Die Halbleiterdiode ist in der Elektrotechnik und Elektronik weit verbreitet. Mit seinen niedrigen Kosten und seinem guten Verhältnis von Leistung zu Größe ersetzte es schnell Vakuumgeräte mit ähnlichem Zweck.
Inhalt
Das Gerät und das Funktionsprinzip einer Halbleiterdiode
Eine Halbleiterdiode besteht aus zwei Bereichen (Schichten) aus einem Halbleiter (Silizium, Germanium etc.). Ein Bereich hat einen Überschuss an freien Elektronen (n-Halbleiter), der andere einen Mangel (p-Halbleiter) – dies wird durch Dotierung des Grundmaterials erreicht. Dazwischen befindet sich eine kleine Zone, in der ein Überschuss an freien Elektronen vom n-Platz Löcher vom p-Platz "schließt" (Rekombination tritt aufgrund von Diffusion auf), und in diesem Bereich gibt es keine freien Ladungsträger. Wenn eine Vorwärtsspannung angelegt wird, ist der Rekombinationsbereich klein, sein Widerstand ist klein und die Diode leitet Strom in dieser Richtung. Bei Sperrspannung erhöht sich die trägerfreie Zone, der Widerstand der Diode steigt. In diese Richtung fließt kein Strom.
Typen, Klassifizierung und grafische Bezeichnung auf Schaltplänen
Im allgemeinen Fall wird die Diode im Diagramm als stilisierter Pfeil angezeigt, der die Stromrichtung angibt. Das bedingte Grafikbild (UGO) des Geräts enthält zwei Schlussfolgerungen - Anode und Kathode, die in direkter Verbindung mit dem Plus des Stromkreises bzw. mit dem Minus verbunden sind.
Es gibt eine große Anzahl von Varianten dieses bipolaren Halbleiterbauelements, die je nach Verwendungszweck leicht unterschiedliche UGOs aufweisen können.
Zenerdioden (Zenerdioden)
Eine Zenerdiode ist ein HalbleiterbauelementBetrieb bei Sperrspannung in der Zone des Lawinendurchbruchs. In diesem Bereich ist die Spannung der Zenerdiode über einen großen Strombereich durch das Gerät hinweg stabil. Diese Eigenschaft wird verwendet, um die Spannung über der Last zu stabilisieren.
Stabistoren
Zenerdioden leisten gute Arbeit bei der Stabilisierung von Spannungen ab 2 V.Stabilisatoren werden verwendet, um eine konstante Spannung unterhalb dieser Grenze zu erhalten. Durch die Dotierung des Materials, aus dem diese Bauelemente hergestellt sind (Silizium, Selen), wird die größte Vertikalität des direkten Zweigs der Kennlinie erreicht. In diesem Modus arbeiten die Stabilisatoren und geben am direkten Zweig der Strom-Spannungs-Kennlinie bei Durchlassspannung eine beispielhafte Spannung im Bereich von 0,5 ... 2 V aus.
Schottky-Dioden
Die Schottky-Diode ist nach dem Halbleiter-Metall-Schema aufgebaut und hat keinen herkömmlichen Übergang. Dadurch wurden zwei wichtige Eigenschaften erhalten:
- reduzierter Durchlassspannungsabfall (ca. 0,2 V);
- erhöhte Betriebsfrequenzen aufgrund einer Abnahme der Eigenkapazität.
Zu den Nachteilen gehören erhöhte Rückstromwerte und eine verringerte Toleranz gegenüber der Höhe der Rückspannung.
Varicaps
Jede Diode hat eine elektrische Kapazität. Die Platten des Kondensators sind zwei Raumladungen (p- und n-Bereiche von Halbleitern), und die Sperrschicht ist das Dielektrikum. Beim Anlegen einer Sperrspannung dehnt sich diese Schicht aus und die Kapazität nimmt ab. Diese Eigenschaft ist allen Dioden eigen, aber bei Varicaps ist die Kapazität normalisiert und für gegebene Spannungsgrenzen bekannt. Dadurch ist es möglich, solche Geräte wie z variable Kondensatoren und gelten zum Einstellen oder Feinabstimmen von Schaltungen durch Anlegen einer Sperrspannung mit verschiedenen Pegeln.
Tunneldioden
Diese Geräte haben im geraden Kennlinienabschnitt einen Ausschlag, bei dem eine Spannungserhöhung eine Stromabnahme bewirkt. In diesem Bereich ist der Differenzwiderstand negativ.Diese Eigenschaft ermöglicht den Einsatz von Tunneldioden als schwache Signalverstärker und -generatoren bei Frequenzen über 30 GHz.
Dinistoren
Dinistor - Diodenthyristor - hat eine p-n-p-n-Struktur und einen S-förmigen CVC, leitet keinen Strom, bis die angelegte Spannung den Schwellenwert erreicht. Danach schaltet es ein und verhält sich wie eine normale Diode, bis der Strom unter den Haltepegel fällt. Dinistoren werden in der Leistungselektronik als Schlüssel verwendet.
Fotodioden
Die Fotodiode wird in einem Gehäuse mit sichtbarem Lichtzugang zum Kristall hergestellt. Wenn ein p-n-Übergang bestrahlt wird, entsteht darin eine EMK. Dadurch können Sie die Fotodiode als Stromquelle (als Teil von Sonnenkollektoren) oder als Lichtsensor verwenden.
Leuchtdioden
Die Haupteigenschaft einer LED ist die Fähigkeit, Licht zu emittieren, wenn Strom durch einen p-n-Übergang fließt. Dieses Leuchten hängt nicht mit der Intensität der Erwärmung zusammen, wie bei einer Glühlampe, sodass das Gerät wirtschaftlich ist. Manchmal wird das direkte Glühen des Übergangs verwendet, aber häufiger wird es als Initiator der Zündung des Leuchtstoffs verwendet. Damit war es möglich, bisher unerreichte LED-Farben wie Blau und Weiß zu erhalten.
Gunn Dioden
Obwohl die Gunn-Diode die übliche herkömmliche grafische Bezeichnung hat, ist sie keine Diode im vollen Sinne. Weil es keinen p-n-Übergang hat. Diese Vorrichtung besteht aus einer Galliumarsenidplatte auf einem Metallsubstrat.
Ohne auf die Details der Prozesse einzugehen: Beim Anlegen eines elektrischen Feldes bestimmter Stärke an das Gerät treten elektrische Schwingungen auf, deren Dauer von der Größe des Halbleiterwafers abhängt (die Frequenz lässt sich aber in gewissen Grenzen einstellen durch externe Elemente).
Gunn-Dioden werden als Oszillatoren bei Frequenzen von 1 GHz und darüber verwendet. Der Vorteil des Gerätes ist die hohe Frequenzstabilität, der Nachteil die kleine Amplitude der elektrischen Schwingungen.
Magnetische Dioden
Gewöhnliche Dioden werden durch externe Magnetfelder schwach beeinflusst. Magnetodioden haben ein spezielles Design, das die Empfindlichkeit gegenüber diesem Effekt erhöht. Sie werden in p-i-n-Technologie mit verlängerter Basis hergestellt. Unter Einwirkung eines Magnetfeldes erhöht sich der Widerstand des Gerätes in Durchlassrichtung, was zum Aufbau berührungsloser Schaltelemente, Magnetfeldwandler etc. genutzt werden kann.
Laserdioden
Das Funktionsprinzip einer Laserdiode beruht auf der Eigenschaft eines Elektron-Loch-Paares bei der Rekombination unter bestimmten Bedingungen monochromatische und kohärente sichtbare Strahlung auszusenden. Die Methoden zur Schaffung dieser Bedingungen sind unterschiedlich, für den Benutzer muss nur die Länge der von der Diode emittierten Welle und ihre Leistung bekannt sein.
Avalanche-Dioden
Diese Geräte werden in der Mikrowelle verwendet. Unter bestimmten Bedingungen erscheint im Lawinendurchbruchmodus ein Abschnitt mit negativem Differenzwiderstand auf der Diodenkennlinie. Diese Eigenschaft von APD ermöglicht ihre Verwendung als Generatoren, die bei Wellenlängen bis in den Millimeterbereich arbeiten. Dort ist eine Leistung von mindestens 1 Watt möglich. Bei niedrigeren Frequenzen werden solchen Dioden bis zu mehreren Kilowatt abgenommen.
PIN-Dioden
Diese Dioden werden unter Verwendung der p-i-n-Technologie hergestellt. Zwischen den dotierten Halbleiterschichten befindet sich eine Schicht aus undotiertem Material. Dadurch werden die Gleichrichteigenschaften der Diode verschlechtert (bei Sperrspannung wird die Rekombination durch den fehlenden direkten Kontakt zwischen p- und n-Zone reduziert).Aber durch den Abstand der Raumladungszonen wird die parasitäre Kapazität sehr klein, im geschlossenen Zustand ist ein Signalverlust bei hohen Frequenzen praktisch ausgeschlossen, und PIN-Dioden können auf HF und Mikrowelle als Schaltelemente verwendet werden.
Hauptmerkmale und Parameter von Dioden
Zu den Hauptmerkmalen von Halbleiterdioden (außer hochspezialisierten) gehören:
- die maximal zulässige Sperrspannung (konstant und gepulst);
- Grenzbetriebsfrequenz;
- Vorwärtsspannungsabfall;
- Betriebstemperaturbereich.
Der Rest der wichtigen Eigenschaften wird am besten am Beispiel der I-V-Eigenschaften der Diode betrachtet - dies ist klarer.
Volt-Ampere-Kennlinie einer Halbleiterdiode
Die Strom-Spannungs-Kennlinie einer Halbleiterdiode besteht aus einem Vorwärts- und einem Rückwärtszweig. Sie befinden sich in den Quadranten I und III, da die Richtung von Strom und Spannung durch die Diode immer zusammenfällt. Anhand der Strom-Spannungs-Kennlinie können Sie einige Parameter bestimmen und deutlich sehen, was die Eigenschaften des Geräts beeinflussen.
Leitungsschwellenspannung
Wenn Sie eine Durchlassspannung an die Diode anlegen und diese erhöhen, passiert im ersten Moment nichts - der Strom steigt nicht an. Aber bei einem bestimmten Wert öffnet die Diode und der Strom steigt entsprechend der Spannung. Diese Spannung wird als Leitungsschwellenspannung bezeichnet und ist auf dem VAC als Uthreshold gekennzeichnet. Es hängt vom Material ab, aus dem die Diode besteht. Für die gängigsten Halbleiter ist dieser Parameter:
- Silizium - 0,6-0,8 V;
- Germanium - 0,2-0,3 V;
- Galliumarsenid - 1,5 V.
Die Eigenschaft von Germanium-Halbleiterbauelementen, bei Niederspannung zu öffnen, wird beim Arbeiten in Niederspannungskreisen und in anderen Situationen genutzt.
Maximaler Strom durch die Diode bei direktem Anschluss
Nachdem die Diode geöffnet hat, steigt ihr Strom zusammen mit der Erhöhung der Durchlassspannung. Für eine ideale Diode geht dieser Graph gegen unendlich. In der Praxis wird dieser Parameter durch die Fähigkeit der Halbleitervorrichtung begrenzt, Wärme abzuleiten. Wenn eine bestimmte Grenze erreicht wird, überhitzt die Diode und fällt aus. Um dies zu vermeiden, geben die Hersteller den höchstzulässigen Strom an (auf dem VAC - Imax). Sie kann grob durch die Größe der Diode und ihres Gehäuses bestimmt werden. In absteigender Reihenfolge:
- der größte Strom wird von Geräten in einer Metallhülle gehalten;
- Kunststoffgehäuse sind für mittlere Leistung ausgelegt;
- Dioden in Glashüllen werden in Schwachstromschaltungen verwendet.
Metallgeräte können an Heizkörpern installiert werden - dies erhöht die Verlustleistung.
Sperrstrom
Wenn Sie eine Sperrspannung an die Diode anlegen, zeigt ein unempfindliches Amperemeter nichts an. Tatsächlich lässt nur eine ideale Diode keinen Strom durch. Ein echtes Gerät hat einen Strom, der jedoch sehr klein ist und als Rückwärtsleckstrom bezeichnet wird (auf dem CVC - Iobr). Es ist einige zehn Mikroampere oder Zehntel Milliampere und viel weniger als Gleichstrom. Sie finden es im Verzeichnis.
Die Spannung unterbrechen
Bei einem bestimmten Wert der Sperrspannung tritt ein starker Stromanstieg auf, der als Durchbruch bezeichnet wird. Sie hat Tunnel- oder Lawinencharakter und ist reversibel. Dieser Modus wird verwendet, um die Spannung zu stabilisieren (Avalanche) oder Impulse zu erzeugen (Tunnel).Bei einem weiteren Anstieg der Spannung wird der Durchbruch thermisch. Dieser Modus ist irreversibel und die Diode fällt aus.
Parasitäre Kapazität pn-Übergang
Es wurde bereits erwähnt, dass der p-n-Übergang hat elektrische Kapazität. Und wenn diese Eigenschaft nützlich ist und in Varicaps verwendet wird, kann sie in gewöhnlichen Dioden schädlich sein. Obwohl Kapazität ist Einheiten oder zehn pF und bei Gleichstrom oder niedrigen Frequenzen ist nicht wahrnehmbar, mit zunehmender Frequenz nimmt sein Einfluss zu. Ein paar Picofarad bei HF erzeugen einen Widerstand, der niedrig genug ist, um Störsignalverluste zu verursachen, die vorhandene Kapazität zu erhöhen und die Parameter der Schaltung zu ändern und zusammen mit der Induktivität des Ausgangs oder der gedruckten Leiter einen Störresonanzkreis zu bilden. Daher werden bei der Herstellung von Hochfrequenzgeräten Maßnahmen ergriffen, um die Kapazität des Übergangs zu verringern.
Diodenmarkierung
Der einfachste Weg, Dioden in einem Metallgehäuse zu markieren. In den meisten Fällen sind sie mit der Bezeichnung des Geräts und seiner Pinbelegung gekennzeichnet. Dioden im Kunststoffgehäuse sind auf der Kathodenseite mit einer Ringmarke gekennzeichnet. Eine Garantie dafür, dass der Hersteller diese Regel strikt einhält, gibt es aber nicht, also besser auf das Verzeichnis verweisen. Noch besser, klingeln Sie das Gerät mit einem Multimeter.
Haushalts-Zenerdioden mit geringem Stromverbrauch und einige andere Geräte können Markierungen von zwei Ringen oder Punkten unterschiedlicher Farbe auf gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses aufweisen. Um den Typ einer solchen Diode und ihre Pinbelegung zu bestimmen, müssen Sie ein Nachschlagewerk nehmen oder eine Online-Markierungskennung im Internet finden.
Anwendungen von Dioden
Trotz des einfachen Geräts sind Halbleiterdioden in der Elektronik weit verbreitet:
- Zum Richten Wechselstrom Spannung. Ein Klassiker des Genres - die p-n-Übergangseigenschaft wird verwendet, um Strom in eine Richtung zu leiten.
- Dioden Detektoren. Dabei wird die Nichtlinearität der I–U-Kennlinie genutzt, die es ermöglicht, Oberschwingungen aus dem Signal zu isolieren, die ggf. durch Filter unterschieden werden können.
- Zwei gegeneinander geschaltete Dioden dienen als Limiter für starke Signale, die nachfolgende Eingangsstufen empfindlicher Funkempfänger überlasten können.
- Zenerdioden können als funkensichere Elemente eingebaut werden, die verhindern, dass Hochspannungsimpulse in die Schaltkreise von Sensoren gelangen, die in explosionsgefährdeten Bereichen installiert sind.
- Dioden können als Schaltgeräte in Hochfrequenzschaltungen dienen. Sie öffnen mit einer konstanten Spannung und lassen das HF-Signal durch (oder lassen es nicht durch).
- Parametrische Dioden dienen aufgrund des Vorhandenseins eines Abschnitts mit negativem Widerstand im direkten Zweig der Kennlinie als Verstärker schwacher Signale im Mikrowellenbereich.
- Dioden werden verwendet, um Mischer zusammenzubauen, die in Sende- oder Empfangsgeräten arbeiten. Sie mischen sich lokales Oszillatorsignal mit einem hochfrequenten (oder niederfrequenten) Signal zur weiteren Verarbeitung. Es nutzt auch die Nichtlinearität der Strom-Spannungs-Kennlinie.
- Die nichtlineare Charakteristik ermöglicht den Einsatz von Mikrowellendioden als Frequenzvervielfacher. Wenn das Signal die Multiplikatordiode passiert, werden die höheren Harmonischen hervorgehoben. Dann können sie durch Filtern ausgewählt werden.
- Dioden werden als Abstimmelemente für Resonanzkreise verwendet. In diesem Fall wird das Vorhandensein einer gesteuerten Kapazität am p-n-Übergang verwendet.
- Einige Arten von Dioden werden als Generatoren im Mikrowellenbereich verwendet. Dies sind hauptsächlich Tunneldioden und Geräte mit dem Gunn-Effekt.
Dies ist nur eine kurze Beschreibung der Fähigkeiten von Halbleitervorrichtungen mit zwei Anschlüssen. Durch eine eingehende Untersuchung der Eigenschaften und Eigenschaften mit Hilfe von Dioden ist es möglich, viele Probleme zu lösen, die den Entwicklern elektronischer Geräte übertragen werden.
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