Диоды. Устройство и работа. Характеристики и особенности

Самым простым по конструкции в семействе полупроводников являются диоды, имеющие в конструкции всего два электрода, между которыми существует проводимость электрического тока в одну сторону. Такой вид проводимости в полупроводниках создается благодаря их внутреннему устройству.

Особенности устройства

Не зная конструктивных особенностей диода, нельзя понять его принципа действия. Структура диода состоит из двух слоев с проводимостью различного вида.

Диод состоит из следующих основных элементов:

• Корпус. Выполняется в виде вакуумного баллона, материалом которого может быть керамика, металл, стекло и другие прочные материалы.
• Катод. Он расположен внутри баллона, служит для образования эмиссии электронов. Наиболее простым устройством катода является тонкая нить, раскаляющаяся в процессе действия. Современные диоды оснащены косвенно накаляющимися электродами, которые выполнены в виде металлических цилиндров со свойством активного слоя, имеющего возможность испускать электроны.
• Подогреватель. Это особый элемент в виде нити, раскаляющейся от электрического тока. Подогреватель расположен внутри косвенно накаляющегося катода.
• Анод. Это второй электрод диода, служащий для приема электронов, вылетевших от катода. Анод имеет положительный потенциал, по сравнению с катодом. Форма анода чаще всего так же, как и катода, цилиндрическая. Оба электрода аналогичны эмиттеру и базе полупроводников.
• Кристалл. Его материалом изготовления является германий или кремний. Одна часть кристалла имеет р-тип с недостатком электронов. Другая часть кристалла имеет n-тип проводимости с избытком электронов. Граница, расположенная между этими двумя частями кристалла, называется р-n переходом.

Эти особенности конструкции диода позволяют ему проводить ток в одном направлении.

Принцип действия

Работа диода характеризуется его различными состояниями, и свойствами полупроводника при нахождении в этих состояниях. Рассмотрим подробнее основные виды подключений диодов, и какие процессы происходят внутри полупроводника.

Диоды в состоянии покоя

Если диод не подключен к цепи, то внутри него все равно происходят своеобразные процессы. В районе «n» есть излишек электронов, что создает отрицательный потенциал. В области «р» сконцентрирован положительный заряд. Совместно такие заряды создают электрическое поле.

Так как заряды с разными знаками притягиваются, то электроны из «n» проходят в «р», при этом заполняют дырки. В итоге таких процессов в полупроводнике появляется очень слабый ток, увеличивается плотность вещества в области «р» до определенного значения. При этом частицы расходятся по объему пространства равномерно, то есть, происходит медленная диффузия. Вследствие этого электроны возвращаются в область «n».

Для многих электрических устройств направление тока не имеет особого значения, все работает нормально. Для диода же, большое значение имеет направление протекания тока. Основной задачей диода является пропускание тока в одном направлении, чему благоприятствует переход р-n.

Обратное включение

Если диоды подсоединять к питанию по изображенной схеме, то ток не будет проходить через р-n переход. К области «n» подсоединен положительный полюс питания, а к «р» — минусовой. В итоге электроны от области «n» переходят к плюсовому полюсу питания. Дырки притягиваются минусовым полюсом. На переходе возникает пустота, носители заряда отсутствуют.

При повышении напряжения дырки и электроны осуществляют притягивание сильнее, и на переходе нет носителей заряда. При обратной схеме включения диода ток не проходит.

Повышение плотности вещества возле полюсов создает диффузию, то есть, стремление к распределению вещества по объему. Это возникает при выключении питания.

Обратный ток

Вспомним о работе неосновных переносчиков заряда. При запертом диоде, через него проходит малая величина обратного тока. Он и образуется от неосновных носителей, двигающихся в обратном направлении. Такое движение возникает при обратной полярности питания. Обратный ток обычно незначительный, так как число неосновных носителей очень мало.

При возрастании температуры кристалла их число повышается и обуславливает повышение обратного тока, что обычно приводит к повреждению перехода. Для того, чтобы ограничить температуру работы полупроводников, их корпус монтируют на теплоотводящие радиаторы охлаждения.

Прямое включение

Поменяем местами полюса питания между катодом и анодом. На стороне «n» электроны будут отходить от отрицательного полюса, и проходить к переходу. На стороне «р» дырки, имеющие положительный заряд, оттолкнутся от положительного вывода питания. Поэтому электроны и дырки начнут стремительное движение друг к другу.

Частицы с разными зарядами скапливаются возле перехода, и между ними образуется электрическое поле. Электроны проходят через р-n переход и двигаются в область «р». Часть электронов рекомбинирует с дырками, а остальные проходят к положительному полюсу питания. Возникает прямой ток диода, который имеет ограничения его свойствами. При превышении этой величины диод может выйти из строя.

При прямой схеме диода, его сопротивление незначительное, в отличие от обратной схемы. Считается, что обратно ток по диоду не проходит. В результате мы выяснили, что диоды работают по принципу вентиля: повернул ручку влево – вода течет, вправо – нет воды. Поэтому их еще называют полупроводниковыми вентилями.

Прямое и обратное напряжение

Во время открытия диода, на нем имеется прямое напряжение. Обратным напряжением считается величина во время закрытия диода и прохождения через него обратного тока. Сопротивление диода при прямом напряжении очень мало, в отличие от обратного напряжения, возрастающего до тысяч кОм. В этом можно убедиться путем измерения мультиметром.

Сопротивление полупроводникового кристалла может изменяться в зависимости от напряжения. При увеличении этого значения сопротивление снижается, и наоборот.

Если диоды использовать в работе с переменным током, то при плюсовой полуволне синуса напряжения он будет открыт, а при минусовой – закрыт. Такое свойство диодов применяют для выпрямления напряжения. Поэтому такие устройства называются выпрямителями.

Характеристика диодов

Характеристика диода выражается графиком, на котором видна зависимость тока, напряжения и его полярности. Вертикальная ось координат в верхней части определяет прямой ток, в нижней части – обратный.

Горизонтальная ось справа обозначает прямое напряжение, слева – обратное. Прямая ветка графика выражает ток пропускания диода, проходит рядом с вертикальной осью, так как выражает повышение прямого тока.

Вторая ветка графика показывает ток при закрытом диоде, и проходит параллельно горизонтальной оси. Чем круче график, тем лучше диод выпрямляет ток. После возрастания прямого напряжения, медленно повышается ток. Достигнув области скачка, его величина резко нарастает.

На обратной ветви графика видно, что при повышении обратного напряжения, величина тока практически не возрастает. Но, при достижении границ допустимых норм происходит резкий скачок обратного тока. Вследствие этого диод перегреется и выйдет из строя.

Похожие темы:

Диод — полупроводниковый элемент. Принцип работы, устройство и разновидности.

Диод (Diode -eng.) – электронный прибор, имеющий 2 электрода, основным функциональным свойством которого является низкое сопротивление при передаче тока в одну сторону и высокое при передаче в обратную.

То есть при передаче тока в одну сторону он проходит без проблем, а при передаче в другую, сопротивление многократно увеличивается, не давая току пройти без сильных потерь в мощности. При этом диод довольно сильно нагревается.

Диоды бывают электровакуумные, газоразрядные и самые распространённые –

полупроводниковые. Свойства диодов, чаще всего в связках между собой, используются для преобразования переменного тока электросети в постоянный ток, для нужд полупроводниковых и других приборов.

 

Конструкция диодов.

Конструктивно, полупроводниковый диод состоит из небольшой пластинки полупроводниковых материалов (кремния или германия), одна сторона (часть пластинки) которой обладает электропроводимостью p-типа, то есть принимающей электроны (содержащей искусственно созданный недостаток электронов («дырочная»)), другая обладает электропроводимостью n-типа

, то есть отдающей электроны (содержащей избыток электронов («электронной»)).

Слой между ними называется p-n переходом. Здесь буквы p и n — первые в латинских словах negative — «отрицательный», и positive — «положительный». Сторона p-типа, у полупроводникового прибора является анодом (положительным электродом), а область n-типа — катодом (отрицательным

электродом) диода.

 

Электровакуумные (ламповые) диоды, представляют собой лампу с двумя электродами внутри, один из которых имеет нить накаливания, таким образом подогревая себя и создавая вокруг себя магнитное поле.

При разогреве, электроны отделяются от одного электрода (катода) и начинают движение к другому электроду (аноду), благодаря электрическому магнитному полю.

Если направить ток в обратную сторону (изменить полярность), то электроны практически не будут двигаться к катоду из-за отсутствия нити накаливания в аноде. Такие диоды, чаще всего применяются в выпрямителях и стабилизаторах, где присутствует высоковольтная составляющая.

Диоды на основе германия, более чувствительны на открытие при малых токах, поэтому их чаще используют в высокоточной низковольтной технике, чем кремниевые.

 

Типы диодов:

• · Смесительный диод — создан для приумножения двух высокочастотных сигналов.

• · pin диод — содержит область проводимости между легированными областями. Используется в силовой электронике или как фотодетектор.

• · Лавинный диод — применяется для защиты цепей от перенапряжения. Основан на лавинном пробое обратного участка вольт-амперной характеристики.

• · Лавинно-пролётный диод — применяется для генерации колебаний в СВЧ-технике. Основан на лавинном умножении носителей заряда.

• · Магнитодиод. Диод, характеристики сопротивления которого зависят от значения индукции магнитного поля и расположения его вектора относительно плоскости p-n-перехода.

• · Диоды Ганна. Используются для преобразования и генерации частоты в СВЧ диапазоне.

• · Диод Шоттки. Имеет малое падение напряжения при прямом включении.

• · Полупроводниковые лазеры.

Применяются в лазеростроении, по принципу работы схожи с диодами, но излучают в когерентном диапазоне.

• · Фотодиоды. Запертый фотодиод открывается под действием светового излучения. Применяются в датчиках света, движения и т.д.

• · Солнечный элемент (вариация солнечных батарей). При попадании света, происходит движение электронов от катода к аноду, что генерирует электрический ток.

• · Стабилитроны — используют обратную ветвь характеристики диода с обратимым пробоем для стабилизации напряжения.

• · Туннельные диоды, использующие квантовомеханические эффекты. Применяются как усилители, преобразователи, генераторы и пр.

• · Светодиоды (диоды Генри Раунда, LED). При переходе электронов, у таких диодов происходит излучение в видимом диапазоне света.

Для данных диодов используют прозрачные корпуса для возможности рассеивания света. Также производят диоды, которые могут давать излучение в ультрафиолетовом, инфракрасном и других требуемых диапазонах (в основном, литографической и космической сфере).

• · Варикапы (диод Джона Джеумма) Благодаря тому, что закрытый p—n-переход обладает немалой ёмкостью, ёмкость зависит от приложенного обратного напряжения. Применяются в качестве конденсаторов с переменной ёмкостью.

Как устроены и работают полупроводниковые диоды

Диод – простейший полупроводниковый прибор. Диод представляет собой пластинку полупроводника (германий), в левой половине которого имеется акцепторная примесь, а в правой – донорная. При этом левая часть называется полупроводником типа Р, правая – типа N. Свойства полупроводникового диода, как и любого другого полупроводника, определяются границей между левой и правой частями полупроводника, т.н. Р-N переходом (рисунок 1). В отличии от тиристоров и транзисторов, диод имеет один Р-N переход. Главной отличительной особенностью диода является односторонняя проводимость электрического тока.

Рисунок 1 – Строение диода и его обозначение на электрической схеме.

Конструктивно диод представляет собой двухвыводной полупроводниковый элемент. Выводы диода обозначаются как анод и катод.

Рассмотрим физические процессы, происходящие на границе Р-N перехода в различных состояниях диода.

1. Диод в состоянии покоя (выводы диода некуда не подключены). В этом состоянии области полупроводника N и Р характеризуются наличием отрицательного и положительного заряда соответственно. Взаимодействие этих зарядов создает электрическое поле (рисунок 2).

Рисунок 2.

Как известно, разноименные заряды обладают свойством притягиваться, поэтому электроны (отрицательные носители заряда из зоны N) проникают в положительно заряженную зону Р, заполняя при этом некоторые дырки. Движение электронов – есть не что иное, как электрический ток. Величина этого тока незначительна. Однако, заряженные частицы стремятся равномерно распространиться по всему объему (проводнику), поэтому часть электронов возвращается назад в зону N.

2. Включение полупроводникового диода в обратном направлении (рисунок 3).

Рисунок 3.

При обратном включении диода (область N подключена к «+» источника питания, область Р – к «-» источника питания) ток через Р-N переход не пройдет. Это обусловлено тем, что электроны устремятся к положительному полюсу источника питания, положительные заряды (дырки) – к отрицательному полюсу источника питания. На границе Р-N перехода образуется «вакуум», в котором отсутствуют какие-либо носители заряда.

Увеличение обратного напряжения источника питания приведет к еще большему увеличению зоны в области Р-N перехода без носителей заряда.

Помимо понятия «обратного напряжения» существует понятие и «обратного тока». Обратный ток – ток, протекающий через границу Р-N перехода, вызванный перемещением неосновных носителей заряда, которые двигаются, как и основные, но в обратном направлении. Величина обратного тока мала, т.к. число носителей невелико. Однако повышение температуры полупроводникового диода приводит к увеличению сила неосновных носителей заряда и увеличению обратного тока, который может привести к разрушению Р-N перехода. Для снижения температуры полупроводников применяют пассивные (радиаторы) и активные (вентиляторы) теплоотводы.

3. Включение полупроводникового диода в прямом направлении (рисунок 4).

Рисунок 4.

Прямое включение диода вызовет смещение электронов и дырок от отрицательного и положительного выводов источника к питания соответственно в сторону Р-N перехода. В результате этого смещения в области Р-N перехода образуется электрическое поле, способствующее перемещению электронов в область Р и их устремление к положительному выводу источника питания. Таким образом, через диод протекает прямой ток.

Принцип действия диода подобен механическому вентилю, поэтому диоды еще называют полупроводниковыми вентилями.

---

Всего комментариев: 0

---

Полупроводниковый диод. Принцип его работы, параметры и разновидности.

Устройство, параметры и разновидности диодов

В самом начале радиотехники первым активным элементом была электронная лампа. Но уже в двадцатые годы прошлого века появились первые приборы доступные для повторения радиолюбителями и ставшие очень популярными. Это детекторные приёмники. Более того они выпускались в промышленном масштабе, стоили недорого и обеспечивали приём двух-трёх отечественных радиостанций работавших в диапазонах средних и длинных волн.

Именно в детекторных приёмниках впервые стал использоваться простейший полупроводниковый прибор, называемый вначале детектором и лишь позже получивший современное название – диод.

Диод это прибор, состоящий всего из двух слоёв полупроводника. Это слой “p”- позитив и слой “n”- негатив. На границе двух слоёв полупроводника образуется “p-n” переход. Анодом является область “p”, а катодом зона “n”. Любой диод способен проводить ток только от анода к катоду. На принципиальных схемах он обозначается так.

Как работает полупроводниковый диод.

В полупроводнике “n” типа имеются свободные электроны, частицы со знаком минус, а в полупроводнике типа “p” наличествуют ионы с положительным зарядом, их принято называть «дырки». Подключим диод к источнику питания в обратном включении, то есть на анод подадим минус, а на катод плюс. Между зарядами разной полярности возникает притяжение и положительно заряженные ионы тянутся к минусу, а отрицательные электроны дрейфуют к плюсу источника питания. В “p-n” переходе нет носителей зарядов, и отсутствует движение электронов. Нет движения электронов – нет электрического тока. Диод закрыт.

При прямом включении диода происходит обратный процесс. В результате отталкивания однополярных зарядов все носители группируются в зоне перехода между двумя полупроводниковыми структурами. Между частицами возникает электрическое поле перехода и рекомбинация электронов и дырок. Через “p-n” переход начинает протекать электрический ток. Сам процесс носит название «электронно-дырочная проводимость». При этом диод открыт.

Возникает вполне естественный вопрос, как из одного полупроводникового материала удаётся получить структуры, обладающие различными свойствами, то есть полупроводник “n” типа и полупроводник “p” типа. Этого удаётся добиться с помощью электрохимического процесса называемого легированием, то есть внесением в полупроводник примесей других металлов, которые и обеспечивают нужный тип проводимости. В электронике используются в основном три полупроводника. Это германий (Ge), кремний (Si) и арсенид галлия (GaAs). Наибольшее распространение получил, конечно, кремний, так как запасы его в земной коре поистине огромны, поэтому стоимость полупроводниковых приборов на основе кремния весьма невысока.

При добавлении в расплав кремния ничтожно малого количества мышьяка (As) мы получаем полупроводник “n” типа, а легируя кремний редкоземельным элементом индием (In), мы получаем полупроводник “p” типа. Присадок для легирования полупроводниковых материалов достаточно много. Например, внедрение атомов золота в структуру полупроводника увеличивает быстродействие диодов, транзисторов и интегральных схем, а добавление небольшого числа различных примесей в кристалл арсенида галлия определяет цвет свечения светодиода.

Типы диодов и область их применения.

Семейство полупроводниковых диодов очень большое. Внешне они очень похожи за исключением некоторых групп, которые отличаются конструктивно и по ряду параметров. Наиболее распространены следующие модификации полупроводниковых диодов:

• Выпрямительные диоды. Предназначены для выпрямления переменного тока.

• Стабилитроны. Обеспечивают стабилизацию выходного напряжения.

• Диоды Шоттки. Предназначены для работы в импульсных преобразователях и стабилизаторах напряжения. Например, в блоках питания персональных компьютеров.

• Импульсные диоды отличаются очень высоким быстродействием и малым временем восстановления. Они применяются в импульсных блоках питания и в другой импульсной технике. К этой группе можно отнести и туннельные диоды.

• СВЧ диоды имеют определённые конструктивные особенности и работают в устройствах на высоких и сверхвысоких частотах.

• Диоды Ганна. Они предназначены для генерирования частот до десятков гигагерц.

• Лавинно-пролётные диоды генерируют частоты до 180 ГГц.

• Фотодиоды имеют миниатюрную линзу и управляются световым излучением. В зависимости от типа могут работать как в инфракрасном, так и в ультрафиолетовом диапазоне спектра.

• Светодиоды. Излучают видимый свет практически любой длины волны. Спектр применения очень широк. Рассматриваются как альтернатива электрическим лампам накаливания и других осветительных приборов.

• Твёрдотельный лазер так же представляет собой полупроводниковый диод. Спектр применения очень широк. От приборов военного назначения до обычных лазерных указок, которые легко купить в магазине. Его можно обнаружить в лазерных считывателях CD/DVD-плееров, а также лазерных уровнях (нивелирах), используемых в строительстве. Чтобы не говорили сторонники лазерной техники, как ни крути, лазер опасен для зрения. Так что, будьте внимательны при обращении с ним.

Также стоит отметить, что у каждого типа диодов есть и подгруппы. Так, например, среди выпрямительных есть и ультрабыстрые диоды. Могут называться как Ultra-Fast Rectifier, HyperFast Rectifier и т.п. Пример – ультрабыстрый диод с малым падением напряжения STTH6003TV/CW (аналог VS-60CPH03). Это узкоспециализированный диод, который применяется, например, в сварочных аппаратах инверторного типа. Диоды Шоттки являются быстродействующими, но не способны выдерживать больших обратных напряжений, поэтому вместо них применяются ультрабыстрые выпрямительные диоды, которые способны выдерживать большие обратные напряжения и огромные прямые токи. При этом их быстродействие сравнимо с быстродействием диодов Шоттки.

Параметры полупроводниковых диодов.

Параметров у полупроводниковых диодов достаточно много и они определяются функцией, которую те выполняют в конкретном устройстве. Например, в диодах, генерирующих СВЧ колебания, очень важным параметром является рабочая частота, а также та граничная частота, на которой происходит срыв генерации. А вот для выпрямительных диодов этот параметр совершенно не важен.

В импульсных и переключающих диодах важна скорость переключения и время восстановления, то есть скорость полного открытия и полного закрытия. В мощных силовых диодах важна рассеиваемая мощность. Для этого их монтируют на специальные радиаторы. А вот диоды, работающие в слаботочных устройствах, ни в каких радиаторах не нуждаются.

Но есть параметры, которые считаются важными для всех типов диодов, перечислим их:

• U пр. – допустимое напряжение на диоде при протекании через него тока в прямом направлении. Превышать это напряжение не стоит, так как это приведёт к его порче.

• U обр. – допустимое напряжение на диоде в закрытом состоянии. Его ещё называют напряжением пробоя. В закрытом состоянии, когда через p-n переход не протекает ток, на выводах образуется обратное напряжение. Если оно превысит допустимое значение, то это приведёт к физическому «пробою» p-n перехода. В результате диод превратиться в обычный проводник (сгорит).

  Очень чувствительны к превышению обратного напряжения диоды Шоттки, которые очень часто выходят из строя по этой причине. Обычные диоды, например, выпрямительные кремниевые более устойчивы к превышению обратного напряжения. При незначительном его превышении они переходят в режим обратимого пробоя. Если кристалл диода не успевает перегреться из-за чрезмерного выделения тепла, то изделие может работать ещё долгое время.

• I пр. – прямой ток диода. Это очень важный параметр, который стоит учитывать при замене диодов аналогами или при конструировании самодельных устройств. Величина прямого тока для разных модификаций может достигать величин десятков и сотен ампер. Особо мощные диоды устанавливают на радиатор для отвода тепла, который образуется из-за теплового действия тока. P-N переход в прямом включении также обладает небольшим сопротивлением. На небольших рабочих токах его действие не заметно, но вот при токах в единицы-десятки ампер кристалл диода ощутимо нагревается. Так, например, выпрямительный диодный мост в сварочном инверторном аппарате обязательно устанавливают на радиатор.

• I обр. – обратный ток диода. Обратный ток – это так называемый ток неосновных носителей. Он образуется, когда диод закрыт. Величина обратного тока очень мала и его в подавляющем числе случаев не учитывают.

• U стаб. – напряжение стабилизации (для стабилитронов). Подробнее об этом параметре читайте в статье про стабилитрон.

Кроме того следует иметь в виду, что все эти параметры в технической литературе печатаются и со значком “max”. Здесь указывается предельно допустимое значение данного параметра. Поэтому подбирая тип диода для вашей конструкции необходимо рассчитывать именно на максимально допустимые величины.

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

 

Что такое диод и как он работает? | ASUTPP

Меня несколько раз спрашивали — что такое диод?

Диод — это электронный компонент, который проводит ток в одном направлении и блокирует ток в другом направлении.

Символ диода выглядит так:

Символ диода выглядит так:

Как подключить диод?

Давайте посмотрим на пример.

В цепи выше диод подключен в правильном направлении. Это означает, что ток может течь через него, так что светодиод загорается.

Но что произойдет, если мы подключим его наоборот?

В этой второй цепи диод подключен неправильно. Это означает, что ток не будет течь в цепи, и светодиод будет выключен.

Для чего нужен диод?

Диоды очень часто используются в источниках питания. От электрической розетки в стене вы получаете переменный ток (переменный ток). Многие устройства, которые мы используем, нуждаются в постоянном токе (DC). Чтобы получить постоянный ток от переменного тока, нам нужна схема выпрямителя. Это схема, которая преобразует переменный ток (переменный ток) в постоянный ток (постоянный ток). Диоды являются основными компонентами в выпрямительных цепях.

Как работает диод?

Диод создан из PN-перехода . Вы получите PN-соединение, взяв полупроводниковый материал с отрицательным и положительным добавлением и соединив его.

На пересечении этих двух материалов появляется «область истощения». Эта область истощения действует как изолятор и отказывается пропускать ток.

Когда вы прикладываете положительное напряжение с положительной стороны к отрицательной стороне, «обедненный слой» между этими двумя материалами исчезает, и ток может течь с положительной на отрицательную сторону.

Когда вы прикладываете напряжение в другом направлении, от отрицательной к положительной стороне, область истощения расширяется и сопротивляется любому протекающему току.

Что нужно знать о диодах?

1. Вы должны приложить достаточное напряжение в «правильном» направлении — от положительного к отрицательному — чтобы диод начал проводить проводку. Обычно это напряжение составляет около 0,7 В.
2. Диод имеет ограничения и не может проводить неограниченное количество тока.
3. Диоды не являются идеальными компонентами. Если вы подадите напряжение в неправильном направлении, будет течь немного тока. Этот ток называется «током утечки».
4. Если вы подадите достаточно высокое напряжение в «неправильном» направлении, диод сломается и пропустит ток и в этом направлении.

Типы диодов

Есть много разных типов диодов . Наиболее распространенными являются сигнальные диоды, выпрямительные диоды, стабилитроны и светодиоды (светодиоды) . Сигнальные и выпрямительные диоды — это одно и то же, за исключением того, что выпрямительные диоды рассчитаны на большую мощность.

Стабилитроны — это диоды, которые используют напряжение пробоя при подаче напряжения «неправильным» образом. Они действуют как очень стабильные опорные напряжения.

Поделитесь своими комментариями или вопросами ниже!

Принцип работы диодов для чайников

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:

1. Электрический ток воздействует на катод, подогреватель начинает накаливаться, а электрод испускать электроны.
2. Между двумя электродами происходит образование электрического поля.
3. 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.
4. 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.
5. Все электроны, которые достигли анода и не вернулись к катоду, определяют параметры катодного тока. Поэтому данный показатель напрямую зависит от положительного анодного потенциала.
6. 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.

Устройство

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

1. Корпус представляет собой вакуумный баллон, который может быть изготовлен из стекла, металла или прочных керамических разновидностей материала.
2. 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.
3. Внутри катода косвенного накала имеется специфический элемент – проволока, которая накаливается под воздействием электрического тока, она называется подогреватель.
4. 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.
5. Оба электрода вакуумных приборов полностью идентичны эмиттеру и базе полупроводниковой разновидности элементов.
6. 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:

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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:

1. Под воздействием напряжения от внешнего источника, в p-n-переходе сформируется электрическое поле, при этом его направление будет противоположным относительно внутреннего диффузионного поля.
2. Напряжение поля значительно снизится, что вызовет резкое сужение запирающего слоя.
3. Под воздействием этих процессов значительное количество электронов обретет возможность свободно переходить из p-области в n-область, а также в обратном направлении.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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:

1. 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.
2. 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.
3. По мере роста обратного напряжения, электрический ток, протекающий через переход, будет стремиться достичь максимальных показателей. Он имеет специальное название – ток насыщения.
4. 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:

1. Прямое напряжение – это то, при котором происходит открытие диода и начинается прохождение через него прямого тока, при этом показатели сопротивления прибора являются крайне низкими.
2. 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:

1. Ось, расположенная по вертикали: верхняя область соответствует значениям прямого тока, нижняя область параметрам обратного тока.
2. Ось, расположенная по горизонтали: область, находящаяся справа, предназначена для значений прямого напряжения; область слева для параметров обратного напряжения.
3. 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.
4. 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.
5. 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).
6. 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.
7. 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.

Основные неисправности диодов

Иногда приборы подобного типа выходят из строя, это может происходить из-за естественной амортизации и старения данных элементов или по иным причинам.

Всего выделяют 3 основных типа распространенных неисправностей:

1. Пробой перехода приводит к тому, что диод вместо полупроводникового прибора становится по своей сути самым обычным проводником. В таком состоянии он лишается своих основных свойств и начинает пропускать электрический ток в абсолютно любом направлении. Подобная поломка легко выявляется при помощи стандартного мультиметра, который начинает подавать звуковой сигнал и показывать низкий уровень сопротивления в диоде.
2. При обрыве происходит обратный процесс – прибор вообще перестает пропускать электрический ток в каком-либо направлении, то есть он становится по своей сути изолятором. Для точности определения обрыва, необходимо использовать тестеры с качественными и исправными щупами, в противном случае, они могут иногда ложно диагностировать данную неисправность. У сплавных полупроводниковых разновидностей такая поломка встречается крайне редко.
3. Утечка, во время которой нарушается герметичность корпуса прибора, вследствие чего он не может исправно функционировать.

Пробой p-n-перехода

Подобные пробои происходят в ситуациях, когда показатели обратного электрического тока начинают внезапно и резко расти, происходит это из-за того, что напряжение соответствующего типа достигает недопустимых высоких значений.

Обычно различается несколько видов:

1. Тепловые пробои, которые вызваны резким повышением температуры и последующим перегревом.
2. Электрические пробои, возникающие под воздействием тока на переход.

График вольт-амперной характеристики позволяет наглядно изучать эти процессы и разницу между ними.

Электрический пробой

Последствия, вызываемые электрическими пробоями, не носят необратимого характера, поскольку при них не происходит разрушение самого кристалла. Поэтому при постепенном понижении напряжения можно восстановить всей свойства и рабочие параметры диода.

При этом, пробои такого типа делятся на две разновидности:

1. Туннельные пробои происходят при прохождении высокого напряжения через узкие переходы, что дает возможность отдельно взятым электронам проскочить через него. Обычно они возникают, если в полупроводниковых молекулах имеется большое количество разных примесей. Во время такого пробоя, обратный ток начинает резко и стремительно расти, а соответствующее напряжение находится на низком уровне.
2. Лавинные разновидности пробоев возможны благодаря воздействию сильных полей, способных разогнать носителей заряда до предельного уровня из-за чего они вышибают из атомов ряд валентных электронов, которые после этого вылетают в проводимую область. Это явление носит лавинообразный характер, благодаря чему данный вид пробоев и получил такое название.

Тепловой пробой

Возникновение такого пробоя может произойти по двум основным причинам: недостаточный теплоотвод и перегрев p-n-перехода, который происходит из-за протекания через него электрического тока со слишком высокими показателями.

Повышение температурного режима в переходе и соседних областях вызывает следующие последствия:

1. Рост колебания атомов, входящих в состав кристалла.
2. Попадание электронов в проводимую зону.
3. Резкое повышение температуры.
4. Разрушение и деформация структуры кристалла.
5. Полный выход из строя и поломка всего радиокомпонента.

Статья была полезна?

0,00 (оценок: 0)

Принцип работы диода. Вольт-амперная характеристика. Пробои p-n перехода

Здравствуйте уважаемые читатели сайта sesaga. ru. В первой части статьи мы с Вами разобрались, что такое полупроводник и как возникает в нем ток. Сегодня мы продолжим начатую тему и поговорим о принципе работы полупроводниковых диодов.

Диод – это полупроводниковый прибор с одним p-n переходом, имеющий два вывода (анод и катод), и предназначенный для выпрямления, детектирования, стабилизации, модуляции, ограничения и преобразования электрических сигналов.

По своему функциональному назначению диоды подразделяются на выпрямительные, универсальные, импульсные, СВЧ-диоды, стабилитроны, варикапы, переключающие, туннельные диоды и т.д.

Теоретически мы знаем, что диод в одну сторону пропускает ток, а в другую нет. Но как, и каким образом он это делает, знают и понимают не многие.

Схематично диод можно представить в виде кристалла состоящего из двух полупроводников (областей). Одна область кристалла обладает проводимостью p-типа, а другая — проводимостью n-типа.

На рисунке дырки, преобладающие в области p-типа, условно изображены красными кружками, а электроны, преобладающие в области n-типа — синими. Эти две области являются электродами диода анодом и катодом:

Анод – положительный электрод диода, в котором основными носителями заряда являются дырки.

Катод – отрицательный электрод диода, в котором основными носителями заряда являются электроны.

На внешние поверхности областей нанесены контактные металлические слои, к которым припаяны проволочные выводы электродов диода. Такой прибор может находиться только в одном из двух состояний:

1. Открытое – когда он хорошо проводит ток;
2. Закрытое – когда он плохо проводит ток.

Прямое включение диода. Прямой ток.

Если к электродам диода подключить источник постоянного напряжения: на вывод анода «плюс» а на вывод катода «минус», то диод окажется в открытом состоянии и через него потечет ток, величина которого будет зависеть от приложенного напряжения и свойств диода.

При такой полярности подключения электроны из области n-типа устремятся навстречу дыркам в область p-типа, а дырки из области p-типа двинутся навстречу электронам в область n-типа. На границе раздела областей, называемой электронно-дырочным или p-n переходом, они встретятся, где происходит их взаимное поглощение или рекомбинация.

Например. Oсновные носители заряда в области n-типа электроны, преодолевая p-n переход попадают в дырочную область p-типа, в которой они становятся неосновными. Ставшие неосновными, электроны будут поглощаться основными носителями в дырочной области – дырками. Таким же образом дырки, попадая в электронную область n-типа становятся неосновными носителями заряда в этой области, и будут также поглощаться основными носителями – электронами.

Контакт диода, соединенный с отрицательным полюсом источника постоянного напряжения будет отдавать области n-типа практически неограниченное количество электронов, пополняя убывание электронов в этой области. А контакт, соединенный с положительным полюсом источника напряжения, способен принять из области p-типа такое же количество электронов, благодаря чему восстанавливается концентрация дырок в области p-типа. Таким образом, проводимость p-n перехода станет большой и сопротивление току будет мало, а значит, через диод будет течь ток, называемый прямым током диода Iпр.

Обратное включение диода. Обратный ток.

Поменяем полярность источника постоянного напряжения – диод окажется в закрытом состоянии.

В этом случае электроны в области n-типа станут перемещаться к положительному полюсу источника питания, отдаляясь от p-n перехода, и дырки, в области p-типа, также будут отдаляться от p-n перехода, перемещаясь к отрицательному полюсу источника питания. В результате граница областей как бы расширится, отчего образуется зона обедненная дырками и электронами, которая будет оказывать току большое сопротивление.

Но, так как в каждой из областей диода присутствуют неосновные носители заряда, то небольшой обмен электронами и дырками между областями происходить все же будет. Поэтому через диод будет протекать ток во много раз меньший, чем прямой, и такой ток называют обратным током диода (Iобр). Как правило, на практике, обратным током p-n перехода пренебрегают, и отсюда получается вывод, что p-n переход обладает только односторонней проводимостью.

Прямое и обратное напряжение диода.

Напряжение, при котором диод открывается и через него идет прямой ток называют прямым (Uпр), а напряжение обратной полярности, при котором диод закрывается и через него идет обратный ток называют обратным (Uобр).

При прямом напряжении (Uпр) сопротивление диода не превышает и нескольких десятков Ом, зато при обратном напряжении (Uобр) сопротивление возрастает до нескольких десятков, сотен и даже тысяч килоом. В этом не трудно убедиться, если измерить обратное сопротивление диода омметром.

Сопротивление p-n перехода диода величина не постоянная и зависит от прямого напряжения (Uпр), которое подается на диод. Чем больше это напряжение, тем меньшее сопротивление оказывает p-n переход, тем больший прямой ток Iпр течет через диод. В закрытом состоянии на диоде падает практически все напряжение, следовательно, обратный ток, проходящий через него мал, а сопротивление p-n перехода велико.

Например. Если включить диод в цепь переменного тока, то он будет открываться при положительных полупериодах на аноде, свободно пропуская прямой ток (Iпр), и закрываться при отрицательных полупериодах на аноде, почти не пропуская ток противоположного направления – обратный ток (Iобр). Эти свойства диодов используют для преобразования переменного тока в постоянный, и такие диоды называют выпрямительными.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода.

Зависимость тока, проходящего через p-n переход, от величины и полярности приложенного к нему напряжения изображают в виде кривой, называемой вольт-амперной характеристикой диода.

На графике ниже изображена такая кривая. По вертикальной оси в верхней части обозначены значения прямого тока (Iпр), а в нижней части — обратного тока (Iобр).
По горизонтальной оси в правой части обозначены значения прямого напряжения Uпр, а в левой части – обратного напряжения (Uобр).

Вольт-амперная характеристика состоит как бы из двух ветвей: прямая ветвь, в правой верхней части, соответствует прямому (пропускному) току через диод, и обратная ветвь, в левой нижней части, соответствующая обратному (закрытому) току через диод.

Прямая ветвь идет круто вверх, прижимаясь к вертикальной оси, и характеризует быстрый рост прямого тока через диод с увеличением прямого напряжения.
Обратная ветвь идет почти параллельно горизонтальной оси и характеризует медленный рост обратного тока. Чем круче к вертикальной оси прямая ветвь и чем ближе к горизонтальной обратная ветвь, тем лучше выпрямительные свойства диода. Наличие небольшого обратного тока является недостатком диодов. Из кривой вольт-амперной характеристики видно, что прямой ток диода (Iпр) в сотни раз больше обратного тока (Iобр).

При увеличении прямого напряжения через p-n переход ток вначале возрастает медленно, а затем начинается участок быстрого нарастания тока. Это объясняется тем, что германиевый диод открывается и начинает проводить ток при прямом напряжении 0,1 – 0,2В, а кремниевый при 0,5 – 0,6В.

Например. При прямом напряжении Uпр = 0,5В прямой ток Iпр равен 50mA (точка «а» на графике), а уже при напряжении Uпр = 1В ток возрастает до 150mA (точка «б» на графике).

Но такое увеличение тока приводит к нагреванию молекулы полупроводника. И если количество выделяемого тепла будет больше отводимого от кристалла естественным путем, либо с помощью специальных устройств охлаждения (радиаторы), то в молекуле проводника могут произойти необратимые изменения вплоть до разрушения кристаллической решетки. Поэтому прямой ток p-n перехода ограничивают на уровне, исключающем перегрев полупроводниковой структуры. Для этого используют ограничительный резистор, включенный последовательно с диодом.

У полупроводниковых диодов величина прямого напряжения Uпр при всех значениях рабочих токов не превышает:
для германиевых — 1В;
для кремниевых — 1,5В.

При увеличении обратного напряжения (Uобр), приложенного к p-n переходу, ток увеличивается незначительно, о чем говорит обратная ветвь вольтамперной характеристики.
Например. Возьмем диод с параметрами: Uобр max = 100В, Iобр max = 0,5 mA, где:

Uобр max – максимальное постоянное обратное напряжение, В;
Iобр max – максимальный обратный ток, мкА.

При постепенном увеличении обратного напряжения до значения 100В видно, как незначительно растет обратный ток (точка «в» на графике). Но при дальнейшем увеличении напряжения, свыше максимального, на которое рассчитан p-n переход диода, происходит резкое увеличение обратного тока (пунктирная линия), нагрев кристалла полупроводника и, как следствие, наступает пробой p-n перехода.

Пробои p-n перехода.

Пробоем p-n перехода называется явление резкого увеличения обратного тока при достижении обратным напряжением определенного критического значения. Различают электрический и тепловой пробои p-n перехода. В свою очередь, электрический пробой разделяется на туннельный и лавинный пробои.

Электрический пробой.

Электрический пробой возникает в результате воздействия сильного электрического поля в p-n переходе. Такой пробой является обратимый, то есть он не приводит к повреждению перехода, и при снижении обратного напряжения свойства диода сохраняются. Например. В таком режиме работают стабилитроны – диоды, предназначенные для стабилизации напряжения.

Туннельный пробой.

Туннельный пробой происходит в результате явления туннельного эффекта, который проявляется в том, что при сильной напряженности электрического поля, действующего в p-n переходе малой толщины, некоторые электроны проникают (просачиваются) через переход из области p-типа в область n-типа без изменения своей энергии. Тонкие p-n переходы возможны только при высокой концентрации примесей в молекуле полупроводника.

В зависимости от мощности и назначения диода толщина электронно-дырочного перехода может находиться в пределах от 100 нм (нанометров) до 1 мкм (микрометр).

Для туннельного пробоя характерен резкий рост обратного тока при незначительном обратном напряжении – обычно несколько вольт. На основе этого эффекта работают туннельные диоды.

Благодаря своим свойствам туннельные диоды используются в усилителях, генераторах синусоидальных релаксационных колебаний и переключающих устройствах на частотах до сотен и тысяч мегагерц.

Лавинный пробой.

Лавинный пробой заключается в том, что под действием сильного электрического поля неосновные носители зарядов под действием тепла в p-n переходе ускоряются на столько, что способны выбить из атома один из его валентных электронов и перебросить его в зону проводимости, образовав при этом пару электрон — дырка. Образовавшиеся носители зарядов тоже начнут разгоняться и сталкиваться с другими атомами, образуя следующие пары электрон – дырка. Процесс приобретает лавинообразный характер, что приводит к резкому увеличению обратного тока при практически неизменном напряжении.

Диоды, в которых используется эффект лавинного пробоя используются в мощных выпрямительных агрегатах, применяемых в металлургической и химической промышленности, железнодорожном транспорте и в других электротехнических изделиях, в которых может возникнуть обратное напряжение выше допустимого.

Тепловой пробой.

Тепловой пробой возникает в результате перегрева p-n перехода в момент протекания через него тока большого значения и при недостаточном теплоотводе, не обеспечивающем устойчивость теплового режима перехода.

При увеличении приложенного к p-n переходу обратного напряжения (Uобр) рассеиваемая мощность на переходе растет. Это приводит к увеличению температуры перехода и соседних с ним областей полупроводника, усиливаются колебания атомов кристалла, и ослабевает связь валентных электронов с ними. Возникает вероятность перехода электронов в зону проводимости и образования дополнительных пар электрон — дырка. При плохих условиях теплоотдачи от p-n перехода происходит лавинообразное нарастание температуры, что приводит к разрушению перехода.

На этом давайте закончим, а в следующей части рассмотрим устройство и работу выпрямительных диодов, диодного моста.
Удачи!

Источник:

1. Борисов В.Г — Юный радиолюбитель. 1985г.
2. Горюнов Н.Н. Носов Ю.Р — Полупроводниковые диоды. Параметры, методы измерений. 1968г.

диодов 101: что они делают и как работают?

Диоды — важные средства защиты чувствительных компонентов в случае неожиданных скачков напряжения, но как они работают? Как использовать диоды? А чьим диодам можно доверять?

Что такое диод?

На самом базовом уровне диод — это компонент, который создает улицу с односторонним движением для электрических токов, протекающих по цепи. Направляя и блокируя эти токи, диоды предотвращают скачки напряжения и другие незапланированные эффекты от повреждения чувствительных компонентов.Они также играют важную роль в обработке сигналов, особенно в радиочастотных приложениях.

Первые диоды были изобретены в начале 20 века компаниями беспроводного телеграфа. С тех пор диоды стали важными компонентами ранней радиотехнологии — хотите верьте, хотите нет, но сегодняшние цифровые устройства были бы невозможны без этих небольших (но мощных) компонентов.

Для чего нужен диод?

Диоды — бесценный актив в современной технологии, потому что они пропускают ток только в одном направлении.Когда ток течет вперед от анода диода к его катоду, диод действует как оголенный провод и пропускает ток. Когда тот же самый ток течет в противоположном направлении, диод становится мощным резистором и блокирует проход.

Таким образом, защита электроники — одно из наиболее распространенных применений диодов.

Электромагнитные компоненты, такие как двигатели и реле, при выключении высвобождают накопленные заряды, отправляя токи обратно по цепи, где они могут повредить чувствительные части. Диод, установленный между двигателями и реле, будет направлять этот ток от остальной цепи.

Обработка радиосигналов (из-за чего были изобретены диоды) по-прежнему широко используются в диодах даже сегодня. Выходя за рамки старых AM-радиоприемников, диоды также интегрированы во множество современных устройств, от телевизоров до микроволновых печей и даже спутников связи.

Как работает диод?

Современные диоды изготавливаются из полупроводниковых материалов, таких как кремний, германий или арсенид галлия.Производители полупроводников вводят в эти материалы определенные примеси, чтобы придать диоду его особые свойства.

Этот процесс «легирования» создает в диоде три области. Во-первых, на аноде имеется положительно заряженная p-область, в которой легирование создает большое количество электронных дырок. Кроме того, на катоде имеется отрицательно заряженная n-область, где легирование создает большое количество свободных электронов. Они встречаются в p-n-переходе, где электроны n-области перепрыгивают, чтобы заполнить электронные дырки p-области — это создает третью «обедненную область», которая действует как изолятор и препятствует протеканию тока.

Прямое смещение

Диод «смещен в прямом направлении», когда ток течет от положительного анода к отрицательному катоду. В идеальном случае ток устраняет обедненную область и проходит через диод, как если бы его там не было.

На самом деле, диоду требуется начальное напряжение, называемое прямым напряжением (Vf), чтобы он начал работать. По сути, настоящий диод действует как идеальный диод, соединенный последовательно с резистором, создавая небольшое, но заметное падение напряжения. В наиболее распространенных сигнальных диодах Vf составляет около 0.7 В.

Однако следует остерегаться температуры — Vf диода будет уменьшаться при повышении температуры. В некоторых случаях вы можете превратить эту температурную чувствительность в функцию. Например, в статье на Hackaday объясняется, как использовать эту характеристику для создания однодиодного датчика температуры.

Обратное смещение

Когда через диод протекает ток в противоположном направлении, от катода к аноду, это называется «обратным смещением». Вышеупомянутая обедненная область становится еще больше, превращая диод в мощный резистор и блокируя ток.

Однако у каждого электронного компонента есть предел, и диоды не исключение. Порог диода определяется так называемым напряжением пробоя (Vbr). После этого Vbr обедненная область перестает работать, освобождая обратный ток, чтобы течь через цепь и наносить ущерб, что часто приводит к выгоранию, связанному с синим дымом.

Символ диода

Символ диода напоминает боковой треугольник с вертикальной полосой на конце. Треугольник указывает направление тока прямого смещения, а полоса представляет собой блокирующее действие диода при обратном смещении тока.

Поскольку диоды поляризованы, вам нужно знать, как их вставить в ваши схемы. Из-за этого упаковка диода будет иметь полосу на катодном конце, как и вертикальная полоса в символе диода.

Какие бывают диоды?

Диоды в конструкции электронных схем имеют два основных различия: силовые диоды и сигнальные диоды. В этих широких категориях вы найдете всевозможные узкоспециализированные диоды, созданные для решения конкретных задач.Некоторые диоды также могут генерировать свет — метко названные светодиоды, или светодиоды, как их чаще называют, — но это достаточно большая тема для отдельной статьи.

Силовые диоды

Подавление перенапряжения, как мы говорили ранее, является одним из методов использования силовых диодов. Помимо блокировки индуктивных скачков от таких компонентов, как двигатели, вы также можете использовать диоды для предотвращения электростатического разряда (ESD). Это искра, которую вы иногда видите, когда подключаете зарядное устройство к телефону — эта маленькая вспышка посылает мгновенный всплеск в 15000 вольт прямо на ваше устройство, а это защитный диод от электростатического разряда, который предохраняет ваш любимый телефон от перегрева.

Еще одно повседневное применение силовых диодов можно найти в зарядном устройстве вашего телефона. Силовые диоды помогают преобразовывать переменный ток (AC), выходящий из стены, в постоянный ток (DC), который используется принимающей электроникой.

Диоды сигнальные

Сигнальные диоды работают с гораздо меньшими токами и напряжениями. Этот тип диодов используется в схемах, обрабатывающих аналоговые сигналы, и в некоторых случаях эти приложения помогают остальной части схемы лучше выполнять свою работу.

Забавный эксперимент, демонстрирующий, как работают сигнальные диоды, — это самодельный AM-радио, состоящий из провода, металлического стержня, диода и динамика.Использование незаземленного провода в качестве антенны преобразует входящую радиоволну в переменный ток. Как и входящая радиоволна, этот ток имеет постоянную частоту быстрых колебаний между пиками и минимумами напряжения. Размер этих пиков и впадин (он же амплитуда) является сигналом, который имеет значение, к сожалению, сам по себе, эти волны имеют тенденцию гасить друг друга в наушниках. Однако включение диода блокирует впадины и позволяет пикам проходить через наушники для преобразования в аудиосигнал.

Другой способ обработки аналоговых сигналов диодами — защита чувствительной электроники от слишком сильных сигналов. Например, диоды в цепи ограничителя будут отключать сигналы, когда напряжение выходит за пределы определенной точки. В зависимости от конструкции схемы, схема ограничителя ограничивает положительное напряжение, отрицательное напряжение или и то, и другое.

Разработчик

Instructables gmoon демонстрирует, как схема с диодным ограничителем может придать гитарному усилителю звук, более похожий на ламповый.

Специальные диоды

Производители могут выбирать материалы, чтобы придать диодам особые свойства, чтобы схемы работали лучше.

Диод Шоттки, например, имеет очень низкое прямое напряжение. Если типичный сигнальный диод имеет Vf 0,7 В, Vf диода Шоттки может достигать 0,15 В. Поставщик электроники для хобби SparkFun рекомендует диоды Шоттки, «когда нужно беречь до последнего бита напряжения».

Стабилитрон

— это своего рода антидиод. Производители конструируют стабилитроны так, чтобы через них протекали обратные токи, не повреждая диод. Диод блокирует ток с обратным смещением, пока напряжение не превышает определенного значения.После этого стабилитрон пропускает ток при постоянном напряжении стабилитрона (Vz).

Кто делает диоды?

По данным исследовательской компании Technavio, продажи одних только дискретных диодов приносят более 3 миллиардов долларов в год. Рынок лазерных диодов стоит еще 55 миллиардов долларов. Это кое-что говорит о том, насколько ценны эти крошечные компоненты для современной электроники.

Однако, в отличие от некоторых отраслей, рынок диодов фрагментирован, и поэтому на нем не доминирует горстка крупных игроков.Некоторые известные надежные поставщики качественных диодов включают:

Эти компании продают продукцию производителям по всему миру, но их продукты доступны в меньших количествах у торговых посредников, таких как Mouser Electronics или DigiKey Electronics. Менее известные производители диодов, такие как Chanzon и T&F Electronics, имеют хорошую репутацию среди клиентов Amazon.

Кто вы рекомендуете источник высококачественных диодов? Какие особенности вы ищете, чтобы найти надежного поставщика диодов? Поделитесь с нами в комментариях ниже!

Что такое диод? — Основы схемотехники

Диод — это специализированный электронный компонент, который действует как односторонний переключатель.Он проводит электрический ток только в одном направлении и ограничивает ток в противоположном направлении. Диод смещен в обратном направлении, когда он действует как изолятор, и смещен в прямом направлении, когда он пропускает ток. Диод имеет два вывода: анод и катод. Диоды используются в переключателях, модуляторах сигналов, смесителях сигналов, выпрямителях, ограничителях сигналов, регуляторах напряжения, генераторах и демодуляторах сигналов.

Диод в прямом смещении

Напряжение, приложенное к аноду, положительно по отношению к катоду.Кроме того, напряжение в диоде выше порогового напряжения, поэтому он действует как короткое замыкание и пропускает ток.

Диод в обратном смещении

Если катод положительный по отношению к аноду, диод имеет обратное смещение. Затем он будет действовать как разомкнутая цепь, в результате чего ток не будет протекать.

Для чего используются диоды?

Защита от обратного тока

Блокирующий диод используется в некоторых схемах для защиты в случае случайной проблемы с обратным подключением, такой как неправильное подключение источника постоянного тока или изменение полярности.Поток тока в неправильном направлении может повредить другие компоненты схемы.

Диод для защиты от обратного тока

На рисунке выше показано, что блокирующий диод включен последовательно с нагрузкой и с положительной стороной источника питания. В случае обратного подключения ток не будет течь, потому что диод будет иметь обратное смещение. Тогда нагрузка будет защищена от обратного тока. Однако, если полярность правильная, диод будет в прямом смещении, поэтому ток нагрузки может протекать через него.

Простые регуляторы напряжения

Стабилизатор напряжения используется для понижения входного напряжения до требуемого уровня и поддерживает его неизменным, несмотря на колебания напряжения питания. Его также можно использовать для регулирования выходного напряжения. Стабилитрон обычно используется в качестве стабилизатора напряжения, поскольку он предназначен для работы в условиях обратного смещения. При прямом смещении он ведет себя как нормальный сигнальный диод. С другой стороны, напряжение остается постоянным в широком диапазоне токов, когда к нему приложено обратное напряжение.

Стабилитрон как регулятор напряжения

На рисунке выше ток в диоде ограничивается последовательным резистором, подключенным к цепи. Поскольку диод подключен к положительной клемме источника питания, он работает как обратное смещение, которое также может работать в условиях пробоя. Обычно используется диод с высокой номинальной мощностью, поскольку он может выдерживать обратное смещение, превышающее его напряжение пробоя. Ток стабилитрона всегда будет минимальным, если приложены минимальное входное напряжение и максимальный ток нагрузки.Учитывая входное напряжение и необходимое выходное напряжение, мы можем использовать стабилитрон с напряжением, примерно равным напряжению нагрузки.

Стабилизаторы напряжения

Ток, протекающий через стабилитрон, уменьшается в пользу тока нагрузки, когда нагрузочный резистор подключен параллельно стабилитрону. Величина протекающего в нем тока важна, потому что это ключ к стабилизации. Глядя на кривую вольт-амперной характеристики стабилитронов, вы заметите резкое увеличение напряжения выше напряжения пробоя, что доказывает, что он лучше всего подходит для стабилизации небольших постоянных напряжений.Ток увеличивается, а сопротивление диода уменьшается. Поэтому напряжение на стабилитроне практически одинаковое. Обычно резистор подключается, чтобы убедиться, что максимально допустимая мощность рассеивания не превышена.

Преобразование переменного тока в постоянный

Диоды

обычно используются для построения различных типов выпрямительных схем, таких как полуволновые, двухполупериодные, центральные и полные мостовые выпрямители. Одно из его основных применений — преобразование мощности переменного тока в мощность постоянного тока.

Во время положительного полупериода входного питания анод становится положительным по отношению к катоду. Диод будет в прямом смещении, что приведет к протеканию тока к нагрузке. Однако во время отрицательного полупериода входной синусоидальной волны анод становится отрицательным по отношению к катоду. Таким образом, диод будет иметь обратное смещение, и ток на нагрузку не будет течь. Выходное напряжение будет пульсирующим постоянным током, когда и напряжение, и ток на стороне нагрузки имеют одну полярность.Нагрузка является резистивной в положительном полупериоде, и напряжение на нагрузочном резисторе будет таким же, как и напряжение питания. Ток нагрузки будет пропорционален приложенному напряжению, а входное синусоидальное напряжение будет на нагрузке.

Как работает диод?

Диод считается полупроводниковым устройством, имеющим два вывода и выполняющим функцию односторонней двери для электрического тока. Полупроводники могут быть проводниками или изоляторами. Его сопротивление можно контролировать, увеличивая или уменьшая его сопротивление, называемое легированием.Легирование — это процесс добавления примесных атомов в материал.

Есть два типа полупроводниковых материалов:

• Материал N-типа — добавление мышьяка, фосфора, сурьмы, висмута и других пятивалентных элементов позволяет получить полупроводниковый материал N-типа. В нем есть лишние электроны. Его дополнительные отрицательно заряженные частицы перемещаются из отрицательно заряженной области в положительно заряженную.

• Материал P-типа — добавление некоторого количества алюминия, галлия, бора, индия и других веществ может привести к образованию полупроводникового материала P-типа.Есть лишние отверстия.

Наличие дырок означает отсутствие электрона и наличие положительного заряда. Каждый раз, когда электрон движется в дыру, он создает новую дыру позади себя, поскольку они движутся в противоположном направлении электронов. Комбинация материалов N-типа и P-типа образует соединение P-N. Вы можете увидеть обедненные области по обе стороны от диодного перехода. Эта область обеднена свободными электронами и дырками. Электроны со стороны N-типа заполняют отверстия со стороны P-типа.

Что такое зона истощения?

Область обеднения образуется, когда на диод не подается напряжение, поэтому электроны из материала N-типа заполняют отверстия в материале P-типа вдоль перехода между слоями.В этой области материал N-типа или P-типа возвращается в исходное изолирующее состояние. Электричество не может течь в область истощения, поскольку все дыры заполнены, и нет свободных электронов или пустых пространств для электричества.

Вы увидите соединение P-N, когда отверстия перемещаются со стороны P на материал N-типа и обнажают отрицательные заряды. Затем вы увидите дырки и электроны, диффундирующие на другую сторону. После этого начинает формироваться область истощения.

Диоды с прямым смещением и диоды с обратным смещением

Диоды специального назначения

Стабилитроны

Он состоит из сильно легированного PN перехода, который проводит в обратном направлении при достижении определенного заданного напряжения.Он также позволяет току течь в прямом или обратном направлении. Он обычно используется для ограничителей перенапряжения, регулирования напряжения, опорных элементов и любых других коммутационных приложений и схем ограничителей.

Диоды Шоттки

Диоды Шоттки

имеют низкое прямое падение напряжения, но очень быстрое переключение. Между металлом и полупроводником образуется переход полупроводник-металл, который создает барьер Шоттки. Когда через диод протекает ток, на выводах диода наблюдается небольшое падение напряжения.Чем меньше падение напряжения, тем выше эффективность системы и выше скорость переключения. Наиболее распространенные применения диода Шоттки — это радиочастота, выпрямитель в некоторых силовых приложениях и смеситель.

Выпрямительные диоды

Выпрямительные диоды могут быть смещенными или несмещенными. Выпрямительный диод становится несмещенным, когда на него не подается напряжение. В это время на P-стороне находится большинство дырок носителей заряда и очень мало электронов, тогда как на N-стороне больше всего электронов и очень мало дырок.С другой стороны, он становится смещенным в прямом направлении, когда положительный вывод источника напряжения подключается к стороне P-типа, а отрицательный вывод подключается к стороне N-типа. Он будет иметь обратное смещение, когда положительный вывод источника напряжения подключен к концу N-типа, а отрицательный вывод источника подключен к концу P-типа диода. Через диод не будет тока, за исключением тока обратного насыщения, поскольку истощающий слой перехода становится шире с увеличением напряжения обратного смещения.Выпрямительные диоды обычно используются в качестве компонента в источниках питания, который преобразует напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока.

Сигнальные диоды

Сигнальные диоды обычно используются для обнаружения сигналов. Обычно они имеют низкий максимальный ток и среднее или высокое прямое напряжение. Одно из наиболее распространенных применений сигнального диода — это основной диодный переключатель.

Германиевые диоды

Германиевые диоды имеют низкое прямое падение напряжения, обычно 0.3 вольта. Низкое прямое падение напряжения приводит к низким потерям мощности и более эффективному диоду, что делает его во многих отношениях лучше, чем кремниевый диод. Это более важно в средах с очень низким уровнем сигнала, например, при обнаружении сигналов от аудио до частот FM и в логических схемах низкого уровня. Германиевые диоды имеют больший ток утечки для германия при обратном напряжении, чем для кремния.

Соединительные диоды

Переходные диоды — одни из самых простых полупроводниковых приборов.Но в отличие от других диодов, они не ведут себя линейно по отношению к приложенному напряжению. Диоды имеют экспоненциальную зависимость тока от напряжения. Он образуется, когда полупроводник P-типа объединяется с полупроводником N-типа, создавая потенциальный барьер через диодный переход.

Три возможных условия «смещения» для стандартного переходного диода

1. Прямое смещение — потенциал напряжения связан отрицательно с материалом N-типа и положительно с материалом N-типа на диоде, что уменьшает ширину диода с PN-переходом.

2. Обратное смещение. Потенциал напряжения соединен положительно с материалом N-типа и отрицательно с материалом P-типа на диоде, что увеличивает ширину диода с PN-переходом.

3. Нулевое смещение — На диод PN-перехода не подается внешнее напряжение.

Как работает диод и светодиод? | ОРЕЛ

С возвращением, капитаны компонентов! Сегодня пришло время повысить уровень своих знаний и перейти от простых пассивных компонентов к области полупроводниковых компонентов.Эти детали оживают, когда соединяются в цепь, и могут управлять электричеством разными способами! Вам предстоит работать с двумя полупроводниковыми компонентами: диодом и транзистором. Сегодня мы поговорим о диоде, пресловутом уродливом устройстве управления, которое позволяет электричеству течь только в одном направлении! Если вы видели светодиод в действии, значит, вы уже далеко впереди, давайте приступим.

Управляйте потоком

Диод хорошо известен своей способностью управлять прохождением электрического тока в цепи.В отличие от пассивных компонентов, которые бездействуют, сопротивляясь или накапливая, диоды активно задействуют приливы и отливы тока, протекающего по нашим устройствам. Есть два способа описать, как ток будет или не течет через диод, и они включают:

• Прямое смещение. Если вы правильно вставите батарею в цепь, ток будет проходить через диод; это называется состоянием с прямым смещением.
• Обратно-смещенный. Когда вам удается вставить батарею в цепь в обратном направлении, ваш диод блокирует прохождение любого тока, и это называется состоянием с обратным смещением.

Простой способ визуализировать разницу между состояниями прямого и обратного смещения диода в простой схеме

Хотя эти два термина могут показаться слишком сложными, представьте диод как переключатель. Он либо закрыт (включен) и пропускает ток, либо открыт (выключен), и ток не может течь через него.

Полярность диодов и символы

Диоды — это поляризованные компоненты, что означает, что они имеют очень специфическую ориентацию, поэтому для правильной работы их необходимо подключить в цепь. На физическом диоде вы заметите две клеммы, выходящие из формы жестяной банки посередине. Одна сторона — это положительный вывод, который называется анодом . Другой вывод — это отрицательный конец, называемый катодом . Возвращаясь к нашему потоку электричества, ток может течь только в диоде от анода к катоду, а не наоборот.

Вы можете определить катодную сторону физического диода, посмотрев на серебряную полоску возле одного из выводов. (Источник изображения)

Вы можете легко обнаружить диод на схеме, просто найдите большую стрелку с линией, проходящей через нее, как показано ниже. У некоторых диодов и анод, и катод помечены как положительный и отрицательный, но простой способ запомнить, в каком направлении течет ток в диоде, — это следить за направлением стрелки.

Стрелка на символе диода указывает направление протекания тока.

В наши дни большинство диодов изготовлено из двух самых популярных полупроводниковых материалов в электронике — кремния или германия. Но если вы знаете что-нибудь о полупроводниках, то знаете, что в своем естественном состоянии ни один из этих элементов не проводит электричество. Так как же заставить электричество проходить через кремний или германий? С помощью небольшого волшебного трюка под названием допинг.

Легирование полупроводников

Странные полупроводниковые элементы. Возьмем, к примеру, кремний.Днем это изолятор, но если вы добавите в него примеси с помощью процесса, называемого допингом, вы придадите ему магическую силу проводить электричество ночью.

Благодаря своим двойным свойствам как изолятор, так и проводник, полупроводники нашли свою идеальную нишу в компонентах, которые должны контролировать поток электрического тока в виде диодов и транзисторов. Вот как работает процесс легирования в типичном куске кремния.

• Расти.Во-первых, кремний выращивают в строго контролируемой лабораторной среде. Это называется чистой комнатой, то есть в ней нет пыли и других загрязнений.
• Допинг отрицательно. Теперь, когда кремний вырос, пришло время легировать его. Этот процесс может идти двумя путями. Первый — это легирование кремния сурьмой, которая дает ему несколько дополнительных электронов и позволяет кремнию проводить электричество. Этот кремний называется кремнием n-типа или отрицательного типа, потому что в нем больше отрицательных электронов, чем обычно.
• Допинг положительно. Силикон можно легировать и в обратном направлении. Добавляя бор к кремнию, он удаляет электроны из атома кремния, оставляя группу пустых дырок там, где должны быть электроны. Это кремний p-типа или положительного типа.
• Объедините . Теперь, когда ваши кусочки кремния легированы как положительно, так и отрицательно, вы можете соединить их вместе. Соединяя кремний n-типа и p-типа вместе, вы создаете так называемое соединение.

Именно на этом перекрестке, который можно представить себе как некую нейтральную зону, происходит вся магия в диоде.Допустим, вы соединяете кремний n-типа и p-типа, а затем подключаете батарею, создавая цепь. Что случится?

В этом случае отрицательный вывод подключен к кремнию n-типа, а положительный вывод подключен к кремнию p-типа. А между двумя кусками кремния — нейтральная зона? Что ж, он начинает сжиматься, и начинает течь электрический ток! Это состояние диода с прямым смещением, о котором мы говорили в начале.

Правильное подключение батареи к кремнию n-типа и p-типа позволяет току течь через переход.(Источник изображения)

Теперь предположим, что вы подключаете батарею наоборот: отрицательная клемма подключена к кремнию p-типа, а положительная клемма — к кремнию n-типа. Здесь происходит то, что нейтральная зона между двумя кусками кремния становится шире, и ток вообще не течет. Это состояние с обратным смещением, которое может принять диод.

Подсоедините батарею в непреднамеренном направлении, и ваш диод остановит протекание тока между n-типом и p-типом.(Источник изображения)

Прямое напряжение и пробои

Когда вы работаете с диодами, вы узнаете, что для того, чтобы один пропускал ток, требуется очень определенное количество положительного напряжения. Напряжение, необходимое для включения диода, называется прямым напряжением (VF). Вы также можете увидеть, что это называется напряжением включения или напряжением включения.

Что определяет это прямое напряжение? Полупроводник , материал и типа . Вот как он распадается:

• Кремниевые диоды.Для использования кремниевого диода потребуется прямое напряжение от 0,6 до 1 В.
• Германиевые диоды. Для использования диода на основе германия потребуется более низкое прямое напряжение около 0,3 В.
• Другие диоды. Специализированные диоды, такие как светодиоды, потребуют более высокого прямого напряжения, тогда как диоды Шоттки (см. Ниже) потребуют более низкого прямого напряжения. Лучше всего свериться с таблицей данных для вашего конкретного диода, чтобы определить его номинальное прямое напряжение.

Я знаю, что мы все это время говорили о диодах, позволяющих току течь только в одном направлении, но это правило можно нарушить.Если вы приложите огромное отрицательное напряжение к диоду, вы действительно сможете изменить направление его тока! Конкретная величина напряжения, которая вызывает этот обратный поток, называется напряжением пробоя . Для обычных диодов напряжение пробоя находится в диапазоне от -50 В до -100 В. Некоторые специализированные диоды даже предназначены для работы при этом отрицательном напряжении пробоя, о котором мы поговорим позже.

Семейство диодов — наконец вместе

Существует множество диодов, каждый из которых имеет свои собственные особенности.И хотя у каждого из них есть общая основа ограничения потока тока, вы можете использовать эту общую основу для создания множества различных применений. Давайте посмотрим на каждого члена семейства диодов!

Стандартные диоды

Ваш средний диод. Стандартные диоды имеют умеренные требования к напряжению и низкий максимальный ток.

Стандартный диод для повседневного использования, доступный в компании Digi-Key, обратите внимание на серебряную полоску, которая отмечает катодный конец. (Источник изображения)

Выпрямительные диоды

Это более мощные аналоги стандартных диодов и имеют более высокий максимальный ток и прямое напряжение.В основном они используются в источниках питания.

Более мощные собратья стандартного диода, разница состоит в большем номинальном токе и прямом напряжении.

Диоды Шоттки

Это необычный родственник семейства диодов. Диод Шоттки пригодится, когда вам нужно ограничить величину потери напряжения в вашей цепи. Вы можете идентифицировать диод Шоттки на схеме, ища свой типичный символ диода с добавлением двух новых изгибов (S-образной формы) на катодном выводе.

Найдите изгибы на катодном конце диода, чтобы быстро определить, что это изгибы Шоттки.

Стабилитроны

Стабилитроны — это черная овца в семействе диодов. Эти парни используются для того, чтобы посылать электрический ток в обратном направлении! Они делают это, используя напряжение пробоя, которое мы обсуждали выше, также называемое пробоем Зенера. Воспользовавшись этой пробивной способностью, стабилитроны отлично подходят для создания стабильного опорного напряжения в определенной точке цепи.

Стабилитрон разительно отличается от остальных диодов семейства и может передавать ток от катода к аноду. (Источник изображения)

Фотодиоды

Фотодиоды — это непокорные подростки из семейства диодных. Вместо того, чтобы просто пропускать ток через цепь, фотодиоды улавливают энергию источника света и превращают ее в электрический ток. Вы найдете их для использования в солнечных панелях, а также в оптических коммуникациях.

Фотодиоды поглощают все это, улавливая энергию света и превращая ее в электрический ток.(Источник изображения)

Светодиоды (LED)

Яркие звезды семейства диодов. Как и стандартные диоды, светодиоды позволяют току течь только в одном направлении, но с изгибом! Когда подается правильное прямое напряжение, эти светодиоды загораются яркими цветами. Но вот загвоздка: светодиоды определенного цвета требуют разного прямого напряжения. Например, для синего светодиода требуется прямое напряжение 3,3 В, а для красного светодиода требуется только 2,2 В.

Что делает эти светодиоды настолько популярными?

• Эффективность .Светодиоды излучают свет с помощью электроники, не выделяя тонны тепла, как традиционные лампы накаливания. Это позволяет им экономить массу энергии.
• Контроль. Светодиодами также очень легко управлять в электронной схеме. Если перед ними установлен резистор, они обязательно будут работать!
• Недорого. Светодиоды также очень недороги и рассчитаны на длительный срок службы. Вот почему они так часто используются в светофорах, дисплеях и инфракрасных сигналах.

Светодиоды бывают разных форм и цветов, каждый из которых требует разного прямого напряжения для включения! (Источник изображения)

Наиболее распространенное применение диодов

Поскольку диоды бывают разных форм, размеров и конфигураций, их использование в наших электронных схемах столь же разнообразно! Вот лишь несколько примеров использования диодов:

Преобразование переменного тока в постоянный

Процесс преобразования переменного тока (AC) в постоянный ток (DC) может выполняться только диодами! Этот процесс выпрямления (преобразования) тока позволяет вам подключить всю вашу повседневную электронику постоянного тока к розетке переменного тока в вашем доме.Есть два типа приложений преобразования, в которых играет свою роль диод:

• Полуволновое выпрямление. Для этого преобразования требуется только один диод. Если вы отправляете сигнал переменного тока в цепь, то ваш единственный диод отсекает отрицательную часть сигнала, оставляя только положительный вход в виде волны постоянного тока.
  

  Одиночный диод в цепи однополупериодного выпрямителя, ограничивающий отрицательный полюс сигнала переменного тока. (Источник изображения)

• Полноволновое мостовое выпрямление .В этом процессе преобразования используются четыре диода. И вместо того, чтобы просто отсекать отрицательную часть сигнала переменного тока, такую ​​как полуволновой выпрямитель, этот процесс фактически преобразует все отрицательные волны в сигнале переменного тока в положительные волны для сигнала готовности постоянного тока.
  

  Двухполупериодный мостовой выпрямитель делает еще один шаг вперед, преобразуя весь положительный и отрицательный сигнал переменного тока в постоянный. (Источник изображения)

Пики напряжения управления

Вы также найдете диоды, которые используются в приложениях, где могут произойти неожиданные скачки напряжения.Диоды в этих приложениях могут ограничить любое повреждение, которое может произойти с устройством, поглощая любое избыточное напряжение, которое попадает в диапазон напряжения пробоя диода.

Защита вашего тока

Наконец, вы также найдете диоды, которые используются для защиты чувствительных цепей. Если вы хоть раз разбили батарею неправильно и ничего не взорвалось, то можете поблагодарить за это свой дружелюбный диод. Размещение диода последовательно с положительной стороной источника питания гарантирует, что ток течет только в правильном направлении.

Пора освободиться

Вот и все, контрольный диод и все его сумасшедшие члены семьи! У диодов есть масса применений, от питания ярких светодиодных фонарей до преобразования переменного тока в постоянный. Но почему, несмотря на все эти удивительные применения, диод не получил такой же популярности, как транзистор или интегральная схема? Мы думаем, что дело в том, что на кухне слишком много поваров. Первый диод был открыт почти 150 лет назад, и с тех пор сотни инженеров и ученых приложили свои усилия, чтобы улучшить это открытие.Несмотря на долгую историю существования многих людей, диод до сих пор считается четвертым по значимости изобретением после колеса.

Знаете ли вы, что Autodesk EAGLE включает в себя массу бесплатных библиотек диодов, которые вы можете начать использовать уже сегодня? Пропустите рутинную работу по созданию деталей, попробуйте Autodesk EAGLE бесплатно сегодня!

Диод

| Определение, символ, типы и использование

Диод , электрический компонент, который позволяет току течь только в одном направлении.На принципиальных схемах диод представлен треугольником с линией, пересекающей одну вершину.

Самый распространенный тип диодов использует переход p — n . В этом типе диода один материал ( n ), в котором электроны являются носителями заряда, примыкает ко второму материалу ( p ), в котором дырки (места, лишенные электронов, которые действуют как положительно заряженные частицы) действуют как носители заряда. На их границе образуется обедненная область, через которую электроны диффундируют, заполняя дырки на стороне p .Это останавливает дальнейший поток электронов. Когда этот переход смещен в прямом направлении (то есть к стороне p приложено положительное напряжение), электроны могут легко перемещаться через переход, чтобы заполнить отверстия, и через диод протекает ток. Когда переход смещен в обратном направлении (то есть к стороне p приложено отрицательное напряжение), область обеднения расширяется, и электроны не могут легко перемещаться по ней. Ток остается очень маленьким, пока не будет достигнуто определенное напряжение (напряжение пробоя), и ток внезапно не возрастет.

p-n характеристики перехода

(A) Вольт-амперные характеристики типичного кремниевого перехода p-n . (B) условия прямого смещения и (C) обратного смещения. (D) Обозначение соединения p-n .

Encyclopædia Britannica, Inc.

Светодиоды (LED) — это переходы p — n , которые излучают свет, когда через них протекает ток. Несколько диодов с переходом p — n могут быть соединены последовательно для создания выпрямителя (электрического компонента, преобразующего переменный ток в постоянный).Стабилитроны имеют четко определенное напряжение пробоя, так что ток течет в обратном направлении при этом напряжении, и постоянное напряжение может поддерживаться, несмотря на колебания напряжения или тока. В варакторных (или варикапных) диодах изменение напряжения смещения вызывает изменение емкости диода; Эти диоды находят множество применений для передачи сигналов и используются в радио- и телеиндустрии. (Подробнее об этих и других типах диодов, см. полупроводниковый прибор.)

Ранние диоды представляли собой вакуумные лампы, вакуумную стеклянную или металлическую электронную трубку, содержащую два электрода — отрицательно заряженный катод и положительно заряженный анод. Они использовались в качестве выпрямителей и детекторов в электронных схемах, таких как радио- и телевизионные приемники. Когда на анод (или пластину) подается положительное напряжение, электроны, испускаемые нагретым катодом, текут на пластину и возвращаются к катоду через внешний источник питания. Если к пластине приложено отрицательное напряжение, электроны не могут покинуть катод, и ток пластины не течет.Таким образом, диод позволяет электронам течь от катода к пластине, но не от пластины к катоду. Если на пластину подается переменное напряжение, ток течет только в то время, когда пластина является положительной. Считается, что переменное напряжение выпрямляется или преобразуется в постоянный ток.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас Эта статья была недавно отредактирована и обновлена ​​старшим редактором Эриком Грегерсеном.

Узнайте больше в этих связанных статьях Britannica:

• Радиотехника: диод Флеминга и De Forest Audion

  Флеминг назвал устройство диодом, потому что оно содержало два электрода, анод и нагретую нить накала; он отметил, что при подаче переменного тока на диод пропускались только положительные половины волны, то есть волна выпрямлялась (изменялась с переменного на постоянный ток).…

• Лео Эсаки

  … его изобретение двойного диода, который стал известен как диод Эсаки. Это также открыло новые возможности для твердотельных разработок, которые его соратники, получившие премию 1973 года, использовали отдельно. В 1960 году Эсаки получил стипендию IBM (International Business Machines) для дальнейших исследований в Соединенных Штатах, и он…

• Сэр Джон Амброуз Флеминг

  … также известный как вакуумный диод, кенотрон, термоэлектронная трубка и клапан Флеминга.Это устройство, запатентованное в 1904 году, было первым электронным выпрямителем радиоволн, преобразующим радиосигналы переменного тока в слабые постоянные токи, обнаруживаемые телефонной трубкой. Дополнен сеткой усилителя, изобретенной в 1906 году Ли Де Форестом…

Лазерный диод — Как работает лазерный диод

Лазер диоды играют важную роль в нашей повседневной жизни.Они есть очень дешево и мало. Лазерные диоды самые маленькие из всех известные лазеры. Их размер составляет доли миллиметра.
Лазерные диоды также известен как полупроводниковые лазеры, переходные лазеры, переходные диодные лазеры или инжекционные лазеры. Перед тем, как перейти к лазеру диоды, давайте сначала посмотрим на сам диод.

Что такое диод с p-n переходом?

А п-п переходной диод — это полупроводниковый прибор, который позволяет поток тока только в одном направлении.

Диод с p-n переходом изготовлен из двух типов полупроводников. материалы, а именно полупроводники p-типа и n-типа. Р-тип полупроводник соединяется с n-типом полупроводник, чтобы сформировать p-n соединение. Устройство, которое возникает в результате соединения Полупроводник p-типа и n-типа называется p-n переходом. диод.

p-n-переходный диод пропускает электрический ток в прямом смещении состояние, в то время как он блокирует электрический ток в обратном смещении условие.

Если положительный полюс батареи подключен к Полупроводник p-типа и отрицательная клемма аккумулятора подключен к полупроводнику n-типа, диод называется быть предвзятым.

Когда а напряжение прямого смещения подается на диод, свободные электроны начинают двигаться от отрицательной клеммы аккумулятора к положительной клемма АКБ аналогично отверстия начинают двигаться от положительный полюс аккумулятора к отрицательному полюсу батарея.

Потому что потока носителей заряда (бесплатно электроны и дырки), электрический ток генерируется в диоде с p-n переходом.

В обычные диоды с p-n переходом, электроны движутся от n-типа к p-типу будет рекомбинировать с отверстиями в p-типе полупроводник или переход. Аналогично дырки, движущиеся из p-тип в n-тип будет рекомбинировать с электронами в Полупроводник или переход n-типа.

ср знать, что уровень энергии свободных электронов в проводимости полоса высока по сравнению с дырками в валентной зоне. Следовательно, свободные электроны будут выделять свою дополнительную энергию (неизлучающую. энергии) при рекомбинации с дырками.

В то светодиоды (светодиоды) или лазерные диоды, рекомбинация происходит аналогичным образом.Тем не менее свободные электроны в светодиодах или лазерных диодах выделяют энергию в форма света при объединении с отверстиями.

Что такое лазерный диод?

А лазерный диод — это оптоэлектронное устройство, преобразующее электрическая энергия в световую энергию для производства высокоинтенсивных когерентный свет. В лазерном диоде p-n переход полупроводниковый диод действует как лазерная среда или активная среда.

работа лазерного диода почти аналогична световой излучающий диод (LED). Основное отличие светодиода от лазерный диод заключается в том, что светодиод излучает некогерентный свет, тогда как лазерный диод излучает когерентный свет.

Лазер диод строительный

Лазерный диод состоит из двух слоев легированного арсенида галлия.Один легированный слой арсенида галлия будет производить n-тип полупроводник, тогда как другой слой легированного арсенида галлия будет производить полупроводник p-типа. В лазерных диодах селен, алюминий и кремний используются в качестве легирующих агентов.

P-N переход

Когда слой p-типа соединяется со слоем n-типа, p-n переход сформирован.Точка, в которой слои p-типа и n-типа находятся соединение называется p-n переходом. P-n переход разделяет Полупроводники p-типа и n-типа.

Для в конструкции лазерных диодов выбран арсенид галлия над кремнием. В кремниевых диодах энергия выделяется во время рекомбинация. Однако этого высвобождения энергии нет в форма света.

В диоды из арсенида галлия, выделение энергии происходит в виде света или фотонов. Поэтому арсенид галлия используется для построение лазерных диодов.

тип N полупроводник

Добавление небольшой процент посторонних атомов во внутреннем Semiconductor производит полупроводник n-типа или p-типа.

Если пятивалентный примеси добавляются к собственному или чистому полупроводнику, производится полупроводник n-типа. В полупроводниках n-типа свободные электроны являются основными носителями заряда, тогда как дырки являются неосновными носителями заряда. Следовательно, свободные электроны переносят большую часть электрического тока в полупроводниках n-типа.

P-типа полупроводник

Если к чистому полупроводнику добавляются трехвалентные примеси, Производится полупроводник р-типа.В полупроводниках p-типа дырки являются основными носителями заряда, тогда как свободные электроны являются неосновными носителями заряда. Следовательно, дыры несут больше всего электрического тока в полупроводниках p-типа.

Главный шаги требуется для получения когерентного луча света в лазере диоды

основные шаги, необходимые для получения когерентного луча света в Лазерные диоды: светопоглощение, спонтанное излучение и стимулированное излучение.

Поглощение энергия

Поглощение из энергия — это процесс поглощения энергии извне источники энергии.

В лазерные диоды, электрическая энергия или напряжение постоянного тока используются в качестве внешний источник энергии. Когда напряжение постоянного или электрического энергия поставляет достаточно энергии вэйлансу электроны или электроны валентной зоны, они разрывают связь с родительским атомом и переходит на более высокий энергетический уровень (зона проводимости).Электроны в зоне проводимости известны как свободные электроны.

Когда валентный электрон покидает валентную оболочку, пустое пространство создается в точке, из которой вышел электрон. Этот пустой пространство в валентной оболочке называется дырой.

Таким образом, как свободные электроны, так и дырки генерируются как пара, потому что поглощения энергии от внешнего источника постоянного тока.

Спонтанный выброс

Спонтанный эмиссия это процесс естественного излучения света или фотонов, в то время как электроны падают в более низкое энергетическое состояние.

В лазерные диоды, электроны валентной зоны или валентные электроны находятся в более низком энергетическом состоянии. Следовательно, дыры генерировали после того, как валентные электроны остались, также находятся в более низкой энергии государственный.

Вкл. с другой стороны, электроны зоны проводимости или свободные электроны находятся в более высоком энергетическом состоянии. Простыми словами, свободные электроны обладают большей энергией, чем дырки.

свободные электроны в зоне проводимости должны терять свои лишние энергии, чтобы рекомбинировать с дырками в валентной группа.

свободные электроны в зоне проводимости долго не задерживаются период.Через короткий период свободные электроны рекомбинируют. с более низкими энергетическими дырами, высвобождая энергию в виде фотоны.

Стимулированный выброс

Стимулированный эмиссия это процесс, посредством которого возбужденные электроны или свободные электроны вынуждены падать в более низкое энергетическое состояние высвобождая энергию в виде света.Вынужденное излучение это искусственный процесс.

В стимулированный излучение, возбужденные электроны или свободные электроны не нуждаются в ждать завершения их жизни. Перед завершение их жизни, падающие или внешние фотоны заставит свободные электроны рекомбинировать с дырками. В стимулированное излучение, каждый падающий фотон будет генерировать два фотоны.

Все фотоны, генерируемые из-за вынужденного излучения, будут ехать в том же направлении. В результате узкий луч производится лазерный луч высокой интенсивности.

Как лазерный диод работает?

Когда На лазерный диод подается постоянное напряжение, свободный электроны движутся через область перехода от n-типа материал к материалу p-типа.В этом процессе некоторые электроны будут напрямую взаимодействовать с валентными электронами и возбуждает их на более высокий энергетический уровень, в то время как некоторые другие электроны будут рекомбинировать с дырками в р-типе полупроводник и выделяет энергию в виде света. Этот процесс излучения называется спонтанным излучением.

фотоны, генерируемые спонтанным излучением, будут перемещаться через область стыка и стимулировать возбужденное электроны (свободные электроны).В результате больше фотонов выпущенный. Этот процесс излучения света или фотонов называется стимулированное излучение. В свет, генерируемый из-за вынужденного излучения, будет двигаться параллельно к перекрестку.

два конца структуры лазерного диода оптически отражающий. Один конец полностью отражающий, а другой конец частично отражающий.Полностью отражающий конец будет отражать свет полностью, тогда как частично отражающий конец будет отражают большую часть света, но допускают небольшое количество свет.

свет, генерируемый в p-n переходе, будет отражаться взад и вперед (сотни раз) между двумя отражающими поверхностями. Как в результате достигается огромное оптическое усиление.

свет, генерируемый из-за стимулированного излучения, ускользает через частично отражающий конец лазерного диода к производят узкий луч лазерного света.
Все фотоны генерируемые из-за стимулированного излучения, будут перемещаться в в том же направлении. Следовательно, этот свет будет долго путешествовать. расстояния без растекания в пространстве.

Преимущества лазерных диодов

1. Простой строительство
2. Легкий
3. Очень дешево
4. Малый размер
5. Высоко надежен по сравнению с другими типами лазеров.
6. длиннее срок службы
7. Высокая эффективность
8. Зеркала бытовые не требуется в полупроводниковых лазерах.
9. малой мощности расход

Недостатки из лазерные диоды

1. Не подходит для приложений, где требуется высокая мощность.
2. Полупроводник лазеры сильно зависят от температуры.

приложений лазерных диодов

1. Лазер диоды используются в лазерных указках.
2. Лазер диоды используются в оптоволоконной связи.
3. Лазер диоды используются в считывателях штрих-кода.
4. Лазер диоды используются в лазерной печати.
5. Лазер диоды используются в лазерном сканировании.
6. Лазер диоды используются в дальномерах.
7. Лазер диоды используются в лазерной абсорбционной спектрометрии.

Типы диодов

различные типы диодов следующие:

1. стабилитрон диод
2. Лавинный диод
3. Фотодиод
4. Свет Излучающий диод
5. Лазер диод
6. Туннель диод
7. Шоттки диод
8. Варактор диод
9. П-Н переходной диод

Что такое диод и для чего он нужен?

ОСНОВНЫЕ ЗНАНИЯ — ДИОД Что такое диод и для чего он используется?

26.02.2020 Автор / Редактор: Люк Джеймс / Erika Granath

Диод может быть самым простым из всех полупроводниковых компонентов, однако он выполняет множество важных функций, включая управление потоком электрического тока. Вот краткий обзор простого диода и того, для чего он обычно используется.

Связанные компании

Диод — это устройство, которое позволяет току течь в одном направлении, но не в другом.Это достигается за счет встроенного электрического поля.

(Bild: Public Domain)

Диод — это устройство, которое позволяет току течь в одном направлении, но не в другом. Это достигается за счет встроенного электрического поля. Хотя самые ранние диоды состояли из раскаленных проволок, проходящих через середину металлического цилиндра, который сам находился внутри стеклянной вакуумной трубки, современные диоды являются полупроводниковыми диодами.Как следует из названия, они сделаны из полупроводниковых материалов, в основном из легированного кремния.

Проведение электрического тока в одном направлении

ВАХ (зависимость тока от напряжения) диода с p – n переходом.

(Bild: CC BY-SA 4.0)

Несмотря на то, что диоды являются не более чем простыми двухконтактными полупроводниковыми приборами, они жизненно важны для современной электроники.
Некоторые из их наиболее распространенных приложений включают преобразование переменного тока в постоянный, изоляцию сигналов от источника питания и микширование сигналов.Диод имеет две «стороны», и каждая сторона легирована по-разному. Одна сторона — это «сторона p», она имеет положительный заряд.
Другая сторона — это «n-сторона», у нее отрицательный заряд. Обе эти стороны наслоены вместе, образуя так называемое «n-p соединение», где они встречаются.


Когда отрицательный заряд прикладывается к n-стороне и положительный к p-стороне, электроны «перепрыгивают» через этот переход, и ток течет только в одном направлении. Это свойство сердечника диода; обычный ток течет от положительной стороны к отрицательной только в этом направлении.В то же время электроны текут в одном направлении только с отрицательной стороны на положительную. Это связано с тем, что электроны заряжены отрицательно и притягиваются к положительному полюсу батареи.

Для чего используются диоды?

Диоды — чрезвычайно полезные компоненты, которые широко используются в современной технике.

Светодиоды (LED)

Возможно, наиболее широко известное современное применение диодов — это светодиоды. В них используется особый вид легирования, так что, когда электрон пересекает n-p переход, испускается фотон, который создает свет.Это связано с тем, что светодиоды светятся при наличии положительного напряжения. Тип легирования может быть изменен так, что может излучаться свет любой частоты (цвета), от инфракрасного до ультрафиолетового.

Преобразование мощности

Хотя светодиоды могут быть наиболее широко известным приложением для обычного человека, наиболее распространенным применением на сегодняшний день является использование диодов для преобразования мощности переменного тока в мощность постоянного тока. Используя диоды, можно создавать различные типы выпрямительных схем, самые основные из которых — это полуволновые, полнополупериодные выпрямители с центральным ответвлением и полные мостовые выпрямители.Они чрезвычайно важны в источниках питания для электроники — например, в зарядном устройстве ноутбука — где переменный ток, исходящий от источника питания, должен быть преобразован в постоянный ток, который затем может быть сохранен.

Защита от перенапряжения

Чувствительные электронные устройства необходимо защитить от скачков напряжения, и диод идеально подходит для этого. При использовании в качестве устройств защиты по напряжению диоды не проводят ток, однако они немедленно замыкают любой всплеск высокого напряжения, отправляя его на землю, где он не может повредить чувствительные интегральные схемы.Для этого разработаны специальные диоды, известные как «ограничители переходных напряжений». Они могут справляться с резкими скачками мощности в течение коротких периодов времени, которые обычно приводят к повреждению чувствительных компонентов.

(ID: 46381408)

диодов — обзор | Темы ScienceDirect

8.4.2 Диоды

Диод представляет собой двухслойный полупроводниковый прибор с двумя выводами. Когда полупроводниковые материалы n-типа и p-типа соединяются вместе, это образует PN-переход, который называется диодом.Полупроводниковый диод работает, позволяя току течь через него в одном направлении, но не в другом. Основная структура и обозначение схемы полупроводникового диода показаны на рисунке 8.34. Две клеммы называются анодом (A) и катодом (K).

Рисунок 8.34. Полупроводниковый диод

Обычный ток течет через диод от анода к катоду (электроны текут от катода к аноду). Носителями тока в полупроводниках p-типа являются дырки, а в полупроводниках n-типа — электроны.Нормальная диффузия на стыке двух материалов вызовет дрейф некоторых дырок в материал n-типа, а часть электронов — в материал p-типа. Это создает небольшой заряд на стыке, который отталкивает любую дальнейшую диффузию дырок и электронов. Заряженная область на стыке называется областью обеднения или барьерной областью. Работа диода рассматривается, когда диод смещен в прямом или обратном направлении, как показано на рисунке 8.35.Здесь прикладывается напряжение (В) и может быть измерен ток (I).

Рисунок 8.35. Работа полупроводникового диода

Типичные области применения полупроводникового диода включают выпрямление сигналов переменного тока в источниках питания, схемы пиковых детекторов, ограничение уровня сигнала (для предотвращения превышения уровня напряжения сигнала над безопасным уровнем, называемого защитой входных цепей), телекоммуникации и индуктивные цепи схемы захвата обратной ЭДС (для снятия больших напряжений, создаваемых быстро меняющимся током в катушке индуктивности).

Когда диод смещен в прямом направлении, это уменьшает область истощения. Если диод достаточно смещен (на достаточно высокое значение V), то начинает течь ток (I). Однако, если диод смещен в обратном направлении, это приводит к увеличению области обеднения и предотвращает протекание тока.

Идеальный диод проводит только тогда, когда диод смещен в прямом направлении, и тогда падение напряжения на диоде (Vd) равно нулю. Когда идеальный диод смещен в обратном направлении, ток не течет.

В реальном диоде, когда диод смещен в прямом направлении, на диоде имеется конечное падение напряжения (Vd): примерно 0,6 В для кремниевого диода и примерно 0,4 В для германиевого диода. Если приложенное напряжение ниже этого значения, ток не будет протекать. Когда реальный диод смещен в обратном направлении, будет небольшой, но конечный ток утечки. Вольт-амперная характеристика кремниевого диода показана на рисунке 8.36.

Рисунок 8.36. Характеристики полупроводникового диода (шкалы с прямым смещением и обратным смещением не равны)

При прямом смещении уравнение диода определяется следующим образом:

I = Is⋅ (ур.v / KT-1)

где I — ток, протекающий в диоде, Is — ток насыщения или утечки (обычно порядка 10 ^–14 А), V — напряжение на диоде (т. е. V _d ), q — заряд электрона, k — постоянная Больцмана, а T — абсолютная температура (в градусах Кельвина). Для схемы, работающей при температуре около 20 ° C, k.T / q обычно принимается равным 25 м В.

Варианты полупроводникового диода, обычно встречающиеся в электронных схемах, включают стабилитрон, светоизлучающий диод (LED) и фотодиод.

Если напряжение обратного смещения превышает максимальное значение, напряжение пробоя диода будет проводить ток, и чрезмерный ток может вывести устройство из строя. Это называется лавинным срывом. Возможна и вторая форма пробоя, туннельный (или стабилитронный) пробой.

Стабилитрон имеет управляемое обратное напряжение пробоя. Туннелирование или пробой стабилитрона происходит при превышении управляющего напряжения. Символ стабилитрона показан на рисунке 8.37. Стабилитрон используется в таких приложениях, как источники питания и цепи опорного напряжения.

Рисунок 8.37. Обозначение стабилитрона

Светодиод представляет собой диод, который заставляет устройство излучать свет, когда через него протекает ток (с прямым смещением).

No related posts.