Halfgeleiderdiodes worden veel gebruikt in de elektronica en de elektronica-industrie. Ze worden zowel onafhankelijk als als een pn-junctie van transistors en vele andere apparaten gebruikt. Als discrete component zijn diodes een belangrijk onderdeel van veel elektronische circuits. Ze vinden veel toepassingen, variërend van toepassingen met laag vermogen tot gelijkrichters.
Wat is een diode?
Vertaald uit het Grieks, betekent de naam van dit elektronische element letterlijk "twee terminals". Ze worden anode en kathode genoemd. In een circuit vloeit er stroom van de anode naar de kathode. De halfgeleiderdiode is een eenzijdig element en de stroom in de tegenovergestelde richting wordt geblokkeerd.
Werkingsprincipe
Het apparaat van halfgeleiderdiodes is heel anders. Dit is de reden dat er veel soorten van zijn, die zowel in nominale waarde als in de functies die ze vervullen verschillen. In de meeste gevallen is het basisprincipe:werking van halfgeleiderdiodes is hetzelfde. Ze bevatten een pn-kruising, die hun basisfunctionaliteit biedt.
Deze term wordt meestal gebruikt in verwijzing naar de standaardvorm van een diode. In feite is het van toepassing op bijna elk type ervan. Diodes vormen de ruggengraat van de moderne elektronica-industrie. Alles - van eenvoudige elementen en transistors tot moderne microprocessors - is gebaseerd op halfgeleiders. Het werkingsprincipe van een halfgeleiderdiode is gebaseerd op de eigenschappen van halfgeleiders. De technologie is gebaseerd op een groep materialen, waarvan de introductie van onzuiverheden in het kristalrooster het mogelijk maakt om gebieden te verkrijgen waarin gaten en elektronen ladingsdragers zijn.
P-n-splitsing
De p-n-type diode dankt zijn naam aan het gebruik van een p-n-overgang waardoor stroom in slechts één richting kan stromen. Het element heeft andere eigenschappen die ook veel worden gebruikt. Halfgeleiderdiodes kunnen bijvoorbeeld licht uitzenden en detecteren, de capaciteit veranderen en de spanning regelen.
P-n-junctie is een basis halfgeleiderstructuur. Zoals de naam al doet vermoeden, is het een kruising tussen p- en n-type regio's. Door de overgang kunnen ladingsdragers maar in één richting bewegen, wat het bijvoorbeeld mogelijk maakt om wisselstroom om te zetten in gelijkstroom.
Standaarddiodes zijn meestal gemaakt van silicium, hoewel germanium en andere halfgeleidermaterialen ook worden gebruikt, voornamelijk voor speciale doeleinden.
Volt-ampère karakteristiek
De diode wordt gekenmerkt door een stroom-spanningscurve, die in 2 takken kan worden verdeeld: vooruit en achteruit. In de tegenovergestelde richting is de lekstroom bijna 0, maar met toenemende spanning neemt deze langzaam toe en wanneer de doorslagspanning wordt bereikt, begint deze sterk te stijgen. In de voorwaartse richting stijgt de stroom snel met aangelegde spanning boven de geleidingsdrempel, die 0,7 V is voor siliciumdiodes en 0,4 V voor germanium. Cellen die verschillende materialen gebruiken, hebben verschillende volt-ampère-eigenschappen en geleidingsdrempel- en doorslagspanningen.
De p-n-junctiediode kan worden beschouwd als een apparaat op basisniveau. Het wordt veel gebruikt in veel toepassingen, variërend van signaalcircuits en detectoren tot begrenzers of tijdelijke onderdrukkers in inductie- of relaisspoelen en hoogvermogengelijkrichters.
Functies en parameters
Diodespecificaties leveren veel gegevens op. Nauwkeurige uitleg over wat ze zijn, is echter niet altijd beschikbaar. Hieronder vindt u de details van de verschillende kenmerken en parameters van de diode, die in de specificaties worden gegeven.
Halfgeleidermateriaal
Het materiaal dat in pn-overgangen wordt gebruikt, is van het grootste belang omdat het veel van de fundamentele kenmerken van halfgeleiderdiodes beïnvloedt. Silicium wordt het meest gebruikt vanwege het hoge rendement en de lage productiekosten. Een andere veelgebruiktehet element is germanium. Andere materialen worden meestal gebruikt in diodes voor speciale doeleinden. De keuze van het halfgeleidermateriaal is belangrijk omdat het de geleidingsdrempel bepa alt - ongeveer 0,6 V voor silicium en 0,3 V voor germanium.
Spanningsval in gelijkstroommodus (U pr.)
Elk elektrisch circuit waar stroom doorheen gaat, veroorzaakt een spanningsval, en deze parameter van een halfgeleiderdiode is van groot belang, vooral voor rectificatie, wanneer vermogensverliezen evenredig zijn met U ave. Bovendien moeten elektronische componenten vaak zorgen voor een kleine spanningsval, omdat de signalen misschien zwak zijn, maar ze moeten deze nog steeds overwinnen.
Dit gebeurt om twee redenen. De eerste ligt in de aard van de pn-overgang en is het resultaat van een geleidingsdrempelspanning waardoor stroom de uitputtingslaag kan passeren. De tweede component is het normale weerstandsverlies.
De indicator is van groot belang voor gelijkrichterdioden, die grote stromen kunnen voeren.
Piek sperspanning (U arr. max)
Dit is de hoogste sperspanning die een halfgeleiderdiode kan weerstaan. Het mag niet worden overschreden, anders kan het element falen. Het is niet alleen de RMS-spanning van het ingangssignaal. Elk circuit moet op zijn merites worden bekeken, maar voor een eenvoudige enkelvoudige halfgolfgelijkrichter met een afvlakcondensator, onthoud dat de condensator een spanning vasthoudt die gelijk is aan de piek van de ingangsignaal. De diode zal dan worden onderworpen aan de piek van het inkomende signaal in de omgekeerde richting, en daarom zal er onder deze omstandigheden een maximale sperspanning zijn die gelijk is aan de piekwaarde van de golf.
Maximale voorwaartse stroom (U pr. max)
Zorg er bij het ontwerpen van een elektrisch circuit voor dat de maximale diodestroomniveaus niet worden overschreden. Naarmate de stroom toeneemt, wordt extra warmte gegenereerd, die moet worden afgevoerd.
Lekstroom (I arr.)
In een ideale diode mag er geen tegenstroom zijn. Maar in echte pn-overgangen is dit te wijten aan de aanwezigheid van minderheidsladingsdragers in de halfgeleider. De hoeveelheid lekstroom is afhankelijk van drie factoren. Vanzelfsprekend is de belangrijkste hiervan de sperspanning. Ook is de lekstroom afhankelijk van de temperatuur - met zijn groei neemt deze aanzienlijk toe. Bovendien is het sterk afhankelijk van het type halfgeleidermateriaal. In dit opzicht is silicium veel beter dan germanium.
Lekstroom wordt bepaald bij een bepaalde sperspanning en een bepaalde temperatuur. Het wordt meestal gespecificeerd in microampères (ΜA) of picoamps (pA).
Overgangscapaciteit
Alle halfgeleiderdiodes hebben junctiecapaciteit. De uitputtingszone is een diëlektrische barrière tussen twee platen die zich vormen aan de rand van het uitputtingsgebied en het gebied met de meeste ladingsdragers. De werkelijke capaciteitswaarde is afhankelijk van de sperspanning, wat leidt tot een verandering in de overgangszone. De toename ervan vergroot de uitputtingszone en bijgevolgvermindert de capaciteit. Dit feit wordt benut in varactors of varicaps, maar voor andere toepassingen, met name RF-toepassingen, moet dit effect worden geminimaliseerd. De parameter wordt meestal gespecificeerd in pF bij een gegeven spanning. Voor veel RF-toepassingen zijn speciale diodes met lage weerstand beschikbaar.
Zaktype
Afhankelijk van het doel worden halfgeleiderdiodes geproduceerd in verpakkingen van verschillende soorten en vormen. In sommige gevallen, vooral bij gebruik in signaalverwerkingscircuits, is het pakket een sleutelelement bij het bepalen van de algemene kenmerken van dat elektronische element. In stroomcircuits waar warmteafvoer belangrijk is, kan het pakket veel van de algemene parameters van een diode bepalen. Krachtige apparaten moeten aan een koellichaam kunnen worden bevestigd. Kleinere items kunnen worden geproduceerd in loden koffers of als apparaten voor opbouwmontage.
Soorten diodes
Soms is het handig om kennis te maken met de classificatie van halfgeleiderdiodes. Sommige items kunnen echter tot verschillende categorieën behoren.
Omgekeerde diode. Hoewel het niet zo veel wordt gebruikt, is het een type pn-type element, dat in zijn werking erg lijkt op de tunnel. Beschikt over een lage on-state spanningsval. Vindt toepassing in detectoren, gelijkrichters en hoogfrequente schakelaars.
Injectie transitdiode. Het heeft veel gemeen met het meer gewone lawinevliegen. Gebruikt in microgolfgeneratoren en alarmsystemen.
Diode Gunn. Het behoort niet tot het pn-type, maar is een halfgeleiderapparaat met twee klemmen. Het wordt vaak gebruikt om microgolfsignalen te genereren en om te zetten in het bereik van 1-100 GHz.
Lichtgevend of LED is een van de meest populaire soorten elektronische componenten. Bij voorwaartse voorspanning zorgt de stroom die door de junctie vloeit ervoor dat licht wordt uitgestraald. Ze gebruiken samengestelde halfgeleiders (bijv. galliumarsenide, galliumfosfide, indiumfosfide) en kunnen in verschillende kleuren gloeien, hoewel ze oorspronkelijk beperkt waren tot alleen rood. Er zijn veel nieuwe ontwikkelingen die de manier veranderen waarop displays werken en worden geproduceerd, met OLED als voorbeeld.
Fotodiode. Gebruikt om licht te detecteren. Wanneer een foton een pn-overgang raakt, kan het elektronen en gaten creëren. Fotodiodes werken doorgaans onder omgekeerde bias-omstandigheden, waar zelfs kleine stroompjes die door licht worden gegenereerd gemakkelijk kunnen worden gedetecteerd. Fotodiodes kunnen worden gebruikt om elektriciteit op te wekken. Soms worden pin-achtige elementen gebruikt als fotodetectoren.
Pin-diode. De naam van het elektronische element beschrijft goed het apparaat van een halfgeleiderdiode. Het heeft standaard p- en n-type regio's, maar er is een intern gebied zonder onzuiverheden ertussen. Het heeft het effect van het vergroten van het gebied van het uitputtingsgebied, wat handig kan zijn voor schakelen, maar ook voor fotodiodes, enz.
Standaard p-n-kruispunt kan als normaal worden beschouwdof het standaard type diode dat tegenwoordig wordt gebruikt. Ze kunnen worden gebruikt in RF- of andere laagspanningstoepassingen, evenals hoogspannings- en hoogvermogengelijkrichters.
Schottky-diodes. Ze hebben een lagere voorwaartse spanningsval dan standaard p-n-type silicium halfgeleiders. Bij lage stromen kan dit van 0,15 tot 0,4 V zijn, en niet 0,6 V, zoals bij siliciumdiodes. Om dit te doen, zijn ze niet zoals gewoonlijk gemaakt - ze gebruiken een metaal-halfgeleidercontact. Ze worden veel gebruikt als begrenzers, gelijkrichters en in radioapparatuur.
Diode met ladingsaccumulatie. Het is een soort microgolfdiode die wordt gebruikt om pulsen met zeer hoge frequenties te genereren en vorm te geven. De werking ervan is gebaseerd op een zeer snelle uitschakelkarakteristiek.
Laserdiode. Het verschilt van gewoon licht dat uitstra alt omdat het coherent licht produceert. Laserdiodes worden in veel apparaten gebruikt, van dvd- en cd-stations tot laserpointers. Ze zijn veel goedkoper dan andere vormen van lasers, maar aanzienlijk duurder dan LED's. Ze hebben een beperkte levensduur.
Tunneldiode. Hoewel het tegenwoordig niet veel wordt gebruikt, werd het eerder gebruikt in versterkers, oscillatoren en schakelapparatuur, oscilloscoop-timingcircuits, toen het efficiënter was dan andere elementen.
Varactor of varicap. Gebruikt in veel RF-apparaten. Voor deze diode verandert de spervoorspanning de breedte van de uitputtingslaag afhankelijk van de aangelegde spanning. In deze configuratie is hetwerkt als een condensator met een uitputtingsgebied dat werkt als een isolerend diëlektricum en platen gevormd door de geleidende gebieden. Gebruikt in spanningsgestuurde oscillatoren en RF-filters.
Zenerdiode. Het is een zeer nuttig type diode omdat het een stabiele referentiespanning levert. Hierdoor wordt de zenerdiode in grote hoeveelheden gebruikt. Het werkt onder reverse bias-omstandigheden en breekt door wanneer een bepaald potentiaalverschil wordt bereikt. Als de stroom wordt begrensd door een weerstand, dan levert dit een stabiele spanning op. Veel gebruikt om voedingen te stabiliseren. Er zijn 2 soorten omgekeerde afbraak in zenerdiodes: zenerdecompositie en impactionisatie.
Dus, verschillende soorten halfgeleiderdiodes bevatten elementen voor toepassingen met laag vermogen en hoog vermogen, die licht uitzenden en detecteren, met een lage voorwaartse spanningsval en variabele capaciteit. Daarnaast zijn er een aantal varianten die worden gebruikt in de microgolftechnologie.
