Polovodičová dioda: typy, jak funguje a rozsah použití

Dioda je jednoduchá polovodičová součástka, která našla široké uplatnění v technice. Ne každý ví, co dioda je, a ještě méně lidí má jasnou představu o tom, jak produkt funguje.

Zároveň existuje velké množství variant tohoto zařízení, které stojí za to znát pro každého, kdo se zajímá o radioelektroniku.

Zařízení a princip činnosti

Pokud chápete, jak dioda funguje, pak bude pochopení struktury tohoto polovodičového zařízení poměrně jednoduché. Základem součásti je proudový přechod, připojený ke dvěma kontaktům (kladný – anoda a záporný – katoda). Při přímém přivedení napětí se přechod otevře, jehož odpor je malý. V důsledku toho prochází produktem proud, nazývaný stejnosměrný.

Pokud se však při připojení součástky k obvodu změní polarita, odpor přechodové části se prudce zvýší a indikátor elektrického proudu se bude blížit nule. Takové napětí se obvykle nazývá reverzní.

Moderní diody se zásadně liší od prvních modelů, aktivně používaný v rádiových elektronkách. V polovodičových rádiových součástkách je proudový přechod vyroben z křemíku nebo germania a nazývá se p-n přechod. Hlavní rozdíl mezi těmito materiály spočívá v hodnotách propustného napětí, při kterých dochází k otevření.

Protože polovodičový krystal může efektivně fungovat za jakýchkoli podmínek, pominula potřeba vytvářet speciální prostředí.

V elektronkových zařízeních byl do baňky pumpován speciální plyn nebo bylo pro tento účel vytvořeno vakuum. Díky tomu mají moderní výrobky malé rozměry a jejich výrobní náklady se výrazně snížily.

Základní pohledy

Diody se obvykle klasifikují podle několika parametrů. V závislosti na provozních frekvencích mohou být nízkofrekvenční, vysokofrekvenční a také schopné provozu v podmínkách ultravysokých frekvencí. Existuje také rozdělení podle konstrukčních prvků, kde lze rozlišit následující typy diod:

• Schottkyho dioda – místo obvyklého pn přechodu se používá kov. Na jedné straně to umožňuje dosáhnout minimálních ztrát napětí při spínání vpřed. Na druhé straně však při vysokém zpětném proudu výrobek rychle selhává.
• Zenerova dioda – umožňuje stabilizaci napětí.
• Stabilizátor se liší od zenerovy diody tím, že má menší závislost napětí na proudu.
• Gunnova dioda nemá p-n přechod, místo něj se používá speciální krystal. Používá se pro provoz v ultravysokofrekvenčním rozsahu.
• Varikap je kombinací diody a kondenzátoru. Kapacita produktu závisí na zpětném napětí v oblasti p-n přechodu a používá se k vytváření oscilačních obvodů.
• Fotodioda – světelný tok dopadající na proudový spoj vede k vytvoření potenciálního rozdílu v něm. Pokud je obvod v tomto okamžiku uzavřen, objeví se v něm proud.
• LED – když je v p-n přechodu dosaženo určité úrovně proudu, zařízení začne vyzařovat světelný tok.

Aplikace

Rozsah použití těchto součástek v moderní radiotechnice je široký. Je těžké najít zařízení, které by bez nich fungovalo. Abychom pochopili, k čemu slouží dioda, uvádíme několik příkladů:

• Diodové můstky – obsahují 4 až 12 polovodičových součástek, které jsou vzájemně propojeny. Hlavním úkolem diodových můstků je usměrňování proudu a aktivně se používají například při výrobě generátorů pro automobily.
• Detektory – jsou vytvořeny kombinací diod a kondenzátorů. Díky tomu je možné izolovat nízkofrekvenční modulaci od různých signálů. Používají se při výrobě rozhlasových a televizních přijímačů.
• Ochranná zařízení – umožňují chránit elektrický obvod před možným přetížením. Několik produktů je zapojeno v opačném směru. Když obvod pracuje normálně, zůstávají v sepnuté poloze. Jakmile vstupní napětí dosáhne kritických hodnot, zařízení se aktivuje.
• Přepínače – systémy založené na těchto produktech umožňují přepínání vysokofrekvenčních signálů.
• Systémy ochrany proti jiskrám – vytvoření bariéry s diodou umožňuje omezit indikátor napětí v elektrickém obvodu. Pro zvýšení stupně ochrany se používají speciální rezistory omezující proud spolu s polovodičovými součástkami.

Toto je jen několik příkladů použití diod. Jsou to poměrně spolehlivá zařízení, s jejichž pomocí je možné vyřešit velké množství problémů. Nejčastěji tyto rádiové součástky selhávají v důsledku přirozeného stárnutí nebo přehřátí.

Pokud dojde k elektrickému průrazu produktu, jeho následky jsou zřídka nevratné, protože krystal není zničen.

Polovodičová dioda neboli diodový ventilový prvek, známý všem radioamatérům, je speciální elektronické zařízení, které vede proud pouze v jednom směru. Tento efekt je vysvětlen přítomností speciálního pn (np) přechodu v tomto zařízení, který posouvá hranici sekce v určitém směru a zajišťuje její jednosměrnou vodivost.

Strukturální schéma diody

Diody jsou vyrobeny z polovodičového materiálu, kterým bylo v minulosti germanium (dnes je téměř všude nahrazeno křemíkem).

Elektrická struktura a schéma zapojení diody

Polovodičovou diodu lze schematicky znázornit jako elektronický přechod vytvořený na rozhraní dvou krystalických médií s vodivostí „p“ a „n“. Elektrické vodiče jsou připojeny ke každé z desek tvořících tento přechod kontaktním svařováním. Výsledkem je, že polovodičová součástka s takovou konstrukcí tvoří dva póly, nazývané anoda a katoda.

Elektrické znázornění různých typů diod

Germanium a selen se používaly k vytváření polovodičových přechodů ve starých diodách, ale později byly tyto materiály nahrazeny účinnějším, snadno použitelným a levnějším křemíkem. Schopnost jednosměrně propouštět elektrické náboje umožnila jejich použití v elektronických obvodech určených k převodu proudových parametrů. Elektrický graf (voltampérová charakteristika – VAC) diodového přechodu je znázorněn na obrázku níže.

Elektronický přechodový harmonogram

Klasifikace diod

Polovodičové diody lze klasifikovat podle řady charakteristik, z nichž hlavní jsou:

• Designové prvky;
• Účel konkrétního produktu;
• Typy signálů, se kterými je toto zařízení navrženo pracovat.

Klasifikace diod podle jejich konstrukčních prvků zahrnuje jejich rozdělení na bodové a slitinové výrobky, které se liší technologií použitou k vytvoření přechodu. Podle svého funkčního účelu jsou všechna tato zařízení rozdělena do následujících typů:

• Usměrňovací diody;
• Přístroje pro nastavení referenčních potenciálů;
• Omezovače signálu;
• Blokovací, řízená a generující zařízení.

Druhá kategorie zahrnuje zenerovy diody pracující na obrácené větvi charakteristiky proud-napětí a umožňující dosažení pevného napětí. Pro omezení úrovně signálu se používá speciální metoda zapojení diod, spočívající v opačném umístění dvou nebo více prvků.

Dávejte pozor! V tomto případě bude jakýkoli signál přicházející k nim (konstantní nebo střídavý) omezen přímým úbytkem napětí na spoji, který u křemíku nepřesahuje 0,5-0,7 voltu.

Poslední skupina zahrnuje takové běžné názvy polovodičů, jako jsou varikapy, LED diody, tunelové diody, lasery a podobná zařízení.

V závislosti na typu signálu procházejícího přechodem se všechny diody dělí na pulzní a lineární.

Výhody

Polovodičové diody, když jsou přímo připojeny k obvodu, poskytují následující výhody:

• Absolutní zaměnitelnost různých vzorků;
• Vysoce kvalitní zpracování signálu;
• Miniaturní a odolný;
• Snadná instalace a výměna;
• Dostupnost a levnost.

Všechny uvedené výhody proměnily tyto polovodičové součástky v jedny z nejoblíbenějších a nejvyhledávanějších prvků používaných při konstrukci většiny moderních rádiových zařízení. Pohodlí práce s nimi se projevuje také ve snadném výběru vhodného analogu (domácího nebo zahraničního).

značkování

Označení aplikované na polovodičovou diodu lze považovat za zkratku hlavních parametrů charakterizujících vlastnosti konkrétního zařízení. Například KD196V je dekódována jako křemíková dioda s napětím 9,6 voltů s charakteristikami třídy „B“.

Na základě tohoto označení můžeme vyvodit následující závěr o dekódování označení v pořadí znaků:

• První písmeno označuje materiál, ze kterého je vyroben přechod zařízení;
• Druhý znak je počáteční písmeno jeho názvu;
• Dále následuje číslo, které určuje účel produktu;
• Další místo je uvedeno pro hodnotu provozního napětí.

Poslední pozice označuje ikonu, která charakterizuje konstrukční variantu této diody.

Princip činnosti usměrňovače

Polovodičová dioda usměrňovače pracuje na extrémně jednoduchém principu, který je následující:

• Za prvé, v diodě na bázi křemíku se během výroby vytvoří spojení, na jehož jedné straně je oblast typu p nasycená „dírami“ a na druhé straně oblast typu n (s přebytkem elektronů);
• Za druhé, díky takovému rozložení se vytvoří elektrické pole, které posouvá potenciály na jednu stranu a umožňuje průtok proudů produktem;
• A za třetí, pro proudy tekoucí v opačném směru, než je potenciál předpětí, se odpor diodového přechodu prudce zvyšuje.

V důsledku toho bude stejnosměrný proud volně proudit na jednu stranu spoje a při obrácené polaritě zdroje napájení bude prakticky nepřítomný (viz obrázek).

Pokud je na diodu přivedeno střídavé napětí, její kladná větev projde přechodem a záporná větev bude téměř úplně zpožděna. V důsledku toho bude na výstupu diody částečně usměrněné napětí, které lze po dodatečné filtraci převést na konstantní napětí.

Právě proto, že polovodičový přechod v diodě je velmi malý (tisíciny milimetru), proud jím protéká zvláštním způsobem. Při přivedení napětí jedné polarity může proud v důsledku orientace pole v propustném směru procházet elektrickou bariérou tvořenou náboji děr a elektronů. Při změně polarity napětí pole změní svou orientaci, přechodová zóna se prudce rozšíří a zabrání nosičům v jejím překonání. Proud v zátěžovém obvodu se okamžitě zastaví.

Voltampérové charakteristiky (ideální a reálné)

Závislost proudu v diodovém prvku na napětí dodávaném na póly je určena především materiálem, ze kterého je vyroben. Kromě toho je tvar charakteristiky proud-napětí ovlivněn některými parametry polovodičového přechodu.

Ideální charakteristika

Ideální příklad produktů této třídy by tedy měl mít následující ukazatele:

• Přechodový odpor v přímém zapojení produktu je nula ohmů;
• Potenciální rozdíl vyplývající z tepelných fluktuací nosičů energie není větší než 0,1 voltu;
• Diferenciální odpor přímé větve charakteristiky proud-napětí musí mnohonásobně překročit stejnou hodnotu pro její zpětnou část.

Pokud jsou splněny všechny tyto „ideální“ podmínky, měl by být získán graf zobrazený na obrázku níže.

I-V charakteristika ideální diody

Díky svým vlastnostem jsou diodové produkty vhodné pro použití v mnoha oblastech elektronického průmyslu, včetně laserového průmyslu, digitální elektroniky a výroby zdravotnických zařízení.

Skutečné vákuové čištění

V praxi se parametry konkrétních polovodičových prvků výrazně liší od těch, které jsou pro snadnější popis považovány za ideální. Většina průmyslových diod není schopna tyto vlastnosti reprodukovat, což v praxi není vždy vyžadováno.

Skutečná charakteristika proud-napětí polovodičové diody zvoleného typu naznačuje, že má významné odchylky jak z hlediska proudových parametrů, tak i z hlediska strmosti převodu (dynamický odpor). V důsledku toho je diodové zařízení schopno odolat striktně omezenému zatížení, které je obvykle vyjádřeno následujícími mezními hodnotami:

• Maximální stejnosměrný usměrněný proud;
• Zpětný svodový proud;
• Maximální napětí vpřed a vzad;
• Pokles napětí na pn přechodu (provozní parametr);
• Maximální provozní frekvence zpracovávaného signálu (v hertzích).

Pokud jde o poslední parametr typického prvku, je třeba poznamenat, že v souladu s jeho hodnotou jsou všechny diody rozděleny na nízkofrekvenční (LF), středofrekvenční (MF) a vysokofrekvenční (HF).

Dávejte pozor! U vzorků s nejvyšší frekvencí moderních pulzních produktů může toto číslo dosáhnout stovek megahertzů.

Pro každý jednotlivý vzorek výrobku nabývají výše uvedené ukazatele velmi specifických hodnot, které se mohou pohybovat ve velmi širokých mezích. Takže pro vybraný model polovodiče (například KD202) mají následující řadu jasně definovaných hodnot:

• Ipr = 5 ampérů;
• Ioбр = 1000 mikroampérů;
• Upr = 0,5 voltu;
• Uобр = 50-600 voltů (v závislosti na písmenu na konci označení);
• Fmax = 5 kilohertzů.

Důležité! Pokud jsou překročeny maximální hodnoty specifikovaných indikátorů, toto zařízení selže se 100% zárukou (tyto parametry se nazývají průrazný proud a napětí).

V závěrečné části přehledu poznamenáváme, že některé produkty se mohou od ostatních výrazně lišit, pokud jde o výše uvedené parametry, což platí i pro konstrukci jejich pouzdra. Celou škálu existujících diodových zařízení a jejich provozní vlastnosti lze nalézt ve specializované technické literatuře a v příslušných referenčních publikacích.

Video