diody (9)


1. DIODY

Dioda półprzewodnikowa to element wykonany z półprzewodnika, zawierającego jedno złącze - najczęściej p-n z dwiema końcówkami wyprowadzeń.

Złączem nazywa się atomowo ścisły styk dwóch kryształów ciała stałego. Odległość między stykającymi się obszarami jest porównywalna z odległościami między atomami w kryształach.

Zastosowanie:

Diody półprzewodnikowe stosuje się w układach prostowania prądu zmiennego, w układach modulacji i detekcji, przełączania, generacji i wzmacniania sygnałów elektrycznych.

Diody klasyfikujemy ze względu na:

0x08 graphic

Rys. 1.1. Podział diod ze względu na zastosowanie.

0x01 graphic

Rys. 1.2. Charakterystyki prądowo - napięciowe diod.

1.Prostownicza (krzemowa). 2. Zenera (stabilitron). 3. Zwrotna (detekcyjna, mieszająca).

4. Tunelowa. Linią grubą zaznaczono typowy obszar pracy każdej diody.

1.1. DIODY PROSTOWNIKOWE

Diody prostownikowe są przeznaczone do prostowania napięcia bądź prądu przemiennego o małej częstotliwości. Prostowanie jest to przetwarzanie prądu przemiennego na prąd jednokierunkowy.

Diody zaczynają przewodzić dopiero po przekroczeniu pewnej wartości napięcia w kierunku przewodzenia. Dla diod krzemowych wynosi ona ok. 0,7V, a dla germanowych ok. 0,3 V. Diody prostownicze są stosowane w układach prostownikowych urządzeń zasilających, przekształcających prąd zmienny w jednokierunkowy prąd pulsujący. W układzie prostowniczym dioda spełnia funkcję zaworu jednokierunkowego. Wykorzystuje się tutaj właściwość polegająca na różnicy zdolności przewodzenia prądu w kierunku wstecznym i w kierunku przewodzenia. Przez diodę prostownikową na ogół płyną duże prądy w kierunku przewodzenia, dlatego też stosujemy diodę warstwową wykonaną z krzemu.

Diody prostownikowe mają małą rezystancję w kierunku przewodzenia - rzędu pojedynczych Ω, co pozwala na uzyskanie dużych sprawności prostowania.

Mamy diody prostownikowe takie jak:

Parametry charakteryzujące diody prostownikowe

Dopuszczalne (graniczne) parametry:

Diody prostownikowe wykonuje się głównie z krzemu. Wartość prądu płynącego przez diodę spolaryzowaną w kierunku przewodzenia jest 106 - 108 razy większa od wartości prądu w kierunku zaporowym.

Diody prostownikowe ze względu na wydzielaną w nich moc dzielimy na:

a) b)

0x08 graphic
0x08 graphic

0x08 graphic
c)

Rys. 1.3. Dioda prostownikowa.

  1. symbol diody prostownikowej, b) charakterystyka prądowo - napięciowa diody prostowniczej - rzeczywista, c) charakterystyka prądowo - napięciowa diody prostownikowej - aproksymująca.

Gdzie: URWM - maksymalne napięcie wsteczne, UF - napięcie przewodzenia, I0 - maksymalny prąd przewodzenia.

Diody, przez które płynie prąd o wartości większej niż 10 A mają radiator, który odprowadza wydzielane ciepło do otoczenia. Gdy zastosowanie radiatora jest niewystarczające wtedy należy diodę chłodzić wymuszonym opływem powietrza, a nawet specjalną cieczą. Jeżeli chcemy uzyskać większy prąd przewodzenia przy tym samym napięciu, to możemy połączyć diody równolegle. Jeśli chcemy mieć dodatkowo jednakowe prądy płynące przez poszczególne diody, to do każdej z nich dołączamy szeregowo rezystor o niewielkiej wartości. Jeśli chcemy zwiększyć napięcie wsteczne przy tym samym prądzie, to w miejsce jednej diody wstawiamy kilka diod połączonych szeregowo.

1.2. DIODY STABILIZACYJNE (STABILITRONY) - DIODY ZENERA

Diody Zenera to diody przeznaczone do stabilizacji lub ograniczenia napięcia. Diody stabilizacyjne pracują przy polaryzacji w kierunku zaporowym, charakteryzując niewielkimi zmianami napięcia pod wpływem dużych zmian prądu. Diody te stosuje się w układach stabilizacji napięć, w ogranicznikach amplitudy, w układach źródeł napięcia odniesienia itp.

Parametry charakteryzujące diody stabilizacyjne:

0x01 graphic
;

Rezystancja dynamiczna zależy od wartości napięcia stabilizacji i prądu stabilizacji. Wynosi ona od kilku do kilkudziesięciu omów. Minimalną rezystancję dynamiczną mają diody o napięciu stabilizacji UZ = 6 ÷ 8 V.

0x08 graphic

0x01 graphic
0x01 graphic
;

Zależy od napięcia stabilizacji. Ma wartość ujemną dla diod z przebiciem Zenera (UZ < 5 V), a dodatnią dla diod z przebiciem lawinowym (UZ > 7 V).

0x08 graphic
a) b) c)

0x08 graphic

0x08 graphic

0x08 graphic
d)

Rys. 1.4. Dioda stabilizacyjna:

a) symbol diody stabilizacyjnej, b) Schemat zastępczy.

c) Schemat stabilizatora napięcia z diodą stabilizacyjną.

d) Charakterystyka prądowo - napięciowa diody stabilizacyjnej.

Przy czym UZ - napięcie stabilizacji, UF - napięcie przewodzenia, IR - prąd wsteczny,

rZ - rezystancja dynamiczna.

1.3. DIODY POJEMNOŚCIOWE

Diody pojemnościowe (warikapy i waraktory) pracują przy polaryzacji zaporowej, charakteryzując się zmienną pojemnością w funkcji przyłożonego napięcia. Stosowane w układach powielania częstotliwości, modulacji częstotliwości, we wzmacniaczach parametrycznych i w układach strojenia obwodów rezonansowych wysokiej częstotliwości za pomocą napięcia.

Warikapy stosuje się do przestrajania obwodów rezonansowych. Waraktory natomiast stosuje się w układach parametrycznych, we wzmacniaczach lub powielaczach częstotliwości oraz układach mikrofalowych. Ze względu na małe wymiary, dużą wytrzymałość na udary i małą zależność od zmian temperatury, mogą one w wielu przypadkach zastąpić kondensatory zmienne lub ceramiczne.

0x08 graphic
0x08 graphic
a) b)

Rys. 1.5. Dioda pojemnościowa.

a) symbol diody pojemnościowej, b) charakterystyka pojemnościowo - napięciowa diody pojemnościowej.

Gdzie: URWM - maksymalne napięcie wsteczne, Cmax - pojemność określona przy minimalnym napięciu, Cmin - pojemność określona przy maksymalnym napięciu.

Parametry charakteryzujące diody pojemnościowe.

Graniczne parametry diod:

1.4. DIODY PRZEŁĄCZAJĄCE

Do diod przełączających (impulsowych) zliczamy 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.

Parametry charakteryzujące diody przełączające:

Parametrem granicznym diody przełączającej jest maksymalne napięcie wsteczne - URWM.

0x01 graphic

Rys. 1.6. Charakterystyki prądowo - napięciowe.

1 - dioda zwrotna, 2 - dioda ostrzowa, 3 - dioda Schottky'ego.

1.5. DIODA TUNELOWA

Diody tunelowe są stosowane między innymi w przełącznikach, we wzmacniaczach o małych szumach i w generatorach mikrofalowych, które wykorzystują ujemną rezystancję diody, a także w wielu układach impulsowych o dużej szybkości działania. Ujemna rezystancja występuje na pewnym odcinku charakterystyki pokazanej na rysunku 1.7. Odcinek charakterystyki I = f(U) w zakresie którego występuje rezystancja ujemna, określony jest przez współrzędne dwóch punktów:

P = (Ip, Up) - punkt szczytu, V = (IV, UV) - punkt doliny.

Działanie diody tunelowej oparte jest na zjawisku tunelowym. Zjawisko to zostało omówione w rozdziale IV „Złącze p-n ”.

Przy bardzo małych wartościach napięć w kierunku przewodzenia (ok. 50mV - ok. 350mV) prąd zaczyna szybciej rosnąć niż w zwykłej diodzie. Przy wzroście napięcia do punktu P (punktu szczytu), prąd zaczyna maleć aż osiągnie punkt V (punkt doliny). W tym zakresie dioda wykazuje rezystancje ujemną. Dalszy wzrost napięcia powoduje wzrost prądu. Charakterystyka diody tunelowej pokrywa się z charakterystyką diody zwykłej. W zależności z czego wykonana jest dioda, punkt szczytu i punkt doliny przesuwa się w prawo.

0x08 graphic
a) b)

0x08 graphic

Rys. 1.7. Dioda tunelowa.

a) symbol diody tunelowej, b) charakterystyka prądowo - napięciowa diody tunelowej.

Gdzie: UP, UFP - napięcia w kierunku przewodzenia odpowiadające prądowi szczytu(IP),

V - punkt doliny i odpowiadający jej prąd (IV) i napięcie (UV).

Parametry charakteryzujące diodę tunelową:

Parametrem dopuszczalnym jest maksymalny prąd w kierunku przewodzenia i w kierunku zaporowym.

1.6 DIODA ELEKTROLUMINESCENCYJNA

Diody elektroluminescencyjne zwane są także diodami świecącymi LED (z ang. Light Emiting Diode), emitują promieniowanie w zakresie widzialnym i podczerwonym. Promieniowanie jest wytwarzane w wyniku rekombinacji dziur i elektronów. Jest to dioda świecąca pod wpływem energii elektrycznej doprowadzonej z zewnątrz. Intensywność świecenia zależy od wartości doprowadzonego prądu, przy czym zależność ta jest liniowa w dużym zakresie zmian prądu. Istnieją diody elektroluminescencyjne próżniowe, gazowane i półprzewodnikowe. Często stosowane są półprzewodnikowe, gdyż pracują przy niewielkich napięciach (ok. 2 V) z niewielkimi prądami (kilku do kilkunastu mA), co ułatwia ich współpracę w układach tranzystorowych.

a) b)

0x08 graphic

c)

0x01 graphic

Rys. 1.8. Dioda elektroluminescencyjna.

a) sposób włączenia, b) zasada działania, c) obudowy.

Dioda pracuje prawidłowo przy polaryzacji złącza w kierunku przewodzenia. Zasada działania diod elektroluminescencyjnych jest oparta na zjawisku elektroluminescencji.

Zjawisko elektroluminescencji w diodach półprzewodnikowych polega na wytwarzaniu światła pod wpływem pola elektrycznego w wyniku rekombinacji dziur i elektronów w spolaryzowanym złączu p-n. Przechodzenie elektronów z wyższego poziomu energetycznego na niższy powoduje wydzielenie energii w postaci światła (fotonu).

Długość fali generowanego (emitowanego) promieniowania:

0x01 graphic
; (1)

przy czym:

Wg = Wc - Wv - szerokość pasma zabronionego lub różnica energii poziomów, między którymi zachodzi rekombinacja,

c - prędkość światła,

h - stała Plancka.

Długość fali emitowanego promieniowania zwiększa się ze wzrostem temperatury złącza. Diody emitują promieniowanie w bardzo wąskim przedziale widma: od 490 nm - kolor niebieski do 950 nm - bliska podczerwień.

0x01 graphic

Rys. 1.9. Charakterystyki widmowe diod elektroluminescencyjnych.

Diody elektroluminescencyjne są wytwarzane z materiałów półprzewodnikowych (pierwiastki z III i V grupy układu okresowego np. GaAs, GaP, GaAsP o odpowiednim domieszkowaniu), charakteryzujących się dużą sprawnością emisji promieniowania. Barwa promieniowania emitowanego przez diody LED zależy od materiału półprzewodnikowego. Diody emitują promieniowanie o barwach: niebieskiej, żółtej, zielonej, pomarańczowej, czerwonej. Produkuje się także diody świecące różnymi kolorami. Ostatnio popularne stały się diody świecące światłem białym.

Charakterystyki prądowo - napięciowe diod LED mają przebieg podobny do

innych charakterystyk diod półprzewodnikowych. Większe napięcie przewodzenia UF wynoszą ok. 1,6V dla diod świecących na czerwono i ok. 2,6V dla diod świecących na zielono.

0x01 graphic

Rys.1.10. Charakterystyka prądowo - napięciowa diody LED.

Średni prąd przewodzenia IF nie powinien przekraczać 20 - 100 mA, zależnie od typu diody. W typowym układzie pracy prąd przewodzenia ogranicza się rezystorem.

Diody LED są umieszczane w obudowach: metalowych, z tworzyw sztucznych, przezroczystych, matowych (półprzezroczystych), bezbarwnych lub na barwione na taki kolor jak świeci dioda.

Obudowy są zamknięte soczewkami z tworzyw sztucznych, formującymi wiązkę promieniowania. Pozwalają one uzyskać optymalny kształt charakterystyki kątowej promieniowania, obrazującej przestrzenny rozkład promieniowania względem osi optycznej.

0x01 graphic

Rys. 1.11. Charakterystyka kątowa promieniowania diody LED.

1.7 WŁAŚCIWOŚCI OPTYCZNE I ELEKTRYCZNE DIODY LED

Wybrane parametry optyczne:

Parametry diody elektroluminescencyjnej określa się także na podstawie:

Parametry elektryczne

Parametry elektryczne diody elektroluminescencyjne są takie same jak innych diod czyli: prąd przewodzenia, napięcie przewodzenia, napięcie wsteczne oraz moc strat , która wynosi od kilkudziesięciu do kilkuset mW, a jej wartość zależy od temperatury złącza.

Bardzo ważnym parametrem diody jest sprawność kwantowa zewnętrzna czyli stosunek liczby fotonów wyemitowanych przez diodę do liczby nośników przepływających przez złącze. Sprawność ta maleje wraz ze wzrostem temperatury złącza. Trwałość diod wynosi około 105 godzin.

Właściwości dynamiczne diod określa przebieg charakterystyki częstotliwościowej, na której jest zaznaczona częstotliwość graniczna. Jest to częstotliwość, przy której moc promieniowania maleje do połowy swojej wartości maksymalnej i zależy od materiału półprzewodnikowego, domieszkowania (czasu życia nośników) oraz technologii wytworzenia.

Zalety diod elektroluminescencyjnych

Diody elektroluminescencyjne są najbardziej rozpowszechnionymi elementami optoelektronicznymi. Stosuje się je jako:

Stosuje się w kalkulatorach, zegarkach, przyrządach pomiarowych, jako wskaźniki poziomu sygnału, dostrojenia itp. w sprzęcie powszechnego użytku.

Diody elektroluminescencyjne, które emitują promieniowanie podczerwone wykorzystuje się w łączach światłowodowych, a także w urządzeniach zdalnego sterowania np. w urządzeniach alarmowych i w tzw. pilotach do odbiorników telewizyjnych.

1.8. FOTODIODA

Fotodioda jest zbudowana podobnie jak zwykła dioda krzemowa.

Różnica jest w obudowie, gdyż znajduje się tam soczewka płaska lub wypukła, umożliwiająca oświetlenie jednego z obszarów złącza. Fotodiody wykonuje się z krzemu lub arsenku galu.

Fotodiodę można traktować jako źródło prądu o wydajności zależnej od natężenia oświetlenia.

Fotodiodę polaryzuje się zaporowo zewnętrznym źródłem napięcia. Pod wpływem oświetlenia przez fotodiodę płynie prąd wsteczny, który zwiększa się ze wzrostem oświetlenia. Przy braku oświetlenia przez fotodiodę płynie niewielki ciemny prąd wsteczny I0 wywołany generacją termiczną nośników. Prąd ten narasta liniowo wraz ze wzrostem wartości napięcia wstecznego.

Zasada działania fotodiody.

0x08 graphic

Rys.1.12. Zasada działania fotodiody.

Przy oświetleniu fotodiody w pobliżu jej powierzchni są generowane pary nośników dziura-elektron. Obszar ładunku przestrzennego i związana z nim bariera potencjału uniemożliwiają przepływ nośników większościowych, natomiast nośniki mniejszościowe (tj. dziury w obszarze n i elektrony w obszarze p) dyfundują do obszaru ładunku przestrzennego, są przyspieszane i pokonują złącze (rys.1.12). Przez złącze płynie dodatkowy prąd fotoelektryczny IP. Prąd ten jest proporcjonalny do mocy promieniowania padającego na jej powierzchnię, nie zależy od napięcia wstecznej polaryzacji i wartości obciążenia.

0x01 graphic

Rys. 1.13. Charakterystyki prądowo - napięciowe fotodiody.

Parametry fotodiody

Istotną zaletą fotodiody jest duża częstotliwość pracy. Mogą one przetwarzać sygnały świetlne o częstotliwości do kilkudziesięciu MHz.

Natomiast wadą jest dość silna zależność prądu fotodiody od temperatury.

Zastosowanie fotodiody:

1.9. TRANSOPTORY

Fotoodbiorniki możemy sprzęgać z diodami elektroluminescencyjnymi, w celu przesłania sygnałów na drodze optycznej. W ten sposób uzyskujemy przekazywanie sygnałów z jednego układu do drugiego, przy galwanicznym odseparowaniu tych układów. Tak powstały przyrząd nazywamy transoptorem (dioda i fotodetektor w różnych obudowach) lub łączem optoelektronicznym (dioda i fotodetektor w jednej obudowie).

Transoptor jest półprzewodnikowym elementem optoelektronicznym, składającym się z co najmniej jednego fotoemitera i co najmniej jednego fotodetektora, umieszczonych we wspólnej obudowie (rys.1.14).

0x08 graphic

Rys. 1.14. Budowa transoptora

1 - fotoemiter, 2 - fotodetektor, 3 - światłowód, 4 - obudowa.

Transoptor może być:

Transoptor pozwala przesyłać sygnały elektryczne z wejścia na wyjście bez połączeń galwanicznych obwodów wejściowego i wyjściowego.

W transoptorze rolę fotoemitera w obwodzie wejściowym spełnia zwykle dioda elektroluminescencyjna z arsenku galu GaAs. Na wyjściu transoptora może znajdować się fotodioda lub fototranzystor.

a) b)

0x08 graphic
0x08 graphic

Rys. 1.15. Schemat transoptorów.

a) z fotodiodą, b) z fototranzystorem.

Rzadziej stosuje się fototyrystor, fotodarlington, fotodiodę i tranzystor, bramkę logiczną NAND. Transoptor pracuje w zakresie podczerwieni.

Parametry transoptora charakteryzują właściwości jego elementów składowych, tzn. diody elektroluminescencyjnej i fotodetektora.

0x01 graphic

Rys. 1.16. Charakterystyka przejściowa transoptora: dioda elektroluminescencyjna - fototranzystor.

Charakterystyka przejściowa (rys. 1.16) przedstawia zależność prądu wyjściowego Io (np. prądu kolektor-emiter ICE fototranzystora) od prądu wejściowego II (np. prądu przewodzenia IF fotodiody). Z nachylenia tej charakterystyki możemy wyznaczyć wzmocnienie transoptora.

Przykładowe parametry transoptorów

Odbiornik

Wzmocnienie

Częstotliwość graniczna

%

kHz

Fotodioda

Fototranzystor

Fotodarlington

0,5

30

300

10000

500

50

KRZEMOWE

GERMANOWE

PROSTOWNICZE ŚREDNIEJ I DUŻEJ MOCY

PROSTOWNICZE ŚREDNIEJ I DUŻEJ MOCY

DETEKCYJNE

FOTODIODY

DUŻEJ CZĘSTOTLIWOŚCI

LUMINENSCENCYJNE

IMPULSOWE

WARIKAPY I WARAKTORY

ZENERA

FOTODIODY

DIODY PÓŁPRZEWODNIKOWE

MAŁEJ MOCY

MAŁEJ MOCY

MAŁEJ CZĘSTOTLIWOŚCI

IF

UR

URWM

I0

0

UF(I0)

UF

IR

IR(URWM)

(+)

(-)

I

U

0

(+)

(-)

R

DZ

Uwe

Uwy

rZ

UZ

Cmin

0

UR1

URWM

Cmax

Cj

U

(+)

(-)

U

UV

UFP

IV

UP

IP

I

P

V

(+)

(-)

hν

+ -

R

IF

+ -

p

n

R

Nośniki nieruchome

Dziury z obszaru p rekombinujące

z elektronami

hν

Dziury z obszaru n rekombinujące

z dziurami

IF

P

N

+

+

+

- +

R

Jony nie -ruchome

Obszar

ładunku

przestrzennego

Promieniowanie hν

Pary

elektron - dziura

1

3

2

4



Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
tranzystory diody
Diody prostownicze, stabilizacyjne, LED
Cw3 Diody
sprawozdanie ćw 2 diody
diody
3 diody p+ +éprzewodnikowe wycinane
3 Diody półprzewodnikowe +
diody 6
naprzemiennie migaj±ce diody (black)
Diody 4 id 136576 Nieznany
diody info, Szkoła, Elektronika I, diody
Diody
polprz + diody do reki
Charakterystyka widmowa diody
diody SXNEEG4B3ZF5PDTO3HVWECGWLDV3CZ2ONW637OQ
Diody LED
1NZ70 diody i tranzystory cz
Diody
elektronika diody
Ćwiczenie nr 1. Badanie diody część 1, Semestr 4, Elektronika, Laboratorium

więcej podobnych podstron