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:

• materiał: krzemowe, germanowe

• zastosowanie:

• prostownikowe

• uniwersalne

• impulsowe

• stabilitrony - Zenera

• pojemnościowe - warikapy i waraktory

• tunelowe

• mikrofalowe: detekcyjne i mieszające

Rys. 1.1. Podział diod ze względu na zastosowanie.

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:

• diody wysokiego napięcia,

• diody mocy,

• diody szybkie mocy,

• stos diodowy,

Parametry charakteryzujące diody prostownikowe:

• napięcie przewodzenia - U_F, przy określonym prądzie przewodzenia,

• prąd wsteczny - I_R, przy określonym napięciu w kierunku zaporowym,

Dopuszczalne (graniczne) parametry:

• maksymalny prąd przewodzenia - I₀;

• szczytowe napięcie wsteczne - U_RWM;

• parametr przeciążeniowy - I²t, podawany dla diod mocy.

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:

• małej mocy - (>1 W),

• średniej mocy - (1 - 10W),

• dużej mocy - (<10 W),

a) b)

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: U_RWM - maksymalne napięcie wsteczne, U_F - 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.

1.8. 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.

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 I_P. Prąd ten jest proporcjonalny do mocy promieniowania padającego na jej powierzchnię, nie zależy od napięcia wstecznej polaryzacji i wartości obciążenia.

Rys. 1.13. Charakterystyki prądowo - napięciowe fotodiody.

Parametry fotodiody

• maksymalne napięcie wsteczne U_Rmax = 10 - 500V,

• maksymalny prąd ciemny I_R0max = 1 - 100nA,

• czułość na natężenie oświetlenia S_EV = 10 - 100nA/lx

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:

• w urządzeniach komutacji optycznej,

• w układach zdalnego sterowania,

• w szybkich przetwornikach analogowo - cyfrowych,

• w układach pomiarowych wielkości elektrycznych i nieelektrycznych np. do pomiaru wymiarów, odległości, stężeń i zanieczyszczeń roztworów, częstotliwości i amplitudy drgań, naprężeń itp.

PROSTOWNIKOWE ŚREDNIEJ I DUŻEJ MOCY

GERMANOWE

KRZEMOWE

PROSTOWNIKOWE ŚREDNIEJ I DUŻEJ MOCY

DETEKCYJNE

FOTODIODY

DUŻEJ częstotliwości CZĘSTOTLIWOŚCI

LUMINENSCENCYJNE

IMPULSOWE

WARIKAPY I WARAKTORY

ZENERA

FOTODIODY

DIODY PÓŁPRZEWODNIKOWE

MAŁEJ MOCY

MAŁEJ MOCY

MAŁEJ CZĘSTOTLIWOŚCI

I_F

U_R

U_RWM

I₀

0

U_F(I₀)

U_F

I_R

I_R(U_RWM)

(+)

(-)

I

U

0

P

N

+

+

+

- +

R

Jony nie -ruchome

Obszar

ładunku

przestrzennego

Promieniowanie hν

Pary

elektron - dziura

---