• diody prostownicze (stosowane w układach zasilających),

• diody uniwersalne,

• diody Zenera (stosowane w układach stabilizacji napięcia),

• diody impulsowe (stosowane w układach impulsowych),

• diody pojemnościowe (stosowane w układach powielania częstotliwości, modulacji częstotliwości, we wzmacniaczach parametrycznych),

• diody tunelowe (stosowane w generatorach i wzmacniaczach bardzo dużych częstotliwości),

• inne.

Parametry określające diody półprzewodnikowe dzieli się na dwie grupy:

• parametry charakterystyczne (statyczne i dynamiczne),

• dopuszczalne parametry graniczne.

Dioda: a) symbol graficzny diody prostowniczej, b) charakterystyka diody

idealnej, c) charakterystyka prądowo-napięciowa diody prostowniczej.

Parametry charakterystyczne diod prostowniczych to:

• napięcie przewodzenia U_F przy prądzie znamionowym I_F(AV)M,

• prąd wsteczny I_R przy szczytowym napięciu wstecznym pracy U_RWM.

Do grupy dopuszczalnych parametrów granicznych należą:

• prąd znamionowy w kierunku przewodzenia I_F(AV)M (jest to maksymalny średni prąd przewodzenia, czyli dopuszczalna wartość prądu stałego, który może płynąć przez diodę w kierunku przewodzenia),

• szczytowe napięcie wsteczne pracy U_RWM (jest to wartość określona podczas pracy diody w układzie prostownika jednofazowego, jednopołówkowego, z obciążeniem rezystancyjnym, gdy f=50 Hz),

• powtarzalny szczytowy prąd przewodzenia I_FRM (jest to dopuszczalny prąd szczytowy, jaki może przepływać przez diodę, co okres przebiegu prostowanego, bez groźby jej zniszczenia),

• powtarzalne szczytowe napięcie wsteczne U_RRM (jest to wartość napięcia, jakie może pojawić się na diodzie, co okres przebiegu prostowanego, bez groźby jej zniszczenia),

• niepowtarzalny szczytowy prąd przewodzenia I_FSM (jest to wartość prądu, której nie można przekroczyć, nawet na krótko, pod groźbą zniszczenia diody),

• niepowtarzalne szczytowe napięcie wsteczne U_RSM (jest to wartość napięcia, której nie można przekroczyć, nawet na krótko, pod groźbą zniszczenia diody),

• dopuszczalna moc wydzielana w diodzie P_totM (parametr ten jest ściśle związany z maksymalną dopuszczalną temperaturą złącza:

• dla diod germanowych

T_j= 75^o C

• dla diod krzemowych
  

T_j= 125^o C

Charakterystykę prądowo-napięciową złącza p-n opisuje równanie Schockley'a

,

gdzie:

J - gęstość całkowitego prądu płynącego przez złącze, równa

różnicy prądu dyfuzji i unoszenia,

J_U - gęstość prądu unoszenia,

U - napięcie zewnętrzne na złączu p-n diody,

ϕ_T - potencjał elektrokinetyczny,

k - stała Boltzmanna.

Równanie Schockley'a rozszerza się na diodę półprzewodnikową wykorzystując równanie uściślone

,

gdzie:

U - napięcie na złączu p-n diody,

I - prąd płynący przez diodę,

I_S - prąd zerowy nasycenia,

M - współczynnik zawarty pomiędzy 1 a 2 (w teorii uproszczonej równy 1, po uwzględnieniu rekombinacji 1< M < 2)

i przekształcając go z wykorzystaniem zależności

,

gdzie:

U - napięcie na złączu p-n diody,

U_z - napięcie na zaciskach diody,

r - rezystancja szeregowa diody (rezystancja obszarów

półprzewodnika poza warstwą zaporową oraz rezystancja

kontaktów)

do postaci

• dla diody germanowej około 0.4 V,

• dla diody krzemowej około 0.7 V.

W obszarze otoczenia zera charakterystykę można opisać równaniem

gdzie: C - stała.

Na diodzie spolaryzowanej przewodzeniowo nie może wystąpić spadek

napięcia przekraczający:

• dla diody germanowej 0.7 V,

• dla diody krzemowej 1.3 V.

Wartość tych napięć wynika z szerokości pasma zabronionego germanu i krzemu.

W temperaturze pokojowej potencjał elektrokinetyczny ( kT/q) ≈ 26 mV , stąd :

Najlepsze parametry termiczne mają diody w zakresie napięć Zenera 5,6 - 6,2 V. Dla napięć niższych współczynnik temperaturowy napięcia Zenera jest ujemny, dla napięć wyższych dodatni. Często dla otrzymania elementów stabilizacyjnych o bardzo małym współczynniku temperaturowym napięcia, łączy się diody o dodatnim i ujemnym współczynniku w celu ich wzajemnej kompensacji.

Należy zauważyć, że pojęcie „dioda Zenera” obejmuje zarówno diody, w których występuje zjawisko Zenera napięcie przebicia U_p < 5 V) jak i diody, w których występuje zjawisko lawinowej jonizacji zderzeniowej

(U_p > 7V), a także diody, w których występują oba te zjawiska równocześnie (5V < U_p < 7V). W grupie parametrów statycznych diod Zenera, oprócz parametrów podanych dla diod prostowniczych, należy wymienić :

• napięcie stabilizacji U_stab. , czyli napięcie wsteczne odpowiadające umownej wartości prądu stabilizacji (najczęściej dziesiątej części maksymalnego prądu stabilizacji),

• temperaturowy współczynnik napięcia stabilizacji TKU_stab. , definiowany jako stosunek względnej zmiany napięcia stabilizacji do

bezwzględnej zmiany temperatury otoczenia, przy określonym prądzie stabilizacji, wyrażony w 1/°C lub %/° C

Współczynnik TKU_stab. może przyjmować wartości ujemne (U_p < 5 V), dodatnie (U_p > 7 V) lub bliskie zera (U_p = 5. . .7V).

Zasadniczym parametrem dynamicznym diody Zenera jest rezystancja dynamiczna

W grupie dopuszczalnych parametrów granicznych wyróżnia się :

• maksymalny stały prąd przewodzenia I_Fmax

• maksymalny dopuszczalny prąd stabilizacji

I_{Z max} ,

• maksymalną moc strat P_max ( najczęściej przy temperaturze

otoczenia 25° C )

Jeżeli e_g = - E_R ,

to dioda jest spolaryzowana w kierunku zaporowym i prąd przez nią nie płynie ( i= 0 , u = - E_R ). W momencie zmiany napięcia na generatorze

( czas t₁ ) , dioda zmienia polaryzację. Prąd płynący przez diodę rośnie skokowo do wartości

i = I_M = ( E_F + E_R ) / R ,

a potem maleje wykładniczo do wartości

I_F = ( E_F - U_F ) / R ,

ładując pojemność złącza C_j diody ( czas t₂ ) .

W tym czasie napięcie na diodzie rośnie wykładniczo do wartości U_F .

Różnica między czasem t₂ i t₁ jest określona jako czas włączenia diody

t_d = R C_j ln [(E_F + E_R) / ( E_F - U_F )]

Cykl wyłączania diody rozpoczyna się w chwili t₃ . Przez diodę płynie prąd

I_R = ( E_R + U_F ) / R

Do czasu , kiedy napięcie na diodzie nie osiągnie wartości równej zero

( czas t₄ ) - co odpowiada usuwaniu ładunków nadmiarowych.

Następnie wartość prądu diody maleje do zera , a napięcie dąży do wartości -E_R ( czas t₅ ) ; kończy się cykl wyłączania diody .

Czas wyłączania diody

t_rr = t₅ - t₃ = t_r1 - t_r2

przy czym: t_r1 = t_t ln(1+ I_F / I_R ) , t_r2 = 2,3RC_j

gdzie t_r - czas przelotu nośników przez złącze .

3.Dioda pojemnościowa

Diody pojemnościowe są to diody p-n o specjalnej konstrukcji , w których wykorzystuje się zjawisko zmiany pojemności złącz P-N pod wpływem polaryzacji w kierunku wstecznym. Złącze p-n tych diod posiada pojemność C_j zależną od napięcia polaryzacji wstecznej . Ten mechanizm występuje w każdej diodzie półprzewodnikowej spolaryzowanej zaporowo, ale dioda pojemnościowa jest spec­jalnie przystosowana do tego zadania. To co je różni, to sposób domieszkowania półprzewodnika w obszarze złącza P-N i w związku z tym odpowiednia koncentracja nośników prądu. W zasadzie można wyodrębnić złącza o liniowym i skokowym rozkładzie nośników prądu.

W praktycznym działaniu uwidacz­nia się to w różnych wartościach czułości zmian pojemności w funkcji napięcia.
Stosuje się je jako nieliniowe elementy pojemnościowe o pojemności sterowanej za pośrednictwem przyłożonego napięcia.

Diody pojemnościowe zastępują kondensatory obrotowe w ob­wodach strojeniowych. Mogą być również stosowane w pow­ielaczach częstotliwości,

w przełącznikach systemów wąsko­pasmowych oraz we wzmacniaczach parametrycznych.

Do diod pojemnościowych zalicza się:

warikapy ( ang. VARiable CAPacitance ) czyli diody o zmiennej pojemności , które stosowane są do bezpośredniego przestrajania obwodów rezonansowych ( pracują dla częstotliwości kilkaset MHz).

waraktory ( ang. VARiable reACTOR ) to diody o zmiennej reaktancji spełniającej funkcje elementu czynnego w układach parametrycznych. Są elementami mikrofalowymi pracującymi w zakresie częstotliwości od kilkudziesięciu do kilkuset GHz.

Symbol graficzny , schemat zastępczy diody pojemnościowej oraz charakterystykę pojemnościowo - napięciową C_j = f ( U ) przedstawiono na rys.8.

Charakterystykę pojemnościowo - napięciową C_j = f ( U ) można opisać wzorem:

gdzie: C_jo - pojemność złącza C_j dla napięcia U=0 ,

ϕ_β - napięcie dyfuzyjne , równe 0,7V dla krzemu,

n =
dla złącza o skokowym rozkładzie domieszek ,

n =
dla złącza o liniowym rozkładzie domieszek ,

n = (1...6) dla złącz o specjalnym profilu domieszek.

Dla diod pojemnościowych podaje się takie same dopuszczalne parametry graniczne i charakterystyczne jak dla wszystkich pozostałych typów diod oraz dodatkowo następujące parametry:

• pojemność złącza maksymalna C_jmax przy napięciu zaporowym U_R = 0 ,

• pojemność złącza minimalna C_jmin wyznaczana przy dopuszczalnym napięciu zaporowym U_Rmax,

• współczynnik przestrajania K_j = C_jmax / C_{jmin ,}

• rezystancja szeregowa r_s ,

dla waraktorów podaje się ponadto:

• indukcyjność doprowadzeń L_s ,

• pojemność oprawki C_o ,

• częstotliwość graniczną przy której dobroć diody Q_j =1/ ωC_jr_s staje się równa jedności.

Typowym zastosowaniem diody pojemnościowej jest strojony układ rezonansowy przedstawiony na rys.9.

Obwód drgający stanowią elementy L , C , D . Zmieniając napięcie U zmieniamy pojemność diody D a wraz z nią częstotliwość rezonansową układu.

Typowe diody pojemnościowe mają zakres zmian pojemności od 6 pF do 20 pF przy zmianie napięcia w granicach od 2V do 20 V.

W celu porównawczym wytwórcy wykonują pomiar rezystancji dynamicznej diody Zenera r_Z na podstawie nachylenia charakterystyki wstecznej przy wartości prądu próby I_ZT, który jest zdefiniowany jako prąd niezbędny do osiągnięcia 1/4 mocy znamionowej diody.

Ze względu na to, że nachylenie charakterystyki ulega zmianie w zależności od odległości punktu pomiarowego od "kolana" charakterystyki, w celu porównawczym konieczny jest pomiar nachylenia zawsze w tej samej odległości i przy jednakowych przyrostach prądu. Przyjęto, że prąd I_Z może zmieniać się o 10% I_ZT, jeżeli bierzemy pod uwagę wartość skuteczną . Częstotliwość pomiarowa napięcia zmiennego w zasadzie może być wybrana dowolnie (jako wartość typową stosuje się 1 kHz ).
Aby wykonać pomiar rezystancji dynamicznej diody Zenera należy:

• ustawić punkt pracy diody (wartość prądu stałego I_ZT), zwiększając napięcie stałe zasilacza U (przy zerowej wartości napięcia zmiennego);

• woltomierz napięcia zmiennego V1 mierzy pośrednio wartość skuteczną prądu zmiennego płynącego przez diodę Zenera (przez pomiar spadku napięcia na rezystorze ograniczającym R); wartość skuteczna prądu powinna wynosić 0,1 I_ZT; należy tak zwiększać napięcie generatora, by wartość napięcia, zmierzona za pomocą woltomierza V1, wyniosła U₁ = 0,1 ^. I_ZT ^. R (przyjmuje się, że wartość rezystora ograniczającego R = 100 ohm );

• ze skali woltomierza V2 odczytać wartość skuteczną składowej zmiennej napięcia diody U₂, odpowiadającą ustalonej poprzednio składowej zmiennej prądu; na podstawie odczytów wskazań woltomierzy oblicza się wartości rezystancji dynamicznej

Dołączając do układu oscyloskop można dodatkowo zaobserwować:

• gdy napięcie generatora jest równe zeru - punkt pracy diody dla prądu stałego (trzecia ćwiartka układu współrzędnych),

• gdy napięcie stałe zasilacza i napięcie zmienne z generatora mają wartości odpowiadające warunkom pomiarowym - nachylenie r_Z przy prądzie próby I_ZT,

• przy zwiększonym napięciu generatora - charakterystykę I=f(U) diody Zenera w zakresie przebicia.

---