Referat Elektronika - Rodzaje diod półprzewodnikowych

DIODY PÓŁPRZEWODNIKOWE
Dioda półprzewodnikowa to dwukońcówkowy element półprzewodnikowy. Zbudowana jest z dwóch warstw półprzewodnika, odmiennie domieszkowanych - typu n i typu p, tworzących razem złącze p-n, lub z połączenia półprzewodnika z odpowiednim metalem - dioda Schottky'ego. Końcówka dołączona do obszaru n nazywa się katodą, a do obszaru p - anodą. Element ten charakteryzuje się jednokierunkowym przepływem prądu - od anody do katody, w drugą stronę prąd nie płynie (zawór elektryczny).
[link widoczny dla zalogowanych]
Podstawową cechą diod półprzewodnikowych jest prostowanie (tj. umożliwianie przepływu prądu tylko w jedną stronę) prądu przemiennego, jednak ich gama zastosowań jest o wiele szersza, w związku z tym rozróżniamy kilka rodzajów diod.

Diody prostownicze

Dioda prostownicza to rodzaj diody przeznaczonej głównie do prostowania prądu przemiennego, której głównym zastosowaniem jest dostarczenie odpowiednio dużej mocy prądu stałego.

Głównymi parametrami diod prostowniczych jest maksymalne dopuszczalne napięcie wsteczne (napięcia pomiędzy anodą i katodą w stanie zatkania) i maksymalny prąd przewodzenia, parametry te określają możliwość użycia diody w konkretnym zastosowaniu. Innymi parametrami ważnymi w tego rodzaju zastosowaniach jest maksymalny prąd chwilowy (określający odporność na przeciążenia), maksymalna moc tracona na diodzie, czas odzyskiwania zdolności zaworowej (wyznacza maksymalną częstotliwość prądu prostowanego).

Najpopularniejszym zastosowaniem diody prostowniczej jest prostowanie napięcia o częstotliwości sieciowej, czyli (w Polsce) 50 Hz. Diody te są elementami nieliniowymi i w związku z tym można wyróżnić napięcie powyżej którego gwałtownie rośnie prąd przepływający przez diodę w kierunku przewodzenia. Jest to minimalne napięcie przewodzenia, poniżej którego prąd diody jest pomijalnie mały. Dla germanu wynosi ono około 0,2 V (diody rzadziej stosowane); dla krzemu napięcie to równe jest około 0,7 V.

Spotykane w praktyce zakresy pracy diod prostowniczych obejmują prądy o wartości od kilku mA (miliamperów) do kilku kA (kiloamperów) i napięcia od kilku V (woltów) do kilkudziesięciu kV (kilowoltów). Mogą być wykonywane w postaci półprzewodnikowych diod złączowych (ze złączem p-n) lub diod Schottky'ego (ze złączem metal-półprzewodnik) gdy liczy się szybkość diody, oraz lamp elektronowych np. dioda próżniowa i gazotron.

Diody stabilizacyjne (stabilistory, diody Zenera)
[link widoczny dla zalogowanych]
Dioda Zenera (stabilistor) - odmiana diody półprzewodnikowej, której głównym parametrem jest napięcie przebicia złącza p-n. Po przekroczeniu napięcia przebicia ma miejsce nagły, gwałtowny wzrost prądu. W kierunku przewodzenia (anoda spolaryzowana dodatnio względem katody) zachowuje się jak normalna dioda, natomiast przy polaryzacji zaporowej (katoda spolaryzowana dodatnio względem anody) może przewodzić prąd po przekroczeniu określonego napięcia na złączu, zwanego napięciem przebicia. Przy niewielkich napięciach (do ok. 5 woltów) podstawową rolę odgrywa zjawisko Zenera, w zakresie od 5 do 8 woltów zjawisko Zenera i przebicie lawinowe, a powyżej 8 woltów - wyłącznie przebicie lawinowe. Napięcie przebicia jest praktycznie niezależne od płynącego prądu i zmienia się bardzo nieznacznie nawet przy dużych zmianach prądu przebicia (dioda posiada w tym stanie niewielką oporność dynamiczną).

Należy podkreślić, że identycznie zachowuje się każda dioda półprzewodnikowa. Cechami, które pozwalają wydzielić diody Zenera jako oddzielną kategorię elementów, są:

* napięcie przebicia określone dokładnie, z niewielką tolerancją, typowo 5% (dla np. diod prostowniczych ważne jest aby nie było mniejsze od zadanej wartości),
* mała oporność dynamiczna,
* zapewnienie możliwie gwałtownego przejścia do stanu przebicia złącza (możliwe ostre "kolano" na charakterystyce I = f(U)).

Podstawowym zastosowaniem diody Zenera jest źródło napięcia odniesienia, ponadto używana bywa do przesuwania poziomów napięć oraz jako element zabezpieczający i przeciwprzepięciowy (transil).

Diody pojemnościowe
Dioda pojemnościowa - dioda półprzewodnikowa, w której wykorzystuje się zjawisko zmiany pojemności złącza p-n pod wpływem zmiany napięcia przyłożonego w kierunku zaporowym. Konstrukcja złączy stosowanych w diodach pojemnościowych jest specjalnie przystosowana do wykorzystania tej właściwości; półprzewodnik, z jakiego wykonywane są diody pojemnościowe, to zazwyczaj krzem lub arsenek galu.

Wyróżnia się dwa rodzaje diod pojemnościowych:

* Warikapy (od variable capacitance, zmienna pojemność), o pojemności rzędu 10-500 pF, używane głównie w układach automatycznego strojenia jako elementy obwodów rezonansowych.
* Waraktory (od variable reactor, zmienna reaktancja), o pojemności rzędu 0,2-20 pF, używane głównie w zakresie wysokich częstotliwości, jak również mikrofalowym (5-200 GHz); znajdują zastosowanie np. w powielaczach częstotliwości.

Diodę charakteryzują dwie skrajne pojemności: Ctmin oraz Ctmax.
Zależność pojemności diody od napięcia
Zależność pojemności diody od napięcia

Pojemność Ctmin jest osiągana dla dużych napięć: U2 jest bliskie maksymalnemu napięciu wstecznemu. Pojemność Ctmax na ogół określa się przy zerowym lub bliskim zeru napięciu polaryzacji diody U1 - pojemność ta jest rzędu pikofaradów.

Przy budowaniu diod pojemnościowych dąży się do zmaksymalizowania współczynnika przestrajania. Parametr, który mówi, jak zmienia się pojemność pod wpływem zmiany napięcia, nazywany jest czułością.

Diody przełączające (impulsowe)
Dioda impulsowa - dioda, która charakteryzuje się bardzo dużą szybkością pracy - rzędu nanosekund lub mikrosekund przy wyższych napięciach. W zależności od zastosowania mogą to być diody prostownicze, diody detekcyjne, diody zabezpieczające itp.

Podstawowym parametrem tych diod jest szybkość włączania (czas od momentu spolaryzowania złącza p-n w kierunku przewodzenia do osiągniecia przez prąd maksymalnej wartości), czas wyłączania (czas od momentu spolaryzowania diody w kierunku zaporowym do momentu ustania przepływu prądu). Dodatkowymi parametrami są te cechy diod, które są istotne w konkretnym zastosowaniu (np. maksymalny prąd i napięcie znamionowe dla diod prostowniczych).

Diody impulsowe są wykonywane jako dioda Schottky'ego dla niewielkich napięć wstecznych (rzędu kilkudziesięciu V) lub specjalnie wykonywane diody złączowe przy wyższych napięciach.

Diody detekcyjne
Diody te pracują przy małych i bardzo małych sygnałach, więc nie muszą umieć przewodzić dużych prądów, ani wytrzymywać dużych napięć. Pracują za to z reguły przy dużych częstotliwościach, więc muszą mieć cechy umożliwiające im pracę w tym zakresie: małą pojemność pomiędzy anodą i katodą, aby sygnał w.cz. doprowadzony do diody nie "uciekał" przez tą pojemność, dużą szybkość działania - czas jaki zajmuje elektronom podróż od anody do katody powinien być mały w porównaniu do czasu trwania okresu sygnału przy którym dioda pracuje - oba te warunki narzucają małe wymiary samej diody (nie oznacza to oczywiście, że szklana lub metalowa bańka w której dioda jest zamknięta też musi być mała). Jednocześnie doprowadzenia od elektrod do nóżek lampy muszą jak najmniej wpływać na sygnał, a więc ich parametry takie jak indukcyjność i pojemność powinny być jak najmniejsze. Dlatego często diody detekcyjne są konstruowane w zupełnie inny sposób niż diody prostownicze i mają inne, czasami nawet bardzo dziwne cokoły, zwłaszcza jeżeli są to lampy przeznaczone dla bardzo wielkich częstotliwości.

Diody generacyjne i wzmacniające
Dioda tunelowa, rzadziej dioda Esakiego - dioda półprzewodnikowa, która dla pewnego zakresu napięć polaryzujących charakteryzuje się ujemną rezystancją dynamiczną.

Taką charakterystykę uzyskuje się w złączach silnie domieszkowanych, bowiem jest w nich możliwe przejście tunelowe nośników z pasma walencyjnego do pasma przewodzenia zarówno z obszaru półprzewodnika typu p+ do n+, jak i z obszaru n+ do p+, także przy polaryzacji złącza w kierunku przewodzenia (porównaj ze zjawiskiem Zenera). Czas tunelowego przejścia nośników jest rzędu 10-13 s, dlatego diody tego typu wykorzystuje się do wytwarzania, wzmacniania i detekcji słabych drgań wysokich częstości (rzędu kilkuset gigaherców), w układach impulsowych (np. cyfrowych) oraz jako elementy aktywne generatorów.

Diody tunelowe wykonywane są z krzemu, arsenku galu, antymonku galu, oraz obecnie już niezbyt często z germanu. Istotne parametry:

* punkt szczytu, określony przez napięcie UP i natężenie prądu IP;
* punkt doliny, określony przez napięcie UV i natężenie prądu IV;
* rezystancja dynamiczna dla opadającej części charakterystyki.

Typowe natężenie prądu IP jest rzędu kilku-kilkunastu miliamperów.

Ważnym parametrem jest iloraz IP / IV - im jest on większy, tym lepiej. Ponadto, ze względu na przeznaczenie tych elementów do pracy z bardzo dużymi częstotliwościami istotne stają się pojemność złącza p-n, indukcyjność pasożytnicza oraz pojemność obudowy, ponieważ wpływają na szybkość działania diody.

Dioda IMPATT (Avalanche Transition- Time Diod) stosowana jest w generatorach mikrofalowych. Wykorzystuje sie w niej czas przelotu przez warstwe ladunku przestrzennego, podobnie jak w diodach Gunna i diodach TRAPATT.

Dioda Gunna jest to element, którego działanie polega na specyficznej zależności
prędkości elektronów od natężenia pola elektrycznego (zjawisko Gunna), czego
rezultatem jest istnienie ujemnej konduktacji w diodzie.
Diody Gunna są stosowane w generatorach mikrofalowych o częstotliwości rzędu
GHz.

Wykonali:
Piotr Nowak
Tomasz Jonderko
Mateusz Czempiel
Michał Szuszkiewicz

Post został pochwalony 0 razy

Ostatnio zmieniony przez Nameless dnia 14:41:46, w całości zmieniany 1 raz