POLOVODIČOVÁ DIODA – polovodičová součástka se dvěma elektrodami s jednosměrnou vodivostí. Mezi polovodičové diody patří široká skupina zařízení s pn přechodem, kov-polovodičovým kontaktem atd. Nejběžnější jsou elektrokonverzní polovodičové diody. Slouží ke konverzi a generování elektrických vibrací. Jedno z hlavních moderních elektronických zařízení. Princip činnosti polovodičové diody: Princip činnosti polovodičové diody je založen na vlastnostech přechodu elektron-díra, zejména na silné asymetrii charakteristiky proud-napětí vzhledem k nule. Tímto způsobem se rozlišuje přímé a zpětné zapojení. Při přímém zapojení má dioda nízký elektrický odpor a dobře vede elektrický proud. Opačným způsobem – při napětí menším, než je průrazné napětí, je odpor velmi vysoký a proud je blokován. Vlastnosti:
2. Polovodičové diody, přímé a zpětné zapojení, napětí:
Přímé a zpětné připojení:
Při přímém připojení V pn přechodu vytváří vnější napětí pole v přechodu, které je opačného směru než vnitřní difúzní pole. Síla výsledného pole klesá, což je doprovázeno zúžením blokující vrstvy. Díky tomu se velké množství majoritních nosičů náboje může difúzně pohybovat do sousední oblasti (driftový proud se nemění, protože závisí na počtu menšinových nosičů objevujících se na hranicích přechodu), tzn. přechodem bude protékat výsledný proud určený především difúzní složkou. Difúzní proud závisí na výšce potenciální bariéry a roste exponenciálně, jak se snižuje.
Zvýšená difúze nosičů náboje přes přechod vede ke zvýšení koncentrace děr v oblasti typu n a elektronů v oblasti typu p. Toto zvýšení koncentrace minoritního nosiče v důsledku vlivu vnějšího napětí aplikovaného na přechod se nazývá injekce minoritního nosiče. Nerovnovážné menšinové nosiče difundují hluboko do polovodiče a narušují jeho elektrickou neutralitu. K obnovení neutrálního stavu polovodiče dochází v důsledku dodávky nosičů náboje z externího zdroje. To je důvod pro výskyt proudu ve vnějším obvodu, nazývaném přímý.
Při zapnutí pn přechodu v opačném směru vnější zpětné napětí vytváří elektrické pole shodující se ve směru s difúzním, což vede ke zvětšení potenciálové bariéry a zvětšení šířky blokovací vrstvy. To vše snižuje difúzní proudy většinových nosičů. U menšinových nosičů zůstává pole v pn přechodu zrychlující se, a proto se driftový proud nemění.
Výsledný proud bude tedy protékat přechodem, určený hlavně proudem unášecího proudu menšinové nosné. Vzhledem k tomu, že počet driftujících minoritních nosičů nezávisí na přiloženém napětí (ovlivňuje pouze jejich rychlost), pak při zvýšení zpětného napětí proud přes přechod směřuje k mezní hodnotě IS, která se nazývá saturační proud. Čím vyšší je koncentrace donorových a akceptorových nečistot, tím nižší je saturační proud a s rostoucí teplotou roste saturační proud exponenciálně.
V grafu jsou znázorněny proudově-napěťové charakteristiky pro dopředné a zpětné zapojení diody. Říkají také dopřednou a zpětnou větev charakteristiky proud-napětí. Přímá větev (Ipr a Upr) zobrazuje charakteristiky diody při přímém připojení (to znamená, když je na anodu přiloženo „plus“). Reverzní větev (Irev a Urev) zobrazuje charakteristiku diody při obráceném zapnutí (to znamená, když je na anodu aplikováno „mínus“).
Modrá tlustá čára je charakteristika germaniové (Ge) diody a černá tenká čára je charakteristika křemíkové (Si) diody. Obrázek neukazuje jednotky měření pro proudovou a napěťovou osu, protože závisí na konkrétní značce diody.
Pro začátek definujme, jako pro jakýkoli plochý souřadnicový systém, čtyři souřadnicové úhly (kvadranty). Připomínám, že za první kvadrant se považuje ten, který se nachází vpravo nahoře (tedy tam, kde máme písmena Ge a Si). Dále se počítají kvadranty proti směru hodinových ručiček.
Takže naše II a IV kvadranty jsou prázdné. Diodu totiž můžeme zapnout pouze dvěma způsoby – vpřed nebo vzad. Situace je nemožná, když například diodou protéká zpětný proud a zároveň je zapnuta v propustném směru, nebo jinými slovy, nelze současně aplikovat „plus“ i „mínus“ na jeden výstup. Přesněji je to možné, ale pak to bude zkrat. Zbývají pouze dva případy k posouzení – přímé připojení diodyиpřepínání reverzní diody.
Graf přímého spojení je nakreslen v prvním kvadrantu. To ukazuje, že čím větší napětí, tím větší proud. Navíc do určitého bodu napětí roste rychleji než proud. Ale pak nastane bod obratu a napětí zůstane téměř nezměněno, ale proud se začne zvyšovat. U většiny diod se tento bod obratu vyskytuje v rozsahu 0,5. 1 V. Je to napětí, o kterém se říká, že „klesne“ na diodě. Těchto 0,5. 1 V je úbytek napětí na diodě. Pomalý nárůst proudu na napětí 0,5. 1V znamená, že v tomto úseku diodou neprotéká prakticky žádný proud ani v propustném směru.
Graf reverzního přepínání je nakreslen ve třetím kvadrantu. Z toho je vidět, že na významné ploše zůstává proud téměř nezměněn a pak se zvětšuje jako lavina. Pokud zvýšíte napětí například na několik stovek voltů, pak toto vysoké napětí „prorazí“ diodu a diodou bude protékat proud. Ale „rozpad“ je nevratný proces (pro diody). To znamená, že takový „průraz“ povede k vyhoření diody a buď úplně přestane procházet proud v libovolném směru, nebo naopak – propustí proud ve všech směrech.
Charakteristiky konkrétních diod vždy udávají maximální reverzní napětí – tedy napětí, které dioda vydrží bez „průrazu“ při zapnutí ve zpětném směru. To je třeba vzít v úvahu při vývoji zařízení, která používají diody.
Porovnáním charakteristik křemíkových a germaniových diod můžeme dojít k závěru, že v pn přechodech křemíkové diody jsou dopředné a zpětné proudy menší než u germaniové diody (při stejných hodnotách napětí na svorkách). To je způsobeno skutečností, že křemík má větší zakázané pásmo a aby se elektrony přesunuly z valenčního pásma do vodivostního pásma, je třeba jim dodat více energie navíc.
Polovodičové diody (usměrňovací diody, zenerovy diody, tunelové diody, reverzní diody atd.) patří do široké třídy polovodičových zařízení používaných při konstrukci elektronických zařízení, řídicích systémů, radiotechniky a výpočetních komplexů.
Polovodičové diody jsou nejjednodušší polovodičová zařízení. Jejich práce je založena na procesech proudění dovnitř p–n-přechod. Polovodičová dioda má dva vývody (jeden z p– oblasti, ostatní z n-regiony). Říká se jim anoda a katoda. Dioda je pasivní nelineární prvek (dvoukoncová síť).
Na běžném grafickém symbolu se směr šipky diody shoduje se směrem propustného proudu. Klasifikace a grafické značky polovodičových diod jsou na Obr. 7.8.
Usměrňovací dioda je polovodičová dioda, která využívá vlastnosti p–n-přechod – jednosměrné vedení. Usměrňovací diody slouží k usměrnění střídavého proudu.
Polovodičová zenerova dioda – polovodičová dioda, jejíž napětí je v oblasti elektrického průrazu na zpětné větvi proudově-napěťové charakteristiky. p–n-přechod slabě závisí na proudu. Slouží ke stabilizaci napětí.
Kromě usměrňovacích diod se hojně používají pulzní diody, s plochou p–n– přechod je podstatně menší než u usměrňovacích diod, a proto mají krátké trvání přechodových procesů. Používají se jako klíčové prvky v obvodech pulzní technologie.
Dalším typem diody je Schottkyho dioda. Schottkyho dioda je polovodičová dioda, jejíž usměrňovací vlastnosti jsou založeny na použití usměrňovacího elektrického přechodu mezi kovem a polovodičem. Na základě usměrňovacího Schottkyho přechodu vznikají usměrňovací, pulzní a ultravysokofrekvenční polovodičové diody, které se liší od diod s p–n– přechod s lepšími frekvenčními vlastnostmi.
Ultravysokofrekvenční (mikrovlnné) diody jsou určeny pro konverzi a zpracování ultravysokofrekvenčních signálů (více než 300 MHz).
Tunelová dioda je polovodičová dioda, ve které je díky použití vysoké koncentrace nečistot vytvořena velmi úzká bariéra a tunelovací mechanismus přenosu náboje přes p–n-přechod. Charakteristika tunelové diody má oblast záporného odporu, tzn. oblast, ve které kladný přírůstek napětí odpovídá zápornému přírůstku proudu. Tato vlastnost může být použita pro generování a zesilování elektromagnetických oscilací. Tunelové diody jsou schopny pracovat na frekvencích až stovek GHz.
Reverzní dioda je dioda na bázi polovodiče s kritickou koncentrací nečistot, u které je vodivost při zpětném napětí v důsledku tunelovacího efektu výrazně větší než při propustném napětí. Z principu činnosti reverzních diod je zřejmé, že za prvé jsou schopny pracovat s velmi malými signály. Za druhé, mají velmi dobré frekvenční vlastnosti, protože mají tunelový efekt.
Varikap je polovodičová dioda, jejíž činnost je založena na závislosti kapacity na zpětném napětí a která je určena pro použití jako prvek s elektricky řízenou kapacitou.
LED je polovodičová dioda s poměrně velkým bandgapem. Emise kvant viditelného světla je způsobena spontánní rekombinací nosičů náboje, když stejnosměrný proud prochází usměrňovacím elektrickým přechodem.
Fotodioda je polovodičová dioda, jejíž zpětný proud závisí na osvětlení. Typicky polovodičové diody s p–n– křižovatka obrácená předpětím externím zdrojem energie. Při absorbování světelných kvant v p–n-přechodem vznikají nové nosiče náboje. Menšinoví dopravci pocházející z oblastí sousedících s p–n-přechodové oblasti, které difundují do p–n-křižovatka a projít jím pod vlivem elektrického pole. V důsledku toho, když je fotodioda osvětlena, zpětný proud, který prochází, se zvýší o hodnotu nazývanou fotoproud.
Velmi důležitým polovodičovým zařízením z hlediska schopností, které poskytuje, je optočlen. Optočlen je polovodičové zařízení, obecně sestávající z emitujících a fotopřijímacích prvků, mezi nimiž je optické spojení a je opatřena elektrická izolace.
V konkrétním případě lze jako jeden prvek optočlenu – emitoru použít LED a jako druhý prvek – fotodetektor – fotodiodu (obr. 7.9).
Tyto prvky jsou umístěny ve společném pouzdru optočlenu. Hlavní výhodou použití optočlenů je téměř ideální galvanické oddělení řídicích obvodů od výkonných obvodů při zachování pevného funkčního optického spojení. Lze si také všimnout jednosměrnosti optické komunikace a nepřítomnosti zpětné vazby od přijímače záření k emitoru.
Po krátkém zvážení navrhované klasifikace polovodičových diod se podrobněji zastavíme u parametrů a charakteristik dvou typů, které našly nejrozšířenější použití: usměrňovací diody a zenerovy diody.
Voltampérové charakteristiky germaniových a křemíkových usměrňovacích diod jsou na Obr. 7.10.
Zpětný proud pro běžné diody se měří v mikroampérech (všimněte si různých měřítek y pro dopředný a zpětný proud) a lze jej obecně ignorovat, dokud zpětné napětí na diodě nedosáhne hodnoty napětí.
Úbytek napětí v propustném směru v důsledku propustného proudu diodou je 0.2 až 0.8 V. Tento úbytek napětí lze zanedbat a diodu pak lze považovat za vodič, který umožňuje proudění pouze jedním směrem.
Parametry usměrňovací diody:
– stejnosměrný proud procházející diodou v propustném směru;
– konstantní zpětný proud;
– maximální přípustný průměrný usměrněný proud, který může procházet diodou po dlouhou dobu, aniž by došlo ke změně jejích parametrů;
– maximální usměrněný dopředný proud;
– konstantní propustné napětí;
– maximální přípustné zpětné stejnosměrné napětí;
– celková kapacita diody;
– ztrátový výkon, když je dioda připojena přímo;
– statický odpor rozpojené diody v daném bodě proudově-napěťové charakteristiky se souřadnicemi a;
– statický odpor zavřené diody v daném bodě proudově-napěťové charakteristiky se souřadnicemi a;
Hodnoty parametrů závisí na typu diody. Pro srovnání v tabulce. Tabulka 7.1 ukazuje hodnoty těchto parametrů pro nízkopříkonové germaniové a křemíkové diody. Uvedeno v tabulce. Parametry 7.1 jsou určeny pro hodnoty dopředného proudu do 1 mA.
