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

(для регионов бесплатно)

Содержание

ПРИНЦИП РАБОТЫ ДИОДА

   Все мы прекрасно знаем что такое полупроводниковый диод, но мало кто из нас знает о принципе работы диода, сегодня специально для новичков я поясню принцип его работы. Диод как известно одной стороной хорошо пропускает ток, а в обратном направлении — очень плохо. У диода есть два вывода — анод и катод. Ни один электронный прибор не обходится без применения диодов. Диод используют для выпрямлении переменного тока, при помощи диодного моста который состоит из четырех диодов, можно превратить переменной ток в постоянный, или с использованием шести диодов превратить трехфазовое напряжение в однофазовое, диоды применяются в разнообразных блоках питания, в аудио — видео устройствах, практически повсюду. Тут можно посмотреть фотографии некоторых видов диодов. 

   На выходе диода можно заметить спад начального уровня напряжения на 0,5-0,7 вольт. Для более низковольтных устройств по питанию используют диод шоттки, на таком диоде наблюдается наименьший спад напряжения — около 0,1В. В основном диоды шоттки используют в радио передающих и приемных устройствах и в других устройствах работающих в основном на высокой частоте. Принцип работы диода с первого взгляда достаточно простой: диод — полупроводниковый прибор с односторонней проводимостью электрического тока. 

   Вывод диода подключенный к положительному полюсу источника питания называют анодом, к отрицательному — катодом. Кристалл диода в основном делают из германия или кремния одна область которого обладает электропроводимостью п — типа, то есть дырочная, которая содержит искуственно созданный недостаток электронов, друггая — проводимости н — типа, то есть содержит избыток электронов, границу между ними называют п — н переходом, п — в латыни первая буква слова позитив, н — первая буква в слове негатив. Если к аноду диода подать положительное напряжение, а к катоду отрицательное — то диод будет пропускать ток, это называют прямым включением, в таком положении диод открыт, если подать обратное — диод ток пропускать не будет, в таком положении диод закрыт, это называют обратным подключением. 

   Обратное сопротивление диода очень большое и в схемах его принимают ка диэлектрик (изолятор). Продемонстрировать работу полупроводникового диода можно собрать простую схему которая состоит из источника питания, нагрузки (например лампа накаливания или маломощный электрический двигатель) и самого полупроводного диода. Последовательно подключаем все компоненты схемы, на анод диода подаем плюс от источника питания, последовательно диоду, то есть к катоду диода подключаем один конец лампочки, другой конец той же лампы подключаем к минусу источника питания. Мы наблюдаем за свечением лампы, теперь перевернем диод, лампа уже не будет светится поскольку диод подключен обратно, переход закрыт. Надеюсь каким то образом это вам поможет в дальнейшем, новички — А. Касьян (АКА).

   Форум для начинающих

   Форум по обсуждению материала ПРИНЦИП РАБОТЫ ДИОДА

Диоды — назначение и принцип работы

Назначение диодов

Диоды – это кремниевые лавинные диффузионные элементы. Предназначены для того, чтобы выполнять работы в цепи со статическим преобразователем электроэнергии с постоянными и переменными токами, с частотой 2 Кгц. У диода имеется 8 классов. В диоде применяется тип охлаждения – воздушный естественный, или принудительный.  На корпус наносится обозначение: полярность вывода и топономиналы. Масса диода – не больше 0,5 кг.

Условное обозначение диодов

1 значение – буква ли цифра, обозначающая материала, из которого изготовлен диод.

2 значение – буква, указывающая класс для устройства.

3 значение – число, указывающее предназначение и качественные характеристики устройства.

Применение диодов

Диоды используются в радиоэлектронике, приборостроении, для коммутации сигналов на высоких частотах. Возможно применение в гальванических приборах, в сфере промышленности, для выпрямителей.

Принцип работы диодов

Диоды имеют переход, анодный и катодный вывод. Электрический ток действует на катод, подогреватель накаливается, электроны выходят из электрода. Между 2 электродами возникает поле.  Положительный анод притягивает электроны, а возникшее при этом поле запускает катализацию всего процесса, появляется эмиссионный ток.

Появляется пространственный отрицательный заряд между электродом 1 и электродом 2. По причине этого заряда движение электронов замедляется по причине слабого потенциала анода.  Электроны направляются к катоду. Если есть отрицательный заряд на аноде, то будут нулевые показатели.

Диоды могут выдержать высокое обратное напряжение, достигают сильной ионизации, необходимой для защитных приборов, источников питания.

Роль анода играет штыревая конструкция с медными основаниями. Используя лавинные диоды для выпрямителей, можно улучшить качество электросхемы, понизить диодные мощности.

Технические характеристики диодов

Диоды имеют разные степени проводимости, это зависит от направления на электрическом поле. Диоды электронные, например, подключенные на положительный полюс источника токов с условием, что диоды открыты, с небольшим сопротивлением, то в таком случае говорят об аноде, если же подключить на отрицательный полюс, то можно получить катод.

Технические параметры диодов:

  • — Обозначение среднего прямого тока – 200 ампер,

  • — Обозначение импульсного обратного напряжения – 1000 В,

  • — Охлаждение по типу принудительного, или естественного воздушного,

  • — Отвечают техническим характеристикам ТУ 16-529.765-73.

  • — Используется охладитель вида О171-80.

  • — Показатели для размерной комплектации:

  • — Общая длина – 277 мм,

  • — Обозначение длины для шпилек — 15 мм,

  • — Тип используемой резьбы — М20.

Нужно не забывать также о таких важных показателях, как: прямой максимальный ток, импульсное прямое напряжение, постоянное прямое напряжение, максимальная рабочая частота, частота рабочая для диодов, постоянный обратный ток. А также – максимальное постоянное обратное напряжение, время, нужное для обратного восстановления, импульсное прямое напряжение, средний допустимый максимальный прямой ток.

Не стоит забывать и о таких важных значениях, как: обратное импульсное повторяющееся допустимое максимальное напряжение, ударный допустимый максимальный ток, максимальная температура для перехода.

Это значение для каждого типа модели разные, обратитесь к специалисту для того, чтоб определиться с наилучшим для себя вариантом. Мы предоставим вам качественные и детальные консультации, которые помогут вам сделать верный выбор диода. Посетив наш сайт Энерджи Груп, вы сможете узнать более подробную информацию.

Что такое диод: назначение, устройство, принцип работы

В электротехнике используется много радиодеталей, и все они имеют свои особенности, но семейство диодов имеет свои удивительные свойства.

Манипулируя соотношениями примесей или конструктивными особенностями, получают новые возможности этого прибора, используемые совершенно для других целей. Зная, что такое диод, его устройство и принцип работы диода можно научиться использовать его для самых неожиданных решений.

Приглашаем познакомиться с этим многоцелевым и разнообразным радиоэлементом. А начнем с назначения диода.

Назначение диода

Область применения диодов все больше и больше расширяется. Это достигается благодаря тому, что работа над их преобразованием не утихает, а только увеличивается. Рассмотрим, где их можно встретить:

  • выпрямление;
  • детектирование;
  • защита;
  • стабилизация;
  • переключение;
  • излучение.

На заре своего образования диоды назывались выпрямителями. Они способны пропускать ток в одном направлении и задерживать его в противоположном. Благодаря чему переменный ток становился однонаправленным, пульсирующим. То есть напряжение носило волновой характер.

Причем выпрямление могло быть как на одном диоде, тогда на выходе была только положительная полуволна, так и на четырех, в этом случае на выходе оставались и положительная, и отрицательная полуволны.

Другой способ применения – детектирование. Радио и телевизионные сигналы передаются на несущих частотах. В передающих устройствах с помощью модулятора происходит наложение полезного сигнала на несущую частоту.

Чтобы извлечь полезную информацию, чаще всего применяют диод с конденсатором. В этом случае диод работает как однопериодный выпрямитель, а конденсатор фильтрует ненужные частоты.

Диод используется для защиты, например, в коммутируемой цепи с индукционной нагрузкой. Если катушку, по которой проходит ток отключить, то электроны под действием электромагнитного поля продолжат двигаться, создавая для ключа опасное высокое напряжение.

В качестве ключа может быть использован транзистор, который может выйти из строя. Чтобы снять накопленный заряд, параллельно катушке подключают диод, но включают его в обратном направлении относительно движения тока. При отключении выключателя диод возвращает ток на начало катушки, тем самым защищая ключ.

Несколько измененные диоды способны работать в обратном направлении, пропуская через себя ток, когда напряжение превышает допустимое значение. Такие приборы называются стабилитронами, и о них будет сказано ниже.

Для переключения частот часто требуются переменные конденсаторы. Варикап, еще одна разновидность диода, способен менять свою емкость под действием меняющегося обратного напряжения.

Наконец, светодиоды и фотодиоды. Светодиоды способны излучать потоки лучистой энергии, фотодиоды, напротив, преобразуют солнечный свет в электрический ток. Фотодиоды по своему назначению также разнообразны и имеют различное применение.

Из чего состоит диод

Лучше всего понять, что такое диод поможет его строение. Выделим три основные группы:

  • вакуумные;
  • газонаполненные;
  • полупроводниковые.

Как у любого другого радиоэлемента у диода есть выводы. Если перевести слово диод с древнегреческого, то получится два электрода. Они носят название:

В обычном состоянии на анод подается положительное напряжение, на катод отрицательное. В этом случае диод открыт и через него протекает ток.

На оба вывода могут подаваться положительные потенциалы, но на аноде этот потенциал должен превышать катодный.

В вакуумных диодах применяются стеклянные или металлические баллоны, из которых выкачан воздух. Катод может быть:

  • прямого накала;
  • косвенного накала.

Катод прямого накала представляет собой спиральную нить, по которой проходит ток, разогревая его. При этом высвобождаются электроны, которые устремляются к аноду, если он имеет положительный потенциал относительно катода.

Если на аноде напряжение ниже катодного, то электроны возвращаются назад. Таким образом, происходит выпрямление переменного тока. В лампах с косвенным подогревом катод представляет собой короб или цилиндр, внутри него находится нить накала, разогревающая его.

В отличие от вакуумных диодов в газонаполненных имеется ионизированный газ. Он становится проводником между анодом и катодом

. Для включения диода используют сетки или поджигающий электрод.

Вакуумные и газонаполненные диоды способны пропускать большой ток и работать с повышенным напряжением. Однако они потребляют много энергии для своей работы, поэтому на смену им пришли полупроводники.

По проводимости электрического тока различают:

  • проводники;
  • полупроводники;
  • диэлектрики.

Полупроводники занимают промежуточное значение между проводниками и диэлектриками. В обычном состоянии они не проводят ток, но при определенных условиях у них появляется проводимость. Достигается это, например, добавлением примесей. Различают два вида проводимости:

  • с помощью электронов, n-тип;
  • с помощью дырок, p-тип.
Материал, основным носителем которого служат положительно заряженные атомы. Для этого добавляют акцепторные примеси, при этом получается материал с недостающим количеством электронов. Для n-типа добавляют донорные примеси, материал обладает избытком электронов.

Соединяя эти два типа получают прибор, способный пропускать ток только в одном направлении.

Как определить анод и катод диода

Диоды бывают разного размера, и маркировка может несколько отличаться. Например, на диодах советского образца на корпусе, который был достаточно большим, непосредственно наносился знак диода, указывающий направление движения.

Корпус, расположенный возле катода, может иметь большое расширение в виде кольца. На некоторых видах устанавливают знаки + и – или делают отметку в виде нарисованного кольца либо точки.

В случае сомнения можно проверить диод с помощью мультиметра, поставив прибор в режим измерения сопротивления или проверки диода, если есть такой режим.

Если сопротивление маленькое, значит, щуп с положительным напряжением подключен к аноду, а минусовой к катоду. Большое сопротивление говорит, что щупы подключены в обратном порядке.

Принцип работы диода

Осталось посмотреть, как работает диод. Когда происходит соединение двух полупроводников разной проводимостью, между ними появляется пограничная полоса с нейтральным зарядом, поскольку часть электронов занимает часть дырок.

При прямом включении положительное напряжение подается на дырочную область, а отрицательное на электронную. В этом случае электроны под действием напряжения перескакивают нейтральную зону и, проходя через дырочную область, устремляются к положительному полюсу источника питания.

Если поменять напряжение, электроны уходят к положительному полюсу, увеличивая нейтральную зону. В этом случае диод закрывается.

Диод в цепи постоянного тока

В схеме с постоянным током диод работает как ключ: открывается, когда прямое напряжение превышает пороговое значение и закрывается, когда это напряжение становится меньше.

Выше было рассмотрена работа диода с катушкой индуктивности. Когда по катушке идет ток, то параллельно подключенный диод находится в закрытом состоянии, так как на аноде и катоде напряжение почти равно.

Когда цепь размыкается, по катушке продолжает идти ток и накапливается. Напряжение на аноде повышается, диод открывается и пропускает лишний заряд через себя. После падения напряжения он закрывается.

Обозначение диода на схемах

Для пояснения работы радиоэлектронного устройства используют электрические принципиальные схемы. Найти диод на схеме не составит труда, потому что обозначение диода осуществляется с помощью треугольника с вертикальным отрезком на его вершине.

Рядом ставится порядковый номер и буквы VD.

Диод в цепи переменного тока

Если диод работает как выпрямитель переменного тока, тогда во время повышения напряжения положительной полуволны диод открывается, а когда напряжение падает ниже порогового значения, он закрывается. Во время отрицательной полуволны включается в работу параллельно подключенный диод, но обращенный в обратном направлении.

Два других подключены таким же образом к нулевому проводу. При каждой полуволне участвуют в работе два диода, один связан с фазным проводом, другой с нулевым. Снимаемое с них положительное и отрицательное напряжение подается в постоянную цепь.

Характеристики диода

Полупроводники очень чувствительны к перегреву, поэтому режим их работы строго оговаривается. Учитываются следующие параметры:
рабочее, максимальное и импульсное обратное напряжение;

  1. прямое напряжение;
  2. обратный ток;
  3. прямой постоянный, импульсный и ток перегрузки;
  4. рабочая и максимальная частота;
  5. максимальная температура корпуса и перехода.

Допускается максимальное значение только по одному из указанных параметров. После импульса должно пройти оговоренное время, чтобы прибор успел остыть.

Виды диодов

Кроме описанных диодов, используются диоды, у которых характеристики изменены за счет примесей и конструкторских доработок. Остановимся на двух из них: стабилитроне и светодиоде.

Стабилитроны

Работа стабилитрона отличается от работы диода. Подключается он в обратном направлении, то есть на анод подают отрицательное напряжение, а на катод положительное. При таком подключении он работает в пробивном режиме.

Стабилитроны рассчитаны на определенное рабочее обратное напряжение, при достижении которого происходит обратимый пробой. Используются для поддержания определенного напряжения на контролируемом участке цепи. Чтобы ток не превышал рабочее значение, в цепь стабилитрона ставят ограничивающий резистор.

Светодиоды

У полупроводниковых приборов p-n-переход из-за внутреннего сопротивления постоянно греется. Это происходит главным образом во время захвата дырками электронов. Высвобождается энергия, нагревающая переход.

В 60-х годах прошлого столетия был создан светодиод, в котором часть высвобождаемой энергии была лучистой с красным и желто-зеленым свечением. Правда, процентное соотношение было маленьким, всего 0,1% от всей высвобождаемой энергии. Но это было только началом.

В 70-х годах упорные разработки привели к хорошим показателям. Сначала это был 15% выход, затем дошло до 55%. Такой показатель уже превышал к. п. д. ламп накаливания. Испускаемый свет имеет очень узкий спектр, что позволяет получать очень качественное цветное свечение.

Оно намного превосходит свет ламп накаливания, пропущенных через светофильтр. Мощность светового потока также была поднята, это дало возможность использовать светодиоды в качестве освещения.

Тиристоры

Тиристоры – это общее название для мощных диодов, работающих в режиме ключа. Подразделяются на три вида:

  1. тринистор;
  2. динистор;
  3. симистор.

Тринистор имеет три вывода: анод, катод и управляющий электрод. При подаче небольшого управляющего напряжения на управляющий электрод тринистор открывается. Динистор открывается при достижении заданного напряжения на его двух выводах. Симистор – это два динистора, включенных навстречу друг другу. То есть он работает, в отличие от динистора, в двух направлениях.

Исследуя, что такое диод, можно открыть для себя еще много удивительных знаний. Здесь были рассмотрены лишь поверхностные познания, но они уже могут дать понять, что такие элементы радиотехники очень полезны и разнообразны в своем применении.

Похожие материалы на сайте:

Понравилась статья — поделись с друзьями!

 

Диод Шоттки. Устройство, принцип работы и основные характеристики.

Приветствую всех на сайте MicroTechnics снова! Сегодня мы продолжим курс “Основы электроники“, и героем статьи станет еще один электронный компонент, а именно диод Шоттки. В недавних статьях мы рассматривали принцип работы и применение обычных диодов и стабилитронов:

И вот настало время диода Шоттки!

Основной отличительной особенностью этого элемента является малое падение напряжения при прямом включении (относительно обычного выпрямительного диода). Давайте разберемся, с чем же в данном случае связано это пониженное падение.

“Сердцем” диода Шоттки является не p-n переход, который образуется при соприкосновении двух полупроводников с разными типами проводимости, а так называемый барьер Шоттки. И элемент, и барьер названы так в честь немецкого физика Вальтера Шоттки, который занимался исследованием этих процессов и явлений в 1930-х годах.

Так вот барьер Шоттки – это переход между металлом и полупроводником. В обычном диоде у нас используется переход между полупроводниками p-типа и n-типа, а здесь уже совсем другая история – металл + полупроводник.

Для работы барьера Шоттки необходимо, чтобы работы выхода использующихся металла и полупроводника были различными. А работа выхода, в свою очередь, это энергия, которую необходимо сообщить электрону для его удаления из твердого тела. Рассмотрим случай, когда барьер образуется при контакте металла и полупроводника n-типа.{-\phi / kT}

Здесь нам важно заметить, что поскольку \phi_{М} > \phi_{П}, то, напротив, j_{М} < j_{П}. В результате этого при контакте металла и полупроводника в пограничной области буду скапливаться заряды:

Иными словами, из-за того, что работа выхода из полупроводника меньше, то электронам проще перейти из него в металл, чем наоборот, в обратном направлении. Но как и для p-n перехода этот процесс не будет протекать бесконечно. Эти заряды создадут дополнительное электрическое поле в граничной области, и, в результате, под действием этого поля токи термоэлектронной эмиссии выравняются.

Как видите, в целом, процессы, протекающие в барьере Шоттки, по своей сути очень похожи на то, что происходит в p-n переходе при контакте двух полупроводников. При подключении внешнего напряжения возникает дополнительное поле, которое смещает баланс токов в пограничной области.

Несмотря на некую схожесть процессов ключевым отличием является то, что в диоде Шоттки протекание тока как при прямом смещении, так и при обратном, связано исключительно с перемещением основных носителей заряда. То есть по сравнению с p-n переходом отсутствует диффузионная составляющая тока, которая связана с инжекцией неосновных носителей. А это, в свою очередь, приводит ко второй важнейшей отличительной особенности диодов Шоттки – повышенному быстродействию (поскольку отсутствуют рекомбинационные и диффузионные процессы).

Как вы помните, при прямом смещении в обычном диоде в полупроводниковых областях накапливаются неосновные носители заряда – дырки в n-области и электроны в p-области:

Так вот в момент перехода диода в закрытое состояние (при подаче обратного смещения) неосновные носители начинают перемещаться навстречу друг другу, что приводит к возникновению кратковременного импульса обратного тока. Для диодов Шоттки же этот негативный и нежелательный эффект фактически сводится на нет!

Итак, суммируем все, что мы рассмотрели, и построим вольт-амперную характеристику диода Шоттки и обычного выпрямительного диода:

А теперь резюмируем плюсы и минусы этих элементов:

  • Первое преимущество – меньшее падение напряжения при прямом включении. Для диодов Шоттки оно может составлять 0.2-0.4 В, тогда как для обычных кремниевых диодов величина равна 0.6-0.7 В. А меньшее напряжение при одинаковом токе – это меньшая рассеиваемая мощность, то есть диод Шоттки будет нагреваться гораздо меньше.
  • Быстродействие – бесспорный плюс, который позволяет использовать диоды Шоттки на более высоких частотах.
  • Из сравнения вольт-амперных характеристик мы можем заметить, что обратный ток обычного диода имеет меньшую величину. Это уже относится к недостаткам диодов Шоттки. Причем с повышением температуры обратный ток будет увеличиваться еще больше.
  • И еще один недостаток – при превышении максимально допустимого значения обратного напряжения диод Шоттки выходит из строй с вероятностью равной 100%. В то же время обычный диод может перейти в режим обратимого пробоя (лавинного или туннельного) в том случае, если для него не произошел тепловой пробой (также необратимый). И при этом максимально допустимые значения обратного напряжения для диодов Шоттки почти всегда значительно меньше, чем для обычных диодов!

А теперь давайте проведем несколько практических экспериментов. Протестируем две аналогичные схемы на работу с сигналами высокой частоты. Только в одной схеме задействуем диод Шоттки, а в другой обычный выпрямительный диод и сравним осциллограммы сигналов на выходе.

На принципиальных схемах диод Шоттки обозначается так:

Тесты будем проводить на простой схеме однополупериодного выпрямителя:

Для эксперимента я взял диод Шоттки 10BQ015 и выпрямительный диод 1N4001. Попробуем подать на вход синусоиду с частотой 1 КГц:

Первый канал (желтый) – сигнал на входе
Второй канал (красный) – сигнал на выходе цепи с диодом Шоттки
Третий канал (синий) – сигнал на выходе цепи с обычным диодом

Результат вполне ожидаем. Диоды пропускают ток только в одном направлении, поэтому нижний полупериод входного сигнала срезается. Пока разницы, честно говоря, никакой не наблюдается. Увеличиваем частоту входного сигнала до 100 КГц:

Первый канал (желтый) – сигнал на входе
Второй канал (красный) – сигнал на выходе цепи с диодом Шоттки
Третий канал (синий) – сигнал на выходе цепи с обычным диодом

И здесь уже видим, что обычный диод с таким сигналом попросту перестает справляться. При переключении диода (из открытого состояния в закрытое) возникает нежелательный импульс обратного тока (в точности так, как мы и обсудили чуть ранее).

Итак, мы рассмотрели устройство, основные характеристики и принцип работы диода Шоттки. Давайте на этом и завершим сегодняшнюю статью, всем большое спасибо за уделенное время и до встречи в новых статьях!

Устройство и принцип работы диода

Устройство, параметры и разновидности диодов

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

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

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

Как работает полупроводниковый диод.

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

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

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

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

Типы диодов и область их применения.

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

Выпрямительные диоды. Предназначены для выпрямления переменного тока.

Стабилитроны. Обеспечивают стабилизацию выходного напряжения.

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

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

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

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

Лавинно-пролётные диоды генерируют частоты до 180 ГГц.

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

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

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

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

Параметры полупроводниковых диодов.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД – полупроводниковый прибор с двумя электродами, обладающий односторонней проводимостью. К полупроводниковым диодам относят обширную группу приборов с p-n-переходом, контактом металл – полупроводник и др. Наиболее распространены электропреобразовательные полупроводниковые диоды. Служат для преобразования и генерирования электрических колебаний. Один из основных современных электронных приборов. Принцип действия полупроводникового диода: В основе принципа действия полупроводникового диода — свойства электронно-дырочного перехода, в частности, сильная асимметрия вольт-амперной характеристики относительно нуля. Таким образом различают прямое и обратное включение. В прямом включении диод обладает малым электросопротивлением и хорошо проводит электрический ток. В обратном — при напряжении меньше напряжения пробоя сопротивление очень велико и ток перекрыт. Характеристики:

2.Полупроводниковые диоды, прямое и обратное включение, вах:

Прямое и обратное включение:

При прямом включении p-n-перехода внешнее напряжение создает в переходе поле, которое противоположно по направлению внутреннему диффузионному полю. Напряженность результирующего поля падает, что сопровождается сужением запирающего слоя. В результате этого большое количество основных носителей зарядов получает возможность диффузионно переходить в соседнюю область (ток дрейфа при этом не изменяется, поскольку он зависит от количества неосновных носителей, появляющихся на границах перехода), т.е. через переход будет протекать результирующий ток, определяемый в основном диффузионной составляющей. Диффузионный ток зависит от высоты потенциального барьера и по мере его снижения увеличивается экспоненциально.

Повышенная диффузия носителей зарядов через переход привод к повышению концентрации дырок в области n-типа и электронов в области p-типа. Такое повышение концентрации неосновных носителей вследствие влияния внешнего напряжения, приложенного к переходу, называется инжекцией неосновных носителей. Неравновесные неосновные носители диффундируют вглубь полупроводника и нарушают его электронейтральность. Восстановление нейтрального состояния полупроводника происходит за счет поступления носителей зарядов от внешнего источника. Это является причиной возникновения тока во внешней цепи, называемого прямым.

При включении p-n-перехода в обратном направлении внешнее обратное напряжение создает электрическое поле, совпадающее по направлению с диффузионным, что приводит к росту потенциального барьера и увеличению ширины запирающего слоя. Все это уменьшает диффузионные токи основных носителей. Для неосновных носителе поле в p-n-переходе остается ускоряющим, и поэтому дрейфовый ток не изменяется.

Таким образом, через переход будет протекать результирующий ток, определяемый в основном током дрейфа неосновных носителей. Поскольку количество дрейфующих неосновных носителей не зависит от приложенного напряжения (оно влияет только на их скорость), то при увеличении обратного напряжения ток через переход стремиться к предельному значению IS , которое называется током насыщения. Чем больше концентрация примесей доноров и акцепторов, тем меньше ток насыщения, а с увеличением температуры ток насыщения растет по экспоненциальному закону.

На графике изображены ВАХ для прямого и обратного включения диода. Ещё говорят, прямая и обратная ветвь вольт-амперной характеристики. Прямая ветвь (Iпр и Uпр) отображает характеристики диода при прямом включении (то есть когда на анод подаётся «плюс»). Обратная ветвь (Iобр и Uобр) отображает характеристики диода при обратном включении (то есть когда на анод подаётся «минус»).

Синяя толстая линия – это характеристика германиевого диода (Ge), а чёрная тонкая линия – характеристика кремниевого (Si) диода. На рисунке не указаны единицы измерения для осей тока и напряжения, так как они зависят от конкретной марки диода.

Для начала определим, как и для любой плоской системы координат, четыре координатных угла (квадранта). Напомню, что первым считается квадрант, который находится справа вверху (то есть там, где у нас буквы Ge и Si). Далее квадранты отсчитываются против часовой стрелки.

Итак, II-й и IV-й квадранты у нас пустые. Это потому, что мы можем включить диод только двумя способами – в прямом или в обратном направлении. Невозможна ситуация, когда, например, через диод протекает обратный ток и одновременно он включен в прямом направлении, или, иными словами, невозможно на один вывод одновременно подать и «плюс» и «минус». Точнее, это возможно, но тогда это будет короткое замыкание. Остаётся рассмотреть только два случая – прямое включение диодаиобратное включение диода.

График прямого включения нарисован в первом квадранте. Отсюда видно, что чем больше напряжение, тем больше ток. Причём до какого-то момента напряжение растёт быстрее, чем ток. Но затем наступает перелом, и напряжение почти не меняется, а ток начинает расти. Для большинства диодов этот перелом наступает в диапазоне 0,5…1 В. Именно это напряжение, как говорят, «падает» на диоде. Эти 0,5…1 В и есть падение напряжения на диоде. Медленный рост тока до напряжения 0,5…1В означает, что на этом участке ток через диод практически не идёт даже в прямом направлении.

График обратного включения нарисован в третьем квадранте. Отсюда видно, что на значительном участке ток почти не изменяется, а затем увеличивается лавинообразно. Если увеличить, напряжение, например, до нескольких сотен вольт, то это высокое напряжение «пробьёт» диод, и ток через диод будет течь. Вот только «пробой» – это процесс необратимый (для диодов). То есть такой «пробой» приведет к выгоранию диода и он либо вообще перестанет пропускать ток в любом направлении, либо наоборот – будет пропускать ток во всех направлениях.

В характеристиках конкретных диодов всегда указывается максимальное обратное напряжение – то есть напряжение, которое может выдержать диод без «пробоя» при включении в обратном направлении. Это нужно обязательно учитывать при разработке устройств, где применяются диоды.

Сравнивая характеристики кремниевого и германиевого диодов, можно сделать вывод, что в p-n-переходах кремниевого диода прямой и обратный токи меньше, чем в германиевом диоде (при одинаковых значениях напряжения на выводах). Это связано с тем, что у кремния больше ширина запрещённой зоны и для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости им необходимо сообщить большую дополнительную энергию.

Существует немало устройств, созданных с целью преобразования электрического тока, и выпрямительные диоды – одни из них.

Выпрямительный диод – преобразователь тока переменного в постоянный. Является одним из видов полупроводников. Широкое применение получил благодаря основной характеристике – переводу электрического тока строго в одном направлении.

Принцип действия

Необходимый эффект при работе устройства создают особенности p-n перехода. Заключаются в том, что рядом с переходом двух полупроводников встраивается слой, который характеризуется двумя моментами: большим сопротивлением и отсутствием носителей заряда. Далее при воздействии на данный запирающий слой переменного напряжения извне толщина его уменьшается и впоследствии исчезает. Возрастающий во время этого ток и является прямым током, который проходит от анода к катоду. В случае перемены полярности внешнего переменного напряжения запирающий слой будет больше, и сопротивление неминуемо возрастет.

ВАХ выпрямительного диода (вольт-амперная характеристика) также дает представление о специфике работы выпрямителя и является нелинейной. Выглядит следующим образом: существует две ветви – прямая и обратная. Первая отражает наибольшую проводимость полупроводника при возникновении прямой разницы потенциалов. Вторая указывает на значение низкой проводимости при обратной разнице потенциалов.

Вольт-амперные характеристики выпрямителя прямо пропорциональны температуре, с повышением которой разность потенциалов сокращается. Электрический ток не пройдет через устройство в случае низкой проводимости, но лавинный пробой происходит в случае возросшего до определенного уровня обратного напряжения.

Использование сборки

При эксплуатации выпрямительного полупроводникового диода польза извлекается только из половины волн переменного тока, соответственно, безвозвратно теряется более половины входного напряжения.

С целью улучшить качество преобразования переменного тока в постоянный используется сборка из четырех устройств – диодный мост. Выгодно отличается тем, что пропускает ток на протяжении каждого полупериода. Диодные мосты производят в виде комплекта, заключенного в пластиковый корпус.

Принципиальная схема диодного моста к содержанию ↑

Физико-технические параметры

Основные параметры выпрямительных диодов базируются на таких значениях:

  • максимально допустимом значении разницы потенциалов при выпрямлении тока, при котором устройство не выйдет из строя;
  • наибольшем среднем выпрямленном токе;
  • наибольшем значении обратного напряжения.

Выпрямители промышленность выпускает с разными физическими характеристиками. Соответственно, устройства имеют разную форму и способ монтажа. Разделяются при этом на три группы:

  1. Выпрямительные диоды большой мощности. Характеризуются пропускной способностью тока до 400 А и являются высоковольтными. Высоковольтные выпрямительные диоды производятся в корпусах двух видов –штыревом, где корпус герметичный и стеклянный, и таблеточном, где корпус из керамики.
  2. Выпрямительные диоды средней мощности. Обладают пропускной способность от 300 мА до 10А.
  3. Выпрямительные диоды малой мощности. Максимально допустимое значение тока – до 300 мА.

Выбор выпрямительных диодов

При приобретении устройства необходимо руководствоваться такими параметрами:

  • значениями вольт-амперной характеристики максимально обратного и пикового тока;
  • максимально допустимым обратным и прямым напряжением;
  • средней силой выпрямленного тока;
  • материалом прибора и типом монтажа.

В зависимости от физических характеристик на корпус устройства наносится соответствующее обозначение. Каталог с маркировкой выпрямительных диодов представлен в специализированном справочнике. Необходимо знать, что маркировка импортных аналогов отличается от отечественных.

Также стоит обратить внимание на то, что выпрямительные схемы отличаются по количеству фаз:

  1. Однофазные. Широко применяются для бытовых электроприборов. Существуют диоды автомобильные и для электродуговой сварки.
  2. Многофазные. Незаменимы для промышленного оборудования, общественного и специального транспорта.

Диод Шоттки

Отдельную позицию занимает диод Шоттки. Изобрели его в связи с растущими потребностями в развивающейся отрасли радиоэлектроники. Основное отличие его от остальных диодов заключается в том, что в его конструкцию заложен металл-полупроводник как альтернатива p-n переходу. Соответственно, диод Шоттки обладает своими, уникальными свойствами, которыми не могут похвастаться кремниевые выпрямительные диоды. Некоторые из них:

  • оперативная возобновляемость заряда благодаря его низкому значению;
  • минимальное падение напряжения на переходе при прямом включении;
  • ток утечки обладает большим значением.

При изготовлении диода Шоттки применяют такие материалы, как кремний и арсенид галлия, но иногда применяется и германий. Свойства материалов немного отличаются, но в любом случае, максимально допустимое обратное напряжение для выпрямителя Шоттки составляет не более 1200 V.

В противовес всем достоинствам конструкция данного вида имеет и минусы. Например, в сборке моста устройство категорически не воспринимает превышение обратного тока. Нарушение условия приводит к поломке выпрямителя. Также малое падение напряжения происходит при невысоком напряжении около 60-70 V. Если значение превышает этот показатель, то устройство превращается в обыкновенный выпрямитель.

Стоит отметить, что достоинства диода мощного выпрямительного Шоттки значительно превышают недостатки.

Диод-стабилитрон

Для стабилизации напряжения используют специальное приспособление, способное работать в режиме пробоя, – стабилитрон, зарубежное название которого «диод Зенера». Выполняет свою функцию устройство, работая в режиме пробоя при напряжении обратного смещения. Возрастание силы тока происходит в момент пробоя, одновременно опускается до минимума дифференциальное значение, вследствие чего напряжение стабильное и охватывает достаточно серьезный диапазон обратных токов.

Практическое использование выпрямительного диода

В связи с неудержимым развитием научно-технического прогресса применение выпрямителей затронуло все сферы жизнедеятельности человека. Диоды силовые выпрямительные эксплуатируются в таких узлах и механизмах:

  • в блоках питания главных двигателей транспортных средств (наземных, воздушных и водных), промышленных станков и техники, буровых установок;
  • в комплектации диодного моста для сварочных аппаратов;
  • в выпрямительных установках для гальванических ванн, используемых для получения цветных металлов или нанесения защитного покрытия на деталь или изделие;
  • в выпрямительных установках для очистки воды и воздуха, фильтрах различного рода;
  • для передачи электроэнергии на дальние расстояния посредством высоковольтной линии электропередач.

В повседневной жизни выпрямители используют в различных транзисторных схемах. Применяют в основном маломощные устройства как в виде однополупериодного выпрямителя, так и виде диодного моста. Например, диоды выпрямительного блока генератора хорошо известны автолюбителям.

Устройство и принцип работы диода

Подробности
Категория: Общая электроника и электротехника

Главным назначением двухэлектродной лампы, называемой диодом, является выпрямление переменного тока.

Диод имеет два металлических электрода в стеклянном, металлическом или керамическом баллоне с вакуумом. Одним электродом является накаленный катод, служащий для эмиссии электронов. Другой электрод – анод – служит для притяжения электронов, испускаемых катодом, и создания потока свободных электронов. Катод и анод вакуумного диода аналогичны эмиттеру и базе полупроводникового диода. Анод притягивает электроны в случае, если он имеет положительный потенциал относительно катода. В пространстве между анодом и катодом образуется электрическое поле, которое при положительном потенциале анода является ускоряющим для электронов, испускаемых катодом. Электроны, вылетающие из катода, под действием поля движутся к аноду.

В простейшем случае катод делают в виде металлической проволочки, которая накаливается током. С ее поверхности вылетают электроны. Такие катоды называют катодами прямого и непосредственного накала.

Большое распространение получили также катоды косвенного накала, иначе называемые подогревными. Катод такого типа имеет металлический цилиндр, у которого поверхность покрыта активным слоем, эмитирующим электроны. Внутри цилиндра находится подогреватель в виде проволочки, накаливаемой током.

Между анодом и катодом электроны образуют распределенный в пространстве отрицательный электрический заряд, называемый объемным или пространственным и препятствующий движению электронов к аноду. При недостаточно большом положительном потенциале анода не все электроны могут преодолеть тормозящее действие объемного заряда и часть их возвращается на катод.

Чем выше потенциал анода, тем больше электронов преодолевает объемный заряд и уходит к аноду, т. е. тем больше катодный ток.

В диоде ушедшие с катода электроны попадают на анод. Поток электронов, летящих внутри лампы от катода к аноду и попадающих на анод, называют анодным током. Анодный ток является основным током электронной лампы. Электроны анодного тока движутся внутри лампы от катода к аноду, а вне лампы – от анода к плюсу анодного источника, внутри последнего – от его плюса к минусу и затем – от минуса источника к катоду лампы. При изменении положительного потенциала анода изменяется катодный ток и равный ему анодный ток. В этом заключается электростатический принцип управления анодным током.

Если потенциал анода отрицателен относительно катода, то поле между анодом и катодом является тормозящим для электронов, вылетающих из катода. Эти электроны под действием поля тормозятся и возвращаются на катод. В этом случае катодный и анодный токи равны нулю. Таким образом, основным свойством диода является его способность проводить ток в одном направлении. Диод обладает односторонней проводимостью.

Маломощные детекторные диоды выпускаются с катодами косвенного накала. Они имеют электроды небольшого размера, рассчитаны на малые анодные токи, малую предельную мощность, выделяемую на аноде, и невысокое обратное напряжение. Детекторные диоды для высоких и сверхвысоких частот делают с возможно меньшей емкостью. Более мощные диоды (кенотроны) для выпрямления переменного тока электросети выпускаются с катодами как прямого, так и косвенного накала, и рассчитаны на более высокое обратное напряжение. Широкое применение имеют двойные диоды, т. е. два диода в одном баллоне.

Принцип устройства и работы электро-вакуумных приборов

Главное назначение диодов — выпрямление переменного тока. Иногда диоды применяются для генерации шумов, т. е. беспорядочно изменяющихся токов и напряжений, для ограничения электрических импульсов и т. д.

Диод имеет два электрода в стеклянном, металлическом или керамическом баллоне с вакуумом. Один электрод — это накаленный катод, служащий для эмиссии (испускания) электронов. Другой электрод. — анод — принимает электроны, испускаемые катодом. Катод и анод вакуумного диода аналогичны эмиттеру и базе полупроводникового диода. Анод притягивает электроны, если он имеет положительный относительно катода потенциал. Между анодом и катодом образуется электрическое поле, которое при положительном потенциале анода является ускоряющим для электронов. Электроны, вылетающие из катода, под действием поля движутся к аноду.

Простейший катод делают в виде проволочки, которая накаливается током. Такие катоды называют катодами прямого или непосредственного накала. Большое распространение получил катод косвенного накала (подогревный). Это металлический цилиндр, поверхность которого покрыта активным слоем, эмитирующим электроны. Внутри цилиндра находится подогреватель в виде проволочки, накаливаемой током. В наиболее распространенной цилиндрической конструкции диода (рис. 15.1) анод имеет форму цилиндра.

Цепи диода с катодом косвенного накала показаны на рис. 15.2. Основной является анодная цепь (цепь анода). В нее входят анодный источник Еаи пространство между анодом и катодом.

Все электроны, вылетающие из катода, образуют ток эмиссии

Ie = Nq, (15.1)

где N — число электронов, вылетающих за 1 с; qзаряд электрона.

Между анодом и катодом образуется отрицательный заряд, называемый объемным или пространственным и препятствующий движению электронов к аноду. При недостаточном положительном потенциале анода не все электроны могут преодолеть действие объемного заряда и часть их возвращается на катод.

Электроны, ушедшие с катода безвозвратно, определяют катодный ток (ток катода), обозначаемый Iк или iK:

iK = nq<Ie, (15.2)

где п — число электронов, ушедших за 1 с с катода и не возвратившихся.

Рис. 15.1. Цилиндрическая конструкция электродов диода

 

Рис. 15.2. Цепи диода с катодом косвенного накала

 

Рис. 15.3. Упрощенные схемы с диодами

 

Чем выше потенциал анода, тем больше электронов преодолевает объемный заряд и уходит к аноду, т. е. тем больше катодный ток.

Поток электронов, летящих от катода к аноду и попадающих на анод, называют анодным током (током анода). Он протекает в анодной цепи и обозначается Iа или ia В диоде катодный и анодный токи равны друг другу:

ia = iк.(15.3)

Анодный ток является главным током электронной лампы. Электроны этого тока движутся внутри лампы от катода к аноду, а вне лампы — от анода к плюсу анодного источника, затем внутри него и от минуса источника к катоду лампы.

При изменении положительного потенциала анода изменяется катодный ток и равный ему анодный ток. В этом заключается электростатический принцип управления анодным током.

Если потенциал анода отрицателен по отношению к катоду, то поле между анодом и катодом тормозит электроны, вылетающие из катода, и возвращает их на катод. В этом случае катодный и анодный токи равны нулю.

Основное свойство диода — способность проводить ток в одном направлении. Электроны могут двигаться только от накаленного катода к аноду, имеющему положительный потенциал. Если же на аноде отрицательный относительно катода потенциал, то диод заперт, т. е. он размыкает цепь. Такой анод отталкивает электроны, а сам он не накален и не испускает электронов. Диод обладает односторонней проводимостью и подобно полупроводниковому диоду может выпрямлять переменный ток. В отличие от полупроводникового диода в вакуумном при обратном напряжении обратный ток практически отсутствует.

Анодный ток составляет доли миллиампера в самых маломощных диодах, применяемых в радиоприемниках или измерительной аппаратуре. В более мощных диодах (кенотронах), работающих в выпрямительных установках для питания аппаратуры, анодный ток достигает сотен миллиампер и более.

Разность потенциалов между анодом и катодом называют анодным напряжением (напряжением анода) и обозначают Ua или uа.

В практических схемах, когда в анодную цепь включена нагрузка, на которой падает часть напряжения анодного источника, анодное напряжение меньше Eа. Нередко возникают ошибки от того, что напряжение анодного источника Eа неправильно называют анодным напряжением. Но они равны только в том случае, когда зажимы анодного источника непосредственно присоединены к аноду и катоду лампы (см. рис. 15.2). Положительное анодное напряжение у маломощных диодов составляет доли вольта или единицы вольт. У кенотронов средней мощности оно достигает десятков вольт, а у мощных кенотронов сотен вольт и более.

Условились принимать потенциал катода за нулевой, так как от катода электроны начинают свое движение. Потенциал любого электрода определяют относительно катода. У катода прямого накала за точку нулевого потенциала принимают минус источника накала.

Второй цепью диода является цепь накала. Она состоит из источника Eн и подогревателя (или катода прямого накала). Ток накала обозначают Iн, а напряжение накала, т. е. напряжение между выводами подогревателя (или катода прямого накала), обозначают Uн. Напряжение накала всегда низкое — единицы, реже десятки вольт. Ток накала у маломощных ламп составляет десятки миллиампер, а у мощных — до десятков и даже сотен ампер. Во многих схемах вывод катода соединяют с корпусом (рис. 15.3, а, б) аппаратуры.

Основные аннотации по теме ламповой схемотехники

 

диод | Принцип работы | Конструкция

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

Принцип работы диода

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

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

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

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

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

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

Диод — простейший полупроводниковый компонент.

Конструкция диода

PN-переход образуется при соединении материала N-типа и материала P-типа. Это сквозной процесс производства полупроводниковых материалов, который должен осуществляться в очень чистой среде, называемой чистой комнатой .

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

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

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

Рисунок 2 PN-переход.

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

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

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

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

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

Прямое и обратное смещение в диоде

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

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

Случай, когда сторона P соединена с отрицательной клеммой, а сторона N, подключенная к положительной клемме, называется обратным смещением (и соединение называется обратным смещением).

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

Прямое смещение: Подача более положительного напряжения на сторону P-типа PN-перехода, чем на N-тип.

Обратное смещение: Противоположное прямому смещению: подключение стороны P-типа PN-перехода к менее положительному или более отрицательному напряжению, чем напряжение, подключенное к стороне N-типа.

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

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

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

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

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

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

Характеристики и символ диода

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

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

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

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

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

Анод: Положительный полюс в диоде и тиристоре.

Катод: Отрицательный вывод диода или аналогичных устройств, в отличие от анода.

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

Рис. 5 Символ диода и наиболее распространенная физическая форма.

Рисунок 6 Диоды другой формы.

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

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

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

Принцип работы переходного диода PN

PN Принцип работы диода соединения:

Принцип работы диода с переходным соединением PN объясняет способность пропускать значительный ток при прямом смещении и блокировать ток при обратном смещении. Таким образом, его можно использовать как выключатель; горит при прямом смещении и не горит при обратном смещении.В Принципе работы PN-диода соединительные выводы из медного провода становятся электронным устройством, известным как диод .

Обозначение схемы (или графический символ) для диода — это стрелка и полоса (рис. 2-2). Стрелка указывает обычное направление тока, когда диод смещен в прямом направлении (от положительной клеммы через устройство к отрицательной клемме). Сторона p диода всегда является положительной клеммой для прямого смещения и называется анодом . Сторона n, называемая катодом , является отрицательной клеммой, когда устройство смещено в прямом направлении.

Принцип работы PN Junction Diode говорит о том, что он может быть поврежден высоким уровнем прямого тока, вызывающим перегрев устройства. Он также может быть разрушен большим обратным напряжением, вызывающим пробой перехода. Максимальный уровень прямого тока и обратного напряжения для диодов указан в паспорте производителя. Как правило, физически большие диоды пропускают самые большие токи и выдерживают самые большие обратные напряжения. Маленькие диоды ограничены низкими уровнями тока и низкими обратными напряжениями.

На Рис. 2-3 показан внешний вид диодов с низким, средним и высоким током. Корпус слаботочного устройства на рис. 2-3 (а) может иметь длину всего 0,3 см, поэтому катод обычно обозначается цветной полосой. Этот тип диода обычно способен пропускать максимальный прямой ток около 100 мА. Он также может выдерживать обратное смещение около 75 В без пробоя, а его обратный ток при 25 ° C обычно составляет менее 1 мкА.

Среднетоковый диод, показанный на рис.2-3 (b) обычно могут пропускать прямой ток около 400 мА и выдерживать более 200 В обратного смещения. Выводы анода и катода могут быть обозначены символом диода на боковой стороне устройства.

Слаботочные и среднетоковые диоды обычно монтируют путем пайки соединительных выводов к клеммам. Мощность, рассеиваемая в устройстве, уносится конвекцией воздуха и теплопроводностью по соединительным проводам. Сильноточные диоды или силовые диоды [рис. 2-3 (c)], выделяют много тепла.Так что конвекции воздуха было бы совершенно недостаточно. Такие устройства предназначены для механического подключения к металлическому радиатору. Силовые диоды могут пропускать прямой ток величиной много ампер и выдерживать обратное смещение в несколько сотен вольт.

Переходный диод

pn и принцип его работы

Диод с pn переходом — это монокристаллический полупроводниковый прибор с двумя выводами, одна сторона которого легирована акцепторами, а другая — донорами. При легировании акцептором образуется полупроводник p-типа, а при легировании донорами образуется полупроводник n-типа.Таким образом, в диоде образуется pn переход.

Образование pn перехода в монокристалле из-за легирования материалом p-типа и n-типа показано на рисунке ниже.

На приведенном выше рисунке левая сторона кристалла относится к p-типу, а правая сторона — к n-типу. Положительно заряженные донорные ионы в n-типе показаны обведенным знаком плюса, а отрицательно заряженные ионы-акцепторы показаны обведенным знаком минус. Обозначение схемы диода с pn переходом показано ниже.

Принцип работы pn-переходного диода

Принцип работы диода с pn переходом можно в общих чертах разделить на три категории: несмещенный pn переход, pn переход с прямым смещением и pn переход с обратным смещением.Мы обсудим каждую из них по очереди.

Несмещенный диод pn-перехода

Несмещение означает, что к клеммам pn-переходного диода не подключен источник напряжения. Разберемся с явлениями, происходящими внутри стыка.

Так как сторона p и сторона n имеют дырки и электроны в качестве основных носителей, концентрация дырок больше на стороне p, тогда как концентрация электронов больше на стороне n. Из-за этой разницы в концентрации дырки начнут диффундировать в сторону n, а электроны начнут диффундировать в сторону p.В этом процессе дырки и электроны рекомбинируют и, следовательно, нейтрализуют. В результате ионы-акцепторы около p-стороны и донорные ионы около n-стороны остаются ненейтрализованными. Этот ненейтрализованный ион вблизи pn перехода называется непокрытыми зарядами. Положительный и отрицательный незакрытые заряды создают электрическое поле на pn переходе. Направление этого электрического поля — от стороны n к стороне p. Это электрическое поле, создаваемое непокрытыми зарядами в диоде с pn переходом, называется барьерным полем.Это барьерное поле препятствует диффузии дырок и электронов, и равновесие достигается, когда сила этого барьерного поля достаточна, чтобы остановить дальнейшую диффузию дырок и электронов через pn переход. После этого диффузии основных носителей заряда не будет. Таким образом, окрестность перехода лишена каких-либо свободных зарядов, и поэтому эта область pn перехода называется областью истощения . Термин истощение сам по себе означает истощение свободных зарядов в области i.е. pn переход.

Разность потенциалов между pn переходом называется барьерным потенциалом . Основная причина возникновения барьерного потенциала — разделение зарядов из-за процесса диффузии. Это приводит к созданию барьерного поля и, следовательно, связанного с ним барьерного потенциала. Величина этого барьерного потенциала зависит от полупроводника, легирования и ширины обедненной области. Чем больше ширина обедненной области, тем больше будет барьерный потенциал.

Из-за этого барьерного потенциала необходимо провести работу по переносу отверстия со стороны p на сторону n. То же самое и с электроном. Если предполагается, что барьерный потенциал равен V B , то работа, необходимая для переноса отверстия со стороны p на сторону n, будет равна эВ B . Таким образом, мы видим, что существует барьерный потенциал на pn переходе диода. Значит, у нас должна быть возможность измерить это с помощью вольтметра? Если вы когда-нибудь попытаетесь измерить это напряжение, подключив провод вольтметра к клеммам диода, вы получите нулевое показание.Разве не противоречие? Верно, что существует барьерный потенциал, но в то же время верно и то, что существует контактное падение напряжения между полупроводником и металлическим контактом. Потенциал барьера точно уравновешивается контактным потенциалом на контактах металл-полупроводник на концах выводов диода. По этой причине вольтметр не может измерить барьерный потенциал диода.

Итак, в несмещенном диоде с pj переходом нет протекания тока.Это просто устройство в таком состоянии.

Диод pn-переходного смещения в прямом направлении

Диод с pn переходом называется смещенным вперед, если положительная пластина батареи подключена к стороне p, а отрицательная пластина — к стороне n. Диод с прямым смещением показан на рисунке ниже.

Поскольку стороны p и n подключены к положительной и отрицательной пластине батареи соответственно, положительная пластина будет перемещать отверстия на стороне p к стороне n и притягивать электроны на стороне n к стороне p.Точно так же отрицательная пластина будет толкать электроны на стороне n и притягивать дырки на стороне p. Таким образом, как положительная, так и отрицательная пластины создают силу для потока дырок и электронов. Если напряжение батареи больше, чем потенциал барьера, дырки и электроны будут иметь достаточно энергии, чтобы пересечь pn переход. Впоследствии через диод pn-перехода начнется протекание тока. Следует также отметить, что ширина обедненной области будет уменьшаться в условиях прямого смещения.Таким образом, в диоде с прямым смещением ток течет от анода к катоду или со стороны p на сторону n, как показано на рисунке выше.

Подводя итог, диод с прямым смещением действует как замкнутый переключатель при условии, что напряжение смещения в прямом направлении должно быть больше, чем потенциал барьера. Если напряжение прямого смещения меньше, чем потенциал барьера, энергия, передаваемая аккумулятором электронам и дыркам, не будет достаточной для пересечения pn-перехода. Следовательно, он заблокирует ток. Таким образом, мы видим, что диод не является двусторонним устройством.Обратите внимание, что двустороннее устройство является однократным, что позволяет току течь в обоих направлениях.

Обратно смещенный диод pn-перехода

Диод с pn переходом называется обратным смещением, если положительная пластина батареи подключена к стороне n, а отрицательная пластина — к стороне p. Диод с обратным смещением показан на рисунке ниже.

При обратном смещении ширина области истощения увеличивается по мере того, как напряжение батареи отодвигает дырки на стороне p и электроны на стороне n от перехода.Таким образом, не будет потока дырок и электронов через переход. Следовательно, через диод pn-перехода не будет протекать ток.

Но поток неосновных носителей, то есть электронов на стороне p и дырок на стороне n, остается неизменным. Следует отметить, что концентрация неосновного носителя зависит от температуры. Это термически генерируемые неосновные носители на стороне p и n. Из-за протекания неосновных носителей заряда через переход небольшой ток течет от катода к аноду.Этот ток называется током обратного насыщения. Значение обратного тока насыщения не зависит от напряжения обратного смещения, но зависит от температуры перехода. Его значение увеличивается с увеличением температуры перехода. Поток обратного тока насыщения I s показан на рисунке выше.

Диод с обратным смещением pn-перехода действует как разомкнутый переключатель и блокирует прохождение тока от анода к катоду.

Что нужно помнить
  • Диод с прямым смещением на pn-переходе действует как замкнутый переключатель при условии, что напряжение прямого смещения должно быть больше, чем его барьерный потенциал.
  • Ширина обедненной области уменьшается с увеличением прямого смещения.
  • Диод с обратным смещением не проводит ток и, следовательно, действует как разомкнутый переключатель.
  • Ширина обедненной области увеличивается с увеличением напряжения обратного смещения.
  • Небольшой обратный ток течет от стороны n к стороне p в диоде с обратным смещением pn перехода или просто диоде. Этот ток называется током обратного насыщения.
  • Значение обратного тока насыщения не зависит от напряжения обратного смещения.Его значение зависит от температуры перехода. Чем выше температура перехода, тем больше будет величина обратного тока насыщения.

Что такое диоды? — Новости о хранении энергии, батареях, изменении климата и окружающей среде

Диод — это полупроводниковое устройство, которое позволяет протекать электрическому току в одном направлении, но блокирует прохождение электрического тока в другом направлении. В этом посте мы рассмотрим, как работают диоды, их краткую историю и практическое применение.

Диод — компоненты, символы и внешний вид

Источник изображения: Веб-сайт All About Circuits

Принцип работы

Базовая конструкция диода состоит из материалов N-типа и P-типа, анода, катода и корпуса прибора, который обычно состоит из стекла и пластмассы. Материал N-типа имеет свободные электроны, которые перемещаются из отрицательно заряженной области в положительно заряженную. В материале P-типа есть отверстия, которые кажутся движущимися (когда движутся свободные электроны) из положительно заряженной области в отрицательно заряженную.При отсутствии напряжения электроны из материала N-типа заполняют отверстия из материала P-типа вдоль стыка между слоями. В этом состоянии между материалами N-типа и P-типа образуется зона истощения .

Зона истощения, образованная при Нет напряжения Состояние

Движущиеся дырки и электроны в точке Смещение в прямом направлении Состояние

Изображения Источник: Сайт HowStuffWorks

При подаче электрического тока, когда N-тип подключен к отрицательной клемме батареи, а P-тип — к положительной клемме, электроны в N-типе перемещаются к положительному электроду, в то время как отверстия в P-типе перейти к отрицательному электроду.Зона обеднения исчезает, и электрический ток течет через диод. В этом состоянии диод смещен в прямом направлении. Кремниевый диод может быть смещен в прямом направлении, подавая 0,7 В, в то время как диод из германия требует только 0,3 В. Когда полярность питания меняется на противоположную, диод N-типа подключается к положительной клемме, а P-тип — к отрицательной клемме, и весь электрический ток, подаваемый на него, блокируется. В этой ситуации зона обеднения увеличивается и диод имеет обратное смещение .

Краткая история

Есть два типа диодов, которые послужили основой для более сложных диодов, которые мы используем сегодня. Одним из них является термоэмиссионный диод (также известный как вакуумная лампа), который был изобретен и запатентован Джоном Амброузом Флемингом 16 ноября 1904 года. Изобретение Флеминга основано на принципе Томаса Эдисона, известном как «эффект Эдисона» во время его открытия углерода накаливания лампочки.

Второй тип диодов — это твердотельный диод (также известный как полупроводниковый диод).Карл Фердинанд Браун первым открыл и запатентовал так называемый кристаллический выпрямитель в 1899 году. Из-за их выпрямляющих свойств кристаллы составляют диод. Это привело к разработке германиевых диодов в 1950-х годах лабораторией Bell Laboratories для приложений передачи микроволн.

Типы и применение

Типы диодов

Источник изображения: CDS Electronics Website

Существуют разные типы диодов, которые используются в разных приложениях.Диоды обычно используются в выпрямительной цепи, устройстве, которое преобразует переменный ток (AC) в постоянный ток (DC). Светодиоды (LED) широко используются в бытовой электронике, такой как телевидение. К другим типам диодов относятся стабилитроны, фотодиоды, диоды Шоттки, Ганна и PIN-диоды, которые используются в самых разных приложениях.

Статьи по теме:

Что такое электрический ток?

Что такое выпрямитель?

Что такое анод батареи?

Что такое катод батареи?

Что такое диод и для чего он нужен?

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

Автор / Редактор: Люк Джеймс / Erika Granath

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

Связанные компании

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

(Bild: Public Domain)

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

Проведение электрического тока в одном направлении

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

(Bild: CC BY-SA 4.0)

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

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

Для чего используются диоды?

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

Светодиоды (LED)

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

Преобразование мощности

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

Защита от перенапряжения

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

(ID: 46381408)

Схема туннельного диода

: работа и его применение

Туннельный диод, также известный как диод Эскари, представляет собой высоколегированный полупроводник, способный работать очень быстро. Лео Эсаки изобрел туннельный диод в августе 1957 года. Германиевый материал в основном используется для изготовления туннельных диодов.Они также могут быть изготовлены из арсенида галлия и кремния. Собственно, они используются в частотных детекторах и преобразователях. Туннельный диод показывает отрицательное сопротивление в своем рабочем диапазоне. Поэтому его можно использовать как усилитель, генераторы и в любых схемах переключения.

Что такое туннельный диод?

Туннельный диод — это устройство P-N с отрицательным сопротивлением. Когда напряжение увеличивается, ток, протекающий через него, уменьшается. Работает по принципу туннельного эффекта.Диод металл-изолятор-металл (MIM) — это еще один тип туннельного диода, но его настоящее применение, похоже, ограничено исследовательскими средами из-за наследственной чувствительности, его применение считается очень ограниченным в исследовательских средах. Существует еще один диод, называемый металл-изолятор-изолятор-металл (MIIM), диод , который включает в себя дополнительный слой изолятора. Туннельный диод представляет собой двухполюсное устройство с полупроводником n-типа в качестве катода и полупроводником p-типа в качестве анода.Обозначение схемы туннельного диода показано ниже.


Туннельный диод

Рабочий феномен туннельного диода

Согласно теории классической механики, частица должна приобретать энергию, равную высоте потенциального энергетического барьера, если она должна перемещаться с одной стороны барьера на другую. В противном случае энергия должна поступать от какого-либо внешнего источника, поэтому электроны с N-стороны перехода могут перепрыгнуть через барьер перехода, чтобы достичь P-стороны перехода. Если барьер тонкий, например, в туннельном диоде, согласно уравнению Шредингера подразумевается, что существует большая вероятность, и тогда электрон проникнет через барьер.Этот процесс будет происходить без потерь энергии со стороны электрона. Поведение квантовой механики указывает на туннелирование. Высокопримесные P-N переходные устройства называются туннельными диодами. Явление туннелирования обеспечивает эффект большинства носителей.

P∝exp⁡ (-A * E_b * W)

Где,

‘E’ — энергия барьера,
‘P’ — вероятность того, что частица пересечет барьер,
‘W’ — ширина барьера

Конструкция туннельного диода

Диод имеет керамический корпус и герметично закрывающуюся крышку сверху.Маленькая оловянная точка сплавлена ​​или припаяна к сильно легированной таблетке Ge n-типа. Таблетка припаивается к анодному контакту, который используется для отвода тепла. Оловянная точка соединена с катодным контактом через сетчатый экран, используемый для уменьшения индуктивности.

Конструкция туннельного диода

Работа и его характеристики

Работа туннельного диода в основном включает два метода смещения, такие как прямое и обратное

Условие прямого смещения

В условиях прямого смещения, когда напряжение увеличивается, тогда ток уменьшается и таким образом становятся все более смещенными, известными как отрицательное сопротивление.Повышение напряжения приведет к работе в качестве обычного диода, где электронная проводимость проходит через диод с P-N переходом. Область отрицательного сопротивления является наиболее важной рабочей областью туннельного диода. Характеристики туннельного диода и диода с нормальным P-N переходом отличаются друг от друга.

Состояние обратного смещения

В условиях обратного смещения туннельный диод действует как задний диод или обратный диод. При нулевом напряжении смещения он может действовать как быстрый выпрямитель.В состоянии обратного смещения пустые состояния на n-стороне выровнены с заполненными состояниями на p-стороне. В обратном направлении электроны будут туннелировать через потенциальный барьер. Благодаря высокой концентрации легирования туннельный диод действует как отличный проводник.

Характеристики туннельного диода

Прямое сопротивление очень мало из-за туннельного эффекта. Увеличение напряжения приведет к увеличению тока до тех пор, пока он не достигнет пикового значения. Но если напряжение превысило пиковое значение, ток автоматически уменьшится.Эта область отрицательного сопротивления преобладает до точки впадины. Ток через диод минимален в точке впадины. Туннельный диод действует как обычный диод, если он находится за точкой впадины.

Токовые компоненты туннельного диода

Полный ток туннельного диода приведен ниже

I t = I tun + I диод + I избыток

Ток, протекающий в Туннельный диод такой же, как ток, протекающий в нормальном диоде с PN-переходом, который указан ниже

I диод = I до * (exp ( ? * V t )) -1

I do — Обратный ток насыщения

В t — Напряжение, эквивалентное температуре

В — Напряжение на диоде

η — Поправочный коэффициент 1 для Ge и 2 для Si

Из-за паразитного туннелирования через примеси будет развиваться избыточный ток, который является дополнительным током, по которому можно определить точку впадины.Туннельный ток приведен ниже

I tun = (V / R 0 ) * exp (- (V / V 0 ) м )

Где V 0 = От 0,1 до 0,5 В и m = от 1 до 3

R 0 = Сопротивление туннельного диода

Пиковый ток, пиковое напряжение туннельного диода

Пиковое напряжение и пиковый ток туннельного диода максимальны. Обычно для туннельного диода падение напряжения превышает пиковое напряжение.А избыточный ток и ток диода можно считать незначительными.

Для минимального или максимального тока диода

V = V пик , dI tun / dV = 0

(1 / R 0 ) * (exp (- (V / V 0 ) м ) — (м * (V / V 0 ) м * exp (- (V / V 0 ) м ) = 0

Тогда 1 — m * (V / V 0 ) m = 0

Vpeak = ((1 / м) (1 / m) ) * V 0 * exp (-1 / m)

Максимальное отрицательное сопротивление туннельного диода

Отрицательное сопротивление слабого сигнала указано ниже

R n = 1 / (dI / dV) = R 0 / (1 — (m * (V / V 0 ) m ) * exp (- (V / V 0 ) m ) / R 0 = 0

Если dI / dV = 0, R n 9 0004 является максимальным, тогда

(m * (V / V 0 ) m ) * exp (- (V / V 0 ) m ) / R 0 = 0

Если V = V 0 * (1 + 1 / м) (1 / м) тогда будет максимальным, поэтому уравнение будет

(R n ) max = — ( R 0 * ((exp (1 + m)) / m)) / m

Применения туннельного диода

  • Благодаря туннельному механизму он используется в качестве сверхвысокоскоростного переключателя.
  • Время переключения составляет порядка наносекунд или даже пикосекунд.
  • Из-за того, что его кривая от тока имеет трехзначную характеристику, он используется в качестве устройства хранения логической памяти.
  • Из-за чрезвычайно малой емкости, индуктивности и отрицательного сопротивления он используется в качестве микроволнового генератора с частотой около 10 ГГц.
  • Из-за отрицательного сопротивления он используется в качестве схемы релаксационного генератора.

Преимущества туннельного диода

  • Низкая стоимость
  • Низкий уровень шума
  • Простота эксплуатации
  • Высокая скорость
  • Низкое энергопотребление
  • Нечувствительность к ядерному излучению

Недостатки туннельного диода

с двумя выводами устройства, он не обеспечивает развязки между входными и выходными цепями.
  • Диапазон напряжения, при котором может работать нормально при 1 вольте или ниже.
  • Это все о схеме туннельного диода с операциями, принципиальной схемой и ее приложениями. Мы считаем, что информация, представленная в этой статье, поможет вам лучше понять этот проект. Кроме того, с любыми вопросами относительно этой статьи или любой помощью в реализации проектов в области электротехники и электроники вы можете свободно обращаться к нам, связавшись с нами в разделе комментариев ниже.Вот вам вопрос, в чем главный принцип туннельного эффекта?

    Кредиты на фото:

    Диод — Энциклопедия Нового Света


    В электронике диод — это компонент, который позволяет электрическому току течь в одном направлении, но блокирует его в противоположном направлении. Таким образом, диод можно рассматривать как электронную версию обратного клапана. Цепи, которые требуют протекания тока только в одном направлении, обычно включают в себя один или несколько диодов.

    Ранние диоды включали кристаллы «кошачьи усы» и устройства на электронных лампах (на диалекте британского английского языка они назывались «термоэмиссионными клапанами»). Сегодня наиболее распространенные диоды изготавливаются из полупроводниковых материалов, таких как кремний или германий.

    Диоды — чрезвычайно полезные устройства для множества приложений. Например, они использовались для демодуляции радиопередач AM; для выпрямителей, преобразующих переменный ток в постоянный; проводить опасное высокое напряжение вдали от чувствительных электронных устройств; для построения логических вентилей в электронных устройствах; для детекторов излучения и частиц; и для приборов измерения температуры.

    крупным планом, показывая кристалл германия

    История

    Параллельная разработка термоэмиссионных и твердотельных диодов. Принцип действия термоэмиссионных диодов был открыт Фредериком Гатри в 1873 году. [1] Принцип действия кристаллических диодов был открыт в 1874 году немецким ученым Карлом Фердинандом Брауном.

    Принципы термоэмиссионного диода были заново открыты Томасом Эдисоном 13 февраля 1880 года, и он получил патент в 1883 году (патент США 307031 (PDF)), но дальше не развивал идею.Браун запатентовал кристаллический выпрямитель в 1899 году. Первый радиоприемник, использующий кристаллический диод, был построен около 1900 года компанией Greenleaf Whittier Pickard. Первый термоэмиссионный диод был запатентован в Великобритании Джоном Амброузом Флемингом (научным советником компании Marconi и бывшим сотрудником Эдисона) 16 ноября 1904 года (патент США 803684 (PDF) в ноябре 1905 года). Пикард получил патент на кремниевый детектор кристаллов 20 ноября 1906 года (патент США 836531 (PDF)).

    На момент своего изобретения такие устройства были известны как выпрямители.В 1919 году Уильям Генри Эклс ввел термин диод от греческих корней; di означает «два», а ode (из odos ) означает «путь».

    Термоэмиссионные или газовые диоды

    Символ для лампового диода. Сверху вниз расположены анод, катод и нагреватель.

    Термоэлектронные диоды — это термоэмиссионные клапанные устройства (также известные как вакуумные лампы), которые представляют собой системы электродов, окруженных вакуумом внутри стеклянной оболочки, похожие по внешнему виду на лампы накаливания.

    В термоэмиссионных вентильных диодах ток проходит через нить накала нагревателя. Это косвенно нагревает катод, другую нить накала, обработанную смесью оксидов бария и стронция, которые являются оксидами щелочноземельных металлов; эти вещества выбраны потому, что они имеют небольшую работу выхода. (В некоторых клапанах используется прямой нагрев, при котором ток нагрева проходит через сам катод.) Тепло вызывает термоэлектронную эмиссию электронов в вакуумную оболочку. В прямом режиме окружающий металлический электрод, называемый анодом, заряжается положительно, так что он электростатически притягивает испускаемые электроны.Однако при изменении полярности напряжения электроны нелегко освободить от ненагретой поверхности анода, и, следовательно, любой обратный поток представляет собой очень крошечный ток.

    На протяжении большей части двадцатого века термоэмиссионные вентильные диоды использовались в приложениях аналоговых сигналов и в качестве выпрямителей в источниках питания. Сегодня вентильные диоды используются только в нишевых приложениях, таких как выпрямители в гитарных и ламповых усилителях Hi-Fi, а также в специализированном высоковольтном оборудовании.

    Полупроводниковые диоды

    Условное обозначение диода.Обычный ток может течь от анода к катоду, но не наоборот.

    Большинство современных диодов основаны на полупроводниковых p-n переходах. В p-n диоде обычный ток течет от стороны p-типа (анод) к стороне n-типа (катод), но не в противоположном направлении. Другой тип полупроводникового диода, диод Шоттки, формируется из контакта между металлом и полупроводником, а не из p-n-перехода.

    Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода, или I-V, , приписывается поведению так называемого обедненного слоя или обедненной зоны , которая существует на p-n-переходе между разными полупроводниками.Когда pn-переход создается впервые, электроны зоны проводимости (подвижные) из области с примесью азота диффундируют в область с примесью фосфора, где имеется большая популяция дырок (места для электронов, в которых нет электронов), с которыми электроны «рекомбинировать». Когда мобильный электрон рекомбинирует с дыркой, дырка исчезает, и электрон больше не подвижен. Таким образом, исчезли два носителя заряда. Область вокруг p-n-перехода становится обедненной носителями заряда и, таким образом, ведет себя как изолятор.

    Однако ширина истощения не может расти неограниченно. Для каждой пары электрон-дырка, которая рекомбинирует, положительно заряженный ион легирующей примеси остается в области, легированной азотом, а отрицательно заряженный ион легирующей примеси остается в области, легированной фосфатом. По мере того, как рекомбинация продолжается и образуется больше ионов, через зону обеднения возникает увеличивающееся электрическое поле, которое замедляет, а затем, наконец, останавливает рекомбинацию. На данный момент существует «встроенный» потенциал в зоне истощения.

    Если на диод подается внешнее напряжение с той же полярностью, что и встроенный потенциал, зона обеднения продолжает действовать как изолятор, предотвращающий значительный электрический ток. Это явление обратного смещения . Однако, если полярность внешнего напряжения противоположна встроенному потенциалу, рекомбинация может снова продолжиться, приводя к значительному электрическому току через p-n-переход. Для кремниевых диодов встроенный потенциал составляет примерно 0.6 вольт (В). Таким образом, если через диод пропускают внешний ток, через диод будет развиваться около 0,6 В, так что область, легированная P, будет положительной по отношению к области, легированной N, и диод будет «включен», так как он имеет прямое смещение .

    ВАХ диода с фазовым переходом (без масштаба).

    Вольт-амперная характеристика диода может быть аппроксимирована двумя рабочими областями. Ниже определенной разницы потенциалов между двумя выводами обедненный слой имеет значительную ширину, и диод можно рассматривать как разомкнутую (непроводящую) цепь.По мере увеличения разности потенциалов на каком-то этапе диод станет проводящим и позволит зарядам течь, после чего его можно рассматривать как соединение с нулевым (или, по крайней мере, очень низким) сопротивлением. Точнее, передаточная функция логарифмическая, но настолько четкая, что выглядит как угол на уменьшенном графике.

    В нормальном кремниевом диоде при номинальных токах падение напряжения на проводящем диоде составляет приблизительно от 0,6 до 0,7 вольт. Значение отличается для других типов диодов — диоды Шоттки могут быть всего лишь 0.2 В и светодиоды (светодиоды) могут быть 1,4 В и более (синие светодиоды могут быть до 4,0 В).

    Ссылаясь на изображение ВАХ, в области обратного смещения для нормального выпрямительного диода PN, ток через устройство очень низкий (в диапазоне мкА) для всех обратных напряжений вплоть до точки, называемой пиковым обратным напряжением. (PIV). За пределами этой точки происходит процесс, называемый обратным пробоем, который приводит к повреждению устройства и значительному увеличению тока. Для диодов специального назначения, таких как лавинные или стабилитроны, концепция PIV не применима, поскольку они имеют преднамеренный пробой сверх известного обратного тока, так что обратное напряжение «фиксируется» до известного значения (так называемое стабилитронное напряжение или напряжение пробоя).Эти устройства, однако, имеют максимальное ограничение по току и мощности в зоне стабилитрона или лавины.

    Уравнение диода Шокли

    Уравнение идеального диода Шокли или закон диода (названный в честь соавтора транзистора Уильяма Брэдфорда Шокли) — это ВАХ идеального диода при прямом или обратном смещении (или без смещения). Он выводится в предположении, что единственными процессами, вызывающими ток в диоде, являются дрейф (из-за электрического поля), диффузия и тепловая рекомбинация-генерация.Также предполагается, что ток генерации рекомбинации (R-G) в области обеднения незначителен. Это означает, что уравнение Шокли не учитывает процессы, связанные с обратным пробоем и R-G с помощью фотонов. Кроме того, он не описывает «выравнивание» кривой I-V при высоком прямом смещении из-за внутреннего сопротивления, а также не объясняет практическое отклонение от идеала при очень низком прямом смещении из-за тока R-G в области истощения.

    I = IS (eVD / (nVT) −1), {\ displaystyle I = I _ {\ mathrm {S}} \ left (e ^ {V _ {\ mathrm {D}} / (nV _ {\ mathrm {T }})} — 1 \ right), \,}

    где

    I — ток диода,
    I S — масштабный коэффициент, называемый током насыщения
    В D — напряжение на диоде
    В T — это тепловое напряжение
    n — коэффициент излучения

    Коэффициент излучения n варьируется от примерно 1 до 2 в зависимости от процесса изготовления и материала полупроводника, и во многих случаях предполагается, что он примерно равен 1 (и поэтому опускается. ).Тепловое напряжение В T составляет приблизительно 25,2 мВ при комнатной температуре (приблизительно 25 ° C или 298 K) и является известной постоянной. Это определяется:

    VT = kTe, {\ displaystyle V _ {\ mathrm {T}} = {\ frac {kT} {e}},}

    где

    e — величина заряда электрона (элементарный заряд)
    k постоянная Больцмана
    T — абсолютная температура p-n перехода

    Типы полупроводниковых диодов

    Есть несколько типов полупроводниковых диодов:

    Нормальные (p-n) диоды

    Эти диоды работают, как описано выше.Обычно из легированного кремния или, реже, германия. До разработки современных кремниевых выпрямительных диодов использовалась закись меди, а затем селен; его низкий КПД обеспечивал гораздо более высокое прямое падение напряжения (обычно 1,4–1,7 В на «элемент», при этом несколько ячеек уложены друг над другом для увеличения пикового значения обратного напряжения в высоковольтных выпрямителях) и требовали большого радиатора (часто увеличивающего металлическая подложка диода), намного больше, чем потребовался бы кремниевый диод с такими же номинальными токами.

    Диоды Шоттки

    Диоды Шоттки сконструированы так, чтобы контакт металл-полупроводник. У них меньшее прямое падение напряжения, чем у стандартных диодов с PN переходом. Их прямое падение напряжения при прямом токе около 1 мА находится в диапазоне от 0,15 В до 0,45 В, что делает их полезными для приложений ограничения напряжения и предотвращения насыщения транзисторов. Их также можно использовать в качестве выпрямителей с малыми потерями, хотя их обратный ток утечки обычно намного выше, чем у выпрямителей других производителей.Диоды Шоттки являются устройствами с большинством несущих и поэтому не страдают от проблем с хранением неосновных носителей, которые замедляют работу большинства обычных диодов. Они также имеют тенденцию иметь гораздо более низкую емкость перехода, чем диоды PN, и это способствует их высокой скорости переключения и их пригодности в высокоскоростных схемах и ВЧ-устройствах, таких как смесители и детекторы.

    «Легированные золотом» диоды

    В качестве легирующей примеси золото (или платина) действует как центры рекомбинации, которые способствуют быстрой рекомбинации неосновных носителей.Это позволяет диоду работать на частотах сигнала за счет более высокого прямого падения напряжения. [2] Типичным примером является 1N914.

    Отрывные или ступенчатые диоды восстановления

    Термин «ступенчатое восстановление» относится к форме характеристики обратного восстановления этих устройств. После прохождения прямого тока в SRD и прерывания или реверсирования тока обратная проводимость прекращается очень резко (как в ступенчатой ​​форме волны). Таким образом, SRD могут обеспечивать очень быстрые переходы напряжения за счет очень внезапного исчезновения носителей заряда.

    Точечные диоды

    Они работают так же, как описанные выше переходные полупроводниковые диоды, но имеют более простую конструкцию. Строится блок из полупроводника n-типа, и проводящий острый контакт с каким-либо металлом группы 3 помещается в контакт с полупроводником. Часть металла мигрирует в полупроводник, образуя небольшую область полупроводника p-типа рядом с контактом. Давно популярная германиевая версия 1N34 все еще используется в радиоприемниках в качестве детектора и иногда в специализированной аналоговой электронике.

    Кошачьи усы или кристаллические диоды

    Это разновидность диодов с точечным контактом. Диод кошачьих усов состоит из тонкой или заостренной металлической проволоки, прижатой к полупроводниковому кристаллу, обычно галениту или куску угля. Проволока образует анод, а кристалл — катод. Диоды Кошачьи усы также назывались кристаллическими диодами и нашли применение в кристаллических радиоприемниках. Диоды кошачьих усов устарели.

    PIN-диоды

    PIN-диоды имеют центральный нелегированный, или внутренний слой , , образующий структуру p-типа / внутреннего / n-типа.Ширина внутреннего слоя больше, чем у P и N. Они используются в качестве радиочастотных переключателей, подобных варакторным диодам, но с более резким изменением емкости. Они также используются как детекторы ионизирующего излучения большого объема и как фотодетекторы. PIN-диоды также используются в силовой электронике, поскольку их центральный слой может выдерживать высокие напряжения. Кроме того, структуру PIN можно найти во многих силовых полупроводниковых устройствах, таких как IGBT, силовые MOSFET и тиристоры.

    Варикапные или варакторные диоды

    Используются в качестве конденсаторов с регулируемым напряжением.Они важны в схемах PLL (контур фазовой автоподстройки частоты) и FLL (контур автоподстройки частоты), позволяя схемам настройки, например, в телевизионных приемниках, быстро блокироваться, заменяя старые конструкции, для разогрева и блокировки которых требовалось много времени. ФАПЧ быстрее, чем ФАПЧ, но подвержена целочисленной гармонической синхронизации (если кто-то пытается синхронизироваться с широкополосным сигналом). Они также позволяли настраивать генераторы на ранних этапах дискретной настройки радиоприемников, где дешевый и стабильный кварцевый генератор с фиксированной частотой обеспечивал опорную частоту для генератора, управляемого напряжением.

    Стабилитроны

    Диоды, которые могут проводить обратное направление. Этот эффект, называемый зенеровским пробой, происходит точно определенное напряжение, позволяя диод для использования в качестве опорного напряжения точности. На практике опорного напряжения цепей Зенер и коммутация диоды соединены последовательно и противоположных направления, чтобы сбалансировать температурный коэффициент почти до нуля. Некоторые устройства, обозначенные как высоковольтные стабилитроны, на самом деле являются лавинными диодами. Два (эквивалентных) стабилитрона, включенные последовательно и в обратном порядке, в одной упаковке, составляют поглотитель переходных процессов (или Transorb, зарегистрированная торговая марка).Они названы в честь доктора Кларенса Мелвина Зенера из Университета Южного Иллинойса, изобретателя устройства.

    Лавинные диоды

    Диоды, которые проводят в обратном направлении, когда напряжение обратного смещения превышает напряжение пробоя. Они электрически очень похожи на стабилитроны и часто ошибочно называются стабилитронами, но выходят из строя по другому механизму, лавинному эффекту . Это происходит, когда обратное электрическое поле через p-n-переход вызывает волну ионизации, напоминающую лавину, приводящую к сильному току.Лавинные диоды предназначены для пробоя при четко определенном обратном напряжении без разрушения. Разница между лавинным диодом (который имеет обратный пробой выше примерно 6,2 В) и стабилитроном состоит в том, что длина канала первого превышает «длину свободного пробега» электронов, поэтому на выходе между ними происходят столкновения. Единственное практическое различие состоит в том, что оба типа имеют температурные коэффициенты противоположной полярности.

    Диоды подавления переходных напряжений (TVS)

    Это лавинные диоды, разработанные специально для защиты других полупроводниковых устройств от переходных процессов высокого напряжения.Их p-n-переходы имеют гораздо большую площадь поперечного сечения, чем у обычных диодов, что позволяет им проводить большие токи на землю без повреждений.

    Фотодиоды

    Полупроводники могут генерировать оптические носители заряда, и поэтому большинство из них упаковано в материал, блокирующий свет. Если они упакованы в материалы, пропускающие свет, их светочувствительность может быть использована. Фотодиоды можно использовать как в солнечных батареях, так и в фотометрии.

    Светодиоды (LED)

    В диоде, сформированном из полупроводника с прямой запрещенной зоной, такого как арсенид галлия, носители, которые пересекают переход, излучают фотоны, когда они рекомбинируют с основным носителем на другой стороне. В зависимости от материала могут быть получены длины волн (или цветов) от инфракрасного до ближнего ультрафиолета. Прямой потенциал этих диодов зависит от длины волны излучаемых фотонов: 1,2 В соответствует красному цвету, 2,4 — фиолетовому.Первые светодиоды были красными и желтыми, а со временем были разработаны более высокочастотные диоды. Все светодиоды монохромные; «белые» светодиоды на самом деле представляют собой комбинацию трех светодиодов разного цвета или синего светодиода с желтым сцинтилляторным покрытием. Светодиоды также могут использоваться в качестве фотодиодов с низким КПД в сигнальных приложениях. Светодиод может быть соединен с фотодиодом или фототранзистором в одном корпусе, чтобы сформировать оптоизолятор.

    Лазерные диоды

    Когда светодиодная структура содержится в резонансной полости, образованной полировкой параллельных торцевых поверхностей, может быть сформирован лазер.Лазерные диоды обычно используются в оптических запоминающих устройствах и для высокоскоростной оптической связи.

    Esaki или туннельные диоды

    Они имеют рабочую область, показывающую отрицательное сопротивление, вызванное квантовым туннелированием, что позволяет усиление сигналов и очень простые бистабильные схемы. Эти диоды также являются наиболее стойкими к ядерному излучению.

    Диоды Ганна

    Они похожи на туннельные диоды в том, что они сделаны из таких материалов, как GaAs или InP, которые имеют область отрицательного дифференциального сопротивления.При соответствующем смещении дипольные домены образуются и перемещаются по диоду, что позволяет создавать высокочастотные микроволновые генераторы.

    Диоды Пельтье

    Используются как датчики, тепловые двигатели для термоэлектрического охлаждения. Носители заряда поглощают и излучают энергию своей запрещенной зоны в виде тепла.

    Токоограничивающие полевые диоды

    Фактически это полевой транзистор с закороченным затвором на исток и функционирует как двухконтактный токоограничивающий аналог стабилитрона; они позволяют току, проходящему через них, повышаться до определенного значения, а затем выравниваться до определенного значения.Также называемые CLD , диоды постоянного тока , транзисторы с диодным соединением , стабилизирующие диоды или .

    Другие применения полупроводниковых диодов включают измерение температуры и вычисление аналоговых логарифмов (см. Применение операционных усилителей # Логарифмические).

    Приложения

    Демодуляция радио

    Первым применением диода была демодуляция радиопередач с амплитудной модуляцией (AM). Таким образом, сигнал AM состоит из чередующихся положительных и отрицательных пиков напряжения, амплитуда или «огибающая» которых пропорциональна исходному звуковому сигналу, но среднее значение которого равно нулю.Диод (первоначально кристаллический диод) выпрямляет сигнал AM, оставляя сигнал, средняя амплитуда которого является желаемым звуковым сигналом. Среднее значение извлекается с помощью простого фильтра и подается в преобразователь звука, который генерирует звук.

    Преобразователь мощности

    Выпрямители состоят из диодов, где они используются для преобразования электричества переменного тока (AC) в постоянный ток (DC). Точно так же диоды также используются в умножителях напряжения Кокрофта-Уолтона для преобразования переменного тока в очень высокие напряжения постоянного тока.

    Защита от перенапряжения

    Диоды часто используются для отвода высокого напряжения от чувствительных электронных устройств. Обычно они имеют обратное смещение (непроводящие) в нормальных условиях и становятся смещенными в прямом направлении (проводящими), когда напряжение поднимается выше своего нормального значения. Например, диоды используются в схемах шагового двигателя и реле для быстрого обесточивания катушек без разрушительных скачков напряжения, которые в противном случае могли бы возникнуть. Многие интегральные схемы также включают диоды на соединительных контактах, чтобы предотвратить повреждение чувствительных транзисторов внешним напряжением.Специализированные диоды используются для защиты от перенапряжений на более высоких мощностях.

    Логические ворота

    Диоды можно комбинировать с другими компонентами для создания логических вентилей И и ИЛИ. Это называется диодной логикой.

    Детекторы ионизирующего излучения

    Помимо света, упомянутого выше, полупроводниковые диоды чувствительны к более энергичному излучению. В электронике космические лучи и другие источники ионизирующего излучения вызывают шумовые импульсы и одиночные или множественные битовые ошибки.Этот эффект иногда используется детекторами частиц для обнаружения излучения. Одна частица излучения с энергией в тысячи или миллионы электрон-вольт генерирует множество пар носителей заряда, поскольку ее энергия вкладывается в полупроводниковый материал. Если слой истощения достаточно велик, чтобы уловить весь ливень или остановить тяжелую частицу, можно провести довольно точное измерение энергии частицы, просто измерив проводимый заряд и без сложностей, связанных с магнитным спектрометром.

    Эти полупроводниковые детекторы излучения требуют эффективного и равномерного сбора заряда и низкого тока утечки. Их часто охлаждают жидким азотом. Для частиц с большим радиусом действия (около сантиметра) им нужна очень большая глубина истощения и большая площадь. Для частиц с коротким радиусом действия им необходимо, чтобы любой контактный или не обедненный полупроводник по крайней мере на одной поверхности был очень тонким. Напряжения обратного смещения близки к пробою (около тысячи вольт на сантиметр). Германий и кремний — обычные материалы.Некоторые из этих детекторов определяют положение, а также энергию.

    У них ограниченный срок службы, особенно при обнаружении тяжелых частиц, из-за радиационного повреждения. Кремний и германий совершенно разные по своей способности преобразовывать гамма-лучи в электронные ливни.

    Полупроводниковые детекторы частиц высоких энергий используются в большом количестве. Из-за колебаний потерь энергии точное измерение выделенной энергии менее полезно.

    Измерение температуры

    Диод можно использовать в качестве прибора для измерения температуры, поскольку прямое падение напряжения на диоде зависит от температуры.Эта температурная зависимость следует из приведенного выше уравнения идеального диода Шокли и обычно составляет около -2,2 мВ на градус Цельсия.

    Устройства с зарядовой связью

    В цифровых камерах

    и аналогичных устройствах используются матрицы фотодиодов, интегрированные со схемой считывания.

    Дополнительно

    Диоды могут также называться управляемыми выпрямителями , сокращенно CR на печатных монтажных платах.

    Банкноты

    Список литературы

    • Нойдек, Джордж У. Соединительный диод PN . Река Аппер Сэдл, Нью-Джерси: Prentice Hall, 1988. ISBN 0201122960
    • Пьер, Роберт Ф. Основы полупроводников . Река Аппер Сэдл, Нью-Джерси: Prentice Hall, 1988. ISBN 0201122952
    • Sze, S.M. Современная физика полупроводниковых приборов . Хобокен, Нью-Джерси: Wiley Interscience, 1997. ISBN 0471152374

    кредитов

    New World Encyclopedia писатели и редакторы переписали и завершили статью Wikipedia в соответствии со стандартами New World Encyclopedia .Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с указанием авторства. Кредит предоставляется в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на участников Энциклопедии Нового Света, участников, так и на самоотверженных добровольцев Фонда Викимедиа.

    Разное

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *