Diody półprzewodnikowe

Dr inż. Piotr Sołowiej

Katedra Elektrotechniki i

Energetyki

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. Diody są stosowane 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.

Klasyfikację diod

przeprowadzamy ze względu

na:

•

materiał (krzemowe, germanowe z arsenku galu);

•

konstrukcję (ostrzowe i warstwowe; stopowe i

dyfuzyjne: mesa, planarne i epiplanarne);

•

strukturę

fizyczną

złącza

(p-n,

m-s,

heterozłącza);

•

zastosowanie

(prostownicze,

uniwersalne,

impulsowe, stabilitrony — Zenera, pojemnościowe

— warikapy i waraktory, tunelowe, mikro falowe:

detekcyjne i mieszające oraz p-i-n);

•

przebiegające

zjawiska

(Zenera,

Gunna,

lawinowe, tunelowe).

Diody prostownicze

Diody prostownicze są przeznaczone do
prostowania napięcia bądź prądu
przemiennego o małej częstotliwości.

Prostowanie jest to przetwarzanie prądu
przemiennego na prąd jednokierunkowy. Diody
zaczynają przewodzić (następuje gwałtowny
wzrost prądu) 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.

Są one głównie stosowane w układach
prostowniczych bloków zasilania jak również w
powielaczach wysokiego napięcia.

Diody

prostownicze

mają

następujące

oznaczenia:

• diody wysokiego napięcia — BAYP50, BYP350;

• diody typowe — BAYP80, BYP680, BYBP10,
BYP401, Y401;

• diody mocy — DOO-100-10, D3A2-10-12, D20-
300-10;

• diody szybkie mocy — DR12-10-01, DR51-80-
12;

• stos diodowy — Y350-3K.

Diody prostownicze mają małą rezystancję w
kierunku przewodzenia — rzędu pojedynczych
 (nie podaje się w katalogach), co pozwala na

uzyskanie dużych sprawności prostowania.

Parametrami charakteryzującymi

diody prostownicze (nie podaje się

ich dla diod szybkich mocy oraz dla

niektórych diod mocy — np. D51,

D61, D66) są:

• napięcie przewodzenia — U

F

, przy

określonym prądzie przewodzenia;

• prąd wsteczny — I

R

, przy określonym

napięciu w kierunku zaporowym;

• czas ustalania się prądu wstecznego — t

(podaje się tylko dla niektórych diod);

• pojemność — C, przy określonym napięciu

przewodzenia (np. dla typowej diody

BYP680 — C = 15 pF przy U

F

= 100 V).

Parametrami granicznymi

(dopuszczalne) są:

• maksymalny prąd przewodzenia — I

0

;

• szczytowe napięcie wsteczne — U

RWM

;

• parametr przeciążeniowy — I

2

t, -

podawany dla diod mocy.

Diody prostownicze wykonuje się głównie z
krzemu. Wartość prądu płynącego przez
diodę

spolaryzowaną

w

kierunku

przewodzenia jest 10

6

 10

8

razy większa

od wartości prądu w kierunku zaporowym.

Diody prostownicze, ze względu na wydzielaną
w nich moc, dzielimy na:

• malej mocy — poniżej l W,

• średniej mocy — od l do 10 W,

• dużej mocy — powyżej 10 W.

Rezystancja cieplna zależy od sposobu

chłodzenia. W celu odprowadzenia ciepła z

obudowy do otoczenia, energetyczne diody

prostownicze wyposaża się w radiatory (rys.

2.32). Również inne elementy półprzewodnikowe,

w których wydziela się znaczna moc, umieszcza

się na radiatorach.

Diody stabilizacyjne

Są to diody przeznaczone do stabilizacji lub
ograniczania napięć. Istnieją diody
stabilizujące prąd i są nazywane polowymi
ogranicznikami prądu (działają na innej
zasadzie). Diody stabilizacyjne pracują przy
polaryzacji w kierunku zaporowym,
charakteryzując się niewielkimi zmianami
napięcia pod wpływem dużych zmian prądu.
Wykorzystują one zjawisko Zenera bądź (i)
lawinowe.

Diody stabilizujące mają podobne

oznaczenia jak diody prostownicze.

Poniżej podano oznaczenia diod w

zależności od ich przeznaczenia:

• stabilizacyjne — BZP650;

• Zenera:

— typowe (stabilistor) — BZAP30, BZP650;

— do układów hybrydowych — BZX84;

—

skompensowana

temperaturowo

—

BZY566;

—      do układów elektronicznego zapłonu —
BZYP01

Na charakterystyce prądowo-napięciowej (rys. 7.7) zaznaczono parametry
charakterystyczne diod stabilizacyjnych. Są to:

—      napięcie stabilizacji — U

z

;

—      prąd stabilizacji — I

z

,

—      napięcie przewodzenia — U

F

, przy określonym prądzie przewodzenia;

—      prąd wsteczny diody — I

R

, przy określonym napięciu wstecznym;

—      rezystancja dynamiczna — r

z

, której wartość zmienia się w zależności od

napięcia stabilizacji (rys. 7.8);

—      temperaturowy współczynnik napięcia stabilizacji — 

uz

.

Diody pojemnościowe

Diody pojemnościowe (warikapy i waraktory) pracują
przy polaryzacji zaporowej, charakteryzując się
zmienną pojemnością w funkcji przyłożonego napięcia.

Warikapy stosuje się do przestrajania obwodów
rezonansowych, waraktory natomiast — w układach
parametrycznych (układ parametryczny to taki, w
którym co najmniej jeden parametr zmienia się w
czasie),

we

wzmacniaczach

lub

powielaczach

częstotliwości oraz układach mikrofalowych. Diody
pojemnościowe stosuje się również w układach
modulacji częstotliwości i przełącznikach sygnałów
mikrofalowych. 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 pojemnościowe mają następujące oznaczenia:
warikap — B 104, BB104, BBAP05A, waraktor —
BXDP14, BXDP74B.

Diody przełączające

Do diod przełączających impulsowych zaliczamy diody:
tunelowe, ładunkowe, ostrzowe, Schottky'ego.
Diody impulsowe wykorzystuje się w układach cyfrowych
do przełączania sygnałów; w układach impulsowych
diody pracują jako selektory impulsów. Diody ładunkowe i
ostrzowe umożliwiają formowanie impulsów
prostokątnych o bardzo krótkim czasie narastania i
opadania. Najmniejsze czasy przełączania (poniżej 0,1 ns)
uzyskuje się dla diod Schottky'ego.

Pozostałe rodzaje diod:

•Detekcyjne
•Mieszające
•Generacyjne
•Wzmacniające
•Modulacyjne
•Tłumiące