Dioda je elektronické zařízení se dvěma (někdy i třemi) elektrodami s jednosměrnou vodivostí. Elektroda připojená ke kladnému pólu zařízení se nazývá anoda a elektroda připojená k zápornému pólu se nazývá katoda. Pokud je na zařízení přivedeno stejnosměrné napětí, pak je v otevřeném stavu, ve kterém je odpor nízký a proud teče bez překážek. Pokud je přivedeno zpětné napětí, je zařízení kvůli vysokému odporu uzavřeno. Zpětný proud je přítomen, ale je tak malý, že se běžně předpokládá, že je nulový.
Obsah článku
Obecná klasifikace
Diody se dělí do velkých skupin – nepolovodičové a polovodičové.
Nepolovodičové
Jedna z nejstarších odrůd je lampové (vakuové) diody. Jsou to rádiové elektronky se dvěma elektrodami, z nichž jedna je vyhřívaná vláknem. V otevřeném stavu se náboje přesouvají z povrchu žhavené katody k anodě. Při opačném směru pole přejde zařízení do zavřené polohy a neprochází prakticky žádný proud.
Dalším typem nepolovodičových součástek je plněné plynem, z nichž se dnes používají pouze modely obloukových výbojů. Gastrony (zařízení s tepelnými katodami) jsou plněny inertními plyny, rtuťovými parami nebo parami jiných kovů. Speciální oxidové anody používané v plynem plněných diodách jsou schopny odolat vysokému proudovému zatížení.
Polovodič
Polovodičová zařízení jsou založena na principu pn přechodu. Existují dva typy polovodičů – typ p a typ n. Polovodiče typu P se vyznačují přebytkem kladných nábojů a polovodiče typu n přebytkem záporných nábojů (elektronů). Pokud jsou polovodiče těchto dvou typů umístěny vedle sebe, pak blízko hranice, která je odděluje, existují dvě úzké nabité oblasti, které se nazývají pn přechod. Takové zařízení se dvěma typy polovodičů s různou vodivostí příměsí (neboli polovodičovým a kovovým) a pn přechodem je tzv. polovodičová dioda. Právě polovodičová diodová zařízení jsou v moderních zařízeních pro různé účely nejvíce žádaná. Pro různé oblasti použití bylo vyvinuto mnoho modifikací takových zařízení.
Typy diod podle velikosti přechodu
Na základě velikosti a charakteru pn přechodu se rozlišují tři typy zařízení – rovinné, bodové a mikroslitiny.
Rovinné části představují jednu polovodičovou destičku, ve které jsou dvě oblasti s různou vodivostí nečistot. Nejoblíbenější produkty jsou vyrobeny z germania a křemíku. Výhodou těchto modelů je schopnost pracovat při významných stejnosměrných proudech a v podmínkách vysoké vlhkosti. Vzhledem ke své vysoké kapacitě bariéry mohou pracovat pouze při nízkých frekvencích. Jejich hlavní aplikací jsou střídavé usměrňovače instalované v napájecích zdrojích. Tyto modely se nazývají usměrňovače.
Bodové diody mají extrémně malou plochu přechodu pn a jsou přizpůsobeny pro práci s nízkými proudy. Vysokofrekvenční se jim říká proto, že se používají hlavně k převodu modulovaných kmitů významné frekvence.
Mikroslitina modely se získávají fúzí monokrystalů polovodičů typu p a n. Podle principu činnosti jsou taková zařízení rovinná, ale jejich vlastnosti jsou podobné bodovým zařízením.
Materiály pro výrobu diod
Při výrobě diod se používá křemík, germanium, arsenid gallia, fosfid india a selen. Nejběžnější jsou první tři materiály.
Čištěný křemík – relativně levný a snadno zpracovatelný materiál, který je nejrozšířenější. Křemíkové diody jsou vynikající diody pro všeobecné použití. Jejich předpětí je 0,7 V. U germaniových diod je tato hodnota 0,3 V. Germanium je vzácnější a dražší materiál. Proto se germaniová zařízení používají v případech, kdy křemíková zařízení nemohou účinně zvládnout technický úkol, například v nízkoenergetických a přesných elektrických obvodech.
Typy diod podle frekvenčního rozsahu
Podle provozní frekvence se diody dělí na:
- Nízká frekvence – do 1 kHz.
- Vysoká frekvence a ultra vysoká frekvence – až 600 MHz. Na takovýchto frekvencích se používají především zařízení bodového typu. Kapacita přechodu by měla být nízká – ne více než 1-2 pF. Jsou účinné v širokém frekvenčním rozsahu, včetně nízkých frekvencí, a jsou tedy univerzální. používá se v obvodech, ve kterých je klíčovým faktorem vysoká rychlost. Podle výrobní technologie se tyto modely dělí na bodové, slitinové, svařované a difúzní.
Aplikace diod
Moderní výrobci nabízejí širokou škálu diod přizpůsobených pro konkrétní aplikace.
Usměrňovací diody
Tato zařízení se používají k usměrnění sinusoidy střídavého proudu. Jejich princip činnosti je založen na vlastnosti zařízení přejít při zpětném předpětí do uzavřeného stavu. V důsledku činnosti diodového zařízení jsou odříznuty záporné půlvlny proudové sinusoidy. Na základě ztrátového výkonu, který závisí na nejvyšším povoleném propustném proudu, se usměrňovací diody rozdělují do tří typů – nízkopříkonové, středně výkonné a vysoce výkonné.
- Nízkoproudé diody lze použít v obvodech, ve kterých proud nepřesahuje 0,3 A. Výrobky jsou lehké a kompaktní, protože jejich tělo je vyrobeno z polymerních materiálů.
- Diody středního výkonu mohou pracovat v proudovém rozsahu 0,3-10,0 A. Ve většině případů mají kovové pouzdro a pevné koncovky. Vyrábějí se převážně z čištěného křemíku. Na straně katody je vytvořen závit pro fixaci na chladiči. pracují v obvodech s proudem větším než 10 A. Jejich pouzdra jsou vyrobena z kovokeramiky a kovoskla. Design – pin nebo tablet. Výrobci nabízejí modely určené pro proudy do 100 000 A a napětí do 6 kV. Jsou vyrobeny převážně z křemíku.
Diodové detektory
Taková zařízení se získávají kombinací diod s kondenzátory v obvodu. Jsou navrženy tak, aby extrahovaly nízké frekvence z modulovaných signálů. Přítomný ve většině domácích zařízení – rádia a televize. Fotodiody se používají jako detektory záření, převádějící světlo dopadající na fotocitlivou oblast na elektrický signál.
Omezovací zařízení
Ochranu proti přetížení zajišťuje řetězec několika diod, které jsou připojeny na napájecí sběrnice v opačném směru. Za standardních provozních podmínek jsou všechny diody zavřené. Když však napětí překročí přípustný cíl, spustí se jeden z ochranných prvků.
Diodové spínače
Spínače jsou kombinací diod, které se používají k okamžité změně vysokofrekvenčních signálů. Takový systém je řízen stejnosměrným elektrickým proudem. Vysokofrekvenční a řídicí signály jsou odděleny pomocí kondenzátorů a tlumivek.
Diodová ochrana proti jiskrám
Účinná ochrana proti jiskrám je vytvořena kombinací napěťově omezující bočníkové diodové bariéry s proudově omezujícími odpory.
Parametrické diody
Používají se v parametrických zesilovačích, které jsou podtypem rezonančních regeneračních zesilovačů. Princip činnosti je založen na fyzikálním efektu, který spočívá v tom, že když signály o různých frekvencích dorazí na nelineární kapacitu, část výkonu jednoho signálu může být směrována ke zvýšení výkonu jiného signálu. Prvek navržený tak, aby obsahoval nelineární kapacitu, je parametrická dioda.
Směšovací diody
Směšovací zařízení se používají k transformaci mikrovlnných signálů na mezifrekvenční signály. Transformace signálu se provádí díky nelinearitě parametrů směšovací diody. Jako směšovací mikrovlnné diody se používají zařízení se Schottkyho bariérou, varikapy, reverzní diody a Mottovy diody.
Multiplikační diody
Tato mikrovlnná zařízení se používají v násobičích frekvence. Mohou pracovat v rozsahu vlnových délek decimetrů, centimetrů a milimetrů. Jako multiplikační zařízení se zpravidla používají zařízení na bázi křemíku a arsenidu galia, často se Schottkyho jevem.
Ladicí diody
Princip činnosti ladicích diod je založen na závislosti bariérové kapacity pn přechodu na hodnotě zpětného napětí. Jako ladicí zařízení se používají zařízení z křemíku a arsenidu galia. Tyto části se používají v zařízeních pro ladění frekvence v mikrovlnném rozsahu.
Generátorové diody
Pro generování signálů v mikrovlnném rozsahu jsou požadovány dva hlavní typy zařízení: lavinové diody a Gunnovy diody. Některé generátorové diody, když jsou zapnuty v určitém režimu, mohou vykonávat funkce multiplikačních zařízení.
Typy diod podle typu konstrukce
Zenerovy diody (Zenerovy diody)
Tato zařízení jsou schopna zachovat výkonnostní charakteristiky v režimu elektrického průrazu. Nízkonapěťová zařízení (napětí do 5,7 V) využívají tunelový průraz a vysokonapěťová zařízení využívají lavinový průraz. Stabilizátory zajišťují stabilizaci nízkého napětí.
Stabilizátory
Stabistor neboli normistor je polovodičová dioda, ve které se přímá větev proudově-napěťové charakteristiky používá ke stabilizaci napětí (tedy v oblasti propustného předpětí napětí na stabistoru slabě závisí na proudu). Charakteristickým rysem stabilizátorů oproti zenerovým diodám je jejich nižší stabilizační napětí (cca 0,7-2 V).
Schottkyho diody
Zařízení používaná jako usměrňovače, násobiče a ladicí zařízení pracují na bázi kontaktu kov-polovodič. Konstrukčně se jedná o destičky vyrobené z nízkoodporového křemíku, na které je nanesen vysoce odolný film se stejným typem vodivosti. Na film je vakuově nastříkána kovová vrstva.
Varicaps
Varikapy plní funkce kapacity, jejíž hodnota se mění se změnami napětí. Hlavní charakteristikou tohoto zařízení je kapacitní napětí.
Tunelové diody
Tyto polovodičové diody mají klesající část charakteristiky proud-napětí, ke které dochází v důsledku tunelovacího efektu. Modifikací tunelového zařízení je reverzní dioda, ve které je záporná odporová větev slabě vyjádřena nebo chybí. Zpětná větev zpětné diody odpovídá přední větvi tradičního diodového zařízení.
Tyristory
Na rozdíl od klasické diody má tyristor kromě anody a katody ještě třetí řídicí elektrodu. Tyto modely se vyznačují dvěma stabilními stavy – otevřeným a uzavřeným. Tyto části se na základě konstrukce dělí na dinistory, tyristory a triaky. Při výrobě těchto produktů se používá především křemík.
Triakové
Triaky (symetrické tyristory) jsou typem tyristoru, který se používá pro spínání ve střídavých obvodech. Na rozdíl od tyristoru, který má katodu a anodu, je nesprávné nazývat hlavní (výkonové) svorky triaku katodou nebo anodou, protože vzhledem ke struktuře triaku jsou obě současně. Triak zůstává otevřený tak dlouho, dokud proud protékající hlavními svorkami překročí určitou hodnotu nazývanou přídržný proud.
dinisté
Dinistor neboli diodový tyristor je zařízení, které neobsahuje řídicí elektrody. Místo toho jsou řízeny napětím aplikovaným mezi hlavní elektrody. Jejich hlavní aplikací je ovládání výkonných zátěží pomocí slabých signálů. Dinistory se také používají při výrobě spínacích zařízení.
Diodové můstky
Jedná se o 4, 6 nebo 12 vzájemně propojených diod. Počet diodových prvků je dán typem obvodu, který může být jednofázový, třífázový, celomůstkový nebo polomůstkový. Můstky plní funkci usměrnění proudu. Často se používá v generátorech automobilů.
Fotodiody
Navrženo pro přeměnu světelné energie na elektrický signál. Princip fungování je podobný jako u solárních baterií.
LED diody
Tato zařízení vyzařují světlo, když jsou připojena k elektrickému proudu. LED diody, které mají širokou škálu barev a výkonu luminiscence, se používají jako indikátory v různých zařízeních, zářiče světla v optočlenech a používají se v mobilních telefonech pro podsvícení klávesnice. Vysoce výkonná zařízení jsou žádaná jako moderní světelné zdroje v lucernách.
Infračervené diody
Jedná se o typ LED, který vyzařuje světlo v infračerveném rozsahu. Používá se v bezkabelových komunikačních linkách, přístrojovém vybavení, zařízeních dálkového ovládání a ve video monitorovacích kamerách pro sledování území v noci. Infračervená zařízení generují světlo v rozsahu, který není viditelný pro lidské oko. Můžete to zjistit pomocí fotoaparátu mobilního telefonu.
Gunnovy diody
Tento typ mikrovlnné diody je vyroben z polovodičového materiálu se složitou strukturou vodivostního pásu. Typicky se při výrobě těchto zařízení používá arsenid gallia s elektronickou vodivostí. V tomto zařízení není žádný pn přechod, to znamená, že charakteristiky zařízení jsou vlastní a nevznikají na hranici spojení dvou různých polovodičů.
Magnetodody
V takových zařízeních se charakteristika proudového napětí mění pod vlivem magnetického pole. Zařízení se používají v bezkontaktních tlačítkách určených pro zadávání informací, pohybových senzorech, ovládacích zařízeních a měření neelektrických veličin.
Laserové diody
Tato zařízení, která mají složitou krystalovou strukturu a složitý princip fungování, poskytují vzácnou příležitost generovat laserový paprsek v každodenních podmínkách. Díky svému vysokému optickému výkonu a široké funkčnosti jsou zařízení účinná ve vysoce přesných měřicích přístrojích pro domácí, lékařské a vědecké aplikace.
Lavinové a lavinové tranzitní diody
Principem činnosti zařízení je lavinové zmnožení nosičů náboje při zpětném předpětí pn přechodu a jejich překonání letového prostoru v určitém časovém úseku. Jako výchozí materiály se používá arsenid galia nebo křemík. Zařízení jsou navržena především k produkci ultravysokofrekvenčních oscilací.
PIN diody
Zařízení PIN mezi oblastmi p a n mají svůj vlastní nedopovaný polovodič (oblast i). Široká nedopovaná oblast neumožňuje použití tohoto zařízení jako usměrňovače. PIN diody jsou však široce používány jako směšovací, detektorové, parametrické, spínací, omezovací, ladicí a generátorové diody.
triody
Triody jsou elektronky. Má tři elektrody: termionickou katodu (přímou nebo nepřímo vyhřívanou), anodu a řídicí mřížku. Dnes byly triody téměř zcela nahrazeny polovodičovými tranzistory. Výjimkou jsou oblasti, kde je potřeba konverze signálů s frekvencí řádově stovky MHz – GHz vysokého výkonu s malým počtem aktivních součástek a rozměry a hmotnost nemají velký význam.
Zenerova dioda je polovodičová dioda určená ke stabilizaci úrovně napětí v obvodu. K tomuto účelu se používají zařízení, která mají úsek na charakteristice proud-napětí se slabou závislostí napětí na procházejícím proudu. Tato oblast je způsobena elektrickou poruchou pn-přechod při rozsvícení diody v opačném směru. Proudově-napěťová charakteristika zenerovy diody má tvar znázorněný na Obr. 4.9, а. Obdobnou proudově-napěťovou charakteristiku mají slitinové diody se základnou z polovodičového materiálu s nízkým odporem. V tomto případě je síla elektrického pole v pn-Přechod zenerovy diody je výrazně vyšší než u konvenčních diod. Při relativně malých zpětných napětích v pn-přechodu vzniká silné elektrické pole způsobující jeho elektrický průraz. Napětí, při kterém dochází k lavinovému průrazu, závisí na měrném odporu polovodičového materiálu. Se zvyšujícím se odporem se zvyšuje lavinové průrazné napětí.
Protože křemíkové diody mají nižší hodnotu zpětného proudu a jsou odolnější vůči tepelnému průrazu než germaniové diody, používají se jako zenerovy diody pouze křemíkové diody.
Rýže. 4.9. Voltampérové charakteristiky (а)
a design karoserie (б) Zenerova dioda
Hlavní elektrické parametry zenerovy diody jsou (jejich typické hodnoty jsou uvedeny v závorkách):
– stabilizační napětí Uumění. – pokles napětí na zenerově diodě při protékání daného stabilizačního proudu (několik voltů – stovek voltů);
– stabilizační proud Iumění. – jmenovitá hodnota proudu protékajícího zenerovou diodou, která určuje stabilizační napětí (několik mA – několik A);
– kolísání stabilizačního napětí Ucт když protéká daný stabilizační proud (několik jednotek procent);
– rozdíl nebo dynamický odpor rumění., která je určena při dané hodnotě stabilizačního proudu v průrazném úseku jako
Rozdílový odpor určuje strmost zpětné větve voltampérové charakteristiky zenerovy diody. Velikost rumění. rozsahy od 1 do 1000 ohmů;
– teplotní koeficient stabilizačního napětí TKUumění. – relativní změna stabilizačního napětí Uumění. / Uumění. ke změně okolní teploty o Т, tj. při změně okolní teploty o jeden stupeň při konstantní hodnotě stabilizačního proudu (plus – mínus setiny – tisíciny procenta na stupeň):
Kromě toho pro zenerovy diody existují následující maximální přípustné parametry:
– maximální přípustný stabilizační proud v teplotním rozsahu IUmění. Max (desítky mA – jednotky A);
– minimální stabilizační proud v teplotním rozsahu IUmění. min (od 1 – 3 mA);
– maximální přípustný výkon v rozsahu okolní teploty Рмакс (od několika miliwattů do několika wattů);
– celkový tepelný odpor zenerovy diody RTn-s, tj. tepelný odpor spojovacího média:
kde Тс, Тn – teplota média, resp.
Rozptýlit se RTn-s se pohybuje v desítkách až stovkách stupňů na watt.
Při dosažení napětí na zenerově diodě se nazývá stabilizační napětí Upahýl, proud zenerovou diodou prudce vzroste. Diferenční odpor rumění. ideální zenerovy diody v této sekci má charakteristika proud-napětí tendenci k 0, u skutečných zařízení hodnota rumění. tvoří hodnotu rumění. 2 – 50 Ohm.
Hlavním účelem zenerovy diody je stabilizovat napětí na zátěži, když se změní napětí ve vnějším obvodu. V tomto ohledu je se zenerovou diodou zapojen zatěžovací odpor, který tlumí změnu vnějšího napětí. Zenerova dioda se proto také nazývá referenční dioda.
Stabilizační napětí Upahýl závisí na fyzikálním mechanismu, který způsobuje prudkou závislost proudu na napětí. Za tuto závislost proudu na napětí jsou zodpovědné dva fyzikální mechanismy – lavina a průraz tunelu p–n-přechod.
Na Obr. Obrázek 4.10 ukazuje nejjednodušší obvod pro stabilizaci stejnosměrného napětí na zenerově diodě. Tento obvod stabilizuje napětí jak při změně vstupního napětí, tak při změně odporu zátěže.
Rýže. 4.10. Polovodičový spojovací obvod
Zenerova dioda do obvodu stabilizace napětí zátěže
S rostoucím vstupním napětím se zvyšuje proud zenerovy diody a tím i zpětný proud Iо a pokles napětí na omezujícím odporu Rzlobr. Přírůstek napětí Uin и IоRzlobr jsou vzájemně kompenzovány, takže stabilizační napětí zůstává stejné.
Hodnotu mezního odporu lze určit vzorcem
kde Iн – proud protékající odporem zátěže.
Přímá větev proudově-napěťové charakteristiky křemíkových diod včetně zenerových diod má strmý nárůst, proto lze pro stabilizaci nízkých napětí (asi 0,8 – 1,5 V) použít křemíkové diody zapojené v propustném směru. Taková zařízení se nazývají stabilizátory.
Domácí průmysl vyrábí křemíkové zenerovy diody pro stabilizační napětí od 5 do 300 V se stabilizačním proudem od 0,1 mA do 2 A a se ztrátovým výkonem od 0,15 do 50 W. Na Obr. Obrázek 4.11 ukazuje závislosti diferenciálních parametrů různých zenerových diod na propustném proudu a teplotě.
Rýže. 4.11. Diferenciální parametry různých zenerových diod: a – závislost diferenciálního odporu na propustném proudu; b – závislost změny stabilizačního napětí na teplotě; в – závislost diferenciálního odporu na propustném proudu
Jak vyplývá z uvedených údajů, je hodnota rozdílového odporu u zenerových diod nepřímo úměrná stabilizačnímu proudu a při provozních proudových parametrech činí desítky ohmů. Přesnost stabilizačního napětí je v řádu desítek milivoltů ve standardním teplotním rozsahu.
