Miłosz Andrzejewski IE

Transkrypt

1 Miłosz Andrzejewski IE Diody Diody przepuszczają prąd tylko w jednym kierunku; służą do prostowania. W tym celu używa się ich w: prostownikach wchodzących w skład zasilaczy. Ogólnie rozpowszechnione są dzisiaj diody świecące tzw. LED-y. Zastąpiły one wszelkiego rodzaju kontrolki. Są praktyczne dzięki małym wymiarom oraz niskiej cenie. Półprzewodniki Największą grupę elementów aktywnych stanowią urządzenia zbudowane w oparciu o materiały półprzewodnikowe. Do materiału półprzewodnikowego dodaje się domieszkę pewnego rodzaju. W zależności od typu domieszki otrzymuje się półprzewodnik typu P lub N Diody, tranzystory i układy scalone są zbudowane z materiałów półprzewodnikowych. German był historycznie pierwszym półprzewodnikiem. Materiał ten ma słabe własności dla wyższych częstotliwości, dużą niestabilność temperaturową i dużo mniejszą odporność na wysokie temperatury niż powszechnie stosowany krzem. Zaletą jego jest niskie napięcie progowe, które powoduje, że tranzystory germanowe można stosować w obwodach mocy np. w przetwornicach napięcia.

2 Krzem jest dzisiaj dominującym materiałem półprzewodnikowym. Jest tani. Obecnie można zbudować tranzystory dużej mocy o dużym wzmocnieniu i częstotliwości granicznej ( ft) aż do kilku GHz, o napięciach ok V lub więcej. Zdarza się również w układach dużej mocy stosowanie tranzystorów krzemowych o prądach do 1000 A. Nie można jednak tych wszystkich cech uzyskać jednocześnie. Tranzystory są na ogół optymalizowane w grupach jako tranzystory małej mocy, przełączające albo dużej mocy. Krzem jest materiałem tanim w odróżnieniu od pierwiastków z grupy III-V układu okresowego. Materiały grupy III-V. Nazwa wynika z położenia pierwiastków znajdujących się w trzeciej i piątej kolumnie układu okresowego. Są to związki materiałów takich jak arsenek galu (GaAs) i fosforek indu (InP). Arsenek galu stosuje się przede wszystkim dla zakresu mikrofalowego. Tranzystory polowe zrobione z Arsenki Galu AsFET, posiadają niskie szumy i dlatego są szczególnie przydatne w stopniach wejściowych np. w odbiornikach radarowych lub satelitarnych. Posiadają niską modulację skrośną, ale są czułe na przepięcia, a szczególnie na rozładowania elektrostatyczne. Fosforku indu Używa się przede wszystkim w optoelektronice.

3 Złącze P-N Podstawowym elementem składowym każdej diody jest złącze P-N. Przewodzi ono prąd w jednym kierunku i nie przewodzi w drugim. W rezultacie nadaje się doskonale do prostowania prądu zmiennego, co też jest jego najczęstszym zastosowaniem. Do innych celów stosuje się wiele diod różniących się dpowiednim doborem parametrów złącza p-n. Dioda krzemowa występuje dzisiaj najczęściej. Diody przeznaczone do pracy przy małych prądach mają napięcie progowe (spadek napięcia w kierunku przewodzenia) ok. 0,7 V, podczas gdy diody mocy mają napięcie progowe 1V lub więcej. Gdy napięcie zaporowe ("odwrotne") przekroczy wartość katalogową, dioda ulega zniszczeniu. Szczególny typ diody - dioda lawinowa nie zostanie uszkodzona po przekroczeniu napięcia zaporowego. Nadmiar napięcia zostaje zaabsorbowany przez diodę i dlatego nadaje się doskonale jako zabezpieczenie przeciwko krótkotrwałym impulsom i przepięciom. Fast recovery, czyli dioda o krótkim czasie wyłączania, przeznaczona jest do układów przełączających. Czas przełączania wynosi od 1 do 500 ns. Innym wariantem są diody o niskiej upływności z bardzo

4 niskim prądem wstecznym. Dioda germanowa dominowała w zastosowaniach zanim została wyparta w latach 60-tych przez diody krzemowe. Diody germanowe stosowane są nadal jako części zamienne, oraz w niektórych układach, gdzie przede wszystkim potrzebne jest niskie napięcie progowe np. w detektorach, w sprzęcie radiowym i video. Dla diod niskoprądowych, spadek napięcia w kierunku przewodzenia zawiera się w przedziale 0,2-0,5 V. Napięcie to zależy od wartości prądu ale w mniejszym stopniu niż dla diod krzemowych, które mają wyższą "rezystancję" w kierunku przewodzenia. Spadek napięcia w kierunku przewodzenia w diodach germanowych jest z kolei bardziej zależny od temperatury niż s diodach krzemowych. Dioda Schottky'ego stanowią w większości wypadków alternatywę dla diod germanowych, gdy niezbędne jest niskie napięcie progowe. Wynosi ono ok 0,4 V. Diody te działają na nośnikach większościowych, odznaczają się zatem bardzo krótkimi czasami przełączania i nadają się doskonale do zastosowań w układach bardzo wielkiej częstotliwości i układach przełączających. Diody Schottky'ego są powszechnie stosowane w zakresie częstotliwości do 100 Ghz. Dioda Zenera zachowuje się w kierunku przewodzenia jak dioda, ale ma bardzo dokładnie określone napięcie przebicia w kierunku wstecznym. Diod tych używa się do pracy w kierunku zaporowym i wykorzystuje się tzw. napięcie Zenera tj. napięcie, przy którym prąd wsteczny diody gwałtownie rośnie. Dlatego szeregowo z diodą Zenera należy łączyć rezystor lub inny element ograniczający prąd. Dioda Zenera ma precyzyjnie określone napięcie przebicia. Charakterystyka diody w kierunku zaporowym musi wykazać bardzo wyraźne przegięcie. Poza tym zmiany napięcia Zenera w funkcji temperatury powinny być możliwie małe. 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

5 ich wzajemnej kompensacji. Czasami łączy się zwykłą diodę krzemową (posiada ujemny współczynnik temperaturowy przy pracy w kierunku przewodzenia) produkowaną seryjnie, z wysokonapięciową diodą Zenera. Wypadkowa rezystancja szeregowa diod, powoduje jednak, że charakterystyka przebicia Zenera będzie mniej stroma. Istnieją również diody stabilizacyjne o napięciu poniżej 2 V. Noszą nazwę stabilitronów. Są to diody pracujące w kierunku przewodzenia, nie są więc diodami Zenera. Diody zabezpieczające są w zasadzie diodami Zenera, które tłumią krótkotrwałe napięciowe impulsy zakłócające. Używa się ich do ochrony elementów i układów elektronicznych. Ograniczanie maksymalnego napięcia jest precyzyjne i bardzo szybkie. Diody wytrzymują wysokie prądy chwilowe, które powstają przy ograniczaniu przepięć. Diody pojemnościowe, warikapowe lub waraktorowe, w których wykorzystuje się zjawisko zmiany pojemności złącz P-N pod wpływem polaryzacji w kierunku wstecznym. 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 złącze o liniowym i skokowym rozkładzie nośników prądu. W praktycznym działaniu uwidacznia się to w różnych wartościach czułości zmian pojemności w funkcji napięcia. Diody pojemnościowe zastępują kondensatory obrotowe w obwodach strojeniowych. Mogą być również stosowane w powielaczach częstotliwości, w przełącznikach systemów wąskopasmowych oraz we wzmacniaczach parametrycznych. Dioda tunelowa zawiera silnie domieszkowane złącze P+ - N+ które ty się wyróżnia, że jego charakterystyka prądowo - napięciowa zawiera odcinek o rezystancji ujemnej. Dioda zaczyna przewodzić już przy bardzo niskim napięciu ok. 0,1 V w kierunku przywodzenia. Wzrost napięcia

6 powoduje silny wzrost prądu do momentu, w którym krzywa charakterystyki ulega przegięciu, po czym zaczyna on maleć mimo dalszego wzrostu napięcia tzn. że występuje tzw. ujemna rezystancja. Gdy napięcie na diodzie wzrośnie do ok. 0,3 V, następuje ponowne przegięcie charakterystyki diody i rezystancja powtórnie staje się dodatnia. Diody tunelowe dzięki swojej ujemnej rezystancji, wykorzystywane są jako elementy aktywne generatorów. Ujemna rezystancja kompensuje rezystancję strat obwodu rezonansowego, czego efektem jest generacja drgań. Diody PIN są używane jako elementy o zmiennej impedancji w układach elektronicznych bardzo wielkich częstotliwości. Posiadają małą rezystancję w kierunku przewodzenia i małą pojemność w kierunku zaporowym. W rezultacie odznaczają się niskim tłumieniem gdy są załączone, a wysokim tłumieniem kiedy nie przewodzą. Charakterystyczna dla tej diody jest bezwładność przy przełączaniu. Oznacza to, że dioda nie nadąża ze swoją charakterystyką za zmianami sygnałów wejściowych. W zasadzie dioda ta funkcjonuje jak rezystor dla wysokich częstotliwości. Bezwładność, czas powrotu do napięcia zaporowego, zależy od czasu życia nośników mniejszościowych. Diody PIN dla zakresu mikrofal, mogą mieć t równe kilka ns, ale istnieją również diody PIN, które można stosować aż do kilku MHz z t równym ms. Dolna granica częstotliwości = 1/2pt. Poniżej tej granicy dioda funkcjonuje jak zwykłe złącze P-N. Rezystancja diody PIN w kierunku przewodzenia może się zmieniać od 1 do W w zależności od polaryzacji. Stosowana jest w tłumikach sterowanych prądowo.