Lekcja 5 DIODY PÓŁPRZEWODNIKOWE

1.Dioda półprzewodnikowa – rodzaj diody wykonanej z materiałów półprzewodnikowych i zawierającej złącze prostujące. Zbudowana jest z dwóch warstw półprzewodnika, odmiennie domieszkowanych – typu n i typu p, tworzących razem złącze p-n, lub z połączenia półprzewodnika z odpowiednim metalem – dioda Schottky'ego. Jest elementem dwukońcówkowym, przy czym końcówka dołączona do obszaru n nazywa się katodą, a do obszaru p – anodą. Element ten charakteryzuje się jednokierunkowym przepływem prądu – od anody do katody, w drugą stronę prąd nie płynie (zawór elektryczny).

Diody te są elementami nieliniowymi. Nieliniowość diod półprzewodnikowych polega na tym, że występujące na nich napięcie wzrasta proporcjonalnie do logarytmu płynącego przez nie prądu: U= A*ln(I) w stałej temperaturze złącza. Wynika z tego, że każdy (np. dziesięciokrotny) wzrost prądu powoduje przyrost napięcia o stałą wartość. W przypadku diod krzemowych jest to około 60 mV w 20 °C. Analogicznie, dwukrotny przyrost prądu powoduje zwiększenie napięcia o około 20 mV. Przedstawienie charakterystyki diody w liniowej funkcji prądu prowadzi do często spotykanego, acz niefortunnie w przypadku diody półprzewodnikowej stosowanego, pojęcia tzw. napięcia progowego (Vd). Wynika ono tylko z właściwości funkcji logarytmicznej przedstawianej liniowo. Różnicę obrazują zamieszczone obok charakterystyki napięciowo-prądowe: liniowa i logarytmiczna.

Podstawową cechą diod półprzewodnikowych jest umożliwianie przepływu prądu tylko w jedną stronę, jednak gama ich zastosowań jest o wiele szersza, w związku z tym rozróżnia się następujące rodzaje diod:

• prostownicza - jej podstawową funkcją jest prostowanie prądu przemiennego
• stabilizacyjna (dioda Zenera) - stosowana w układach stabilizacji napięcia i prądu
• tunelowa - dioda o specjalnej konstrukcji, z odcinkiem charakterystyki o ujemnej rezystancji dynamicznej
• pojemnościowa (warikap) - o pojemności zależnej od przyłożonego napięcia
• elektroluminescencyjna (LED) - dioda świecąca w paśmie widzialnym lub podczerwonym
• laserowa
• mikrofalowa (np. Gunna)
• detekcyjna - diody niewielkiej mocy, używane w układach modulacji AM
• fotodioda - dioda reagująca na promieniowanie świetlne (widzialne, podczerwone lub ultrafioletowe).
• stałoprądowa
• wsteczna

2. 

           Diodą półprzewodnikową nazywamy element wykonany z półprzewodnika, zawierającego jedno złącze - najczęściej p-n z dwiema końcówkami wyprowadzeń.

Charakterystyka diody oraz jej parametry są podobne, a nawet niekiedy takie same jak złącza p-n . Ze względu na swą budowę, dioda przepuszcza prąd w jednym kierunku, natomiast w kierunku przeciwnym - w minimalnym stopniu.

         Diody stosowane są w układach analogowych i cyfrowych. W układach analogowych wykorzystywana jest zależność rezystancji dynamicznej od napięcia lub prądu wejściowego, lub też zmiany pojemności w funkcji napięcia. W układach cyfrowych istotne są natomiast właściwości przełączające diody.

         Diody półprzewodnikowe stosuje się w układach prostowania prądu zmiennego,

w układach modulacji i detekcji, przełączania, generacji i wzmacniania sygnałów elektrycznych.

         Każda dioda ma pewną częstotliwość graniczną, po przekroczeniu której nie zachowuje się jak dioda, lecz jak kondensator.

Klasyfikację diod można przeprowadzić ze względu na:

   materiał (krzemowe, germanowe z arsenku galu);

   konstrukcję (ostrzowe i warstwowe; stopowe i dyfuzyjne: mesa, planarne i epiplarne);

   strukturę fizyczną złącza (p-n, m-s, heterozłącza);

   zastosowanie (prostownicze, uniwersalne, impulsowe, stabilitrony - Zenera, pojemnościowe - warikapy i waraktory, tunelowe, mikrofalowe: detekcyjne

     i mieszające);

   przebiegające zjawiska (Zenera, Gunna, lawinowe, tunelowe).

Różnorodność tych typów jest związana z:

   poziomem i rozkładem koncentracji domieszek, mających wpływ na charakterystykę prądowo-napięciową;

   rozmiarami geometrycznymi poszczególnych obszarów półprzewodnika i rodzajem obudowy.

     Parametry diod mogą być charakterystyczne lub dopuszczalne (graniczne).

Wartość prądu nasycenia diod germanowych jest rzędu uA, a diod krzemowych - nA.

Ze wzrostem temperatury prąd nasycenia podwaja swoją wartość (dla diody

krzemowej co 6oC, a dla germanowej co 10oC).

CHARAKTERYSTYKA POSZCZEGÓLNYCH TYPÓW DIOD:

     Diody prostownicze są przeznaczone do prostowania napięcia bądź prądu

przemiennego o małej częstotliwości. Prostowanie jest to przetwarzanie prądu

przemiennego na prąd jednokierunkowy. Diody te zaczynają przewodzić prąd dopiero

po przekroczeniu pewnej wartości napięcia w kierunku przewodzenia (dla diod

krzemowych wynosi ona ok. 0,7 V, a dla germanowych ok. 0,3 V).

     Diody stabilizacyjne są to diody przeznaczone do stabilizacji lub ograniczania

napięć. Diody stabilizacyjne pracują przy polaryzacji w kierunku zaporowym,

charakteryzując się niewielkimi zmianami napięcia pod wpływem dużych zmian prądu. 

Diody te wykorzystują zjawisko Zenera lub lawinowe.

     Diody pojemnościowe (warikapy i waraktory) pracują przy polaryzacji

zaporowej, charakteryzując się zmienną pojemnością napięcia.

Ze względu na małe wymiary diod pojemnościowych, dużą wytrzymałość na udary

i małą zależność od zmian temperatury, mogą one w wielu wypadkach zastąpić

kondensatory zmienne lub ceramiczne.       

     Diody przełączające - do nich zaliczane są diody: tunelowe, ładunkowe,

ostrzowe, Schottky`ego.

Zastosowanie: w przełącznikach, we wzmacniaczach o małych szumach

i w generatorach mikrofalowych.

     Diody generacyjne i wzmacniające:

tunelowe

lawinowe Reada i Impatt

Gunna

Dioda Gunna jest to element, którego działanie polega na specyficznej zależności

prędkości elektronów od natężenia pola elektrycznego (zjawisko Gunna), czego

rezultatem jest istnienie ujemnej konduktacji w diodzie.

Diody Gunna są stosowane w generatorach mikrofalowych o częstotliwości rzędu

GHz.

3.

4.