דיודות מוליכים למחצה נמצאות בשימוש נרחב בתחום האלקטרוניקה ובתעשיית האלקטרוניקה. הם משמשים הן באופן עצמאי והן כצומת p-n של טרנזיסטורים והתקנים רבים אחרים. כרכיב בדיד, דיודות הן חלק מרכזי במעגלים אלקטרוניים רבים. הם מוצאים יישומים רבים, החל מיישומים בהספק נמוך ועד למיישרים.
מהי דיודה?
בתרגום מיוונית, פירוש שמו של האלמנט האלקטרוני הזה הוא "שני מסופים". הם נקראים אנודה וקתודה. במעגל, זרם זורם מהאנודה לקתודה. דיודה מוליכים למחצה היא אלמנט חד צדדי וזרימת הזרם בכיוון ההפוך נחסמת.
עקרון הפעולה
התקן של דיודות מוליכים למחצה שונה מאוד. זו הסיבה שישנם סוגים רבים, הנבדלים זה מזה הן בערכם הנקוב והן בתפקודים שהם מבצעים. עם זאת, ברוב המקרים העיקרון הבסיסיהפעולה של דיודות מוליכים למחצה זהה. הם מכילים צומת p-n, המספק את הפונקציונליות הבסיסית שלהם.
מונח זה משמש בדרך כלל בהתייחסות לצורה הסטנדרטית של דיודה. למעשה, זה חל כמעט על כל סוג שלהם. דיודות מהוות את עמוד השדרה של תעשיית האלקטרוניקה המודרנית. הכל - מאלמנטים פשוטים וטרנזיסטורים ועד למיקרו-מעבדים מודרניים - מבוסס על מוליכים למחצה. עקרון הפעולה של דיודה מוליכים למחצה מבוסס על המאפיינים של מוליכים למחצה. הטכנולוגיה מבוססת על קבוצת חומרים, שהחדרת זיהומים לרשת הגבישית שלהם מאפשרת להשיג אזורים בהם חורים ואלקטרונים הם נושאי מטען.
P-n-junction
דיודה מסוג p-n קיבלה את שמה מכיוון שהיא משתמשת בצומת p-n המאפשר לזרם לזרום בכיוון אחד בלבד. לאלמנט יש מאפיינים נוספים שנמצאים גם בשימוש נרחב. דיודות מוליכים למחצה, למשל, יכולות לפלוט ולזהות אור, לשנות קיבול ולווסת מתח.
P-n-צומת הוא מבנה בסיסי של מוליכים למחצה. כפי שהשם מרמז, זהו צומת בין אזורים מסוג p ו-n. המעבר מאפשר לנושאי המטען לנוע בכיוון אחד בלבד, מה שמאפשר למשל להמיר זרם חילופין לזרם ישר.
דיודות סטנדרטיות עשויות בדרך כלל מסיליקון, אם כי נעשה שימוש גם בגרמניום ובחומרים מוליכים למחצה אחרים, בעיקר למטרות מיוחדות.
Volt-מאפיין אמפר
הדיודה מאופיינת בעקומת זרם-מתח, אותה ניתן לחלק ל-2 ענפים: קדימה ואחורה. בכיוון ההפוך, זרם הדליפה קרוב ל-0, אך עם עליית המתח הוא גדל לאט, וכאשר מגיעים למתח הפירוק הוא מתחיל לעלות בחדות. בכיוון קדימה, הזרם עולה במהירות עם מתח מופעל מעל סף ההולכה, שהוא 0.7 וולט עבור דיודות סיליקון ו-0.4 וולט עבור גרמניום. לתאים המשתמשים בחומרים שונים יש מאפיינים שונים של וולט-אמפר וסף הולכה ומתחי פירוק.
דיודה p-n-junction יכולה להיחשב כהתקן ברמה בסיסית. הוא נמצא בשימוש נרחב ביישומים רבים, החל ממעגלי אותות וגלאים ועד מגבילים או מדכאי ארעיות בסלילי אינדוקציה או ממסר ומיישרים בהספק גבוה.
תכונות ופרמטרים
מפרטי דיודה מספקים הרבה נתונים. עם זאת, הסברים מדויקים של מה הם לא תמיד זמינים. להלן פירוט המאפיינים והפרמטרים השונים של הדיודה, המפורטים במפרט.
חומר מוליכים למחצה
לחומר המשמש בצמתים p-n יש חשיבות עליונה מכיוון שהוא משפיע על רבים מהמאפיינים הבסיסיים של דיודות מוליכים למחצה. הסיליקון הוא הנפוץ ביותר בגלל היעילות הגבוהה ועלויות הייצור הנמוכות שלו. אחר בשימוש תכוףהיסוד הוא גרמניום. חומרים אחרים משמשים בדרך כלל בדיודות ייעודיות. בחירת החומר המוליך למחצה חשובה כי היא קובעת את סף ההולכה - כ-0.6 וולט לסיליקון ו-0.3 וולט לגרמניום.
ירידה במתח במצב זרם ישר (U pr.)
כל מעגל חשמלי שדרכו עובר זרם גורם לירידת מתח, ולפרמטר זה של דיודה מוליכים למחצה יש חשיבות רבה, במיוחד לתיקון, כאשר הפסדי החשמל פרופורציונליים ל-U ave. בנוסף, רכיבים אלקטרוניים צריכים לעתים קרובות לספק נפילת מתח קטנה, מכיוון שהאותות עשויים להיות חלשים, אבל הם עדיין צריכים להתגבר עליה.
זה קורה משתי סיבות. הראשון טמון בעצם טבעו של צומת p-n והוא תוצאה של מתח סף הולכה המאפשר לזרם לחצות את שכבת הדלדול. הרכיב השני הוא ההפסד ההתנגדות הרגיל.
למחוון יש חשיבות רבה עבור דיודות מיישרים, שיכולות לשאת זרמים גדולים.
שיא מתח הפוך (U arr. max)
זהו המתח האחורי הגבוה ביותר שדיודה מוליכים למחצה יכולה לעמוד בו. אסור לחרוג ממנו, אחרת האלמנט עלול להיכשל. זה לא רק מתח ה-RMS של אות הכניסה. יש להתייחס לכל מעגל לגופו, אך עבור מיישר חצי גל בודד פשוט עם קבל החלקה, זכור כי הקבל יחזיק מתח השווה לשיא הקלטאוֹת. לאחר מכן, הדיודה תהיה נתונה לשיא האות הנכנס בכיוון ההפוך, ולכן בתנאים אלו יהיה מתח הפוך מרבי השווה לערך השיא של הגל.
זרם קדימה מרבי (U pr. max)
בעת תכנון מעגל חשמלי, ודא שלא חורגים מרמות זרם הדיודה המקסימליות. ככל שהזרם גדל, נוצר חום נוסף, אותו יש להסיר.
זרם דליפה (אני מגיע)
בדיודה אידיאלית, לא אמור להיות זרם הפוך. אבל בצמתים p-n אמיתיים, זה נובע מנוכחותם של נושאי מטען מיעוט במוליך למחצה. כמות זרם הזליגה תלויה בשלושה גורמים. ברור, המשמעותי שבהם הוא המתח ההפוך. כמו כן, זרם הדליפה תלוי בטמפרטורה - עם צמיחתו הוא עולה באופן משמעותי. בנוסף, זה תלוי מאוד בסוג החומר המוליך למחצה. בהקשר זה, הסיליקון הרבה יותר טוב מגרמניום.
זרם דליפה נקבע במתח הפוך מסוים ובטמפרטורה מסוימת. הוא מצויין בדרך כלל במיקרו-אמפר (ΜA) או פיקו-אמפר (pA).
קיבול מעבר
לכל דיודות המוליכים למחצה יש קיבול של צומת. אזור הדלדול הוא מחסום דיאלקטרי בין שני לוחות שנוצרים בקצה אזור הדלדול לבין האזור עם רוב נושאי המטען. ערך הקיבול בפועל תלוי במתח ההפוך, מה שמוביל לשינוי באזור המעבר. הגידול שלו מרחיב את אזור הדלדול, וכתוצאה מכך,מפחית את הקיבולת. עובדה זו מנוצלת ב-varactors או varicaps, אך עבור יישומים אחרים, במיוחד יישומי RF, יש למזער את ההשפעה הזו. הפרמטר מצוין בדרך כלל ב-pF במתח נתון. דיודות מיוחדות בעלות התנגדות נמוכה זמינות עבור יישומי RF רבים.
סוג מקרה
בהתאם למטרה, דיודות מוליכים למחצה מיוצרות באריזות מסוגים וצורות שונות. במקרים מסוימים, במיוחד בשימוש במעגלי עיבוד אותות, החבילה היא מרכיב מפתח בקביעת המאפיינים הכוללים של אותו אלמנט אלקטרוני. במעגלי חשמל שבהם פיזור חום חשוב, החבילה יכולה לקבוע רבים מהפרמטרים הכלליים של דיודה. התקנים בהספק גבוה צריכים להיות מסוגלים להיות מחוברים לגוף קירור. ניתן לייצר פריטים קטנים יותר במארזי עופרת או כהתקני הרכבה על פני השטח.
סוגי דיודות
לפעמים כדאי להכיר את הסיווג של דיודות מוליכים למחצה. עם זאת, פריטים מסוימים עשויים להשתייך למספר קטגוריות.
דיודה הפוכה. למרות שהוא אינו בשימוש נרחב, מדובר בסוג של אלמנט מסוג p-n, אשר בפעולתו דומה מאוד למנהרה. כולל מפל מתח במצב נמוך. מוצא שימוש בגלאים, מיישרים ומתגי תדר גבוה.
דיודת מעבר הזרקה. יש לו הרבה מן המשותף עם הטסת המפולת הנפוצה יותר. משמש במחוללי מיקרוגל ומערכות אזעקה.
דיודה גאן. הוא אינו שייך לסוג p-n, אלא הוא התקן מוליכים למחצה עם שני מסופים. הוא משמש בדרך כלל להפקה והמרת אותות מיקרוגל בטווח 1-100 גיגה-הרץ.
פולט אור או LED הוא אחד הסוגים הפופולריים ביותר של רכיבים אלקטרוניים. בהטיה קדימה, הזרם הזורם דרך הצומת גורם לפליטת אור. הם משתמשים במוליכים למחצה מורכבים (למשל גליום ארסניד, גליום פוספיד, אינדיום פוספיד) ויכולים לזהור במגוון צבעים, למרות שהם הוגבלו במקור לאדום בלבד. יש הרבה פיתוחים חדשים שמשנים את האופן שבו הצגים פועלים ומיוצרים, OLED הוא דוגמה.
Photodiode. משמש לזיהוי אור. כאשר פוטון פוגע בצומת p-n, הוא יכול ליצור אלקטרונים וחורים. פוטודיודות פועלות בדרך כלל בתנאי הטיה הפוכה, כאשר אפילו זרמים קטנים הנוצרים על ידי אור ניתן לזהות בקלות. ניתן להשתמש בפוטודיודות לייצור חשמל. לפעמים אלמנטים מסוג סיכה משמשים כגלאי פוטו.
דיודת פין. שמו של האלמנט האלקטרוני מתאר היטב את המכשיר של דיודה מוליכים למחצה. יש לו אזורים סטנדרטיים מסוג p ו-n, אבל יש אזור פנימי ללא זיהומים ביניהם. יש לו השפעה של הגדלת השטח של אזור הדלדול, מה שיכול להיות שימושי עבור מיתוג, כמו גם בפוטודיודות וכו'.
ניתן להתייחס לצומת p-n סטנדרטי כרגילאו סוג הדיודה הסטנדרטי שנמצא בשימוש היום. ניתן להשתמש בהם ביישומי RF או מתח נמוך אחרים, כמו גם מיישרי מתח גבוה והספק גבוה.
דיודות שוטקי. יש להם ירידת מתח קדימה נמוכה יותר מאשר מוליכים למחצה סיליקון סטנדרטיים מסוג p-n. בזרמים נמוכים, זה יכול להיות מ-0.15 עד 0.4 וולט, ולא 0.6 וולט, כמו עם דיודות סיליקון. לשם כך, הם אינם מיוצרים כרגיל - הם משתמשים במגע מתכת מוליכים למחצה. הם נמצאים בשימוש נרחב כמגבילים, מיישרים ובציוד רדיו.
דיודה עם צבירת מטען. זהו סוג של דיודת מיקרוגל המשמשת ליצירת ועיצוב פולסים בתדרים גבוהים מאוד. פעולתו מבוססת על מאפיין מעידה מהיר מאוד.
דיודת לייזר. הוא נבדל מפולט אור רגיל מכיוון שהוא מייצר אור קוהרנטי. דיודות לייזר משמשות במכשירים רבים, מכונני DVD ו-CD ועד מצביעי לייזר. הם הרבה יותר זולים מצורות אחרות של לייזרים, אבל יקרים משמעותית מנורות לד. יש להם חיי שירות מוגבלים.
דיודת מנהרה. למרות שהוא אינו בשימוש נרחב כיום, הוא שימש בעבר במגברים, מתנדים והתקני מיתוג, מעגלי תזמון אוסילוסקופים, כאשר הוא היה יעיל יותר מאלמנטים אחרים.
Vactor או varicap. משמש בהתקני RF רבים. עבור דיודה זו, הטיה הפוכה משנה את רוחב שכבת הדלדול בהתאם למתח המופעל. בתצורה זו זהפועל כקבל עם אזור דלדול הפועל כדיאלקטרי מבודד ולוחות שנוצרו על ידי האזורים המוליכים. משמש במתנדים מבוקרי מתח ובמסנני RF.
דיודת זנר. זהו סוג שימושי מאוד של דיודה מכיוון שהוא מספק מתח ייחוס יציב. בשל כך, דיודת הזנר משמשת בכמויות אדירות. הוא פועל בתנאי הטיה הפוכה ופורץ דרך כאשר מגיעים להפרש פוטנציאלי מסוים. אם הזרם מוגבל על ידי נגד, אז זה מספק מתח יציב. בשימוש נרחב לייצוב ספקי כוח. ישנם 2 סוגים של התמוטטות הפוכה בדיודות זנר: פירוק זנר ויינון השפעה.
לכן, סוגים שונים של דיודות מוליכים למחצה כוללים אלמנטים ליישומי הספק נמוך והספק גבוה, פולטות ומזהות אור, עם מפל מתח קדימה נמוך וקיבול משתנה. בנוסף לכך, ישנם מספר זנים המשמשים בטכנולוגיית מיקרוגל.
