Struktura

Druhy polovodičových diod

Druhy polovodičových diod

Diody pro síťové usměrňovače

Jsou to plošné diody určené pro usměrňování proudů až desítek ampérů (v energetice a elektrické trakci ještě i podstatně více) při napětí až stovek voltů technických kmitočtů (obr. 1).

Obr. 1: Diody různých výkonů

Příklad jednoduchého zapojení usměrňovače je na obr. 2.

Obr. 2: Zapojení jednoduchého usměrňovače

Základním materiálem je křemík. Pro určitou aplikaci je možné vhodné typy najít v katalozích výrobců se všemi potřebnými technickými údaji (parametry).

Poznámka:

Pro usměrňování malých vysokofrekvenčních proudů se používají plošné a hrotové diody. Liší se od sebe výrobní technologií, parametry a použitím.

 

Spínací diody

Jsou to diody, u kterých je při výrobě určitými technologickými opatřeními snížena doba zotavení a tím zvýšena rychlost přepínání. Podle zotavovací doby se dělí na:

  • pomalé trr > 1μs

  • rychlé trr = 4 ns

  • velmi rychlé trr ≈ 0,7 ns

Tyto diody obvykle pracují se signály obdélníkového průběhu a přecházejí ze stavu vodivého do nevodivého a naopak.

Příkladem rychlé spínací součástky je Schottkyho dioda, jejíž VAcharakteristika je na obr. 3.

Obr. 3: VA-charakteristika Schottkyho diody

V propustném směru se blíží ideálnímu spínači (UP ≈ 0,25 V), v závěrném směru má podstatně vyšší proud než diody s PN přechodem i nižší průrazné napětí UBR (UBR je maximálně několik stovek V). Spínací doba je v řádu pikosekund. Uspořádání jednotlivých vrstev Schottkyho diody je na obr. 4.

Obr. 4: Uspořádání jednotlivý vrstev Schottkyho diody

Diody pro stabilizaci napětí (Zenerovy diody)

Pro stabilizaci stejnosměrných napětí je možné využít vlastností přechodu PN plošných křemíkových diod vyrobených vhodným technologickým postupem, které jsou zapojeny (polarizovány) ve zpětném (závěrném) směru.

Tyto diody mají velmi tenký přechod PN a při zapojení v závěrném směru působí v oblasti prostorového náboje (vyprázdněná oblast) tak velká intenzita elektrostatického pole, že dochází k vytrhávání elektronů z vazeb krystalové mřížky, což má za následek podstatné zvýšení počtu minoritních nosičů náboje. To vede k prudkému nárůstu proudu ve zpětném směru při téměř konstantním napětí. Dynamický odpor diody se tak zmenší o několik řádů (MΩ→Ω).

Popsaný děj se nazývá Zenerův jev. Napětí, při kterém Zenerův jev nastává, se nazývá Zenerovo napětí (UZ). Ke vzniku Zenerova jevu je potřeba velkých intenzit elektrostatického pole (107 V/m), a aby tento jev nastal i při malém napětí (3 V), je nutný velmi tenký přechod PN. Při zvětšování tloušťky přechodu Zenerovo napětí postupně roste a současně se objevuje další jev, který dále  zvětšuje proud ve zpětném směru. V důsledku velké intenzity elektrostatického pole získávají elektrony při průchodu přechodem značnou kinetickou energii a při velké šířce přechodu je velká pravděpodobnost, že ve vyprázdněné oblasti narazí letící elektron na jiný elektron a uvolní ho z vazby. Oba elektrony jsou polem dále urychlovány a mohou na své cestě uvolnit další elektrony, ty pak podobným mechanismem opět další. Tento děj se nazývá lavinový jev.

Zenerův jev začíná u napětí asi 3 V, při napětích vyšších než 6 V postupně mizí a je plynule vystřídán jevem lavinovým. Oba jevy se z hlediska stabilizace projevují stejně, diody, které těchto jevů využívají, se nerozlišují a nazývají se stabilizační (Zenerovy) diody. Rozdíl je pouze v teplotní závislosti průrazného (Zenerova) napětí:

Zvýšení teploty

  • vyvolá pokles průrazného napětí při Zenerově jevu;

  • zvýšení průrazného napětí při lavinovém jevu.

Z předcházejícího vyplývá důležitá vlastnost stabilizačních diod:

  • diody s napětím UZ < 6 V mají záporný teplotní součinitel napětí (Zenerův jev, s rostoucí teplotou napětí klesá);

  • diody s napětím UZ = 6 V mají přibližně nulový teplotní součinitel napětí (teplotní závislost obou jevů Zenerova i lavinového se teplotně vyrovnává, kompenzuje, stabilizační napětí je prakticky nezávislé na teplotě);

  • diody s napětím UZ > 6 V mají kladný teplotní součinitel napětí (lavinový jev, s rostoucí teplotou napětí roste).

Výše uvedená vlastnost teplotního součinitele napětí Zenerovy diody (mění velikost i znaménko podle velikosti Zenerova napětí) vede k tomu, že u stabilizátorů, jejichž výstupní napětí má být teplotně nezávislé, je nutná teplotní kompenzace. Příklad takové jednoduché kompenzace pro Zenerovy diody s napětím větším než 6 V je na obr. 5.

Obr. 5: Příklad teplotní kompenzace Zenerovy diody

VA-charakteristika stabilizační diody je na obr. 6.

Obr. 6: VA-charakteristika Zenerovy diody a průběh dovoleného ztrátového výkonu

Pracovní oblast Zenerovy diody leží ve třetím kvadrantu, či-li v závěrném směru. Oba jevy (Zenerův, lavinový), na kterých je činnost diody založena, jsou nedestruktivní, ale pokud proud diodou překročí určitou mez, dojde k přehřátí přechodu a tím ke zničení diody. Z tohoto důvodu se u stabilizačních diod udává tepelný odpor Rth (souvisí s provedením diody, typem pouzdra atd.) a největší přípustná anodová ztráta Padov. V propustném směru (přímém, předním) má stejný průběh jako normální usměrňovací dioda. Příklad zapojení jednoduchého stabilizátoru se Zenerovou diodou je na obr. 7.

Obr. 7: Příklad zapojení jednoduchého stabilizátoru se Zenerovou diodou

Kapacitní diody

Kapacitní diody jsou součástky, které využívají závislosti kapacity přechodu PN na napětí v závěrném směru. Vhodným technologickým postupem lze dosáhnout požadované závislosti kapacity diody na připojeném napětí (obr. 8). Pro pozvolný přechod platí

C_{d}=\frac{k}{\sqrt[3]{U_{R}}}

Pro strmý přechod platí

C_{d}=\frac{k}{\sqrt{U_{R}}}

Cd - kapacita diody

k je materiálová konstanta diody

UR napětí mezi anodou a katodou v závěrném směru

Obr. 8: Závislost kapacity diody na závěrném napětí pro různé typy přechodu

Kapacitní diody (varikapy) se používají pro přelaďování rezonančních obvodů místo ladících kondenzátorů. Změny kapacity se dosahuje pomocným stejnosměrným napětím.

Tunelová dioda​

Tunelová dioda, jejíž VA-charakteristika je na obr. 9, má v propustném směru mezi body P a V záporný dynamický odpor, což lze využít k sestrojení oscilátoru. Napětí UP je asi 0,1 V, UV asi (0,3 až 0,4) V. V závěrném směru se tunelová dioda chová jako lineární rezistor s malým odporem.

Obr. 9: VA-charakteristika tunelové diody

Značení polovodičů (diod)

Pro určitý přehled o součástkách od různých výrobců bylo zavedeno jejich značení. Nutno však uvést, že ne všichni důsledně používají stejného kódování.

Evropské značení dělí polovodiče do dvou skupin:

  • součástky pro průmyslové použití (tři písmena a dvě číslice);

  • součástky pro spotřební elektroniku (dvě písmena a tři číslice).

První písmeno charakterizuje součástku z hlediska energie nutné pro uvolnění elektronu z vazby

  • A - (0,6 až 1) eV, germánium

  • B - (1,0 až 1,3) eV, křemík

  • C - (1,3 a výše) eV, galium-arsen

  • D - méně než 0,6 eV, indium-antimon

  • R - součástky, v nichž se používají takové materiály jako u Hallových generátorů a fotovodivých součástek

  • Pro součástky vyráběné v tuzemsku se používá:

  • G – Ge-diody

  • K – Si-diody

Druhé písmeno udává funkci diody:

  • A – diody pro vf a vysoké spínací rychlosti

  • B – diody s proměnnou kapacitou (varikapy)

  • E – tunelové diody

  • X – diody pro kmitočtové násobiče

  • Y – usměrňovací diody

  • Z – Zenerovy diody


  • P – fotodiody

  • Q – světloemitující diody

  • R – vícevrstvé spínací součástky

Zdroje

  • KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009

Obrázky

  • Obr. 1: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Diody různých výkonů, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
  • Obr. 2: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Zapojení jednoduchého usměrňovače, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
  • Obr. 3: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. VA-charakteristika Schottkyho diody, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
  • Obr. 4: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Uspořádání jednotlivý vrstev Schottkyho diody, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
  • Obr. 5: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Příklad teplotní kompenzace Zenerovy diody, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
  • Obr. 6: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. VA-charakteristika Zenerovy diody a průběh dovoleného ztrátového výkonu, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
  • Obr. 7: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Příklad zapojení jednoduchého stabilizátoru se Zenerovou diodou, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
  • Obr. 8: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Závislost kapacity diody na závěrném napětí pro různé typy přechodu, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
  • Obr. 9: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. VA-charakteristika tunelové diody, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
Logolink