Polovodičová dioda. Velká ruská encyklopedie

polovodičová dioda, dvouelektrodové elektronické zařízení vyrobené na bázi polovodičového krystalu; druh polovodičového zařízení. Koncept „polovodičové diody“ spojuje zařízení s různými principy činnosti a mající různé účely. Působení polovodičové diody je způsobeno vlastnostmi buď přechodu elektron-díra nebo kontaktu kov-polovodič (Schottkyho diody), nebo objemovým efektem doménové nestability homogenního polovodiče (diody s intervalovým elektronovým přechodem).

Nejrozšířenější jsou polovodičové diody, jejichž činnost je založena na použití p–n přechodu. Pokud k p–n-aplikujte napětí na přechod diody v propustném směru, když je kladný pól napájecího zdroje připojen k oblasti р-typ a negativní – s plochou n-typ, pak se potenciálová bariéra přechodu zmenšuje a diodou protéká velký propustný proud. Při použití napětí s obrácenou polaritou se potenciálová bariéra zvětší p–n-přechod teče jen velmi malý menšinový nosný proud (zpětný proud). Proudově-napěťová charakteristika polovodičové struktury s p–n-přechod je asymetrický. Tato vlastnost je základem pro činnost usměrňovacích polovodičových diod určených k přeměně střídavého proudu (s frekvencí obvykle do 5 kHz) na stejnosměrný proud. Frekvenční limit usměrňovací polovodičové diody je omezen setrvačností určenou životností minoritních nosičů náboje. Pro usměrňovací zařízení a jiné silnoproudé elektrické obvody se vyrábějí usměrňovací polovodičové diody, které mají přípustný usměrněný proud do 300 A a maximální přípustné zpětné napětí U_arr až několik kilovoltů. Vychovat U_arr do několika desítek kilovoltů se používají usměrňovací kolony.

Dopování polovodičů nečistotami (především zlatem) umožnilo výrazně snížit životnost nosičů náboje a vytvořit vysokorychlostní pulzní polovodičové diody (s dobou sepnutí 10–7–10–10 s), určené především pro provoz ve spínací režim elektrických obvodů.

Při určitých zpětných (tzv. průrazných) napětích v p–n-přechod, dojde k elektrickému průrazu, vedoucímu k prudkému nárůstu proudu s téměř konstantním napětím na polovodičové diodě. Tento efekt je základem pro činnost polovodičových zenerových diod, používaných zejména ve stabilizátorech a omezovačích stejnosměrného a pulzního napětí, jako zdroj referenčního napětí a v potenciometrických zařízeních.

Setrvačnost ve vývoji lavinového rozpadu v p–n-přechod způsobuje vznik záporného rozdílového odporu v mikrovlnném rozsahu spojeného s fázovým posunem mezi proudem a napětím v diodě. Tento princip je základem činnosti lavinových diod používaných ke generování mikrovlnných oscilací, jejichž frekvenční limit dosahuje 150 GHz. Lavinový rozpad p–n-přechod je doprovázen výraznými výkyvy, vedoucími k velkému množství šumu, čehož se využívá u šumových diod.

Polovodičový přechod při použití zpětného napětí (nepřesahujícího U_arr) se chová jako kondenzátor, kapacita C_Б který závisí na použitém napětí. Této vlastnosti se využívá u varikapů používaných pro elektronické ladění rezonančních frekvencí oscilačních obvodů, v parametrických mikrovlnných diodách používaných k zesílení amplitudy signálu, v násobicích mikrovlnných diodách k násobení frekvence signálu. Polovodičové mikrovlnné diody používané pro detekci a konverzi elektrických signálů v mikrovlnném rozsahu (mikrovlnné detektorové diody, mikrovlnné směšovací diody atd.) se obvykle montují přímo do vlnovodných systémů, což klade určité požadavky na konstrukci takových diod, jakož i na volba struktury a geometrie polovodičového krystalu. Ve většině případů se jedná o bodové diody s kov-polovodičovým usměrňovacím kontaktem. Zmenšení plochy p–n-přechody a použití konstrukce se Schottkyho bariérou poskytují nízkou hodnotu kapacity C_Б takové polovodičové diody. Pro získání nízkého odporu báze r_б (hlavní zdroj aktivních ztrát) se obvykle na původní polovodičový wafer s nízkým odporem (substrát) nanáší tenká vrstva vysokoodporového polovodiče metodou epitaxního růstu. Pro řízení úrovně výkonu v mikrovlnných přenosových vedeních se používají spínací mikrovlnné diody, jejichž činnost je založena na prudké změně jejich elektrického odporu při změně polarity vstupního napětí, a dále omezovací diody.

Mezi polovodičové mikrovlnné diody patří také tunelové diody a reverzní diody, jejichž působení je založeno na tunelovém efektu, ke kterému dochází v p–n– křižovatka o šířce ne větší než 10–2 mikronů. Praktická setrvačnost těchto zařízení v mikrovlnném rozsahu zajišťuje úspěšný provoz tunelových diod ve vysokorychlostních pulzních zařízeních (multivibrátory, spouštěče atd.), v zesilovačích a generátorech elektrických kmitů a reverzních diodách – jako detektory a směšovače mikrovlnných signály.

Speciální skupina polovodičových diod (neobsahující p–n-junction) jsou diody s intervalovým přechodem elektronů (Gunnovy diody), u kterých se v důsledku zvláštností pásové struktury určité třídy polovodičů (hlavně GaAs, InP) vyskytuje v silném elektrickém poli záporná diferenciální vodivost. Gunnovy diody se používají k zesílení a generování mikrovlnných oscilací s frekvencí až 100 GHz.

Vlastnost fotonů a jaderných částic vytvářet páry elektron-díra a tím zvyšovat zpětný proud p–n-přechod při pohlcení záření v aktivní oblasti polovodičového krystalu, přímo sousedící s přechodem, tvoří základ fotodiod a polovodičových detektorů jaderného záření. Optimální pro tento typ diody je kolík– struktura, jejíž vlastnosti jsou do značné míry podobné těm p–n-přechod. Radiační rekombinace elektronů a děr za podmínek průtoku p–n-dopředný proudový přechod, charakteristický pro některé polovodičové struktury, se používá u emisních diod a polovodičových laserů, které lze také zařadit mezi polovodičové diody. Emisní spektrum je určeno zakázaným pásmem polovodiče a navíc dopingovými nečistotami, které tvoří centra radiační rekombinace.

Mezi polovodičové diody patří i neřízené čtyřvrstvé p–n–p–n-struktura; taková zařízení se nazývají dinistory.

Planární technologie je široce používána pro výrobu polovodičových diod a rozšířily se různé technologické metody (fúze, difúze, epitaxní růst atd.). Jako polovodičové materiály se používají především křemík a germanium, polovodiče skupiny A Ⅲ – B Ⅴ (například GaAs, GaP, InP) a jejich tuhé roztoky, jako kontaktní materiály – zlato, hliník, cín, nikl, měď. Pro ochranu polovodičového čipu bývá polovodičová dioda umístěna v kov-skleněném, kovokeramickém, skleněném nebo plastovém pouzdře.

S rozvojem polovodičové elektroniky se přešlo k výrobě (spolu s diskrétními polovodičovými diodami) diodových struktur v polovodičových monolitických integrovaných obvodech a funkčních zařízeních.

Polovodičové diody se od svých elektrických vakuových analogů (například kenotron, zenerova dioda s plynovou výbojkou) liší zpravidla výrazně vyšší spolehlivostí a životností, menšími celkovými rozměry a hmotností, lepšími technickými vlastnostmi, nižší cenou a proto je ve většině případů nahrazují. oblastí. Polovodičové diody se používají v radioelektronice, elektrotechnice, výpočetní technice a automatizaci; používané v zařízeních pro přenos a zobrazování informací atd.

Aladinský Vladimír Konstantinovič. První publikace: Elektronika: encyklopedický slovník, 1991.

Publikováno 23. listopadu 2023 v 10:54 (GMT+3). Poslední aktualizace 23. listopadu 2023 v 10:54 (GMT+3). Kontaktujte redakci

Diodu vynalezl americký vědec John Ambrose Fleming v roce 1904.

Fleming pracoval v Cavendish Laboratory v Cambridge (UK) a zkoumal elektronky.

Fleming v průběhu svého výzkumu zjistil, že pokud se kovový drát vloží do elektronky a zahřeje se, začnou z jedné strany drátu unikat elektrony, které se přesunou na druhou stranu drátu a vytvoří proud.

Když se však Fleming pokusil zasunout do lampy druhý drát, všiml si, že elektrony neproudí lampou v opačném směru. To se stalo základem pro vynález diody.

Fleming je považován za vynálezce diody. Jeho vynález byl velkým průlomem v elektronice a od té doby se diody široce používají v mnoha elektronických zařízeních a systémech.

Všeobecné informace

Dioda je polovodičové zařízení, které umožňuje průchod elektrického proudu pouze jedním směrem. Skládá se ze dvou oblastí polovodičů, běžně označovaných jako p-typ a n-typ.

Diodové zařízení

P-typ je polovodič, ve kterém většinu volných nosičů náboje tvoří díry, a typ n je polovodič, ve kterém většinu volných nosičů náboje tvoří elektrony.

Když se p-typ a n-typ spojí, vytvoří se přechodová oblast. V této oblasti se elektrony z typu n přesunou do typu p, vyplní díry a díry z typu p se přesunou do typu n a zaplní prázdná místa pro elektrony. Tím se přechodová oblast nabije.

Když je na diodu přivedeno napětí v propustném směru (s anodou připojenou k typu p a katodou k typu n), elektrony z typu n se budou moci pohybovat směrem k anodě a zaplnit otvory v typu p, který umožňuje, aby proud volně protékal diodou.

Když je na diodu přivedeno napětí v opačném směru (s anodou připojenou k typu n a katodou k typu p), náboje v oblasti přechodu se budou navzájem odpuzovat a elektrony nebudou moci projít dioda. V tomto případě bude dioda fungovat jako otevřený spínač.

Dioda pracuje na základě vlastností přechodové oblasti mezi polovodiči typu p a n, které umožňují průchod elektrického proudu pouze jedním směrem.

Odrůdy

Existuje mnoho typů diod, z nichž každá má své vlastní vlastnosti a aplikace. Některé z nejběžnějších typů diod zahrnují:

1. Křemíkové diody (Si) jsou nejběžnější diody a jsou široce používány ve všech oblastech elektroniky. Mají vysokou spolehlivost, nízkou cenu a mohou pracovat při vysokých teplotách.
2. Germaniové diody (Ge) jsou diody, které mají nižší přenosové napětí a mohou pracovat při vyšších teplotách než křemíkové diody. V moderních zařízeních se používají zřídka, ale stále mohou být užitečné v některých specializovaných aplikacích.
3. Schottkyho diody jsou diody, které se používají k rychlé nápravě vysokofrekvenčních signálů, jako jsou rádiové vlny. Mají nižší přenosové napětí než běžné diody a mohou pracovat na velmi vysokých frekvencích.
4. Super rychlé diody (SBD) jsou diody, které mohou spínat velmi rychle a lze je použít ve vysokofrekvenčních zařízeních, jako jsou telekomunikační aplikace.
5. Schottkyho bariérové ​​diody (SBD) jsou diody, které se používají ve vysokofrekvenčních aplikacích a mají vyšší účinnost a rychlost než standardní diody.
6. Light Emitting Diodes (LED) jsou diody, které se používají k přeměně elektrické energie na světelnou energii. Široké uplatnění nacházejí v osvětlení, indikaci a displejích.
7. Cenové diody jsou diody, které se používají k vytváření stmívacích efektů v osvětlení a řízení teploty LED.
8. Schottkyho diody pro usměrnění obvodů vysokého proudu jsou diody, které se používají pro usměrnění obvodů vysokého proudu a mají vyšší

Schematické označení polovodičové diody

Na schématech je dioda obvykle znázorněna symbolem, který se skládá ze tří částí: čára označující anodu diody, čára označující katodu diody a trojúhelník, který označuje směr toku proudu v propustném směru.

Takto vypadá symbol diody na elektrickém schématu:

Čára směřující k anodě je obvykle delší než čára směřující ke katodě. To vám pomůže zapamatovat si, který konec diody je anoda a který je katoda.

Trojúhelník na symbolu diody označuje směr toku proudu v propustném směru – od anody ke katodě. Když dioda prochází proudem v propustném směru, obvykle se nazývá “dopředná dioda”.

Rozsah aplikace

Diody se používají v mnoha různých obvodech a zařízeních kvůli jejich vlastnosti umožňující proudění elektrického proudu pouze jedním směrem. Zde je několik příkladů:

1. Napájení: Diody se používají v napájecích zdrojích pro přeměnu AC na DC. V tomto případě se diody používají v kombinaci s dalšími součástmi, jako jsou kondenzátory a transformátory.
2. Usměrňovač: Diody se používají v usměrňovacích obvodech k přeměně střídavého proudu na stejnosměrný. V tomto případě lze diody použít v jediném nebo vícenásobném usměrňovači.
3. Světelné produkty: Diody se používají v LED lampách, LED displejích a dalších světelných produktech.
4. Elektronika: Diody se používají v mnoha různých elektronických zařízeních, včetně rádií, televizorů, počítačů, telefonů atd. Lze je použít například jako detektory signálu, stabilizátory napětí, ochrana proti přepólování a další obvody a zařízení.
5. Solární články: Diody se používají v solárních článcích k ochraně proti přepólování a zabraňují vybití baterie za špatných světelných podmínek.

To jsou jen některé příklady použití diod. Ve skutečnosti jsou diody široce používány v různých elektronických a elektrických zařízeních, kde je třeba řídit směr toku elektrického proudu.

Výhody a nevýhody

Diody mají své výhody i nevýhody.

Výhody diod

• Jednou z hlavních výhod diod je jejich schopnost umožnit proudění elektrického proudu pouze jedním směrem, díky čemuž jsou užitečné pro usměrnění a stabilizaci napětí v různých zařízeních.
• Diody mohou být malé a lehké, takže jsou vhodné pro použití v mnoha zařízeních, včetně mobilních zařízení a digitálních hodinek.
• Diody mohou pracovat na vysokých frekvencích, díky čemuž jsou užitečné pro zpracování signálu v rádiové komunikaci a dalších aplikacích.
• Diody mají nízkou spotřebu energie, díky čemuž jsou užitečné pro zařízení napájená bateriemi.

Nevýhody diod

• Diody mají přenosové napětí, při kterém začnou procházet proud v opačném směru, což může poškodit zařízení. Proto je nutné použít další komponenty pro ochranu proti přepólování.
• Diody mohou vytvářet vysoké teplo, zejména při vysokých proudech, což může způsobit přehřátí a poškození zařízení.
• Diody mohou mít šumové charakteristiky, které mohou způsobit zkreslení signálu ve vysokofrekvenčních aplikacích.

Závěr

Diody jsou důležité elektronické součástky, které se široce používají v různých zařízeních a systémech, včetně napájecích zdrojů, radiokomunikací, LED diod, solárních panelů, detektorů a mnoha dalších.

Mají své výhody i nevýhody a jejich výběr a použití vyžaduje pečlivé zvážení a zvážení různých faktorů.

Navzdory tomu však diody zůstávají jednou z nejdůležitějších a nejužitečnějších součástí v elektronice a mají významný přínos pro moderní technologie a inovace.

Tagy: # Historie vzniku diod# Jak fungují diody# Schematické označení diod# Návrh diody