O diodo semicondutor é amplamente utilizado em engenharia elétrica e eletrônica. Com seu baixo custo e boa relação potência/tamanho, substituiu rapidamente os dispositivos de vácuo de finalidade semelhante.
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O dispositivo e o princípio de operação de um diodo semicondutor
Um diodo semicondutor consiste em duas regiões (camadas) feitas de um semicondutor (silício, germânio, etc.). Uma região tem excesso de elétrons livres (n-semicondutor), a outra tem deficiência (p-semicondutor) - isso é obtido por dopagem do material base. Entre eles há uma pequena zona na qual um excesso de elétrons livres do sítio n "fecha" as lacunas do sítio p (a recombinação ocorre devido à difusão), e não há portadores de carga livre nessa região. Quando uma tensão direta é aplicada, a região de recombinação é pequena, sua resistência é pequena e o diodo conduz a corrente nessa direção. Com tensão reversa, a zona livre de portadora aumentará, a resistência do diodo aumentará. Nenhuma corrente fluirá nesta direção.
Tipos, classificação e designação gráfica em diagramas elétricos
No caso geral, o diodo no diagrama é indicado como uma seta estilizada indicando a direção da corrente. A imagem gráfica condicional (UGO) do dispositivo contém duas conclusões - ânodo e cátodo, que em conexão direta estão conectados ao mais do circuito elétrico e ao menos, respectivamente.
Há um grande número de variedades deste dispositivo semicondutor bipolar, que, dependendo da finalidade, pode ter UGOs ligeiramente diferentes.
Diodos Zener (diodos Zener)
Um diodo zener é um dispositivo semicondutoroperando em tensão reversa na zona de avalanche. Nesta região, a tensão do diodo Zener é estável em uma ampla faixa de corrente através do dispositivo. Esta propriedade é usada para estabilizar a tensão na carga.
Estabilizadores
Os diodos Zener fazem um bom trabalho de estabilização de tensões de 2 V e acima.Os estabilizadores são usados para obter uma tensão constante abaixo desse limite. A dopagem do material do qual esses dispositivos são feitos (silício, selênio) atinge a maior verticalidade do ramo direto da característica. Neste modo, os estabilizadores funcionam, fornecendo uma tensão exemplar na faixa de 0,5 ... 2 V no ramo direto da característica corrente-tensão na tensão direta.
Diodos Schottky
O diodo Schottky é construído de acordo com o esquema semicondutor-metal e não possui uma junção convencional. Devido a isso, duas propriedades importantes foram obtidas:
- queda de tensão direta reduzida (cerca de 0,2 V);
- frequências de operação aumentadas devido a uma diminuição na autocapacitância.
As desvantagens incluem valores aumentados de correntes reversas e tolerância reduzida ao nível de tensão reversa.
Varicaps
Cada diodo tem uma capacitância elétrica. As placas do capacitor são duas cargas espaciais (regiões p e n de semicondutores), e a camada de barreira é o dielétrico. Quando uma tensão reversa é aplicada, essa camada se expande e a capacitância diminui. Esta propriedade é inerente a todos os diodos, mas para varicaps, a capacitância é normalizada e conhecida para determinados limites de tensão. Isso possibilita o uso de dispositivos como capacitores variáveis e aplique para ajustar ou ajustar circuitos fornecendo tensão reversa de vários níveis.
diodos de túnel
Esses dispositivos possuem uma deflexão na seção reta da característica, na qual um aumento na tensão provoca uma diminuição na corrente. Nesta região, a resistência diferencial é negativa.Essa propriedade possibilita o uso de diodos de túnel como amplificadores e geradores de sinais fracos em frequências acima de 30 GHz.
Dinistores
Dinistor - tiristor de diodo - tem uma estrutura p-n-p-n e um CVC em forma de S, não conduz corrente até que a tensão aplicada atinja o nível limite. Depois disso, ele liga e se comporta como um diodo normal até que a corrente caia abaixo do nível de retenção. Dinistores são usados em eletrônica de potência como chaves.
Fotodiodos
O fotodiodo é feito em uma embalagem com acesso de luz visível ao cristal. Quando uma junção p-n é irradiada, surge nela uma fem. Isso permite que você use o fotodiodo como fonte de corrente (como parte de painéis solares) ou como sensor de luz.
LEDs
A principal propriedade de um LED é a capacidade de emitir luz quando a corrente passa por uma junção p-n. Esse brilho não está relacionado à intensidade do aquecimento, como uma lâmpada incandescente, portanto o aparelho é econômico. Às vezes, o brilho direto da transição é usado, mas com mais frequência é usado como iniciador da ignição do fósforo. Isso possibilitou a obtenção de cores de LED anteriormente inatingíveis, como azul e branco.
Diodos Gunn
Embora o diodo Gunn tenha a designação gráfica convencional usual, não é um diodo no sentido pleno. Porque não tem junção p-n. Este dispositivo consiste em uma placa de arsenieto de gálio sobre um substrato metálico.
Sem entrar nos detalhes dos processos: quando um campo elétrico de uma certa magnitude é aplicado no dispositivo, ocorrem oscilações elétricas, cujo período depende do tamanho da pastilha semicondutora (mas dentro de certos limites, a frequência pode ser ajustada por elementos externos).
Diodos Gunn são usados como osciladores em frequências de 1 GHz e acima. A vantagem do dispositivo é a estabilidade de alta frequência e a desvantagem é a pequena amplitude das oscilações elétricas.
Diodos magnéticos
Diodos comuns são fracamente afetados por campos magnéticos externos. Os magnetodiodos têm um design especial que aumenta a sensibilidade a esse efeito. Eles são feitos usando a tecnologia p-i-n com uma base estendida. Sob a ação de um campo magnético, a resistência do dispositivo na direção direta aumenta, e isso pode ser usado para criar elementos de comutação sem contato, conversores de campo magnético, etc.
Diodos de laser
O princípio de operação de um diodo laser é baseado na propriedade de um par elétron-buraco durante a recombinação sob certas condições para emitir radiação visível monocromática e coerente. Os métodos de criação dessas condições são diferentes, para o usuário basta conhecer o comprimento da onda emitida pelo diodo e sua potência.
Diodos de avalanche
Esses dispositivos são usados no microondas. Sob certas condições, no modo de ruptura de avalanche, uma seção com uma resistência diferencial negativa aparece na característica do diodo. Esta propriedade do APD permite que eles sejam usados como geradores operando em comprimentos de onda até a faixa milimétrica. Lá é possível obter uma potência de pelo menos 1 watt. Em frequências mais baixas, até vários quilowatts são removidos desses diodos.
diodos PIN
Esses diodos são feitos usando a tecnologia p-i-n. Entre as camadas dopadas de semicondutores há uma camada de material não dopado. Por esta razão, as propriedades de retificação do diodo são pioradas (com tensão reversa, a recombinação é reduzida devido à falta de contato direto entre as zonas p e n).Mas devido ao espaçamento das regiões de carga espacial, a capacitância parasita torna-se muito pequena, no estado fechado, o vazamento de sinal em altas frequências é praticamente excluído e os diodos de pino podem ser usados em RF e micro-ondas como elementos de comutação.
Principais características e parâmetros dos diodos
As principais características dos diodos semicondutores (exceto os altamente especializados) incluem:
- a tensão reversa máxima permitida (constante e pulsada);
- freqüência de operação do limite;
- queda de tensão direta;
- Faixa de temperatura operacional.
O resto das características importantes são melhor consideradas usando o exemplo das características I-V do diodo - isso é mais claro.
Volt-ampere característica de um diodo semicondutor
A característica corrente-tensão de um diodo semicondutor consiste em um ramo direto e reverso. Eles estão localizados nos quadrantes I e III, pois a direção da corrente e da tensão através do diodo sempre coincide. De acordo com a característica de tensão de corrente, você pode determinar alguns parâmetros, além de ver claramente o que as características do dispositivo afetam.
Tensão limite de condução
Se você aplicar uma tensão direta ao diodo e começar a aumentá-la, no primeiro momento nada acontecerá - a corrente não aumentará. Mas em um determinado valor, o diodo abrirá e a corrente aumentará de acordo com a tensão. Essa tensão é chamada de tensão limite de condução e é marcada no VAC como Uthreshold. Depende do material do qual o diodo é feito. Para os semicondutores mais comuns, este parâmetro é:
- silício - 0,6-0,8 V;
- germânio - 0,2-0,3 V;
- arseneto de gálio - 1,5 V.
A propriedade dos dispositivos semicondutores de germânio de abrir em baixa tensão é usada ao trabalhar em circuitos de baixa tensão e em outras situações.
Corrente máxima através do diodo com conexão direta
Após a abertura do diodo, sua corrente aumenta junto com o aumento da tensão direta. Para um diodo ideal, este gráfico vai para o infinito. Na prática, este parâmetro é limitado pela capacidade do dispositivo semicondutor de dissipar calor. Quando um certo limite é atingido, o diodo superaquece e falha. Para evitar isso, os fabricantes indicam a corrente mais alta permitida (no VAC - Imax). Pode ser determinado aproximadamente pelo tamanho do diodo e seu pacote. Por ordem decrescente:
- a maior corrente é mantida por dispositivos em uma bainha de metal;
- caixas de plástico são projetadas para potência média;
- Diodos em envelopes de vidro são usados em circuitos de baixa corrente.
Aparelhos de metal podem ser instalados em radiadores - isso aumentará o poder de dissipação.
Corrente de fuga reversa
Se você aplicar uma tensão reversa ao diodo, um amperímetro insensível não mostrará nada. De fato, apenas um diodo ideal não passa nenhuma corrente. Um dispositivo real terá uma corrente, mas é muito pequena, e é chamada de corrente de fuga reversa (no CVC - Iobr). São dezenas de microamperes ou décimos de miliamperes e muito menos que a corrente contínua. Você pode encontrá-lo no diretório.
Queda de tensão
A um certo valor da tensão reversa, ocorre um aumento acentuado na corrente, chamado de ruptura. Tem um caráter de túnel ou avalanche e é reversível. Este modo é usado para estabilizar a tensão (avalanche) ou para gerar pulsos (túnel).Com um aumento adicional na tensão, a quebra se torna térmica. Este modo é irreversível e o diodo falha.
Junção pn de capacitância parasita
Já foi mencionado que a junção p-n tem capacidade elétrica. E se essa propriedade é útil e usada em varicaps, em diodos comuns pode ser prejudicial. Embora capacidade é unidades ou dezenas de pF e em corrente contínua ou baixas frequências é imperceptível, com o aumento da frequência sua influência aumenta. Alguns picofarads em RF criarão resistência baixa o suficiente para vazamento de sinal espúrio, aumentarão a capacitância existente e alterarão os parâmetros do circuito e, juntamente com a indutância da saída ou do condutor impresso, formarão um circuito de ressonância espúrio. Portanto, na produção de dispositivos de alta frequência, são tomadas medidas para reduzir a capacitância da transição.
Marcação de diodo
A maneira mais fácil de marcar diodos em uma caixa de metal. Na maioria dos casos, eles são marcados com a designação do dispositivo e sua pinagem. Diodos em uma caixa de plástico são marcados com uma marca de anel no lado do cátodo. Mas não há garantia de que o fabricante observe estritamente essa regra, por isso é melhor consultar o diretório. Melhor ainda, toque o dispositivo com um multímetro.
Diodos zener domésticos de baixa potência e alguns outros dispositivos podem ter marcas de dois anéis ou pontos de cores diferentes em lados opostos do gabinete. Para determinar o tipo de tal diodo e sua pinagem, você precisa pegar um livro de referência ou encontrar um identificador de marcação on-line na Internet.
Aplicações de diodos
Apesar do dispositivo simples, os diodos semicondutores são amplamente utilizados em eletrônica:
- Para endireitar tensão CA. Um clássico do gênero - a propriedade da junção p-n é usada para conduzir a corrente em uma direção.
- detectores de diodo. Aqui, a não linearidade da característica I–V é usada, o que permite isolar harmônicos do sinal, os quais podem ser distinguidos por filtros.
- Dois diodos, conectados back-to-back, servem como um limitador para sinais poderosos que podem sobrecarregar os estágios de entrada subsequentes de receptores de rádio sensíveis.
- Os diodos Zener podem ser incluídos como elementos à prova de faíscas que não permitem que pulsos de alta tensão entrem nos circuitos dos sensores instalados em áreas classificadas.
- Os diodos podem servir como dispositivos de comutação em circuitos de alta frequência. Eles abrem com uma tensão constante e passam (ou não passam) o sinal de RF.
- Os diodos paramétricos servem como amplificadores de sinais fracos na faixa de micro-ondas devido à presença de uma seção com resistência negativa no ramo direto da característica.
- Diodos são usados para montar misturadores operando em equipamentos de transmissão ou recepção. Eles misturam sinal do oscilador local com um sinal de alta frequência (ou baixa frequência) para processamento posterior. Ele também usa a não linearidade da característica corrente-tensão.
- A característica não linear permite o uso de diodos de micro-ondas como multiplicadores de frequência. Quando o sinal passa pelo diodo multiplicador, os harmônicos mais altos são destacados. Em seguida, eles podem ser selecionados por filtragem.
- Diodos são usados como elementos de sintonia para circuitos ressonantes. Neste caso, é utilizada a presença de uma capacitância controlada na junção p-n.
- Alguns tipos de diodos são usados como geradores na faixa de micro-ondas. Estes são principalmente diodos de túnel e dispositivos com o efeito Gunn.
Esta é apenas uma breve descrição das capacidades dos dispositivos semicondutores de terminal duplo. Com um estudo profundo das propriedades e características com a ajuda de diodos, é possível resolver muitos problemas atribuídos aos desenvolvedores de equipamentos eletrônicos.
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