Il diodo a semiconduttore è ampiamente utilizzato nell'ingegneria elettrica e nell'elettronica. Con il suo basso costo e il buon rapporto potenza-dimensioni, ha rapidamente sostituito dispositivi per vuoto con uno scopo simile.
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Il dispositivo e il principio di funzionamento di un diodo a semiconduttore
Un diodo a semiconduttore è costituito da due regioni (strati) costituite da un semiconduttore (silicio, germanio, ecc.). Una regione ha un eccesso di elettroni liberi (n-semiconduttore), l'altra ha una carenza (p-semiconduttore) - ciò si ottiene drogando il materiale di base. Tra di loro c'è una piccola zona in cui un eccesso di elettroni liberi dal sito n "chiude" i buchi dal sito p (la ricombinazione avviene a causa della diffusione) e non ci sono portatori di carica liberi in questa regione. Quando viene applicata una tensione diretta, la regione di ricombinazione è piccola, la sua resistenza è piccola e il diodo conduce corrente in questa direzione. Con la tensione inversa, la zona senza portante aumenterà, la resistenza del diodo aumenterà. Nessuna corrente scorrerà in questa direzione.
Tipi, classificazione e designazione grafica sugli schemi elettrici
Nel caso generale, il diodo nel diagramma è indicato come una freccia stilizzata che indica la direzione della corrente. L'immagine grafica condizionale (UGO) del dispositivo contiene due conclusioni: anodo e catodo, che in collegamento diretto sono collegati rispettivamente al più del circuito elettrico e al meno.
Esistono numerose varietà di questo dispositivo a semiconduttore bipolare, che, a seconda dello scopo, possono avere UGO leggermente diversi.
Diodi Zener (diodi Zener)
Un diodo zener è un dispositivo a semiconduttoreoperanti a tensione inversa nella zona di rottura da valanga. In questa regione, la tensione del diodo Zener è stabile su un ampio intervallo di corrente attraverso il dispositivo. Questa proprietà viene utilizzata per stabilizzare la tensione attraverso il carico.
Stabistori
I diodi Zener fanno un buon lavoro di stabilizzazione di tensioni da 2 V e oltre.Gli stabilizzatori vengono utilizzati per ottenere una tensione costante al di sotto di questo limite. Il drogaggio del materiale di cui sono fatti questi dispositivi (silicio, selenio) raggiunge la massima verticalità del ramo diretto della caratteristica. In questa modalità, gli stabistori funzionano, emettendo una tensione esemplare nell'intervallo 0,5 ... 2 V sul ramo diretto della caratteristica corrente-tensione a tensione diretta.
Diodi Schottky
Il diodo Schottky è costruito secondo lo schema semiconduttore-metallo e non ha una giunzione convenzionale. Grazie a ciò si ottengono due importanti proprietà:
- caduta di tensione diretta ridotta (circa 0,2 V);
- aumento delle frequenze operative a causa di una diminuzione dell'autocapacità.
Gli svantaggi includono valori aumentati di correnti inverse e ridotta tolleranza al livello di tensione inversa.
Varicap
Ogni diodo ha una capacità elettrica. Le piastre del condensatore sono due cariche spaziali (p e n regioni di semiconduttori) e lo strato barriera è il dielettrico. Quando viene applicata una tensione inversa, questo strato si espande e la capacità diminuisce. Questa proprietà è inerente a tutti i diodi, ma per i varicap la capacità è normalizzata e nota per determinati limiti di tensione. Ciò consente di utilizzare dispositivi come condensatori variabili e applicare per regolare o mettere a punto i circuiti fornendo una tensione inversa di vari livelli.
diodi a tunnel
Questi dispositivi hanno una deflessione nel tratto rettilineo della caratteristica, in cui un aumento della tensione provoca una diminuzione della corrente. In questa regione, la resistenza differenziale è negativa.Questa proprietà consente di utilizzare diodi tunnel come amplificatori di segnali deboli e generatori a frequenze superiori a 30 GHz.
Dinisti
Dinistor - diodo tiristore - ha una struttura p-n-p-n e un CVC a forma di S, non conduce corrente fino a quando la tensione applicata non raggiunge il livello di soglia. Dopodiché, si accende e si comporta come un normale diodo finché la corrente non scende al di sotto del livello di mantenimento. I dinistor sono usati nell'elettronica di potenza come chiavi.
Fotodiodi
Il fotodiodo è realizzato in un pacchetto con accesso alla luce visibile al cristallo. Quando viene irradiata una giunzione p-n, in essa si forma una fem. Ciò consente di utilizzare il fotodiodo come sorgente di corrente (come parte di pannelli solari) o come sensore di luce.
LED
La proprietà principale di un LED è la capacità di emettere luce quando la corrente passa attraverso una giunzione p-n. Questo bagliore non è correlato all'intensità del riscaldamento, come una lampada a incandescenza, quindi il dispositivo è economico. A volte viene utilizzato il bagliore diretto della transizione, ma più spesso viene utilizzato come iniziatore dell'accensione del fosforo. Ciò ha permesso di ottenere colori LED prima irraggiungibili, come il blu e il bianco.
Diodi Gunn
Sebbene il diodo Gunn abbia la consueta designazione grafica convenzionale, non è un diodo in senso stretto. Perché non ha una giunzione p-n. Questo dispositivo è costituito da una piastra di arseniuro di gallio su un substrato di metallo.
Senza entrare nei dettagli dei processi: quando nel dispositivo viene applicato un campo elettrico di una certa entità, si verificano oscillazioni elettriche il cui periodo dipende dalla dimensione del wafer semiconduttore (ma entro certi limiti la frequenza può essere regolata da elementi esterni).
I diodi Gunn sono usati come oscillatori a frequenze di 1 GHz e superiori. Il vantaggio del dispositivo è la stabilità alle alte frequenze e lo svantaggio è la piccola ampiezza delle oscillazioni elettriche.
Diodi magnetici
I diodi ordinari sono debolmente influenzati dai campi magnetici esterni. I magnetodiodi hanno un design speciale che aumenta la sensibilità a questo effetto. Sono realizzati con tecnologia p-i-n con base estesa. Sotto l'azione di un campo magnetico, la resistenza del dispositivo in avanti aumenta e può essere utilizzata per creare elementi di commutazione senza contatto, convertitori di campo magnetico, ecc.
Diodi laser
Il principio di funzionamento di un diodo laser si basa sulla proprietà di una coppia elettrone-lacuna durante la ricombinazione in determinate condizioni di emettere radiazioni visibili monocromatiche e coerenti. I metodi per creare queste condizioni sono diversi, per l'utente è sufficiente conoscere la lunghezza dell'onda emessa dal diodo e la sua potenza.
Diodi a valanga
Questi dispositivi sono utilizzati nel microonde. In determinate condizioni, nella modalità di rottura della valanga, sulla caratteristica del diodo appare una sezione con una resistenza differenziale negativa. Questa proprietà di APD consente loro di essere utilizzati come generatori operanti a lunghezze d'onda fino alla gamma millimetrica. Lì è possibile ottenere una potenza di almeno 1 watt. A frequenze più basse, da tali diodi vengono rimossi fino a diversi kilowatt.
Diodi PIN
Questi diodi sono realizzati utilizzando la tecnologia p-i-n. Tra gli strati drogati dei semiconduttori c'è uno strato di materiale non drogato. Per questo motivo, le proprietà rettificanti del diodo sono peggiorate (con tensione inversa, la ricombinazione è ridotta a causa della mancanza di contatto diretto tra le zone p e n).Ma a causa della spaziatura delle regioni di carica spaziale, la capacità parassita diventa molto piccola, nello stato chiuso, la perdita di segnale alle alte frequenze è praticamente esclusa e i diodi pin possono essere utilizzati su RF e microonde come elementi di commutazione.
Principali caratteristiche e parametri dei diodi
Le principali caratteristiche dei diodi a semiconduttore (tranne quelli altamente specializzati) includono:
- la tensione inversa massima consentita (costante e pulsata);
- frequenza operativa limite;
- caduta di tensione diretta;
- Intervallo operativo di temperatura.
Il resto delle caratteristiche importanti è meglio considerare usando l'esempio delle caratteristiche IV del diodo: questo è più chiaro.
Caratteristica volt-ampere di un diodo a semiconduttore
La caratteristica corrente-tensione di un diodo a semiconduttore è costituita da un ramo diretto e inverso. Si trovano nei quadranti I e III, poiché la direzione della corrente e della tensione attraverso il diodo coincide sempre. In base alla caratteristica corrente-tensione, è possibile determinare alcuni parametri e vedere chiaramente cosa influiscono sulle caratteristiche del dispositivo.
Tensione di soglia di conduzione
Se si applica una tensione diretta al diodo e si inizia ad aumentarla, al primo momento non accadrà nulla: la corrente non aumenterà. Ma ad un certo valore, il diodo si aprirà e la corrente aumenterà in base alla tensione. Questa tensione è chiamata tensione di soglia di conduzione ed è contrassegnata sul VAC come Uthreshold. Dipende dal materiale di cui è fatto il diodo. Per i semiconduttori più comuni, questo parametro è:
- silicio - 0,6-0,8 V;
- germanio - 0,2-0,3 V;
- arseniuro di gallio - 1,5 V.
La proprietà dei dispositivi a semiconduttore al germanio di aprirsi a bassa tensione viene utilizzata quando si lavora in circuiti a bassa tensione e in altre situazioni.
Corrente massima attraverso il diodo con connessione diretta
Dopo che il diodo si è aperto, la sua corrente aumenta insieme all'aumento della tensione diretta. Per un diodo ideale, questo grafico va all'infinito. In pratica, questo parametro è limitato dalla capacità del dispositivo a semiconduttore di dissipare calore. Quando viene raggiunto un certo limite, il diodo si surriscalda e si guasta. Per evitare ciò, i produttori indicano la corrente massima consentita (su VAC - Imax). Può essere determinato approssimativamente dalle dimensioni del diodo e dal suo pacchetto. In ordine decrescente:
- la corrente maggiore è trattenuta da dispositivi in una guaina metallica;
- le custodie in plastica sono progettate per una potenza media;
- I diodi in involucri di vetro sono utilizzati nei circuiti a bassa corrente.
Gli apparecchi in metallo possono essere installati sui radiatori: ciò aumenterà la potenza di dissipazione.
Corrente di dispersione inversa
Se si applica una tensione inversa al diodo, un amperometro insensibile non mostrerà nulla. Infatti solo un diodo ideale non fa passare corrente. Un dispositivo reale avrà una corrente, ma è molto piccola, ed è chiamata corrente di dispersione inversa (sul CVC - Iobr). Sono decine di microampere o decimi di milliampere e molto meno della corrente continua. Puoi trovarlo nella directory.
Calo di tensione
A un certo valore della tensione inversa, si verifica un forte aumento della corrente, chiamato rottura. Ha un carattere a tunnel o valanga ed è reversibile. Questa modalità viene utilizzata per stabilizzare la tensione (valanga) o per generare impulsi (tunnel).Con un ulteriore aumento della tensione, la rottura diventa termica. Questa modalità è irreversibile e il diodo si guasta.
Giunzione pn a capacità parassita
È già stato detto che la giunzione p-n ha capacità elettrica. E se questa proprietà è utile e utilizzata nei varicap, nei diodi ordinari può essere dannosa. Sebbene la capacità è di unità o decine di pF e a corrente continua o basse frequenze è impercettibile, con l'aumentare della frequenza la sua influenza aumenta. Alcuni picofarad a RF creeranno una resistenza sufficientemente bassa per la dispersione del segnale spurio, si aggiungeranno alla capacità esistente e modificheranno i parametri del circuito e, insieme all'induttanza dell'uscita o del conduttore stampato, formeranno un circuito di risonanza spuria. Pertanto, nella produzione di dispositivi ad alta frequenza, vengono prese misure per ridurre la capacità della transizione.
Marcatura a diodi
Il modo più semplice per contrassegnare i diodi in una custodia di metallo. Nella maggior parte dei casi, sono contrassegnati dalla designazione del dispositivo e dalla sua piedinatura. I diodi in una custodia di plastica sono contrassegnati da un anello sul lato del catodo. Ma non vi è alcuna garanzia che il produttore osservi rigorosamente questa regola, quindi è meglio fare riferimento alla directory. Ancora meglio, suona il dispositivo con un multimetro.
I diodi zener domestici a bassa potenza e alcuni altri dispositivi possono presentare segni di due anelli o punti di colori diversi sui lati opposti della custodia. Per determinare il tipo di tale diodo e la sua piedinatura, è necessario prendere un libro di consultazione o trovare un identificatore di marcatura online su Internet.
Applicazioni dei diodi
Nonostante il semplice dispositivo, i diodi a semiconduttore sono ampiamente utilizzati in elettronica:
- Per raddrizzare Tensione AC. Un classico del genere: la proprietà di giunzione p-n viene utilizzata per condurre la corrente in una direzione.
- rivelatori di diodi. Qui viene utilizzata la non linearità della caratteristica I–V, che consente di isolare le armoniche dal segnale, il cui necessario può essere distinto dai filtri.
- Due diodi, collegati back-to-back, fungono da limitatore per segnali potenti che possono sovraccaricare gli stadi di ingresso successivi di ricevitori radio sensibili.
- I diodi Zener possono essere inclusi come elementi antiscintilla che non consentono l'ingresso di impulsi ad alta tensione nei circuiti dei sensori installati in aree pericolose.
- I diodi possono fungere da dispositivi di commutazione nei circuiti ad alta frequenza. Si aprono con una tensione costante e passano (o non passano) il segnale RF.
- I diodi parametrici fungono da amplificatori di segnali deboli nella gamma delle microonde per la presenza di una sezione con resistenza negativa nel ramo diretto della caratteristica.
- I diodi vengono utilizzati per assemblare mixer che operano in apparecchiature di trasmissione o ricezione. Si mescolano segnale dell'oscillatore locale con un segnale ad alta frequenza (o bassa frequenza) per un'ulteriore elaborazione. Utilizza anche la non linearità della caratteristica corrente-tensione.
- La caratteristica non lineare consente l'utilizzo di diodi a microonde come moltiplicatori di frequenza. Quando il segnale passa attraverso il diodo moltiplicatore, vengono evidenziate le armoniche superiori. Quindi possono essere selezionati filtrando.
- I diodi sono usati come elementi di sintonia per circuiti risonanti. In questo caso viene utilizzata la presenza di una capacità controllata alla giunzione p-n.
- Alcuni tipi di diodi vengono utilizzati come generatori nella gamma delle microonde. Si tratta principalmente di diodi tunnel e dispositivi con effetto Gunn.
Questa è solo una breve descrizione delle capacità dei dispositivi a semiconduttore a doppio terminale. Con uno studio approfondito delle proprietà e delle caratteristiche con l'aiuto dei diodi, è possibile risolvere molti problemi assegnati agli sviluppatori di apparecchiature elettroniche.
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