Pooljuhtdioode kasutatakse laialdaselt elektroonikas ja elektroonikatööstuses. Neid kasutatakse nii iseseisv alt kui ka transistoride ja paljude teiste seadmete p-n-ristmikuna. Diskreetse komponendina on dioodid paljude elektrooniliste vooluringide võtmeosa. Nad leiavad palju rakendusi väikese võimsusega rakendustest kuni alaldeni.
Mis on diood?
Kreeka keelest tõlgituna tähendab selle elektroonilise elemendi nimi sõna-sõn alt "kaks terminali". Neid nimetatakse anoodiks ja katoodiks. Ahelas voolab vool anoodilt katoodile. Pooljuhtdiood on ühepoolne element ja vastassuunaline vooluvool on blokeeritud.
Tööpõhimõte
Pooljuhtdioodide seade on väga erinev. See on põhjus, miks neid on palju tüüpe, mis erinevad nii nimiväärtuse kui ka funktsioonide poolest. Kuid enamikul juhtudel aluspõhimõtepooljuhtdioodide töö on sama. Need sisaldavad p-n-ristmikku, mis tagab nende põhifunktsioonid.
Seda terminit kasutatakse tavaliselt dioodi standardkuju kohta. Tegelikult kehtib see peaaegu igat tüüpi nende kohta. Dioodid moodustavad kaasaegse elektroonikatööstuse selgroo. Kõik – lihtsatest elementidest ja transistoridest tänapäevaste mikroprotsessoriteni – põhineb pooljuhtidel. Pooljuhtdioodi tööpõhimõte põhineb pooljuhtide omadustel. Tehnoloogia põhineb materjalide rühmal, mille kristallvõresse lisandite sisestamine võimaldab saada piirkondi, kus augud ja elektronid on laengukandjateks.
P-n-ristmik
P-n-tüüpi diood sai oma nime, kuna see kasutab p-n-siirdeühendust, mis võimaldab voolul liikuda ainult ühes suunas. Elemendil on muid omadusi, mida kasutatakse samuti laialdaselt. Näiteks pooljuhtdioodid võivad kiirata ja tuvastada valgust, muuta mahtuvust ja reguleerida pinget.
P-n-siirde on põhiline pooljuhtstruktuur. Nagu nimigi ütleb, on see p- ja n-tüüpi piirkondade vaheline ristmik. Üleminek võimaldab laengukandjatel liikuda ainult ühes suunas, mis näiteks võimaldab muuta vahelduvvoolu alalisvooluks.
Standarddioodid on tavaliselt valmistatud ränist, kuigi kasutatakse ka germaaniumi ja muid pooljuhtmaterjale, peamiselt eriotstarbel.
Volt-ampri karakteristik
Dioodi iseloomustab voolu-pinge kõver, mille saab jagada kaheks haruks: edasi ja tagurpidi. Vastupidises suunas on lekkevool 0-le lähedane, kuid pinge suurenedes see aeglaselt suureneb ja läbilöögipinge saavutamisel hakkab see järsult kasvama. Edasisuunas tõuseb vool rakendatud pingega kiiresti üle juhtivuse läve, mis on ränidioodide puhul 0,7 V ja germaaniumi puhul 0,4 V. Erinevaid materjale kasutavatel elementidel on erinevad volt-amprite omadused ning juhtivuse lävi ja läbilöögipinged.
P-n-siirdedioodi võib pidada põhitaseme seadmeks. Seda kasutatakse laialdaselt paljudes rakendustes alates signaaliahelatest ja detektoritest kuni piirajate või transientide summutiteni induktsioon- või releepoolides ja suure võimsusega alaldid.
Funktsioonid ja parameetrid
Dioodi spetsifikatsioonid pakuvad palju andmeid. Täpsed selgitused nende kohta pole aga alati kättesaadavad. Allpool on toodud üksikasjad dioodi erinevate omaduste ja parameetrite kohta, mis on toodud spetsifikatsioonides.
Pooljuhtmaterjal
P-n-siiretes kasutatav materjal on ülim alt tähtis, kuna see mõjutab paljusid pooljuhtdioodide põhiomadusi. Räni on selle kõrge efektiivsuse ja madalate tootmiskulude tõttu kõige laialdasem alt kasutatav. Teine sageli kasutatavelement on germaanium. Eriotstarbelistes dioodides kasutatakse tavaliselt muid materjale. Pooljuhtmaterjali valik on oluline, kuna see määrab juhtivuse läve – räni puhul umbes 0,6 V ja germaaniumi puhul 0,3 V.
Pingelang alalisvoolurežiimis (U pr.)
Iga elektriahel, mida vool läbib, põhjustab pingelanguse ja see pooljuhtdioodi parameeter on väga oluline, eriti alaldamisel, kui võimsuskaod on võrdelised U ave-ga. Lisaks peavad elektroonilised komponendid sageli tekitada väikese pingelanguse, sest signaalid võivad olla nõrgad, kuid nad peavad sellest siiski üle saama.
See juhtub kahel põhjusel. Esimene seisneb p-n-siirde olemuses ja tuleneb juhtivuse lävipingest, mis võimaldab voolul läbida tühjenduskihti. Teine komponent on tavaline takistuskadu.
Näitaja on väga oluline alaldi dioodide puhul, mis võivad kanda suuri voolusid.
Tagurpidi pinge tipp (U arr. max)
See on kõrgeim vastupinge, mida pooljuhtdiood talub. Seda ei tohi ületada, vastasel juhul võib element ebaõnnestuda. See ei ole ainult sisendsignaali RMS-pinge. Iga vooluahelat tuleb käsitleda eraldi, kuid lihtsa ühe poollaine alaldi ja silumiskondensaatori puhul pidage meeles, et kondensaator hoiab pinget, mis on võrdne sisendi tipuga.signaal. Seejärel rakendatakse dioodile sissetuleva signaali haripunkti vastupidises suunas ja seetõttu on nendes tingimustes maksimaalne vastupinge, mis on võrdne laine tippväärtusega.
Maksimaalne pärivooluvool (U pr. max)
Elektriahela projekteerimisel veenduge, et dioodide maksimaalseid voolutasemeid ei ületataks. Voolutugevuse kasvades tekib lisasoojust, mis tuleb eemaldada.
Lekkevool (I arr.)
Ideaalses dioodis ei tohiks olla pöördvoolu. Kuid tegelikes p-n-siiretes on see tingitud vähemuslaengukandjate olemasolust pooljuhis. Lekkevoolu suurus sõltub kolmest tegurist. Ilmselgelt on neist kõige olulisem vastupidine pinge. Samuti sõltub lekkevool temperatuurist - selle kasvuga suureneb see oluliselt. Lisaks sõltub see suuresti pooljuhtmaterjali tüübist. Sellega seoses on räni palju parem kui germaanium.
Lekkevool määratakse teatud vastupidisel pingel ja teatud temperatuuril. Tavaliselt määratakse see mikroamprites (ΜA) või pikoamprites (pA).
Ülemineku mahtuvus
Kõigil pooljuhtdioodidel on ristmiku mahtuvus. Tühjenemistsoon on dielektriline barjäär kahe plaadi vahel, mis moodustuvad ammendumise piirkonna ja enamuse laengukandjatega piirkonna servas. Tegelik mahtuvuse väärtus sõltub pöördpingest, mis viib üleminekutsooni muutumiseni. Selle suurenemine laiendab ammendumistsooni ja sellest tulenev altvähendab võimsust. Seda asjaolu kasutatakse ära varaktorites või varikappides, kuid muude rakenduste, eriti raadiosageduslike rakenduste puhul tuleb seda efekti minimeerida. Tavaliselt määratakse parameeter antud pinge juures pF-is. Paljude raadiosageduslike rakenduste jaoks on saadaval spetsiaalsed madala takistusega dioodid.
Ümbrise tüüp
Sõltuv alt eesmärgist toodetakse pooljuhtdioode erinevat tüüpi ja erineva kujuga pakendites. Mõnel juhul, eriti kui seda kasutatakse signaalitöötlusahelates, on pakett selle elektroonilise elemendi üldiste omaduste määramisel võtmeelement. Toiteahelates, kus soojuse hajumine on oluline, saab pakett määrata paljusid dioodi üldisi parameetreid. Suure võimsusega seadmeid peab saama jahutusradiaatori külge kinnitada. Väiksemaid esemeid saab toota pliikarpides või pindpaigaldusseadmetena.
Dioodide tüübid
Mõnikord on kasulik tutvuda pooljuhtdioodide klassifikatsiooniga. Mõned üksused võivad siiski kuuluda mitmesse kategooriasse.
Tagurpidi diood. Kuigi seda ei kasutata nii laialdaselt, on see teatud tüüpi p-n-tüüpi element, mis on oma tegevuses väga sarnane tunneliga. Omab madalat sisselülitatud pingelangust. Leiab kasutust detektorites, alaldites ja kõrgsageduslülitites.
Sissepritsetransiididiood. Sellel on palju ühist tavalisema laviinilendamisega. Kasutatakse mikrolainegeneraatorites ja häiresüsteemides.
Diood Gunn. See ei kuulu p-n-tüüpi, vaid on kahe klemmiga pooljuhtseade. Seda kasutatakse tavaliselt mikrolainesignaalide genereerimiseks ja teisendamiseks vahemikus 1–100 GHz.
Valgust kiirgav ehk LED on üks populaarsemaid elektroonikakomponentide tüüpe. Edasinihke korral põhjustab ristmikku läbiv vool valguse kiirgamise. Need kasutavad liitpooljuhte (nt galliumarseniid, galliumfosfiid, indiumfosfiid) ja võivad särada erinevates värvides, kuigi algselt piirdusid nad ainult punasega. On palju uusi arendusi, mis muudavad ekraanide toimimist ja tootmist, näiteks OLED.
Fotodiood. Kasutatakse valguse tuvastamiseks. Kui footon tabab p-n-ristmikku, võib see tekitada elektrone ja auke. Fotodioodid töötavad tavaliselt vastupidise eelpinge tingimustes, kus isegi väikesed valguse tekitatud voolud on kergesti tuvastatavad. Fotodioode saab kasutada elektrienergia tootmiseks. Mõnikord kasutatakse fotodetektoritena pin-tüüpi elemente.
Pin-diood. Elektroonilise elemendi nimetus kirjeldab hästi pooljuhtdioodi seadet. Sellel on standardsed p- ja n-tüüpi piirkonnad, kuid nende vahel on sisemine lisanditeta piirkond. See suurendab tühjenduspiirkonna pindala, mis võib olla kasulik ümberlülitamisel, samuti fotodioodides jne.
Standardset p-n-ristmikku võib pidada normaalseksvõi tänapäeval kasutusel olevat standardset tüüpi dioodi. Neid saab kasutada RF või muudes madalpingerakendustes, samuti kõrgepinge ja suure võimsusega alaldites.
Schottky dioodid. Neil on madalam ettepoole suunatud pingelang kui tavalistel p-n-tüüpi räni pooljuhtidel. Madala voolu korral võib see olla 0,15–0,4 V, mitte 0,6 V, nagu ränidioodide puhul. Selleks ei valmistata neid nagu tavaliselt - nad kasutavad metall-pooljuht kontakti. Neid kasutatakse laialdaselt piirajate, alaldena ja raadioseadmetes.
Laengu akumulatsiooniga diood. See on teatud tüüpi mikrolaine diood, mida kasutatakse väga kõrgetel sagedustel impulsside genereerimiseks ja kujundamiseks. Selle töö põhineb väga kiirel väljalülituskarakteristikul.
Laserdiood. See erineb tavalisest valgust kiirgavast, kuna toodab koherentset valgust. Laserdioode kasutatakse paljudes seadmetes, alates DVD- ja CD-draividest kuni laserosutiteni. Need on palju odavamad kui muud tüüpi laserid, kuid oluliselt kallimad kui LED-id. Nende kasutusiga on piiratud.
Tunneldiood. Kuigi seda tänapäeval laialdaselt ei kasutata, kasutati seda varem võimendites, ostsillaatorites ja lülitusseadmetes, ostsilloskoopide ajastusahelates, kui see oli teistest elementidest tõhusam.
Varactor või varikap. Kasutatakse paljudes RF-seadmetes. Selle dioodi puhul muudab pöördnihe tühjenduskihi laiust sõltuv alt rakendatavast pingest. Selles konfiguratsioonis seetoimib kondensaatorina, mille tühjenduspiirkond toimib isoleeriva dielektrikuna ja juhtivate piirkondade moodustatud plaatidena. Kasutatakse pingega juhitavates ostsillaatorites ja RF-filtrites.
Zeneri diood. See on väga kasulik diooditüüp, kuna see tagab stabiilse võrdluspinge. Tänu sellele kasutatakse zeneri dioodi tohututes kogustes. See töötab vastupidise nihke tingimustes ja murrab läbi, kui saavutatakse teatud potentsiaalide erinevus. Kui voolu piirab takisti, tagab see stabiilse pinge. Laialdaselt kasutatav toiteallikate stabiliseerimiseks. Zeneri dioodides on kahte tüüpi vastupidist riket: Zeneri lagunemine ja löökionisatsioon.
Seega sisaldavad erinevat tüüpi pooljuhtdioodid väikese võimsusega ja suure võimsusega rakenduste jaoks mõeldud elemente, mis kiirgavad ja tuvastavad valgust, millel on madal edasipinge langus ja muutuv mahtuvus. Lisaks sellele kasutatakse mikrolainetehnoloogias mitmeid sorte.
