Princip činnosti a rozsah polovodičových diod

Polovodiče — látky, které co do svého specifického odporu zaujímají mezilehlou pozici mezi vodiči a dielektriky. Odpor polovodičů silně závisí na teplotě a koncentraci nečistot. Při výrobě polovodičových součástek jsou nejpoužívanějšími materiály germanium a křemík.

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

Typy polovodičů

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

Polovodiče, ve kterých je výrazně více volných elektronů než děr, se nazývají polovodiče n–typNečistoty v takových polovodičích se nazývají dárcůVětšinové nosiče náboje jsou elektrony a menšinové nosiče náboje jsou díry.

Polovodiče, ve kterých je výrazně více volných děr než elektronů, se nazývají polovodiče p–typNečistoty se nazývají akceptoryDíry jsou majoritními nosiči náboje a elektrony jsou minoritními nosiči.

Princip fungování 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 jedním elektronovým dírou (p-n) přechod (hlavní část) a dva výstupy. Výstup z р-oblast se nazývá – anodaz n-oblasti – katoda.

V závislosti na tvaru a velikosti p-n přechodu rozlišujeme planární (obr. 1) a bodové diody (obr. 3). U bodových diod má p-n přechod tvar tečky, zatímco u planárních diod má tvar roviny s významnou plochou. Planární diody mohou propouštět značné proudy, ale pracují při nízkých frekvencích. Bodové diody naopak mohou pracovat při vysokých frekvencích, ale propouštějí malé proudy.

K kovové základně spojovací diody, tzv. držák na krystaly, polovodičová deska je připájena n-typ. Do něj je shora natavena kapka kovu, obvykle india. Atomy india difundují (pronikají) do polovodičové destičky a vytvářejí na jejím povrchu vrstvu. р-typ. K držáku krystalu a indiu jsou přivařeny vodiče, které slouží jako vodiče diody.

Obr. 1 — Zařízení planární diody (vpravo — planární usměrňovací dioda D242B)
1 – izolátor, 2 – pouzdro, 3 – anodový vývod, 4 – pájka, 5 – krystal,
6 – držák krystalu, 7 – externí svorky

Bodová kontaktní polovodičová dioda se skládá z polovodičové destičky ntypu – a špičatou pružinou vyrobenou z wolframu nebo fosforového bronzu o průměru 0,1 mm. Pružinou přitlačenou k polovodičové desce prochází silný elektrický proud. Kovová pružina je přivařena k polovodičové desce a tvoří hrot pod hrotem. р-kraj.

Obr. 2 — Zařízení s bodovou diodou (vpravo — bodová dioda KD522B)
1 – svorky, 2 – skleněná baňka, 3 – polovodičová destička, 4 – kovový pružinový drát

Čím více plochy p-n-přechod, tím větší proud jím může protékat a tím větší je jeho kapacita. Planární polovodičové diody se používají v elektrických obvodech, ve kterých protékají velké proudy a kde kapacitní vlastnosti nemají znatelný vliv na činnost diody. Bodové diody se používají v obvodech s malými proudy a ve vysokofrekvenčních zařízeních.

Aby byl polovodič chráněn před mechanickým poškozením, vystavením světlu, prachu a vlhkosti, je umístěn v uzavřeném pouzdře.

Konvenční grafické symboly polovodičové diody

Konvenční grafické symboly polovodičových diod

	Polovodičová usměrňovací dioda, obecné označení
	Zenerova dioda a stabilizátor
	Zenerova dioda s obousměrnou vodivostí
	Varicap
	Schottkyho dioda
	Světelná dioda
	Fotodioda

Metody zapínání diody

Pokud je k diodě připojen externí zdroj napětí s kladným pólem k anodě (p-oblast) a záporným pólem ke katodě (n-oblast), nazývá se takové zapojení přímé připojení (obr. 3) a proud, který jím protéká, je stejnosměrný proud.

Obr. 3 – Přímé připojení diody

Pokud je externí zdroj napětí zapojen s kladným pólem na katodu a záporným pólem na anodu, nazývá se takové zapojení diody reverzní inkluze(obr. 4) a proud, který jím protéká, je zpětný proudPři vysoké hodnotě zpětného napětí dochází k průrazu. p-n-přechod.

Obr. 4 – Zpětné zapojení diody

Porucha může být tepelná nebo elektrická.. Tepelné rozložení ničí krystal a jeho vlastnosti p-n-přechod se ztrácí. Elektrický průraz, který se nezměnil v tepelný průraz, je vratný, tj. vlastnosti p-n– přechody se obnoví po odstranění zpětného napětí.

Voltampérová charakteristika diody

Graf znázorněný na obr. 7 se nazývá voltampérová charakteristika (I-V charakteristika) diody. Z I-V charakteristiky diody je zřejmé, že proud protékající diodou závisí na polaritě aplikovaného napětí. Při přímém napětí je proud velký (mA, A) a při zpětném napětí je stokrát a dokonce tisíckrát menší (μA, mA).

Obr. 5 – Typické voltampérové charakteristiky germania a křemíkových polovodičů
U diod se měřítko podél osy proudu a napětí mění při průchodu počátkem souřadnic

Levá část charakteristiky se nazývá inverzní větev charakteristiky, pravá část se nazývá přímá větev.

Základní parametry diod

Tato informace se používá v případech, kdy prvek uvedený v diagramu není k dispozici, což vyžaduje nalezení vhodného analogu.

Ve většině případů, pokud potřebujete najít analog pro konkrétní diodu, bude prvních pět parametrů z tabulky 1 zcela dostačujících. Je vhodné vzít v úvahu rozsah provozních teplot prvku a frekvenci.

Hlavní vlastnosti usměrňovacích diod

Označení	popis
I_{např. max}	Maximální přípustný stejnosměrný proud
I_arr	Konstantní zpětný proud
U_пр	Konstantní propustné napětí
U_arr.max	Maximální přípustné zpětné napětí
P_max	Maximální povolený výkon rozptýlený na diodě
P_ženatý	Průměrný výkon rozptýlený diodou během dané periody, s proudem tekoucím v přímém i zpětném směru;
I_pr.sr.max	Maximální přípustný průměrný dopředný proud
I_vp.sr.max	Maximální přípustný průměrný usměrněný proud
U_arr	Stejnosměrné napětí přivedené na diodu v opačném směru
I_{starší zástupce}	Proud vpřed zprůměrovaný za dané období
I_obr.sr.	Zpětný proud zprůměrovaný za dané období
R_rozdíl	Diferenciální odpor je poměr přírůstku napětí na diodě k malému přírůstku proudu, který jej způsobil.
U_{starší zástupce}	Průměrné propustné napětí diody pro daný průměrný propustný proud

Klasifikace diod

Usměrňovač – přeměnit střídavý proud na stejnosměrný.
Puls — mají krátkou dobu trvání přechodových procesů a jsou určeny pro použití v pulzních provozních režimech.
Zenerova dioda — ke stabilizaci stejnosměrného napětí (přibližně 3,5 V a vyššího) na zátěži. Zenerovy diody využívají úsek zpětné větve charakteristiky proud-napětí v oblasti elektrického průrazu.
Stabistor — ke stabilizaci napětí asi 1 V. Používá se přímá větev charakteristiky proud-napětí. Je zapojena v propustném směru.
Varicap — využívá se závislosti kapacity na hodnotě aplikovaného zpětného napětí. Používají se jako prvky s elektricky řízenou kapacitou.
Ultra vysoká frekvence (UHF) – polovodičová dioda určená k převodu a zpracování signálů o ultravysokých frekvencích (až desítky a stovky gigahertzů).
Detektor — jsou navrženy k detekci signálu.
Míchání — jsou navrženy k převodu vysokofrekvenčních signálů na signály střední frekvence.
Přepínání — pro použití v zařízeních pro regulaci úrovně ultravysokofrekvenčního výkonu.

Princip činnosti polovodičové diody

Funkce diody je založena na vlastnosti pn přechodu dobře propouštět proud v jednom směru a špatně v druhém. Dioda se skládá z jednoho pn přechodu a vede proud v jednom směru pouze tehdy, když je napětí přivedené na diodu větší než potenciálová bariéra. Pro germaniovou diodu je minimální externí napětí 0,3 V a pro křemíkovou diodu 0,7 V.

Pokud je monokrystal polovodičového materiálu dopován na jednom konci nečistotami typu p a na druhém konci nečistotami typu n, pak se mezi oblastmi s různými typy vodivosti vytvoří mezera. p-n přechodNěkteré díry z oblasti p difundují do oblasti n. V důsledku toho oblast p získává malý záporný náboj. Podobně elektrony z oblasti n difundují do oblasti p a oblast n se nabíjí 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 ochuzenou vrstvou. Tato vrstva funguje jako potenciálová bariéra, která brání další difúzi nosičů náboje, a spojení je ve stavu dynamické rovnováhy (obr. 6a).

Pokud je na svorky diody aplikováno externí napětí tak, že anoda (A) má kladný potenciál vzhledem ke katodě (K), bude pozorován pokles tloušťky ochuzené vrstvy. Potenciální bariéra se snižuje, což podporuje tok proudu spojem. S rostoucím externím napětím se proud spojem exponenciálně zvyšuje, dokud se externí napětí nerovná hodnotě potenciálové bariéry, tj. výsledné napětí na spoji se stane nulovým. Další zvýšení proudu spojem je omezeno pouze odporem polovodičového materiálu. Pokud se obrátí polarita externího napětí, hodnota potenciálové bariéry se zvýší a většinové nosiče nebudou schopny potenciálovou bariéru překonat. Za těchto podmínek však spojem protéká nevýznamný proud, nazývaný zpětný proud. S rostoucím externím zpětným napětím zůstává tento proud konstantní, dokud napětí nedosáhne bodu průrazu. V tomto bodě se při konstantním napětí proud rychle zvyšuje (obr. 6, b).

Obr. 6 – Polovodičový přechod s potenciálovou bariérou:
a – vzniklé difúzí nosičů náboje;
b — voltampérová charakteristika polovodičové diody,
Měřítko podél aktuální osy se mění při průchodu počátkem souřadnic

Pokud je tedy přechod předpjatý v přímém směru, protéká jím poměrně velký proud, a pokud je zpětné předpětí menší než průrazné předpětí, je proud protékající přechodem extrémně malý. Jinými slovy, takové zařízení funguje jako usměrňovač.

Usměrňovací diody

Hlavním účelem usměrňovacích diod je přeměna napětí. To však není jediná oblast použití těchto polovodičových prvků. Instalují se do spínacích a řídicích obvodů, používají se v kaskádových generátorech atd.

Jako základ p-n přechodu se používají krystaly křemíku nebo germania. Křemíkové diody se používají mnohem častěji, což je dáno tím, že hodnota zpětného proudu germaniových prvků je mnohem vyšší, což výrazně omezuje přípustné zpětné napětí (nepřesahuje 400 V). Zatímco u křemíkových polovodičů může tato charakteristika dosáhnout 1500 V.

Kromě toho mají germaniové prvky mnohem 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. U křemíkových polovodičů je horní práh asi 125 °C-150 °C.

Výkon usměrňovacích diod je určen maximálním přípustným proudem vpřed. Podle této charakteristiky se používá následující klasifikace:

Nízkoproudé usměrňovací diody