מהי דיודה מוליכים למחצה, סוגי דיודות וגרף של מאפיין מתח זרם

דיודה מוליכים למחצה נמצאת בשימוש נרחב בהנדסת חשמל ואלקטרוניקה. עם העלות הנמוכה שלו ויחס הכוח לגודל הטוב, הוא החליף במהירות מכשירי ואקום עם מטרה דומה.

המכשיר ועיקרון הפעולה של דיודה מוליכים למחצה

דיודה מוליכים למחצה מורכבת משני אזורים (שכבות) העשויים ממוליכים למחצה (סיליקון, גרמניום וכו'). באזור אחד יש עודף של אלקטרונים חופשיים (n-מוליכים למחצה), באחר יש חוסר (p-מוליכים למחצה) - זה מושג על ידי סימום חומר הבסיס. ביניהם יש אזור קטן שבו עודף של אלקטרונים חופשיים מאתר n "סוגר" חורים מאתר p (מתרחשת רקומבינציה עקב דיפוזיה), ואין נושאי מטען חופשיים באזור זה. כאשר מופעל מתח קדימה, אזור הרקומבינציה קטן, ההתנגדות שלו קטנה והדיודה מוליכה זרם בכיוון זה. עם מתח הפוך, האזור נטול הספק יגדל, ההתנגדות של הדיודה תגדל. שום זרם לא יזרום בכיוון הזה.

סוגים, סיווג וייעוד גרפי על דיאגרמות חשמל

במקרה הכללי, הדיודה בתרשים מסומנת כחץ מסוגנן המציין את כיוון הזרם. התמונה הגרפית המותנית (UGO) של המכשיר מכילה שתי מסקנות - אנודה וקתודה, אשר בחיבור ישיר מחוברים לפלוס של המעגל החשמלי ולמינוס, בהתאמה.

ישנם מספר רב של זנים של התקן מוליכים למחצה דו-קוטביים זה, אשר, בהתאם למטרה, עשויים להיות בעלי UGO מעט שונים.

דיודות זנר (דיודות זנר)

דיודת זנר היא מכשיר מוליכים למחצהפועל במתח הפוך באזור התמוטטות המפולת. באזור זה, מתח דיודת הזנר יציב על פני טווח רחב של זרם דרך המכשיר. תכונה זו משמשת לייצוב המתח על פני העומס.

מייצבים

דיודות זנר עושות עבודה טובה בייצוב מתחים מ-2 V ומעלה.מייצבים משמשים כדי לקבל מתח קבוע מתחת לגבול זה. סימום של החומר שממנו עשויים מכשירים אלה (סיליקון, סלניום) משיג את האנכיות הגדולה ביותר של הענף הישיר של המאפיין. במצב זה, הסטביסטורים פועלים, ונותנים מתח לדוגמה בטווח של 0.5 ... 2 V על הענף הישיר של מאפיין המתח הזרם במתח קדימה.

דיודות שוטקי

דיודת Schottky בנויה לפי סכימת המוליכים למחצה-מתכת, ואין לה צומת קונבנציונלי. בשל כך התקבלו שני מאפיינים חשובים:

• נפילת מתח מופחתת קדימה (כ-0.2 V);
• תדרי הפעלה מוגברים עקב ירידה בקיבול העצמי.

החסרונות כוללים ערכים מוגברים של זרמים הפוכים וסובלנות מופחתת לרמת המתח הפוכה.

Varicaps

לכל דיודה יש ​​קיבול חשמלי. הלוחות של הקבל הם שני מטענים בחלל (p ו-n אזורים של מוליכים למחצה), ושכבת המחסום היא הדיאלקטרי. כאשר מופעל מתח הפוך, שכבה זו מתרחבת והקיבול יורד. תכונה זו טבועה בכל הדיודות, אך עבור varicaps, הקיבול מנורמל וידוע במגבלות מתח נתונות. זה מאפשר להשתמש במכשירים כגון קבלים משתנים ולהחיל כדי להתאים או לכוונן מעגלים על ידי אספקת מתח הפוך ברמות שונות.

דיודות מנהרה

למכשירים אלה יש סטיה בקטע הישר של המאפיין, שבו עלייה במתח גורמת לירידה בזרם. באזור זה, ההתנגדות הדיפרנציאלית שלילית.תכונה זו מאפשרת להשתמש בדיודות מנהרה כמגברי אותות חלשים ומחוללי אות בתדרים מעל 30 גיגה-הרץ.

דיניסטורים

דיניסטור - תיריסטור דיודה - בעל מבנה p-n-p-n ו-CVC בצורת S, אינו מוליך זרם עד שהמתח המופעל מגיע לרמת הסף. לאחר מכן, הוא נדלק ומתנהג כמו דיודה רגילה עד שהזרם יורד מתחת לרמת ההחזקה. דיניסטורים משמשים באלקטרוניקה כוח כמפתחות.

פוטודיודות

הפוטודיודה עשויה באריזה עם גישה לאור נראה לקריסטל. כאשר צומת p-n מוקרן, נוצר בו emf. זה מאפשר לך להשתמש בפוטודיודה כמקור זרם (כחלק מפאנלים סולאריים) או כחיישן אור.

נוריות

המאפיין העיקרי של LED הוא היכולת לפלוט אור כאשר זרם עובר דרך צומת p-n. זוהר זה אינו קשור לעוצמת החימום, כמו מנורת ליבון, ולכן המכשיר חסכוני. לפעמים נעשה שימוש בזוהר הישיר של המעבר, אך לעתים קרובות יותר הוא משמש כיוזם של הצתת הזרחן. זה איפשר להשיג צבעי LED שלא ניתן היה להשיג בעבר, כגון כחול ולבן.

גאן דיודות

למרות שלדיודה גאן יש את הייעוד הגרפי הרגיל, היא לא דיודה במלוא המובן. כי אין לו צומת p-n. מכשיר זה מורכב מלוחית גליום ארסניד על מצע מתכת.

מבלי להיכנס לפרטי התהליכים: כאשר מופעל במכשיר שדה חשמלי בסדר גודל מסוים, מתרחשות תנודות חשמליות, שתקופתן תלויה בגודל פרוסת המוליך למחצה (אך בגבולות מסוימים, ניתן להתאים את התדר על ידי גורמים חיצוניים).

דיודות גאן משמשות כמתנדים בתדרים של 1 גיגה-הרץ ומעלה. היתרון של המכשיר הוא ביציבות התדר הגבוה, והחיסרון הוא המשרעת הקטנה של תנודות חשמליות.

דיודות מגנטיות

דיודות רגילות מושפעות באופן חלש משדות מגנטיים חיצוניים. למגנטודיודות עיצוב מיוחד המגביר את הרגישות לאפקט זה. הם מיוצרים באמצעות טכנולוגיית p-i-n עם בסיס מורחב. תחת פעולת שדה מגנטי, ההתנגדות של המכשיר לכיוון קדימה עולה, וניתן להשתמש בכך ליצירת אלמנטים מיתוג ללא מגע, ממירי שדה מגנטי וכו'.

דיודות לייזר

עקרון הפעולה של דיודה לייזר מבוסס על התכונה של זוג אלקטרוני-חור במהלך ריקומבינציה בתנאים מסוימים כדי לפלוט קרינה גלויה מונוכרומטית וקוהרנטית. שיטות יצירת התנאים הללו שונות, עבור המשתמש יש צורך רק לדעת את אורך הגל הנפלט מהדיודה ואת העוצמה שלה.

דיודות מפולת

מכשירים אלה משמשים במיקרוגל. בתנאים מסוימים, במצב התמוטטות מפולת, מופיע קטע עם התנגדות דיפרנציאלית שלילית על מאפיין הדיודה. תכונה זו של APD מאפשרת להשתמש בהם כגנרטורים הפועלים באורכי גל עד לטווח המילימטרים. שם אפשר להשיג הספק של 1 וואט לפחות. בתדרים נמוכים יותר, עד כמה קילוואט מוסרים מדיודות כאלה.

דיודות PIN

דיודות אלו מיוצרות באמצעות טכנולוגיית p-i-n. בין השכבות המסוימות של מוליכים למחצה נמצאת שכבה של חומר לא מסומם. מסיבה זו, תכונות התיקון של הדיודה מוחמרות (עם מתח הפוך, הרקומבינציה מופחתת עקב היעדר מגע ישיר בין אזורי p ו-n).אבל בשל המרווח בין אזורי טעינת החלל, הקיבול הטפילי הופך קטן מאוד, במצב סגור, דליפת אות בתדרים גבוהים כמעט שאינה נכללת, וניתן להשתמש בדיודות פינים ב-RF ובמיקרוגל כרכיבי מיתוג.

מאפיינים ופרמטרים עיקריים של דיודות

המאפיינים העיקריים של דיודות מוליכים למחצה (למעט אלו המתמחות במיוחד) כוללים:

• המתח ההפוכה המקסימלי המותר (קבוע ודופק);
• תדר הפעלה גבול;
• ירידת מתח קדימה;
• טווח טמפרטורת הפעלה.

את שאר המאפיינים החשובים כדאי לשקול באמצעות הדוגמה של מאפייני ה-I-V של הדיודה - זה ברור יותר.

מאפיין וולט-אמפר של דיודה מוליכים למחצה

מאפיין מתח הזרם של דיודה מוליכים למחצה מורכב מענף קדימה ואחורה. הם ממוקמים ברביעים I ו-III, מכיוון שכיוון הזרם והמתח דרך הדיודה תמיד עולה בקנה אחד. על פי מאפיין המתח הנוכחי, אתה יכול לקבוע כמה פרמטרים, כמו גם לראות בבירור מה משפיעים המאפיינים של המכשיר.

מתח סף הולכה

אם תפעיל מתח קדימה על הדיודה ותתחיל להגדיל אותה, אז ברגע הראשון לא יקרה כלום - הזרם לא יגדל. אבל בערך מסוים, הדיודה תיפתח והזרם יגדל בהתאם למתח. מתח זה נקרא מתח סף ההולכה ומסומן ב-VAC כ-Uthreshold. זה תלוי בחומר שממנו עשויה הדיודה. עבור המוליכים למחצה הנפוצים ביותר, פרמטר זה הוא:

• סיליקון - 0.6-0.8 V;
• גרמניום - 0.2-0.3 V;
• גליום ארסניד - 1.5 V.

התכונה של מכשירי מוליכים למחצה גרמניום להיפתח במתח נמוך משמשת כאשר עובדים במעגלי מתח נמוך ובמצבים אחרים.

זרם מקסימלי דרך הדיודה בחיבור ישיר

לאחר פתיחת הדיודה, הזרם שלה עולה יחד עם העלייה במתח קדימה. עבור דיודה אידיאלית, הגרף הזה מגיע לאינסוף. בפועל, פרמטר זה מוגבל על ידי יכולתו של התקן המוליך למחצה לפזר חום. כאשר מגיעים לגבול מסוים, הדיודה תתחמם יתר על המידה ותכשל. כדי להימנע מכך, היצרנים מציינים את הזרם הגבוה ביותר המותר (על VAC - Imax). זה יכול להיקבע בערך לפי גודל הדיודה והחבילה שלה. בסדר יורד:

• הזרם הגדול ביותר נשמר על ידי מכשירים במעטפת מתכת;
• מארזי פלסטיק מיועדים להספק בינוני;
• דיודות במעטפות זכוכית משמשות במעגלי זרם נמוך.

ניתן להתקין מכשירי מתכת על רדיאטורים - זה יגדיל את כוח הפיזור.

זרם דליפה הפוך

אם תפעיל מתח הפוך על הדיודה, מד זרם לא רגיש לא יראה דבר. למעשה, רק דיודה אידיאלית לא מעביר שום זרם. למכשיר אמיתי יהיה זרם, אבל הוא קטן מאוד, והוא נקרא זרם דליפה הפוך (ב-CVC - Iobr). זה עשרות מיקרואמפר או עשיריות מיליאמפר והרבה פחות מזרם ישר. אתה יכול למצוא אותו במדריך.

מתח התמוטטות

בערך מסוים של המתח ההפוך, מתרחשת עלייה חדה בזרם, הנקראת התמוטטות. יש לו אופי מנהרה או מפולת והוא הפיך. מצב זה משמש לייצוב המתח (מפולת) או ליצירת פולסים (מנהרה).עם עלייה נוספת במתח, ההתמוטטות הופכת לתרמית. מצב זה הוא בלתי הפיך והדיודה נכשלת.

צומת pn קיבול טפילי

כבר הוזכר שיש לצומת p-n קיבולת חשמלית. ואם תכונה זו שימושית ומשמשת ב- varicaps, אז בדיודות רגילות זה יכול להזיק. למרות ש הקיבולת היא יחידות או עשרות pF ובזרם ישר או בתדרים נמוכים אינו מורגש, עם התדירות הגוברת השפעתו גוברת. כמה פיקופראדים ב-RF ייצרו התנגדות נמוכה מספיק לדליפת אותות מזויפת, יוסיפו לקיבול הקיים וישנו את הפרמטרים של המעגל, ויחד עם השראות של הפלט או המוליך המודפס יהוו מעגל תהודה מזויף. לכן, בייצור של מכשירים בתדר גבוה, ננקטים צעדים להפחתת קיבול המעבר.

סימון דיודה

הדרך הקלה ביותר לסמן דיודות במארז מתכת. ברוב המקרים, הם מסומנים עם ייעוד המכשיר וה-pinout שלו. דיודות במארז פלסטיק מסומנות בסימן טבעת בצד הקתודה. אבל אין ערובה לכך שהיצרן מקפיד על כלל זה, ולכן עדיף להתייחס לספרייה. אפילו טוב יותר, צלצל למכשיר עם מולטימטר.

דיודות זנר מקומיות בעלות הספק נמוך וכמה התקנים אחרים עשויים להכיל סימנים של שתי טבעות או נקודות בצבעים שונים בצדדים מנוגדים של המארז. כדי לקבוע את סוג דיודה כזו ואת ה-pinout שלה, עליך לקחת ספר עיון או למצוא מזהה סימון מקוון באינטרנט.

יישומים של דיודות

למרות המכשיר הפשוט, דיודות מוליכים למחצה נמצאות בשימוש נרחב באלקטרוניקה:

1. לצורך יישור מתח AC. קלאסיקה של הז'אנר - תכונת הצומת p-n משמשת להולכת זרם בכיוון אחד.
2. גלאי דיודה. כאן נעשה שימוש באי-ליניאריות של מאפיין I–V, המאפשר לבודד הרמוניות מהאות, שניתן להבחין בהן על ידי מסננים.
3. שתי דיודות, המחוברות גב אל גב, משמשות כמגביל לאותות רבי עוצמה שיכולים להעמיס יתר על המידה שלבי הכניסה הבאים של מקלטי רדיו רגישים.
4. דיודות זנר יכולות להיכלל כאלמנטים חסיני ניצוץ שאינם מאפשרים לפולסים של מתח גבוה להיכנס למעגלים של חיישנים המותקנים באזורים מסוכנים.
5. דיודות יכולות לשמש כמכשירי מיתוג במעגלים בתדר גבוה. הם נפתחים במתח קבוע ומעבירים (או לא מעבירים) את אות ה-RF.
6. דיודות פרמטריות משמשות כמגברים של אותות חלשים בטווח המיקרוגל עקב נוכחות של קטע עם התנגדות שלילית בענף הישיר של המאפיין.
7. דיודות משמשות להרכבת מיקסרים הפועלים בציוד שידור או קליטה. הם מתערבבים אות מתנד מקומי עם אות בתדר גבוה (או בתדר נמוך) לעיבוד נוסף. זה גם משתמש באי-ליניאריות של מאפיין המתח הנוכחי.
8. המאפיין הלא ליניארי מאפשר שימוש בדיודות מיקרוגל כמכפילי תדר. כאשר האות עובר דרך דיודת המכפיל, ההרמוניות הגבוהות יותר מודגשות. לאחר מכן ניתן לבחור אותם על ידי סינון.
9. דיודות משמשות כרכיבי כוונון למעגלי תהודה. במקרה זה, נעשה שימוש בנוכחות של קיבול מבוקר בצומת p-n.
10. סוגים מסוימים של דיודות משמשים כגנרטורים בטווח המיקרוגל. אלו בעיקר דיודות מנהרה והתקנים עם אפקט גאן.

זהו רק תיאור קצר של היכולות של התקני מוליכים למחצה כפולים. בעזרת מחקר מעמיק של המאפיינים והמאפיינים בעזרת דיודות, ניתן לפתור בעיות רבות שהוקצו למפתחי ציוד אלקטרוני.

מאמרים דומים: