Polovodičová dioda: Pracovní princip, aplikace a výhody

Polovodiče – látky, které svým odporem zaujímají mezilehlou polohu mezi vodiči a dielektriky. Odpor polovodičů je vysoce závislý na teplotě a koncentraci nečistot. Při výrobě polovodičových součástek jsou nejpoužívanější materiály germanium a křemík.

Nosiče náboje v polovodičích jsou volné elektrony (-) a díry (+). Otvor – místo na vnější dráze atomu, kde se dříve nacházel elektron.

Druhy polovodičů

Polovodiče, které se skládají pouze z atomů germania nebo křemíku, se nazývají čistýNebo vlastní.

Polovodiče, ve kterých je mnohem více volných elektronů než děr, se nazývají polovodiče. ntyp. Nečistoty v takových polovodičích se nazývají dárců. Většinové nosiče náboje jsou elektrony a menšinové nosiče jsou díry.

Polovodiče, ve kterých je mnohem více volných děr než elektronů, se nazývají polovodiče. ptyp. Nečistoty jsou tzv akceptoři. Díry jsou většinové nosiče a elektrony jsou menší.

Princip činnosti většiny polovodičových součástek je založen na jevech, které se vyskytují na rozhraní dvou polovodičů s různými typy elektrické vodivosti –p-n přechod.

polovodičové diodové zařízení

Polovodičová dioda je polovodičová součástka s jednou elektronovou dírou (okres) přechod (hlavní část) a dva závěry. Závěr z р– oblast se nazývá – anodaz n– oblasti – katoda.

Podle tvaru a velikosti pn-přechodu se rozlišují plošné (obr. 1) a bodové diody (obr. 3). U bodových diod je tvar p-n přechodu ve tvaru bodu, u planárních diod ve tvaru roviny s významnou plochou. Planární diody mohou propouštět významné proudy, ale pracují na nízkých frekvencích. Bodové diody naopak mohou pracovat při vysokých frekvencích, ale propouštějí malé proudy.

Ke kovové základně planární diody, tzv držák křišťálu, je polovodičová deska připájena n-typ. Shora se do něj zataví kapka kovu, obvykle india. Atomy india difundují (pronikají) do polovodičové desky a tvoří vrstvu blízko jejího povrchu р-typ. K držáku krystalu a india jsou přivařeny vodiče, které slouží jako vývody diod.

Rýže. 1 – Planární diodové zařízení (vpravo – planární usměrňovací dioda D242B)
1 – izolátor, 2 – pouzdro, 3 – anodový vývod, 4 – pájka, 5 – krystal,
6 – držák krystalu, 7 – vnější přívody

Bodová polovodičová dioda se skládá z polovodičové desky n-typová a hrotitá pružina z wolframu nebo fosforového bronzu o průměru 0,1 mm. Pružinou přitlačenou k polovodičové desce prochází velký elektrický proud. Kovová pružina je přivařena k polovodičové desce, která se tvoří pod špičkou р-kraj.

bodová dioda2

Rýže. 2 – Zařízení bodové diody (vpravo – bodová dioda KD522B)
1 – závěry, 2 – skleněná nádoba, 3 – polovodičová deska, 4 – kovová drátěná pružina

Čím více plochy р-n-přechodu, čím větší proud jím může protékat a tím větší má kapacitu. Planární polovodičové diody se používají v elektrických obvodech, ve kterých tečou velké proudy a kde kapacitní vlastnosti výrazně neovlivňují činnost diody. Bodové diody se používají v obvodech s nízkými proudy a ve vysokofrekvenčních zařízeních.

Aby byl polovodič chráněn před mechanickým poškozením, světlem, prachem a vlhkostí, je umístěn v utěsněném pouzdře.

READ
Rozměry kuchyňských skříněk: rozměry kuchyňské sestavy: určujeme parametry horních a spodních skříněk

Symboly
polovodičové diody

Konvenční grafické symboly polovodičových diod

Diodový polovodičový usměrňovač, obecné označení
Zenerova dioda a stabistor
Obousměrná zenerova dioda
Varicap
Schottkyho dioda
Světelná dioda
Fotodioda

Způsoby, jak zapnout diodu

Pokud je k diodě připojen externí zdroj napětí s plusem k anodě (p-oblast) a mínusem ke katodě (n-oblast), je takové zapojení tzv. přímé spojení (obr. 3), a proud, který jím protéká – stejnosměrný proud.

Rýže. 3 – Přímé zapojení diody

Pokud je externí zdroj napětí spínán plusem ke katodě a mínusem k anodě, je takové zapojení diody tzv. obrácené zařazení(obr. 4), a proud, který jím protéká – zpětný proud. K průrazu dochází, když je zpětné napětí vysoké. okres-přechod.

Rýže. 4 – Zpětné zapínání diody

Porucha může být tepelná nebo elektrická. Tepelný rozklad ničí krystal a vlastnosti okres-přechody jsou ztraceny. Elektrický průraz, který se nepřeměnil v tepelný, je vratný, tedy vlastnosti okres-přechody se obnoví po odstranění zpětného napětí.

Proudově-napěťová charakteristika diody

Graf znázorněný na Obr. 7, tzv charakteristika proud-napětí (VAC) dioda. Z IV charakteristiky diody je vidět, že síla proudu, který jí protéká, závisí na polaritě přiváděného napětí. S propustným napětím je proud velký (mA, A) a se zpětným napětím stokrát a dokonce tisíckrát menší (μA, mA).

Rýže. 5 – Typické proudově-napěťové charakteristiky germaniového a křemíkového polovodiče
diod se při průchodu počátkem mění stupnice podél proudové a napěťové osy

Levá strana charakteristiky se nazývá reverzní větev charakteristiky, pravá strana se nazývá dopředná větev.

Základní parametry diod

Tyto informace jsou přístupné v případech, kdy prvek specifikovaný ve schématu není dostupný, což vyžaduje nalezení vhodného analogu pro něj.

Ve většině případů, pokud potřebujete najít analog konkrétní diody, bude stačit prvních pět parametrů z tabulky 1. V tomto případě je žádoucí vzít v úvahu rozsah provozní teploty prvku a frekvenci.

Hlavní charakteristiky usměrňovacích diod

Označení popis
Ipr.max Maximální povolený stejnosměrný dopředný proud
Iarr Konstantní zpětný proud
Uпр DC propustné napětí
Uarr.max Maximální povolené zpětné napětí
Pmax Maximální povolený výkon rozptýlený diodou
Pženatý Průměrný výkon rozptýlený diodou během období, kdy proud teče v dopředném a zpětném směru;
Iave.av.max Maximální přípustný průměrný dopředný proud
Iprům.prům.max Maximální přípustný průměrný usměrněný proud
Uarr Stejnosměrné napětí přivedené na diodu obráceně
Iprům.prům Dopředný proud, zprůměrovaný za období
Iarr.av Zpětný proud, zprůměrovaný za období
Rrozdíl Diferenční odpor – poměr přírůstku napětí na diodě k malému přírůstku proudu, který jej způsobil
Uprům.prům Průměrné propustné napětí diody pro daný průměrný propustný proud

Klasifikace diod

  • Oprava – pro přeměnu AC na DC.
  • Puls – mají krátkou dobu trvání přechodových jevů, jsou určeny pro použití v pulzních provozních režimech.
  • Zenerova dioda – ke stabilizaci konstantního napětí (od cca 3,5 V a výše) na zátěži. U zenerových diod je část zpětné větve I–V charakteristiky použita v oblasti elektrického průrazu.
  • Stabistor – ke stabilizaci napětí cca 1 V. Používá se přímá větev I–V charakteristiky. Zahrnout ve směru vpřed.
  • Varicap – využívá se závislost kapacity na hodnotě přiloženého zpětného napětí. Používá se jako prvky s elektricky řízenou kapacitou.
  • Super vysoká frekvence (SHF) – polovodičová dioda určená k převodu a zpracování mikrovlnného signálu (až desítky a stovky gigahertzů).
  • Detektor – určené k detekci signálu.
  • míchání – určené k převodu vysokofrekvenčních signálů na mezifrekvenční signál.
  • Přepínání – pro použití v zařízeních pro ovládání úrovně mikrovlnného výkonu.
READ
Nástěnná zábradlí pro schody: co jsou a jak se instalují

Princip činnosti polovodičové diody

Činnost diody je založena na vlastnosti pn přechodu dobře propouštět proud v jednom směru a špatně ve druhém. Dioda se skládá z jediného pn přechodu a vede proud v jednom směru pouze tehdy, když je velikost napětí přivedeného na diodu větší než velikost potenciálové bariéry. Pro germaniovou diodu je minimální vnější napětí 0,3 V a pro křemíkovou diodu je to 0,7 V.

Pokud je monokrystal polovodičového materiálu dopován z jednoho konce nečistotami typu p a z druhého nečistotami typu n, pak mezi oblastmi s různými typy vodivosti, p-n-křižovatka. Některé otvory z oblasti p difundují do oblasti n. Výsledkem je, že oblast p přijímá malý záporný náboj. Podobně elektrony z oblasti n difundují do oblasti p a oblast n se nabije kladně. V tenké vrstvě mezi oblastmi n a p se elektrony a díry rekombinují, a protože tato vrstva má v důsledku toho velmi málo volných nosičů náboje, nazývá se ochuzovací vrstva. Tato vrstva působí jako potenciální bariéra, která brání další difúzi nosičů náboje a přechod je ve stavu dynamické rovnováhy (obr. 6a).

Pokud se na svorky diody přivede vnější napětí tak, že anoda (A) je na kladném potenciálu vzhledem ke katodě (K), bude pozorováno snížení tloušťky ochuzovací vrstvy. Potenciální bariéra se pak sníží, což usnadňuje tok proudu přes přechod. S nárůstem vnějšího napětí se proud přes přechod exponenciálně zvyšuje, dokud se vnější napětí nerovná hodnotě potenciálové bariéry, tj. výsledné napětí na přechodu se stane nulovým. Další nárůst proudu přechodem je omezen pouze odporem polovodičového materiálu. Pokud je polarita vnějšího napětí obrácena, pak se hodnota potenciálové bariéry zvýší a hlavní nosiče nebudou schopny překonat potenciální bariéru. Za těchto podmínek však bude přechodem protékat malé množství proudu, nazývaného zpětný proud. Jak se vnější zpětné napětí zvyšuje, tento proud zůstává konstantní, dokud napětí nedosáhne bodu průrazu. V tomto okamžiku při konstantním napětí proud rychle roste (obr. 6b).

Rýže. 6 – Polovodičový přechod s potenciální bariérou:
a – vzniká difúzí nosičů náboje;
b – proudově napěťová charakteristika polovodičové diody,
Měřítko podél aktuální osy se mění při průchodu počátkem

Když je tedy přechod vychýlen v propustném směru, bude jím protékat dostatečně velký proud, a když je zpětné předpětí menší než průraz, je proud procházející přechodem extrémně malý. Jinými slovy, takové zařízení funguje jako usměrňovač.

Usměrňovací diody

Hlavním účelem usměrňovacích diod je konverze napětí. Ale to není jediný rozsah těchto polovodičových prvků. Instalují se do spínacích a řídicích obvodů, používají se v kaskádových generátorech atd.

READ
DIY zahradní válec

Jako základ p-n přechodu se používají krystaly křemíku nebo germania. Mnohem častěji se používají křemíkové diody, je to dáno tím, že hodnota zpětných proudů v germaniových prvcích je mnohem vyšší, což výrazně omezuje přípustné zpětné napětí (nepřesahuje 400 V). Zatímco u křemíkových polovodičů může tato charakteristika dosahovat až 1500 V.

Germaniové články mají navíc výrazně užší rozsah provozních teplot, pohybuje se od -60°C do 85°C. Při překročení horního teplotního prahu se zpětný proud prudce zvyšuje, což negativně ovlivňuje účinnost zařízení. Křemíkové polovodiče mají horní práh asi 125 °C-150 °C.

Výkon usměrňovacích diod je určen maximálním povoleným propustným proudem. V souladu s touto charakteristikou je přijata následující klasifikace:

    Nízkoproudé usměrňovací diody, používají se v obvodech s proudem ne větším než 0,3 A. Pouzdro takových zařízení je obvykle vyrobeno z plastu. Jejich charakteristickým znakem je nízká hmotnost a malé rozměry.

Aplikace polovodičových diod

Polovodičová dioda je speciální zařízení s jedním p-n přechodem, stejně jako anodou a katodovou svorkou, 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, jako tomu bylo před více než sto lety. Tyto materiály mají specifickou strukturu, která umožňuje použití prvků pro modernizaci obvodů a elektrických spotřebičů a také přeměnu různých proudů.

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

Pokud jde o výhody zařízení, měly by zahrnovat:

Typy polovodičových diod

  1. Kompletní zaměnitelnost. Porouchaný prvek může být nahrazen jakýmkoli jiným se stejnými vlastnostmi a principem činnosti. Neexistují žádné zvláštní požadavky na výběr přesně stejného modelu.
  2. Vysoká propustnost.
  3. Levnost a dostupnost. Polovodičové diody se prodávají v každém obchodě s elektrotechnickým zbožím. Náklady na takové produkty jsou od 50 rublů. Kromě toho je lze odstranit vlastními rukama ze schémat starých zařízení.

Princip činnosti

Rozsah použití polovodičových diod

Není těžké pochopit princip fungování polovodičové diody. K tomu je potřeba jen porozumět základním fyzikálním zákonům a vědět, jak probíhají některé elektrické procesy.

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

Kladně nabité anody působí na elektrony a přitahují je a vytvořené pole působí jako katalyzátor takové reakce. V tomto okamžiku se také vytváří emisní proud.

U dvou elektrod začíná vznik prostorově negativního 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 způsobí, že se pohybují v opačném pořadí, to znamená, že se elektrony znovu vrátí ke katodě. .

READ
Povrchová úprava betonu: druhy

Druhy polovodičových diod

Často jsou indikátory katodového proudu udržovány na nule – k tomu dochází při vystavení částicím s minusovým nábojem. V důsledku toho generované pole nepřiměje elektrony k rychlejšímu pohybu, ale způsobí obrácenou reakci – zpomalí je a přiměje je vrátit se zpět ke katodě. Nakonec se obvod otevře, protože dioda zůstane ve vypnutém stavu.

Zařízení a konstrukce

Poté, co jste se zabývali principem činnosti polovodičové diody, můžete začít studovat její zařízení a design. Tyto informace budou potřebné pro další využití diody a hlubší pochopení jejích provozních vlastností. Prvek je založen na následujících komponentách:

Časté poruchy polovodičových diod

  1. Vnější schránka. Jako tělo se používá malý balónek. Je zcela vakuové a může být skleněné, kovové nebo keramické.
  2. Uvnitř konstrukce jsou dvě elektrody. První z nich se používá jako vyhřívaná katoda zajišťující stabilní emisi elektronů. V nejjednodušší verzi se jedná o závit s minimální tloušťkou, který může svítit při přivádění proudu. V současné době se však modely nepřímého vytápění aktivně šíří. Na rozdíl od klasických typů jsou prezentovány ve formě malých válečků se specifickou vrstvou, kde jsou emitovány elektrony.
  3. Pokud jde o druhou elektrodu, jedná se o anodu, která přijímá elektrony z katody. Prvek má kladný náboj a válcový tvar. Při výrobě diodového krystalu se používá křemík nebo germanium.

Rozsah a účel

Oblasti použití polovodičových diod jsou velmi rozsáhlé. Dnes bez nich je těžké si představit práci většiny elektrických spotřebičů, a to není překvapující. 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.

Montáž polovodičových diod

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 vozidel. Faktem je, že použití takového mostu umožnilo výrazně snížit zařízení a učinit jej spolehlivějším.

Diodové detektory se skládají z diod a kondenzátorů, což umožňuje nízkofrekvenční modulaci z různých signálů, včetně AM RF. Zařízení jsou nepostradatelná pro fungování různých domácích spotřebičů, jako je televize nebo rádio. Také pomocí polovodičových diod je možné zajistit plnou ochranu proti přepólování při spouštění vyměnitelných vstupů a přetížení.

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

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

Způsoby zapnutí

Přechod rn je ovlivněn vnějšími napětími a také velikostí a polaritou, které ovlivňují koncové indikátory 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:

READ
Princip činnosti palivového třícestného ventilu

Jaká je role polovodičových diod

  1. Vlivem přivedeného vnějšího napětí v přechodu typu rn se vytvoří elektrické pole, které bude směřovat opačným směrem než difúzní pole dovnitř.
  2. Poté indikátory intenzity pole znatelně poklesnou, což zúží bariérovou vrstvu.
  3. Dále se většina elektronů bude moci pohybovat z jedné oblasti do druhé a pak se vrátit zpět.
  4. Parametry driftovacího proudu zůstanou nezměněny, protože jsou ovlivněny pouze počtem nabitých nosičů v regionu rn.

Se zvýšením zpětného napětí dosáhne proud nejvyšší rychlosti a přejde 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 dokončením stanovené provozní doby. Existují další typy poruch, které zahrnují:

Princip činnosti a rozsah polovodičových diod

  1. Rozdělení přechodu. Tímto jevem se z polovodiče stává obyčejný vodič, který nemá ustálené vlastnosti a nedrží elektrický proud v předepsaném směru. Problém můžete vyřešit pomocí standardního multimetru, který pípne a určí úroveň odporu.
  2. Přechodová přestávka. Jde o opačný proces, v jehož důsledku se zařízení promění v izolátor. 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 přesná a správná diagnóza nebude možná.
  3. Porušení těsnosti. Jakýkoli únik je vážnou hrozbou pro normální provoz polovodičových zařízení.

Typy průlomů

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

  1. Tepelné zlomy.
  2. Elektrické poruchy.

První nebezpečí nastává, když je prvek chladiče nevyvážený nebo když je rn přechod přehřátý v důsledku vystavení příliš vysokým proudovým rychlostem. Problém tepelného úniku může vést k řadě nepříjemných důsledků, včetně:

  1. Růst vibrací atomů ze složení krystalu.
  2. Interakce elektronů s vodivou oblastí.
  3. Rychlý nárůst teplot.
  4. Deformační procesy ve struktuře krystalů.
  5. Úplné poškození rádiové součásti.

Princip činnosti polovodičových diod

Pokud jde o elektrické zhroucení, nelze jej nazvat nevratným procesem, protože při takovém obtěžování zůstává krystal funkční. Proto včas přijatá opatření zachrání diodu před zničením a prodlouží její životnost.

V závislosti na typu jsou elektrické poruchy tunelové a lavinové. V prvním případě dochází k potížím v důsledku průchodu příliš vysokého napětí úzkými spoji, v důsledku čehož elektrony volně přeskakují 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 ke špičkovému výkonu a následně vyřazují z atomů mnoho valenčních elektronů. Z tohoto důvodu se elektrony dostávají do vodivé oblasti a ztrácejí své vlastnosti. Specifické chování, připomínající povahu sbližování laviny, se stalo známým jako 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 jak se s nimi vypořádat.

Rating
( No ratings yet )
Like this post? Please share to your friends:
Leave a Reply

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: