Полупроводниковый диод: виды, как работает и область применения

Полупроводниковые диоды: виды и характеристики

Для контроля направления электрического тока необходимо применять разные радио и электро детали. В частности, современная электроника использует с такой целью полупроводниковый диод, его применение обеспечивает ровный ток.

Устройство

Полупроводниковый электрический диод или диодный вентиль – это устройство, которое выполнено из полупроводниковых материалов (как правило, из кремния) и работает только с односторонним потоком заряженных частиц. Основным компонентом является кристаллическая часть, с p-n переходом, которая подключена к двум электрическими контактами. Трубки вакуумного диода имеют два электрода: пластину (анод) и нагретый катод.

Фото — полупроводниковый диод

Для создания полупроводниковых диодов используются германий и селен, как и более 100 лет назад. Их структура позволяет использовать детали для улучшения электронных схем, преобразования переменного и постоянного тока в однонаправленный пульсирующий и для совершенствования разных устройств. На схеме он выглядит так:

Фото — обозначение диода

Существуют разные виды полупроводниковых диодов, их классификация зависит от материала, принципа работы и области использования: стабилитроны, импульсные, сплавные, точечные, варикапы, лазер и прочие типы. Довольно часто используются аналоги мостов – это плоскостной и поликристаллический выпрямители. Их сообщение также производится при помощи двух контактов.

Основные преимущества полупроводникового диода:

  1. Полная взаимозаменяемость;
  2. Отличные пропускные параметры;
  3. Доступность. Их можно купить в любом магазине электро-товаров или снять бесплатно со старых схем. Цена начинается от 50 рублей. В наших магазинах представлены как отечественные марки (КД102, КД103, и т. д.), так и зарубежные.

Маркировка

Маркировка полупроводникового диода представляет собой аббревиатуру от основных параметров устройства. Например, КД196В – кремниевый диод с напряжением пробоя до 0,3 В, напряжением 9,6, модель третьей разработки.

Исходя из этого:

  1. Первая буква определяет материал, из которого изготовлен прибор;
  2. Наименование устройства;
  3. Цифра, определяющая назначение;
  4. Напряжение прибора;
  5. Число, которое определяет прочие параметры (зависит от типа детали).

Видео: применение диодов

Принцип работы

Полупроводниковые или выпрямительные диоды имеют довольно простой принцип работы. Как мы уже говорили, диод изготовлен из кремния таким образом, что один его конец p-типа, а другой конец типа n. Это означает, что оба контакта имеют различные характеристики. На одном наблюдается избыток электронов, в то время как другой имеет избыток отверстий. Естественно, в устройстве есть участок, в котором все электроны заполняют определенные пробелы. Это означает, что внешние заряды отсутствуют. В связи с тем, что эта область обедняется носителями заряда и известна как объединяющий участок.

Фото — принцип работы

Несмотря на то, что объединяющий участок очень мал, (часто его размер составляет несколько тысячных долей миллиметра), ток не может протекать в нем в обычном режиме. Если напряжение подается так, что площадь типа p становится положительной, а тип n, соответственно, отрицательной, отверстия переходят к отрицательному полюсу и помогают электронам перейти через объединяющий участок. Точно так же электроны движутся к положительному контакту и как бы обходят объединительный. Несмотря на то, что все частицы движутся с разным зарядом в разном направлении, в итоге они образуют однонаправленный ток, что помогает выпрямить сигнал и предупредить скачки напряжения на контактах диода.

Если напряжение прикладывается к полупроводниковому диоду в противоположном направлении, ток не будет проходить по нему. Причина заключается в том, что отверстия привлекаются отрицательным потенциалом, который находится в области р-типа. Аналогично электроны притягиваются к положительному потенциалу, который применяется к области n-типа. Это заставляет объединяющий участок увеличиваться в размере, из-за чего поток направленных частиц становится невозможным.

Фото — характеристики полупроводников

ВАХ-характеристики

Вольт амперная характеристика полупроводникового диода зависит от материала, из которого он изготовлен и некоторых параметров. Например, идеальный полупроводниковый выпрямитель или диод имеет следующие параметры:

  1. Сопротивление при прямом подключении – 0 Ом;
  2. Тепловой потенциал – VG = +-0,1 В.;
  3. На прямом участке RD > rD, т. е. прямое сопротивление больше, чем дифференциальное.

Если все параметры соответствуют, то получается такой график:

Фото — ВАХ идеального диода

Такой диод использует цифровая электротехника, лазерная индустрия, также его применяют при разработке медицинского оборудования. Он необходим при высоких требованиях к логическим функциям. Примеры – лазерный диод, фотодиод.

На практике, эти параметры очень отличаются от реальных. Многие приборы просто не способны работать с такой высокой точностью, либо такие требования не нужны. Эквивалентная схема характеристики реального полупроводника демонстрирует, что у него есть серьезные недостатки:

Фото — ВАХ в реальном полупроводниковом диоде

Данная ВАХ полупроводникового диода говорит о том, что во время прямого включения, контакты должны достигнуть максимального напряжения. Тогда полупроводник откроется для пропуска электронных заряженных частиц. Эти свойства также демонстрируют, что ток будет протекать нормально и без перебоев. Но до момента достижения соответствия всех параметров, диод не проводит ток. При этом у кремниевого выпрямителя вольтаж варьируется в пределах 0,7, а у германиевого – 0,3 Вольт.

Работа прибора очень зависит от уровня максимального прямого тока, который может пройти через диод. На схеме он определяется ID_MAX. Прибора так устроен, что во время включения прямым путем, он может выдержать только электрический ток ограниченной силы. В противном случае, выпрямитель перегреется и перегорит, как самый обычный светодиод. Для контроля температуры используются разные виды устройств. Естественно, некоторые из них влияют на проводимость, но зато продлевают работоспособность диода.

Еще одним недостатком является то, что при пропуске переменного тока, диод не является идеальным изолирующим устройством. Он работает только в одном направлении, но всегда нужно учитывать ток утечки. Его формула зависит от остальных параметров используемого диода. Чаще всего схемы его обозначают, как IOP. Исследование независимых экспертов установило, что германиевые пропускают до 200 µА, а кремниевые до 30 µА. При этом многие импортные модели ограничиваются утечкой в 0.5 µА.

Все разновидности диодов поддаются напряжению пробой. Это свойство сети, которое характеризуется ограниченным напряжением. Любой стабилизирующий прибор должен его выдерживать (стабилитрон, транзистор, тиристор, диодный мост и конденсатор). Когда внешняя разница потенциалов контактов выпрямительного полупроводникового диода значительно выше ограниченного напряжения, то диод становится проводником, в одну секунду снижая сопротивление до минимума. Назначение устройства не позволяет ему делать такие резкие скачки, иначе это исказить ВАХ.

Читайте также:
Рейтинг лучших мобильных кондиционеров для квартиры и дома

Принцип работы полупроводникового диода

Полупроводниковые диоды: виды, характеристики, принцип работы

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

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

Устройство

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

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

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

Принцип работы диодов

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

Принцип работы:

  1. Электрический ток воздействует на катод, подогреватель начинает накаливаться, а электрод испускать электроны.
  2. Между двумя электродами происходит образование электрического поля.
  3. Если анод обладает положительным потенциалом, то он начинает притягивать электроны к себе, а возникшее поле является катализатором данного процесса. При этом, происходит образование эмиссионного тока.
  4. Между электродами происходит образование пространственного отрицательного заряда, способного помешать движению электронов. Это происходит, если потенциал анода оказывается слишком слабым. В таком случае, частям электронов не удается преодолеть воздействие отрицательного заряда, и они начинают двигаться в обратном направлении, снова возвращаясь к катоду.
  5. Все электроны, которые достигли анода и не вернулись к катоду, определяют параметры катодного тока. Поэтому данный показатель напрямую зависит от положительного анодного потенциала.
  6. Поток всех электронов, которые смогли попасть на анод, имеет название анодный ток, показатели которого в диоде всегда соответствуют параметрам катодного тока. Иногда оба показателя могут быть нулевыми, это происходит в ситуациях, когда анод обладает отрицательным зарядом. В таком случае, возникшее между электродами поле не ускоряет частицы, а, наоборот, тормозит их и возвращает на катод. Диод в таком случае остается в запертом состоянии, что приводит к размыканию цепи.

Устройство

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

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

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

Назначение

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

  1. Диодные мосты представляют собой 4, 6 или 12 диодов, соединенных между собой, их количество зависит от типа схемы, которая может быть однофазной, трехфазной полумостовой или трехфазной полномостовой. Они выполняют функции выпрямителей, такой вариант чаще всего используется в автомобильных генераторах, поскольку внедрение подобных мостов, а также использование вместе с ними щеточно-коллекторных узлов, позволило в значительной степени сократить размеры данного устройства и увеличить степень его надежности. Если соединение выполнено последовательно и в одну сторону, то это повышает минимальные показатели напряжения, которое потребуется для отпирания всего диодного моста.
  2. Диодные детекторы получаются при комбинированном использовании данных приборов с конденсаторами. Это необходимо для того, чтобы было можно выделить модуляцию с низкими частотами из различных модулированных сигналов, в том числе амплитудно-модулированной разновидности радиосигнала. Такие детекторы являются частью конструкции многих бытовых потребителей, например, телевизоров или радиоприемников.
  3. Обеспечение защиты потребителей от неверной полярности при включении схемных входов от возникающих перегрузок или ключей от пробоя электродвижущей силой, возникающей при самоиндукции, которая происходит при отключении индуктивной нагрузки. Для обеспечения безопасности схем от возникающих перегрузок, применяется цепочка, состоящая из нескольких диодов, имеющих подключение к питающим шинам в обратном направлении. При этом, вход, которому обеспечивается защита, должен подключаться к середине этой цепочки. Во время обычного функционирования схемы, все диоды находятся в закрытом состоянии, но если ими было зафиксировано, что потенциал входа ушел за допустимые пределы напряжения, происходит активация одного из защитных элементов. Благодаря этому, данный допустимый потенциал получает ограничение в рамках допустимого питающего напряжения в сумме с прямым падением показателей напряжение на защитном приборе.
  4. Переключатели, созданные на основе диодов, используются для осуществления коммутации сигналов с высокими частотами. Управление такой системой осуществляется при помощи постоянного электрического тока, разделения высоких частот и подачи управляющего сигнала, которое происходит благодаря индуктивности и конденсаторам.
  5. Создание диодной искрозащиты. Используются шунт-диодные барьеры, которые обеспечивают безопасность путем ограничения напряжения в соответствующей электрической цепи. В совокупности с ними применяются токоограничительные резисторы, которые необходимы для ограничения показателей электрического тока, проходящего через сеть, и увеличения степени защиты.
Читайте также:
Расход штукатурки на 1м2: от чего зависит и как правильно рассчитать?

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

Прямое включение диода

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

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

  1. Под воздействием напряжения от внешнего источника, в p-n-переходе сформируется электрическое поле, при этом его направление будет противоположным относительно внутреннего диффузионного поля.
  2. Напряжение поля значительно снизится, что вызовет резкое сужение запирающего слоя.
  3. Под воздействием этих процессов значительное количество электронов обретет возможность свободно переходить из p-области в n-область, а также в обратном направлении.
  4. Показатели тока дрейфа во время этого процесса остаются прежними, поскольку они напрямую зависят только от числа неосновных заряженных носителей, находящихся в области p-n-перехода.
  5. Электроны обладают повышенным уровнем диффузии, что приводит к инжекции неосновных носителей. Иными словами, в n-области произойдет повышение количества дырок, а в p-области будет зафиксирована повышенная концентрация электронов.
  6. Отсутствие равновесия и повышенное число неосновных носителей заставляет их уходить вглубь полупроводника и смешиваться с его структурой, что в итоге приводит к разрушению его свойств электронейтральности.
  7. Полупроводник при этом способен восстановить свое нейтральное состояние, это происходит благодаря получению зарядов от подключенного внешнего источника, что способствует появлению прямого тока во внешней электрической цепи.

Обратное включение диода

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

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

Прямое и обратное напряжение

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

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

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

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

Работа диода и его вольт-амперная характеристика

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

Подобный график можно описать следующим образом:

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

Принцип работы

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

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

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

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

Читайте также:
Плитка с рисунком (47 фото): керамическая голубая плитка с фотопечатью, кафельные изделия с геометрическим узором

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

Конструкция диода

Одна из возможных конструкций диода показана ниже:

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

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

В свою очередь полупроводниковые элементы делят на:

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

Схемы включения диодов

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

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

Полупроводниковый диод: виды, как работает и область применения

Полупроводниковый диод самый простой полупроводниковый прибор, состоящий из одного PN перехода. Основная его функция – это проводить электрический ток в одном направлении, и не пропускать его в обратном. Состоит диод из двух слоев полупроводника типов N и P (Рисунок 1.2.1)

Рисунок 1.2.1 Строение диода

На стыке соединения P и N образуется PN-переход. Электрод, подключенный к P, называется анод. Электрод, подключенный к N, называется катод. Диод проводит ток в направлении от анода к катоду, и не проводит обратно.

Диод в состоянии покоя.

Диод находится в состоянии покоя, когда ни к аноду, ни к катоду не подключено напряжения (Рисунок 1.2.2).

Рисунок 1.2.2 Диод в состоянии покоя

В части N имеются в наличии свободные электроны – отрицательно заряженные частицы. В части P находятся положительно заряженные ионы – дырки. В результате, в том месте, где есть частицы с зарядами разных знаков, возникает электрическое поле, притягивающее их друг к другу.

Под действием этого поля свободные электроны из части N дрейфуют через PN переход в часть P и заполняют некоторые дырки. В итоге получается очень слабый электрический ток, измеряемый в наноамперах. В результате, плотность вещества в P части повышается и возникает диффузия (стремление вещества к равномерной концентрации), толкающая частицы обратно на сторону N.

Обратное включение диода.

Теперь рассмотрим, как у полупроводникового диода получается выполнять свою основную функцию – проводить ток только в одном направлении. Подключим источник питания – плюс к катоду, минус к аноду (рисунок 1.2.3)

Рисунок 1.2.3 Обратное включение диода

В соответствии с силой притяжения, возникшей между зарядами разной полярности, электроны из N начнут движение к плюсу и отдалятся от PN перехода. Аналогично, дырки из P будут притягиваться к минусу, и также отдалятся от PN перехода. В результате, плотность вещества у электродов повышается. В действие приходит диффузия и начинает толкать частицы обратно, стремясь к равномерной плотности вещества.

Как мы видим, в этом состоянии диод не проводит ток. При повышении напряжения, в PN переходе будет все меньше и меньше заряженных частиц.

Прямое включение диода.

Меняем полярность источника питания – плюс к аноду, минус к катоду.

Рисунок 1.2.4 Прямое включения диода

В таком положении, между зарядами одинаковой полярности возникает сила отталкивания. Отрицательно заряженные электроны отдаляются от минуса и двигаются сторону pn перехода. В свою очередь, положительно заряженные дырки отталкиваются от плюса и направляются навстречу электронам. PN переход обогащается заряженными частицами с разной полярностью, между которыми возникает электрическое поле – внутреннее электрическое поле PN перехода. Под его действием электроны начинают дрейфовать на сторону P. Часть из них рекомбинируют с дырками (заполняют место в атомах, где не хватает электрона). Остальные электроны устремляются к плюсу батарейки. Через диод пошел ток ID.

1.2.1 Выпрямительные диоды

Выпрямительный диод — это полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный.

В основе работы выпрямительных диодов лежит свойство односторонней проводимости рn-перехода, которое заключается в том, что последний хорошо проводит ток (имеет малое сопротивление) при прямом включении и практически не проводит ток (имеет очень высокое сопротивление) при обратном включении.

Основными параметрами выпрямительных полупроводниковых диодов являются:

  • прямой ток диода Iпр, который нормируется при определенном прямом напряжении (обычно Uпр=1…2В);
  • максимально допустимый прямой ток Iпр.мах диода;
  • максимально допустимое обратное напряжение диода Uобр.мах, при котором диод еще может нормально работать длительное время;
  • постоянный обратной ток Iобр, протекающий через диод при обратном напряжении, равном Uобр.мах;
  • средний выпрямленный ток Iвп.ср, который может длительно проходить через диод при допустимой температуре его нагрева;
  • максимально допустимая мощность Pмах, рассеиваемая диодом, при которой обеспечивается заданная надежность диода.

Для сохранения работоспособности германиевого диода его температура не должна превышать +85°С, кремниевые диоды могут работать при температуре до +150°С.

Вольт-амперная характеристика германиевого и кремниевого диода представлена на рисунке 1.2.1.1

Читайте также:
Подключение розетки от выключателя света с одной клавишей

Рисунок 1.2.1.1 Вольт-амперная характеристика германиевого и кремниевого диода: а−германиевый диод; б−кремниевый диод

Падение напряжения при пропускании прямого тока у германиевых диодов составляет Uпр=0,3…0,6В, у кремниевых диодов Uпр=0,8…1,2В.

Большие падения напряжения при прохождении прямого тока через кремниевые диоды по сравнению с прямым падение напряжения на германиевых диодах связаны с большей высотой потенциального барьера рn- переходов, сформированных в кремнии. С увеличением температуры прямое падение напряжения уменьшается, что связано с уменьшением высоты потенциального барьера. При подаче на полупроводниковый диод обратного напряжения в нем возникает незначительный обратный ток, обусловленный движением не основных носителей заряда через рn-переход. При повышении температуры рn-перехода число не основных носителей заряда увеличивается за счет перехода части электронов из валентной зоны в зону проводимости и образования пар носителей заряда электрон-дырка. Поэтому обратный ток диода возрастает. В случае приложения к диоду обратного напряжения в несколько сотен вольт внешнее электрическое поле в запирающем слое становится настолько сильным, что способно вырвать электроны из валентной зоны в зону проводимости (эффект Зенера). Обратный ток при этом резко увеличивается, что вызывает нагрев диода, дальнейшей рост тока и, наконец, тепловой пробой (разрушение) рn-перехода.

Большинство диодов может надежно работать при обратных напряжениях, не превышающих (0,7…0,8) Uпроб. Допустимое обратное напряжение германиевых диодов достигает − 100…400В, а кремниевых диодов − 1000…1500В.

Выпрямительные диоды применяются для выпрямления переменного тока (преобразования переменного тока в постоянный); используются в схемах управления и коммутации для ограничения паразитных выбросов напряжений, в качестве элементов электрической развязки цепей и т.д.

1.2.2 Полупроводниковый стабилитрон

Полупроводниковый стабилитрон — это полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока и который используется для стабилизации напряжения.

В полупроводниковых стабилитронах используется свойство незначительного изменения обратного напряжения на рn-переходе при электрическом (лавинном или туннельном) пробое. Это связано с тем, что небольшое увеличение напряжения на рn-переходе в режиме электрического пробоя вызывает более интенсивную генерацию носителей заряда и значительное увеличение обратного тока.

Низковольтные стабилитроны изготовляют на основе сильнолегированного (низкоомного) материала. В этом случае образуется узкий плоскостной переход, в котором при сравнительно низких обратных напряжениях (менее 6В) возникает туннельный электрический пробой. Высоковольтные стабилитроны изготавливают на основе слаболегированного (высокоомного) материала. Поэтому их принцип действия связан с лавинным электрическим пробоем.

Основные параметры стабилитронов:

  • Напряжение стабилизации Uст (Uст=1…1000В);
  • минимальный Iст.міn и максимальный Iст.мах токи стабилизации (Iст.міn»1,0…10мА, Iст.мах»0,05…2,0А);
  • максимально допустимая рассеиваемая мощность Рмах;
  • дифференциальное сопротивление на участке стабилизации
  • температурный коэффициент напряжения на участке стабилизации:

TKU стабилитрона показывает на сколько процентов изменится стабилизирующее напряжение при изменении температуры полупроводника на 1°С (TKU=−0,5…+0,2)

Условно графическое обозначение стабилитрона представлена на рисунке 1.2.2.1.

Рисунок 1.2.2.1 Условно графическое обозначение стабилитрона а) не симметричный стабилитрон б) симметричный стабилитрон

Вольт-амперная характеристика стабилитрона на рисунке 1.2.2.2

Рисунок 1.2.2.2 Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Стабилитроны используют для стабилизации напряжений источников питания, а также для фиксации уровней напряжений в различных схемах.

Существуют также двухсторонние (симметричные) стабилитроны, имеющие симметричную ВАХ относительно начала координат. Стабилитроны допускают последовательное включение, при этом результирующее стабилизирующее напряжение равно сумме напряжений стабилитронов: Uст = Uст1 + Uст2 +…

1.2.3 Туннельный диод

Туннельный диод — это полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольт-амперной характеристике при прямом напряжении участка отрицательного дифференциального сопротивления.

Туннельный диод изготовляется из германия или арсенида галлия с очень большой концентрацией примесей, т.е. с очень малым удельным сопротивлением. Такие полупроводники с малым сопротивлением называют вырожденными. Это позволяет получить очень узкий рn-переход. В таких переходах возникают условия для относительно свободного туннельного прохождения электронов через потенциальный барьер (туннельный эффект). Туннельный эффект приводит к появлению на прямой ветви ВАХ диода участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Основные параметры туннельных диодов:

  • Пиковый ток Iп – прямой ток в точке максимума ВАХ;
  • ток впадины Iв − прямой ток в точке минимума ВАХ;
  • отношение токов туннельного диода Iп/Iв;
  • напряжение пика Uп – прямое напряжение, соответствующее пиковому току;
  • напряжение впадины Uв − прямое напряжение, соответствующее току впадины;

Туннельные диоды используются для генерации и усиления электромагнитных колебаний, а также в быстродействующих переключающих и импульсных схемах.

Вольт-амперная характеристика туннельного диода и его УГО представлена на рисунке 1.2.3.1

Рисунок 1.2.3.1 Вольт-амперная характеристика туннельного диода и его УГО

1.2.4 Обращенный диод

Обращенный диод — диод на основе полупроводника с критической концентрацией примесей, в котором проводимость при обратном напряжении вследствие туннельного эффекта значительно больше, чем при прямом напряжении.

Принцип действия обращенного диода основан на использовании туннельного эффекта. Но в обращенных диодах концентрацию примесей делают меньше, чем в обычных туннельных. Поэтому контактная разность потенциалов у обращенных диодов меньше, а толщина рn-перехода больше. Это приводит к тому, что под действием прямого напряжения прямой туннельный ток не создается. Прямой ток в обращенных диодах создается инжекцией не основных носителей зарядов через рn-переход, т.е. прямой ток является диффузионным. При обратном напряжении через переход протекает значительный туннельный ток, создаваемый перемещение электронов сквозь потенциальный барьер из р-области в n-область. Рабочим участком ВАХ обращенного диода является обратная ветвь. Таким образом, обращенные диоды обладают выпрямляющим эффектом, но пропускное (проводящее) направление у них соответствует обратному включению, а запирающее (непроводящее) – прямому включению.

Вольт-амперная характеристика обращенного диода и его УГО представлена на рисунке 1.2.4.1

Рисунок 1.2.4.1 Вольт-амперная характеристика обращенного диода и УГО

Обращенные диоды применяют в импульсных устройствах, а также в качестве преобразователей сигналов (смесителей и детекторов) в радиотехнических устройствах.

1.2.5 Варикапы

Варикап — это полупроводниковый диод, в котором используется зависимость емкости от величины обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью. Полупроводниковым материалом для изготовления варикапов является кремний.

Читайте также:
Нужен ли тёплый пол в жилом помещении?

Основные параметры варикапов:

  • номинальная емкость Св– емкость при заданном обратном напряжении (Св=10…500 пФ);
  • коэффициент перекрытия по емкости (отношение емкостей варикапа при двух заданных значениях обратных напряжений.)

Варикапы широко применяются в различных схемах для автоматической подстройки частоты, в параметрических усилителях.

На рисунке 1.2.5.1 представлена вольт-амперная характеристика варикапа и его УГО

Рисунок 1.2.5.1 Вольт-амперная характеристика варикапа и УГО

1.2.6 Светоизлучающие диоды

Светодиодами называются маломощные полупроводниковые источники света, основой которых является излучающий рппереход. Свечение рn-перехода вызвано рекомбинацией носителей заряда. При подаче прямого напряжения электроны из n-области проникают в p-область, где рекомбинируют с дырками и излучают освободившуюся энергию в виде света.

Светодиоды изготавливаются из карбида кремния, арсенида или фосфида галлия. Свечение может быть весьма интенсивным и лежит в инфракрасной, красной, зеленой и синей частях спектра. Светодиод начинает испускать свет, как только подается прямое напряжение, причем с ростом тока интенсивность свечения увеличивается.

Основными параметрами светодиодов являются:

  • Ризлуч – полная мощность излучения (до 100 мВт).
  • Unp – постоянное прямое напряжение (порядка единиц вольт) при – const.
  • Iпр. – постоянный прямой ток (до 110 мА).
  • Цвет свечения.

Прямая ветвь ВАХ светодиода и его условное обозначение показаны на рисунке 1.2.6.1

Рисунок 1.2.6.1 ВАХ светодиода и его УГО

Светодиоды применяют в устройствах визуального отображения информации.

1.2.7 Фотодиоды

Фотодиод — это полупроводниковые приборы, принцип действия которых основан на внутреннем фотоэффекте, состоящем в генерации под действием света электронно-дырочных пар в рппереходе, в результате чего увеличивается концентрация основных и неосновных носителей заряда в его объеме. Обратный ток фотодиода определяется концентрацией неосновных носителей и, следовательно, интенсивностью облучения. Вольт-амперные характеристики фотодиода (рисунок 1.2.7.1 (см. стр.28)) показывает, что каждому значению светового потока Ф соответствует определенное значение обратного тока. Такой режим работы прибора называют фотодиодным.

Фотодиод обозначается на схеме на рисунке 1.2.7.2

Рисунок 1.2.7.2 УГО фотодиода

Рисунок 1.2.7.1 Вольт-амперная характеристика фотодиода

Фотодиоды применяются в качестве датчиков освещенности.

Задание для самостоятельной работы

по теме 1.2 «Полупроводниковые диоды»

№1. Заполнить таблицу и поместить ее в чате.

Оценить работы своих одногруппников с помощью смайликов.

Как работает диод и какие виды существуют

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

  • Устройство и принцип работы
  • Основные виды
  • Область применения

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

Устройство и принцип работы

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

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

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

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

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

Основные виды

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

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

Область применения

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

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

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

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

Что такое полупроводниковый диод, виды диодов и график вольт-амперной характеристики

Полупроводниковый диод получил широкое распространение в электротехнике и в электронике. Обладая невысокой стоимостью и хорошим соотношением мощности и габаритов, он быстро вытеснил вакуумные приборы аналогичного назначения.

Устройство и принцип работы полупроводникового диода

Полупроводниковый диод состоит из двух областей (слоев), изготовленных из полупроводника (кремния, германия и т.п.). Одна область имеет избыток свободных электронов (n-полупроводник), другая – недостаток (p-полупроводник) – это достигается легированием основного материала. Между ними находится небольшая по размерам зона, в которой избыток свободных электронов из n-участка «закрывает» дырки из p-участка (происходит рекомбинация за счет диффузии), и свободных носителей заряда в этой области нет. При приложении прямого напряжения область рекомбинации невелика, её сопротивление мало, и диод проводит ток в этом направлении. При обратном напряжении зона без носителей увеличится, сопротивление диода возрастет. В этом направлении ток не пойдет.

Виды, классификация и графическое обозначение на электрических схемах

В общем случае диод на схеме обозначается в виде стилизованной стрелки, указывающей направление тока. Условно-графическое изображение (УГО) прибора содержит два вывода – анод и катод, которые в прямом подключении соединяются с плюсом электрической цепи и с минусом соответственно.

Существует большое количество разновидностей этого двухполюсного полупроводникового устройства, которые в зависимости от назначения могут иметь несколько отличающееся УГО.

Стабилитроны (диоды Зенера)

Стабилитрон – это полупроводниковый прибор, работающий при обратном напряжении в зоне лавинного пробоя. В этой области напряжение на диоде Зенера стабильно в широком диапазоне изменения тока через прибор. Это свойство используется для стабилизации напряжения на нагрузке.

Стабисторы

Стабилитроны хорошо выполняют свою работу по стабилизации напряжений от 2 В и выше. Чтобы получить неизменное напряжение ниже этого предела, используются стабисторы. Легированием материала, из которого изготовлены данные приборы (кремний, селен) добиваются наибольшей вертикальности прямой ветви характеристики. В этом режиме и работают стабисторы, выдавая образцовое напряжение в пределах 0,5…2 В на прямой ветви вольт-амперной характеристики при прямом напряжении.

Диоды Шоттки

Диод Шоттки построен по схеме полупроводник-металл, и не имеет обычного перехода. За счет этого удалось получить два важных свойства:

  • пониженное падение прямого напряжения (около 0,2 В);
  • повышенные рабочие частоты за счёт снижения собственной емкости.

К недостаткам относят увеличенные значения обратных токов и пониженную толерантность к уровню обратного напряжения.

Варикапы

Каждый диод имеет электрическую емкость. Обкладками конденсатора служат два объёмных заряда (области p и n полупроводников), а диэлектриком – запирающий слой. При приложении обратного напряжения этот слой расширяется, и ёмкость уменьшается. Это свойство присуще всем диодам, но у варикапов ёмкость нормирована и известна при заданных пределах напряжения. Это позволяет использовать такие приборы в качестве конденсаторов переменной ёмкости и применять для настройки или точной подстройки контуров с помощью подачи обратного напряжения различного уровня.

Туннельные диоды

Эти приборы имеют на прямом участке характеристики прогиб, при котором увеличение напряжения вызывает уменьшение тока. В этой области дифференциальное сопротивление отрицательно. Данное свойство позволяет применять туннельные диоды в качестве усилителей слабых сигналов и генераторов на частотах свыше 30 ГГц.

Динисторы

Динистор — диодный тиристор – имеет структуру p-n-p-n и S-образную ВАХ, не проводит ток, пока приложенное напряжение не достигнет порогового уровня. После этого открывается и ведет себя как обычный диод, пока ток не упадет ниже уровня удержания. Используются динисторы в силовой электронике в качестве ключей.

Фотодиоды

Фотодиод выполняется в корпусе с доступом видимого света к кристаллу. При облучении p-n перехода в нём возникает ЭДС. Это позволяет использовать фотодиод как источник тока (в составе солнечных батарей) или как датчик освещенности.

Светодиоды

Основное свойство светодиода – способность излучать свет при прохождении тока через p-n переход. Это свечение не связано с интенсивностью нагрева, как у лампы накаливания, поэтому прибор экономичен. Иногда используется непосредственное свечение перехода, но чаще оно применяется в качестве инициатора зажигания люминофора. Это позволило получить ранее недостижимые цвета светодиодов, например, синий и белый.

Диоды Ганна

Хотя диод Ганна имеет обычное условно-графическое обозначение, в полном смысле диодом он не является. Потому что у него отсутствует p-n переход. Этот прибор состоит из пластины из арсенида галлия на металлической подложке.

Не вдаваясь в тонкости процессов: при приложении электрического поля определенной величины в устройстве, возникают электрические колебания, период которых зависит от размеров полупроводниковой пластины (но в определенных пределах частоту можно корректировать внешними элементами).

Диоды Ганна используются в качестве генераторов на частотах 1 ГГц и выше. Плюсом прибора является высокая стабильность частоты, а недостатком – небольшая амплитуда электрических колебаний.

Магнитодиоды

Обычные диоды слабо подвержены влиянию внешних магнитных полей. Магнитодиоды имеют особую конструкцию, увеличивающую чувствительность к данному воздействию. Их делают по технологии p-i-n с удлиненной базой. Под действием магнитного поля сопротивление прибора в прямом направлении растёт, и это можно использовать для создания бесконтактных элементов переключения, преобразователей магнитных полей и т.п.

Лазерные диоды

Принцип действия лазерного диода основан на свойстве пары «электрон-дырка» во время рекомбинации при определенных условиях испускать монохроматическое и когерентное видимое излучение. Способы создания этих условий различны, для пользователя необходимо лишь знать длину излучаемой диодом волны и её мощность.

Лавинно-пролетные диоды

Эти приборы используются на СВЧ. При определенных условиях в режиме лавинного пробоя на характеристике диода возникает участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Это свойство ЛПД позволяет использовать их в качестве генераторов, работающих на длинах волн до миллиметрового диапазона. Там возможно получить мощность не менее 1 Вт. На более низких частотах с таких диодов снимают до нескольких киловатт.

Читайте также:
Преимущества полов в зале из натурального паркета: общий обзор покрытия

PIN-диоды

Эти диоды изготовлены по p-i-n технологии. Между легированными слоями полупроводников находится слой из нелегированного материала. По этой причине этого выпрямительные свойства диода ухудшены (при обратном напряжении снижена рекомбинация за счёт отсутствия прямого контакта между p- и n-зонами). Зато за счет разнесения областей объемного заряда паразитная емкость становится очень маленькой, в закрытом состоянии практически исключено просачивание сигнала на высоких частотах, и pin-диоды можно использовать на ВЧ и СВЧ в качестве переключающих элементов.

Основные характеристики и параметры диодов

К основным характеристикам полупроводниковых диодов (кроме узкоспециализированных) следует отнести:

  • максимально допустимое обратное напряжение (постоянное и импульсное);
  • граничная рабочая частота;
  • прямое падение напряжения;
  • рабочий диапазон температур.

Остальные важные характеристики лучше рассмотреть на примере ВАХ диода – так нагляднее.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода состоит из прямой и обратной ветви. Расположены они в I и в III квадрантах, так как направление тока и напряжения через диод всегда совпадают. По вольт-амперной характеристике можно определить некоторые параметры, а также наглядно увидеть, на что влияют характеристики прибора.

Напряжение порога проводимости

Если к диоду приложить прямое напряжение и начать его увеличивать, то в первый момент ничего не произойдет – ток расти не будет. Но при определенном значении диод откроется, и ток будет увеличиваться в соответствии с напряжением. Это напряжение называется напряжением порога проводимости и на ВАХ отмечено, как Uпорога. Оно зависит от материала, из которого изготовлен диод. Для самых распространенных полупроводников этот параметр составляет:

  • кремний – 0,6-0,8 В;
  • германий – 0,2-0,3 В;
  • арсенид галлия – 1,5 В.

Свойство германиевых полупроводниковых приборов открываться при малом напряжении используется при работе в низковольтных схемах и в других ситуациях.

Максимальный ток через диод при прямом включении

После того, как диод открылся, его ток растет вместе с увеличением прямого напряжения. Для идеального диода этот график уходит в бесконечность. На практике этот параметр ограничен способностью полупроводникового прибора рассеивать тепло. При достижении определенного предела диод перегреется и выйдет из строя. Чтобы этого избежать, производители указывают наибольший допустимый ток (на ВАХ – Imax). Его можно приблизительно определить по размеру диода и его корпусу. В порядке убывания:

  • наибольший ток держат приборы в металлической оболочке;
  • на среднюю мощность рассчитаны пластиковые корпуса;
  • диоды в стеклянных оболочках используются в слаботочных цепях.

Металлические приборы можно устанавливать на радиаторах – это увеличит мощность рассеяния.

Обратный ток утечки

Если приложить к диоду обратное напряжение, то малочувствительный амперметр ничего не покажет. На самом деле только идеальный диод не пропускает никакого тока. У реального прибора ток будет, но он очень мал, и называется обратным током утечки (на ВАХ – Iобр). Он составляет десятки микроампер или десятые доли миллиампер и намного меньше прямого тока. Определить его можно по справочнику.

Напряжение пробоя

При определенном значении обратного напряжения возникает резкий рост тока, называемый пробоем. Он носит туннельный или лавинный характер и является обратимым. Этот режим используется для стабилизации напряжения (лавинный) или для генерации импульсов (туннельный). При дальнейшем увеличении напряжения пробой становится тепловым. Этот режим необратим и диод выходит из строя.

Паразитическая ёмкость pn-перехода

Уже упоминалось, что p-n переход обладает электрической ёмкостью. И если в варикапах это свойство полезно и используется, то в обычных диодах оно может быть вредным. Хотя ёмкость составляет единицы или десятки пФ и на постоянном токе или низких частотах незаметна, с повышением частоты её влияние возрастает. Несколько пикофарад на ВЧ создадут достаточно низкое сопротивление для паразитных утечек сигнала, сложатся с существующей ёмкостью и изменят параметры цепи, а совместно с индуктивностью вывода или печатного проводника образуют контур с паразитным резонансом. Поэтому при производстве высокочастотных приборов принимают меры для снижения ёмкости перехода.

Маркировка диодов

Проще всего маркируются диоды в металлическом корпусе. В большинстве случаев на них наносится обозначение прибора и его цоколевка. Диоды в пластиковом корпусе маркируются кольцевой меткой со стороны катода. Но нет гарантии, что производитель строго соблюдает это правило, поэтому лучше обратиться к справочнику. Ещё лучше прозвонить прибор мультиметром.

Отечественные стабилитроны малой мощности и некоторые другие приборы могут иметь метки из двух колец или точек разного цвета на противоположных сторонах корпуса. Чтобы определить тип подобного диода и его цоколевку, надо взять справочник или найти в интернете онлайн-определитель маркировки.

Области применения диодов

Несмотря на простое устройство, полупроводниковые диоды широко используются в электронике:

  1. Для выпрямления переменного напряжения. Классика жанра – используется свойство p-n перехода проводить ток в одном направлении.
  2. Диодные детекторы. Здесь используется нелинейность ВАХ, позволяющая выделять из сигнала гармоники, нужные из которых могут быть выделены фильтрами.
  3. Два диода, включенные встречно-параллельно, служат ограничителем мощных сигналов, которые могут перегрузить последующие входные каскады чувствительных радиоприёмных устройств.
  4. Стабилитроны могут включаться в качестве искрозащитных элементов, не позволяющих высоковольтным импульсам попасть в цепи датчиков, установленных в опасных зонах.
  5. Диоды могут служить переключающими устройствами в высокочастотных схемах. Они открываются постоянным напряжением и пропускают (или не пропускают) ВЧ сигнал.
  6. Параметрические диоды служат усилителями слабых сигналов в диапазоне СВЧ за счет наличия в прямой ветви характеристики участка с отрицательным сопротивлением.
  7. На диодах собирают смесители, работающие в передающей или приёмной аппаратуре. Они смешивают сигнал гетеродина с высокочастотным (или низкочастотным) сигналом для последующей обработки. Здесь также используется нелинейность ВАХ.
  8. Нелинейная характеристика позволяет применять диоды на СВЧ в качестве умножителей частоты. При прохождении сигнала через умножительный диод, выделятся высшие гармоники. Дальше их можно выделить методом фильтрации.
  9. Диоды применяют в качестве элементов настройки резонансных цепей. При этом используется наличие управляемой емкости у p-n перехода.
  10. Некоторые виды диодов применяют в качестве генераторов в диапазоне СВЧ. В основном это туннельные диоды и приборы с эффектом Ганна.

Это только краткое описание возможностей полупроводниковых приборов с двумя выводами. При глубоком изучении свойств и характеристик с помощью диодов можно решать многие задачи, поставленные перед разработчиками электронной аппаратуры.

Читайте также:
При монтаже должны соблюдаться жесткие стандарты! Установка газового котла в квартире многоквартирного дома

Полупроводниковый диод

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.

Читайте также:
Самостоятельный ремонт мембранной кровли

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.

Электроника

учебно-справочное пособие

  • Главная
  • Теория
  • Практика
  • Справочники
  • Схемы
  • Arduino
  • Тесты

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

  • Виды полупроводников
  • Устройство полупроводникового диода
  • Условные графические обозначения полупроводниковых диодов
  • Способы включения диода
  • Вольтамперная характеристика диода
  • Основные параметры диодов
  • Классификация диодов
  • Принцип работы полупроводникового диода
  • Выпрямительные диоды

Полупроводники – вещества, которые по своему удельному сопротивлению занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Сопротивление полупроводников сильно зависит от температуры и концентрации примесей. В производстве полупроводниковых приборов наибольшее распространение получили такие материалы, как германий и кремний.

Носителями зарядов в полупроводниках являются свободные электроны (-) и дырки(+). Дырка – место на внешней орбите атома, где ранее находился электрон.

Виды полупроводников

Полупроводники, которые состоят только из атомов германия или кремния, называют чистыми, или собственными.

Полупроводники, в которых свободных электронов значительно больше, чем дырок, называют полупроводниками nтипа. Примеси в таких полупроводниках называют донорами. Основными носителями заряда являются электроны, а неосновными — дырки.

Полупроводники, в которых свободных дырок значительно больше, чем электронов, называют полупроводниками pтипа. Примеси называют акцепторами. Дырки — основные носители, а электроны — неосновные.

Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на явлениях, происходящих на границе двух полупроводников с различными типами электропроводности –р-n переходе.

Устройство полупроводникового диода

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним электронно-дырочным (р-n) переходом (основная часть) и двумя выводами. Вывод из р-области называется – анодом, из n-области – катодом.

В зависимости от формы и размера p-n-перехода различают плоскостные (рис. 1) и точечные диоды (рис. 3). У точечных диодов форма p – n перехода в виде точки, у плоскостных – в виде плоскости, имеющей значительную площадь. Плоскостные диоды могут пропускать значительные токи, но работают на невысоких частотах. Точечные диоды наоборот могут работать на высоких частотах, но пропускают маленькие токи.

К металлическому основанию плоскостного диода, называемому кристаллодержателем, припаивается пластинка полупроводника n-типа. Сверху в нее вплавляется капля металла, обычно индия. Атомы индия диффундируют (проникают) в полупроводниковую пластинку и образуют у ее поверхности слой р-типа. К кристаллодержателю и индию привариваются проводники, которые служат выводами диода.

Рис. 1 – Устройство плоскостного диода (справа – плоскостной выпрямительный диод Д242Б)
1 – изолятор, 2 – корпус, 3 -вывод анода, 4 – припой, 5 – кристалл,
6 – кристаллодержатель, 7 – внешние выводы

Точечный полупроводниковый диод состоит из пластинки полупроводника n-типа и заостренной пружинки из вольфрама или фосфористой бронзы диаметром 0,1 мм. Через прижатую к полупроводниковой пластинке пружинку пропускают электрический ток большой силы. Металлическая пружинка сваривается с полупроводниковой пластинкой, образуя под острием р-область.

Рис. 2 – Устройство точечного диода (справа – точечный диод КД522Б)
1 — выводы, 2 – стеклянный баллон, 3 – пластинка полупроводникаи, 4 – металлическая проволочка-пружина

Чем больше площадь р-n-перехода, тем больший ток может через него протекать и тем больше его емкость. Плоскостные полупроводниковые диоды применяются в электрических цепях, в которых протекают большие токи и когда емкостные свойства не оказывают заметного влияния на работу диода. Точечные диоды применяются в цепях с малыми токами и в высокочастотных устройствах.

Для защиты от механических повреждений, попадания на полупроводник света, пыли и влаги его помещают в герметический корпус.

Условные графические обозначения
полупроводниковых диодов

Условные графические обозначения полупроводниковых диодов

Диод полупроводниковый выпрямительный, общее обозначение
Стабилитрон и стабистор
Стабилитрон с двусторонней проводимостью
Варикап
Диод Шоттки
Светодиод
Фотодиод

Способы включения диода

Если к диоду подключить внешний источник напряжения плюсом к аноду (р-области), а минусом к катоду (n-области), такое подключение называется прямым включением (рис. 3), а протекающий через него ток — прямым током.


Рис. 3 – Прямое включение диода

Если источник внешнего напряжения переключить плюсом к катоду и минусом к аноду, такое включение диода называют обратным включением(рис. 4), а протекающий через него ток — обратным током. При большом значении обратного напряжения происходит пробой р-n-перехода.

Читайте также:
Подключение розетки от выключателя света с одной клавишей


Рис. 4 – Обратное включение диода

Пробой может быть тепловым или электрическим. При тепловом пробое разрушается кристалл и свойства р-n-перехода теряются. Электрический пробой, не перешедший в тепловой, является обратимым, т. е. свойства р-n-перехода восстанавливаются при снятии обратного напряжения.

Вольтамперная характеристика диода

График, приведенный на рис. 7, называется вольтамперной характеристикой (ВАХ) диода. Из ВАХ диода видно, что сила протекающего через него тока зависит от полярности приложенного напряжения. При прямом напряжении ток большой (мА, А), а при обратном напряжении — в сотни и даже тысячи раз меньше (мкА, мА).

Рис. 5 – Типовые вольт-амперные характеристики германиевого и кремниевого полупроводниковых
диодов, масштаб по оси тока и напряжения меняется при переходе через начало координат

Левая часть характеристики называется обратной ветвью характеристики, правая часть – прямой ветвью.

Основные параметры диодов

К этой информации обращаются в тех случаях, когда указанный в схеме элемент недоступен, что требует найти ему подходящий аналог.

В большинстве случаев, если требуется найти аналог тому или иному диоду, первых пяти параметров из таблицы 1 будет вполне достаточно. При этом желательно учесть диапазон рабочей температуры элемента и частоту.

Основные характеристики выпрямительных диодов

Обозначение Описание
Iпр.max Максимально допустимый постоянный прямой ток
Iобр Постоянный обратный ток
Uпр Постоянное прямое напряжение
Uобр.max Максимально допустимое обратное напряжение
Pmax Максимально допустимая мощность, рассеиваемая на диоде
Pср Средняя за период мощность, рассеиваемая диодом, при протекании тока в прямом и обратном направлениях;
Iпр.ср.max Максимально допустимый средний прямой ток
Iвп.ср.max Максимально допустимый средний выпрямленный ток
Uобр Постоянное напряжение , приложенное к диоду в обратном направлении
Iпр.ср Прямой ток, усредненный за период
Iобр.ср Обратный ток, усредненный за период
Rдиф Дифференциальное сопротивление – отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока
Uпр.ср Среднее прямое напряжение диода при заданном среднем значении прямого тока

Классификация диодов

Принцип работы полупроводникового диода

В основу работы диода положено свойство p-n-перехода хорошо пропускать ток в одном направлении и плохо в другом. Диод состоит из одного p-n-перехода и проводит ток в одном направлении только тогда, когда величина напряжения, приложенного к диоду, больше величины потенциального барьера. Для германиевого диода минимальное внешнее напряжение равно 0,3 В, а для кремниевого – 0,7 В.

Если монокристалл полупроводникового материала с одного конца легировать примесями типа р, а с другого – примесями типа n, то между областями с различным типом проводимости образуется р-n-переход. Некоторые дырки из области р диффундируют в область n. В результате область р получает небольшой отрицательный заряд. Аналогичным образом электроны из области n диффундируют в область р, и область n оказывается заряженной положительно. В тонком слое между областями n и р элек­троны и дырки рекомбинируют, и так как этот слой в результате имеет очень мало свободных носителей заряда, его называют обедненным слоем. Этот слой действует как потенциальный барьер, препятствующий дальнейшей диффузии носителей зарядов, и переход находится в состоянии динамического равновесия (рис. 6, а).

Если внешнее напряжение приложено к выводам диода таким образом, что анод (А) имеет положительный потенциал по отношению к катоду (К), то будет наблюдаться уменьшение толщины обедненного слоя. Потенциальный барьер при этом снижается, что способствует протеканию тока через переход. С увеличением внешнего напряжения ток через переход возрастает по экспоненциальному закону до тех пор, пока внешнее напряжение не станет равным величине потенциального барьера, т. е. результирующее напряжение на переходе станет равным нулю. Дальнейшее возрастание тока через переход ограничивается только сопротивлением полупроводникового материала. Если полярность внешнего напря­жения изменить на обратную, то величина потенциального барьера возрастет, и основные носители не смогут преодолеть потенциальный барьер. В этих условиях, однако, через переход будет протекать незначительный ток, называемый обратным током. При возрастании внешнего обратного напряжения этот ток остается постоянным, пока напряжение не достигнет точки пробоя. В этой точке при постоянном напряжении ток быстро возрастает (рис. 6, б).

Рис. 6 – Полупроводниковый переход с потенциальным барьером:
а – образованным диффузией носителей зарядов;
б – вольт-амперная характеристика полупроводникового диода,
Масштаб по оси тока меняется при переходе через начало координат

Таким образом, при смещении перехода в прямом направлении через него будет протекать достаточно большой ток, а при обратном смещении, меньшем пробивного, ток, протекающий через переход, крайне мал. Иными словами, такое устройство действует, как выпрямитель.

Выпрямительные диоды

Основное предназначение выпрямительных диодов – преобразование напряжения. Но это не единственная сфера применения данных полупроводниковых элементов. Их устанавливают в цепи коммутации и управления, используют в каскадных генераторах и т.д.

В качестве основы р-n перехода используются кристаллы кремния или германия. Кремниевые диоды применяются значительно чаще, это связано с тем, что у германиевых элементов величина обратных токов значительно выше, что существенно ограничивает допустимое обратное напряжение (оно не превышает 400 В). В то время как у кремниевых полупроводников эта характеристика может доходить до 1500 В.

Помимо этого у германиевых элементов значительно уже диапазон рабочей температуры, он варьируется в пределах от -60°С до 85°С. При превышении верхнего температурного порога резко увеличивается обратный ток, что отрицательно отражается на эффективности устройства. У кремниевых полупроводников верхний порог порядка 125°С-150°С.

Мощность выпрямительных диодов определяется максимально допустимым прямым током. В соответствии этой характеристики принята следующая классификация:

    Слаботочные выпрямительные диоды, они используются в цепях с током не более 0,3 А. Корпус таких устройств, как правило, выполнен из пластмассы. Их отличительные особенности – малый вес и небольшие габариты.

Рис. 7 – Выпрямительные диоды малой мощности

Рис. 8 – Выпрямительный диод средней мощности

Рис. 9 – Выпрямительные диоды высокой мощности

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: