Электроника:Полупроводники/Диоды и выпрямители/Прочие диодные технологии

Поддержать проект

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Макаров В. (valemak)

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Диодные схемы коммутации

Варикапы (варакторы)

Диод переменной ёмкости известен как варикап или как варактор. Если диод включён в обратном направлении, между двумя полупроводящими слоями образуется изолирующая обеднённая область. Во многих диодах ширина обеднённой области может быть изменена путём изменения обратного включения. Это меняет ёмкость. Данный эффект усилен в диодах-варикапах. Схематические символы показаны на рисунке 1 ниже, один из которых выполнен в виде двойного диода с общим катодом.

Рис. 1. Варикап: Ёмкость зависит от обратного включения (что изменяет частоту резонансной сети).

Если варикап является частью резонансного контура, как показано на рисунке 1 выше, частота может быть изменена с помощью управляющего напряжения V_{Управл.}. Конденсатор большой ёмкости и с низким X_C, подключённый последовательно с варикапом, предотвращает короткое замыкание V_{Управл.} на катушке индуктивности L. Пока последовательный конденсатор большой, он оказывает минимальное влияние на частоту резонансного контура. C_{Дополн.} можно использовать для установки центральной резонансной частоты. Затем V_{Управл.} может изменять частоту в этой точке. Обратите внимание: на рисунке не показана активная схема, необходимая для создания колебаний резонансной сети. Также можно ознакомиться с примером радиоприемника AM, настраиваемым с помощью варикапа (см. раздел «Электронная настройка варикапа» в 9-й главе).

Изменение обратного включение изменяет ёмкость перехода, причём в этом плане некоторые варикапы могут быть резкими, гипер-резкими или супер-гипер-резкими. В подобных диодах изменять ёмкость можно в достаточно больших пределах. Это полезно, когда генераторы или фильтры варьируются в большом диапазоне частот. При изменении включения варикапов за пределами номинальных значений ёмкость изменяется так: для резких варикапов – в соотношении 4:1, для гипер-резких – 10:1, для супер-гипер-резких – 20:1. Варакторы могут использоваться в схемах умножителей частоты (см. «Практические аналоговые полупроводниковые схемы», раздел про варакторный умножитель).

Диод с накоплением заряда

Диод с накоплением заряда, также известный как диод с резким восстановлением, предназначен для использования в умножителях частоты с высоким соотношением до 20 ГГц. Когда диод включён в прямом направлении, заряд сохраняется в P-N-переходе. Заряд растрачивается в случае обратного включения диода. При прямом включении диод выглядит как источник тока с низким сопротивлением. При обратном включении он всё ещё выглядит как источник с низким сопротивлением, но до тех пор, пока не иссякнет весь заряд. Затем он «переключается» в состояние с высоким импедансом, вызывая импульс напряжения, богатый гармониками. Это применяется в генераторах-«гребёнках», в которых создаётся много гармоник (в результате чего график электрического сигнала похож на расчёску). Ещё одно применение – умножители ×2 и ×4 умеренной мощности.

PIN-диоды

PIN-диод – это быстродействующий переключающий диод низкой ёмкости. Только не путайте переключающий PIN-диод с PIN-фотодиодом. PIN-диод изготавливается из кремниевого переключающего диода с внутренней областью, добавленной между слоями P-N-перехода. Это даёт большую обеднённую область, изолирующей слой на стыке диода с обратным включением. Это приводит к более низкой ёмкости, чем у обычного переключающего диода с обратным включением.

Рис. 2. PIN-диод: поперечное сечение + схематическое обозначение.

PIN-диоды используются вместо переключающих диодов в радиочастотных приложениях, например, в переключателе «приём/передача». Силовой диод общего назначения 1n4007 1000 В, 1 А может использоваться в качестве диода переключения контактов (так говорят). Высокое напряжение этого диода достигается за счёт включения внутреннего слоя, разделяющего P-N-переход. Этот внутренний слой делает 1n4007 PIN-диодом. Другое применение PIN-диода – в качестве антенны-переключателя для пеленгатора приёмника.

PIN-диоды служат переменными резисторами при изменении прямого включения. Одно из таких приложений –аттенюатор переменного напряжения. Низкая ёмкость PIN-диодов расширяет частоты аттенюатора до микроволновых значений.

Лавинно-пролётный диод

Лавинно-пролётный диод (также называемый как IMPATT-диод от англ. IMPact Avalanche Transit Time diode что дословно можно перевести как пробойный диод с лавинообразно увеличивающимся временем пробега) – это мощный радиочастотный генератор, работающий в диапазоне от 3 до 100 ГГц. IMPATT-диоды изготавливаются из кремния, арсенида галлия или карбида кремния.

Обратное включение IMPATT-диода происходит выше напряжения пробоя. Высокие уровни легирования создают тонкую обеднённую область. Возникающее в результате сильное электрическое поле быстро ускоряет носители тока, которые освобождают другие носители при столкновении с кристаллической решёткой. «Дырки» сосредотачиваются в P⁺ области. Электроны же дрейфуют в направлении N-областей. Каскадный эффект лавинообразно создаёт ток, сила которого увеличивается даже при уменьшении напряжения на переходе. На переходе импульсы тока отстают от пика напряжения. Эффект «отрицательного сопротивления» в сочетании с резонансным контуром создаёт колебания с высокими уровнями мощности (высокими для полупроводников).

Рис. 3. IMPATT-диод: схема генератора и сильно легированные P- и N-слои.

Резонансный контур на принципиальной схеме на рисунке 3 выше является эквивалентом уплотнённого контура секции волновода, в которой установлен IMPATT-диод. Обратное включение постоянного тока подаётся через дроссель, который предотвращает потерю ВЧ сигнала при подаче напряжения включения. Это может быть участок волновода, известный как тройник смещения. Радиолокационные передатчики малой мощности могут быть использованы в качестве источника питания IMPATT-диода. Для использования в ресивере они чересчур шумны.

Диод Ганна

Диод Ганна состоит исключительно из полупроводников N-типа. То есть, это не совсем диод. На рисунке ниже показан слаболегированный N-слой, окружённый сильно легированными N⁺-слоями. Напряжение, приложенное к диоду N-типа из арсенида галлия, создаёт сильное электрическое поле на слаболегированном N-слое.

Рис. 4. Диод Ганна: Схема генератора и сечение только полупроводникового диода N-типа.

По мере увеличения напряжения проводимость увеличивается из-за электронов в зоне проводимости с низкой энергией. Когда напряжение превышает пороговое значение, составляющее приблизительно 1 В, электроны перемещаются из нижней зоны проводимости в зону проводимости с более высокой энергией, где они больше не влияют на проводимость. Другими словами, по мере увеличения напряжения ток уменьшается, то есть наблюдается отрицательное сопротивление. Частота колебаний определяется временем пролёта электронов проводимости, которое обратно пропорционально толщине N-слоя.

Частоту можно до некоторой степени регулировать, встраивая диод Ганна в резонансный контур. Уплотнённая эквивалентная схема, показанная на рисунке 4 выше, на самом деле является коаксиальной линией передачи или волноводом. Диоды Ганна из арсенида галлия доступны для работы в диапазоне от 10 до 200 ГГц при мощности от 5 до 65 мВт. Диоды Ганна также могут служить усилителями.

Диод Шокли

Диод Шокли – это 4-слойный тиристор, используемый для запуска крупных тиристоров. Он проводит только в одном направлении при срабатывании напряжения, превышающего напряжение включения, что составляет около 20 В (см. главу «Тиристоры» раздел про диоды Шокли). Двунаправленная версия называется диак или динистор (см. в главе «Тиристоры» раздел про динисторы).

Диоды постоянного тока

Диод постоянного тока, также известный как токоограничивающий диод или токоуправляющий диод, делает именно то, что подразумевается из его названия: регулирует проходящий через него ток, не давая ему превысить некоторый максимальный уровень. Диод постоянного тока представляет собой двухконтактную версию полевого транзистора. Если мы попытаемся пропустить через диод постоянного тока больше тока чем положено, излишки просто «сдерживаются», увеличивая падение напряжения. Если бы мы собрали схему как на рисунке 5.а ниже и построили график зависимости силы тока диода от напряжения, то получили бы график, который сначала возрастает, а затем выходит на почти горизонтальное плато в точке регулирования тока:

Рис. 5. Диод постоянного тока: (а) Тестовая схема. (б) Зависимость тока от напряжения.

Одно из применений диода постоянного тока - автоматическое ограничение тока через светодиод или лазерный диод в широком диапазоне напряжений источника питания:

Рис. 6. Применение диода постоянного тока: управляющий лазерный диод.

Конечно, в таком диоде точка регулирования постоянного тока должна быть выбрана в соответствии с оптимальным значением прямого тока светодиода (LED) или лазерного диода. Это более важно для лазерного диода, чем для светодиода, поскольку обычные светодиоды более устойчивы к изменениям прямого тока.

Карбидо-кремниевые диоды

Карбидо-кремниевые диоды (SiC-диоды) работают при высоких температурах до 400°C. Особенно это полезно там, где высокая температурах окружающей среды, как-то: нефтяные скважины, газотурбинные двигатели, автомобильные моторы. Или же такие диоды применяются в умеренных температурных условиях при высоком рассеянии мощности. Перспективно использование таких диодов в ядерной и космической сфере, поскольку карбид кремния в сотни раз более устойчив к радиации по сравнению с обычным кремнием. Карбид кремния обладает большей теплопроводностью, чем любой металл. Таким образом, SiC лучше отводит тепло, чем просто кремний. Напряжение пробоя – несколько киловольт. Предполагается, что силовые устройства на основе карбида кремния снизят потери в электроэнергетике в сотни раз.

Полимерные диоды

Полимерные диоды производятся на основе органических соединений при низкотемпературном режиме. Проводящие полимеры с высоким содержанием «дырок» и электронов можно послойно печатать на 3D-принтере. Большая часть исследований и разработок связана с органическими светодиодами (OLED). Ведутся разработки недорогих печатаемых органических меток RFID (для радиочастотной идентификации). Уже есть опытные образцы органических выпрямителей на основе пентацена, работающих при частоте 50 МГц. В идеале нужно достичь выпрямление до 800 МГц. Также разработан недорогой диод «металл-диэлектрик-металл», работающий как двухсторонний стабилитрон. Изготовлена и полимерная версия туннельного диода.