+7 495 120-13-73 | 8 800 500-97-74

(для регионов бесплатно)

Содержание

Принцип работы диода и транзистора

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 катодакосвенного 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.

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 ростаобратного 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.

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.

Полупроводниковый диод. Если соединить два электрически нейтральных полупроводника п- и р-типа, то получится полупроводниковый диод. Электроны вблизи контакта из «-области, где их концентрация выше, будут диффундировать в /7-область. Диффузия дырок происходит в обратном направлении. На границе полупроводниковых областей образуется р-п- переход — слой с пониженной электропроводностью: вблизи контакта в «-области накапливается положительный заряд, а в /7-области — отрицательный. Поле Ек запирающего равновесного контактного слоя будет препятствовать дальнейшей диффузии электронов и дырок, обусловливая диффузионную разность потенциалов.

Если диод подключить положительным полюсом батареи к области р-типа, а отрицательным — к области «-типа (рис. 30.12, а), то направление внешнего поля Е будет противоположно полю контактного слоя Ек. В результате через диод с прямым смещением течет ток (так называемый прямой ток), обусловленный движением основных носителей каждой области. Перемещение электронов и дырок приводит к сужению контактного слоя, потенциальный барьер в переходе понижается с ростом напряжения, приложенного в прямом направлении (U >0). Сопротивление контактного слоя в результате уменьшится.

В диоде с обратным смещением дырки в /7-области притягиваются отрицательным полюсом батареи, а электроны в «-области — положительным

Рис. 30.12. Схема п—/7-перехода, в котором п- и /7-области монокристалла отличаются только типом примеси (гомопереход): а, б — соответственно диод с прямым и обратным смещением полюсом батареи (рис. 30.12, б). Электрический ток через п—/7-переход, называемый обратным, будет обусловлен движением неосновных носителей каждой области. Контактный слой расширится, его сопротивление возрастет. Потенциальный барьер в переходе увеличивается с ростом обратного напряжения (U Транзисторы. Рассмотрим приборы, предназначенные для усиления электрических сигналов, называемые транзисторами (рис. 30.13). Транзисторы были изобретены в 1948 г. американскими физиками Дж. Барди- ном, У. Браттейном и У. Шокли (Нобелевская премия, 1956).

Рис. 30.13. Условные обозначения транзисторов: ап-р—п-транзистор; бр—п—р-транзистор

Биполярный транзистор (триод) — это трехслойная полупроводниковая структура с чередующимися слоями р- и я-типа проводимости (рис. 30.13, а, б). База (средняя часть транзистора), эмиттер и коллектор (прилегающие к базе с обеих сторон области с иным типом проводимости) включаются в схему с помощью металлических проводников. При типичных условиях ширина базы не превышает 0,1—0,2 мкм. Крайние области транзистора, хотя и обладают одинаковым типом проводимости, отличаются концентрацией примесных атомов. Коллектор обычно содержит большую концентрацию примесных атомов в сравнении с эмиттером. Эмиттер всегда обозначается стрелкой. Направление стрелки совпадает с направлением тока, условно принимаемым за положительное в нормальном режиме работы транзистора.

Для примера рассмотрим триод типа р—п—р (рис. 30.14).

Рис. 30.14. Схема р—п-/7-транзистора, используемого в качестве усилителя

Пусть к эмиттерному переходу приложено прямое постоянное напряжение («+» на /7-эмиттере), а к коллекторному — обратное напряжение («—» на /ькол- лекторе). Переменный сигнал подается на входное сопротивление RBX. С сопротивления /?ВЬ1Х в выходной цепи снимается усиленный сигнал. В нормальном режиме напряжение и на коллекторе, и на базе отрицательно.

Высота потенциального барьера в р—п-переходе в случае прямого напряжения снижается. Дырки, продиффундировавшие из эмиттера в базу, становятся там неосновными носителями. При тонкой базе большинство дырок достигает коллектора: дырки вблизи п—р-перехода, отделяющего базу от коллектора, захватываются полем, существующим внутри перехода. Проходя через коллекторную цепь, они создают напряжение на сопротивлении /?вых.

Коэффициент усиления по току составляет несколько десятков, в некоторых случаях — несколько сотен. При использовании гетероструктур, когда р- и д-области принадлежат разным полупроводникам, коэффициент усиления достигает несколько тысяч. Обычно RBblx » RBX, поэтому t/BX«UBblx. Источником мощности, выделяющейся на выходном сопротивлении, является батарея Бк. Мощность выходного сигнала возрастает в Кых/К раз.

Аналогичным образом работает и п—/?—/7-транзистор, где вместо дырок происходит перемещение электронов. Если напряжение, приложенное к базе, положительно, то электроны эмиттера притягиваются к базе, а затем проходят на коллектор, находящийся под положительным напряжением.

Создание полупроводниковых гетероструктур, используемых в высокочастотной электронике и оптоэлектронике, заложило основы современных информационных технологий. За фундаментальные работы в этой области в 2000 г. были награждены Нобелевской премией по физике россиянин Ж.И. Алферов и американец Г. Кремер.

Это такая хитрая фиговина, пропускающая ток только в одну сторону. Его можно сравнить с ниппелем. Применяется, например, в выпрямителях, когда из переменного тока делают постоянный. Или когда надо отделить обратное напряжение от прямого.

Выводы диода называют анодом и катодом. Ток течет от анода к катоду. Запомнить где какой вывод очень просто: на условном обозначнеии стрелочка и палочка со стороны катода как бы рисуют букву К вот, смотри —К|—. К= Катод! А на детали катод обозначается полоской или точкой.

Есть еще один интересный тип диода – стабилитрон. Особенностью его является то, что в прямом направлении он работает как обычный диод, а вот в обратном его срывает на каком либо напряжении, например на 3.3 вольта. Подобно ограничительному клапану парового котла, открывающемуся при превышении давления и стравливающему излишки пара.

Стабилитроны используют когда хотят получить напряжение заданной величины, вне зависимости от входных напряжений. Это может быть, например, опорная величина, относительно которой происходит сравнение входного сигнала. Им можно обрезать входящий сигнал до нужной величины или используют его как защиту. Также есть такой зверь как супрессор. Тот же стабилитрон, только куда более мощный и часто двунаправленный. Используется для защиты по питанию.

Так работает диод.

Жуткая вещь, в детстве все не мог понять как он работает, а оказалось все просто.

В общем, транзистор можно сравнить с управляемым вентилем, где крохотным усилием мы управляем мощнейшим потоком. Чуть повернул рукоятку и тонны дерьма умчались по трубам, открыл посильней и вот уже все вокруг захлебнулось в нечистотах. Т.е. выход пропорционален входу умноженному на какую то величину. Этой величиной является коэффициент усиления.

Делятся эти девайсы на полевые и биполярные.

В биполярном транзисторе есть эмиттер, коллектор и база (смотри рисунок условного обозначения). Эмиттер он со стрелочкой, база обозначается как прямая площадка между эмиттером и коллектором. Между эмиттером и коллектором идет большой ток полезной нагрузки, направление тока определяется стрелочкой на эмиттере. А вот между базой и эмиттером идет маленький управляющий ток. Грубо говоря, величина управляющего тока влияет на сопротивление между коллектором и эмиттером. Биполярные транзисторы бывают двух типов: p-n-p и n-p-n принципиальная разница только лишь в направлении тока через них.

Полевой транзистор отличается от биполярного тем, что в нем сопротивление канала между истоком и стоком определяется уже не током, а напряжением на затворе. Последнее время полевые транзисторы получили громадную популярность (на них построены все микропроцессоры), т.к. токи в них протекают микроскопические, решающую роль играет напряжение, а значит потери и тепловыделение минимальны.

Обозначение транзисторов или камень преткновения всех студентов. Как запомнить тип биполярного транзистора по его условной схеме? Представь что стрелочка это направление твоего движения на машине… Если едем в стенку то дружный вопль «Писец Нам Писец

Короче, транзистор позволит тебе слабеньким сигналом, например с ноги микроконтроллера, управлять мощной нагрузкой типа реле, двигателя или лампочки. Если не хватит усиления одного транзистора, то их можно соединять каскадами – один за другим, все мощней и мощней. А порой хватает и одного могучего полевого MOSFET транзистора. Посмотри, например, как в схемах сотовых телефонов управляется виброзвонок. Там выход с процессора идет на затвор силового MOSFET ключа.

Принцип работы диода — это очень просто | Электроинформация

Диоды очень широко применяются в электронике. Практически они являются неотъемлемой частью почти любого электронного устройства. Потому любому человеку полезно примерно представлять как функционирует диод. Для общего развития. 

Диоды

Диоды

Чтобы объяснить принцип по которому работает диод нужно пользоваться некоторыми понятиями и определениями. Это не значит что нужно понимать эти определения досконально. Потому как все определения постоянно, на протяжении времени, дополняются. А то и вовсе полностью изменяются. Все обозначения применяются только для простоты объяснения. Не стоит думать, что кто-то, более умный чем вы, понимает что такое электроны. А также знает, как они ведут себя в полупроводниках. Самое главное, понимать как можно практически использовать характеристики полупроводников в различных условиях.

Пояснение работы кремниевого диода

При изготовлении диодов применяются полупроводниковые материалы. Например, такой полупроводник как кремний. Работа диода основана на понятии движения свободных носителей зарядов.  Однако, считается что чистый кремний не имеет свободных носителей. И это не практично при изготовлении диодов. Потому, для диодов применяют кремний с добавками. В единый кристалл кремния добавляют примеси. То есть легируют кремний. С одной стороны диода, кремний легирован донорной примесью. То есть это отдающая сторона — донор. Эта область обладает проводимостью n-типа. От английского слова negative — отрицательная (минус). Считается что на n-стороне находятся свободные электроны. Эта область имеет малое удельное сопротивление электрическому току.

С другой стороны диод легирован акцепторной примесью. То есть это принимающая сторона — акцептор.  Эта область обладает проводимостью p-типа. От английского слова positive — положительная (плюс). Считается что на p-стороне находятся свободные места для электронов (дырки). Эта область также обладает малым сопротивлением электрическому току. На границе p-n-перехода происходит явление рекомбинации. В переводе с латыни означает «соединение». Другими словами, исчезновение пары свободных носителей противоположного заряда в среде с выделением энергии. 

Устройство диода

Устройство диода

Считается что электроны n-стороны стремятся занять дырки с p-стороны. А дырки наоборот стремятся перетечь на n-сторону. Для того чтобы их место заняли электроны. При этом возникает диффузный ток. Другими словами, электроны и дырки хаотично перетекают в противоположные стороны. Соединяются друг с другом. И свободные носители исчезают.

Обедненная область полупроводникового диода

В итоге, посередине диода образуется обедненная область. То есть в этой области нет ни свободных электронов, ни дырок. Или, по крайней мере, их очень мало. Все свободные носители уже заняли свои места. Причем, граница p-стороны имеет слабый отрицательный заряд. А граница n-стороны положительный. Потому как электроны и дырки перенесли свои заряды на противоположную сторону.

В результате изменения знаков зарядов на границе образуется электрическое поле. Это поле вызывает дрейфовый ток. Он протекает в сторону противоположную диффузному. Через некоторое время между двумя противоположными течениями устанавливается равновесие. Дальнейшее перемещение электронов и дырок прекращается. На границе областей образуется потенциальный барьер. На этом узком участке большое удельное сопротивление электрическому току.

Принцип работы диода

Принцип работы диода

Для того чтобы преодолеть этот барьер нужно приложить к нему определенное напряжение. Для кремниевого диода оно составляет примерно 0,7 вольта. При приложении такого напряжения к потенциальному барьеру, равновесие нарушится. И движение электронов и дырок возобновится. Однако, многое зависит от того, как именно подключить контакты источника питания к выводам диода.

Обратное подключение диода

Подключим к диоду источник постоянного тока. То есть к p-стороне подключим минусовой контакт источника тока. А к n-стороне плюсовой контакт этого же источника. Источник питания обязательно подключается через нагрузку. Чтобы не было короткого замыкания.

Считается что частицы с разными зарядами взаимно притягиваются. А с одинаковыми отталкиваются. Потому можно применить нижеуказанные сравнения. Отрицательно заряженные электроны со стороны катода, как-бы притягиваются положительными зарядами источника питания. С другой стороны, со стороны анода, отрицательные заряды источника питания как бы притягивают положительно заряженные дырки. Свободных носителей заряда, в средней зоне диода, остается незначительное количество. В результате, ширина потенциального барьера в данном случае увеличивается. Удельное сопротивление этого узкого участка растет. Этот участок практически превращается в диэлектрик. То есть, протекание тока через него почти невозможно. Это состояние называется обратным смещением диода. Или же обратное включение диода.

Обратное подключение диода

Обратное подключение диода

Прямое подключение диода

Подключим источник постоянного тока к противоположным выводам диода. То есть плюс источника тока присоединить к p-стороне диода. Минус источника питания к n-стороне. Ситуация изменится. Предположим, что источник тока имеет напряжение достаточное для того, чтобы преодолеть потенциальный барьер. После этого электроны и дырки будут как бы притягиваться к питающим клеммам источника тока. На противоположные стороны диода. Когда электроны пересекают барьер, то теряют энергию и заменяют дырки в акцепторной области. Дырки напротив перемещаются в донорную область и там замещаются электронами. Свободных носителей много. Обедненной области нет. Потенциальный барьер практически исчезает. Сопротивление пограничного участка становится очень маленьким. Ток повышается. Данное явление называется прямым смещением диода. Или же прямое включение диода.

Прямое подключение диода

Прямое подключение диода

Давайте будем изменять входное напряжение и посмотрим как это скажется на диоде. При напряжении обратного подключения через диод будет течь электрический ток небольшой силы. В условиях прямого подключения до 0,7 вольта, мы также будем наблюдать только незначительный электрический ток. Но сразу же после повышения напряжения до значений достаточных для преодоления потенциального барьера мы увидим резкое увеличение тока.

Если приложить к диоду очень высокое напряжение при обратном подключении, то это повредит обычные диоды. При повреждении диоды ведут себя различно. К примеру, они могут начать хорошо проводить ток в обоих направлениях. Или же почти перестают проводить ток в обе стороны. Иногда, при определенных обстоятельствах, поврежденные диоды могут даже самовосстанавливаться .

Диод — анод (плюс) и катод (минус)

Диод — анод (плюс) и катод (минус)

Диод — полупроводниковый прибор с односторонней проводимостью. То есть, диод работает как клапан одностороннего действия для электрического тока. Это позволяет использовать диоды разными интересными способами. Например, в выпрямительном мосте, для выпрямления переменного тока. Выпрямительный диодный мост — это устройство из четырех диодов. Диоды располагаются в схеме определенным образом.

Диодный выпрямительный мост — положительный полупериод

Диодный выпрямительный мост — положительный полупериод

С одной стороны к диодному мосту подключается источник переменного тока. С другой стороны к нему подключается нагрузка, требующая питания током постоянным. Как известно, переменный ток частотой 50 Герц 100 раз в секунду меняет свое направление течения. Во время положительного полупериода он течет в одном направлении. И в это время проходимость в цепи будет такой как показано на схеме. Ток будет проходить по двум диодам находящимся в положении прямого смещения. Два других диода будут находиться в состоянии обратного смещения. 

Диодный выпрямительный мост — отрицательный полупериод

Диодный выпрямительный мост — отрицательный полупериод

Во время отрицательного полупериода произойдет обратное. Таким образом мы получим ток такого же направления на выходе. В результате, через нагрузку в любом случае ток будет течь только в одном направлении. То есть мы получим выпрямленный пульсирующий ток. Мы можем обеспечить еще большее выпрямление на выходе добавив емкостный фильтр и регулятор напряжения.

Существует очень большое количество различных видов диодов. Мы постараемся рассмотреть все случаи их применения на практике. А также исключения из правил. И другие интересные подробности.

Для вашего удобства подборка публикаций

Где в розетке плюс, а где минус?

Исторические байки про электричество

Почему в Америке 110 вольт, а у нас 220?

Главная страница

Спасибо за посещение канала, чтение заметки, упоминание в социальных сетях и других интернет — ресурсах, а также подписку, лайки, дизлайки и комментарии (Лайки и дизлайки можно ставить не регистрируясь и не заходя в аккаунт)

Принцип работы диода. вольт-амперная характеристика. пробои p-n перехода

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.

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.

Органические светодиоды — OLED

Основная статья: OLED

Многослойные тонкоплёночные структуры, изготовленные из органических соединений, которые эффективно излучают свет при пропускании через них электрического тока. Основное применение OLED находит при создании устройств отображения информации (дисплеев). Предполагается, что производство таких дисплеев будет гораздо дешевле, чем жидкокристаллических.

Главная проблема для OLED — время непрерывной работы, которое должно быть не меньше 15 тыс. часов. Одна из проблем, которая в настоящее время препятствует широкому распространению этой технологии, состоит в том, что «красный» OLED и «зелёный» OLED могут непрерывно работать на десятки тысяч часов дольше, чем «синий» OLED. Это визуально искажает изображение, причём время качественного показа неприемлемо для коммерчески жизнеспособного устройства. Хотя сегодня «синий» OLED все-таки добрался до отметки в 17,5 тыс. часов (2 года) непрерывной работы.

Дисплеи из органических светодиодов применяются в последних моделях сотовых телефонов, GPS-навигаторах, OLED-телевизорах, для создания приборов ночного видения.

Диоды низкочастотные (таблеточное исполнение)

Диоды Д133-400, Д133-500, Д133-800, Д143-630, Д143-800, Д143-1000, Д253-1600 предназначены для применения в цепях постоянного и переменного тока частотой до 500 Гц в электротехнических устройствах общего назначения. Диоды устойчивы к воздействию синусоидальной вибрации в диапазоне частот 1-100 Гц с ускорением 49м/с2 и одиночных ударов длительностью 50 мс с ускорением 39,2 м/с2. Анодом и катодом являются плоские основания, при этом полярность определяется с помощью символа полярности, нанесенного на корпус диода.

Диоды низкочастотные лавинные предназначены для применения в устройствах общего назначения частотой до 500 Гц. Диоды допускают воздействие вибрационных нагрузок в диапазоне частот 1-100 Гц с ускорением 49м/с2, многократных ударов длительностью 2-15 мс с ускорением 147 м/с2 и одиночных ударов длительностью 50 мс с ускорением 39,2 м/с2. Диоды ДЛ 161-200, ДЛ 171-320 имеют штыревое исполнение. Анодом диодов является медное основание, катодом — гибкий вывод. Диоды ДЛ 123-320, ДЛ133-500 имеют таблеточное исполнение. Анодом и катодом являются плоские основания, при этом полярность определяется с помощью символа полярности, нанесенного на корпус диода.

Схемы выпрямителей

В однофазных цепях используется одна из трёх схем выпрямления переменного тока, они носят такие названия:

  • Однополупериодный выпрямитель, а в технической литературе можно встретить сокращенный вид «1ф1п», что обозначает «1 фаза 1 полупериод».
  • Двухполупериодный выпрямитель, он же «схема Гретца», сокращенно — 2ф2п.
  • Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой. Используется реже, чем предыдущая, так как требует использовать трансформатор со средней точки (отвод от середины обмоток).

Однополупериодный выпрямитель состоит из диода, последовательно включенного с нагрузкой. Здесь в нагрузку Rн поступает, как ни странно, один полупериод от питающего напряжения, вторые полпериода или обратная полуволна синусоиды через диод не проходит. Схема хороша тем, что нужен только один диод, но у неё ряд недостатков: напряжение на нагрузке снижается в 2 раза и высокий коэффициент пульсаций. Для их сглаживания нужен конденсатор неоправданно большой ёмкости, что повышает и габариты, и конечную стоимость изделия.

Схема однополупериодного выпрямителя, напряжение на её входе и выходе

Двухполупериодный выпрямитель или диодный мост состоит уже из четырёх диодов. Здесь они работают «по диагонали», то есть одну полуволну проводят левый верхний и правый нижний диод, а обратную – левый нижний и правый верхний диоды (положения указаны условно, относительно приведенной схемы). Напряжение в нагрузке равно напряжению на входе моста, но оно уже не переменное, а выпрямленное пульсирующее. Чтобы сгладить пульсации параллельно нагрузки устанавливают конденсатор (один или несколько, соединенных параллельно). При этом используются электролитические конденсаторы, из-за их большой ёмкости при относительно небольших размерах.

Схема диодного моста, напряжение на её входе и выходе

Второй вариант двухполупериодного выпрямителя — это выпрямитель со средней точкой. Здесь к средней точке трансформатора присоединяется один вывод нагрузки, а ко второму выводу нагрузки присоединяются катоды двух диодов. Напряжение на концах вторичной обмотки относительно средней точки находится в противофазе (условно на диаграмме они обозначены как Uвходное1 и Uвходное2).

Так как напряжения сдвинуты друг относительно друга на половину периода и диоды пропускают лишь по одной его полуволне, то на нагрузку попадает выпрямленное двухполупериодное напряжение Uвыходное, как в предыдущем варианте. Вы можете видеть что в первые полпериода через диод VD2 протекает ток, во вторую половину — диод закрывается и начинает протекать ток через диод VD1.

Преимущества такой схемы — меньше потерь из-за меньшего числа ключей, но недостаток весьма серьезный — нужен трансформатор со средней точкой, если в производственных масштабах это не составляет особых проблем, то для радиолюбителя может оказаться сложным найти такой. Но

Схема выпрямителя со средней точкой, напряжение на её входе и выходе

Полупроводниковый диод

Диодом называется электро преобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими p-n переходами и двумя выводами. В зависимости от основного назначения и явления используемого в p-n переходе различают несколько основных функциональных типов полупроводниковых диодов: выпрямительные, высокочастотные, импульсные, туннельные, стабилитроны, варикапы.

Основной характеристикой полупроводниковых диодов является вольт-амперная характеристика (ВАХ). Для каждого типа полупроводникового диода ВАХ имеет свой вид, но все они основываются на ВАХ плоскостного выпрямительного диода, которая имеет вид:

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода: 1 — прямая вольт-амперная характеристика; 2 — обратная вольт-амперная характеристика; 3 — область пробоя; 4 — прямолинейная аппроксимация прямой вольт-амперной характеристики; Uпор — пороговое напряжение; rдин — динамическое сопротивление; Uпроб — пробивное напряжение

Масштаб по оси ординат для отрицательных значений токов выбран во много раз более крупным, чем для положительных.

Вольт-амперные характеристики диодов проходят через нуль, но достаточно заметный ток появляется лишь при пороговом напряжении (Uпор), которое для германиевых диодов равно 0,1 — 0,2 В, а у кремниевых диодов равно 0,5 — 0,6 В. В области отрицательных значений напряжения на диоде, при уже сравнительно небольших напряжениях (Uобр.) возникает обратный токобр). Этот ток создается неосновными носителями: электронами р-области и дырками n-области, переходу которых из одной области в другую способствует потенциальный барьер вблизи границы раздела. С ростом обратного напряжения увеличение тока не происходит, так как количество неосновных носителей, оказывающихся в единицу времени на границе перехода, не зависит от приложенного извне напряжения, если оно не очень велико. Обратный ток для кремниевых диодов на несколько порядков меньше, чем для германиевых. Дальнейшее увеличение обратного напряжения до напряжения пробоя (Uпроб) приводит к тому что электроны из валентной зоны переходят в зону проводимости, возникает эффект Зенера. Обратный ток при этом резко увеличивается, что вызывает нагрев диода и дальнейшее увеличение тока приводит к тепловому пробою и разрушению p-n-перехода.

Способы подключения

Существует несколько стандартных вариантов подключения диода в электрическую цепь. Все они используются в определённых схемах и позволяют достичь требуемого результата.

Прямой вариант

Этот способ включения диода в электрическую цепь называют наиболее простым и часто используемым. В его основе лежит подсоединение положительного полюса к области p-типа, а отрицательного — к n-типа.

Описание работы диода при прямом подключении:

  1. На устройство подаётся электрический ток, под воздействием которого образуется электрическое поле в области между двумя электродами. Его направление будет противоположным по отношению к внутреннему диффузионному полю.
  2. Затем происходит резкое сужение запирающего слоя, которое получается из-за значительного снижения напряжения электрического поля.
  3. Следствием этого станет способность большинства электронов свободно перемещаться из одной области (n-типа) в другую (p-типа).
  4. Во время этого процесса показатели дрейфового тока не изменятся, так как они зависят только от количества заряженных частиц, находящихся в области p-n перехода.
  5. Электроны способны перемещаться из n-области в p-область, что приводит к дисбалансу их концентрации. В одной из областей будет недостаток частиц, а в другой — избыток.
  6. Из-за этого часть электронов перемещается вглубь полупроводника, что становится причиной разрушения его электронейтральности.
  7. В этом случае полупроводник стремится к восстановлению своей нейтральности и начинает получать заряд от подключённого источника питания. Всё это приводит к образованию тока во внешней электроцепи.

Обратный метод

Этот способ подключения диода к общей схеме используется гораздо реже. В его основе лежит изменение полярности внешнего источника питания, который участвует в процессе передачи напряжения.

Особенности функционирования диода при обратном включении:

  1. После включения источника питания в области p-n перехода образуется электрическое поле. Его направление будет одинаковым с внутренним диффузионным полем.
  2. Из-за этого будет происходить расширение запирающего слоя.
  3. Находящееся в области p-n перехода поле будет ускорять движение электронов, но оставлять неизменными показатели дрейфующего тока.
  4. Из-за всех этих действий будет постепенно нарастать обратное напряжение, которое поспособствует стремлению электрического тока к максимальным значениям.

Типы светодиодов

  • Сквозные светодиоды: они доступны в различных формах и размерах, и наиболее распространенными являются светодиоды 3 мм, 5 мм и 8 мм. Эти светодиоды доступны в различных цветах, таких как красный, синий, желтый, зеленый, белый и т. Д.
  • Светодиоды SMD (светодиоды для поверхностного монтажа): Светодиоды для поверхностного монтажа представляют собой специальную упаковку, которую можно легко установить на печатную плату. Светодиоды SMD обычно различаются в зависимости от их физических размеров. Например, наиболее распространенными светодиодами SMD являются 3528 и 5050.

Двухцветные светодиоды. Следующим типом светодиодов являются двухцветные светодиоды, как следует из названия, могут излучать два цвета. Двухцветные светодиоды имеют три контакта, обычно два анода и общий катод. В зависимости от конфигурации проводов, цвет будет активирован.

Светодиод RGB (красный — синий — зеленый): светодиоды RGB являются самыми любимыми и популярными среди любителей и дизайнеров. Даже компьютерные сборки очень популярны для реализации светодиодов RGB в корпусах компьютеров, материнских платах, оперативной памяти и так далее.

Светодиоды высокой мощности: Светодиод с номинальной мощностью, превышающей или равной 1 Вт, называется светодиодом высокой мощности. Это потому, что нормальные светодиоды имеют рассеиваемую мощность в несколько милливатт. Мощные светодиоды очень яркие и часто используются в фонариках, автомобильных фарах, прожекторах и так далее.

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.

Оцените статью:

Диоды. Принцип работы диода — презентация онлайн

1. Тема 5 Диоды

Цель лекции: принцип работы;
параметры; вольт амперная
характеристика;
схемы на диодах; виды диодов.

2. Определение

• Диод – это пассивный, нелинейный,
полупроводниковый элемент с двумя выводами
анодом и катодом, имеющий вольт амперную
характеристику, представленную на рисунке.
D
1. Диод не подчиняется закону Ома.
2. Схему содержащую диоды нельзя
заменить эквивалентной.

3. Принцип работы диода

• Диод пропускает через себя ток в одном
направлении. Этот эффект часто
называют выпрямлением.

4. Вольт амперная характеристика диода

3 зона
2 зона
1 зона

5. Вольт амперная характеристика диода

6. Характеристики диода

• Uобр.макс.- максимально-допустимое постоянное обратное
напряжение диода;
• Uобр.и.макс.- максимально-допустимое импульсное обратное
напряжение диода;
• Iпр.макс.- максимальный средний прямой ток за период;
• Iпр.и.макс.- максимальный импульсный прямой ток за период;
• Iпрг.- ток перегрузки выпрямительного диода;
• fмакс.- максимально-допустимая частота переключения
диода;
• fраб.- рабочая частота переключения диода;
• Uпр. при Iпр.- постоянное прямое напряжения диода при токе
Iпр;
• Iобр.- постоянный обратный ток диода;
• Тк.макс.- максимально-допустимая температура корпуса
диода.
• Тп.макс.- максимально-допустимая температура перехода
диода.

7. Виды корпусов

• Навесные.
• SMD – поверхностного монтажа.

8. Виды маркировок

• Американская — JEDEK — Joint
Electron Device Engineering Council
• Европейская — PRO ELECTRON
• Японская — JIS — Japanese Industrial
Standard JIS-C-7012

9. Корпуса и маркировка

10. Расшифровка маркировки

• Элемент 1. Первая буква — код материала.
• А — германий В — кремний С — арсенид галлия R — сульфид
кадмия
• Элемент 2. Вторая буква — назначение
• А — маломощный диод В — варикап С — маломощный
низкочастотный транзистор D — мощный низкочастотный
транзистор Е — туннельный диод F — маломощный
высокочастотный транзистор G — несколько приборов в одном
корпусе Н — магнитодиод L — мощный высокочастотный
транзистор М — датчик Холла Р — фотодиод, фототранзистор
Q — светодиод R — маломощный регулирующий или
переключающий прибор S — маломощный переключательный
транзистор Т — мощный регулирующий или переключающий
прибор U — мощный переключательный транзистор Х —
умножительный диод Y — мощный выпрямительный диод Z —
стабилитрон

11. Расшифровка маркировки

• Элемент 3. Цифры или буква и цифры: 100…999 — приборы
широкого применения, Z10…A99 — приборы для
промышленной и специальной аппаратуры
• Элемент 4 и 5. Буквы или буква и цифры:
• для стабилитронов — допустимое изменение номинального
напряжения стабилизации (буква) и напряжение стабилизации в
вольтах (цифра): А = 1 %; В = 2%; С = 5%; D = 10%; Е = 15%.
• Для выпрямительных диодов, у которых анод соединен с
корпусом (R) — максимальная амплитуда обратного
напряжения в вольтах (цифра).
• Для тиристоров, анод которых соединен с корпусом (R) —
меньшее из значений максимального напряжение включения
или максимальная амплитуда обратного напряжения в вольтах
(цифра).

12. Отечественная маркировка

Специальные типы диодов
Классический диод
Лавинный диод
Диод Шоттки
Стабилитрон
Светодиод
Стабистор
Полупроводниковый лазер
Тунельный диод
Фотодиод
Точечный диод
Солнечный элемент
Варикап
Диод Ганна

14. Выпрямительные диоды

15. Выпрямление

• Выпрямитель преобразует переменный
ток в постоянный.
• Однополупериодный
выпрямитель
Входное напряжение
t
-U
-U
t
Выходное напряжение
ВАЖНО ЗАПОМНИТЬ. Падение напряжения на диоде примерно 0.6 В

16. Двухполупериодный выпрямитель

• Эта схема часто называется диодным
мостом.
Входное напряжение
Выходное напряжение
Выпрямленные сигналы, полученные на предыдущем кадре и текущем
кадре нельзя считать сигналами постоянного тока. Много пульсаций. Их надо
сгладить или отфильтровать для получения линии близкой к прямой.

17. Двухполупериодный выпрямитель

• Альтернативное изображение диодного
моста.

18. Фильтрация в источниках питания

• Для фильтрации выходного сигнала
применяется конденсатор.
Емкость конденсатора подбирается
по условию
С
1
/
f

Определение напряжения пульсаций
для однополупериодного и
двухполупериодного выпрямителя
U I нагр. / fC
U I нагр. / 2 fC

19. Задача

• Разработайте схему двухполупериодного
выпрямителя, обеспечивающего на выходе
напряжение постоянного тока с амплитудой
10 В. Напряжение пульсаций не должно
превышать 0.1 В. Ток в нагрузке 10 мкА.
Выберете входное напряжение переменного
тока, учитывая что падение напряжения на
диоде составляет 0.6 В.

20. Схемы выпрямителей для источников вторичного питания

• Двухполупериодная мостовая схема

21. Схемы выпрямителей для источников вторичного питания

• Двухполупериодный однофазный
выпрямитель на основе трансформатора со
средней точкой.
Недостатком схемы является неэффективное использование трансформатора
, так как каждая половина вторичной обмотки используется только в
одном полупериоде. Ток в обмотке за этот интервал времени в 2 раза больше,
чем в простой двухполупериодной схеме.

22. Расщепление напряжения питания

• Двух полярное напряжение. Важно
соблюдать полярность конденсатора.
В каждом полупериоде вторичная обмотка трансформатора работает
на свое плечо моста и отдельный фильтр на конденсаторе

23. Выпрямители с умножением напряжения

• Удвоитель напряжения
Работа удвоителя очень похожа на работу обычного двухполупериодного
выпрямителя. Разница в том, что здесь выпрямитель в каждом из полупериодов
нагружен на свой конденсатор и заряжает его до амплитудного значения
переменного напряжения. Удвоенное выходное напряжение получается путём
сложения напряжения на конденсаторах.

24. Умножители напряжения

Известно большое количество схем позволяющих умножать входное
напряжение.

25. Понятие стабилизатора напряжения

• Путем увеличения емкости конденсатора можно уменьшить
пульсации сигнала, но емкости могут быть весьма габаритными.
• Даже если пульсации уменьшены, наблюдаются колебания
выходного напряжения, которые обусловлены колебаниями
входного сигнала или увеличением тока внешней нагрузки.
Поэтому в выходной цепи используется схема с обратной связью – стабилизатор,
который используя режим ШИМ поддерживает номинальный уровень выходного
напряжения

26. Схемы на диодах

• Подключение резервного источника
питания

27. Схемы на диодах

• Выделение фронта импульсов

28. Схемы на диодах

• Последовательные диодные ограничители
Диод пропускает только положительные участки напряжения. Но даже
при положительном входном воздействии ток начинает протекать только
тогда, когда амплитуда входного сигнала будет превышать напряжение
смещения 4.5 В.
Схемы на диодах
• Параллельные диодные ограничители.
0
0
0
0
0

30. Схемы на диодах

• Параллельные диодные ограничители

31. Схемы на диодах

• Двухсторонние ограничители.
+5В
0
0

+4В

32. Схемы на диодах

• Амплитудный ограничитель

33. Схемы на диодах

• Диодная защита при коммутации
индуктивности.
РЕКОМЕДУЕМОЕ
РЕШЕНИЕ
При размыкании ключа индуктивность стремится сохранить ток между
Точками А и В за счет энергии магнитного поля. При этом разность
потенциалов на контактах переключателя может составить 1000 В. Это
Может привести в появлению электрической искры между контактами. СВАРКА!

34. ЗАДАЧИ

• Поясните как ведет себя схема
СХЕМА 1
?
Какая связь между схемами?
СХЕМА 2
?

35. Специальные типы диодов

• Стабилитрон (диод Зенера). Использует
обратную ветвь характеристики диода с
обратимым пробоем для стабилизации
напряжения.
Параметрический стабилизатор
Uвх=Uвых.стаб +Uрезистора

Как устроен туннельный диод: характеристики, принцип работы, маркировка

Туннельный диод обладает особыми характеристиками, отличающими его от обычных диодов и стабилитронов. Если диоды и стабилитроны хорошо пропускают ток только в одну сторону (в обратную – только в области пробоя), то туннельный диод способен хорошо проводить ток в обе стороны. Это свойство обеспечивают особенности устройства туннельного диода: очень узкий p-n переход и значительное количество присадок.

Содержание статьи

История создания туннельного диода

Эта деталь была предложена в 1956 году японским ученым Л. Есаки. Для ее изготовления использовался германий или арсенид галлия с большим количеством присадок, обладающих низким удельным сопротивлением.

Арсенид галлия оказался более перспективным материалом. При производстве туннельных диодов используются: доноры – олово, сера, теллур, свинец, селен, а также акцепторы – кадмий и цинк. Применяются германиевые полупроводники, в которых: доноры – мышьяк и фосфор, а акцепторы – алюминий и галлий. Примеси вводят в состав диода путем вплавления или диффузии.

Особенности и принцип действия туннельного диода

Туннельные диоды с чрезвычайно малым сопротивлением относят к группе вырожденных. Для них характерны:

  • электронно-дырочный переход – в десятки раз тоньше, по сравнению с обычными диодными устройствами;
  • потенциальный барьер – в 2 раза выше относительно стандартных полупроводниковых деталей;
  • наличие напряженности поля даже при отключении питающего напряжения – 106 В/см.

Уникальные свойства туннельного диода проявляются в его вольтамперной характеристике (ВАХ) при прямом смещении в полупроводнике.

На схеме видно, что на отрезке А ток растет с увеличением напряжения. На участке В полупроводник проявляет отрицательное сопротивление (туннельный эффект), приводящее к тому, что при росте вольтовой характеристики ток снижается. На отрезке С прибор снова обеспечивает прямую зависимость между током и напряжением.

Туннельные диоды предназначены для работы как раз на отрезке, для которого характерно отрицательное сопротивление. Небольшое повышение напряжения выключает его, а снижение – включает.

Основные параметры туннельных диодов

При выборе этого полупроводника учитывают:

  • ток пика – максимальный ток прямого направления;
  • пиковое напряжение, характерное для тока пика;
  • минимальный ток (ток впадины) и характерное для него напряжение;
  • напряжение скачка – максимальный перепад напряжений;
  • емкость – емкость между выводами полупроводника при определенной вольтовой характеристике смещения.

Маркировка туннельных диодов и их обозначение на схеме

В обозначении диодов присутствует несколько позиций (обычно 5). Первой идет буква или цифра. Цифры 1, 2, 3 обозначают, что диод предназначен для военного применения (имеет более широкий температурный рабочий интервал, по сравнению со стандартными полупроводниками). На первой позиции может стоять буква, указывающая на материал, используемый при изготовлении детали: Г – германий, А – арсенид галлия. Вторая позиция показывает класс полупроводника, Д – обозначает «диод». На третьей позиции отображают характеристики мощности или частоты. Четвертая – двух- или трехзначный серийный номер. В конце обозначения производитель предоставляет дополнительную информацию.

Цветовая маркировка диодовОбозначение туннельного диода на схемах

Области применения

Параметры туннельного диода обеспечивают его использование в следующих областях:

  • в качестве высокоскоростного выключателя;
  • в роли усилителя, в котором повышение напряжения вызывает более значительный рост тока, по сравнению со стандартными диодными устройствами;
  • для получения и усиления электромагнитных колебаний;
  • в радиоэлектронных переключающих и импульсных устройствах различного назначения, для которых актуально высокое быстродействие.

Преимущества и недостатки

Плюсы туннельных диодов:

  • особая вольтамперная характеристика в определенном интервале напряжений;
  • уникальное быстродействие, малая инерционность;
  • устойчивость к ионизирующему излучению;
  • сниженное потребление электроэнергии от источника электропитания.

Все туннельные диоды имеют компактные размеры. Часто они представляют собой изделия в герметичных корпусах цилиндрической формы диаметром 3-4 мм, высотой 2 мм и массой менее 1 грамма.

Существенным недостатком полупроводников этого типа является значительное старение, которое приводит к изменению их свойств, а следовательно, к нарушению нормальной функциональности устройства. «Туннельники» могут утратить прежние параметры не только из-за превышенных рабочих режимов, но даже из-за длительного хранения, после чего они превращаются в «обращенные» полупроводники. Такое обстоятельство часто становится причиной некорректного функционирования промышленных осциллографов.

Существуют и «обращенные» полупроводники промышленного изготовления. От туннельных они отличаются меньшей концентрацией примесей, хотя общий принцип функционирования у них одинаковый.

Как проверить туннельный диод на работоспособность

Проверять работоспособность ТД авометром – комбинированным прибором для измерения тока, напряжения и частоты – запрещено, поскольку полупроводники некоторых групп могут выйти из строя. Если неизвестна принадлежность детали к определенной категории, то безопасней использовать генераторный пробник, позволяющий контролировать работоспособность туннельного диода в активном режиме.


Была ли статья полезна?

Да

Нет

Оцените статью

Что вам не понравилось?


Другие материалы по теме


Анатолий Мельник

Специалист в области радиоэлектроники и электронных компонентов. Консультант по подбору деталей в компании РадиоЭлемент.


принцип работы, схемы и т.д.

Туннельный диод — это специальный диод, характеристики которого отличаются от характеристик любого обычного диода или стабилитрона.

Как обычный диод, так и стабилитрон являются очень хорошими проводниками, имея прямое смещение, но ни один из них не проводит хорошо ток в состоянии обратного смещения (исключение составляет область пробоя). Но в материале туннельного диода имеются присадки в гораздо большем объеме, нежели в обычном диоде, а его P-N переход очень узкий. Туннельный диод в силу того, что имеет большое количество присадок и очень узкий P-N переход, исключительно хорошо проводит ток в обе стороны.

Схема туннельного диода
Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

Принцип действия туннельного диода

Потенциал, который необходим для того, чтобы заставить туннельный диод выступать в роли проводника, будь то в режиме прямого или обратного смещения, очень невелик, обычно этот потенциал находится в диапазоне милливольт. Именно поэтому туннельные диоды известны как приборы с низким сопротивлением. Они очень слабо противодействуют движению тока в цепи.

График напряжение-ток типичного туннельного диода

Самой уникальной особенностью туннельных диодов является их соотношение напряжение-ток, когда они имеют прямое смещение. Когда туннельный диод имеет прямое смещение (от точки А до точки В на графике) при увеличении напряжения, ток также растет до определенной величины. Как только это значение оказывается достигнутым, дальнейшее повышение напряжения при прямом смещении заставляет ток снижаться до минимального значения (от точки В до точки С). В области, которая находится на графике между максимальным и минимальным потоками тока, туннельный диод имеет отрицательное сопротивление. В этой области отрицательного сопротивления ток, идущий через туннельный диод, фактически снижается при повышении напряжения. Происходит прямо противоположное обычному соотношению напряжение ток. Однако, когда напряжение за точкой С повышается, то данный прибор демонстрирует обычное соотношение напряжения и тока.

В обычных условиях туннельные диоды работают в области своего отрицательного сопротивления. В данной области незначительное уменьшение напряжения включает этот прибор, а небольшое повышение — выключает его. В качестве такого своеобразного выключателя туннельный диод может использоваться либо как генератор, либо как высокоскоростной выключатель: специфическая особенность прибора, низкое сопротивление, позволяет почти мгновенно изменять внутреннее сопротивление. Туннельные диоды могут также использоваться в качестве усилителей, где изменения в подаваемом напряжении в сторону повышения, вызывают пропорционально более значительные изменения тока в цепи.

Принцип работы диода Шоттки, что такое диод Шоттки

Автор admin На чтение 5 мин. Просмотров 156

Что такое диод Шоттки? Это полупроводниковый элемент, название которого соответствует фамилии знаменитого физика и изобретателя, работавшего в Германии. Специфика диода Шоттки заключается в минимальном снижении напряжения. Эта низкая динамика наблюдается при прямом введении компонента в цепь. На практике используется при обратном напряжении с небольшими значениями (в среднем 3-10В), при возможности применять в промышленности с гораздо большими величинами значение может достигать до 1200В.

  • Разновидности диодов Шоттки
  • Особенности и принцип работы диода Шоттки
  • Металл-полупроводник: принцип работы перехода
  • Преимущества и недостатки диода Шоттки
  • Маркировка и схема диода Шоттки
  • Работа в ИБП
  • Применение

Внешний вид

Разновидности диодов Шоттки

Все полупроводниковые элементы, работающие по принципу барьера Шоттки, делятся по мощности на:

  • высокой;
  • средней;
  • малой мощности.

Сдвоенный диод

На рисунке показан сдвоенный элемент, являющий собой по сути два элемента. Они расположены в едином корпусе, в одно целое соединены катодом или анодом. В этом случае чаще всего имеется три вывода диода. При идентичных параметрах собранных таким образом элементов обеспечивается надежность работы всего устройства, в первую очередь, за счет единой температуры.

Особенности и принцип работы диода Шоттки

Как работает диод Шоттки? В чем принципиальные отличия его работы от аналогов с другим барьерным переходом?

Устройство диода Шоттки имеет отличие от других элементов того же назначения использованием барьером в виде перехода между металлом и полупроводником. У аналогов обычно работает с этой же целью p-n переход. Так в первом случае имеется односторонняя электропроводность. В зависимости от того, какой конкретно металл выбран для перехода в элементе, различаются и характеристики элемента. Чаще всего выбирается кремний, возможно применение арсенида галлия. Реже могут применяться сплавы вольфрама, платины и других материалов.

Кремний — самый распространенный и надежный элемент в диодах Шоттки, с ним конструкция надежно работает в условиях высокой мощности. Изделие стабильнее в работе, чем другие полупроводниковые аналоги, а простота изготовления и устройства диода Шоттки делают его очень доступным вариантом.

Металл-полупроводник: принцип работы перехода

Структура элемента

Принцип работы диода Шоттки основан на особенностях барьера. Эффект Шоттки при контакте компонентов, из которых выполнен непосредственно полупроводник и металл заключается в образовании бедного электронами участка. Последний имеет вентильные характеристики, аналогичные p-n взаимодействию. Контактный слой останавливает носителей заряда. По сравнению с другими типами полупроводниковых вентилей такое решение обладает:

  • минимальным обратным током;
  • стремящейся к нулю собственной емкостью;
  • обратным напряжением самой низкой допустимой величины;
  • при прямом включении — меньшим снижением напряжения (до 0.5 В в сравнении с 2-3 В в случае аналога).

В переходной зоне нет лишних носителей заряда. Благодаря этому там не возникают диффузии и рекомбинации, что наблюдается в контактных слоях p-n перехода. Так обеспечивается минимальная собственная емкость диода Шоттки, что делает возможным с большей эффективностью использовать его в устройствах с высокими и сверхчастотами.

Преимущества и недостатки диода Шоттки

Несомненными преимуществами подобных полупроводниковых изделий являются:

  • надежное удерживание электротока;
  • минимальная емкость барьера обеспечивает длительную эксплуатацию;
  • быстродействие.

Высокие показатели обратного тока — основной недостаток устройств с диодом Шоттки. Из-за этого при скачке обратного тока диод может выйти из строя.

Важно! При внедрении подобных диодов в цепи с высокой мощностью электротока создается риск теплового пробоя.

Маркировка и схема диода Шоттки

На схеме преподносится почти как стандартный полупроводниковый диод, но имеются и отличия.

Обозначения диодов

В маркировке используется набор символов, они всегда обозначаются сбоку изделия. Используются международные стандарты, но в зависимости от производителя маркировка может отличаться.

Сочетание цифр и букв на корпусе не всегда понятно, но в радиотехнических справочниках всегда можно найти точную расшифровку.

Работа в ИБП

Подобные элементы очень широко используются в импульсных схемах, в приборах для стабилизации напряжения, а также в блоках питания. Преимущественно выбираются сдвоенные элементы, имеющие в одном корпусе общий катод.

Использование в ИБП сдвоенного диода Шоттки с общим катодом является признаком высокого качества и надежности блока питания.

При этом сгоревший элемент относится к частым и типовым неисправностям импульсного устройства. Нерабочее состояние возникает при:

  • утечке на корпус;
  • электроприборе.

Встроенная защита приводит к блокировке ИБП в обоих случаях. При утечке возможно присутствие незначительных нестабильных пульсаций напряжения на выходе, а также слабые «подергивания» вентилятора. В случае пробоя напряжения в блоке питания полностью исключены. Так можно определить вероятную причину нерабочего состояния диода Шоттки, но для окончательного решения понадобится диагностика.

Для диагностики следует выполнить шаги:

  • Выпаять элемент и схемы.
  • Осмотреть на предмет механических повреждений, присутствия следов разрушительных химических реакций.
  • Выполнить проверку мультиметром.
  • Проверка мультиметром

    Отличие процедуры от диагностики обычных диодов заключается в необходимости демонтажа сборки или элемента, иначе проверить его состояние будет очень сложно. Утечку диагностировать сложнее. При использовании типичного мультиметра может отображаться полная работоспособность элемента при работе прибора в режиме «диод». Потому лучше устанавливать режим «омметр» и заменить элемент при демонстрации сопротивления. Показатель 5 кОм не устанавливает точно неисправность диода, но лучше считать его подозрительным и выполнить замену. Доступная стоимость диодов Шоттки позволяет сделать это практически в любой момент без особых трат.

    Важно! Если для проверки работоспособности диода Шоттки используется типовой мультиметр, нужно учитывать указанный сбоку показатель электротока.

    Применение

    Отличительные особенности и принцип работы диода Шоттки обусловливают его широкое применение в быту и в промышленности. Кроме блоков питания компьютера, его часто можно встретить в схемах:

    • бытовых электроприборов;
    • стабилизаторов напряжения;
    • во всем спектре радио- и телеаппаратуры;
    • в другой электронике.

    Подобные элементы используются в современных батареях и транзисторах, работа которых обеспечивается сенечной энергией.

    Такое универсальное использование элемента связано с способностью полупроводникового диода с эффектом Шоттки во много раз усиливать работоспособность любого прибора и увеличивать его эффективность. Обратное сопротивление электротока восстанавливается, за счет чего он сохраняется в электрической сети. Потери динамики напряжения минимизируются. Также диод Шоттки вбирает несколько видов излучений.

    Диод с барьером Шоттки — неприхотливый и простой элемент, обеспечивающий бесперебойную работу множества современных приборов. Доступный, надежный, отличается широкой сферой применения благодаря особенностям в своей конструкции.

    Что такое диод? Знать теорию PN-перехода, конструкцию и работу различных типов диодов

    Что такое диод?

    В общем, все электронные устройства нуждаются в источнике питания постоянного тока, но невозможно генерировать мощность постоянного тока, поэтому нам нужна альтернатива для получения некоторой мощности постоянного тока, поэтому использование диодов входит в схему для преобразования мощности переменного тока в мощность постоянного тока . Диод — это крошечный электронный компонент, используемый почти во всех электронных схемах для обеспечения протекания тока только в одном направлении ( однонаправленное устройство ).Можно сказать, что использование полупроводниковых материалов для создания электронных компонентов началось с диодов. До изобретения диодов существовали вакуумные лампы, где применения обоих этих устройств схожи, но размер, занимаемый вакуумной трубкой, будет намного больше, чем размер диодов. Конструкция электронных ламп немного сложна, и их трудно обслуживать по сравнению с полупроводниковыми диодами. Несколько применений диодов — это выпрямление, усиление, электронный переключатель, преобразование электрической энергии в световую энергию и световую энергию в электрическую энергию.

    История диода:

    В 1940 году в Bell Labs Рассел Ол работал с кристаллом кремния, чтобы выяснить его свойства. Однажды случайно, когда кристалл кремния, в котором есть трещина, подвергся воздействию солнечного света, он обнаружил, что через кристалл течет ток, который позже был назван диодом , что было началом эры полупроводников.

    Конструкция диода:

    Твердые материалы обычно подразделяются на три типа, а именно проводников, изоляторов и полупроводников .Проводники имеют максимальное количество свободных электронов, изоляторы имеют минимальное количество свободных электронов (пренебрежимо мало, так что протекание тока вообще невозможно), тогда как полупроводников могут быть либо проводниками, либо изоляторами в зависимости от приложенного к ним потенциала. Обычно используются полупроводники: кремний и германий . Кремний предпочтительнее, потому что он широко доступен на Земле и дает лучший температурный диапазон.

    Полупроводники

    далее подразделяются на два типа: внутренние и внешние полупроводники .

    Внутренние полупроводники:

    Их также называют чистыми полупроводниками, в которых носители заряда (электроны и дырки) находятся в равном количестве при комнатной температуре. Таким образом, токопроводимость осуществляется как дырками, так и электронами в равной степени.

    Внешние полупроводники:

    Чтобы увеличить количество дырок или электронов в материале, мы выбираем внешние полупроводники, в которых к кремнию добавляются примеси (кроме кремния и германия или просто трехвалентных или пятивалентных материалов).Этот процесс добавления примесей к чистым полупроводникам называется легированием .

    Формирование полупроводников P- и N-типа:

    Полупроводник N-типа:

    Если пятивалентные элементы (число валентных электронов пять) добавляются к Si или Ge, тогда имеются свободные электроны. Поскольку электронов (отрицательно заряженных носителей) больше, они называются полупроводниками N-типа .В N-типе полупроводниковые электроны являются основными носителями заряда, а дырки — неосновными носителями заряда.

    Несколько пятивалентных элементов: Фосфор, мышьяк, сурьма и висмут . Поскольку они имеют избыточный валентный электрон и готовы к спариванию с внешней положительно заряженной частицей, эти элементы называются Донорами .

    Полупроводник P-типа

    Точно так же, если трехвалентные элементы, такие как бор, алюминий, индий и галлий, добавляются к Si или Ge, образуется дырка, потому что количество валентных электронов в ней равно трем.Поскольку дыра готова принять электрон и спариться, она называется Acceptors . Поскольку количество отверстий слишком велико во вновь сформированном материале, они называются полупроводниками P-типа . В полупроводниках P-типа дырки являются основными носителями заряда, а электроны — неосновными носителями заряда.

    Соединительный диод P-N:

    Теперь, если мы соединим два типа полупроводников P-типа и N-типа вместе , то образуется новое устройство, называемое P-N переходным диодом .Поскольку между материалами типа P и N образуется соединение, оно называется соединением P-N.

    Слово «диод» можно объяснить следующим образом: «Ди» означает «два», а «од» получается от электрода. Поскольку вновь сформированный компонент может иметь два вывода или электрода (один подключен к P-типу, а другой к N-типу), он называется диодом, или , диодом с P-N переходом, или полупроводниковым диодом .

    Клемма, подключенная к материалу P-типа, называется Анод , а клемма, подключенная к материалу N-типа, называется Катод .

    Символическое представление диода выглядит следующим образом.

    Стрелка указывает прохождение тока через него, когда диод находится в режиме прямого смещения, черточка или блок на конце стрелки указывает на блокировку тока с противоположного направления.

    Теория соединения P-N:

    Мы видели, как диод состоит из полупроводников P и N, но нам нужно знать, что происходит внутри него, чтобы сформировать уникальное свойство пропускания тока только в одном направлении и что происходит в точной точке контакта первоначально в месте его соединения. .

    Образование стыков :

    Первоначально, когда оба материала соединяются вместе (без приложения какого-либо внешнего напряжения), избыточные электроны в N-типе и избыточные дырки в P-типе притягиваются друг к другу и рекомбинируются, где образуются неподвижные ионы (донор ion и Acceptor ion) происходит, как показано на рисунке ниже. Эти неподвижные ионы сопротивляются потоку электронов или дырок через них, который теперь действует как барьер между двумя материалами (образование барьера означает, что неподвижные ионы диффундируют в области P и N).Образовавшийся барьер называется Область истощения . Ширина обедненной области в этом случае зависит от концентрации легирования в материалах.

    Если концентрация легирования одинакова в обоих материалах, то неподвижные ионы диффундируют в оба материала P и N одинаково.

    Что делать, если концентрации допинга отличаются друг от друга?

    Ну, если легирование отличается, то отличается и ширина обедненной области. Его диффузия больше в слаболегированную область и меньше в сильно легированную область .

    Теперь посмотрим, как ведет себя диод при подаче соответствующего напряжения.

    Диод в прямом смещении :

    Чтобы диод проводил первым, нам нужно сломать барьер, образовавшийся на пути. Чтобы сломать барьер в нормальном диоде, на клеммы должно быть подано внешнее напряжение минимум +0,7 В (для кремния) и +0,3 В (для германия).Эти напряжения называются Напряжение включения, или напряжение смещения, или напряжение точки излома, или напряжение зажигания, или пороговое напряжение. Пока эти напряжения не станут очень низкими, через диод будет течь ток (в идеале — ноль).

    Если положительный вывод батареи или источника напряжения приложен к аноду или P-области диода, а отрицательный вывод — к катоду или N-области диода, это называется с прямым смещением .

    Из-за прямого смещения основные носители заряда в обеих областях отталкиваются (потому что положительное напряжение прикладывается к области P, а отрицательное — к области N) и попадают в область истощения.Следовательно, неподвижные ионы возвращаются, потерянные носители становятся нейтральными и перемещаются в необеспеченную область, поэтому ширина барьера постепенно уменьшается, когда приложенное напряжение больше или равно напряжению включения, весь барьер разрушается, и электроны и дырки теперь могут свободно перемещаться. пересеките соединение, которое затем образует замкнутую цепь и позволяет течь току. Здесь мы объяснили диод с прямым смещением , используя приведенную ниже анимацию:

    Диод при прямом смещении действует как замкнутый переключатель и имеет прямое сопротивление в несколько Ом (около 20 Ом).

    Диод обратного смещения :

    Если отрицательная клемма источника напряжения приложена к аноду или области P диода, а положительная клемма к катоду или области N диода, это называется с обратным смещением .

    При приложении такого напряжения большинство носителей заряда в обеих областях притягиваются к источнику, так что создается большое количество неподвижных ионов, которые попадают в области P и N.Следовательно, ширина обедненной области также постепенно увеличивается, что теперь затрудняет переход электронов и дырок через переход, так что образуется разомкнутая цепь и течет ток. Но если мы продолжаем увеличивать напряжение, точечный барьер или область истощения не могут сдерживать внешнюю силу, и переход выходит из строя, что иногда может привести к постоянному повреждению нормального диода. Чтобы преодолеть это, мы можем сильно легировать области и сделать диод безопасным, это применение можно увидеть в стабилитронах .

    Обратное напряжение, при котором диод проводит, называется Напряжение пробоя .

    Поскольку диод при обратном смещении действует как размыкающий переключатель , его сопротивление составляет порядка МОм. Здесь мы объяснили диод с обратным смещением , используя приведенную ниже анимацию:

    Когда на диод подается обратное напряжение, в цепи протекает небольшой ток из-за неосновных носителей заряда, который обычно называется Обратный ток насыщения . Эти токи также называются токами утечки , потому что даже когда диод разомкнут, в цепи существует ток, поэтому это называется утечкой.

    Различные типы диодов:

    Существует ряд диодов с похожей конструкцией, но из разных материалов. Например, если мы рассмотрим светоизлучающий диод, он сделан из алюминия, галлия и арсенида, который при возбуждении выделяет энергию в виде света.Точно так же учитываются изменения в свойствах диода, таких как внутренняя емкость, пороговое напряжение и т. Д., И на их основе разрабатывается конкретный диод.

    Здесь мы объяснили различных типов диодов , их работу, символ и применение:

    • Стабилитрон
    • светодиод
    • ЛАЗЕРНЫЙ диод
    • Фотодиод
    • Варакторный диод
    • диод Шоттки
    • Туннельный диод
    • PIN диод и т. Д.

    Рассмотрим вкратце принцип работы и конструкцию этих устройств.

    Стабилитрон:

    Области P и N в этом диоде сильно легированы, так что область обеднения очень узкая. В отличие от обычного диода, его напряжение пробоя очень низкое. , когда обратное напряжение больше или равно напряжению пробоя, область обеднения исчезает, и постоянное напряжение проходит через диод, даже если обратное напряжение увеличивается. Поэтому диод используется для регулирования напряжения и поддержания постоянного выходного напряжения при правильном смещении.Вот один из примеров ограничения напряжения с помощью стабилитрона.

    Пробой стабилитрона Пробой стабилитрона . Это означает, что когда на стабилитрон подается обратное напряжение, в переходе создается сильное электрическое поле, которого достаточно для разрыва ковалентных связей внутри перехода и вызывает большой ток через него. Пробой стабилитрона возникает при очень низких напряжениях по сравнению с лавинным пробоем.

    Существует еще один тип пробоя, называемый лавинный пробой , обычно наблюдаемый в нормальном диоде, который требует большого количества обратного напряжения для разрыва перехода.Его принцип работы заключается в том, что когда диод смещен в обратном направлении, через диод проходят небольшие токи утечки, при дальнейшем увеличении обратного напряжения также увеличивается ток утечки, что достаточно быстро, чтобы разорвать несколько ковалентных связей в переходе, эти новые носители заряда дополнительно разрушаются. оставшиеся ковалентные связи вызывают огромные токи утечки, которые могут навсегда повредить диод.

    Светоизлучающий диод (LED):

    Его конструкция похожа на простой диод, но для получения разных цветов используются различные комбинации полупроводников. работает в режиме прямого смещения . Когда происходит рекомбинация электронных дырок, в результате высвобождается фотон, который излучает свет, при дальнейшем увеличении прямого напряжения будет выпущено больше фотонов, и интенсивность света также возрастет, но напряжение не должно превышать своего порогового значения, иначе светодиод будет поврежден.

    Для генерации разных цветов используются комбинации AlGaAs (арсенид алюминия-галлия) — красный и инфракрасный, GaP (фосфид галлия) — желтый и зеленый, InGaN (нитрид индия-галлия) — синие и ультрафиолетовые светодиоды и т. Д.Проверьте простую схему светодиода здесь.

    Для светодиода IR LED мы можем видеть его свет через камеру.

    ЛАЗЕРНЫЙ диод:

    LASER означает усиление света за счет вынужденного излучения излучения. P-N переход образован двумя слоями легированного арсенида галлия, где на один конец перехода нанесено покрытие с высокой отражающей способностью, а на другом конце — покрытие с частичным отражением. Когда диод смещен в прямом направлении, как и светодиод, он испускает фотоны, они поражают другие атомы, так что фотоны будут высвобождаться чрезмерно, когда фотон ударяет по отражающему покрытию и снова ударяет по переходу, высвобождается больше фотонов, этот процесс повторяется, и луч высокой интенсивности света испускается только в одном направлении.Для правильной работы лазерного диода требуется схема драйвера.

    Символическое представление ЛАЗЕРНОГО диода аналогично изображению светодиода.

    Фотодиод:

    В фотодиоде ток через него зависит от световой энергии, приложенной к P-N переходу. Он работает с обратным смещением. Как обсуждалось ранее, небольшой ток утечки протекает через диод при обратном смещении, который здесь называется темновым током . Так называется ток, возникающий из-за отсутствия света (тьмы). Этот диод сконструирован таким образом, что, когда свет попадает на переход, достаточно разорвать пары электронных дырок и генерировать электроны, что увеличивает обратный ток утечки. Здесь вы можете проверить работу фотодиода с ИК-светодиодом.

    Варакторный диод:

    Его еще называют варикапным диодом (переменный конденсатор). Он работает в режиме обратного смещения .Общее определение конденсаторного разделения проводящей пластины с изолятором или диэлектриком, когда нормальный диод смещен в обратном направлении, ширина обедненной области увеличивается, поскольку обедненная область представляет собой изолятор или диэлектрик, теперь он может действовать как конденсатор. При изменении обратного напряжения изменяется разделение областей P и N, что приводит к тому, что диод работает как переменный конденсатор .

    Поскольку емкость увеличивается с уменьшением расстояния между пластинами, большое обратное напряжение означает низкую емкость и наоборот.

    Диод Шоттки:

    Полупроводник

    N-типа соединен с металлом (золото, серебро) таким образом, что в диоде существуют электроны с высоким уровнем энергии, они называются горячими носителями , поэтому этот диод также называется диодом с горячими носителями . У него нет неосновных носителей, и отсутствует область истощения, скорее существует металлический полупроводниковый переход, когда этот диод смещен в прямом направлении, он действует как проводник, но заряд имеет высокие уровни энергии, которые полезны при быстром переключении , особенно в цифровых схемах они также используются в микроволновых приложениях.Проверить работу диода Шоттки можно здесь.

    Туннельный диод:

    P- и N-области в этом диоде сильно легированы, поэтому наличие обеднения очень мало . Он имеет область отрицательного сопротивления, которая может использоваться в качестве генератора и усилителя СВЧ. Когда этот диод сначала смещен в прямом направлении, поскольку область обеднения узкая, через нее туннелируют электроны, ток быстро увеличивается с небольшим изменением напряжения.При дальнейшем увеличении напряжения из-за избытка электронов на переходе ширина обедненной области начинает увеличиваться, вызывая блокировку прямого тока (где образуется область отрицательного сопротивления), когда прямое напряжение дополнительно увеличивается, оно действует как нормальный диод.

    PIN диод:

    В этом диоде области P и N разделены внутренним полупроводником. Когда диод смещен в обратном направлении, он действует как конденсатор с постоянной величиной.В состоянии прямого смещения он действует как переменное сопротивление, управляемое током. Он используется в микроволновых устройствах, которые должны управляться постоянным напряжением.

    Его символическое представление аналогично нормальному P-N диоду.

    Применение диодов:
    • Регулируемый источник питания : Практически невозможно генерировать постоянное напряжение, единственный доступный источник — это переменное напряжение.Поскольку диоды являются однонаправленными устройствами, их можно использовать для преобразования переменного напряжения в пульсирующий постоянный ток, а с помощью дополнительных секций фильтрации (с использованием конденсаторов и катушек индуктивности) можно получить приблизительное постоянное напряжение.

    • Цепи тюнера : В системах связи на стороне приемника, поскольку антенна принимает все радиочастоты, доступные в космосе, необходимо выбрать желаемую частоту. Итак, используются схемы тюнера, которые представляют собой не что иное, как схему с переменными конденсаторами и индукторами.В этом случае можно использовать варакторный диод.

    • Телевизоры, светофоры, табло : Для вывода изображения на телевизоры или на табло используются светодиоды. Поскольку светодиоды потребляют очень мало энергии, они широко используются в системах освещения, таких как светодиодные лампы.

    • Регуляторы напряжения : Поскольку стабилитрон имеет очень низкое напряжение пробоя, его можно использовать в качестве регулятора напряжения при обратном смещении.

    • Детекторы в системах связи : Хорошо известным детектором, в котором используется диод, является детектор огибающей, который используется для обнаружения пиков модулированного сигнала.

    Что такое диод? Определение, конструкция, работа, характеристики и типы диода

    Определение : Электронный компонент, сделанный из полупроводникового материала, который позволяет проводить ток только в одном направлении, называется диодом.Это двухконтактное устройство , обычно образованное путем сплавления полупроводниковых материалов p- и n-типа, каждый из которых имеет основные и неосновные носители.

    Давайте сначала посмотрим на основное содержание этой статьи.

    Содержание: диод

    1. Символ
    2. Строительство
    3. рабочая
    4. Уравнение тока диода
    5. Характеристическая кривая
    6. Типы
    7. Ключевые термины

    Символ диода

    На рисунке ниже показан символ диода с PN переходом:


    Конструкция диода

    После базового определения приступим к формированию.

    Диод в своей основной форме представляет собой устройство с PN-переходом, через которое протекает ток при приложении правильного прямого потенциала. Полупроводниковые материалы p- и n-типа должны быть тщательно скомбинированы, чтобы в них содержалось контролируемое количество донорных и акцепторных примесей. В своей основной форме берется одна пластина кремния или германия, которая легирована пятивалентными и трехвалентными примесями в двух своих половинах. Область P обозначает легирование трехвалентной примесью, а область n означает легирование пятивалентной примесью.Или просто, мы можем объединить отдельные материалы p- и n-типа, чтобы сформировать полупроводниковый прибор.

    На приведенном ниже рисунке показана структура диода с PN переходом:

    Здесь, как мы видим, полупроводниковый материал p-типа объединен с полупроводниковым материалом n-типа, который образует переход. Этот переход известен как PN-переход. На противоположных концах прикреплены два металлических контакта, которые вместе образуют диод с PN переходом. Материал p-типа содержит дырки в качестве основного носителя, а электроны — в качестве неосновного.Напротив, материал n-типа имеет электроны в качестве основного носителя и дырки в качестве неосновного носителя.

    Этот p-n-переход представляет собой не что иное, как слой неподвижных ионов , который называется обедненным слоем . Когда имеется соответствующий потенциал, в нем отмечается проводящее и непроводящее состояние.

    Работа диода

    Диод работает без смещения, с прямым смещением и с обратным смещением.

    Обсудим вышеупомянутое условие более подробно.Начнем с беспристрастного условия.

    • Несмещенное состояние диода :

    Когда на устройство не подается внешний потенциал или напряжение. Тогда это называется несмещенным состоянием диода.

    Приведенный ниже рисунок поможет вам лучше понять несмещенное состояние диода.

    Здесь материал p-типа сплавлен с материалом n-типа. Это слияние создает соединение. Когда на диод не подается напряжение, большинство носителей заряда i.То есть дырки со стороны p и электроны со стороны n объединяются друг с другом в переходе. Эти носители заряда при объединении генерируют неподвижные ионы, которые истощаются через переход. За счет этого на стыке образуется обедненная область.

    Здесь следует отметить, что поток носителей заряда через площадь поперечного сечения известен как диффузия. Следовательно, ток при отсутствии смещения известен как диффузионный ток .

    Разность потенциалов в области истощения порождает электрическое поле на ней.Из-за этого электрического поля дальнейшее движение основных носителей заряда не допускается. Поэтому ширина обедненной области фиксирована. Потенциал в области истощения действует как барьер для дальнейшего движения, следовательно, известный как барьер или встроенный потенциал. Однако неосновные носители по-прежнему дрейфуют через область истощения, и ток течет незначительно. Этот очень небольшой ток из-за неосновных носителей известен как дрейфовый ток .

    • Прямое смещение диода :

    В состоянии прямого смещения сторона p устройства соединена с положительной клеммой источника питания.А сторона n связана с отрицательным потенциалом аккумулятора. Таким образом, соединение будет смещено вперед.

    Ниже приведен рисунок, представляющий схему диодов с положительным смещением:

    Когда применяется прямое смещение. Отверстия на стороне p испытывают силу отталкивания от положительного вывода. Точно так же электроны отталкиваются от отрицательной клеммы источника питания. Однако первоначально основные носители с обеих сторон не перемещаются через переход из-за барьерного потенциала.

    Но, когда барьерный потенциал превышен, основной носитель заряда теперь показывает движение через переход. Это движение носителей заряда после преодоления барьерного потенциала генерирует ток. Этот ток известен как ток большинства. В тот момент, когда этот барьер удален, сопротивление, создаваемое переходом, автоматически становится равным 0. Таким образом, прямой ток теперь начинает течь через устройство.

    Примечательно, что барьерный потенциал кремния равен 0.7В, а для германия — 0,3В . Таким образом, после преодоления соответствующего потенциала в случае обоих материалов прямой ток начинает течь через устройство.

    • Состояние обратного смещения диода :

    Когда мы подключаем внешний потенциал к устройству таким образом, чтобы сторона p была подключена к отрицательной клемме источника питания. И сторона n соединена с положительной клеммой. Тогда говорят, что устройство имеет обратное смещение.

    На рисунке ниже показано расположение диода с PN переходом с обратным смещением:

    При приложении обратного потенциала отверстия со стороны p испытывают притяжение со стороны отрицательной клеммы.И электроны на стороне n испытывают притяжение от положительной клеммы источника питания. Из-за этого большинство носителей, присутствующих на обеих сторонах, движутся в направлении от стыка. Это увеличивает ширину обедненной области и, следовательно, потенциальный барьер увеличивается.

    Переводит устройство в непроводящее состояние. Однако из-за присутствия неосновных носителей как на стороне p, так и на стороне n протекает очень небольшой ток. Этот небольшой ток через устройство известен как обратный ток утечки.Этот обратный ток не зависит от барьерного потенциала и зависит только от температуры и конструкции устройства.

    Уравнение тока диода

    Ток диода определяется следующим соотношением:

    : I D = ток диода

    I S = ток обратного насыщения

    В D = напряжение на устройстве

    T K = температура в Кельвинах

    К = 11600 / ƞ

    ƞ = коэффициент идеальности колеблется от 1 до 2

    С,

    Так же можно написать,

    или

    Таким образом, при подстановке указанного выше значения в основное уравнение.Получаем,

    Это упрощенное уравнение тока диода.

    Характеристическая кривая диода

    На приведенном ниже рисунке показана характеристическая кривая диода с PN-переходом в прямом и обратном смещении:

    Область A представляет собой кривую для диода с прямым смещением. В то время как область B показывает кривую для диода с обратным смещением.

    Будем считать, что диод изготовлен из кремниевого материала. Следовательно, внешний потенциал, необходимый для преодоления барьерного потенциала, равен 0.7V в его корпусе. Таким образом, мы можем видеть в области прямого смещения, быстрое увеличение тока наблюдается после 0,7 вольт. Это называется напряжением колена, после которого барьерный потенциал полностью снимается, и устройство начинает проводить ток.

    Теперь перейдем к области B, которая представляет состояние устройства с обратным смещением. Как мы уже обсуждали, в случае обратного смещения ширина обедненной области очень велика, как и барьерный потенциал. Таким образом, кривая представляет собой обратный ток насыщения, который течет только из-за движения неосновных носителей заряда через устройство.Этот обратный ток составляет всего менее 1 микроампер для кремниевого устройства.

    Еще один примечательный момент заключается в том, что при номинальном обратном напряжении протекает небольшой обратный ток. Но при увеличении обратного напряжения возникает условие, вызывающее пробой перехода диода. Это вызывает немедленное увеличение обратного тока через него.

    Типы диодов

    В основном они характеризуются принципом действия, обеспечивая различные характеристики терминала и допускающие многократное использование.Ниже приведены различные типы диодов:

    Стабилитрон : это тип диода с PN переходом, который работает в условиях обратного смещения. Точнее можно сказать в области разбивки.

    Это в основном сильно легированный диод с PN переходом и находит свое применение в регулировании напряжения, защите счетчиков, а также в операциях переключения и ограничения.

    Туннельный диод : Туннельный диод, также известный как диод Эсаки, представляет собой плотно легированное устройство с высокой проводимостью.Концентрация примесей меняется в зависимости от нормального диода с PN переходом. Он основан на принципе туннелирования и показывает характеристики отрицательного сопротивления.

    Как показывает быстрый отклик, широко используется в качестве усилителя и генератора. Поскольку это слаботочное устройство, широко не используется.

    PIN-диод : это трехслойное устройство, в котором внутренняя область расположена между p и полупроводником n-типа. Поскольку внутренний слой обеспечивает высокое удельное сопротивление, он обеспечивает ключ для обработки небольших входных сигналов.

    Они широко используются в микроволновых и радиолокационных устройствах.

    Варакторный диод : он также известен как варикап-диоды, что представляет собой слово, состоящее из комбинации переменного конденсатора. Это диод с обратным смещением, режим работы которого зависит от переходной емкости. Они широко используются в высокочастотных приложениях.

    Фотодиод : Фотодиод — это устройство, которое генерирует ток, когда соответствующая область подвергается воздействию света. Он также работает в режиме обратного смещения.Они широко используются в приложениях обнаружения, демодуляции, коммутации и кодирования.

    LED : LED — это сокращенная форма светодиодов. Это устройство, излучающее некогерентный свет из-за приложенного электрического поля. Это диод с прямым смещением. Светодиоды широко используются в цифровых часах, мультиметрах, охранной сигнализации и т. Д.

    Лазерный диод : Лазер — это аббревиатура, обозначающая усиление света за счет вынужденного излучения. Они специально разработаны для создания когерентного излучения.Лазерные диоды широко используются в телекоммуникациях и медицине.

    Диод Шоттки : Это не диод с PN-переходом, поскольку он образован путем слияния металла с полупроводниковым материалом n-типа. Это исключает область истощения. Они широко используются в цифровых компьютерах.

    Ключевые термины, относящиеся к диоду

    Барьерный потенциал : Это напряжение, генерируемое на переходе в условиях смещения нуля из-за неподвижных ионов. Также известен как встроенный потенциал.

    Напряжение колена : Напряжение прямого смещения полупроводникового прибора, которое преодолевает барьерный потенциал. После этого напряжения через переход перемещается большое количество носителей заряда. В результате через устройство протекает большой ток. Его значение составляет 0,3 В, для германия и 0,7 В, для кремния.

    Напряжение пробоя : При обратном смещении в устройстве наблюдается очень небольшой ток из-за потока неосновных носителей. Однако, если обратное напряжение увеличивается сверх определенного предела.Затем это приводит к полному разрушению соединения. Это напряжение известно как напряжение пробоя.

    Пиковое обратное напряжение : Пиковое обратное напряжение (PIV) можно понять по самому названию. Пик означает наивысший или максимум, а обратный означает обратное. Таким образом, это максимальное напряжение в условиях обратного смещения, которое может выдержать устройство.

    Итак, мы можем заключить, что ток через полупроводниковый диод зависит от его схемы смещения или приложенного к нему входа.

    Что такое диод? Конструкция и работа PN-диода

    Конструкция диода, работа, типы, VI характеристики, преимущества и применение

    Что такое диод?

    «Di» = два и « Ode» = электроды , то есть устройство или компонент, имеющий два электрода, а именно анод «+» (P) и катод «-» (N).

    Диод — двухполюсный однонаправленный прибор силовой электроники. Полупроводниковый диод — первое изобретение в семействе устройств полупроводниковой электроники.После этого изобретается много типов диодов. Но сегодня наиболее часто используемым диодом является полупроводниковый диод.

    Обычно для изготовления диодов используется кремний. Но также используется другой полупроводниковый материал, такой как германий или арсенид германия.

    Диод пропускает ток только в одном направлении и блокирует ток в другом. Он предлагает низкое сопротивление (в идеале нулевое) в одном направлении и высокое сопротивление (в идеале бесконечное) в другом направлении.

    Символ диода

    Конструкция диода

    Существует два типа полупроводникового материала; Внутренний и внешний полупроводник. Собственный полупроводник — это чистый полупроводник, в котором дырка и электроны доступны в равном количестве при комнатной температуре. Во внешнем полупроводнике примеси добавляются для увеличения количества дырок или количества электронов. Эти примеси бывают трехвалентными (бор, индий, алюминий) или пятивалентными (фосфор, мышьяк, сурьма).

    Полупроводниковый диод состоит из двух слоев. Один слой сделан из полупроводникового слоя P-типа, а второй слой сделан из полупроводникового слоя N-типа.

    Если мы добавим трехвалентные примеси в кремний или германий, появится большее количество дырок, и это будет положительный заряд. Следовательно, этот слой известен как слой P-типа.

    Если мы добавим пятивалентные примеси в кремний или германий, появится большее количество электронов, и это будет отрицательным изменением. Следовательно, этот слой известен как слой N-типа.

    Диод образован путем соединения полупроводников N-типа и P-типа. Это устройство представляет собой комбинацию полупроводникового материала P-типа и N-типа, поэтому оно также известно как PN Junction Diode .

    Между слоями P-типа и N-типа образуется переход. Этот переход известен как PN-переход.

    Диод имеет два вывода; один вывод взят из слоя P-типа и известен как анод. Второй вывод взят из материала N-типа и известен как катод.

    На рисунке ниже показана основная конструкция диода.

    Работа диода

    В области N-типа электроны являются основными носителями заряда, а дырки — неосновными носителями заряда. В области P-типа дырки являются основными носителями заряда, а электроны — отрицательными носителями заряда. Из-за разницы концентраций основные носители заряда диффундируют и рекомбинируют с противоположным зарядом. Делает положительный или отрицательный ион.Эти ионы собираются на стыке. И этот регион известен как область истощения.

    Когда анодный вывод диода соединен с отрицательным выводом, а катод соединен с отрицательным выводом батареи, говорят, что диод подключен с обратным смещением.

    Аналогичным образом, когда анодный вывод соединен с положительным выводом, а катод соединен с отрицательным выводом батареи, диод называется подключенным с прямым смещением.

    Работа диода при обратном смещении

    Диод подключен с обратным смещением. В этом состоянии свободные электроны диффундируют в области P-типа и рекомбинируют с дырками. Это создаст отрицательные ионы. Точно так же дырки диффундируют в область N-типа и рекомбинируют с электронами. Это создаст положительные ионы.

    Схема подключения показана на рисунке ниже.

    Когда такое напряжение прикладывается к цепи, неподвижные ионы создают область обеднения, как показано на рисунке выше.Ширина области истощения велика. Следовательно, ни дырка, ни электрон больше не пересекают переход.

    Он не может создать поток электронов или дырок, даже если он находится под номинальным напряжением. Следовательно, через диод невозможно протекать ток, и он ведет себя как разомкнутый переключатель.

    Здесь через цепь протекает очень небольшой ток. Этот ток известен как обратный ток насыщения или обратный ток утечки. Этот ток протекает за счет неосновных носителей заряда.Этого тока недостаточно для проведения диода.

    Если мы увеличим напряжение до обратного напряжения пробоя, неосновные носители заряда получат высокую кинетическую энергию и столкнутся с атомами. В этом состоянии количество ковалентных связей разорвано и огромное количество пары электрон-дырка порождает огромное количество протекающего тока.

    Из-за большого тока может выйти из строя диод. Следовательно, в общем случае диод не подключен с обратным смещением.

    Работа диода в состоянии прямого смещения

    Когда анод соединен с положительной клеммой батареи, а катод соединен с отрицательной клеммой батареи, анод является положительным по отношению к катоду.И говорят, что диод подключен с прямым смещением.

    Теперь постепенно увеличиваем напряжение питания. Если мы увеличим небольшое напряжение, основной носитель заряда не получит достаточной энергии, чтобы пересечь область обеднения.

    В условиях прямого смещения ширина обедненной области очень мала. Если мы увеличим напряжение больше, чем напряжение прямого переключения, основной носитель заряда получит достаточно энергии, чтобы пересечь область истощения.

    Для кремния напряжение прямого переключения равно 0.7 В, а для германия напряжение прямого переключения составляет 0,3 В.

    Когда напряжение питания увеличивается больше, чем это напряжение, большинство носителей заряда протекает через цепь, и диод становится проводящим.

    В этом режиме работы происходит очень небольшое падение. Это падение называется падением напряжения в открытом состоянии. Схема подключения этого режима показана на рисунке ниже.

    VI-характеристики диода

    VI-характеристика диода показывает соотношение между током диода и напряжением.Это график между напряжением и током, где напряжение находится по оси X, а ток — по оси Y.

    Принципиальная схема для получения характеристики VI диода показана на рисунке ниже.

    Характеристика разделена на две части;

    Когда напряжение не подается, ток, протекающий по цепи, равен нулю. Точка «О» показывает это состояние, при котором напряжение и ток равны нулю.

    Прямое смещение

    Когда материал или анод P-типа соединяется с положительной клеммой батареи, а материал или катод N-типа соединяется с отрицательной клеммой батареи, тогда диод подключается в прямое смещение.

    Приложенное напряжение регулируется переменным резистором. Приложенное напряжение постепенно увеличивается. Ток не будет течь, пока напряжение не повысится. Потому что в этом состоянии напряжения недостаточно для перемещения носителя заряда из одного слоя в другой.

    Для кремния напряжение переключения составляет 0,7 В, а для германия — 0,3 В. Как только напряжение повышается выше этого уровня, напряжения достаточно для перемещения носителя заряда от одного носителя к другому.А из-за прохождения заряда через диод может протекать ток.

    Как показано в характеристиках, часть OP является нелинейной частью. Это показывает начальный период, когда напряжение ниже напряжения прямого переключения. Здесь ток очень маленький.

    Часть PQ показывает, когда напряжение больше, чем напряжение прямого переключения. И в этом состоянии ток увеличивается линейно.

    В этом состоянии диод работает как замыкающий переключатель, позволяя току течь.Для идеального диода сопротивление в открытом состоянии равно нулю, и он ведет себя как чистый проводник.

    Обратное смещение

    При обратном смещении материал N-типа или катод соединен с отрицательной клеммой батареи. Этот тип подключения известен как подключение с обратным смещением.

    В этом состоянии напряжение постепенно увеличивается с помощью переменного резистора. Но этого напряжения недостаточно, чтобы вызвать протекание тока.

    Поскольку соединение, созданное между слоями P-типа и N-типа, имеет обратное смещение, и в этом состоянии ширина обеднения велика.Следовательно, номинального напряжения недостаточно для движения носителя заряда.

    Значит, через диод ток не протекает. Кривая в этом режиме — OA. Как показано на графике, из-за неосновных носителей заряда будет протекать очень небольшой ток, этого тока недостаточно для включения диода.

    Когда приложенное напряжение больше, чем напряжение обратного пробоя, будет течь большой ток из-за лавинного пробоя. Эта часть обозначена на графике буквой AB.

    Типы диодов

    Существуют разные типы диодов, и мы очень подробно объяснили каждый тип диода в предыдущем посте. Вы можете обратиться к статье о 24 типах диодов.

    Преимущества диодов

    Вот некоторые преимущества диодов с PN переходом по сравнению с вакуумными диодами.

    • Маленький размер
    • Требуется меньше места
    • Малый вес
    • Самый надежный в эксплуатации
    • Низкое энергопотребление
    • Увеличенный срок службы и эффективность
    • Низкое внутреннее сопротивление
    • Простота установки и обслуживания
    • Простая конструкция strong
    • низкая стоимость и простота доступности

    Применение диодов

    Диоды используются в различных приложениях в силовой электронике.Диод представляет собой однонаправленное устройство с двумя выводами, которое позволяет пропускать ток только в одном направлении и блокирует ток в другом направлении. Благодаря этой характеристике диод используется в таких приложениях, как;

    • Выпрямитель
    • Схема умножителя напряжения
    • Ограничитель перенапряжения
    • Схема ограничителя и фиксатора
    • Схема защиты от обратного тока
    • Логические элементы цифровой логики
    • Используется в солнечных панелях для предотвращения протекания тока в обратном направлении и используется для обхода солнечной пластины.
    • Он также используется для модуляции и демодуляции сигналов связи.

    Есть много других типов диодов, которые сделаны для нескольких типов диодов, таких как;

    • Фотодиод используется для преобразования энергии фотонов в электрическую.
    • Светоизлучающий диод используется для освещения.
    • Стабилитрон используется как схема регулятора напряжения.
    • В ВЧ цепи используется туннельный диод.
    • Диод переменной емкости используется для настройки.

    Связанные сообщения:

    Принцип работы ПИН-диода — Inst Tools

    Пин-диод состоит из сильно легированных областей p и n, разделенных собственной областью (i), как показано на рисунке (a). При обратном смещении пин-диод действует как почти постоянная емкость. При прямом смещении он действует как регулируемое по току переменное сопротивление. Это показано на рисунках (b) и (c). Низкое прямое сопротивление внутренней области уменьшается с увеличением тока.

    PIN-диод работает точно так же, как и обычный диод. Единственная реальная разница заключается в том, что область обеднения, которая обычно существует между областями P и N в несмещенном или обратном смещенном диоде, больше.

    В любом PN-переходе P-область содержит дырки, поскольку она была легирована, чтобы гарантировать преобладание дырок. Точно так же N-область была легирована, чтобы содержать избыточные электроны. Область между областями P и N не содержит носителей заряда, поскольку любые дырки или электроны объединяются. Поскольку область обеднения не имеет носителей заряда, она действует как изолятор.

    Внутри PIN-диода существует область истощения, но если диод смещен в прямом направлении, носители входят в область истощения (включая внутреннюю область), и когда два типа несущих встречаются, начинает течь ток.

    Когда диод смещен в прямом направлении, концентрация носителей, то есть дырок и электронов, намного выше, чем концентрация носителей на собственном уровне. Благодаря такому высокому уровню инжекции электрическое поле распространяется глубоко (почти на всю длину) в область.Это электрическое поле помогает ускорить перенос носителей заряда из области p в область n, что приводит к более быстрой работе диода, что делает его подходящим устройством для высокочастотных операций.

    Характеристики PIN диода VI

    Характеристика прямого последовательного сопротивления и характеристика обратной емкости графически показаны на рисунке ниже для типичного pin-диода. Штыревой диод используется как управляемый постоянным током микроволновый переключатель, управляемый быстрыми изменениями смещения, или как устройство модуляции, которое использует переменную характеристику прямого сопротивления.

    Поскольку выпрямление на pn переходе не происходит, высокочастотный сигнал может модулироваться (изменяться) посредством изменения смещения более низкой частоты. Штыревой диод также можно использовать в аттенюаторах, поскольку его сопротивление можно регулировать величиной тока. Некоторые типы pin-диодов используются в качестве фотоприемников в волоконно-оптических системах.

    Преимущества PIN-диода

    PIN-диод используется во многих областях, так как его структура демонстрирует некоторые особенно полезные свойства.

    • Высоковольтный выпрямитель: PIN-диод может использоваться как высоковольтный выпрямитель. Собственная область обеспечивает большее разделение между областями PN и N, позволяя допускать более высокие обратные напряжения.
    • Радиочастотный переключатель: PIN-диод является идеальным радиочастотным переключателем. Внутренний слой между областями P и N увеличивает расстояние между ними. Это также уменьшает емкость между ними, тем самым повышая уровень изоляции при обратном смещении диода.
    • Фотодетектор: Поскольку преобразование света в ток происходит в области истощения фотодиода, увеличение области истощения путем добавления внутреннего слоя улучшает характеристики за счет увеличения объема, в котором происходит преобразование света.

    Это три основных области применения PIN-диодов, хотя они также могут использоваться в некоторых других областях.

    PIN-диод — идеальный компонент для переключения электроники во многих областях электроники.Это особенно полезно для приложений проектирования ВЧ и для обеспечения переключающего или ослабляющего элемента в ВЧ переключателях и ВЧ аттенюаторах. PIN-диод может обеспечить гораздо более высокий уровень надежности, чем высокочастотные реле, которые часто являются единственной альтернативой.

    Недостатки PIN-диода

    • Имеет время обратного восстановления, которое способствует потере мощности
    Принцип работы диода Шоттки

    — Inst Tools

    Что такое диод Шоттки?

    Диод Шоттки, также известный как диод с горячей несущей, представляет собой полупроводниковый диод, который имеет низкое прямое падение напряжения и очень быстрое переключение.Когда через диод протекает ток, на выводах диода наблюдается небольшое падение напряжения. Нормальный диод будет иметь падение напряжения от 0,6 до 1,7 вольт, в то время как падение напряжения на диоде Шоттки обычно составляет от 0,15 до 0,45 вольт. Это меньшее падение напряжения обеспечивает лучшую эффективность системы и более высокую скорость переключения. В диоде Шоттки между полупроводником и металлом образуется переход полупроводник-металл, создавая таким образом барьер Шоттки. Полупроводник N-типа действует как катод, а металлическая сторона действует как анод диода.Этот барьер Шоттки приводит как к низкому прямому падению напряжения, так и к очень быстрому переключению.

    Рис. Символ диода Шоттки

    Диоды Шоттки

    — это сильноточные диоды, используемые в основном в высокочастотных устройствах с быстрым переключением. Их также называют диодами с горячими носителями. Термин горячие носители происходит от более высокого уровня энергии электронов в n-области по сравнению с электронами в металлической области. Символ диода Шоттки показан на рисунке выше. Диод Шоттки формируется путем соединения легированной полупроводниковой области (обычно n-типа) с таким металлом, как золото, серебро или платина.Вместо pn-перехода существует переход металл-полупроводник, как показано на рисунке ниже. Прямое падение напряжения обычно составляет около 0,3 В, потому что здесь нет обедненной области, как в диоде с pn переходом.

    Диод Шоттки работает только с мажоритарными носителями. Нет неосновных носителей заряда и, следовательно, нет обратного тока утечки, как в других типах диодов. Металлическая область сильно занята электронами зоны проводимости, а полупроводниковая область n-типа слабо легирована.При прямом смещении электроны с более высокой энергией в n-области инжектируются в металлическую область, где они очень быстро отдают свою избыточную энергию. Поскольку нет неосновных носителей, как в обычном выпрямительном диоде, происходит очень быстрая реакция на изменение смещения. Schottky — это быстросменный диод, и большинство его приложений используют это свойство. Его можно использовать в высокочастотных приложениях и во многих цифровых схемах для уменьшения времени переключения.

    Эквивалентная схема диода Шоттки приведена ниже

    VI характеристики диода с барьером Шоттки

    Из VI характеристик очевидно, что VI характеристики диода с барьером Шоттки аналогичны нормальному диоду с PN переходом, за следующими исключениями:

    Прямое падение напряжения на диоде с барьером Шоттки низкое по сравнению с обычным диодом с PN переходом.Прямое падение напряжения диода с барьером Шоттки, сделанного из кремния, показывает прямое падение напряжения от 0,3 до 0,5 вольт.

    Прямое падение напряжения увеличивается с увеличением концентрации легирования полупроводника n-типа.

    VI характеристики диода с барьером Шоттки более крутые по сравнению с VI характеристиками нормального диода с PN переходом из-за высокой концентрации носителей тока.

    Преимущества

    Диоды Шоттки

    используются во многих приложениях, где другие типы диодов не работают.У них есть ряд преимуществ:

    • Низкое напряжение включения: Напряжение включения диода составляет от 0,2 до 0,3 В для кремниевого диода и от 0,6 до 0,7 В для стандартного кремниевого диода. Благодаря этому он имеет примерно такое же напряжение включения, что и германиевый диод.
    • Быстрое время восстановления: Быстрое время восстановления из-за небольшого количества накопленного заряда означает, что его можно использовать для приложений с высокоскоростным переключением.
    • Низкая емкость перехода: Ввиду очень маленькой активной площади, часто в результате использования точечного контакта на кремнии, уровни емкости очень малы.

    Преимущества диода Шоттки означают, что его характеристики во многих областях могут намного превосходить характеристики других диодов.

    Главный недостаток

    Основным недостатком диода Шоттки является то, что он имеет относительно высокий обратный ток.Из-за металлического полупроводникового перехода он более подвержен утечке тока при обратном подключении напряжения. Кроме того, диоды Шоттки, как правило, имеют низкое максимальное обратное напряжение. Как правило, они имеют максимальное значение 50 В или меньше. Помните, что обратное напряжение — это значение, при котором диод выйдет из строя и начнет проводить большой ток при обратном подключении напряжения (от катода к аноду). Это означает, что диоды Шоттки не могут выдерживать большое обратное напряжение без пробоя и проведения большого количества тока.И даже до достижения этого максимального обратного значения он все равно будет пропускать небольшое количество тока.

    В зависимости от области применения и использования схемы это может оказаться важным или нет.

    Приложения

    Диоды с барьером Шоттки широко используются в электронной промышленности, находя множество применений в качестве диодного выпрямителя. Его уникальные свойства позволяют использовать его в ряде приложений, где другие диоды не могут обеспечить такой же уровень производительности.В частности, он используется в таких областях, как:

    • ВЧ смеситель и детекторный диод : Диод Шоттки нашел свое применение в радиочастотных приложениях благодаря своей высокой скорости переключения и высокочастотной способности. В связи с этим диоды с барьером Шоттки используются во многих высокопроизводительных кольцевых смесителях диодов. В дополнение к этому, их низкое напряжение включения и высокая частота, а также низкая емкость делают их идеальными в качестве ВЧ-детекторов.
    • Выпрямитель мощности: Диоды с барьером Шоттки также используются в приложениях с высокой мощностью в качестве выпрямителей.Их высокая плотность тока и низкое прямое падение напряжения означают, что тратится меньше энергии, чем при использовании обычных диодов с PN переходом. Это повышение эффективности означает, что необходимо рассеивать меньше тепла, и в конструкцию можно включить радиаторы меньшего размера.
    • Силовые схемы ИЛИ: Диоды Шоттки могут использоваться в приложениях, где нагрузка приводится в действие двумя отдельными источниками питания. Одним из примеров может быть источник питания от сети и источник питания от батареи. В этих случаях необходимо, чтобы мощность от одного источника питания не поступала в другой.Этого можно добиться с помощью диодов. Однако важно, чтобы любое падение напряжения на диодах было минимальным для обеспечения максимальной эффективности. Как и во многих других областях применения, этот диод идеально подходит для этого ввиду низкого прямого падения напряжения. Диоды Шоттки имеют тенденцию иметь высокий обратный ток утечки. Это может привести к проблемам с любыми используемыми цепями датчиков. Пути утечки в цепи с высоким импедансом могут привести к ошибочным показаниям. Поэтому это должно быть учтено в схемотехнике.

    Работа PN-переходного диода со смещением, характеристики

    В этом руководстве мы узнаем о PN-переходных диодах и, в частности, о характеристиках и работе PN-диода. Это понимание заложит лучшую основу для дальнейшего изучения различных аспектов полупроводниковой электроники.

    Введение

    PN-переход является важным строительным блоком и одной из незаменимых структур, предлагаемых полупроводниковой технологией в электронике.Электронные компоненты, такие как биполярные переходные транзисторы, соединительные полевые транзисторы и полевые МОП-транзисторы, или диоды, такие как светодиоды (светодиоды), а также аналоговые или цифровые интегральные схемы (ИС), все поддерживаются полупроводниковой технологией.

    Возбуждающее свойство полупроводникового диода заключается в том, что он позволяет электронам проходить через него исключительно в одном направлении; в результате он действует как выпрямитель переменного тока. Незаменимая операция в полупроводниковых диодах является основой для понимания всех полупроводниковых диодов.

    Диод можно рассматривать как простой биполярный полупроводниковый прибор. Характеристики диода выглядят как график тока, который диод производит при приложении к нему напряжения. Идеальный диод можно отличить по кривой тока и напряжения.

    Он позволяет току течь только в прямом направлении и эффективно блокирует ток в обратном направлении. Важно признать, что полупроводник полностью представляет собой монокристаллический материал, состоящий из двух отдельных блоков полупроводников противоположного типа.

    Один блок легирован трехвалентными примесными атомами для создания P-области, которая действует как акцепторы с дырками в качестве основных носителей заряда, а соседний блок легирован пятивалентными примесными атомами для создания N-области, которая действует как доноры с электронами в качестве основных носителей заряда .

    Граница, разделяющая n- и p-области, называется метафизическим стыком. Концентрация легирования одинакова для всех блоков, и в переходе произойдет резкое изменение легирования.Когда два блока помещаются ближе друг к другу, электроны и дырки диффундируют в область более низкой концентрации из области более высокой концентрации.

    В процессе диффузии электроны из N-области диффундируют к P-области, тогда как дырки из P-области диффундируют к N-области. Как только дырки попадают в N-область, они рекомбинируют с донорными атомами. В то же время донорные атомы допускают дополнительные дырки и становятся положительно заряженными стационарными донорными атомами.

    Электроны, распространяющиеся из N-области в P-область, рекомбинируют с акцепторными атомами в P-области.В то же время акцепторные атомы пропускают дополнительные электроны и становятся отрицательно заряженными неподвижными акцепторными атомами.

    В результате в переходе на стороне N образуется большое количество положительно заряженных ионов, а на переходе на стороне P образуется большое количество отрицательно заряженных ионов.

    Суммарно положительно и отрицательно заряженные ионы в областях N и P индуцируют электрическое поле в пространстве рядом с метафизическим переходом. Слияние этих двух областей там, где электрическое поле мало и где плотность свободных носителей эквивалентна чистой плотности легирования, можно назвать областью пространственного заряда.

    Ее также можно назвать квазинейтральной областью. По сути, все электроны и дырки выметаются из области свободного пространственного заряда электрическим полем. Коническая область, в которой происходит истощение свободных мобильных носителей заряда, называется областью истощения.

    Предполагается, что область истощения вокруг металлургического соединения имеет четко очерченные края. Вместе с тем предполагается, что переход между областью обеднения и областью свободного пространственного заряда является резким.

    Область истощения содержит предварительно установленные положительные ионы на стороне N и предварительно установленные отрицательные ионы на стороне P. Ширина обедненного слоя обратно пропорциональна концентрации примесей, присутствующих в каждой области.

    Электрическое поле в области истощения создает противодействующую силу, которая препятствует диффузии электронов и дырок, что связано с воздействием заряженных ионов в области истощения. Эту противодействующую силу часто называют напряжением потенциального барьера.Типичное значение потенциального барьера для кремния составляет 0,72 В, а для германия — 0,3 В.

    Когда электрическое поле и барьерный потенциал уравновешены друг с другом, достигается состояние равновесия, в результате чего разность потенциалов Vo соединяет две стороны обедненного слоя. Чистая контактная разность потенциалов зависит от типа материала и выше для n-типа, чем для p-типа.

    В состоянии теплового равновесия барьерный потенциал обеспечивает низкую потенциальную энергию для электронов на N-стороне, чем на P-стороне.Энергетические зоны изгибаются в области свободного пространственного заряда, поскольку положение зоны проводимости и валентной зоны по отношению к уровням энергии Ферми изменяется между областями P и N.

    В этом состоянии равновесия ток не проходит, и ток, обусловленный диффузией, и ток дрейфа компенсируются как для электронов, так и для дырок. Встроенный барьерный потенциал поддерживает баланс между основными носителями заряда в области N и неосновными носителями заряда в области P, а также между основными носителями заряда в области P и неосновными носителями заряда в области N.

    Встроенный потенциальный барьер можно также оценить как различие между собственными уровнями энергии Ферми в P- и N-областях.

    PN-переходный диод — это диод, который может использоваться как выпрямитель, логический вентиль, стабилизатор напряжения, коммутационное устройство, конденсатор, зависимый от напряжения, и в оптоэлектронике как фотодиод, светодиод, лазерный диод, фотодетектор. , или солнечная батарея в электронике.

    Работа диода PN-перехода

    Если к клеммам PN-перехода приложен внешний потенциал, это изменит потенциал между P- и N-областями.Эта разность потенциалов может изменить поток основных носителей, так что PN-переход может использоваться как возможность для диффузии электронов и дырок.

    Если приложенное напряжение уменьшает ширину обедненного слоя, тогда предполагается, что диод находится в прямом смещении, а если приложенное напряжение увеличивает ширину обедненного слоя, тогда предполагается, что диод находится в обратном смещении. Если ширина обедненного слоя не изменяется, значит, он находится в состоянии нулевого смещения.

    • Прямое смещение: Внешнее напряжение уменьшает встроенный потенциальный барьер.
    • Обратное смещение: Внешнее напряжение увеличивает встроенный потенциальный барьер.
    • Нулевое смещение: Внешнее напряжение не подается.

    PN переходной диод при отсутствии внешнего напряжения

    В нулевом смещении или в состоянии теплового равновесия потенциал перехода обеспечивает более высокую потенциальную энергию для отверстий на стороне P, чем на стороне N. Если выводы переходного диода закорочены, несколько основных носителей заряда (дырок) на стороне P с достаточной энергией, чтобы преодолеть потенциальный барьер, проходят через область обеднения.

    Следовательно, с помощью отверстий в диоде начинает течь ток, и это называется прямым током. Аналогичным образом отверстия на стороне N перемещаются через область истощения в обратном направлении, и ток, генерируемый таким образом, называется обратным током.

    Потенциальный барьер препятствует миграции электронов и дырок через переход и позволяет неосновным носителям заряда дрейфовать через PN переход. В результате устанавливается состояние равновесия, когда основные носители заряда равны по концентрации по обе стороны от перехода и когда неосновные носители заряда движутся в противоположных направлениях.

    В цепи течет чистый нулевой ток, и говорят, что переход находится в динамическом равновесии. При повышении температуры полупроводников непрерывно генерируются неосновные носители заряда, и, таким образом, ток утечки начинает расти. Как правило, электрический ток не проводится, потому что к PN-переходу не подключен внешний источник.

    Прямо смещенный диод с Pn переходом

    Под действием внешнего напряжения разность потенциалов изменяется между областями P и N.Когда положительная клемма источника подключена к стороне P, а отрицательная клемма подключена к стороне N, тогда диод перехода считается подключенным в состоянии прямого смещения. Прямое смещение снижает потенциал на PN-переходе.

    Основные носители заряда в областях N и P притягиваются к PN-переходу, и ширина обедненного слоя уменьшается с диффузией основных носителей заряда. Внешнее смещение вызывает отклонение от состояния равновесия и несовпадение уровней Ферми в P- и N-областях, а также в обедненном слое.

    Итак, электрическое поле индуцируется в направлении, обратном направлению встроенного поля. Наличие двух разных уровней Ферми в обедненном слое представляет собой состояние квазиравновесия. Количество заряда Q, накопленного в диоде, пропорционально току I, протекающему в диоде.

    При увеличении прямого смещения, превышающем встроенный потенциал, при определенном значении область истощения становится намного тоньше, так что большое количество основных носителей заряда может пересекать PN-переход и проводить электрический ток.Ток, протекающий до встроенного потенциала, называется током НУЛЯ или током КОЛЕНА.

    Характеристики диода с прямым смещением

    С увеличением приложенного внешнего прямого смещения ширина обедненного слоя становится тонкой, и прямой ток в диоде с PN-переходом начинает резко увеличиваться после точки перегиба прямой кривой ВАХ.

    Во-первых, небольшая величина тока, называемая током обратного насыщения, существует из-за наличия контактного потенциала и соответствующего электрического поля.При этом электроны и дырки свободно пересекают переход и вызывают диффузионный ток, который течет в направлении, противоположном обратному току насыщения.

    Конечный результат применения прямого смещения — уменьшение высоты потенциального барьера на величину эВ. Ток основной несущей в диоде с PN-переходом увеличивается экспоненциально в эВ / кТл. В результате общий ток становится равным I = I с * exp (эВ / кТл), где I с является постоянным.

    Избыточные свободные дырки и электроны основных носителей заряда, которые входят в N- и P-области соответственно, действуют как неосновные носители и рекомбинируют с локальными основными носителями в N- и P-областях. Эта концентрация, следовательно, уменьшается с удалением от PN-перехода, и этот процесс называется инжекцией неосновных носителей заряда.

    Прямая характеристика диода с PN переходом нелинейна, то есть не является прямой линией. Этот тип прямой характеристики показывает, что сопротивление не является постоянным во время работы PN перехода.Наклон прямой характеристики диода с PN переходом быстро станет очень крутым.

    Это показывает, что сопротивление при прямом смещении переходного диода очень низкое. Величина прямого тока прямо пропорциональна внешнему источнику питания и обратно пропорциональна внутреннему сопротивлению переходного диода.

    Применение прямого смещения к диоду с PN переходом вызывает путь с низким импедансом для диода с переходом, что позволяет проводить большой ток, известный как бесконечный ток.Этот большой ток начинает течь выше точки изгиба в прямой характеристике с приложением небольшого количества внешнего потенциала.

    Разность потенциалов на стыке или в двух областях N и P поддерживается постоянной под действием слоя обеднения. Максимальное количество проводимого тока ограничивается нагрузочным резистором, потому что, когда диод проводит больше тока, чем обычные характеристики диода, избыточный ток приводит к рассеиванию тепла, а также к серьезному повреждению устройства.

    Обратносмещенный диод PN-перехода

    Когда положительный вывод источника подключен к стороне N, а отрицательный вывод подключен к стороне P, тогда переходный диод считается подключенным в состоянии обратного смещения. В этом типе соединения основные носители заряда притягиваются от обедненного слоя соответствующими клеммами батареи, подключенными к PN-переходу.

    Уровень Ферми на стороне N ниже, чем уровень Ферми на стороне P.Положительный вывод притягивает электроны от перехода на стороне N, а отрицательный вывод притягивает дырки от перехода на стороне P. В результате ширина потенциального барьера увеличивается, что препятствует потоку основных носителей на стороне N и стороне P.

    Ширина слоя свободного пространственного заряда увеличивается, в результате чего электрическое поле в PN-переходе увеличивается, и диод PN-перехода действует как резистор. Но время работы диода как резистора очень мало. На PN-переходе не будет рекомбинации основных носителей заряда; таким образом, нет проводимости электрического тока.

    Ток, протекающий в диоде с PN-переходом, представляет собой небольшой ток утечки из-за неосновных носителей, генерируемых в обедненном слое, или неосновных носителей, которые дрейфуют через PN-переход. Наконец, результатом является то, что увеличение ширины обедненного слоя представляет собой путь с высоким импедансом, который действует как изолятор.

    В состоянии обратного смещения ток через диод PN-перехода не протекает с увеличением величины приложенного внешнего напряжения. Однако в диоде с PN-переходом протекает ток утечки из-за неосновных носителей заряда, который можно измерить в микроамперах.

    По мере увеличения потенциала обратного смещения к диоду PN-перехода, в конечном итоге приводит к пробою обратного напряжения PN-перехода, и ток диода регулируется внешней схемой. Обратный пробой зависит от уровня легирования областей P и N.

    При дальнейшем увеличении обратного смещения диод с PN-переходом замыкается накоротко из-за перегрева в цепи, и максимальный ток цепи протекает в диоде с PN-переходом.

    Характеристики обратносмещенного диода

    VI Характеристики PN-диода

    В вольт-амперных характеристиках переходного диода из первого квадранта рисунка ток в прямом смещении невероятно низок, если вход напряжение, подаваемое на диод, ниже порогового напряжения (Vr).Пороговое напряжение дополнительно называется напряжением включения.

    Как только входное напряжение прямого смещения превышает напряжение включения (0,3 В для германиевого диода, 0,6–0,7 В для кремниевого диода), ток резко возрастает, в результате чего диод работает как короткозамкнутый.

    Характеристическая кривая обратного смещения диода показана в четвертом квадранте рисунка выше. Ток в обратном смещении низкий до пробоя, поэтому диод выглядит как разомкнутая цепь.Когда входное напряжение обратного смещения достигает напряжения пробоя, обратный ток резко возрастает.

    Идеальные и реальные характеристики диода PN

    Для идеальных характеристик полный ток в диоде PN-перехода постоянен на всем диоде перехода. Отдельные электронные и дырочные токи являются непрерывными функциями и постоянны во всем переходном диоде.

    Реальные характеристики диода с PN переходом зависят от приложенного внешнего потенциала к переходу, что изменяет свойства переходного диода.Переходный диод действует как короткое замыкание при прямом смещении и как разомкнутая цепь при обратном смещении.

    Сводка
    • Полупроводники обладают свойствами в середине проводников и изоляторов.
    • Обычно используемый материал для полупроводников — кремний.
    • Полупроводники содержат электроны и дырки в качестве носителей заряда.
    • Носители заряда в полупроводниках могут свободно перемещаться по устройству, поэтому их называют мобильными носителями заряда.
    • Дыры — это положительно заряженные частицы, а электроны — отрицательно заряженные частицы.
    • Носители заряда проводят электрический ток.
    • Полупроводники бывают двух типов, а именно внутренние и внешние полупроводники.
    • Собственные полупроводники — это самые чистые полупроводники, поскольку они не содержат примесей.
    • Внешние полупроводники содержат примеси, называемые легирующими добавками, которые изменяют электрические свойства полупроводников.
    • Внешние полупроводники подразделяются на два типа. Они бывают N-типа и P-типа.
    • Примеси N-типа называются донорами, потому что они содержат электроны в качестве основных носителей заряда.
    • Примеси P-типа называются акцепторами, потому что они содержат дырки в качестве основных носителей заряда.
    • PN-переход формируется в монокристалле путем соединения двух полупроводников N-типа и P-типа.
    • Диод с PN переходом представляет собой устройство с двумя выводами, характеристики диода зависят от полярности внешнего потенциала, приложенного к диоду с PN переходом.
    • Спай полупроводников N и P свободен от носителей заряда; поэтому область называется областью истощения.
    • Ширина обедненной области изменяется в зависимости от внешнего приложенного потенциала.
    • Когда к PN-переходу не приложен внешний потенциал, это состояние называется нулевым смещением. Потенциал перехода для кремниевых диодов составляет 0,6–0,7 В, а для германиевых диодов — 0,3 В.
    • Когда соединение смещено в прямом направлении, основные носители притягиваются к соединению и пополняются в соединении.В этом состоянии ширина обедненной области уменьшается, и с увеличением внешнего потенциала диод действует как короткое замыкание, позволяющее протекать через него максимальному току.
    • Когда переходной диод смещен в обратном направлении, основные носители заряда притягиваются соответствующими выводами в сторону от PN перехода, таким образом предотвращая диффузию электронов и дырок в переходе. Будет небольшой ток, называемый током утечки, из-за неосновных носителей заряда в переходе.Этот небольшой ток называется дрейфовым током. При дальнейшем увеличении потенциала обратного смещения диод действует как разомкнутая цепь, тем самым блокируя прохождение тока через него.

    ПРЕДЫДУЩИЙ — Учебное пособие по PN

    СЛЕДУЮЩЕЕ — ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИОДА

    PN Junction Diode Baising и его VI-характеристики

    PN-переходный диод формируется путем легирования кремния одной стороны детали P-типа легирующая добавка (боран), а другая сторона — легирующая добавка N-типа (фосфор).Ge можно использовать вместо кремния. Диод P-N перехода представляет собой устройство с двумя выводами. Это основная конструкция диода с P-N переходом. Это одно из простейших полупроводниковых устройств, поскольку оно позволяет току течь только в одном направлении. Диод не ведет себя линейно по отношению к приложенному напряжению и имеет экспоненциальную зависимость V-I.

    Что такое диод с P-N переходом?

    Диод P-N перехода — это кусок кремния с двумя выводами. Один из выводов легирован материалом P-типа, а другой — материалом N-типа.P-N переход является основным элементом полупроводниковых диодов. Полупроводниковый диод полностью облегчает поток электронов только в одном направлении, что является основной функцией полупроводникового диода. Его также можно использовать как выпрямитель.


    P-N Junction

    PN Junction Diode Theory

    Есть две рабочие области: P-тип и N-тип. В зависимости от приложенного напряжения существует три возможных состояния «смещения» для диода с PN-переходом, а именно:

    Zero Bias — На диод с PN-переходом не подается внешнее напряжение.
    Прямое смещение — Потенциал напряжения подключен положительно к клемме P-типа и отрицательно к клемме N-типа диода.
    Обратное смещение — Потенциал напряжения подключен отрицательно к клемме P-типа и положительно к клемме N-типа диода.

    Состояние смещения нуля

    В этом случае на диод P-N перехода не подается внешнее напряжение; и поэтому электроны диффундируют к P-стороне, и одновременно дырки диффундируют к N-стороне через переход, а затем объединяются друг с другом.Благодаря этому эти носители заряда создают электрическое поле. Электрическое поле препятствует дальнейшей диффузии носителей заряда, поэтому в средней области нет движения. Эта область известна как ширина истощения или объемный заряд.

    Несмещенное состояние

    Прямое смещение

    В состоянии прямого смещения отрицательная клемма батареи подключена к материалу N-типа, а положительная клемма батареи подключена к материалу P-типа. Это соединение также называется подачей положительного напряжения.Электроны из N-области пересекают переход и попадают в P-область. Из-за силы притяжения, которая генерируется в P-области, электроны притягиваются и движутся к положительному выводу. Одновременно отверстия притягиваются к отрицательной клемме аккумулятора. По движению электронов и дырок течет ток. В этом состоянии ширина обедненной области уменьшается из-за уменьшения количества положительных и отрицательных ионов.


    Состояние прямого смещения
    Характеристики V-I

    При подаче положительного напряжения электроны получают достаточно энергии, чтобы преодолеть потенциальный барьер (обедненный слой) и пересечь переход. То же самое происходит и с дырками.Количество энергии, необходимое электронам и дыркам для пересечения перехода, равно потенциалу барьера 0,3 В для Ge, 0,7 В для Si, 1,2 В для GaAs. Это также известно как падение напряжения. Падение напряжения на диоде происходит из-за внутреннего сопротивления. Это можно увидеть на графике ниже.

    Характеристики V-I прямого смещения

    Обратное смещение

    В состоянии прямого смещения отрицательная клемма батареи соединена с материалом N-типа, а положительная клемма батареи соединена с материалом P-типа.Это соединение также известно как подающее положительное напряжение. Следовательно, электрическое поле, обусловленное как напряжением, так и обедненным слоем, имеет одно направление. Это делает электрическое поле сильнее, чем раньше. Из-за этого сильного электрического поля электроны и дырки хотят, чтобы больше энергии пересекало переход, чтобы они не могли диффундировать в противоположную область. Следовательно, ток отсутствует из-за отсутствия движения электронов и дырок.

    Слой обеднения в состоянии обратного смещения

    Электроны из полупроводника N-типа притягиваются к положительному выводу, а дырки из полупроводника P-типа притягиваются к отрицательному выводу.Это приводит к уменьшению количества электронов в N-типе и дырок в P-типе. Кроме того, положительные ионы создаются в области N-типа, а отрицательные ионы создаются в области P-типа.

    Принципиальная схема обратного смещения

    Следовательно, ширина обедненного слоя увеличивается из-за увеличения количества положительных и отрицательных ионов.

    Характеристики V-I

    За счет тепловой энергии в кристалле образуются неосновные носители. Меньшие носители означают дырку в материале N-типа и электроны в материале P-типа.Эти неосновные носители представляют собой электроны и дырки, толкаемые к P-N переходу отрицательным и положительным полюсами соответственно. Из-за движения неосновных носителей протекает очень небольшой ток, который находится в диапазоне наноампер (для кремния). Этот ток называется током обратного насыщения. Насыщение означает, что после достижения максимального значения достигается устойчивое состояние, в котором значение тока остается неизменным при увеличении напряжения.

    Величина обратного тока для кремниевых устройств порядка наноампер.Когда обратное напряжение увеличивается сверх установленного предела, то обратный ток резко увеличивается. Это конкретное напряжение, которое вызывает резкое изменение обратного тока, называется напряжением обратного пробоя. Пробой диодов происходит по двум механизмам: лавинный пробой и пробой стабилитрона.

    I = IS [exp (qV / kT) -1]
    K — Постоянная Больцмана
    T — Температура перехода (K)
    (kT / q) Комнатная температура = 0,026 В

    Обычно IS — это очень небольшой ток примерно в 10-17 …… 10-13A

    Следовательно, это можно записать как

    I = IS [exp (V / 0.026) -1]

    График характеристик V-I для обратного смещения
    Применение диода с PN-переходом

    Диод с P-N-переходом имеет множество применений.

    • P-N-переходной диод в конфигурации с обратным смещением чувствителен к свету в диапазоне от 400 до 1000 нм, который включает ВИДИМОЙ свет. Поэтому его можно использовать как фотодиод.
    • Может также использоваться как солнечный элемент.
    • Состояние прямого смещения P-N перехода используется во всех применениях светодиодного освещения.
    • Напряжение на смещенном P-N переходе используется для создания датчиков температуры и опорных напряжений.
    • Используется в выпрямителях многих схем, варакторах для генераторов, управляемых напряжением.
    Характеристики V-I диода с P-N переходом
    Характеристики V-I диода с P-N переходом

    График будет изменен для различных полупроводниковых материалов, используемых в конструкции диода с P-N переходом. На диаграмме ниже показаны изменения.

    Сравнение с арсенидом кремния, германия и галлия

    Это все о теории, принципе работы и применении диода с P-N переходом.Мы считаем, что информация, представленная в этой статье, поможет вам лучше понять эту концепцию. Кроме того, по любым вопросам относительно этой статьи или любой помощи в реализации проектов в области электротехники и электроники вы можете обратиться к нам, оставив комментарий в разделе комментариев ниже.

    Разное

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *