Vom elektronischen Design bis zur Produktion und Reparatur werden Dioden häufig für verschiedene Anwendungen eingesetzt. Diese sind von unterschiedlicher Art und übertragen den elektrischen Strom basierend auf den Eigenschaften und Spezifikationen dieser bestimmten Diode. Dies sind hauptsächlich PN-Sperrschichtdioden, lichtempfindliche Dioden, Zenerdioden, Schottky-Dioden, Varaktordioden. Zu den lichtempfindlichen Dioden gehören LEDs, Fotodioden und Photovoltaikzellen. Einige davon werden in diesem Artikel kurz erläutert.
1. PN-Sperrschichtdiode
Ein PN-Übergang ist eine Halbleitervorrichtung, die aus Halbleitermaterial vom P-Typ und N-Typ gebildet wird. Der P-Typ hat eine hohe Konzentration an Löchern und der N-Typ hat eine hohe Konzentration an Elektronen. Die Lochdiffusion erfolgt vom p-Typ zum n-Typ und die Elektronendiffusion vom n-Typ zum p-Typ.
Die Donorionen im n-Typ-Bereich werden positiv geladen, wenn sich die freien Elektronen vom n-Typ zum p-Typ bewegen. Daher wird auf der N-Seite des Übergangs eine positive Ladung aufgebaut. Die freien Elektronen über dem Übergang sind die negativen Akzeptorionen durch Ausfüllen der Löcher. Die auf der p-Seite des Übergangs aufgebaute negative Ladung ist in der Abbildung dargestellt.
Ein elektrisches Feld, das von den positiven Ionen im n-Typ-Bereich und den negativen Ionen im p-Typ-Bereich gebildet wird. Dieser Bereich wird als Diffusionsbereich bezeichnet. Da das elektrische Feld freie Ladungsträger schnell herausfegt, ist die Region frei von freien Ladungsträgern. Ein eingebautes Potential V.mit eineraufgrund von Ê an der Verbindungsstelle gebildet ist, ist in der Figur dargestellt.
Funktionsdiagramm der PN-Sperrschichtdiode:
Funktionsdiagramm der PN-Sperrschichtdiode
Vorwärtsmerkmale der PN-Verbindung:
Wenn der Pluspol der Batterie mit dem P-Typ verbunden ist und der Minuspol mit dem N-Typ verbunden ist, wird die Vorwärtsvorspannung des PN-Übergangs als Abbildung unten gezeigt.
Vorwärtskennlinien der PN-Verbindung
Wenn diese externe Spannung größer als der Wert der Potentialbarriere wird, ungefähr 0,7 Volt für Silizium und 0,3 V für Ge, wird die Potentialbarriere überschritten und der Strom beginnt aufgrund der Bewegung von Elektronen über den Übergang und dasselbe für die Löcher zu fließen.
P-N Junction Forward Bias-Eigenschaften
Umgekehrte Eigenschaften der PN-Verbindung:
Wenn dem n-Teil eine positive Spannung und dem p-Teil der Diode eine negative Spannung gegeben wird, spricht man von einem Sperrvorspannungszustand.
P-N Junction Reverse Characteristics Circuit
Wenn dem N-Teil der Diode eine positive Spannung gegeben wird, bewegen sich die Elektronen in Richtung der positiven Elektrode, und das Anlegen einer negativen Spannung an den p-Teil bewirkt, dass sich die Löcher in Richtung der negativen Elektrode bewegen. Infolgedessen kreuzen die Elektronen den Übergang, um sich mit den Löchern auf der gegenüberliegenden Seite des Übergangs zu verbinden und umgekehrt. Als Ergebnis wird eine Verarmungsschicht gebildet, die einen hochohmigen Pfad mit einer hohen Potentialbarriere aufweist.
P-N Junction Reverse Bias-Eigenschaften
Anwendungen der PN-Sperrschichtdiode:
Die PN-Sperrschichtdiode ist eine polaritätsempfindliche Vorrichtung mit zwei Anschlüssen. Die Diode leitet in Vorwärtsrichtung und die Diode nicht in Vorwärtsrichtung. Aufgrund dieser Eigenschaften wird eine PN-Sperrschichtdiode in vielen Anwendungen wie z
- Gleichrichter in DC Netzteil
- Demodulationsschaltungen
- Clipping- und Clamping-Netzwerke
2. Fotodiode
Die Fotodiode ist eine Art Diode, die Strom erzeugt, der proportional zur einfallenden Lichtenergie ist. Es handelt sich um einen Licht-Spannungs- / Stromwandler, der in Sicherheitssystemen, Förderbändern, automatischen Schaltsystemen usw. Anwendung findet. Die Fotodiode ähnelt im Aufbau einer LED, ihr pn-Übergang ist jedoch sehr lichtempfindlich. Der pn-Übergang kann freigelegt oder mit einem Fenster verpackt sein, um Licht in den PN-Übergang einzutreten. Im vorwärts vorgespannten Zustand fließt Strom von der Anode zur Kathode, während im rückwärts vorgespannten Zustand der Photostrom in der umgekehrten Richtung fließt. In den meisten Fällen ähnelt die Verpackung der Fotodiode der LED, wobei Anoden- und Kathodenleitungen aus dem Gehäuse herausragen.
Fotodiode
Es gibt zwei Arten von Fotodioden - PN- und PIN-Fotodioden. Der Unterschied liegt in ihrer Leistung. Die PIN-Fotodiode hat eine intrinsische Schicht, daher muss sie in Sperrrichtung vorgespannt sein. Infolge der Sperrvorspannung nimmt die Breite des Verarmungsbereichs zu und die Kapazität des pn-Übergangs nimmt ab. Dies ermöglicht die Erzeugung von mehr Elektronen und Löchern im Verarmungsbereich. Ein Nachteil der Sperrvorspannung besteht jedoch darin, dass ein Rauschstrom erzeugt wird, der das S / N-Verhältnis verringern kann. Daher ist die umgekehrte Vorspannung nur für Anwendungen geeignet, die eine höhere Vorspannung erfordern Bandbreite . Die PN-Fotodiode ist ideal für Anwendungen mit geringerem Licht, da der Betrieb unvoreingenommen ist.
Die Fotodiode arbeitet in zwei Modi, nämlich im Photovoltaikmodus und im photoleitenden Modus. Im Photovoltaikmodus (auch als Zero Bias-Modus bezeichnet) wird der Photostrom vom Gerät begrenzt und es baut sich eine Spannung auf. Die Fotodiode befindet sich jetzt im vorwärts vorgespannten Zustand und ein „Dunkelstrom“ beginnt über den pn-Übergang zu fließen. Dieser Dunkelstromfluss erfolgt entgegen der Richtung des Photostroms. Der Dunkelstrom wird in Abwesenheit von Licht erzeugt. Der Dunkelstrom ist der durch die Hintergrundstrahlung induzierte Photostrom plus der Sättigungsstrom im Gerät.
Der photoleitende Modus tritt auf, wenn die Fotodiode in Sperrrichtung vorgespannt ist. Infolgedessen nimmt die Breite der Verarmungsschicht zu und führt zu einer Verringerung der Kapazität des pn-Übergangs. Dies erhöht die Reaktionszeit der Diode. Die Empfindlichkeit ist das Verhältnis des erzeugten Photostroms zur einfallenden Lichtenergie. Im photoleitenden Modus erzeugt die Diode nur einen kleinen Strom, der als Sättigungsstrom oder Rückstrom entlang ihrer Richtung bezeichnet wird. Der Photostrom bleibt in diesem Zustand gleich. Der Photostrom ist immer proportional zur Lumineszenz. Obwohl der photoleitende Modus schneller als der photovoltaische Modus ist, ist das elektronische Rauschen im photoleitenden Modus höher. Fotodioden auf Siliziumbasis erzeugen weniger Rauschen als Fotodioden auf Germaniumbasis, da Silizium-Fotodioden eine größere Bandlücke aufweisen.
3. Zenerdiode
Die Zenerdiode ist ein Diodentyp, der den Stromfluss in Vorwärtsrichtung ähnlich wie bei einer Gleichrichterdiode ermöglicht, gleichzeitig aber auch den Rückfluss des Stroms ermöglicht, wenn die Spannung über dem Durchschlagwert des Zener liegt. Dies ist typischerweise ein bis zwei Volt höher als die Nennspannung des Zeners und wird als Zenerspannung oder Lawinenpunkt bezeichnet. Der Zener wurde nach Clarence Zener benannt, der die elektrischen Eigenschaften der Diode entdeckte. Zenerdioden finden Anwendung in der Spannungsregelung und zum Schutz von Halbleiterbauelementen vor Spannungsschwankungen. Zenerdioden werden häufig als Spannungsreferenzen und als Nebenschlussregler zur Regelung der Spannung zwischen Schaltkreisen verwendet.
Die Zenerdiode verwendet ihren pn-Übergang im Sperrvorspannungsmodus, um den Zenereffekt zu erzielen. Während des Zener-Effekts oder des Zener-Durchbruchs hält der Zener die Spannung nahe an einem konstanten Wert, der als Zener-Spannung bekannt ist. Die herkömmliche Diode hat auch die Eigenschaft der Sperrvorspannung, aber wenn die Sperrvorspannung überschritten wird, wird die Diode einem hohen Strom ausgesetzt und sie wird beschädigt. Die Zenerdiode hingegen ist speziell für eine reduzierte Durchbruchspannung ausgelegt, die als Zenerspannung bezeichnet wird. Die Zenerdiode weist auch die Eigenschaft eines kontrollierten Durchbruchs auf und ermöglicht es dem Strom, die Spannung über der Zenerdiode nahe an der Durchbruchspannung zu halten. Zum Beispiel lässt ein 10-Volt-Zener 10 Volt über einen weiten Bereich von Rückströmen abfallen.
Wenn die Zenerdiode in Sperrrichtung vorgespannt ist, erfährt ihr pn-Übergang einen Lawinendurchbruch und der Zener leitet in Sperrrichtung. Unter dem Einfluss des angelegten elektrischen Feldes werden die Valenzelektronen beschleunigt, um andere Elektronen anzuklopfen und freizusetzen. Dies endet im Lawineneffekt. In diesem Fall führt eine kleine Spannungsänderung zu einem großen Stromfluss. Der Zener-Durchschlag hängt vom angelegten elektrischen Feld sowie von der Dicke der Schicht ab, an die die Spannung angelegt wird.
Die Zenerdiode benötigt einen Strombegrenzungswiderstand in Reihe, um den Stromfluss durch den Zener zu begrenzen. Typischerweise ist der Zenerstrom auf 5 mA festgelegt. Wenn beispielsweise ein 10-V-Zener mit einer 12-Volt-Versorgung verwendet wird, ist ein 400-Ohm-Wert (nahe Wert 470 Ohm) ideal, um den Zener-Strom auf 5 mA zu halten. Wenn die Versorgung 12 Volt beträgt, liegen 10 Volt an der Zenerdiode und 2 Volt am Widerstand an. Bei 2 Volt über dem 400-Ohm-Widerstand beträgt der Strom durch den Widerstand und den Zener 5 mA. In der Regel werden also je nach Versorgungsspannung 220 Ohm bis 1K Widerstände in Reihe mit dem Zener geschaltet. Wenn der Strom durch den Zener nicht ausreicht, ist der Ausgang ungeregelt und liegt unter der nominalen Durchbruchspannung.
Die folgende Formel ist nützlich, um den Strom durch den Zener zu bestimmen:
Zener = (VIn - V Out) / R Ohm
Der Wert des Widerstands R muss zwei Bedingungen erfüllen.
- Es muss ein niedriger Wert sein, um einen ausreichenden Strom durch den Zener zu ermöglichen
- Die Nennleistung des Widerstands muss hoch genug sein, um den Zener zu schützen.
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