Принцип работы полупроводникового диода: Принцип работы полупроводникового диода

Полупроводниковый диод. Принцип его работы, параметры и разновидности.

Устройство, параметры и разновидности диодов

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

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

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

Как работает полупроводниковый диод.

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

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

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

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

Типы диодов и область их применения.

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

• Выпрямительные диоды. Предназначены для выпрямления переменного тока.

• Стабилитроны. Обеспечивают стабилизацию выходного напряжения.

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

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

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

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

• Лавинно-пролётные диоды генерируют частоты до 180 ГГц.

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

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

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

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

Параметры полупроводниковых диодов.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

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.

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

Устройство

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

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

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

Назначение

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

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

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

Прямое включение диода

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

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

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

Обратное включение диода

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

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

Прямое и обратное напряжение

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

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

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

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

Работа диода и его вольт-амперная характеристика

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

Подобный график можно описать следующим образом:

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

Принцип работы

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

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

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

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

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

Конструкция диода

Одна из возможных конструкций диода показана ниже:

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

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

В свою очередь полупроводниковые элементы делят на:

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

Схемы включения диодов

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

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

Понравилась статья? Расскажите друзьям:

Оцените статью, для нас это очень важно:

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

Полупроводниковый диод

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

На принципиальной электрической схеме диоды изображаются следующим образом:

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

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

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

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

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

 На рисунке схематично изображен график напряжения на резисторе.

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

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

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

Устройство и принцип работы полупроводниковых диодов | Electrotechnical Laboratory

Всем привет мои дорогие друзья, подписчики и коллеги.

Сегодня я хочу рассказать про то как устроены и работают полупроводниковые диоды.

Полупроводниковый диод, это электронный прибор, который способен пропускать электрический ток, только в одном направлении. Такие приборы как правило применяются в выпрямительных устройствах, а также в электрических и электронных схемах, где нужно конкретное направление тока.

Схема однофазного мостового выпрямителя

Основным элементом диода, являются полупроводники, как правило это кремний или германий. Но сами полупроводники обладают высокими сопротивлениями и низкой проводимостью, из-за того, что эти элименты являются четырехвалентными, и каждый его электрон на внешней орбите атома имеет связь с другим электроном другого атома. Для того, чтобы полупроводники могли проводить электрический ток, в них добавляют примеси, в виде доноров и акцепторов.

Кристаллическое строение атома кремния

Диод имеет две зоны проводимости это р — зона и n — зона. В зону p — типа добавляют акцепторы, в виде трехвалентных химических элементов, которые образуют дырки, а в зону n — типа — доноры — пятивалентные химические элементы, которые образуют свободные электроны.

Пример примесей доноров и акцепторов

Две эти зоны соединены на кристаллическом уровне. Сам диод имеет два вывода, анод и катод.

При подачи на диод прямое напряжение, (к аноду — плюс, к катоду — минус) свободные электроны начнут переходить из области — n, в область — p, а дырки начнут перемещаться из области — p в область — n. При этом его сопротивление уменьшится и диод будет проводить электрический ток.

При подачи на диод обратного напряжения, (к аноду — минус, к катоду — плюс) свободные электроны сместиться к выводу катода, а дырки к выводу анода, в зоне p-n перехода образуется запирающий слой, который увеличит сопротивление диода, который не позволит диоду пропускать электрический ток. А точнее ток будет протекать очень слабый, который называется обратным током.

Вольт-Амперная характеристика полупроводникового диода и прямая — обратная подача напряжения на диод

Если вам понравился это материал, то поставьте ему лайк, а также не забудьте подписаться на наш канал и нажать на колокольчик, чтобы не пропускать новые выпуски. Всем пока.

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

Полупроводниковый диод. ВАХ специальных диодов. — Help for engineer

Полупроводниковый диод. ВАХ специальных диодов.

Существует три вида диодов:

— газонаполненные;

— электровакуумные;

— полупроводниковые диоды, про которые и будет идти речь дальше.

В чистом полупроводнике отсутствуют свободные электроны, поэтому его электропроводность, как и у диэлектрика крайне мала. Если добавить в полупроводник примесь, то проводимость увеличится. Для того чтоб заметить изменение электропроводимости, достаточно в чистый полупроводник добавить очень малое количество примеси – 1 атом примеси на 10⁶ атомов полупроводника. Электрическая проводимость любого вещества зависит от наличия в атоме свободных, слабо связанных электронов на внешней орбите.

Если электрон освободился от соседнего атома, то на месте оборванного электрона появилась новая дырка. Электроны двигаются от отрицательного к положительному потенциалу, а дырки можно рассматривать как такие, что двигаются в обратном направлении. Также дырки можно рассматривать как элемент положительного заряда. Примеси, которые образовывают свободные электроны в полупроводнике, называются донорными, а которые делают дырки – акцепторными. Процесс заполнения неполных валентных связей называется рекомбинация.

Рисунок 1 – Проводимость полупроводникового диода

p-n переход – это переходной слой, полученный на границе полупроводников разной проводимости.

Различают два типа перехода:

— плоскостной;

— точечный.

Принцип работы полупроводникового диода основан на особенности p-n перехода — ярко выраженная проводимость, которая зависит от полярности приложенного напряжения (рисунок 1).

На основании представленных характеристик материалов создан полупроводниковый прибор – диод.

Рисунок 2 – Обозначение диода

Обозначение диода в электрических схемах – VD.

Основные электрические параметры диода:

1. І_ном – максимальное значение действующего тока через диод, которое его не перегревает.

2. Максимальный импульсный ток – І_і.max.

3. Обратное максимальное напряжение U_обр.

Все полупроводниковые приборы очень чувствительны к примесям в воздухе, поэтому их размещают в герметичном корпусе из стекла или керамики.

Работа диода при прямом приложенном напряжении имеет следующий вид (ток — черная кривая, напряжение — красная):

Рисунок 3 – Ток и напряжение на диоде

С рисунка видно, что при положительном напряжении диод VD открывается и напряжение имеет малое значение, при отрицательном напряжении диод закрывает мгновенно, переставая пропускать через себя ток.

Широко применяются при необходимости преобразования переменного напряжения в постоянное. Выпрямленное напряжение будет иметь пульсирующий вид, как изображено на рисунке 3 – однополупериодное выпрямление, если же применять диодный мост, то будет осуществлено двухполупериодное выпрямление. В полученном пульсирующем напряжении для электрических приборов будет важно действующее значение напряжения. Для трехфазных сетей применяют выпрямитель Ларионова.

Специальные диоды

Стабилитрон – разновидность диода, которому характерна вертикально спадающая ВАХ, на которой стабилитрон предназначен продолжительно работать.

Рисунок 4 – Вольт-амперная характеристика (ВАХ) стабилитрона

Предназначается для работы в источниках питания для стабилизации напряжения.

Основные характеристики: U_{стабилизации}, І_min, I_max– граничные значения тока через стабилитрон.

Туннельный диод – это диод, которому характерно наличие в прямой ветке вольт-амперной характеристики участок с обратным сопротивлением. При увеличении прямого напряжения монотонно увеличивается выходное значение тока. Напряжение пробоя такого полупроводника практически равно нулю.

Рисунок 5 – ВАХ туннельного диода

Используются в схемах переключения и генераторах электрических колебаний.

Динистор – специальный диод, который сохраняет высокое сопротивление до определенного значения прямого напряжения, после чего сопротивление резко спадает и равно величине сопротивления открытого диода.

Рисунок 6 – Вольт-амперная характеристика динистора

Используют в схемах автоматики и генераторах переменно-линейного напряжения.

Варикап – диод, у которого изменяется емкость в зависимости от значения приложенного обратного напряжения.

Рисунок 7 – ВАХ варикапа

Применяются в электрических схемах, где необходима настройка частоты контура колебания, деление или умножение частоты.

Характерные для варикапа параметры:

— общая емкость – измеренная емкость при определенном обратном напряжении;

— коэффициент перекрытия по емкости – при двух некоторых значениях напряжения отношения емкостей варикапа.

— температурный коэффициент емкости – относительное изменение емкости, вызванное сменой температуры.

— предельная частота – та, на которой реактивная составляющая варикапа становится равна активной.

Фотодиод – спец диод, обратная проводимость которого изменяется от величины светового потока Ф.

Рисунок 8 – ВАХ фотодиода

Используются в измерителях светового потока и приборах автоматики.

Светодиод излучает свет при прохождении через него в прямом направлении электрического тока, цвет свечения определяется химическим составом кристалла.

Отличительной особенностью светодиода является экономичность – очень малое потребление тока (2-5мА).

Недостаточно прав для комментирования

виды, как работает и область применения

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

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

Устройство и принцип работы

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

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

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

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

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

Основные виды

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

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

Область применения

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

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

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

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

Полупроводниковый диод

— Принцип работы — Области применения

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

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

Принцип работы диода

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

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

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

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

Соотношение тока и напряжения реального диода

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

Полупроводниковый диод работает двумя способами:

Прямо смещенный

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

Обратное смещение

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

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

Применение полупроводниковых диодов

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

Другие применения диодов:

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

Принцип работы полупроводникового диода с PN переходом

В этой статье я объясню принцип работы полупроводникового диода с PN переходом. Как вы знаете, диод работает как в прямом, так и в обратном смещении, поэтому мы подробно объясним оба этих состояния с помощью необходимых кривых ВАХ.

Базовая часть — это общее описание полупроводников p- и n-типа, а также найденного pn-перехода.Полупроводниковый диод — это биполярное устройство, состоящее из полупроводникового кристалла p- и n-типа. Поверхность стыка, составляющая pn переход. Между различно легированными полупроводниковыми подложками происходит перенос заряда. Часть электронов из области n-типа мигрирует в полупроводник p-типа. Известно, что положительные носители заряда притягиваются дырками или дефектными электронами.
В области контакта оба полупроводниковых кристалла не являются электрически нейтральными. Полупроводниковая область n-типа, образующая положительный заряд.В соседнем полупроводнике p-типа создается область отрицательного заряда. При обесточивании процесс диффузии естественным образом останавливается. В зоне контакта обоих типов полупроводников находится пограничный слой, а значит, и зона пространственного заряда. Величина диффузионного напряжения полупроводникового материала и сила примеси зависят. В процессе диффузии пограничный слой обедняется свободными носителями заряда. Это высокий импеданс и барьерный слой.

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

Диод в прямом направлении

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

Источник изображения:

Собственное, созданное с помощью программного обеспечения САПР

Прохождение тока (от 1 до 100) мкА, которое намного ниже порогового напряжения, практически неизмеримо. Барьерный слой не удален, а pn переход имеет высокое сопротивление.

Вблизи порога напряжение возрастает нелинейно, при этом истощается ток блокирующего слоя.

Выше порогового напряжения барьерный слой ухудшается и сопротивление полупроводника очень низкое.Прямой ток очень быстро увеличивается. Оно не может превышать максимального значения и должно ограничиваться последовательным резистором.
Возникающие в результате потери тепла при проведении в полупроводнике улучшают его проводимость. Каждые 10 градусов повышения температуры удваиваются за счет спаривания германиевых диодов по количеству свободных носителей заряда в кристалле, а в кремниевых диодах даже утраиваются. Без ограничения тока компонент в конечном итоге разрушается.

Необходимость пробоя барьерного напряжения называется пороговым или пороговым напряжением.Это соответствует напряжению диффузии находящегося под напряжением pn перехода. Выше порогового значения напряжение полупроводникового диода низкое и проводящее. Тогда диод работает в прямом направлении или в полосе пропускания.

Полупроводниковые диоды не имеют постоянного значения сопротивления. Он выбранная рабочая точка. Область крутой кривой выше порогового напряжения, постоянное значение сопротивления постоянному току может быть рассчитано с хорошим приближением в соответствии с законом Ома. Величина резистора рассчитывается как отношение напряжения и тока в рабочей точке.

Для более точных расчетов или использования диода в конкретных цепях дифференциального сопротивления, также называемого сопротивлением переменного тока, использовать. Его можно определить графически, применив характеристику касательной к рабочей точке с помощью треугольника наклона.

Диод в полосе заграждения

Источник изображения:

Собственный, созданный с помощью программного обеспечения CAD

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

Диоды с высоким обратным напряжением

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

Источник изображения:

Создано с использованием программного обеспечения CAD.

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

Важные граничные данные диодов

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

Обратное напряжение UR

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

Пиковое обратное напряжение URM

Значение представляет собой максимальное периодическое пиковое значение переменного напряжения в обратном направлении при рабочей частоте больше чем 20 Гц

Прямой ток IF и I0

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

Максимальный пиковый ток IFM

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

Рассеиваемая мощность Ptot

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

Температура перехода Tj

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

Температура окружающей среды ТУ

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

Некоторые характеристики диода

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

Прямое напряжение VF

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

Обратный ток IR

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

Емкость диода CD

Диод, обедненная область барьерного слоя с электрическим потенциалом заряженного пластинчатого конденсатора можно сравнить. Диоды с большой площадью поперечного сечения на pn переходе имеют высокие значения емкости.Диапазон значений от нескольких пФ до пика диода 500 пФ в диодах с удельной емкостью.

Есть диоды с очень коротким временем переключения, диоды переключения. Время обратного восстановления определяет верхнюю частоту, на которой диод все еще работает должным образом. На следующей диаграмме показано поведение универсального диода 1N4005, работающего на слишком высокой частоте. Входным сигналом является один раз синусоидальное напряжение, а в другой раз — прямоугольное напряжение с пиковым значением 15 В на частоте 50 кГц.Диод подключен как однополупериодный выпрямитель, и выходное напряжение измеряется на нагрузочном резисторе kO сначала

Источник изображения:

Собственный, созданный с помощью программного обеспечения CAD

Of (от 0 до 10) — потенциал анода больше положительный, чем у катода. Диод работает в режиме передачи и выходное напряжение равно входному. Of (от 10 до 20) — диод должен быть заблокирован, а выходное напряжение V 0. Это состояние достигается через 5 микросекунд. При этом из области pn перехода вытекают носители заряда.После этого, исходя из зоны отчуждения, и диод не проводит.

Область, выделенная желтым цветом, допустимая рассеиваемая мощность диода может быть превышена очень быстро. Он рассчитывается как P tot = R · U I R. При высоком обратном напряжении UR протекает большой обратный ток I R, который соответствует первым микросекундам значения прямого тока.

Работа PN-диода со смещением, характеристики

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

Введение

PN-переход

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

PN-переходный диод — это диод, который может использоваться в качестве выпрямителя, логического элемента, стабилизатора напряжения, переключающего устройства, конденсатора, зависимого от напряжения, и в оптоэлектронике в качестве фотодиода, светоизлучающего диода (LED), лазерного диода, фотодетектора или солнечного излучения. ячейка в электронике.

Работа PN диода

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

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

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

PN Соединительный диод при отсутствии внешнего напряжения

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

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

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

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

Диод с прямым смещением Pn-переходом

При подаче внешнего напряжения разность потенциалов изменяется между областями P и N. Когда положительный вывод источника подключается к стороне P, а отрицательный вывод подключается к стороне N, тогда диод перехода считается подключенным в условие прямого смещения. Прямое смещение снижает потенциал на PN-переходе.

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

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

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

Характеристики диода с прямым смещением

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

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

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

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

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

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

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

Разность потенциалов на стыке или в двух областях N и P поддерживается постоянной за счет действия слоя обеднения. Максимальный ток, который должен быть проведен, ограничивается нагрузочным резистором, потому что, когда диод проводит больше тока, чем обычные характеристики диода, избыточный ток приводит к рассеиванию тепла, а также к серьезному повреждению устройства.

Диод с обратным смещением PN

Когда положительная клемма источника подключена к стороне N, а отрицательная клемма подключена к стороне P, тогда диод перехода считается подключенным в состоянии обратного смещения. В этом типе соединения основные носители заряда притягиваются от обедненного слоя соответствующими клеммами батареи, подключенными к PN-переходу.

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

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

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

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

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

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

Характеристики диода с обратным смещением

Характеристики V-I PN-переходного диода

В вольт-амперных характеристиках переходного диода из первого квадранта на рисунке ток в прямом смещении невероятно низок, если входное напряжение, приложенное к диоду, ниже порогового напряжения (Vr).Пороговое напряжение дополнительно называется напряжением включения.

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

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

PN Идеальные и реальные характеристики диода

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

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

Сводка

• Полупроводники обладают такими же свойствами, как проводники и изоляторы.
• Обычно используемый материал для полупроводников — кремний.
• Полупроводники содержат электроны и дырки в качестве носителей заряда.
• Носители заряда в полупроводниках могут свободно перемещаться по устройству, поэтому их называют мобильными носителями заряда.
• Дыры — это положительно заряженные частицы, а электроны — отрицательно заряженные частицы.
• Носители заряда отвечают за проведение электрического тока.
• Полупроводники бывают двух типов: собственные и внешние полупроводники.
• Собственные полупроводники — это чистейшие полупроводники, поскольку они не содержат примесей.
• Внешние полупроводники содержат примеси, называемые легирующими добавками, которые изменяют электрические свойства полупроводников.
• Внешние полупроводники подразделяются на два типа. Они бывают N-типа и P-типа.

Примеси

• N-типа называются донорами, потому что они содержат электроны в качестве основных носителей заряда.

Примеси

• P-типа называются акцепторами, потому что они содержат дырки в качестве основных носителей заряда.

Переход

• PN формируется в монокристалле путем соединения двух полупроводников N-типа и P-типа.

Диод с PN переходом

• представляет собой устройство с двумя выводами, характеристики диода зависят от полярности внешнего потенциала, приложенного к диоду с PN переходом.
• Спай полупроводников N и P свободен от носителей заряда; поэтому область называется областью истощения.
• Ширина обедненной области изменяется в зависимости от приложенного внешнего потенциала.
• Когда к PN-переходу не приложен внешний потенциал, это состояние называется нулевым смещением. Потенциал перехода для кремниевых диодов составляет 0,6–0,7 В, а для германиевых диодов — 0,3 В.
• Когда соединение смещено в прямом направлении, большинство носителей притягиваются к соединению и пополняются в соединении.В этом состоянии ширина обедненной области уменьшается, и с увеличением внешнего потенциала диод действует как короткое замыкание, позволяющее протекать через него максимальному току.
• Когда переходной диод смещен в обратном направлении, основные носители заряда притягиваются соответствующими выводами вдали от PN-перехода, тем самым предотвращая диффузию электронов и дырок в переходе. Будет небольшой ток, называемый током утечки, из-за неосновных носителей заряда в переходе.Этот небольшой ток называется дрейфовым током. При дальнейшем увеличении потенциала обратного смещения диод действует как разомкнутая цепь, тем самым блокируя прохождение тока через него.

ПРЕДЫДУЩАЯ — РУКОВОДСТВО ПО ПРИВОДУ PN

ДАЛЕЕ — ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИОДА

Принцип работы диода

PN

PN Принцип работы соединительного диода:

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 может 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, что в этой области есть истощение свободных зарядов, т.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 перемещения отверстия со стороны p на сторону n, будет равна eV _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 в прямом направлении, 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 прямого смещения должно быть больше, чем потенциал барьера. Если напряжение прямого смещения меньше, чем потенциал барьера, энергия, передаваемая батареей 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 pn-перехода 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.

Работа диода — Energy Education

Рис. 1. p-n переход диода вместе с его соответствующими схематическими и реальными компонентами. ^[1] Катод и анод диода помечены так, что обычный ток течет от анода к катоду через диод.

Принцип работы диода может быть трудным для понимания, поскольку он основан на довольно продвинутой квантовой механике.Однако на простейшем уровне работу диода можно понять, взглянув на поток положительных зарядов (или «дырок») и отрицательных зарядов (электронов). Технически полупроводниковый диод упоминается как p-n переход . Эти p-n-переходы также важны для работы фотоэлементов. Для правильной работы диода требуется процесс, известный как легирование. Полупроводники могут быть легированы материалами так, чтобы они имели избыток легко смещаемых электронов — обычно это называется отрицательной областью или n-типа .Кроме того, они могут быть легированы элементами, которые создают избыток дырок, которые легко поглощают эти электроны — обычно называемые положительной областью или p-типа . ^{[2] [3]} Отрицательная и положительная области диода также являются катодом и анодом компонента соответственно (см. Рисунок 1).

Различия между этими двумя материалами и их взаимодействие на очень коротких расстояниях (менее миллиметра) приводят к образованию диода при соединении двух типов.Соединение этих двух типов создает p-n-переход, а область между двумя сторонами называется обедненной областью, поскольку электроны из области n-типа диффундируют и заполняют некоторые дыры в области p-типа. Это создает отрицательные ионы в области p-типа и оставляет положительные ионы в области n-типа (см. Рисунок 2). ^[4] Он по-разному реагирует на электрические поля в зависимости от направления электрического поля. Это приводит к полезному поведению электроники в зависимости от того, каким образом приложено напряжение (или электрическое поле), это называется смещением.

Смещение

Диод (PN переход) в электрической цепи позволяет току течь легче в одном направлении, чем в другом. Прямое смещение означает подачу напряжения на диод, позволяющее легко протекать току, в то время как обратное смещение означает подачу напряжения на диод в противоположном направлении. Напряжение с обратным смещением не вызывает протекания заметного тока. Это полезно для изменения переменного тока на постоянный. У него есть и другие применения для управления электронными сигналами.

Обратное смещение

Рис. 2. Обратносмещенный p-n-переход с черными кружками, представляющими легко перемещаемые электроны, и белыми кружками, представляющими «дырки» с недостатком электронов. В таком соединении с обратным смещением, как этот, электроны покидают черные кружки и движутся к внешней цепи, оставляя больше положительных ионов, в то время как электроны из внешней цепи «заполняют дыры», создавая больше отрицательных ионов.

Если на диод подается напряжение таким образом, что половина диода n-типа была подключена к положительной клемме источника напряжения, а половина p-типа была подключена к отрицательной клемме, электроны из внешней цепи создаст больше отрицательных ионов в области p-типа, «заполняя дыры», и больше положительных ионов будет создано в области n-типа, поскольку электроны смещаются к положительному выводу источника напряжения (см. рисунок 2).Следовательно, область истощения будет увеличиваться, и напряжение между областями p-типа и n-типа также будет увеличиваться, поскольку общий заряд на каждой стороне перехода увеличивается по величине до тех пор, пока напряжение на диоде не станет равным и противодействует приложенному напряжению и не компенсирует его, прекращая ток через цепь. Этот процесс происходит почти мгновенно и практически не приводит к протеканию тока через цепь, когда напряжение подается в этом направлении через диод. Это известно как p-n-переход с обратным смещением. ^[5]

Смещение вперед

Рис. 3. Частично и полностью смещенный в прямом направлении p-n переход. Обратите внимание, что для сжатия обедненной области требуется минимальное напряжение.

Когда на диод подается напряжение в противоположном направлении, обедненная область начинает сокращаться (см. Рисунок 3). В диоде с обратным смещением электроны и дырки будут отводиться от перехода, но сценарий с прямым смещением гарантирует, что электроны и дырки движутся к переходу, поскольку они отталкиваются от положительных и отрицательных выводов источника напряжения соответственно. . ^{[1] [6]} При достаточно большом приложенном напряжении и дырки, и электроны преодолеют область истощения и встретятся рядом с переходом, где они могут объединиться в непрерывном процессе, замыкая цепь и позволяя течь току. .

Прямое напряжение и напряжение пробоя

Существует минимальное пороговое напряжение, необходимое для преодоления области истощения, которое для большинства кремниевых диодов составляет значительные 0,7 вольт. Кроме того, напряжение обратного смещения индуцирует через диод небольшой ток, называемый током утечки, которым можно пренебречь для большинства целей.Наконец, достаточно большое обратное напряжение приведет к полному электрическому пробою диода и позволит току течь через диод в обратном направлении. ^[1]

Для получения дополнительной информации о диодах см. Все о схемах или гиперфизике.

Для дальнейшего чтения

Для получения дополнительной информации см. Соответствующие страницы ниже:

Список литературы

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

Что такое диод?

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

История диода:

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

Конструкция диода:

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

Полупроводники

далее подразделяются на два типа: внутренние и внешние полупроводники .

Внутренние полупроводники:

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

Внешние полупроводники:

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

Формирование полупроводников P- и N-типа:

Полупроводник N-типа:

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

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

Полупроводник P-типа

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

Соединительный диод P-N:

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

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

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

Символьное представление диода выглядит следующим образом.

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

Теория соединения P-N:

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

Образование стыков :

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

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

Что делать, если концентрации легирования отличаются друг от друга?

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

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

Диод в прямом смещении :

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

Если положительный вывод батареи или источника напряжения приложен к аноду или области P диода, а отрицательный вывод к катоду или области N диода, то говорят, что это с прямым смещением .

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

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

Диод обратного смещения :

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

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

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

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

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

Различные типы диодов:

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

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

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

Давайте кратко рассмотрим принцип работы и конструкцию этих устройств.

Стабилитрон:

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

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

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

Светоизлучающий диод (LED):

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

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

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

ЛАЗЕРНЫЙ диод:

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

Символическое представление ЛАЗЕРНОГО диода аналогично изображению светодиода.

Фотодиод:

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

Варакторный диод:

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

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

Диод Шоттки:

Полупроводник

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

Туннельный диод:

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

PIN диод:

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

Его символическое представление аналогично нормальному P-N диоду.

Применение диодов:

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

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

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

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

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

.