A félvezető dióda olyan elektronikai félvezető eszköz, amely egy fém-, üveg- vagy műanyagtokba zárt kivezetésekkel ellátott PN-átmenetet tartalmaz. A rajzjel háromszögrésze a P-tartományt (anód) szimbolizálja, míg a függőleges vonalrésze az N-tartományt (katód). A PN-átmenet a rákapcsolt feszültség polaritásától függően nyitó-, vagy záróirányban működtethető. Nyitóirányú a félvezető dióda előfeszítése, ha a P tartomány az N-réteghez képest pozitív feszültséget kap, ellenkező polaritás esetében záróirányú előfeszítésről beszélünk. Ha a félvezető dióda nyitóirányú polarizálással van bekötve a dióda által képviselt ellenállás nagyon kis értékű. Záróirányú polarizálás esetén a dióda ellenállása igen nagy értékű. A dióda tehát nyitóirányban átengedi az elektromos áramot, záróirányban pedig lezárja, ezért a félvezető diódának egyenirányító hatása van.
A félvezető dióda nyitóirányú előfeszítése (polarizálása):
A dióda nyitóirányú előfeszítése esetén a tértöltési tartományban kialakult villamos térerősség (E0) egy alacsonyabb E0-EF szintre gyengül, míg a potenciálgát értéke egy UD-UF értékre csökken. A nyitóirányú előfeszítés csökkenti a diffúziós feszültséget, amely megakadályozza a többségi töltéshordozók vándorlását.
Kis nyitóirányú feszültség esetén (UF <> UD feszültségértékre gyakorlatilag lineárisnak tekinthető. A nyitóirányú áram értéke függ a hőmérséklettől, mivel a hőmérséklet növekedésével a termikus töltéshordozók száma exponenciálisan nő, a dióda nyitóirányú karakterisztikája balra tolódik.
A félvezető dióda záróirányú előfeszítése (polarizálása):
A dióda záróirányú előfeszítése esetén a tértöltési tartományban kezdetben kialakult villamos térerősség (E0) egy E0 + ER szintre felerősödik, míg a potenciálgát értéke UD + UR értékre nő. A tértöltési zóna a félvezetőben a záróirányú feszültség függvényében kiszélesedik.
A PN-átmeneten záróirányú polarizálása esetén nagyon kis értékű áram halad át, amelynek értéke független a rákapcsolt zárófeszültségtől. Ezt az áramot záróirányú áramnak vagy visszáramnak nevezzük. A záróirányú áram nagysága a hőmérséklet növekedésével exponenciálisan nő. Állandó hőmérsékleten nulla záróirányú feszültség esetén a visszáram is nulla.
A kisebbségi töltéshordozók áramlása már igen kis záróirányú feszültség esetén megindul és a visszáram néhány tized voltnál telítésbe kerül. Az UR záróirányú feszültséget tovább növelve a karakterisztikán egy kritikus feszültségértéket érünk el (UZ – letörési feszültség), ahol a visszáram először kismértékben, majd rohamosan növekszik. A karakterisztikának ezt a szakaszát letörési tartománynak nevezzük. A gyors áramnövekedés két jelenség, általában együttes fellépésének tulajdonítható:
1. Zener-letörés: a kialakuló villamos tér erőhatása elektronokat szabadít ki a félvezető kristály kötéséből, amelyek szabad töltéshordozóként részt vesznek az áram létrehozásában. A Zener-letörés mindkét oldalon erősen szennyezett zónájú diódákban lép fel (Zener-diódák).
2. Lavinaletörés: ha a záróirányú feszültség túllép egy kritikus értéket (UZK), a félvezetőben jelenlevő szabad elektronok akkora mozgási energiára tesznek szert, hogy ütközéseik révén további elektronokat szabadítanak ki az atomi kötésekből. Ennek következtében lavinaszerű töltéshordozó-sokszorozás indul meg.
A félvezető dióda teljes karakterisztikája:
A félvezető diódák I=f(U) karakterisztikájának meghatározására alkalmas kapcsolásban alkalmazott feszültségforrás, változtatható kimeneti feszültséget kell biztosítson. A jelleggörbéből meghatározható a diódák ellenállása: egyenáramú ellenállás (RF = UF / IF); differenciális ellenállás (rF = ∆UF / ∆IF).
A dióda teljes karakterisztikáján négy különböző tartományt különböztetünk meg:
I. Letörési tartomány: kis záróirányú feszültségváltozás hatására nagy áramváltozás következik be. Az egyenáramú- és differenciális ellenállás értéke gyakorlatilag nullának tekinthető. Az átmeneten átfolyó visszáram igen nagy értéket vehet fel, amelyet korlátozni kell.
II. Zárási tartomány: a visszáram telítési jelleget mutat. Az egyenáramú- és differenciális ellenállás értéke nagyon nagy. A dióda egyenfeszültség és váltakozófeszültség esetén is szakadásként viselkedik.
III. Nyitóirányú tartomány, exponenciális szakasza (UF ≤ UD): a diódán átfolyó áram a nyitóirányú feszültség növekedésével exponenciálisan nő. A PN-átmenet egyenáramú ellenállása ugyanakkor egyre kisebb lesz.
IV. Nyitóirányú tartomány, lineáris szakasza (UF ≥ UD): a diódán folyó áram minimális mértékben függ a nyitóirányú feszültség változástól. A dióda kis értékű elektromos ellenállásként viselkedik.
A félvezető diódák csoportosítása:
a. Egyenirányító diódák: váltakozó áram egyenirányítására, azaz egyenárammá való átalakítására használják.
b. Zener diódák: feszültségstabilizálásra és feszültséghatárolásra használják.
c. Tűsdiódák: főleg híradástechnikában alkalmazzák magas frekvenciás detektorokban, frekvenciaváltó áramkörökben és kapcsoló áramkörök alkotóelemeként.
d. Kapacitásdiódák: rezgőkörök feszültségvezérelt hangolására és frekvencia-modulációt megvalósító áramkörökben használják.
e. Alagútdiódák: magas frekvencián alkalmazzák detektálásra, rezgéskeltésre és erősítésre.
f. Schottky diódák: gyorsműködésű digitális integrált áramkörök részegységeként alkalmazzák.
A félvezető dióda nyitóirányú előfeszítése (polarizálása):
A dióda nyitóirányú előfeszítése esetén a tértöltési tartományban kialakult villamos térerősség (E0) egy alacsonyabb E0-EF szintre gyengül, míg a potenciálgát értéke egy UD-UF értékre csökken. A nyitóirányú előfeszítés csökkenti a diffúziós feszültséget, amely megakadályozza a többségi töltéshordozók vándorlását.
Kis nyitóirányú feszültség esetén (UF <> UD feszültségértékre gyakorlatilag lineárisnak tekinthető. A nyitóirányú áram értéke függ a hőmérséklettől, mivel a hőmérséklet növekedésével a termikus töltéshordozók száma exponenciálisan nő, a dióda nyitóirányú karakterisztikája balra tolódik.
A félvezető dióda záróirányú előfeszítése (polarizálása):
A dióda záróirányú előfeszítése esetén a tértöltési tartományban kezdetben kialakult villamos térerősség (E0) egy E0 + ER szintre felerősödik, míg a potenciálgát értéke UD + UR értékre nő. A tértöltési zóna a félvezetőben a záróirányú feszültség függvényében kiszélesedik.
A PN-átmeneten záróirányú polarizálása esetén nagyon kis értékű áram halad át, amelynek értéke független a rákapcsolt zárófeszültségtől. Ezt az áramot záróirányú áramnak vagy visszáramnak nevezzük. A záróirányú áram nagysága a hőmérséklet növekedésével exponenciálisan nő. Állandó hőmérsékleten nulla záróirányú feszültség esetén a visszáram is nulla.
A kisebbségi töltéshordozók áramlása már igen kis záróirányú feszültség esetén megindul és a visszáram néhány tized voltnál telítésbe kerül. Az UR záróirányú feszültséget tovább növelve a karakterisztikán egy kritikus feszültségértéket érünk el (UZ – letörési feszültség), ahol a visszáram először kismértékben, majd rohamosan növekszik. A karakterisztikának ezt a szakaszát letörési tartománynak nevezzük. A gyors áramnövekedés két jelenség, általában együttes fellépésének tulajdonítható:
1. Zener-letörés: a kialakuló villamos tér erőhatása elektronokat szabadít ki a félvezető kristály kötéséből, amelyek szabad töltéshordozóként részt vesznek az áram létrehozásában. A Zener-letörés mindkét oldalon erősen szennyezett zónájú diódákban lép fel (Zener-diódák).
2. Lavinaletörés: ha a záróirányú feszültség túllép egy kritikus értéket (UZK), a félvezetőben jelenlevő szabad elektronok akkora mozgási energiára tesznek szert, hogy ütközéseik révén további elektronokat szabadítanak ki az atomi kötésekből. Ennek következtében lavinaszerű töltéshordozó-sokszorozás indul meg.
A félvezető dióda teljes karakterisztikája:
A félvezető diódák I=f(U) karakterisztikájának meghatározására alkalmas kapcsolásban alkalmazott feszültségforrás, változtatható kimeneti feszültséget kell biztosítson. A jelleggörbéből meghatározható a diódák ellenállása: egyenáramú ellenállás (RF = UF / IF); differenciális ellenállás (rF = ∆UF / ∆IF).
A dióda teljes karakterisztikáján négy különböző tartományt különböztetünk meg:
I. Letörési tartomány: kis záróirányú feszültségváltozás hatására nagy áramváltozás következik be. Az egyenáramú- és differenciális ellenállás értéke gyakorlatilag nullának tekinthető. Az átmeneten átfolyó visszáram igen nagy értéket vehet fel, amelyet korlátozni kell.
II. Zárási tartomány: a visszáram telítési jelleget mutat. Az egyenáramú- és differenciális ellenállás értéke nagyon nagy. A dióda egyenfeszültség és váltakozófeszültség esetén is szakadásként viselkedik.
III. Nyitóirányú tartomány, exponenciális szakasza (UF ≤ UD): a diódán átfolyó áram a nyitóirányú feszültség növekedésével exponenciálisan nő. A PN-átmenet egyenáramú ellenállása ugyanakkor egyre kisebb lesz.
IV. Nyitóirányú tartomány, lineáris szakasza (UF ≥ UD): a diódán folyó áram minimális mértékben függ a nyitóirányú feszültség változástól. A dióda kis értékű elektromos ellenállásként viselkedik.
A félvezető diódák csoportosítása:
a. Egyenirányító diódák: váltakozó áram egyenirányítására, azaz egyenárammá való átalakítására használják.
b. Zener diódák: feszültségstabilizálásra és feszültséghatárolásra használják.
c. Tűsdiódák: főleg híradástechnikában alkalmazzák magas frekvenciás detektorokban, frekvenciaváltó áramkörökben és kapcsoló áramkörök alkotóelemeként.
d. Kapacitásdiódák: rezgőkörök feszültségvezérelt hangolására és frekvencia-modulációt megvalósító áramkörökben használják.
e. Alagútdiódák: magas frekvencián alkalmazzák detektálásra, rezgéskeltésre és erősítésre.
f. Schottky diódák: gyorsműködésű digitális integrált áramkörök részegységeként alkalmazzák.
Megjegyzés küldése