου σήματος προς την αντίστροφη κατεύθυνση, και επομένως υπό αυτές τις συνθήκες θα υπάρχει μέγιστη αντίστροφη τάση ίση με την τιμή κορυφής του κύματος.
Μέγιστο προς τα εμπρός ρεύμα (U pr. max)
Όταν σχεδιάζετε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα, βεβαιωθείτε ότι δεν γίνεται υπέρβαση των μέγιστων επιπέδων ρεύματος διόδου. Καθώς το ρεύμα αυξάνεται, παράγεται επιπλέον θερμότητα, η οποία πρέπει να αφαιρεθεί.
Ρεύμα διαρροής (I arr.)
Σε μια ιδανική δίοδο, δεν πρέπει να υπάρχει αντίστροφο ρεύμα. Αλλά σε πραγματικές συνδέσεις p-n, αυτό οφείλεται στην παρουσία μειοψηφικών φορέων φορτίου στον ημιαγωγό. Η ποσότητα του ρεύματος διαρροής εξαρτάται από τρεις παράγοντες. Προφανώς, το πιο σημαντικό από αυτά είναι η αντίστροφη τάση. Επίσης, το ρεύμα διαρροής εξαρτάται από τη θερμοκρασία - με την ανάπτυξή του, αυξάνεται σημαντικά. Επιπλέον, εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τον τύπο του υλικού ημιαγωγού. Από αυτή την άποψη, το πυρίτιο είναι πολύ καλύτερο από το γερμάνιο.
Το ρεύμα διαρροής προσδιορίζεται σε μια συγκεκριμένη αντίστροφη τάση και μια συγκεκριμένη θερμοκρασία. Συνήθως προσδιορίζεται σε microamps (ΜA) ή picoamps (pA).
Χωρητικότητα μετάβασης
Όλες οι δίοδοι ημιαγωγών έχουν χωρητικότητα διασταύρωσης. Η ζώνη εξάντλησης είναι ένα διηλεκτρικό φράγμα μεταξύ δύο πλακών που σχηματίζονται στην άκρη της περιοχής εξάντλησης και της περιοχής με τους περισσότερους φορείς φορτίου. Η πραγματική τιμή χωρητικότητας εξαρτάται από την αντίστροφη τάση, η οποία οδηγεί σε αλλαγή στη ζώνη μετάβασης. Η αύξησή του διευρύνει τη ζώνη εξάντλησης και, κατά συνέπεια,μειώνει τη χωρητικότητα. Αυτό το γεγονός χρησιμοποιείται σε varactors ή varicaps, αλλά για άλλες εφαρμογές, ειδικά εφαρμογές RF, αυτό το φαινόμενο πρέπει να ελαχιστοποιηθεί. Η παράμετρος καθορίζεται συνήθως σε pF σε μια δεδομένη τάση. Διατίθενται ειδικές δίοδοι χαμηλής αντίστασης για πολλές εφαρμογές ραδιοσυχνοτήτων.
Τύπος υπόθεσης
Ανάλογα με τον σκοπό, οι δίοδοι ημιαγωγών παράγονται σε συσκευασίες διαφόρων τύπων και σχημάτων. Σε ορισμένες περιπτώσεις, ειδικά όταν χρησιμοποιείται σε κυκλώματα επεξεργασίας σήματος, το πακέτο είναι βασικό στοιχείο για τον προσδιορισμό των συνολικών χαρακτηριστικών αυτού του ηλεκτρονικού στοιχείου. Σε κυκλώματα ισχύος όπου η απαγωγή θερμότητας είναι σημαντική, η συσκευασία μπορεί να καθορίσει πολλές από τις γενικές παραμέτρους μιας διόδου. Οι συσκευές υψηλής ισχύος πρέπει να μπορούν να συνδέονται σε ψύκτρα. Μικρότερα αντικείμενα μπορούν να παραχθούν σε μολύβδινες θήκες ή ως συσκευές επιφανειακής τοποθέτησης.
Τύποι διόδων
Μερικές φορές είναι χρήσιμο να εξοικειωθείτε με την ταξινόμηση των διόδων ημιαγωγών. Ωστόσο, ορισμένα στοιχεία μπορεί να ανήκουν σε πολλές κατηγορίες.
Αντίστροφη δίοδος. Αν και δεν χρησιμοποιείται τόσο ευρέως, είναι ένας τύπος στοιχείου τύπου p-n, το οποίο στη δράση του μοιάζει πολύ με το τούνελ. Διαθέτει χαμηλή πτώση τάσης κατά την κατάσταση. Βρίσκει χρήση σε ανιχνευτές, ανορθωτές και διακόπτες υψηλής συχνότητας.
Δίοδος διέλευσης έγχυσης. Έχει πολλά κοινά με το πιο κοινό πέταγμα χιονοστιβάδων. Χρησιμοποιείται σε γεννήτριες μικροκυμάτων και συστήματα συναγερμού.
Diode Gunn. Δεν ανήκει στον τύπο p-n, αλλά είναι μια συσκευή ημιαγωγών με δύο ακροδέκτες. Χρησιμοποιείται συνήθως για τη δημιουργία και τη μετατροπή σημάτων μικροκυμάτων στην περιοχή 1-100 GHz.
Η εκπομπή φωτός ή LED είναι ένας από τους πιο δημοφιλείς τύπους ηλεκτρονικών εξαρτημάτων. Σε πόλωση προς τα εμπρός, το ρεύμα που ρέει μέσω της διασταύρωσης προκαλεί την εκπομπή φωτός. Χρησιμοποιούν σύνθετους ημιαγωγούς (π.χ. αρσενίδιο του γαλλίου, φωσφίδιο του γαλλίου, φωσφίδιο του ινδίου) και μπορούν να λάμπουν σε διάφορα χρώματα, αν και αρχικά περιορίζονταν μόνο στο κόκκινο. Υπάρχουν πολλές νέες εξελίξεις που αλλάζουν τον τρόπο λειτουργίας και παραγωγής των οθονών, όπως το OLED.
Φωτοδίοδος. Χρησιμοποιείται για την ανίχνευση φωτός. Όταν ένα φωτόνιο προσκρούει σε μια διασταύρωση p-n, μπορεί να δημιουργήσει ηλεκτρόνια και οπές. Οι φωτοδίοδοι λειτουργούν συνήθως υπό συνθήκες αντίστροφης πόλωσης, όπου ακόμη και μικρά ρεύματα που παράγονται από το φως μπορούν εύκολα να ανιχνευθούν. Οι φωτοδίοδοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Μερικές φορές στοιχεία τύπου καρφίτσας χρησιμοποιούνται ως φωτοανιχνευτές.
Pin-δίοδος. Το όνομα του ηλεκτρονικού στοιχείου περιγράφει καλά τη συσκευή μιας διόδου ημιαγωγών. Έχει τυπικές περιοχές τύπου p και n, αλλά υπάρχει μια εσωτερική περιοχή χωρίς ακαθαρσίες μεταξύ τους. Έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της επιφάνειας της περιοχής εξάντλησης, η οποία μπορεί να είναι χρήσιμη για εναλλαγή, καθώς και σε φωτοδίοδοι κ.λπ.
Η τυπική p-n-junction μπορεί να θεωρηθεί ως κανονικήή τον τυπικό τύπο διόδου που χρησιμοποιείται σήμερα. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές ραδιοσυχνοτήτων ή σε άλλες εφαρμογές χαμηλής τάσης, καθώς και σε ανορθωτές υψηλής τάσης και υψηλής ισχύος.
Δίοδοι Schottky. Έχουν χαμηλότερη πτώση τάσης προς τα εμπρός από τους τυπικούς ημιαγωγούς πυριτίου τύπου p-n. Σε χαμηλά ρεύματα, μπορεί να είναι από 0,15 έως 0,4 V και όχι 0,6 V, όπως συμβαίνει με τις διόδους πυριτίου. Για να γίνει αυτό, δεν κατασκευάζονται ως συνήθως - χρησιμοποιούν μια επαφή μετάλλου-ημιαγωγού. Χρησιμοποιούνται ευρέως ως περιοριστές, ανορθωτές και σε ραδιοεξοπλισμό.
Δίοδος με συσσώρευση φορτίου. Είναι ένας τύπος διόδου μικροκυμάτων που χρησιμοποιείται για τη δημιουργία και τη διαμόρφωση παλμών σε πολύ υψηλές συχνότητες. Η λειτουργία του βασίζεται σε ένα πολύ γρήγορο χαρακτηριστικό σκονίσματος.
Δίοδος λέιζερ. Διαφέρει από το συνηθισμένο φως που εκπέμπει καθώς παράγει συνεκτικό φως. Οι δίοδοι λέιζερ χρησιμοποιούνται σε πολλές συσκευές, από μονάδες DVD και CD μέχρι δείκτες λέιζερ. Είναι πολύ φθηνότερα από άλλες μορφές λέιζερ, αλλά σημαντικά πιο ακριβά από τα LED. Έχουν περιορισμένη διάρκεια ζωής.
Δίοδος σήραγγας. Αν και δεν χρησιμοποιείται ευρέως σήμερα, χρησιμοποιήθηκε παλαιότερα σε ενισχυτές, ταλαντωτές και συσκευές μεταγωγής, κυκλώματα χρονισμού παλμογράφου, όταν ήταν πιο αποτελεσματικό από άλλα στοιχεία.
Varactor ή varicap. Χρησιμοποιείται σε πολλές συσκευές RF. Για αυτήν τη δίοδο, η αντίστροφη πόλωση αλλάζει το πλάτος του στρώματος εξάντλησης ανάλογα με την εφαρμοζόμενη τάση. Σε αυτή τη διαμόρφωσηδρα ως πυκνωτής με περιοχή εξάντλησης που δρα ως μονωτικό διηλεκτρικό και πλάκες που σχηματίζονται από τις αγώγιμες περιοχές. Χρησιμοποιείται σε ταλαντωτές ελεγχόμενης τάσης και φίλτρα ραδιοσυχνοτήτων.
Δίοδος Zener. Είναι ένας πολύ χρήσιμος τύπος διόδου καθώς παρέχει σταθερή τάση αναφοράς. Λόγω αυτού, η δίοδος zener χρησιμοποιείται σε τεράστιες ποσότητες. Λειτουργεί υπό συνθήκες αντίστροφης μεροληψίας και σπάει όταν επιτευχθεί μια ορισμένη διαφορά δυναμικού. Εάν το ρεύμα περιορίζεται από μια αντίσταση, τότε αυτό παρέχει μια σταθερή τάση. Χρησιμοποιείται ευρέως για τη σταθεροποίηση των τροφοδοτικών. Υπάρχουν 2 τύποι αντίστροφης διάσπασης στις διόδους zener: αποσύνθεση Zener και ιονισμός κρούσης.
Έτσι, διάφοροι τύποι διόδων ημιαγωγών περιλαμβάνουν στοιχεία για εφαρμογές χαμηλής και υψηλής ισχύος, εκπομπής και ανίχνευσης φωτός, με χαμηλή πτώση τάσης προς τα εμπρός και μεταβλητή χωρητικότητα. Εκτός από αυτό, υπάρχει μια σειρά από ποικιλίες που χρησιμοποιούνται στην τεχνολογία μικροκυμάτων.
