Opracowanie PDF - Diody

Miłosz Andrzejewski IE
Diody
Diody przepuszczają prąd tylko w jednym kierunku; służą do prostowania. W tym celu używa
się ich w:
prostownikach wchodzących w skład zasilaczy. Ogólnie rozpowszechnione są dzisiaj diody
świecące
tzw. LED-y. Zastąpiły one wszelkiego rodzaju kontrolki. Są praktyczne dzięki małym
wymiarom oraz
niskiej cenie.
Półprzewodniki
Największą grupę elementów aktywnych stanowią urządzenia zbudowane w oparciu o
materiały
półprzewodnikowe. Do materiału półprzewodnikowego dodaje się domieszkę pewnego
rodzaju. W
zależności od typu domieszki otrzymuje się półprzewodnik typu P lub N
Diody, tranzystory i układy scalone są zbudowane z materiałów półprzewodnikowych.
German
był historycznie pierwszym półprzewodnikiem. Materiał ten ma słabe własności dla wyższych
częstotliwości, dużą niestabilność temperaturową i dużo mniejszą odporność na wysokie
temperatury
niż powszechnie stosowany krzem. Zaletą jego jest niskie napięcie progowe, które powoduje,
że
tranzystory germanowe można stosować w obwodach mocy np. w przetwornicach napięcia.
Krzem
jest dzisiaj dominującym materiałem półprzewodnikowym. Jest tani. Obecnie można
zbudować
tranzystory dużej mocy o dużym wzmocnieniu i częstotliwości granicznej ( fT) aż do kilku
GHz, o
napięciach ok. 1000 V lub więcej. Zdarza się również w układach dużej mocy stosowanie
tranzystorów
krzemowych o prądach do 1000 A. Nie można jednak tych wszystkich cech uzyskać
jednocześnie.
Tranzystory są na ogół optymalizowane w grupach jako tranzystory małej mocy,
przełączające albo
dużej mocy. Krzem jest materiałem tanim w odróżnieniu od pierwiastków z grupy III-V
układu
okresowego.
Materiały grupy III-V.
Nazwa wynika z położenia pierwiastków znajdujących się w trzeciej i piątej kolumnie układu
okresowego. Są to związki materiałów takich jak arsenek galu (GaAs) i fosforek indu (InP).
Arsenek galu
stosuje się przede wszystkim dla zakresu mikrofalowego. Tranzystory polowe zrobione z
Arsenki Galu
AsFET, posiadają niskie szumy i dlatego są szczególnie przydatne w stopniach wejściowych
np. w
odbiornikach radarowych lub satelitarnych. Posiadają niską modulację skrośną, ale są czułe
na
przepięcia, a szczególnie na rozładowania elektrostatyczne. Fosforku indu Używa się przede
wszystkim
w optoelektronice.
Złącze P-N
Podstawowym elementem składowym każdej diody jest złącze P-N. Przewodzi ono prąd w
jednym
kierunku i nie przewodzi w drugim. W rezultacie nadaje się doskonale do prostowania prądu
zmiennego,
co też jest jego najczęstszym zastosowaniem. Do innych celów stosuje się wiele diod
różniących się
dpowiednim doborem parametrów złącza p-n.
Dioda krzemowa występuje dzisiaj najczęściej. Diody przeznaczone do pracy przy małych
prądach
mają napięcie progowe (spadek napięcia w kierunku przewodzenia) ok. 0,7 V, podczas gdy
diody mocy
mają napięcie progowe 1V lub więcej. Gdy napięcie zaporowe ("odwrotne") przekroczy
wartość
katalogową, dioda ulega zniszczeniu.
Szczególny typ diody - dioda lawinowa nie zostanie uszkodzona po przekroczeniu napięcia
zaporowego. Nadmiar napięcia zostaje zaabsorbowany przez diodę i dlatego nadaje się
doskonale jako
zabezpieczenie przeciwko krótkotrwałym impulsom i przepięciom.
Fast recovery, czyli dioda o krótkim czasie wyłączania, przeznaczona jest do układów
przełączających.
Czas przełączania wynosi od 1 do 500 ns. Innym wariantem są diody o niskiej upływności z
bardzo
niskim prądem wstecznym.
Dioda germanowa dominowała w zastosowaniach zanim została wyparta w latach 60-tych
przez diody
krzemowe. Diody germanowe stosowane są nadal jako części zamienne, oraz w niektórych
układach,
gdzie przede wszystkim potrzebne jest niskie napięcie progowe np. w detektorach, w sprzęcie
radiowym
i video. Dla diod niskoprądowych, spadek napięcia w kierunku przewodzenia zawiera się w
przedziale
0,2 - 0,5 V. Napięcie to zależy od wartości prądu ale w mniejszym stopniu niż dla diod
krzemowych,
które mają wyższą "rezystancję" w kierunku przewodzenia. Spadek napięcia w kierunku
przewodzenia
w diodach germanowych jest z kolei bardziej zależny od temperatury niż s diodach
krzemowych.
Dioda Schottky'ego stanowią w większości wypadków alternatywę dla diod germanowych,
gdy
niezbędne jest niskie napięcie progowe. Wynosi ono ok 0,4 V. Diody te działają na nośnikach
większościowych, odznaczają się zatem bardzo krótkimi czasami przełączania i nadają się
doskonale
do zastosowań w układach bardzo wielkiej częstotliwości i układach przełączających. Diody
Schottky'ego są powszechnie stosowane w zakresie częstotliwości do 100 Ghz.
Dioda Zenera zachowuje się w kierunku przewodzenia jak dioda, ale ma bardzo dokładnie
określone
napięcie przebicia w kierunku wstecznym. Diod tych używa się do pracy w kierunku
zaporowym i
wykorzystuje się tzw. napięcie Zenera tj. napięcie, przy którym prąd wsteczny diody
gwałtownie rośnie.
Dlatego szeregowo z diodą Zenera należy łączyć rezystor lub inny element ograniczający
prąd.
Dioda Zenera ma precyzyjnie określone napięcie przebicia. Charakterystyka diody w
kierunku
zaporowym musi wykazać bardzo wyraźne przegięcie. Poza tym zmiany napięcia Zenera w
funkcji
temperatury powinny być możliwie małe. Najlepsze parametry termiczne mają diody w
zakresie napięć
Zenera 5,6 - 6,2 V. Dla napięć niższych współczynnik temperaturowy napięcia Zenera jest
ujemny, dla
napięć wyższych dodatni. Często dla otrzymania elementów stabilizacyjnych o bardzo małym
współczynniku temperaturowym napięcia, łączy się diody o dodatnim i ujemnym
współczynniku w celu
ich wzajemnej kompensacji. Czasami łączy się zwykłą diodę krzemową (posiada ujemny
współczynnik
temperaturowy przy pracy w kierunku przewodzenia) produkowaną seryjnie, z
wysokonapięciową diodą
Zenera. Wypadkowa rezystancja szeregowa diod, powoduje jednak, że charakterystyka
przebicia
Zenera będzie mniej stroma. Istnieją również diody stabilizacyjne o napięciu poniżej 2 V.
Noszą nazwę
stabilitronów. Są to diody pracujące w kierunku przewodzenia, nie są więc diodami Zenera.
Diody zabezpieczające są w zasadzie diodami Zenera, które tłumią krótkotrwałe napięciowe
impulsy
zakłócające. Używa się ich do ochrony elementów i układów elektronicznych. Ograniczanie
maksymalnego napięcia jest precyzyjne i bardzo szybkie. Diody wytrzymują wysokie prądy
chwilowe,
które powstają przy ograniczaniu przepięć.
Diody pojemnościowe, warikapowe lub waraktorowe, w których wykorzystuje się zjawisko
zmiany
pojemności złącz P-N pod wpływem polaryzacji w kierunku wstecznym. Ten mechanizm
występuje w
każdej diodzie półprzewodnikowej spolaryzowanej zaporowo, ale dioda pojemnościowa jest
specjalnie
przystosowana do tego zadania. To co je różni to sposób domieszkowania półprzewodnika w
obszarze
złącza P-N i w związku z tym odpowiednia koncentracja nośników prądu. W zasadzie można
wyodrębnić złącze o liniowym i skokowym rozkładzie nośników prądu. W praktycznym
działaniu
uwidacznia się to w różnych wartościach czułości zmian pojemności w funkcji napięcia.
Diody pojemnościowe zastępują kondensatory obrotowe w obwodach strojeniowych. Mogą
być również
stosowane w powielaczach częstotliwości, w przełącznikach systemów wąskopasmowych
oraz we
wzmacniaczach parametrycznych.
Dioda tunelowa zawiera silnie domieszkowane złącze P+ - N+ które ty się wyróżnia, że jego
charakterystyka prądowo - napięciowa zawiera odcinek o rezystancji ujemnej. Dioda zaczyna
przewodzić już przy bardzo niskim napięciu ok. 0,1 V w kierunku przywodzenia. Wzrost
napięcia
powoduje silny wzrost prądu do momentu, w którym krzywa charakterystyki ulega
przegięciu, po czym
zaczyna on maleć mimo dalszego wzrostu napięcia tzn. że występuje tzw. ujemna rezystancja.
Gdy
napięcie na diodzie wzrośnie do ok. 0,3 V, następuje ponowne przegięcie charakterystyki
diody i
rezystancja powtórnie staje się dodatnia. Diody tunelowe dzięki swojej ujemnej rezystancji,
wykorzystywane są jako elementy aktywne generatorów. Ujemna rezystancja kompensuje
rezystancję
strat obwodu rezonansowego, czego efektem jest generacja drgań.
Diody PIN są używane jako elementy o zmiennej impedancji w układach elektronicznych
bardzo
wielkich częstotliwości. Posiadają małą rezystancję w kierunku przewodzenia i małą
pojemność w
kierunku zaporowym. W rezultacie odznaczają się niskim tłumieniem gdy są załączone, a
wysokim
tłumieniem kiedy nie przewodzą. Charakterystyczna dla tej diody jest bezwładność przy
przełączaniu.
Oznacza to, że dioda nie nadąża ze swoją charakterystyką za zmianami sygnałów
wejściowych. W
zasadzie dioda ta funkcjonuje jak rezystor dla wysokich częstotliwości. Bezwładność, czas
powrotu do
napięcia zaporowego, zależy od czasu życia nośników mniejszościowych. Diody PIN dla
zakresu
mikrofal, mogą mieć t równe kilka ns, ale istnieją również diody PIN, które można stosować
aż do kilku
MHz z t równym ms. Dolna granica częstotliwości = 1/2pt. Poniżej tej granicy dioda
funkcjonuje jak
zwykłe złącze P-N.
Rezystancja diody PIN w kierunku przewodzenia może się zmieniać od 1 do 10 000 W w
zależności od
polaryzacji. Stosowana jest w tłumikach sterowanych prądowo.