Diode bán dẫn được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện và điện tử. Với chi phí thấp và tỷ lệ công suất trên kích thước tốt, nó nhanh chóng thay thế các thiết bị chân không có mục đích tương tự.
Nội dung
Thiết bị và nguyên lý hoạt động của điốt bán dẫn
Một diode bán dẫn bao gồm hai vùng (lớp) được làm bằng chất bán dẫn (silicon, germani, v.v.). Một vùng có sự thừa electron tự do (chất bán dẫn n), vùng còn lại bị thiếu hụt (chất bán dẫn p) - điều này đạt được bằng cách pha tạp chất cơ bản. Giữa chúng có một vùng nhỏ, trong đó dư thừa các điện tử tự do từ vị trí n "đóng" các lỗ trống từ vị trí p (sự tái tổ hợp xảy ra do sự khuếch tán), và không có hạt mang điện tích tự do trong vùng này. Khi đặt một điện áp thuận, vùng tái kết hợp nhỏ, điện trở của nó nhỏ và điốt dẫn dòng điện theo hướng này. Với điện áp ngược, vùng không có sóng mang sẽ tăng lên, điện trở của diode sẽ tăng lên. Không có dòng điện sẽ chạy theo hướng này.
Các loại, phân loại và ký hiệu đồ họa trên sơ đồ điện
Trong trường hợp chung, diode trong sơ đồ được biểu thị dưới dạng một mũi tên cách điệu chỉ hướng của dòng điện. Hình ảnh đồ họa có điều kiện (UGO) của thiết bị chứa hai kết luận: cực dương và cực âm, mà kết nối trực tiếp được kết nối với cộng của mạch điện và với trừ, tương ứng.
Có một số lượng lớn các loại thiết bị bán dẫn lưỡng cực này, tùy thuộc vào mục đích, có thể có các UGO khác nhau một chút.
Điốt Zener (Điốt Zener)
Một diode zener là một thiết bị bán dẫnhoạt động ở điện áp ngược trong khu vực xảy ra sự cố tuyết lở. Trong vùng này, điện áp điốt Zener ổn định trên một phạm vi rộng của dòng điện qua thiết bị. Tính chất này được sử dụng để ổn định điện áp trên tải.
Ổn áp
Điốt Zener làm tốt nhiệm vụ ổn định điện áp từ 2 V trở lên.Ổn áp được sử dụng để có điện áp không đổi dưới giới hạn này. Việc pha tạp chất của vật liệu mà các thiết bị này được chế tạo (silicon, selen) đạt được độ thẳng đứng lớn nhất của nhánh trực tiếp của đặc tính. Trong chế độ này, các điện trở hoạt động, tạo ra một điện áp mẫu trong khoảng 0,5 ... 2 V trên nhánh trực tiếp của đặc tính dòng điện ở điện áp thuận.
Điốt Schottky
Diode Schottky được chế tạo theo sơ đồ kim loại-bán dẫn và không có mối nối thông thường. Do đó, hai đặc tính quan trọng đã thu được:
- giảm điện áp phía trước giảm (khoảng 0,2 V);
- tăng tần số hoạt động do giảm điện dung tự dùng.
Những bất lợi bao gồm tăng giá trị của dòng điện ngược và giảm khả năng chịu đựng ở mức điện áp ngược.
Varicaps
Mỗi điốt có một điện dung. Các bản của tụ điện là hai điện tích không gian (vùng p và n của chất bán dẫn), và lớp chắn là chất điện môi. Khi một điện áp ngược được đặt vào, lớp này mở rộng và điện dung giảm. Đặc tính này vốn có trong tất cả các điốt, nhưng đối với biến thể, điện dung được chuẩn hóa và được biết đến với các giới hạn điện áp nhất định. Điều này giúp bạn có thể sử dụng các thiết bị như tụ điện biến đổi và áp dụng để điều chỉnh hoặc tinh chỉnh các mạch bằng cách cung cấp điện áp ngược ở các mức khác nhau.
điốt đường hầm
Các thiết bị này có độ lệch trong phần thẳng của đặc tính, trong đó sự gia tăng điện áp làm giảm dòng điện. Trong vùng này, điện trở vi sai là âm.Đặc tính này làm cho nó có thể sử dụng điốt đường hầm làm bộ khuếch đại tín hiệu yếu và máy phát ở tần số trên 30 GHz.
Dinistors
Dinistor - diode thyristor - có cấu trúc p-n-p-n và CVC hình chữ S, không dẫn dòng điện cho đến khi điện áp đặt vào đạt đến mức ngưỡng. Sau đó, nó bật và hoạt động như một diode bình thường cho đến khi dòng điện giảm xuống dưới mức giữ. Dinistors được sử dụng trong điện tử công suất làm chìa khóa.
Điốt quang
Điốt quang được làm trong một gói có khả năng tiếp cận ánh sáng có thể nhìn thấy tinh thể. Khi một tiếp giáp p-n được chiếu xạ, một emf phát sinh trong đó. Điều này cho phép bạn sử dụng điốt quang làm nguồn dòng điện (như một phần của các tấm pin mặt trời) hoặc làm cảm biến ánh sáng.
Đèn LED
Đặc tính chính của đèn LED là khả năng phát ra ánh sáng khi dòng điện chạy qua điểm tiếp giáp p-n. Sự phát sáng này không liên quan đến cường độ sưởi ấm, giống như đèn sợi đốt, vì vậy thiết bị tiết kiệm. Đôi khi sự phát sáng trực tiếp của quá trình chuyển đổi được sử dụng, nhưng nó thường được sử dụng như một chất khơi mào cho sự bắt lửa của photpho. Điều này làm cho nó có thể có được các màu LED không thể đạt được trước đây, chẳng hạn như xanh lam và trắng.
Điốt Gunn
Mặc dù diode Gunn có ký hiệu đồ họa thông thường thông thường, nhưng theo nghĩa đầy đủ thì nó không phải là một diode. Vì nó không có tiếp giáp p-n. Thiết bị này bao gồm một tấm arsenide gali trên nền kim loại.
Không đi sâu vào chi tiết của các quá trình: khi đặt một điện trường có cường độ nhất định vào thiết bị, dao động điện xảy ra, chu kỳ của dao động này phụ thuộc vào kích thước của tấm bán dẫn (nhưng trong giới hạn nhất định, tần số có thể được điều chỉnh bởi các yếu tố bên ngoài).
Điốt Gunn được sử dụng làm bộ dao động ở tần số 1 GHz trở lên. Ưu điểm của thiết bị là ổn định tần số cao, còn nhược điểm là biên độ dao động điện nhỏ.
Điốt từ tính
Điốt thông thường bị ảnh hưởng yếu bởi từ trường bên ngoài. Điốt nam châm có thiết kế đặc biệt giúp tăng độ nhạy đối với hiệu ứng này. Chúng được sản xuất bằng công nghệ p-i-n với phần đế mở rộng. Dưới tác dụng của từ trường, điện trở của thiết bị theo chiều thuận tăng lên và điều này có thể được sử dụng để tạo ra các phần tử đóng cắt không tiếp xúc, bộ chuyển đổi từ trường, v.v.
Điốt laze
Nguyên tắc hoạt động của điốt laze dựa trên tính chất của cặp lỗ trống điện tử trong quá trình tái kết hợp trong những điều kiện nhất định để phát ra bức xạ nhìn thấy đơn sắc và kết hợp. Các phương pháp tạo ra các điều kiện này là khác nhau, người dùng chỉ cần biết độ dài của sóng phát ra bởi diode và công suất của nó.
Điốt tuyết lở
Các thiết bị này được sử dụng trong lò vi sóng. Trong các điều kiện nhất định, trong chế độ đánh thủng tuyết lở, một phần có điện trở vi sai âm xuất hiện trên đặc tính của diode. Đặc tính này của APD cho phép chúng được sử dụng làm máy phát điện hoạt động ở bước sóng lên đến phạm vi milimet. Ở đó, có thể đạt được công suất ít nhất là 1 watt. Ở tần số thấp hơn, lên đến vài kilowatt được loại bỏ khỏi các điốt như vậy.
Điốt PIN
Các điốt này được chế tạo bằng công nghệ p-i-n. Giữa các lớp bán dẫn pha tạp chất là một lớp vật liệu không pha tạp chất. Vì lý do này, các đặc tính chỉnh lưu của diode bị xấu đi (với điện áp ngược, khả năng tái kết hợp bị giảm do thiếu tiếp xúc trực tiếp giữa vùng p và n).Nhưng do khoảng cách của các vùng điện tích không gian, điện dung ký sinh trở nên rất nhỏ, ở trạng thái đóng, rò rỉ tín hiệu ở tần số cao thực tế bị loại trừ và điốt chân có thể được sử dụng trên RF và lò vi sóng làm phần tử chuyển mạch.
Các đặc điểm và thông số chính của điốt
Các đặc điểm chính của điốt bán dẫn (trừ những điốt chuyên dụng cao) bao gồm:
- điện áp ngược tối đa cho phép (không đổi và xung);
- biên độ hoạt động tần số;
- giảm điện áp chuyển tiếp;
- Nhiệt độ hoạt động.
Phần còn lại của các đặc tính quan trọng được xem xét tốt nhất bằng cách sử dụng ví dụ về đặc tính I-V của diode - điều này rõ ràng hơn.
Đặc tính vôn-ampe của điốt bán dẫn
Đặc tính dòng điện - điện áp của một diode bán dẫn bao gồm một nhánh thuận và ngược. Chúng nằm ở góc phần tư I và III, vì hướng của dòng điện và điện áp qua diode luôn trùng nhau. Theo đặc tính dòng điện - điện áp, bạn có thể xác định một số thông số, cũng như thấy rõ những gì đặc tính của thiết bị ảnh hưởng.
Điện áp ngưỡng dẫn điện
Nếu bạn đặt một điện áp thuận vào diode và bắt đầu tăng nó, thì tại thời điểm đầu tiên sẽ không có gì xảy ra - dòng điện sẽ không tăng. Nhưng đến một giá trị nhất định, diode sẽ mở và dòng điện sẽ tăng theo điện áp. Điện áp này được gọi là điện áp ngưỡng dẫn và được đánh dấu trên VAC là Uthreshold. Nó phụ thuộc vào vật liệu mà từ đó diode được tạo ra. Đối với các chất bán dẫn phổ biến nhất, tham số này là:
- silicon - 0,6-0,8 V;
- gecmani - 0,2-0,3 V;
- gali arsenide - 1,5 V.
Đặc tính của các thiết bị bán dẫn gecmani để mở ở điện áp thấp được sử dụng khi làm việc trong các mạch điện áp thấp và trong các tình huống khác.
Dòng điện tối đa qua diode với kết nối trực tiếp
Sau khi diode mở ra, dòng điện của nó tăng lên cùng với sự gia tăng điện áp chuyển tiếp. Đối với một diode lý tưởng, đồ thị này đi đến vô cùng. Trong thực tế, thông số này bị giới hạn bởi khả năng tản nhiệt của thiết bị bán dẫn. Khi đạt đến một giới hạn nhất định, diode sẽ quá nóng và hỏng. Để tránh điều này, các nhà sản xuất chỉ ra dòng điện cho phép cao nhất (trên VAC - Imax). Nó có thể được xác định gần như bằng kích thước của diode và gói của nó. Thứ tự giảm dần:
- dòng điện lớn nhất được giữ bởi các thiết bị trong vỏ bọc kim loại;
- trường hợp nhựa được thiết kế cho công suất trung bình;
- Điốt trong vỏ thủy tinh được sử dụng trong các mạch dòng điện thấp.
Các thiết bị kim loại có thể được lắp đặt trên bộ tản nhiệt - điều này sẽ làm tăng công suất tản nhiệt.
Ngược dòng rò rỉ
Nếu bạn đặt một điện áp ngược vào điốt, thì một ampe kế không nhạy sẽ không hiển thị gì. Trong thực tế, chỉ có một diode lý tưởng không vượt qua bất kỳ dòng điện nào. Một thiết bị thực sự sẽ có một dòng điện, nhưng nó rất nhỏ, và được gọi là dòng điện rò ngược (trên CVC - Iobr). Nó có kích thước hàng chục micromet hoặc phần mười miliampe và nhỏ hơn nhiều so với dòng điện một chiều. Bạn có thể tìm thấy nó trong thư mục.
Sự cố điện áp
Tại một giá trị nhất định của điện áp ngược, dòng điện tăng mạnh xảy ra, được gọi là đánh thủng. Nó có một đường hầm hoặc đặc điểm tuyết lở và có thể đảo ngược. Chế độ này dùng để ổn định điện áp (tuyết lở) hoặc tạo xung (đường hầm).Với sự gia tăng điện áp hơn nữa, sự cố sẽ trở thành nhiệt. Chế độ này là không thể đảo ngược và diode bị lỗi.
Điện dung ký sinh pn-điểm nối
Nó đã được đề cập rằng đường giao nhau p-n có công suất điện. Và nếu thuộc tính này hữu ích và được sử dụng trong varicaps, thì trong điốt thông thường nó có thể có hại. Mặc dù công suất là đơn vị hoặc hàng chục pF và ở dòng điện một chiều hoặc tần số thấp là không thể nhận thấy, với tần số ngày càng tăng thì ảnh hưởng của nó sẽ tăng lên. Một vài picofarads ở RF sẽ tạo ra điện trở đủ thấp để rò rỉ tín hiệu giả, thêm vào điện dung hiện có và thay đổi các thông số của mạch, và cùng với điện cảm của đầu ra hoặc dây dẫn in tạo thành mạch cộng hưởng giả. Do đó, trong sản xuất các thiết bị tần số cao, các biện pháp được thực hiện để giảm điện dung của quá trình chuyển đổi.
Đánh dấu diode
Cách dễ nhất để đánh dấu điốt trong hộp kim loại. Trong hầu hết các trường hợp, chúng được đánh dấu bằng ký hiệu của thiết bị và sơ đồ chân của nó. Điốt trong hộp nhựa được đánh dấu bằng dấu vòng ở phía cực âm. Nhưng không có gì đảm bảo rằng nhà sản xuất tuân thủ nghiêm ngặt quy tắc này, vì vậy tốt hơn là bạn nên tham khảo danh bạ. Tốt hơn nữa, hãy đổ chuông thiết bị bằng đồng hồ vạn năng.
Điốt zener công suất thấp trong nước và một số thiết bị khác có thể có dấu hai vòng hoặc chấm có màu sắc khác nhau trên các mặt đối diện của vỏ máy. Để xác định loại diode như vậy và sơ đồ chân của nó, bạn cần lấy một cuốn sách tham khảo hoặc tìm mã định danh đánh dấu trực tuyến trên Internet.
Các ứng dụng của điốt
Mặc dù là thiết bị đơn giản, điốt bán dẫn được sử dụng rộng rãi trong điện tử:
- Để duỗi thẳng điện xoay chiều. Một tác phẩm kinh điển của thể loại này - thuộc tính đường giao nhau p-n được sử dụng để dẫn dòng điện theo một hướng.
- máy dò diode. Ở đây, tính chất phi tuyến tính của đặc tính I-V được sử dụng, điều này giúp cho việc tách sóng hài ra khỏi tín hiệu, điều cần thiết có thể được phân biệt bằng các bộ lọc.
- Hai điốt, được kết nối ngược nhau, đóng vai trò như một giới hạn cho các tín hiệu mạnh có thể làm quá tải các giai đoạn đầu vào tiếp theo của máy thu vô tuyến nhạy cảm.
- Điốt Zener có thể được bao gồm như phần tử chống tia lửa không cho phép xung điện áp cao đi vào mạch của cảm biến được lắp đặt trong các khu vực nguy hiểm.
- Điốt có thể đóng vai trò là thiết bị chuyển mạch trong các mạch tần số cao. Chúng mở với điện áp không đổi và truyền (hoặc không vượt qua) tín hiệu RF.
- Điốt tham số đóng vai trò như bộ khuếch đại tín hiệu yếu trong dải vi ba do sự hiện diện của phần có điện trở âm trong nhánh trực tiếp của đặc tính.
- Điốt được sử dụng để lắp ráp máy trộn hoạt động trong thiết bị truyền hoặc nhận. Họ trộn lẫn tín hiệu dao động cục bộ với tín hiệu tần số cao (hoặc tần số thấp) để xử lý thêm. Nó cũng sử dụng tính phi tuyến của đặc tính dòng điện-điện áp.
- Đặc tính phi tuyến tính cho phép sử dụng điốt vi sóng làm bộ nhân tần số. Khi tín hiệu đi qua diode nhân, các sóng hài cao hơn sẽ được tô sáng. Sau đó, chúng có thể được chọn bằng cách lọc.
- Điốt được sử dụng làm phần tử điều chỉnh cho mạch cộng hưởng. Trong trường hợp này, sự hiện diện của một điện dung được kiểm soát tại điểm nối p-n được sử dụng.
- Một số loại điốt được sử dụng làm máy phát điện trong phạm vi vi sóng. Đây chủ yếu là các điốt đường hầm và các thiết bị có hiệu ứng Gunn.
Đây chỉ là một mô tả ngắn gọn về khả năng của các thiết bị bán dẫn hai đầu cuối. Với sự nghiên cứu sâu sắc về các tính chất và đặc điểm với sự trợ giúp của điốt, có thể giải quyết nhiều vấn đề được giao cho các nhà phát triển thiết bị điện tử.
Các bài tương tự:
