Полупроводниковые диоды принцип действия: Принцип работы полупроводникового диода

Содержание

Принцип работы полупроводникового диода

Полупроводниковые диоды: виды, характеристики, принцип работы

Для контроля направления электрического тока необходимо применять разные радио и электро детали.

В частности, современная электроника использует с такой целью полупроводниковый диод, его применение обеспечивает ровный ток.

Устройство

Полупроводниковый электрический диод или диодный вентиль – это устройство, которое выполнено из полупроводниковых материалов (как правило, из кремния) и работает только с односторонним потоком заряженных частиц.

Основным компонентом является кристаллическая часть, с p-n переходом, которая подключена к двум электрическими контактами.

Трубки вакуумного диода имеют два электрода: пластину (анод) и нагретый катод.

Принцип работы диодов

Диод является одной из разновидностей приборов, сконструированных на полупроводниковой основе. Обладает одним p-n переходом, а также анодным и катодным выводом. В большинстве случаев он предназначен для модуляции, выпрямления, преобразования и иных действий с поступающими электрическими сигналами.

Принцип работы:

Электрический ток воздействует на катод, подогреватель начинает накаливаться, а электрод испускать электроны.
Между двумя электродами происходит образование электрического поля.
Если анод обладает положительным потенциалом, то он начинает притягивать электроны к себе, а возникшее поле является катализатором данного процесса. При этом, происходит образование эмиссионного тока.
Между электродами происходит образование пространственного отрицательного заряда, способного помешать движению электронов. Это происходит, если потенциал анода оказывается слишком слабым. В таком случае, частям электронов не удается преодолеть воздействие отрицательного заряда, и они начинают двигаться в обратном направлении, снова возвращаясь к катоду.

Все электроны, которые достигли анода и не вернулись к катоду, определяют параметры катодного тока. Поэтому данный показатель напрямую зависит от положительного анодного потенциала.
Поток всех электронов, которые смогли попасть на анод, имеет название анодный ток, показатели которого в диоде всегда соответствуют параметрам катодного тока. Иногда оба показателя могут быть нулевыми, это происходит в ситуациях, когда анод обладает отрицательным зарядом. В таком случае, возникшее между электродами поле не ускоряет частицы, а, наоборот, тормозит их и возвращает на катод. Диод в таком случае остается в запертом состоянии, что приводит к размыканию цепи.

//www.youtube.com/embed/NqCaJhS0HGU?feature=oembed&wmode=opaque

Устройство

Ниже приводится подробное описание устройства диода, изучение этих сведений необходимо для дальнейшего понимания принципов действия этих элементов:

Корпус представляет собой вакуумный баллон, который может быть изготовлен из стекла, металла или прочных керамических разновидностей материала.
Внутри баллона имеется 2 электрода. Первый является накаленным катодом, который предназначен для обеспечения процесса эмиссии электронов. Самый простейший по конструкции катод представляет собой нить с небольшим диаметром, которая накаливается в процессе функционирования, но на сегодняшний день более распространены электроды косвенного накала. Они представляют собой цилиндры, изготовленные из металла, и обладающие особым активным слоем, способным испускать электроны.
Внутри катода косвенного накала имеется специфический элемент – проволока, которая накаливается под воздействием электрического тока, она называется подогреватель.
Второй электрод является анодом, он необходим для приема электронов, которые были выпущены катодом. Для этого он должен обладать положительным относительно второго электрода потенциалом. В большинстве случаев анод также имеет цилиндрическую форму.
Оба электрода вакуумных приборов полностью идентичны эмиттеру и базе полупроводниковой разновидности элементов.
Для изготовления диодного кристалла чаще всего используется кремний или германий. Одна из его частей является электропроводимой по p-типу и имеет недостаток электронов, который образован искусственным методом. Противоположная сторона кристалла также имеет проводимость, но n-типа и обладает избытком электронов. Между двумя областями имеется граница, которая и называется p-n переходом.

Такие особенности внутреннего устройства наделяют диоды их главным свойством – возможностью проведения электрического тока только в одном направлении.

Назначение

Ниже приводятся основные области применения диодов, на примере которых становится понятно их основное назначение:

Диодные мосты представляют собой 4, 6 или 12 диодов, соединенных между собой, их количество зависит от типа схемы, которая может быть однофазной, трехфазной полумостовой или трехфазной полномостовой. Они выполняют функции выпрямителей, такой вариант чаще всего используется в автомобильных генераторах, поскольку внедрение подобных мостов, а также использование вместе с ними щеточно-коллекторных узлов, позволило в значительной степени сократить размеры данного устройства и увеличить степень его надежности.
Если соединение выполнено последовательно и в одну сторону, то это повышает минимальные показатели напряжения, которое потребуется для отпирания всего диодного моста.
Диодные детекторы получаются при комбинированном использовании данных приборов с конденсаторами. Это необходимо для того, чтобы было можно выделить модуляцию с низкими частотами из различных модулированных сигналов, в том числе амплитудно-модулированной разновидности радиосигнала. Такие детекторы являются частью конструкции многих бытовых потребителей, например, телевизоров или радиоприемников.

Обеспечение защиты потребителей от неверной полярности при включении схемных входов от возникающих перегрузок или ключей от пробоя электродвижущей силой, возникающей при самоиндукции, которая происходит при отключении индуктивной нагрузки. Для обеспечения безопасности схем от возникающих перегрузок, применяется цепочка, состоящая из нескольких диодов, имеющих подключение к питающим шинам в обратном направлении. При этом, вход, которому обеспечивается защита, должен подключаться к середине этой цепочки. Во время обычного функционирования схемы, все диоды находятся в закрытом состоянии, но если ими было зафиксировано, что потенциал входа ушел за допустимые пределы напряжения, происходит активация одного из защитных элементов. Благодаря этому, данный допустимый потенциал получает ограничение в рамках допустимого питающего напряжения в сумме с прямым падением показателей напряжение на защитном приборе.

Переключатели, созданные на основе диодов, используются для осуществления коммутации сигналов с высокими частотами. Управление такой системой осуществляется при помощи постоянного электрического тока, разделения высоких частот и подачи управляющего сигнала, которое происходит благодаря индуктивности и конденсаторам.
Создание диодной искрозащиты. Используются шунт-диодные барьеры, которые обеспечивают безопасность путем ограничения напряжения в соответствующей электрической цепи. В совокупности с ними применяются токоограничительные резисторы, которые необходимы для ограничения показателей электрического тока, проходящего через сеть, и увеличения степени защиты.

Использование диодов в электронике на сегодняшний день весьма широко, поскольку фактически ни одна современная разновидность электронного оборудования не обходится без этих элементов.

Прямое включение диода

На p-n-переход диода может оказывать воздействие напряжение, подаваемое с внешних источников. Такие показатели, как величина и полярность, будут сказываться на его поведении и проводимом через него электрическом токе.

Ниже подробно рассмотрен вариант, при котором происходит подключение плюса к области p-типа, а отрицательного полюса к области n-типа. В этом случае произойдет прямое включение:

Под воздействием напряжения от внешнего источника, в p-n-переходе сформируется электрическое поле, при этом его направление будет противоположным относительно внутреннего диффузионного поля.
Напряжение поля значительно снизится, что вызовет резкое сужение запирающего слоя.
Под воздействием этих процессов значительное количество электронов обретет возможность свободно переходить из p-области в n-область, а также в обратном направлении.

Показатели тока дрейфа во время этого процесса остаются прежними, поскольку они напрямую зависят только от числа неосновных заряженных носителей, находящихся в области p-n-перехода.
Электроны обладают повышенным уровнем диффузии, что приводит к инжекции неосновных носителей. Иными словами, в n-области произойдет повышение количества дырок, а в p-области будет зафиксирована повышенная концентрация электронов.
Отсутствие равновесия и повышенное число неосновных носителей заставляет их уходить вглубь полупроводника и смешиваться с его структурой, что в итоге приводит к разрушению его свойств электронейтральности.

Полупроводник при этом способен восстановить свое нейтральное состояние, это происходит благодаря получению зарядов от подключенного внешнего источника, что способствует появлению прямого тока во внешней электрической цепи.

Обратное включение диода

Теперь будет рассмотрен другой способ включения, во время которого изменяется полярность внешнего источника, от которого происходит передача напряжения:

Главное отличие от прямого включения заключается в том, что создаваемое электрическое поле будет обладать направлением, полностью совпадающим с направлением внутреннего диффузионного поля. Соответственно, запирающий слой будет уже не сужаться, а, наоборот, расширяться.
Поле, находящееся в p-n-переходе, будет оказывать ускоряющий эффект на целый ряд неосновных носителей заряда, по этой причине, показатели дрейфового тока останутся без изменений. Он будет определять параметры результирующего тока, который проходит через p-n-переход.
По мере роста обратного напряжения, электрический ток, протекающий через переход, будет стремиться достичь максимальных показателей. Он имеет специальное название – ток насыщения.
В соответствии с экспоненциальным законом, с постепенным увеличением температуры будут увеличиваться и показатели тока насыщения.

Прямое и обратное напряжение

Напряжение, которое оказывает воздействие на диод, разделяют по двум критериям:

Прямое напряжение – это то, при котором происходит открытие диода и начинается прохождение через него прямого тока, при этом показатели сопротивления прибора являются крайне низкими.
Обратное напряжение – это то, которое обладает обратной полярностью и обеспечивает закрытие диода с прохождением через него обратного тока. Показатели сопротивления прибора при этом начинают резко и значительно расти.

Сопротивление p-n-перехода является постоянно меняющимся показателем, в первую очередь на него оказывает влияние прямое напряжение, подающееся непосредственно на диод. Если напряжение увеличивается, то показатели сопротивления перехода будут пропорционально уменьшаться.

Это приводит к росту параметров прямого тока, проходящего через диод. Когда данный прибор закрыт, то на него воздействует фактически все напряжение, по этой причине показатели проходящего через диод обратного тока являются незначительными, а сопротивление перехода при этом достигает пиковых параметров.

Работа диода и его вольт-амперная характеристика

Под вольт-амперной характеристикой данных приборов понимается кривая линия, которая показывает то, в какой зависимости находится электрический ток, протекающий через p-n-переход, от объемов и полярности напряжения, воздействующего на него.

Подобный график можно описать следующим образом:

Ось, расположенная по вертикали: верхняя область соответствует значениям прямого тока, нижняя область параметрам обратного тока.
Ось, расположенная по горизонтали: область, находящаяся справа, предназначена для значений прямого напряжения; область слева для параметров обратного напряжения.
Прямая ветвь вольт-амперной характеристики отражает пропускной электрический ток через диод. Она направлена вверх и проходит в непосредственной близости от вертикальной оси, поскольку отображает увеличение прямого электрического тока, которое происходит при увеличении соответствующего напряжения.
Вторая (обратная) ветвь соответствует и отображает состояние закрытого электрического тока, который также проходит через прибор. Положение у нее такое, что она проходит фактически параллельно относительно горизонтальной оси. Чем круче эта ветвь подходит к вертикали, тем выше выпрямительные возможности конкретного диода.
По графику можно наблюдать, что после роста прямого напряжения, протекающего через p-n-переход, происходит медленное увеличение показателей электрического тока. Однако постепенно, кривая достигает области, в которой заметен скачок, после которого происходит ускоренное нарастание его показателей. Это объясняется открытием диода и проведением тока при прямом напряжении. Для приборов, изготовленных из германия, это происходит при напряжении равном от 0,1В до 0,2В (максимальное значение 1В), а для кремниевых элементов требуется более высокий показатель от 0,5В до 0,6В (максимальное значение 1,5В).
Показанное увеличение показателей тока может привести к перегреву полупроводниковых молекул. Если отведение тепла, происходящее благодаря естественным процессам и работе радиаторов, будет меньше уровня его выделения, то структура молекул может быть разрушена, и этот процесс будет иметь уже необратимый характер. По этой причине, необходимо ограничивать параметры прямого тока, чтобы не допустить перегрева полупроводникового материала. Для этого, в схему добавляются специальные резисторы, имеющие последовательное подключение с диодами.
Исследуя обратную ветвь можно заметить, что если начинает увеличиваться обратное напряжение, которое приложено к p-n-переходу, то фактически незаметен рост параметров тока. Однако в случаях, когда напряжение достигает параметров, превосходящих допустимые нормы, может произойти внезапный скачок показателей обратного тока, что перегреет полупроводник и будет способствовать последующему пробою p-n-перехода.

Принцип работы

Понять принцип действия полупроводникового диода несложно. Все, что для этого понадобится — разбираться в базовых законах физики и знать, как происходят некоторые электрические процессы.

Изначально электроток действует на катод, что вызывает накаливание подогревательного элемента. В свою очередь, электродом испускаются электроны, а между двумя частями появляется электрическое поле.

Аноды с положительным зарядом воздействуют на электроны и притягивают их, а образованное поле выступает в качестве катализатора такой реакции. Также в этот момент формируется эмиссионный ток.

В двух электродах начинается формирование пространственно-отрицательного заряда, который может препятствовать протеканию электронов. Однако случается это лишь при снижении потенциала анода, в результате чего масса электронов не способна справиться с отрицательными элементами, что заставляет их перемещаться в обратном порядке, то есть электроны снова возвращаются к катоду.

Нередко показатели катодного тока держатся нулевой отметки — происходит это при воздействии частиц с зарядом минус. В результате образованное поле не заставляет электроны двигаться быстрее, а вызывает обратную реакцию — притормаживает их и заставляет вернуться обратно к катоду. В конечном итоге цепь размыкается, так как диод остается в запертом состоянии.

Конструкция диода

Одна из возможных конструкций диода показана ниже:

Рассмотрим одну из возможных конструкций прибора. Кристалл полупроводника 1 (например, с электронной проводимостью) размещен на металлической основе 3. На верхней части кристалла размещена примесь 2 (например индий), который обеспечивает наличие дырочной проводимости. Кристалл закрыт корпусом 4 во избежание различных механических повреждений p-n перехода.

С индиевой наплавки сделан изолированный вывод через стеклянный изолятор 5 – это анод прибора. Выводом же катода будет металлический корпус 3, которая также обеспечивает отвод тепла при работе устройства, чем защищает его от теплового пробоя и перегрева.

В свою очередь полупроводниковые элементы делят на:

Малая мощность – ток до 0,3 А;
Средняя – от 0,3 до 10 А;
Мощные – от 10 А;

Схемы включения диодов

Если возникнет необходимость пропускать через полупроводники токи, которые больше их номинальных, соединяют их параллельно, что позволит пропустить больший ток, но возникает необходимость использовать индуктивные делители, для выравнивания токов элементов, схема ниже:

При больших напряжениях – соединяют последовательно. Но для таких соединений необходимо применять специальных схемы коммутации, чтоб не допустить выход элементов из строя, они показаны ниже:

Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Полупроводниковый диод

Полупроводниковый диод — это полупроводниковый элемент, пропускающий ток только в одном направлении. Принцип работы диода основан на свойствах проводимости полупроводников, а именно на электронно-дырочном переходе.

На принципиальной электрической схеме диоды изображаются следующим образом:

Диоды изготавливают в основном методами сплавления и методом диффузии. Метод сплавления заключается в сплавлении пластин p и n – типов, а метод диффузии состоит во внедрении примесных атомов в полупроводниковую пластину. Благодаря этим способам изготавливаются большие площади p – n переходов – до 1000 мм2. А чем больше площадь перехода, тем больший ток можно через него пропускать.

Существуют также точечные (высокочастотные) диоды, площадь их p – n перехода меньше 0,1 мм2. Такие диоды изготавливаются с помощью соединения металлической иглы с полупроводником. Применяются точечные диоды в аппаратуре сверхвысоких частот при значении тока 10-20 мА.

Основные виды полупроводниковых диодов по функциональному назначению: выпрямительные, стабилитроны, импульсные, светодиоды, фотодиоды и т.д.

Выпрямительными называют полупроводниковые диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный. Такие диоды изготавливают методами сплавки и диффузии, для того чтобы создать большую площадь p-n перехода, так как через них протекают большие токи. Сам процесс выпрямления переменного тока заключается в свойстве диода хорошо проводить ток в одном направлении и практически не проводить его в другом.

Ниже изображена схема простейшего однополупериодного выпрямителя. Работает он следующим образом: положительный полупериод напряжения Uвх, диод V пропускает практически без изменения, и напряжение Ur практически равно Uвх. Но в момент времени, когда полупериод напряжения отрицательный, диод включен в обратном направлении и все напряжение Uвх падает на диоде, а напряжение на резисторе практически равно нулю

На рисунке схематично изображен график напряжения на резисторе.

Стабилитронами (опорными диодами) называются полупроводниковые диоды предназначенные для стабилизации постоянного напряжения. Для стабилизации напряжения в стабилитронах используют обратную ветвь вольт-амперной характеристики в области электрического пробоя, для этого их включают в обратном направлении. При изменении тока протекающего через стабилитрон от значения Iстmin до Iстmax напряжение на нем почти не изменяется.

Стабилитроны стабилизируют напряжение от 3,5 В, а для стабилизации меньшего напряжения используют стабисторы. В стабисторах используют прямую ветвь вольт-амперной характеристики, поэтому их включают в прямом направлении.

Импульсным называется диод, который предназначен для работы в импульсных схемах. В прямом направлении импульсный диод хорошо проводит электрический ток. При обратном включении такого диода, обратный ток в нем резко увеличивается, а через короткий промежуток времени исчезает. Таким образом получается электрический импульс.

Просмотров:

Принцип работы полупроводникового диода

Полупроводниковый диод — полупроводниковый прибор, в широком смысле — электронный прибор, изготовленный из полупроводникового материала, имеющий два электрических вывода (электрода). В более узком смысле — полупроводниковый прибор, во внутренней структуре которого сформирован один p-n-переход.

Диод — самый простейший по устройству в славном семействе полупроводниковых приборов. Если взять пластинку полупроводника, например германия, и в его левую половину ввести акцепторную примесь, а в правую донорную, то с одной стороны получится полупроводник типа P, соответственно с другой типа N. В середине кристалла получится, так называемый P-N переход, как показано на рисунке 1.

На этом же рисунке показано условное графическое обозначение диода на схемах: вывод катода (отрицательный электрод) очень похож на знак «-». Так проще запомнить.

Всего в таком кристалле две зоны с различной проводимостью, от которых выходят два вывода, поэтому полученный прибор получил название диод, поскольку приставка «ди» означает два.

В данном случае диод получился полупроводниковый, но подобные устройства были известны и раньше: например в эпоху электронных ламп был ламповый диод, называвшийся кенотрон. Сейчас такие диоды ушли в историю, хотя приверженцы «лампового» звука считают, что в ламповом усилителе даже выпрямитель анодного напряжения должен быть ламповым!

Рисунок 1. Строение диода и обозначение диода на схеме

На стыке полупроводников с P и N проводимостями получается P-N переход (P-N junction), который является основой всех полупроводниковых приборов. Но в отличии от диода, у которого этот переход лишь один, транзисторы имеют два P-N перехода, а, например, тиристоры состоят сразу из четырех переходов.

P-N переход в состоянии покоя

Даже если P-N переход, в данном случае диод, никуда не подключен, все равно внутри него происходят интересные физические процессы, которые показаны на рисунке 2.

Рисунок 2. Диод в состоянии покоя

В области N имеется избыток электронов, она несет в себе отрицательный заряд, а в области P заряд положительный. Вместе эти заряды образуют электрическое поле. Поскольку разноименные заряды имеют свойство притягиваться, электроны из зоны N проникают в положительно заряженную зону P, заполняя собой некоторые дырки. В результате такого движения внутри полупроводника возникает, хоть и очень маленький (единицы наноампер), но все-таки ток.

В результате такого движения возрастает плотность вещества на стороне P, но до определенного предела. Частицы обычно стремятся распространяться равномерно по всему объему вещества, подобно тому, как запах духов распространяется на всю комнату (диффузия), поэтому, рано или поздно, электроны возвращаются обратно в зону N.

Если для большинства потребителей электроэнергии направление тока роли не играет, — лампочка светится, плитка греется, то для диода направление тока играет огромную роль. Основная функция диода проводить ток в одном направлении. Именно это свойство и обеспечивается P-N переходом.

Далее рассмотрим, как ведет себя диод в двух возможных случаях подключения источника тока.

Включение диода в обратном направлении

Если к полупроводниковому диоду подключить источник питания, как показано на рисунке 3, то ток через P-N переход не пройдет.

Рисунок 3. Обратное включение диода

Как видно на рисунке, к области N подключен положительный полюс источника питания, а к области P – отрицательный. В результате электроны из области N устремляются к положительному полюсу источника. В свою очередь положительные заряды (дырки) в области P притягиваются отрицательным полюсом источника питания. Поэтому в области P-N перехода, как видно на рисунке, образуется пустота, ток проводить просто нечем, нет носителей заряда.

При увеличении напряжения источника питания электроны и дырки все сильней притягиваются электрическим полем батарейки, в области же P-N перехода носителей заряда остается все меньше. Поэтому в обратном включении ток через диод не идет. В таких случаях принято говорить, что полупроводниковый диод заперт обратным напряжением.

Увеличение плотности вещества около полюсов батареи приводит к возникновению диффузии, — стремлению к равномерному распределению вещества по всему объему. Что и происходит при отключении элемента питания.

Обратный ток полупроводникового диода

Вот здесь как раз и настало время вспомнить о неосновных носителях, которые были условно забыты. Дело в том, что даже в закрытом состоянии через диод проходит незначительный ток, называемый обратным. Этот обратный ток и создается неосновными носителями, которые могут двигаться точно так же, как основные, только в обратном направлении. Естественно, что такое движение происходит при обратном напряжении. Обратный ток, как правило, невелик, что обусловлено незначительным количеством неосновных носителей.

С повышением температуры кристалла количество неосновных носителей увеличивается, что приводит к возрастанию обратного тока, что может привести к разрушению P-N перехода. Поэтому рабочие температуры для полупроводниковых приборов, — диодов, транзисторов, микросхем ограничены. Чтобы не допускать перегрева мощные диоды и транзисторы устанавливаются на теплоотводы – радиаторы.

Включение диода в прямом направлении

Показано на рисунке 4.

Рисунок 4. Прямое включение диода

Теперь изменим полярность включения источника: минус подключим к области N (катоду), а плюс к области P (аноду). При таком включении в области N электроны будут отталкиваться от минуса батареи, и двигаться в сторону P-N перехода. В области P произойдет отталкивание положительно заряженных дырок от плюсового вывода батареи. Электроны и дырки устремляются навстречу друг другу.

Заряженные частицы с разной полярностью собираются около P-N перехода, между ними возникает электрическое поле. Поэтому электроны преодолевают P-N переход и продолжают движение через зону P. При этом часть из них рекомбинирует с дырками, но большая часть устремляется к плюсу батарейки, через диод пошел ток Id.

Этот ток называется прямым током. Он ограничивается техническими данными диода, некоторым максимальным значением. Если это значение будет превышено, то возникает опасность выхода диода из строя. Следует, однако, заметить, что направление прямого тока на рисунке совпадает с общепринятым, обратным движению электронов.

Можно также сказать, что при прямом направлении включения электрическое сопротивление диода сравнительно небольшое. При обратном включении это сопротивление будет во много раз больше, ток через полупроводниковый диод не идет (незначительный обратный ток здесь в расчет не принимается). Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что диод ведет себя подобно обычному механическому вентилю: повернул в одну сторону — вода течет, повернул в другую — поток прекратился. За это свойство диод получил название полупроводникового вентиля.

Чтобы детально разобраться во всех способностях и свойствах полупроводникового диода, следует познакомиться с его вольт – амперной характеристикой. Также неплохо узнать о различных конструкциях диодов и частотных свойствах, о достоинствах и недостатках.

Ранее ЭлектроВести писали, что два больших проекта систем накопления энергии (СНЭ) на юге Техаса в США общей номинальной мощностью 200 МВт будут реализованы на основе технологий Wärtsilä. Накопители будут соединены непосредственно с системой передачи электроэнергии как самостоятельные участники рынка. Компания Wärtsilä также подписала сервисное соглашение с гарантированными на 10 лет эксплуатационными показателями.

По материалам: electrik.info.

Полупроводниковый диод . Классификация параметры и обозначен…

Привет, Вы узнаете про полупроводниковый диод, Разберем основные ее виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое полупроводниковый диод,вах диодов,классификация диодов,уго диодов,вольтамперная характеристика диодов,параметры диодов,простейший выпрямитель,простейший стабилизатор,диод , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база

Полупроводниковым диод ом называют электропреобразовательный прибор, который, как правило, содержит один или несколько электрических переходов и два вывода для подключения к внешней цепи. Принцип работы большинства диодов основан на использовании различных физических явлений в электрических переходах. Наиболее часто в диодах применяют электроннодырочные переходы, контакты металл-полупроводник, анизотипные гетеропереходы. Однако существуют диоды, структура которых не содержит выпрямляющих электрических переходов (например, диод Ганна) либо содержит несколько переходов (например, p-i-n-диод, динистор), а также диоды с более сложной структурой переходов (например, MДM- и MДП-диоды и др.).

полупроводниковый диод — полупроводниковый прибор, в широком смысле — электронный прибор, изготовленный из полупроводникового материала, имеющий два электрических вывода (электрода). В более узком смысле — полупроводниковый прибор, во внутренней структуре которого сформирован один p-n-переход.

В отличие от других типов диодов, например, вакуумных, принцип действия полупроводниковых диодов основывается на различных физических явлениях переноса зарядов в твердотельном полупроводнике и взаимодействии их с электромагнитным полем в полупроводнике.

Полупроводниковыми диодами называются полупроводниковые приборы с одним p-n-переходом и двумя выводами.

Полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом, работа которого заключается в преобразования одних электрических значений в другие, называют диодом. В конструкции данного изделия предусматривается два вывода для монтажа.
Сущесвуют также диодные сборки с множеством выводов.

классификация диодов .

Классификация диодов

Типы диодов по назначению

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный.
Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов, предназначены для применения в импульсных режимах работы.
Детекторные диоды предназначены для детектирования сигнала
Смесительные диоды предназначены для преобразования высокочастотных сигналов в сигнал промежуточной частоты.
Переключательные диоды предназначены для применения в устройствах управления уровнем сверхвысокочастотной мощности.
Параметрические
Ограничительные диоды предназначены для защиты радио и бытовой аппаратуры от повышения сетевого напряжения.
Умножительные
Настроечные
Генераторные

Типы диодов по частотному диапазону

Низкочастотные
Высокочастотные
СВЧ

Типы диодов по размеру перехода

Плоскостные
Точечные
Микросплавные

Типы диодов по принципу работы и конструкции

Диоды Шоттки
СВЧ-диоды
Стабилитроны
Стабисторы
Варикапы
Светодиоды
Фотодиоды
Pin диод
Лавинный диод
Лавинно-пролетный диод
Диод Ганна
Туннельные диоды
Обращенные диоды

Другие типы

Селеновый выпрямитель (вентиль)
Медно-закисный выпрямитель (вентиль, купрокс)
алмазный диод- применяется в высокотемпературных средах (бурение, иследование других планети т.д.)

По мощности

В зависимости от конструктивных особенностей, разные диоды способны рассеивать в пространство различную

мощность, которая ограничивается тепловым разрушением материала проводимости или p-n перехода. Таким образом, диоды делят на:

Маломощные;
Средней мощности;
Большой мощности (силовые).

По исполнению корпуса

Один и тот же вид диода может изготавливаться в различных корпусах. Для портативных устройств лучшим вариантом является диоды в форм-факторе SMD. Проволочные выводы в них заменены контактными площадками. Это обеспечивает им минимальные габаритные размеры, а также позволяет отказаться от монтажа в отверстия платы печатной платы и перейти на поверхностный. Сейчас поверхностным монтажом собирается более 95% портативных устройств. Его просто автоматизировать, а пайка ведется с помощью инфракрасной печи или ручного паяльного фена.

Рисунок 3.1 – Упрощенная структура и условное графическое обозначение полупроводникового диода.

Рисунок 3.1 – Устройство плоскостного диода.

Рисунок 3.1 – Устройство точечного диода.

Под понятием полупроводникового диода собрано множество приборов с различным назначением. Приборы с одним p—n-переходом;

выпрямительный диод — достаточно мощный, позволяющий получать из переменного тока постоянный для питания нагрузки;
импульсный диод;
лавинно-пролетный диод;
туннельный диод — диод с участком, обладающим отрицательным дифференциальным сопротивлением;
стабилитрон — диод, работающий на напряжении электрического пробоя в обратном направлении;
варикап — диод с управляемой напряжением емкостью ЭДП в обратном включении;
диод с накоплением заряда — импульсный диод с малым временем восстановления обратного сопротивления, выполненный методом диффузии примесей.

Приборы с иными разновидностями полупроводниковых структур:

диод Ганна — полупроводниковый прибор без p—n-перехода, использующий эффект доменной неустойчивости;
диод шоттки — прибор со структурой металл — полупроводник, с уменьшенным падением напряжения в прямом направлении;

Фотоэлектрические приборы со структурой типа p—i—n:

фотодиод — диод, преобразующий свет в разность потенциалов;
светодиод — диод, излучающий свет.

Также, помимо прочего, к диодам относят:

динистор, неуправляемый тиристор , имеющий слоистую p—n—p—n-структуру;

Плоскостные диоды обладают с высокими емкостными характеристиками. С увеличением частоты емкостное сопротивление понижается, что приводит к нарастанию его обратного тока. На больших частотах вследствие того в диоде есть емкость, величина его обратного тока может достичь значения прямого тока, и этот диод, таким образом, утратит свое основное свойство односторонней электропроводности. Для сохранения своих функциональных качеств необходимо снизить емкость диода. Это достигается с помощью всевозможных технологических и конструктивных методов, направленных на сокращения площади p-n-перехода.

В диодах, используемых в схемах, работающих с высокочастотным током, применяют изделия с точечными и микросплавными p-n-переходами. Нужный точечный p-n-переход, получается в месте контакта заостренного окончания специальной металлической иглы с полупроводником. При этом применяют способ электроформования, заключающемся в том, что через соединение проволоки и кристалла полупроводники протекают импульсы электрического тока, формирующие в месте их контакта p-n-переход . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Микросплавными называются такие диоды, у которых p-n-переход создается при электроформовании контакта между пластинкой полупроводника и металлическим предметом с плоским торцом.

Выпрямительные диоды.

SMD форм-фактор не подходит для сильноточных диодов. Поэтому там изготавливают диоды в классическом корпусе с двумя выводами. При токах на диоде свыше 10 ампер необходимо уже обеспечивать принудительное охлаждение диода. Для этого они снабжаются болтом и гайкой для крепления к теплоотводящему радиатору. Сейчас серийно выпускаются выпрямительные диоды с максимально допустимым током до 2500 А и напряжением 2000 вольт. Такие модели изготавливаются в дисковом корпусе диаметром около 70 мм. Оба торца являются токоведущими выводами и теплоотводящими поверхностями. Выпрямительные диоды часто делаются в виде сборок по четыре (диодный мост).

Универсальные диоды .

Универсальные импульсные диоды применяются в большом количестве при изготовлении бытовых электронных устройств. Там с помощью них реализуют логические операции, выпрямляют токи небольшой величины. Объемы их выпуска наиболее велики. Цена на них при оптовой покупке составляет несколько центов и менее.

Стабилитроны и варикапы.

Стабилитроны являются простым сенсором, реагирующим на изменение напряжения. Именно такую функцию они выполняют в стабилизаторах напряжения. При помощи организации специальной схемы, маломощным стабилитроном можно стабилизировать значительные токи.

Варикапы являются неотъемлемым компонентом современных радиочастотных схем. Именно с помощью них осуществляется модуляция и перестройка частоты. Важнейшая характеристика варикапа — перекрываемая емкость и добротность. От этого зависит, на какой рабочей частоте может работать варикап. Для СВЧ схем требуются очень высокие значения добротности.

Основные характеристики и параметры диодов

Вольт-амперная характеристика
Максимально допустимое постоянное обратное напряжение
Максимально допустимое импульсное обратное напряжение
Максимально допустимый постоянный прямой ток
Максимально допустимый импульсный прямой ток
Номинальный постоянный прямой ток
Прямое постоянное напряжение на диоде при номинальном токе (т. н. «падение напряжения»)
Постоянный обратный ток, указывается при максимально допустимом обратном напряжении
Диапазон рабочих частот
Ёмкость
Пробивное напряжение (для защитных диодов и стабилитронов)
Тепловое сопротивление корпуса при различных вариантах монтажа
Максимально допустимая мощность рассеивания

система параметров приводятся в справочниках.

Эта система позволяет правильно выбрать диод для применения в конкретных условиях.
Iпр – прямой ток, проходящий в прямом направлении,
Uпр – прямое напряжение,
Iпр max – максимально доступный прямой ток,
Uобр max – максимально доступное обратное напряжение,
Iобр – обратный ток диода,
Uобр – обратное напряжение диода – (постоянное напряжение, приложенное к диоду в обратном направлении).

Вольт-амперная характеристика
Максимально допустимое постоянное обратное напряжение
Максимально допустимое импульсное обратное напряжение
Максимально допустимый постоянный прямой ток
Максимально допустимый импульсный прямой ток
Номинальный постоянный прямой ток
Прямое постоянное напряжение на диоде при номинальном токе (т. н. «падение напряжения»)
Постоянный обратный ток, указывается при максимально допустимом обратном напряжении
Диапазон рабочих частот
Ёмкость
Пробивное напряжение (для защитных диодов и стабилитронов)
Тепловое сопротивление корпуса при различных вариантах монтажа
Максимально допустимая мощность рассеивания

Пример: КД204А Iпр = 2 А, Uобрmax = 400 В,
Uпр = 1.4 В, Iобр = 150 мкА
Диоды, как нелинейные элементы, характеризуются
статическим Rc = U/I
дифференциальным (динамическим) Rдиф = ∆U/∆I

Условное графическое изображение (УГО)диодов на схемах

Общее обозначение диода

Так обозначают на схемах выпрямительные, высокочастотные, импульсные диоды.

Обозначение стабилитронов

Обозначение двухстроннего стабилитрона

Двухсторонний стабилитрон чаще называют двуханодным. Главная прелесть состоит в том, что его можно включать независимо от полярности. Причем стабилитроны одной и той же марки могут быть как двухсторонними, так и односторонними, например, КС162, КС168, КС133 и др. бывают в железных корпусах (или в стекле) и они односторонние, а бывают в пластмассe обычно красного цвета — двуханодные.

Oбозначение варикапа

Обозначение варикапной матрицы

Обозначение туннельного диода

Oбозначение обращенного туннельного диода

Oбозначение диода с барьером Шотки (диод Шотки)

Oбозначение светодиода

Oбозначение фотодиода

Плоскостные

В зависимости от разработки диода его обозначение может включать дополнительные символы . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . В любом случае вершина треугольника, примыкающая к осевой линии диода, указывает на направление протекания тока. В той части обозначения, где располагается треугольник , находится p-область, которую еще называют анодом или эмиттером, а со стороны, где к треугольнику примыкает отрезок , находится n-область, которую соответственно называют катодом, или базой.

Выпрямительные Стабилитрон Туннельные Варикапы Светодиоды Фотодиоды

Условные графические обозначения элементов, компонентов и устройств волоконно-оптических систем передачи с применением диодов

обозначение лазерных диодов

Система маркировки диодов

1 – исходный материал:
германий — буква Г или цифра 1 ;
кремний — буква К или цифра 2 ;
галлий — буква А или цифра 3 ;
индий — буква И или цифра 4
2 – тип прибора:
А — СВЧ диоды
В — варикап ы
Д — выпрямительные и импульсные
И — туннельные диоды
Л — излучающие диоды (светодиоды)
Н — диодные тиристоры ( динисторы )
С — стабилитрон ы
Ц — выпрямительные столбы и блоки
3 – цифры обозначают некоторые основные параметры диода (мощность) (для стабилитронов четвертый элементы характеризуют напряжение стабилизации),
4 – буквы и /или цифры, обозначающие порядковый номер разработки
5 — буква, определяющая классификацию по параметрам.

Вольтамперная характеристика (ВАХ) диодов

Полупроводниковые диоды, назначение которых заключается в преобразовании переменного тока в постоянный ток, называются выпрямительными. Выпрямление переменного тока с использованием полупроводникового диода построено на основе его односторонней электропроводности, которая заключается в том, что диод создает очень малое сопротивление току, текущему в прямом направлении, и достаточно большое сопротивление обратному току.

Для того чтобы выпрямить ток большой силы не опасаясь теплового пробоя, конструкция диодов должна предусматривать значительную площадь p-n-перехода. В связи, с чем в выпрямительных полупроводниковых диодах задействуют специальные p-n-переходы соответствующие последнему слову науки и техники.

Технология создания p-n-перехода получается, за счет ввода в полупроводник p-или n-типа примеси, которая создает в нем область с противоположным значением электропроводности. Примеси можно добавлять методом сплавления или диффузии.

Диоды, получаемые методом сплавления, называют «сплавными», а изготавливаемые методом диффузии «диффузионными».

График стабилитрона

Вольтамперная характеристика (ВАХ) реального диода

Для технических целей используют ВАХ в линейных координатах.
При больших напряжениях обратного смещения в диоде может развиться пробой – резкое увеличение обратного тока при незначительном изменении напряжения. При лавинном пробое электроны в электрическом поле p-n перехода приобретают энергию, достаточную для ионизации собственных атомов полупроводника. Это приводит к лавинному размножению носителей заряда, резкому увеличению их локальной концентрации и соответственно тока. После развития лавинного пробоя диод не теряет свою работоспособность. Этот вид пробоя используется в полупроводниковых стабилитронах, о свойствах которых будет сказано далее.
Тепловой пробой развивается в результате локального разогрева области p-n перехода, и как следствия, увеличения концентрации носителей заряда. Тепловой пробой является необратимым, после которого диод теряет свои свойства и работоспособность.

Вольтамперная характеристика идеального диода

Стабилитронами стабилизируют уровень напряжения примерно от 3,5 Ви выше. Для стабилизации постоянного напряжения до 1 вольта применяют стабисторы. У стабисторов работает не обратная, а прямая часть вольтамперной характеристики. Поэтому их подсоединяют не в обратном, как делают со стабилитронами, а в прямом направлении. Электронные компоненты, такие как стабисторы и стабилитроны, как правило, изготовляются, из кремния.

Вольтамперная характеристика стабистора

Принцип действия универсального диода

Вольт-амперная характеристика диода описывается уравнением Шокли:

где

Темновой ток насыщения — ток утечки диода, определяемый его конструкцией, является масштабным коэффициентом. Коэффициент идеальности — также конструктивная характеристика диода. Для идеального диода равен 1, для реальных диодов колеблется от 1 до 2 в зависимости от различных параметров (резкость перехода, степень легирования и пр.)

простейший выпрямитель

Простейший выпрямитель

В ходе положительного полупериода входного напряжения U1 диод Vработает в прямом направлении, его сопротивление маленькое и на нагрузке RH напряжение U2практически равно входящему напряжению.

График напряжения на входе и выходе простейшего однополупериодного выпрямителя

При отрицательном полупериоде данного входного напряжения диод включен в направлении обратно, где его сопротивление формируется значительно больше, чем сопротивление на нагрузке, и почти все входящее напряжение падает на диоде, а напряжение на нагрузке приближается к нулю В такой схеме для получения выпрямленного напряжения используется всего лишь один полупериод входящего напряжения, поэтому такой тип выпрямителей называется однополупериодным.

Простеший сабилизатор

Полупроводниковые диоды, которые используются для стабилизации постоянного напряжения на нагрузке, называют стабилитронами. В стабилитронах задействован участок обратной участка вольтамперной характеристики в поле электрического пробоя.

Схема простейшего стабилизатора напряжения

В данном случае при изменении тока, проходящего через стабилитрон, от Iст. мин. до Iст. макс. напряжение на нем практически не изменяется. Если нагрузка RH включена параллельно стабилитрону, уровень напряжения на ней также будет оставаться неизменным в указанных пределах изменения тока, проходящего через стабилитрон.

Интересные факты о диодах

В первые десятилетия развития полупроводниковой технологии точность изготовления диодов была настолько низкой, что приходилось делать «разбраковку» уже изготовленных приборов. Так, диод Д220 мог, в зависимости от фактически получившихся параметров, маркироваться и как переключательный (Д220А, Б), и как стабистор (Д220С) Радиолюбители широко использовали его в качестве варикапа.
Диоды могут использоваться как датчики температуры.
Диоды в прозрачном стеклянном корпусе (в том числе и современные SMD-варианты) могут обладать паразитной чувствительностью к свету (то есть радиоэлектронное устройство работает по-разному в корпусе и без корпуса, на свету). Существуют радиолюбительские схемы, в которых обычные диоды используются в качестве фотодиода и даже в качестве солнечной батаре

См. также:

На этом все! Теперь вы знаете все про полупроводниковый диод, Помните, что это теперь будет проще использовать на практике. Надеюсь, что теперь ты понял что такое полупроводниковый диод,вах диодов,классификация диодов,уго диодов,вольтамперная характеристика диодов,параметры диодов,простейший выпрямитель,простейший стабилизатор,диод и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то нестесняся пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база

Полупроводниковые диоды — типы, принцип работы

электрика, сигнализация, видеонаблюдение, контроль доступа (СКУД) и другие инженерно технические системы (ИТС)

Полупроводниковый диод — это электронный прибор, выполненный на основе полупроводникового кристалла.

Стоит заметить, что технологий изготовления диодов достаточно много, но рассмотрение принципа работы полупроводникового диода на молекулярно — электронном уровне целью данной статьи не является.

Дело в том, что для большинства практических целей достаточно знать основные параметры, назначение, общие принципы действия различных типов диодов, схемы подключения.

Области применения полупроводниковых диодов весьма разнообразны, ниже я их конспективно перечислю, а вопросы применения наиболее распространенных типов полупроводниковых диодов подробно рассмотрю на соответствующих страницах.

Выпрямительные диоды обладают высоким сопротивлением при обратном включении и низким — при прямом, то есть хорошо проводят ток только в одном направлении.

Высокочастотные и импульсные диоды имеют схожий принцип действия с предыдущим типом полупроводниковых приборов, однако, за счет малой собственной емкости могут работать на высоких частотах, что, собственно, следует из их названия.

Стабилитроны — при определенных значениях обратного напряжения обратный ток стабилитрона резко увеличивается, что позволяет использовать их как стабилизатор напряжения.

Светодиоды (LED диоды) преобразуют электрическую энергию в световую, широко используются как индикаторы и осветительные устройства (см., например, светодиодная лента).

Фотодиоды преобразуют оптическое излучение в электрический заряд. Могут использоваться как источники электроэнергии (солнечные батареи), кроме того, совместно со светодиодами применяются в пультах дистанционного управления, а также могут обеспечивать гальваническую развязку в электронных схемах.

Варикапы обладают зависимостью своей емкости от приложенного напряжения. Являются своего рода электронно управляемыми конденсаторами переменной емкости.

Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

виды, как работает и область применения

Диод представляет собой простой полупроводниковый прибор, который нашел широкое применение в технике. Не каждый человек знает, что такое диод, и еще меньшее количество людей точно представляет себе принцип работы изделия.

При этом существует большое количество разновидностей этого прибора, о которых стоит знать всем, кто интересуется радиоэлектроникой.

Устройство и принцип работы

Если понять, как работает диод, то разобраться в устройстве этого полупроводникового прибора будет довольно просто. Основу детали составляет токовый переход, соединенный с двумя контактами (положительным — анодом и отрицательным — катодом). При прямом включении напряжения открывается переход, сопротивление которого небольшое. В результате через изделие проходит ток, называемый прямым.

Если же при включении детали в схему изменить полярность, то сопротивление участка перехода резко возрастет, а показатель электротока будет стремиться к нулю. Такое напряжение принято называть обратным.

Современные диоды имеют принципиальное отличие от первых моделей, активно используемых во время радиоламп. В полупроводниковых радиодеталях токовый переход изготавливается из кремния или германия и носит название р-n-переход. Основное различие между этими материалами заключается в показателях прямого напряжения, при которых происходит открытие.

Так как полупроводниковый кристалл может эффективно работать в любых условиях, то необходимость создания особой среды исчезла.

В ламповых устройствах для этого в колбу закачивался специальный газ либо создавался вакуум. В результате современные изделия имеют небольшие габариты, а стоимость их производства значительно снизилась.

Основные виды

Диоды принято классифицировать по нескольким параметрам. В зависимости от рабочих частот, они могут быть низко-, высокочастотными, а также способными функционировать в условиях сверхвысоких частот. Также существует деление и в соответствии с конструктивными особенностями, где можно выделить следующие виды диодов:

Диод Шоттки — вместо привычного p-n-перехода используется металл. С одной стороны, это позволяет добиться минимальных потерь напряжения при прямом включении. Однако с другой при высоком обратном токе, изделие быстро выходит из строя.
Стабилитрон — позволяет стабилизировать напряжение.
Стабистор — отличается от стабилитрона меньшей зависимостью напряжения от тока.
Диод Гана — лишен p — n -перехода, вместо которого используется особый кристалл. Используется для работы в диапазоне сверхвысоких частот.
Варикап — представляет собой сочетание диода с конденсатором. Емкость изделия зависит от обратного напряжения в области p — n -перехода, а применяется он при создании колебательных контуров.
Фотодиод — попадание светового потока на токовый переход приводит к созданию в нем разности потенциалов. Если замкнуть в этот момент цепь, то в ней появится ток.
Светодиод — при достижении определенного показателя тока в p — n -переходе, устройство начинает излучать световой поток.

Область применения

Сфера использования этих деталей в современной радиотехнике высока. Сложно найти устройство, которое работает без этих деталей. Чтобы понять, для чего нужен диод, можно привести несколько примеров:

Диодные мосты — содержат от 4 до 12 полупроводниковых устройств, которые соединяются между собой. Основной задачей диодных мостов является выпрямление тока, и они активно используются, например, при создании генераторов для автомобилей.
Детекторы — создаются при сочетании диодов и конденсаторов. В результате появляется возможность выделить низкочастотную модуляцию из различных сигналов. Применяются при изготовлении радио- и телеприемников.
Защитные устройства — позволяют обезопасить электрическую схему от возможных перегрузок. Несколько изделий подключаются в обратном направлении. Когда схема работает нормально, то они остаются в закрытом положении. Как только входное напряжение достигает критических показателей, устройство активируются.
Переключатели — такие системы на основе этих изделий позволяют осуществлять коммутацию высокочастотных сигналов.
Системы искрозащиты — создание шунт-диодного барьера позволяет ограничить показатель напряжения в электроцепи. Для увеличения степени защиты вместе с полупроводниковыми деталями используются специальные токоограничивающие резисторы.

Это лишь несколько примеров использования диодов. Они являются достаточно надежными устройствами, с помощью которых можно решать большое количество задач. Чаще всего эти радиодетали выходят из строя по причине естественного старения либо из-за перегрева.

Если произошел электрический пробой изделия, то его последствия редко являются необратимыми, так как кристалл не разрушается.

Полупроводниковый диод — это… Что такое Полупроводниковый диод?

Полупроводниковый диод — полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами (электродами). В отличие от других типов диодов, принцип действия полупроводникового диода основывается на явлении p-n-перехода.

Плоскостные p-n-переходы для полупроводниковых диодов получают методом сплавления, диффузии и эпитаксии.^[1]

Основные характеристики и параметры диодов

Диод ДГ-Ц25. 1959 г.

Вольт-амперная характеристика
Постоянный обратный ток диода
Постоянное обратное напряжение диода
Постоянный прямой ток диода
Диапазон частот диода
Дифференциальное сопротивление
Ёмкость
Пробивное напряжение
Максимально допустимая мощность
Максимально допустимый постоянный прямой ток диода

Классификация диодов

Типы диодов по назначению

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный.
Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов, предназначены для применения в импульсных режимах работы.
Детекторные диоды предназначены для детектирования сигнала
Смесительные диоды предназначены для преобразования высокочастотных сигналов в сигнал промежуточной частоты.
Переключательные диоды предназначены для применения в устройствах управления уровнем сверхвысокочастотной мощности.
Параметрические
Ограничительные диоды предназначены для защиты радио и бытовой аппаратуры от повышения сетевого напряжения.
Умножительные
Настроечные
Генераторные

Типы диодов по частотному диапазону

Низкочастотные
Высокочастотные
СВЧ

Типы диодов по размеру перехода

Плоскостные
Точечные

Типы диодов по конструкции

Другие типы

Примечания

↑ Овечкин Ю. А. Полупроводниковые приборы: Учебник для техникумов. 3-е изд., перераб. и доп. — М. : Высш. шк., 1986
↑ ¹ ² Бензарь В. К. Словарь-справочник по электротехнике, промышленной электронике и автоматике. — Минск: Вышэйшая школа, 1985.

Литература

Бензарь В. К. Словарь-справочник по электротехнике, промышленной электронике и автоматике. — Минск: Вышэйшая школа, 1985. — 176 с.
Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов. — 4-е изд., перераб. и доп. изд. — М.: Высшая школа, 1987. — 479 с.

Ссылки

Полупроводниковый диод

— Принцип работы — Области применения

Полупроводниковый диод — это простейшее полупроводниковое устройство, которое можно найти практически в любой электронной схеме. Диоды изготавливаются из германия и кремния (наиболее распространены). Диоды состоят из двух частей: «N-слоя» (катода) и «P-слоя» (анода), которые разделены перегородкой.

Этот барьер имеет 0,3 В в германиевом диоде и приблизительно 0,6 В в кремниевом диоде.

Принцип работы диода

N-слой диода имеет свободные электроны, а P-слой диода имеет свободные дырки (отсутствие электронов).

— Когда положительное напряжение приложено к P-слою и отрицательное напряжение к N-слою, электроны в N-слое выталкиваются в P-слой, и электроны проходят через P-материал за пределы полупроводника.

Аналогичным образом отверстия в материале P проталкиваются отрицательным напряжением к стороне материала N.Затем отверстия проходят через материал N.

— Когда положительное напряжение прикладывается к N-слою и отрицательное к P-слою, электроны в P-слое выталкиваются на N-слой, а дырки в N-слое выталкиваются на P-слой . В этом случае электроны в полупроводнике не двигаются и электрический ток не течет.

Соотношение тока и напряжения реального диода

В _F составляет 0,3 В на германиевом диоде и приблизительно 0.6 вольт на кремниевом диоде.

Полупроводниковый диод работает двумя способами:

Прямо смещенный

В этом случае электрический ток циркулирует через диод по пути стрелки (стрелка диода) или от анода к катоду . Электрический ток проходит через диод очень легко, почти как короткое замыкание.

Обратное смещение

В этом случае электрический ток в диоде должен циркулировать в направлении, противоположном стрелке (стрелка диода), или от катода к аноду.Электрический ток не проходит через диод, и он ведет себя как разомкнутая цепь.

Примечание. Упомянутая выше операция относится к идеальному диоду, что означает, что мы принимаем диод как идеальный компонент.

Применение полупроводниковых диодов

Диоды имеют множество применений, но наиболее распространенным из них является процесс преобразования переменного тока (AC) в постоянный ток (C.C.). В этом случае диод используется как выпрямительный диод.

Другие применения диодов:

Защита от обратного напряжения
Обратный диод в индуктивных нагрузках
и т. Д.

Диод | Принцип работы | Конструкция

Определение: Диод — это простейший полупроводниковый компонент. Он состоит всего из двух частей из разных полупроводниковых материалов. Тем не менее, диоды можно встретить почти во всех электронных схемах.

Принцип работы диода

Его функция заключается в том, чтобы пропускать электрический ток в одном направлении, но предотвращать течение в противоположном направлении. Это очень важное и полезное свойство.Эта функция аналогична обратному клапану в гидравлике.

Обратный клапан, изображенный на , рис. 1а, открывается, когда давление в левой части трубы больше, чем в правой части, но предотвращает прохождение любой жидкости из правой стороны влево. Применение обратного клапана множество; например, на входе трубы в колодец, подключенный к насосу, используется обратный клапан, чтобы предотвратить обратный ток воды в колодец ( Рис. 1b ).

Также для защиты насоса от высокого давления в нерабочем состоянии на его выходе может быть установлен обратный клапан.

Точно так же в электронных схемах диоды могут использоваться для защиты устройства от обратного тока, если такая возможность существует.

Диод обеспечивает короткое замыкание устройства, что облегчает прохождение тока. Более распространенное применение диода — в выпрямителях .

Рисунок 1 Обратный клапан, допускающий поток только в одном направлении.(a) Если давление справа превышает давление слева, клапан закрывается. (b) Если насос, подающий воду, останавливается, вода не может вернуться.

Диод — простейший полупроводниковый компонент.

Конструкция диода

PN-переход образуется, когда материал N-типа и материал P-типа соединяются вместе. Это сквозной процесс производства полупроводниковых материалов, который должен осуществляться в очень чистой среде, называемой чистой комнатой .

На рисунке 2 показаны материалы N-типа и P-типа вместе. PN-переход — это не физический объект, который можно купить; это просто внутренняя структура диодов , транзисторов и других полупроводниковых компонентов, где соединены материал P-типа и материал N-типа.

Там, где два типа материалов контактируют друг с другом, есть небольшая граница, где дырки (с положительным зарядом) притягивают электроны (с отрицательным зарядом). Когда привлеченные электроны собираются около этой границы, их отрицательные заряды накапливаются, а затем они отталкивают любой дополнительный электрон, притягиваясь к дыркам.

Точно так же , отверстия, также собранные на другой стороне границы, отталкивают любые другие отверстия, приближающиеся. Область, сформированная таким образом, называется областью истощения, также изображенной на рисунке 2.

Рисунок 2 PN-переход.

Область истощения: Область узкой ширины в полупроводниковом переходе только между материалами N-типа и P-типа.

Поток электронов и дырок в обедненную область продолжается до тех пор, пока они не уравновесят друг друга и не будет достигнуто состояние равновесия.В этом смысле обедненная область будет тоньше или толще, в зависимости от количества примесей при изготовлении PN-перехода.

Обратите внимание, что при изучении электроники, точно так же, как считается, что электрический ток возникает из-за потока электронов, иногда вместо этого рассматривается поток дырок. Для простоты термин «носитель» используется как причина тока. Таким образом, носителем могут быть электроны или дырки.

Носитель: Объект (электроны или дырки), к которому можно отнести большую часть электрического тока в полупроводниковом приборе.

Например, , если 94% тока связано с движением электронов, а 6% связано с дыркой, то электроны являются носителем.

Прямое и обратное смещение в диоде

Когда PN-переход подключен к электричеству постоянного тока, есть две возможности: либо сторона P-типа подключена к положительной, а сторона N-типа подключена к отрицательной клемме, либо наоборот.

В первом случае , показанном на рис. 3a , сторона P PN-перехода положительна по отношению к стороне N.Эта конфигурация называется с прямым смещением , а переход называется с прямым смещением.

Случай, когда сторона P подключена к отрицательной клемме, а сторона N — к положительной клемме, называется обратным смещением (а переход называется обратным смещением).

Как правило, одна сторона может быть более положительной (или менее отрицательной) по отношению к другой стороне. На основе этого определения внутри схемы любой PN-переход подключается либо в прямом, либо в обратном смещении.Это всегда так, и по соотношению напряжений можно определить, смещен ли какой-либо PN-переход в любой момент в прямом или обратном направлении.

Прямое смещение: Подача более положительного напряжения на сторону P-типа PN-перехода, чем на N-тип.
Обратное смещение: Противоположное прямому смещению: подключение стороны P-типа PN-перехода к менее положительному или более отрицательному напряжению, чем напряжение, подключенное к стороне N-типа.

Когда PN-переход смещен в прямом направлении , он является проводящим, потому что полярность цепи помогает току течь через соединение (см. , рис. 4a, ).Но в целом, когда PN-переход находится в обратном смещении , электроны отталкиваются при приближении к области истощения, и, таким образом, поток электричества блокируется, как показано на Рис. 4b .

Материалы N- и P-типа могут быть на основе кремния или германия. Кроме того, для легирования можно использовать различные легирующие примеси. В результате характеристики PN-переходов зависят от материалов, из которых они сделаны.

Доля примеси также имеет прямое влияние на толщину обедненной области и, таким образом, на свойства PN-перехода и устройства, использующего PN-переход.

Рисунок 3 Прямое (a) и обратное (b) смещение PN-перехода.

Рисунок 4 Проводимость в PN-переходе: (a) прямое смещение и (b) обратное смещение.

Свойства PN-перехода зависят от материалов и их пропорций, используемых при его изготовлении.

Характеристики и символ диода

Диод — это простейшее полупроводниковое устройство, состоящее только из одного PN перехода. Он имеет две клеммы для подключения к внешним цепям.

Диод может быть включен в цепь в конфигурации прямого или обратного смещения. Рисунок 5 иллюстрирует символ, а также физическую форму наиболее распространенных диодов.

Стрелка в символе показывает направление тока от положительного к отрицательному. Это текущее направление от стороны P к стороне N.

Сторона P диода называется анодом , а сторона N называется катодом .Находясь внутри схемы, для большинства приложений анод должен быть подключен к положительному выводу (или к более положительному напряжению), тогда как катод подключен к отрицательному выводу (или к менее положительному напряжению).

В физической форме, показанной на рисунке 5, сторона, обозначенная полосой, является катодом. Есть и другие физические формы диодов, особенно для более специфических диодов. На практике катод также можно определить по длине соединительных проводов.Разъем на катодной стороне всегда короче.

Анод: Положительный полюс в диоде и тиристоре.
Катод: Отрицательный вывод диода или аналогичных устройств, в отличие от анода.

На рисунке 6 показаны другие физические формы диодов. Также идентифицируются анодная и катодная стороны.

Рис. 5 Символ диода и наиболее распространенная физическая форма.

Рисунок 6 Диоды другой формы.

Для прямого смещения анод должен быть подключен к положительной стороне (положительной клемме или более положительному напряжению) в цепи.

Когда диод вставлен в цепь и смещен в прямом направлении, в зависимости от материала, из которого изготовлен диод (кремний или германий), на диоде возникает небольшое падение напряжения. Это связано с сопротивлением потоку электронов в результате образования обедненной области . Это падение напряжения необходимо учитывать при любом расчете тока через диод и его цепь.

Для кремниевого диода это падение напряжения составляет около 0,7 В, а для германиевого диода — около 0,3 В.

Основной принцип и работа полупроводникового прибора — диод

ПОЛУПРОВОДНИК ДИОД

Теперь, когда доступны материалы как n-, так и p-типа, мы можем сконструировать наше первое твердотельное электронное устройство: полупроводниковый диод, применение которого слишком много, чтобы упоминать, создается путем простого соединения материалов n-типа и p-типа. вместе, не более того, просто соединение одного материала с основным носителем электронов с материалом с основным носителем дырок.Базовая простота его конструкции просто подчеркивает важность развития этой эпохи твердотельных устройств.

Нет приложенного смещения (V = 0 В)

В момент, когда два материала «соединяются», электроны и дырки в области перехода объединяются, что приводит к отсутствию свободных носителей в области вблизи перехода, как показано на рис. 1.12a. Обратите внимание на рис. 1.12a, что единственные частицы, отображаемые в этой области, — это положительные и отрицательные ионы, оставшиеся после поглощения свободных носителей.

«Эта область непокрытых положительных и отрицательных ионов называется областью истощения из-за« истощения »свободных носителей в этой области».

Если выводы подсоединены к концам каждого материала, получается двухконтактное устройство, как показано на рис. 1.12a и 1.12b. Затем становятся доступны три варианта: без смещения, смещение вперед и смещение в обратном направлении. Термин «смещение» относится к приложению внешнего напряжения к двум клеммам устройства для получения отклика.Условие, показанное на рис. 1.12a и 1.12b — это ситуация отсутствия смещения, потому что к ней не приложено внешнее напряжение. Это просто диод с двумя изолированными выводами, установленный на лабораторном столе. На рис. 1.12b обозначение полупроводникового диода показано, чтобы показать его соответствие p — n-переходу. На каждом рисунке видно, что приложенное напряжение равно 0 В (без смещения), а результирующий ток равен 0 А, что очень похоже на изолированный резистор. Отсутствие напряжения на резисторе приводит к нулевому току через него.Даже на этом раннем этапе обсуждения важно отметить полярность напряжения на диоде на рис. 1.12b и направление тока. Эти полярности будут распознаваться как определенные полярности для полупроводникового диода. Если напряжение, приложенное к диоду, имеет ту же полярность, что и на рис. 1.12b, это будет считаться положительным напряжением. Если наоборот, это отрицательное напряжение. Те же стандарты могут быть применены к определенному направлению тока на рис.1.12b. В условиях отсутствия смещения любые неосновные носители (дырки) в материале n-типа, которые по любой причине оказываются в области обеднения, быстро переходят в материал p-типа. Чем ближе неосновной носитель находится к переходу, тем больше притяжение для слоя отрицательных ионов и тем меньше противодействие со стороны положительных ионов в обедненной области материала n-типа. Таким образом, мы сделаем вывод для будущих обсуждений, что любые неосновные носители материала n-типа, оказавшиеся в области обеднения, будут переходить непосредственно в материал p-типа.Этот поток носителя указан в верхней части рис. 1.12c для неосновных носителей каждого материала.

Основные носители (электроны) материала n-типа должны преодолевать силы притяжения слоя положительных ионов в материале n-типа и экран отрицательных ионов в материале p-типа, чтобы мигрировать в область за пределами истощения. область материала p -типа. Однако количество основных носителей настолько велико в материале n-типа, что всегда будет небольшое количество основных носителей с достаточной кинетической энергией, чтобы пройти через область обеднения в материал p-типа.Опять же, то же самое обсуждение может быть применено к основным носителям (дыркам) материала p-типа. Результирующий поток, обусловленный основными носителями, показан в нижней части рис. 1.12c.

Внимательное изучение рис. 1.12c покажет, что относительные величины векторов потока таковы, что чистый поток в любом направлении равен нулю. Это сокращение векторов для каждого типа несущего потока обозначено перечеркнутыми линиями. Длина вектора, представляющего поток дырок, нарисована больше, чем длина потока электронов, чтобы продемонстрировать, что две величины не обязательно должны быть одинаковыми для компенсации и что уровни легирования для каждого материала могут привести к неравному потоку носителей дырок и электронов.Таким образом, таким образом:

«В отсутствие приложенного смещения на полупроводниковом диоде чистый поток заряда в одном направлении равен нулю».

Другими словами, ток в условиях отсутствия смещения равен нулю, как показано на рис. 1.12a и 1.12b.

Условие обратного смещения (V

_D <0 В)

Если внешний потенциал в Вольт приложен к p — n переходу так, что положительный вывод подключен к материалу n-типа, а отрицательный вывод подключен к материалу p-типа, как показано на рис.1.13, количество непокрытых положительных ионов в обедненной области материала n-типа будет увеличиваться из-за большого количества свободных электронов, притянутых к положительному потенциалу приложенного напряжения. По тем же причинам количество непокрытых отрицательных ионов будет увеличиваться в материале p-типа. Таким образом, чистым эффектом является расширение области истощения. Это расширение области истощения создаст слишком большой барьер для преодоления большинства носителей, эффективно уменьшая поток основных носителей до нуля, как показано на рис.1.13a.

Однако количество неосновных носителей, попадающих в область истощения, не изменится, что приведет к векторам потока неосновных носителей той же величины, что и на рис. 1.12c, без приложенного напряжения.

«Ток, который существует в условиях обратного смещения, называется током обратного насыщения и представлен I _s».

Обратный ток насыщения редко превышает несколько микроампер и обычно составляет нА, за исключением устройств большой мощности.Термин насыщение происходит от того факта, что он быстро достигает своего максимального уровня и существенно не изменяется с увеличением потенциала обратного смещения, как показано на характеристиках диода на рис. 1.15 для VD 0 В. Условия обратного смещения изображены. на рис. 1.13б для обозначения диода и p — n перехода. Обратите внимание, в частности, что направление I s направлено против стрелки символа. Отметим также, что отрицательная сторона приложенного напряжения подключена к материалу p-типа, а положительная сторона — к материалу n-типа, причем разница в подчеркнутых буквах для каждой области указывает на состояние обратного смещения.

Условие прямого смещения (V

_D> 0 В)

Прямое смещение или состояние «включено» устанавливается путем приложения положительного потенциала к материалу p-типа и отрицательного потенциала к материалу n-типа, как показано на рис. 1.14. Приложение потенциала прямого смещения V D будет «давить» на электроны в материале n-типа и дырки в материале p-типа, чтобы рекомбинировать с ионами вблизи границы и уменьшать ширину обедненной области, как показано на рис.1.14a.

Результирующий поток неосновных носителей электронов из материала p-типа в материал n-типа (и дырок из материала SEMICONDUCTOR DIODE 13 n-типа в материал p-типа) не изменился по величине (поскольку проводимость уровень контролируется в первую очередь ограниченным количеством примесей в материале), но уменьшение ширины области истощения привело к сильному потоку большей части через соединение. Электрон материала n-типа теперь «видит» уменьшенный барьер на стыке из-за уменьшенной области обеднения и сильного притяжения положительного потенциала, приложенного к материалу p-типа.По мере увеличения величины приложенного смещения область обеднения будет продолжать уменьшаться по ширине до тех пор, пока поток электронов не сможет пройти через переход, что приведет к экспоненциальному увеличению тока, как показано в области прямого смещения характеристик на рис. 1.15. . Обратите внимание, что вертикальная шкала на рис. 1.15 измеряется в миллиамперах (хотя некоторые полупроводниковые диоды имеют вертикальную шкалу, измеряемую в амперах), а горизонтальная шкала в области прямого смещения имеет максимум 1 В. Поэтому обычно напряжение на диоде с прямым смещением будет меньше 1 В.Обратите также внимание на то, как быстро ток поднимается за пределы изгиба кривой. С помощью физики твердого тела можно продемонстрировать, что общие характеристики полупроводникового диода могут быть определены следующим уравнением, называемым уравнением Шокли, для областей прямого и обратного смещения:

Область разбивки

Даже несмотря на то, что масштаб на рис. 1.15 составляет десятки вольт в отрицательной области, есть точка, где приложение слишком отрицательного напряжения с обратной полярностью приведет к резкому изменению характеристик, как показано на рис.1.17. Ток увеличивается очень быстро в направлении, противоположном положительному напряжению. Потенциал обратного смещения, который приводит к такому резкому изменению характеристик, называется потенциалом пробоя и обозначается меткой V _BV.

По мере увеличения напряжения на диоде в области обратного смещения скорость неосновных носителей, ответственных за обратный ток насыщения I s, также будет увеличиваться. В конце концов, их скорость и соответствующая кинетическая энергия (W _K = 1/2 mv ²) будут достаточными для высвобождения дополнительных носителей в результате столкновений с другими стабильными атомными структурами.То есть в результате будет происходить процесс ионизации, в результате которого валентные электроны поглощают энергию, достаточную для того, чтобы покинуть родительский атом. Эти дополнительные носители могут затем способствовать процессу ионизации до точки, где устанавливается высокий лавинный ток и определяется область лавинного пробоя.

Область лавины (V _BV) может быть приближена к вертикальной оси за счет увеличения уровней легирования в материалах p- и n-типа. Однако, когда V _BV снижается до очень низкого уровня, такого как 5 В, другой механизм, называемый пробоем Зенера, будет способствовать резкому изменению характеристики.Это происходит из-за того, что в области соединения существует сильное электрическое поле, которое может нарушить силы связи внутри атома и «породить» носители. Хотя механизм пробоя стабилитрона вносит значительный вклад только на более низких уровнях V _BV, это резкое изменение характеристики на любом уровне называется областью стабилитрона, а диоды, использующие эту уникальную часть характеристики p-n-перехода, называются Стабилитроны.

Следует избегать области пробоя описанного полупроводникового диода, если не следует полностью изменять отклик системы из-за резкого изменения характеристик в этой области обратного напряжения.

«Максимальный потенциал обратного смещения, который может быть приложен до входа в область пробоя, называется пиковым обратным напряжением (обозначается просто как номинал P _IV) или пиковым обратным напряжением (обозначается рейтингом P _RV). . »

Если приложение требует, чтобы номинал P _IV был выше, чем у отдельного блока, несколько диодов с одинаковыми характеристиками могут быть подключены последовательно. Диоды также подключаются параллельно для увеличения допустимой токовой нагрузки.В целом, напряжение пробоя GaAs-диодов примерно на 10% выше, чем у кремниевых диодов, но на 200% выше, чем у Ge-диодов.

Температурные эффекты

Температура может оказывать заметное влияние на характеристики полупроводникового диода, что демонстрируется характеристиками кремниевого диода, показанными на рис. 1.19: В области прямого смещения характеристики кремниевого диода сдвигаются влево со скоростью Повышение температуры на 2,5 мВ на градус Цельсия.

Повышение от комнатной температуры (20 ° C) до 100 ° C (точка кипения воды) приводит к падению ПОЛУПРОВОДНИКА 19 на 80 (2,5 мВ) 200 мВ или 0,2 В, что является значительным для графика, масштабированного в десятые доли вольт. Снижение температуры имеет обратный эффект, как также показано на рисунке:

– В области обратного смещения обратный ток кремниевого диода удваивается на каждые 10 ° C повышения температуры. «

При изменении с 20 ° C на 100 ° C уровень I s увеличивается с 10 нА до значения 2.56 мА, что является значительным 256-кратным увеличением. Продолжение температуры до 200 ° C приведет к чудовищному обратному току насыщения 2,62 мА. Поэтому для высокотемпературных применений следует искать кремниевые диоды с I s при комнатной температуре, близким к 10 пА, обычно доступному сегодня уровню, который ограничивает ток до 2,62 мкА. Действительно удачно, что и Si, и GaAs имеют относительно небольшие обратные токи насыщения при комнатной температуре. Доступны устройства на основе GaAs, которые очень хорошо работают в диапазоне температур от 200 ° C до 200 ° C, а некоторые из них имеют максимальную температуру, приближающуюся к 400 ° C.Задумайтесь на мгновение, насколько велик был бы обратный ток насыщения, если бы мы начали с Ge-диода с током насыщения 1 мА и применили тот же коэффициент удвоения.

Наконец, важно отметить из рис. 1.19, что:

«Напряжение обратного пробоя полупроводникового диода увеличивается или уменьшается с температурой».

Однако, если начальное напряжение пробоя меньше 5 В, напряжение пробоя может фактически уменьшаться с увеличением температуры

Часто задаваемые вопросы

PadaKuu

июл 09,2021

509 просмотров

Работа диода — Energy Education

Рисунок 1.P-n переход диода вместе с его соответствующими схематическими и реальными компонентами. ^[1] Катод и анод диода помечены так, что обычный ток течет от анода к катоду через диод.
Принцип работы диода может быть трудным для понимания, поскольку он основан на довольно продвинутой квантовой механике. Однако на простейшем уровне работу диода можно понять, взглянув на поток положительных зарядов (или «дырок») и отрицательных зарядов (электронов).Технически полупроводниковый диод упоминается как p-n переход . Эти p-n-переходы также важны для работы фотоэлементов. Для правильной работы диода требуется процесс, известный как легирование. Полупроводники могут быть легированы материалами так, чтобы они имели избыток легко перемещаемых электронов — обычно это называется отрицательной областью или n-типа . Кроме того, они могут быть легированы элементами, которые создают избыток дырок, которые легко поглощают эти электроны — обычно называемые положительной областью или p-типа .^[2] ^[3] Отрицательная и положительная области диода также являются катодом и анодом компонента соответственно (см. Рисунок 1).
Различия между этими двумя материалами и их взаимодействие на очень коротких расстояниях (менее миллиметра) приводят к образованию диода при соединении двух типов. Соединение этих двух типов создает p-n-переход, а область между двумя сторонами называется обедненной областью, поскольку электроны из области n-типа диффундируют и заполняют некоторые дыры в области p-типа.Это создает отрицательные ионы в области p-типа и оставляет положительные ионы в области n-типа (см. Рисунок 2). ^[4] Он по-разному реагирует на электрические поля в зависимости от направления электрического поля. Это приводит к полезному поведению электроники в зависимости от того, каким образом приложено напряжение (или электрическое поле), это называется смещением.
Смещение
Диод (PN переход) в электрической цепи позволяет току течь легче в одном направлении, чем в другом.Прямое смещение означает подачу напряжения на диод, позволяющее легко протекать току, в то время как обратное смещение означает подачу напряжения на диод в противоположном направлении. Напряжение с обратным смещением не вызывает протекания заметного тока. Это полезно для изменения переменного тока на постоянный. У него есть и другие применения для управления электронными сигналами.
Обратное смещение
Рис. 2. Обратносмещенный p-n-переход с черными кружками, представляющими легко перемещаемые электроны, и белыми кружками, представляющими «электронно-дефицитные» дырки.«В таком соединении с обратным смещением, как этот, электроны покидают черные кружки и движутся к внешней цепи, оставляя больше положительных ионов, в то время как электроны из внешней цепи« заполняют дыры », создавая больше отрицательных ионов.
Если на диод подается напряжение таким образом, что половина диода n-типа была подключена к положительной клемме источника напряжения, а половина p-типа была подключена к отрицательной клемме, электроны из внешней цепи создаст больше отрицательных ионов в области p-типа, «заполняя дыры», и больше положительных ионов будет создано в области n-типа, поскольку электроны смещаются к положительному выводу источника напряжения (см. рисунок 2).Следовательно, область обеднения будет увеличиваться, и напряжение между областями p-типа и n-типа также будет увеличиваться, поскольку общий заряд на каждой стороне перехода увеличивается по величине до тех пор, пока напряжение на диоде не станет равным и противодействует приложенному напряжению и не компенсирует его, прекращая ток через цепь. Этот процесс происходит почти мгновенно и практически не приводит к протеканию тока через цепь, когда напряжение подается в этом направлении через диод. Это известно как p-n-переход с обратным смещением.^[5]
Прямое смещение
Рис. 3. Частично и полностью смещенный в прямом направлении p-n переход. Обратите внимание, что для сжатия обедненной области требуется минимальное напряжение.
Когда на диод подается напряжение в противоположном направлении, область обеднения начинает сокращаться (см. Рисунок 3). В диоде с обратным смещением электроны и дырки будут отводиться от перехода, но сценарий с прямым смещением гарантирует, что электроны и дырки движутся к переходу, поскольку они отталкиваются от положительных и отрицательных выводов источника напряжения соответственно. .^[1] ^[6] При достаточно большом приложенном напряжении и дырки, и электроны преодолеют область истощения и встретятся рядом с переходом, где они могут объединиться в непрерывном процессе, замыкая цепь и позволяя течь току. .
Прямое напряжение и напряжение пробоя
Существует минимальное пороговое напряжение, необходимое для преодоления области истощения, которое для большинства кремниевых диодов составляет значительные 0,7 вольт. Кроме того, напряжение обратного смещения индуцирует через диод небольшой ток, называемый током утечки, которым можно пренебречь для большинства целей.Наконец, достаточно большое обратное напряжение приведет к полному электрическому пробою диода и позволит току течь через диод в обратном направлении. ^[1]
Для получения дополнительной информации о диодах см. Все о схемах или гиперфизике.
Для дальнейшего чтения
Для получения дополнительной информации см. Соответствующие страницы ниже:
Список литературы
Что такое диод? Знать теорию PN-перехода, конструкцию и работу различных типов диодов
Что такое диод?
В общем, все электронные устройства нуждаются в источнике питания постоянного тока, но невозможно генерировать мощность постоянного тока, поэтому нам нужна альтернатива для получения некоторой мощности постоянного тока, поэтому использование диодов входит в схему для преобразования мощности переменного тока в мощность постоянного тока .Диод — это крошечный электронный компонент, используемый почти во всех электронных схемах для обеспечения протекания тока только в одном направлении ( однонаправленное устройство ). Можно сказать, что использование полупроводниковых материалов для создания электронных компонентов началось с диодов. До изобретения диодов существовали вакуумные лампы, где применения обоих этих устройств схожи, но размер, занимаемый вакуумной трубкой, будет намного больше, чем размер диодов. Конструкция электронных ламп немного сложна, и их трудно обслуживать по сравнению с полупроводниковыми диодами.Несколько применений диодов — это выпрямление, усиление, электронный переключатель, преобразование электрической энергии в световую энергию и световую энергию в электрическую энергию.
История диода:
В 1940 году в Bell Labs Рассел Ол работал с кристаллом кремния, чтобы выяснить его свойства. Однажды случайно, когда кристалл кремния, в котором есть трещина, подвергся воздействию солнечного света, он обнаружил, что через кристалл течет ток, который позже был назван диодом , что было началом эры полупроводников.
Конструкция диода:
Твердые материалы обычно подразделяются на три типа, а именно проводников, изоляторов и полупроводников . Проводники имеют максимальное количество свободных электронов, изоляторы имеют минимальное количество свободных электронов (пренебрежимо мало, так что протекание тока вообще невозможно), тогда как полупроводников могут быть либо проводниками, либо изоляторами в зависимости от приложенного к ним потенциала. Обычно используются полупроводники: кремний и германий . Кремний предпочтителен, потому что он широко доступен на Земле и дает лучший температурный диапазон.
Полупроводники
далее подразделяются на два типа: внутренние и внешние полупроводники .
Внутренние полупроводники:
Их также называют чистыми полупроводниками, в которых носители заряда (электроны и дырки) находятся в равном количестве при комнатной температуре. Таким образом, токопроводимость осуществляется как дырками, так и электронами в равной степени.
Внешние полупроводники:
Чтобы увеличить количество дырок или электронов в материале, мы выбираем внешние полупроводники, в которых к кремнию добавляются примеси (кроме кремния и германия или просто трехвалентных или пятивалентных материалов). Этот процесс добавления примесей к чистым полупроводникам называется легированием .
Формирование полупроводников P- и N-типа:
Полупроводник N-типа:
Если пятивалентные элементы (число валентных электронов пять) добавляются к Si или Ge, тогда имеются свободные электроны.Поскольку электронов (отрицательно заряженных носителей) больше, они называются полупроводниками N-типа . В N-типе полупроводниковые электроны являются основными носителями заряда, а дырки — неосновными носителями заряда.
Несколько пятивалентных элементов: Фосфор, мышьяк, сурьма и висмут . Поскольку они имеют избыточный валентный электрон и готовы к спариванию с внешней положительно заряженной частицей, эти элементы называются Донорами .
Полупроводник P-типа
Точно так же, если трехвалентные элементы, такие как бор, алюминий, индий и галлий, добавляются к Si или Ge, образуется дырка, потому что количество валентных электронов в ней равно трем. Поскольку дыра готова принять электрон и спариться, она называется Acceptors . Поскольку количество отверстий слишком велико во вновь сформированном материале, они называются Полупроводники P-типа .В полупроводниках P-типа дырки являются основными носителями заряда, а электроны — неосновными носителями заряда.
Соединительный диод P-N:
Теперь, если мы соединим два типа полупроводников P-типа и N-типа вместе , то образуется новое устройство, называемое P-N переходным диодом . Поскольку между материалами типа P и N образуется соединение, оно называется соединением P-N.
Слово «диод» можно объяснить следующим образом: «Ди» означает «два», а «од» получается от электрода.Поскольку вновь сформированный компонент может иметь два вывода или электрода (один подключен к P-типу, а другой к N-типу), он называется диодом, или , диодом с P-N переходом, или полупроводниковым диодом .
Клемма, подключенная к материалу P-типа, называется Анод , а клемма, подключенная к материалу N-типа, называется Катод .
Символьное представление диода выглядит следующим образом.
Стрелка указывает прохождение тока через него, когда диод находится в режиме прямого смещения, черточка или блок на конце стрелки указывает на блокировку тока с противоположного направления.
Теория соединения P-N:
Мы видели, как диод состоит из полупроводников P и N, но нам нужно знать, что происходит внутри него, чтобы сформировать уникальное свойство пропускания тока только в одном направлении и что происходит в точной точке контакта первоначально в месте его соединения. .
Образование стыков :
Первоначально, когда оба материала соединяются вместе (без приложения какого-либо внешнего напряжения), избыточные электроны в N-типе и избыточные дырки в P-типе притягиваются друг к другу и рекомбинируются, где образуются неподвижные ионы (донор ion и Acceptor ion) происходит, как показано на рисунке ниже.Эти неподвижные ионы сопротивляются потоку электронов или дырок через них, который теперь действует как барьер между двумя материалами (образование барьера означает, что неподвижные ионы диффундируют в области P и N). Образовавшийся барьер называется Область истощения . Ширина обедненной области в этом случае зависит от концентрации легирования в материалах.
Если концентрация легирования одинакова в обоих материалах, то неподвижные ионы диффундируют в оба материала P и N одинаково.
Что делать, если концентрации легирования отличаются друг от друга?
Ну, если легирование отличается, то отличается и ширина обедненной области. Его диффузия больше в слаболегированную область и меньше в сильно легированную область .
Теперь давайте посмотрим, как ведет себя диод при подаче соответствующего напряжения.
Диод в прямом смещении :
Чтобы диод сначала проводил, нам нужно сломать барьер, образовавшийся на пути.Чтобы сломать барьер в нормальном диоде, на клеммы должно быть подано внешнее напряжение минимум +0,7 В (для кремния) и +0,3 В (для германия). Эти напряжения называются Напряжение включения, или напряжение смещения, или напряжение точки излома, или напряжение зажигания, или пороговое напряжение. Пока эти напряжения не станут очень низкими, через диод будет течь ток (в идеале — ноль).
Если положительный вывод батареи или источника напряжения приложен к аноду или области P диода, а отрицательный вывод к катоду или области N диода, то говорят, что это с прямым смещением .
Из-за прямого смещения основные носители заряда в обеих областях отталкиваются (потому что положительное напряжение прикладывается к области P, а отрицательное — к области N) и попадают в область истощения. Следовательно, неподвижные ионы возвращаются, потерянные носители становятся нейтральными и перемещаются в необеспеченную область, поэтому ширина барьера постепенно уменьшается, когда приложенное напряжение больше или равно напряжению включения, весь барьер разрушается, и электроны и дырки теперь могут свободно перемещаться. пересеките соединение, которое затем образует замкнутую цепь и позволяет течь току.Здесь мы объяснили диод с прямым смещением , используя приведенную ниже анимацию:
Диод при прямом смещении действует как замкнутый переключатель и имеет прямое сопротивление в несколько Ом (около 20 Ом).
Диод обратного смещения :
Если отрицательная клемма источника напряжения приложена к аноду или области P диода, а положительная клемма к катоду или области N диода, это называется с обратным смещением .
При приложении такого напряжения большинство носителей заряда в обеих областях притягиваются к источнику, так что создается большое количество неподвижных ионов, которые попадают в области P и N. Следовательно, ширина обедненной области также постепенно увеличивается, что теперь затрудняет переход электронов и дырок через переход, так что образуется разомкнутая цепь и течет ток. Но если мы продолжаем увеличивать напряжение, точечный барьер или область истощения не могут сдерживать внешнюю силу, и переход выходит из строя, что иногда может вызвать нормальное повреждение диода навсегда.Чтобы преодолеть это, мы можем сильно легировать области и сделать диод безопасным, это применение можно увидеть в стабилитронах .
Обратное напряжение, при котором диод проводит, называется Напряжение пробоя .
Поскольку диод при обратном смещении действует как размыкающий переключатель , его сопротивление составляет порядка МОм. Здесь мы объяснили диод с обратным смещением , используя приведенную ниже анимацию:
Когда на диод подается обратное напряжение, в цепи протекает небольшой ток из-за неосновных носителей заряда, который обычно называется Обратный ток насыщения . Эти токи также называются токами утечки , потому что даже когда диод разомкнут, в цепи существует ток, поэтому это называется утечкой.
Различные типы диодов:
Существует ряд диодов с похожей конструкцией, но из разных материалов. Например, если мы рассмотрим светоизлучающий диод, он сделан из материалов алюминия, галлия и арсенида, которые при возбуждении выделяют энергию в виде света.Точно так же учитываются изменения в свойствах диода, таких как внутренняя емкость, пороговое напряжение и т. Д., И на их основе разрабатывается конкретный диод.
Здесь мы объяснили различных типов диодов , их работу, символ и применение:
Стабилитрон
светодиод
ЛАЗЕРНЫЙ диод
Фотодиод
Варакторный диод
диод Шоттки
Туннельный диод
PIN диод и т. Д.
Рассмотрим вкратце принцип работы и конструкцию этих устройств.
Стабилитрон:
Области P и N в этом диоде сильно легированы, так что область обеднения очень узкая. В отличие от обычного диода, его напряжение пробоя очень низкое. , когда обратное напряжение больше или равно напряжению пробоя, область обеднения исчезает, и постоянное напряжение проходит через диод, даже если обратное напряжение увеличивается. Следовательно, диод используется для регулирования напряжения и поддержания постоянного выходного напряжения при правильном смещении.Вот один из примеров ограничения напряжения с помощью стабилитрона.
Пробой стабилитрона пробой стабилитрона . Это означает, что когда на стабилитрон подается обратное напряжение, в переходе создается сильное электрическое поле, которого достаточно, чтобы разорвать ковалентные связи внутри перехода, и вызывает большой ток через него. Пробой стабилитрона возникает при очень низких напряжениях по сравнению с лавинным пробоем.
Существует еще один тип пробоя, называемый лавинный пробой , обычно наблюдаемый в нормальном диоде, который требует большого количества обратного напряжения для разрыва перехода.Принцип его работы заключается в том, что когда диод смещен в обратном направлении, через диод проходят небольшие токи утечки, при дальнейшем увеличении обратного напряжения также увеличивается ток утечки, что достаточно быстро, чтобы разорвать несколько ковалентных связей в переходе, эти новые носители заряда дополнительно разрушаются. оставшиеся ковалентные связи вызывают огромные токи утечки, которые могут навсегда повредить диод.
Светоизлучающий диод (LED):
Его конструкция похожа на простой диод, но для получения разных цветов используются различные комбинации полупроводников. работает в режиме прямого смещения . Когда происходит рекомбинация электронных дырок, в результате высвобождается фотон, который излучает свет, если прямое напряжение дополнительно увеличивается, будет высвобождаться больше фотонов, и интенсивность света также увеличивается, но напряжение не должно превышать своего порогового значения, иначе светодиод будет поврежден.
Для генерации разных цветов используются комбинации AlGaAs (арсенид алюминия-галлия) — красный и инфракрасный, GaP (фосфид галлия) — желтый и зеленый, InGaN (нитрид индия-галлия) — синие и ультрафиолетовые светодиоды и т. Д.Проверьте схему простого светодиода здесь.
Для светодиода IR LED мы можем видеть его свет через камеру.
ЛАЗЕРНЫЙ диод:
LASER означает усиление света за счет вынужденного излучения излучения. P-N переход образован двумя слоями легированного арсенида галлия, где на один конец перехода нанесено покрытие с высокой отражающей способностью, а на другой конец — покрытие с частичным отражением. Когда диод смещен в прямом направлении, как и светодиод, он испускает фотоны, они поражают другие атомы, так что фотоны будут высвобождаться чрезмерно, когда фотон ударяет по отражающему покрытию и снова ударяет по переходу, высвобождается больше фотонов, этот процесс повторяется, и луч высокой интенсивности света испускается только в одном направлении.Для правильной работы лазерного диода требуется схема драйвера.
Символическое представление ЛАЗЕРНОГО диода аналогично изображению светодиода.
Фотодиод:
В фотодиоде ток через него зависит от энергии света, приложенной к P-N переходу. Он работает с обратным смещением. Как обсуждалось ранее, небольшой ток утечки протекает через диод при обратном смещении, который здесь называется темновым током . Так как ток возникает из-за недостатка света (тьмы). Этот диод сконструирован таким образом, что, когда свет попадает на переход, достаточно разорвать пары электронных дырок и генерировать электроны, что увеличивает обратный ток утечки. Здесь вы можете проверить работу фотодиода с ИК-светодиодом.
Варакторный диод:
Его еще называют варикапным диодом (переменный конденсатор). Он работает в режиме обратного смещения .Общее определение разделения конденсатора между проводящей пластиной и изолятором или диэлектриком, когда нормальный диод смещен в обратном направлении, ширина обедненной области увеличивается, поскольку обедненная область представляет собой изолятор или диэлектрик, он теперь может действовать как конденсатор. Изменение обратного напряжения приводит к изменению разделения областей P и N, что приводит к тому, что диод работает как переменный конденсатор .
Поскольку емкость увеличивается с уменьшением расстояния между пластинами, большое обратное напряжение означает низкую емкость и наоборот.
Диод Шоттки:
Полупроводник
N-типа соединен с металлом (золото, серебро) таким образом, что в диоде существуют электроны с высоким уровнем энергии, они называются горячими носителями , поэтому этот диод также называется диодом с горячими носителями . У него нет неосновных носителей заряда и нет области истощения, скорее существует металлический полупроводниковый переход, когда этот диод смещен в прямом направлении, он действует как проводник, но заряд имеет высокие уровни энергии, которые полезны при быстром переключении , особенно в цифровых схемах они также используются в микроволновых приложениях.Проверить работу диода Шоттки можно здесь.
Туннельный диод:
Области P и N в этом диоде сильно легированы, поэтому наличие обеднения очень мало . Он имеет область отрицательного сопротивления, которая может использоваться в качестве генератора и усилителя СВЧ. Когда этот диод сначала смещен в прямом направлении, поскольку область обеднения узкая, через нее туннелируют электроны, ток быстро увеличивается с небольшим изменением напряжения.При дальнейшем увеличении напряжения из-за избытка электронов на переходе ширина обедненной области начинает увеличиваться, вызывая блокировку прямого тока (где образуется область отрицательного сопротивления), когда прямое напряжение дополнительно увеличивается, оно действует как нормальный диод.
PIN диод:
В этом диоде области P и N разделены внутренним полупроводником. Когда диод смещен в обратном направлении, он действует как конденсатор с постоянной величиной.В состоянии прямого смещения он действует как переменное сопротивление, управляемое током. Он используется в микроволновых приложениях, которые должны управляться постоянным напряжением.
Его символическое представление аналогично нормальному P-N диоду.
Применение диодов:
Регулируемый источник питания : Практически невозможно генерировать постоянное напряжение, единственный доступный источник — это переменное напряжение.Поскольку диоды являются однонаправленными устройствами, их можно использовать для преобразования переменного напряжения в пульсирующий постоянный ток, а с помощью дополнительных секций фильтрации (с использованием конденсаторов и катушек индуктивности) можно получить приблизительное постоянное напряжение.
Цепи тюнера : В системах связи на стороне приемника, поскольку антенна принимает все радиочастоты, доступные в космосе, необходимо выбрать желаемую частоту. Итак, используются схемы тюнера, которые представляют собой не что иное, как схему с переменными конденсаторами и индукторами.В этом случае можно использовать варакторный диод.
Телевизоры, светофоры, табло : Для вывода изображения на телевизоры или на табло используются светодиоды. Поскольку светодиоды потребляют очень мало энергии, они широко используются в системах освещения, таких как светодиодные лампы.
Регуляторы напряжения : Поскольку стабилитрон имеет очень низкое напряжение пробоя, его можно использовать в качестве регулятора напряжения при обратном смещении.
Детекторы в системах связи : Хорошо известным детектором, в котором используется диод, является детектор огибающей, который используется для обнаружения пиков модулированного сигнала.
Что такое диод? Определение, конструкция, работа, характеристики и типы диода
Определение : Электронный компонент, сделанный из полупроводникового материала, который позволяет проводить ток только в одном направлении, называется диодом.Это двухконтактное устройство , обычно сформированное путем сплавления полупроводниковых материалов p- и n-типа, каждый из которых имеет основные и неосновные носители.
Давайте сначала посмотрим на основное содержание этой статьи.
Содержание: диод
Обозначение
Строительство
Рабочий
Уравнение тока диода
Характеристическая кривая
Типы
Ключевые термины
Символ диода
На рисунке ниже показан символ диода с PN переходом:

Конструкция диода
После базового определения приступим к формированию.
Диод в своей основной форме представляет собой устройство с PN-переходом, через которое протекает ток при приложении правильного прямого потенциала. Полупроводниковые материалы p- и n-типа должны быть тщательно скомбинированы, чтобы в них содержалось контролируемое количество донорных и акцепторных примесей. В своей основной форме берется одиночная пластина кремния или германия, которая легирована пятивалентными и трехвалентными примесями в двух своих половинах. Область P обозначает легирование трехвалентной примесью, а область n обозначает легирование пятивалентной примесью.Или просто, мы можем объединить отдельные материалы p- и n-типа, чтобы сформировать полупроводниковый прибор.
На приведенном ниже рисунке показана структура диода с PN переходом:
Здесь, как мы видим, полупроводниковый материал p-типа объединен с полупроводниковым материалом n-типа, который образует переход. Этот переход известен как PN-переход. На противоположных концах прикреплены два металлических контакта, которые вместе образуют диод с PN-переходом. Материал p-типа содержит дырки в качестве основного носителя, а электроны — в качестве неосновного.Напротив, материал n-типа имеет электроны в качестве основного носителя и дырки в качестве неосновного носителя.
Этот p-n переход представляет собой не что иное, как слой неподвижных ионов , называемый обедненным слоем . Когда имеется соответствующий потенциал, в нем отмечается проводящее и непроводящее состояние.
Работа диода
Диод работает без смещения, с прямым смещением и с обратным смещением.
Обсудим вышеупомянутое условие более подробно.Начнем с беспристрастного условия.
Несмещенное состояние диода :
Когда на устройство не подается внешний потенциал или напряжение. Тогда это называется несмещенным состоянием диода.
Приведенный ниже рисунок поможет вам лучше понять несмещенное состояние диода.
Здесь материал p-типа сплавлен с материалом n-типа. Это слияние создает соединение. Когда на диод не подается напряжение, большинство носителей заряда i.То есть дырки со стороны p и электроны со стороны n объединяются друг с другом в переходе. Эти носители заряда при объединении генерируют неподвижные ионы, которые истощаются через переход. За счет этого на стыке образуется обедненная область.
Здесь следует отметить, что поток носителей заряда через площадь поперечного сечения известен как диффузия. Следовательно, ток при отсутствии смещения известен как диффузионный ток .
Разность потенциалов в области истощения порождает электрическое поле.Из-за этого электрического поля дальнейшее движение основных носителей заряда не допускается. Поэтому ширина обедненной области фиксирована. Потенциал в области истощения действует как барьер для дальнейшего движения, следовательно, известный как барьер или встроенный потенциал. Однако неосновные носители по-прежнему дрейфуют через область истощения, и ток течет незначительно. Этот очень небольшой ток из-за неосновных носителей известен как дрейфовый ток .
Прямое смещение диода :
В состоянии прямого смещения сторона p устройства соединена с положительной клеммой источника питания.А сторона n связана с отрицательным потенциалом аккумулятора. Таким образом, соединение будет смещено вперед.
Ниже приведен рисунок, представляющий схему диодов с положительным смещением:
Когда применяется прямое смещение. Отверстия на стороне p испытывают силу отталкивания от положительного вывода. Точно так же электроны отталкиваются от отрицательной клеммы источника питания. Однако первоначально основные носители с обеих сторон не перемещаются через переход из-за барьерного потенциала.
Но, когда потенциал барьера превышен, основной носитель заряда теперь показывает движение через переход. Это движение носителей заряда после преодоления барьерного потенциала генерирует ток. Этот ток известен как ток большинства. В тот момент, когда этот барьер удален, сопротивление, создаваемое переходом, автоматически становится равным 0. Таким образом, прямой ток теперь начинает течь через устройство.
Примечательно, что барьерный потенциал кремния равен 0.7В, а для германия — 0,3В . Таким образом, после преодоления соответствующего потенциала в случае обоих материалов прямой ток начинает течь через устройство.
Обратно смещенное состояние диода :
Когда мы подключаем внешний потенциал к устройству таким образом, чтобы сторона p была подключена к отрицательной клемме источника питания. И сторона n соединена с положительной клеммой. Тогда говорят, что устройство имеет обратное смещение.
На рисунке ниже показано расположение диода с PN переходом с обратным смещением:
При приложении обратного потенциала отверстия со стороны p испытывают притяжение со стороны отрицательной клеммы.И электроны на стороне n испытывают притяжение от положительной клеммы источника питания. Из-за этого большинство носителей, присутствующих на обеих сторонах, движутся в направлении от стыка. Это увеличивает ширину обедненной области и, следовательно, потенциальный барьер увеличивается.
Переводит устройство в непроводящее состояние. Однако из-за присутствия неосновных носителей как на стороне p, так и на стороне n протекает очень небольшой ток. Этот небольшой ток через устройство известен как обратный ток утечки.Этот обратный ток не зависит от барьерного потенциала и зависит только от температуры и конструкции устройства.
Уравнение тока диода
Ток диода определяется следующим соотношением:
: I _D = ток диода
I _S = ток обратного насыщения
В _D = напряжение на приборе
T _K = температура в Кельвинах
К = 11600 / ƞ
ƞ = коэффициент идеальности колеблется от 1 до 2
С,
Мы также можем написать,
или
Таким образом, при подстановке указанного выше значения в основное уравнение.Получаем,
Это упрощенное уравнение тока диода.
Характеристическая кривая диода
На приведенном ниже рисунке показана характеристическая кривая диода с PN переходом в прямом и обратном смещении:
Область A представляет собой кривую для диода с прямым смещением. В то время как область B показывает кривую для диода с обратным смещением.
Будем считать, что диод изготовлен из кремниевого материала. Следовательно, внешний потенциал, необходимый для преодоления барьерного потенциала, равен 0.7V в его корпусе. Таким образом, мы можем видеть в области прямого смещения, быстрое увеличение тока наблюдается после 0,7 вольт. Это известно как напряжение колена, после которого барьерный потенциал полностью снимается, и устройство начинает проводить ток.
Теперь перейдем к области B, которая представляет состояние устройства с обратным смещением. Как мы уже обсуждали, в случае обратного смещения ширина обедненной области очень велика, как и барьерный потенциал. Таким образом, кривая представляет собой обратный ток насыщения, который течет только из-за движения неосновных носителей заряда через устройство.Этот обратный ток составляет всего менее 1 микроампер для кремниевого устройства.
Еще один примечательный момент заключается в том, что при номинальном обратном напряжении протекает небольшой обратный ток. Но при увеличении обратного напряжения возникает условие, вызывающее пробой перехода диода. Это вызывает немедленное увеличение обратного тока через него.
Типы диодов
В основном они характеризуются принципом действия, обеспечивая различные характеристики терминала и допускающие многократное использование.Ниже приведены различные типы диодов:
Стабилитрон : это тип диода с PN переходом, который работает в условиях обратного смещения. Точнее можно сказать в области разбивки.
Это в основном сильно легированный диод с PN переходом и находит свое применение в регулировании напряжения, защите счетчиков, а также в операциях переключения и ограничения.
Туннельный диод : Туннельный диод, также известный как диод Эсаки, представляет собой плотно легированное устройство с высокой проводимостью.Концентрация примесей изменяется в зависимости от нормального диода с PN переходом. Он основан на принципе туннелирования и показывает характеристики отрицательного сопротивления.
Как показывает быстрый отклик, широко используется в качестве усилителя и генератора. Поскольку это слаботочное устройство, широко не используется.
PIN-диод : это трехслойное устройство, в котором внутренняя область расположена между p и полупроводником n-типа. Поскольку внутренний слой обеспечивает высокое удельное сопротивление, он обеспечивает ключ для обработки небольших входных сигналов.
Они широко используются в микроволновых и радиолокационных устройствах.
Варакторный диод : он также известен как варикап-диоды, что представляет собой слово, состоящее из комбинации переменного конденсатора. Это диод с обратным смещением, режим работы которого зависит от переходной емкости. Они широко используются в высокочастотных приложениях.
Фотодиод : Фотодиод — это устройство, которое генерирует ток, когда соответствующая область подвергается воздействию света. Он также работает в режиме обратного смещения.Они широко используются в приложениях обнаружения, демодуляции, коммутации и кодирования.
LED : LED — это сокращенная форма светодиодов. Это устройство, излучающее некогерентный свет из-за приложенного электрического поля. Это диод с прямым смещением. Светодиоды широко используются в цифровых часах, мультиметрах, охранной сигнализации и т. Д.
Лазерный диод : Лазер — это аббревиатура, обозначающая усиление света за счет вынужденного излучения излучения. Они специально разработаны для создания когерентного излучения.Лазерные диоды широко используются в телекоммуникациях и медицине.
Диод Шоттки : Это не диод с PN-переходом, поскольку он образован путем слияния металла с полупроводниковым материалом n-типа. Это исключает область истощения. Они широко используются в цифровых компьютерах.
Ключевые термины, относящиеся к диоду
Барьерный потенциал : это напряжение, генерируемое на переходе в условиях смещения нуля из-за неподвижных ионов. Также известен как встроенный потенциал.
Напряжение колена : Напряжение прямого смещения полупроводникового устройства, которое преодолевает барьерный потенциал. После этого напряжения через переход перемещается большое количество носителей заряда. В результате через устройство протекает большой ток. Его значение составляет 0,3 В, для германия и 0,7 В, для кремния.
Напряжение пробоя : При обратном смещении в устройстве наблюдается очень небольшой ток из-за потока неосновных носителей. Однако, если обратное напряжение увеличивается сверх определенного предела.Затем это приводит к полному разрушению соединения. Это напряжение известно как напряжение пробоя.
Пиковое обратное напряжение : Пиковое обратное напряжение (PIV) можно понять по самому названию. Пик означает наивысший или максимум, а обратный означает обратное. Таким образом, это в основном то максимальное напряжение в условиях обратного смещения, которое может выдержать устройство.
Итак, мы можем заключить, что ток через полупроводниковый диод зависит от его смещения или приложенного к нему входа.
Принцип работы полупроводникового диода с PN переходом

В этой статье я объясню принцип работы полупроводникового диода с PN переходом. Как вы знаете, диод работает как в прямом, так и в обратном смещении, поэтому мы подробно объясним оба этих состояния с помощью необходимых кривых ВАХ.
Базовая часть — это общее описание полупроводников p- и n-типа, а также найденного pn-перехода.Полупроводниковый диод — это биполярное устройство, состоящее из полупроводникового кристалла p- и n-типа. Поверхность стыка, составляющая pn переход. Между различно легированными полупроводниковыми подложками происходит перенос заряда. Часть электронов из области n-типа мигрирует в полупроводник p-типа. Известно, что положительные носители заряда притягиваются дырками или дефектными электронами.
В области контакта оба полупроводниковых кристалла не являются электрически нейтральными. Полупроводниковая область n-типа, образующая положительный заряд.В соседнем полупроводнике p-типа создается область отрицательного заряда. При обесточивании процесс диффузии естественным образом останавливается. В зоне контакта обоих типов полупроводников находится пограничный слой, а значит, и зона пространственного заряда. Величина диффузионного напряжения полупроводникового материала и сила примеси зависят. В процессе диффузии пограничный слой обедняется свободными носителями заряда. Это высокий импеданс и барьерный слой.
Германиевый полупроводник демонстрирует диффузионное напряжение прибл.(От 0,2 до 0,4) составляет 0,3 вольт.

Кремниевые полупроводники имеют напряжение диффузии прибл. (От 0,4 до 0,8) 0,7 вольт.
Если к этому pn переходу приложено внешнее напряжение, то полярность определяет, может ли ток течь. Находится на отрицательном выводе полупроводника p-типа и положительном выводе на полупроводнике n-типа, тогда барьерный слой расширяется. Измеряемые значения тока остаются в диапазоне мкА. При обратной полярности с положительным полюсом к отрицательному выводу p-зоны и в области n-типа барьерный слой ухудшается.Он низкий и пропускает ток. Значения тока зависят от типа и конструкции диода от нескольких мА до кА. Полупроводниковый диод действует как механический обратный клапан. Течение тока может иметь место только в одном направлении и заблокировано в противоположном направлении.
Диод в прямом направлении

Обозначение схемы простого полупроводникового диода — закрытая стрелка на вертикальной линии. Два электрода называются анодом и катодом. Направление стрелки сверху к полосе указывает направление тока проводящего диода.На следующей диаграмме показаны характеристики различных диодов в полосе пропускания.

Источник изображения:
Собственное, созданное с помощью программного обеспечения САПР
Прохождение тока (от 1 до 100) мкА, которое намного ниже порогового напряжения, практически неизмеримо. Барьерный слой не удален, а pn переход имеет высокое сопротивление.
Вблизи порога напряжение возрастает нелинейно, при этом истощается ток блокирующего слоя.
Выше порогового напряжения барьерный слой ухудшается и сопротивление полупроводника очень низкое.Прямой ток очень быстро увеличивается. Оно не может превышать максимального значения и должно ограничиваться последовательным резистором.
Возникающие в результате потери тепла при проведении в полупроводнике улучшают его проводимость. Каждые 10 градусов повышения температуры удваиваются за счет спаривания германиевых диодов в количестве свободных носителей заряда в кристалле, а в кремниевых диодах даже утраиваются. Без ограничения по току компонент в конечном итоге разрушается.
Необходимость пробоя барьерного напряжения называется пороговым или пороговым напряжением.Это соответствует напряжению диффузии находящегося под напряжением pn перехода. Выше порогового значения напряжение полупроводникового диода низкое и проводящее. Тогда диод работает в прямом направлении или в полосе пропускания.
Полупроводниковые диоды не имеют постоянного значения сопротивления. Он выбранная рабочая точка. Область крутой кривой выше порогового напряжения, постоянное значение сопротивления постоянному току может быть рассчитано с хорошим приближением в соответствии с законом Ома. Величина резистора рассчитывается как отношение напряжения и тока в рабочей точке.
Для более точных расчетов или использования диода в конкретных цепях дифференциального сопротивления, также называемого сопротивлением переменного тока, использовать. Его можно определить графически, применив характеристику касательной к рабочей точке с помощью треугольника наклона.
Диод в полосе заграждения

Источник изображения:
Собственный, созданный с помощью программного обеспечения CAD
Диод работает в обратном направлении, когда потенциал анода более отрицательный по сравнению с катодом.Ток снижен до минимального, остаточный ток в 10 7 раз меньше по сравнению с направлением потока. Никогда так больше ноль в полупроводниковом кристалле несколько примесных носителей. Область p-типа предоставляет электроны и электронные дырки, область n-типа и дырки в качестве неосновных носителей. Оба могут свободно проходить через барьер и вызывать обратный ток. Повышение температуры и заметное увеличение обратного тока можно измерить, поскольку полупроводники находятся среди горячих проводников.
По сравнению с кремниевыми германиевыми диодами, диоды имеют более высокие токи утечки. Максимальное напряжение блокировки германиевого диода ниже. Силовые диоды имеют более высокие значения тока утечки, поскольку их pn-переход имеет большую площадь поперечного сечения. На диаграмме показаны основные полные характеристические кривые двух типов диодов.
Диоды — это устройства с pn переходом.

Диоды имеют прямое и обратное направление.

В прямом режиме анодный потенциал более положительный, чем у катода.

Напряжение выше порогового значения диода очень низкое.
Диоды с высоким обратным напряжением

Выпрямитель в энергетике для направления больших токов и высоких напряжений может одновременно надежно блокироваться. Однако до необходимой степени легирование снижает максимальное обратное напряжение, поскольку эти полупроводники имеют лишь узкий барьер. Этот недостаток устраняется установкой дополнительного полупроводникового слоя. Между сильно легированными полупроводниками p- и n-типа находится слаболегированная полупроводниковая область.Этот диапазон имеет низкое p- или n-легирование, имеет высокое сопротивление и расширяется за счет барьерного слоя. Во включенном режиме этот промежуточный слой затем заполняется носителями заряда с обеих сторон и, таким образом, находится на низком уровне. Эти диоды называются полупроводниками PSN.

Источник изображения:
Создано с использованием программного обеспечения CAD.
Высоковольтные диоды на несколько киловольт, обратное напряжение формируют широкую нелегированную полупроводниковую область между кристаллами p- и n-типа. Это внутренний, внутренний слой, называемый i-зоной.При высоком обратном блокирующем напряжении область истощения простирается по всей ширине i-области. В прямом направлении эта область залита с обеих сторон подобно псн-диодам из электронов и дырок и с низким импедансом.
Важные граничные данные диодов

Предельные значения, указанные производителями в технических паспортах, поддерживаются для каждого из них. При эксплуатации некоторые значения не достигаются, это не влияет на другие пределы. Несоблюдение этого требования будет уничтожено.
Обратное напряжение UR

До этого максимального напряжения постоянного тока диод в обратном или обратном режиме сохраняет высокое сопротивление. Кремниевые диоды имеют обратное напряжение до 4 кВ. Для германиевых диодов максимальное значение составляет около. 100 В. Селеновые диоды, которые почти не используются, достигают только (25 … 40) В.
Пиковое обратное напряжение URM

Значение представляет собой максимальное периодическое пиковое значение переменного напряжения в обратном направлении при рабочей частоте больше чем 20 Гц
Прямой ток IF и I0

Значение указывает максимально допустимый постоянный или эффективный ток через диод, не разрушающийся в полосе пропускания.Целевой ток I0 является средним арифметическим прямого тока и немного ниже.
Максимальный пиковый ток IFM

Он выражается в прямом направлении для рабочей частоты около 20 Гц с синусоидальными нагрузками. Это значение применяется к прямоугольным сигналам с коэффициентом заполнения 0,5.
Рассеиваемая мощность Ptot

Таким образом, подразумевается максимальная непрерывная мощность, которая не разрушает полупроводник. Он рассчитывается как произведение напряжения на диоде и тока через диод.Кремниевые диоды допускают более высокое рассеивание мощности по сравнению с германиевыми диодами.
Температура перехода Tj

Полупроводниковому кристаллу позволяют нагреваться до этой максимальной температуры без необратимого повреждения. Самая высокая температура корпуса компонента низкая, так как тепло кристалла должно передаваться только наружу. Кристаллические кремниевые диоды выдерживают температуры до 190 ° C. В германиевых полупроводниках предел составляет 100 ° C. Полупроводники с селеном допускают температуру до 80 ° C.
Температура окружающей среды ТУ

Все пределы приведены для температуры окружающей среды 25 ° C, если значение не указано отдельно.
Некоторые характеристики диода

Следующие характеристики не соблюдаются, схема может проявлять неожиданные свойства. Вот некоторые важные параметры:
Прямое напряжение VF

Значение должно соответствовать заданному прямому току IF. Прямое напряжение обычно соответствует напряжению диффузии pn перехода в обесточенном состоянии.
Обратный ток IR

Приведены спецификации обратного тока для определенного обратного напряжения UR. Кремниевые диоды имеют самые низкие обратные токи. На порядок хуже германиевые диоды. Еще более высокие обратные токи имеют селеновые ячейки.
Емкость диода CD

Диод, обедненная область барьерного слоя с электрическим потенциалом заряженного пластинчатого конденсатора можно сравнить. Диоды с большой площадью поперечного сечения на pn переходе имеют высокие значения емкости.Диапазон значений от нескольких пФ до пика диода 500 пФ в диодах с удельной емкостью.
Есть диоды с очень коротким временем переключения, диоды переключения. Время обратного восстановления определяет верхнюю частоту, на которой диод все еще работает должным образом. На следующей диаграмме показано поведение универсального диода 1N4005, работающего на слишком высокой частоте. Входным сигналом является один раз синусоидальное напряжение, а в другой раз — прямоугольное напряжение с пиковым значением 15 В на частоте 50 кГц.
No related posts.

Провод