Устройство диода полупроводникового: Полупроводниковый диод

Содержание

Полупроводниковый диод

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

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

Диод в состоянии покоя

Посмотрим, что происходит внутри PN-перехода, когда полупроводниковый диод находится в состоянии покоя.
То есть тогда, когда ни к аноду, ни к катоду не подключено напряжения.

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

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

Обратное включение диода

Теперь посмотрим, как у полупроводникового диода получается выполнять свою основную функцию – проводить ток только в одном направлении.
Подключим источник питания — плюс к катоду, минус к аноду.

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

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

Прямое включение диода

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

Чтобы не возникло путаницы, напомню,
что направление тока на электрических схемах обратно направлению потока электронов.

Недостатки реального полупроводникового диода

На практике, в реальном диоде, при обратном подключении напряжения, возникает очень маленький ток,
измеряемый в микро, или наноамперах ( в зависимости от модели прибора ).
В следствии слишком высокого напряжения, может разрушиться кристаллическая структура полупроводника в диоде.
В этом случае, прибор начнет хорошо проводить ток также и при обратном смещении.
Такое напряжение называется напряжение пробоя.
Процесс разрушения структуры полупроводника невосстановим, и прибор приходит в негодность.

При прямом подключении, напряжение между анодом и катодом должно достигнуть определенного значения V_ϒ,
для того чтобы диод начал хорошо проводить ток.
Для кремниевых приборов V_ϒ — это примерно 0.7V, а для германиевых — около 0.3V.
Более подробно об этом, и других характеристиках полупроводникового выпрямительного диода пойдет речь в статье ВАХ полупроводникового диода.

Принцип работы полупроводникового диода

Полупроводниковый диод — полупроводниковый прибор, в широком смысле — электронный прибор, изготовленный из полупроводникового материала, имеющий два электрических вывода (электрода). В более узком смысле — полупроводниковый прибор, во внутренней структуре которого сформирован один p-n-переход.

Диод — самый простейший по устройству в славном семействе полупроводниковых приборов. Если взять пластинку полупроводника, например германия, и в его левую половину ввести акцепторную примесь, а в правую донорную, то с одной стороны получится полупроводник типа P, соответственно с другой типа N. В середине кристалла получится, так называемый P-N переход, как показано на рисунке 1.

На этом же рисунке показано условное графическое обозначение диода на схемах: вывод катода (отрицательный электрод) очень похож на знак «-». Так проще запомнить.

Всего в таком кристалле две зоны с различной проводимостью, от которых выходят два вывода, поэтому полученный прибор получил название диод, поскольку приставка «ди» означает два.

В данном случае диод получился полупроводниковый, но подобные устройства были известны и раньше: например в эпоху электронных ламп был ламповый диод, называвшийся кенотрон. Сейчас такие диоды ушли в историю, хотя приверженцы «лампового» звука считают, что в ламповом усилителе даже выпрямитель анодного напряжения должен быть ламповым!

Рисунок 1. Строение диода и обозначение диода на схеме

На стыке полупроводников с P и N проводимостями получается P-N переход (P-N junction), который является основой всех полупроводниковых приборов. Но в отличии от диода, у которого этот переход лишь один, транзисторы имеют два P-N перехода, а, например, тиристоры состоят сразу из четырех переходов.

P-N переход в состоянии покоя

Даже если P-N переход, в данном случае диод, никуда не подключен, все равно внутри него происходят интересные физические процессы, которые показаны на рисунке 2.

Рисунок 2. Диод в состоянии покоя

В области N имеется избыток электронов, она несет в себе отрицательный заряд, а в области P заряд положительный. Вместе эти заряды образуют электрическое поле. Поскольку разноименные заряды имеют свойство притягиваться, электроны из зоны N проникают в положительно заряженную зону P, заполняя собой некоторые дырки. В результате такого движения внутри полупроводника возникает, хоть и очень маленький (единицы наноампер), но все-таки ток.

В результате такого движения возрастает плотность вещества на стороне P, но до определенного предела. Частицы обычно стремятся распространяться равномерно по всему объему вещества, подобно тому, как запах духов распространяется на всю комнату (диффузия), поэтому, рано или поздно, электроны возвращаются обратно в зону N.

Если для большинства потребителей электроэнергии направление тока роли не играет, — лампочка светится, плитка греется, то для диода направление тока играет огромную роль. Основная функция диода проводить ток в одном направлении. Именно это свойство и обеспечивается P-N переходом.

Далее рассмотрим, как ведет себя диод в двух возможных случаях подключения источника тока.

Включение диода в обратном направлении

Если к полупроводниковому диоду подключить источник питания, как показано на рисунке 3, то ток через P-N переход не пройдет.

Рисунок 3. Обратное включение диода

Как видно на рисунке, к области N подключен положительный полюс источника питания, а к области P – отрицательный. В результате электроны из области N устремляются к положительному полюсу источника. В свою очередь положительные заряды (дырки) в области P притягиваются отрицательным полюсом источника питания. Поэтому в области P-N перехода, как видно на рисунке, образуется пустота, ток проводить просто нечем, нет носителей заряда.

При увеличении напряжения источника питания электроны и дырки все сильней притягиваются электрическим полем батарейки, в области же P-N перехода носителей заряда остается все меньше. Поэтому в обратном включении ток через диод не идет. В таких случаях принято говорить, что полупроводниковый диод заперт обратным напряжением.

Увеличение плотности вещества около полюсов батареи приводит к возникновению диффузии, — стремлению к равномерному распределению вещества по всему объему. Что и происходит при отключении элемента питания.

Обратный ток полупроводникового диода

Вот здесь как раз и настало время вспомнить о неосновных носителях, которые были условно забыты. Дело в том, что даже в закрытом состоянии через диод проходит незначительный ток, называемый обратным. Этот обратный ток и создается неосновными носителями, которые могут двигаться точно так же, как основные, только в обратном направлении. Естественно, что такое движение происходит при обратном напряжении. Обратный ток, как правило, невелик, что обусловлено незначительным количеством неосновных носителей.

С повышением температуры кристалла количество неосновных носителей увеличивается, что приводит к возрастанию обратного тока, что может привести к разрушению P-N перехода. Поэтому рабочие температуры для полупроводниковых приборов, — диодов, транзисторов, микросхем ограничены. Чтобы не допускать перегрева мощные диоды и транзисторы устанавливаются на теплоотводы – радиаторы.

Включение диода в прямом направлении

Показано на рисунке 4.

Рисунок 4. Прямое включение диода

Теперь изменим полярность включения источника: минус подключим к области N (катоду), а плюс к области P (аноду). При таком включении в области N электроны будут отталкиваться от минуса батареи, и двигаться в сторону P-N перехода. В области P произойдет отталкивание положительно заряженных дырок от плюсового вывода батареи. Электроны и дырки устремляются навстречу друг другу.

Заряженные частицы с разной полярностью собираются около P-N перехода, между ними возникает электрическое поле. Поэтому электроны преодолевают P-N переход и продолжают движение через зону P. При этом часть из них рекомбинирует с дырками, но большая часть устремляется к плюсу батарейки, через диод пошел ток Id.

Этот ток называется прямым током. Он ограничивается техническими данными диода, некоторым максимальным значением. Если это значение будет превышено, то возникает опасность выхода диода из строя. Следует, однако, заметить, что направление прямого тока на рисунке совпадает с общепринятым, обратным движению электронов.

Можно также сказать, что при прямом направлении включения электрическое сопротивление диода сравнительно небольшое. При обратном включении это сопротивление будет во много раз больше, ток через полупроводниковый диод не идет (незначительный обратный ток здесь в расчет не принимается). Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что диод ведет себя подобно обычному механическому вентилю: повернул в одну сторону — вода течет, повернул в другую — поток прекратился. За это свойство диод получил название полупроводникового вентиля.

Чтобы детально разобраться во всех способностях и свойствах полупроводникового диода, следует познакомиться с его вольт – амперной характеристикой. Также неплохо узнать о различных конструкциях диодов и частотных свойствах, о достоинствах и недостатках.

Ранее ЭлектроВести писали, что два больших проекта систем накопления энергии (СНЭ) на юге Техаса в США общей номинальной мощностью 200 МВт будут реализованы на основе технологий Wärtsilä. Накопители будут соединены непосредственно с системой передачи электроэнергии как самостоятельные участники рынка. Компания Wärtsilä также подписала сервисное соглашение с гарантированными на 10 лет эксплуатационными показателями.

По материалам: electrik. info.

Устройство полупроводникового диода, p-n переход.

Возвращаемся к рубрике «Основы электроники» и в этой статье мы разберем очень важное, основополагающее понятие, а именно p-n переход. И, конечно, же разберем работу устройства, сердцем которого является уже упомянутый p-n переход, то есть полупроводникового диода.

И первым делом мы подробно рассмотрим устройство p-n перехода и химические процессы, протекающие в нем, которые, собственно, и определяют то, как он работает. Основными понятиями, которыми мы будем сегодня оперировать являются «электроны» и «дырки». И если с электроном все понятно, то на физическом смысле дырок стоит остановиться поподробнее.

Полупроводниковые материалы, которые являются основой p-n перехода, характеризуются тем, что они объединяют в себе как свойства проводников, так и свойства диэлектриков. В кристаллической структуре проводников есть много свободных носителей заряда, которые под воздействием электрического поля начинают перемещаться, что и обуславливает способность проводника проводить ток.

В диэлектриках связь частиц с атомами очень сильная, поэтому свободные носители заряда отсутствуют (все частицы жестко закреплены на своем месте в кристаллической решетке). Поэтому диэлектрики не пропускают электрический ток.

В полупроводниках же все не так однозначно. В целом, для того, чтобы электрон покинул свое место, то есть высвободился от атома ему необходим определенный уровень внутренней энергии. Эта энергия может появиться, например, в результате повышения температуры. И величина этой внутренней энергии для полупроводников намного меньше, чем для диэлектриков. В этом и состоит ключевой момент!

При низкой температуре большинство электронов полупроводника «сидят» на своих местах, и поэтому проводимость тока очень низкая. А, соответственно, с ростом температуры способность полупроводника проводить ток улучшается.

С этим процессом разобрались: итак, с ростом температуры в полупроводнике число свободных электронов увеличивается.

Во время разрыва связи электрона с ядром атома в электронной оболочке атома появляется свободное место. Атом при этом получает положительный заряд, ведь изначально заряд был нейтральным, а электрон, имеющий отрицательный заряд, атом покинул. Но свободное место не долго остается пустым, так как на него переходит электрон из соседнего атома. И этот процесс повторяется снова и снова. Таким образом, происходит перемещение положительного заряда. И вот именно этот условный(!) положительный заряд и называют дыркой:

Такой механизм проводимости называется собственной проводимостью полупроводника. Но на практике, в частности в транзисторах и диодах, применяются полупроводники с примесями, поскольку примесная проводимость значительно превышает собственную.

Примеси разделяют на:

донорные, то есть отдающие
акцепторные, принимающие

Разберем классический пример — кремний и мышьяк. У кремния на внешней оболочке атома 4 электрона (валентные электроны). У мышьяка таких электронов 5. Атом мышьяка отдает 4 из своих электронов на образование связей с 4-мя электронами атома кремния. При этом один из 5-ти валентных электронов не участвует в образовании связей.

У мышьяка энергия отрыва этого 5-го электрона от атома достаточно невелика. Настолько, что уже при небольшой температуре атомы мышьяка теряют свои незанятые в связях с кремнием электроны. Но при этом, поскольку в соседних атомах нет свободных мест, то дырок не возникает, и «дырочная» проводимость практически отсутствует. Так мы получили полупроводник с электронной проводимостью, то есть полупроводник n-типа.

Если же мы возьмем в качестве примеси 3-х валентный элемент (3 электрона на внешней оболочке атома), то в случае с добавлением примеси к кремнию (4 электрона), одно место останется свободным. На это место «придет» электрон соседнего атома и так далее, то есть возникнет процесс перемещения дырки. Так мы получим полупроводник p-типа.

Вот мы разобрались и с этим, двигаемся непосредственно к рассмотрению p-n перехода.

Итак, p-n переход (электронно-дырочный переход) — это область, в которой соприкасаются два полупроводника, имеющие разный тип проводимости (p-тип и n-тип):

Причем обе области электрически нейтральны. Только одна из них содержит свободно перемещающиеся дырки, а вторая — электроны.

При соприкосновении полупроводников разного типа возникает диффузионный ток. Это связано с тем, что свободные носители (электроны и дырки) стремятся перейти из той области, где их много, в ту область, где их мало. При прохождении через переход частицы рекомбинируют друг с другом. В результате этого вблизи границы перехода образуются избыточные заряды:

На рисунке изображены только свободные носители заряда в каждой из областей.

Давайте чуть подробнее разберем этот процесс. Один из электронов переходит из области n-типа и «занимает» свободное место, то есть дырку в области p-типа. На первоначальном месте этого электрона в области n-типа появляется дырка (ведь электрона там больше нет). И в итоге получается, что в p-области вблизи перехода скапливаются электроны, а в n-области наоборот дырки. Не забываем, что дырка — это не реально существующая частица, а условный(!) положительный заряд.

Но этот процесс не продолжается бесконечно по одной простой причине. Из-за того, что на границе формируются два новых слоя, возникает дополнительное электрическое поле, которое они порождают. Под действием этого поля возникает так называемый дрейфовый ток, направленный противоположно диффузионному току. И при определенной концентрации частиц около границы перехода между этими токами возникает равновесие и процесс останавливается:

Строго говоря, p-n переход — это именно область, в которой практически отсутствуют свободные носители заряда (обедненная область). Для того, чтобы выйти из этого положения равновесия, мы можем приложить к переходу внешнее напряжения. Различают прямое и обратное смещение.

При прямом смещении положительный потенциал подается на область p-типа, а отрицательный, соответственно, на область n-типа:

В этом случае внешнее электрическое поле (от источника напряжения) направлено противоположно тому полю, которое существует внутри перехода. В результате диффузионный ток начинает преобладать над дрейфовым, поскольку такое внешнее поле приводит к движению дырок из p-области в n-область и электронов в обратном направлении.

Вот так и возникает прямой ток, направление которого противоположно движению электронов. Обратное же смещение выглядит так:

Такое подключение приводит лишь к увеличению областей, в которых отсутствуют свободные носители заряда. Действительно, под действием электрического поля при обратном смещении свободные электроны и дырки будут удаляться от границы слоев.

В результате диффузионный ток будет максимально уменьшен и преобладать будет ток дрейфовый. В таком случае протекающий ток называют обратным (его величина очень мала по сравнению с прямым током).

Полупроводниковое устройство, внутри которого сформирован один такой p-n переход, и называют диодом. А его выводы (электроды) получили названия анод и катод. На принципиальных электрических схемах полупроводниковый диод обозначается следующим образом:

Ключевой характеристикой диода является вольт-амперная характеристика (ВАХ). Она представляет из себя зависимость протекающего через диод тока от приложенного к нему напряжения:

Как видите, здесь все в точности соответствует тому, что мы обсудили при разборе p-n перехода. Правая ветвь графика относится к прямому смещению перехода. При увеличении напряжения увеличивается и протекающий прямой ток. Обратите внимание, что при прямом включении напряжение должно достигнуть определенного значения для того, чтобы диод стал хорошо пропускать ток. Если напряжение меньше этого значения (пусть и создает прямое смещение), то способность диода пропускать ток будет низкой.

При обратном смещении (левая ветвь характеристики) ток достигает некоторого значения и перестает увеличиваться. Это процесс протекания незначительного обратного тока. Если продолжать увеличивать напряжение, то произойдет пробой p-n перехода (про ситуацию пробоя мы еще обязательно поговорим в статье, посвященной стабилитронам).

Таким образом, можно сказать, что диод пропускает ток в одном направлении и препятствует протеканию тока в обратном направлении.

И на этом, пожалуй, закончим, сегодня мы по итогу рассмотрели все основные процессы, протекающие в p-n переходе и полупроводниковом диоде. Совсем скоро, буквально в одной из следующих статей, разберем основные примеры использования диодов. Будем рады видеть вас на нашем сайте снова!

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

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

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

Диоды бывают электровакуумные, газоразрядные и самые распространённые – полупроводниковые. Свойства диодов, чаще всего в связках между собой, используются для преобразования переменного тока электросети в постоянный ток, для нужд полупроводниковых и других приборов.

Конструкция диодов.

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

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

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

При разогреве, электроны отделяются от одного электрода (катода) и начинают движение к другому электроду (аноду), благодаря электрическому магнитному полю. Если направить ток в обратную сторону (изменить полярность), то электроны практически не будут двигаться к катоду из-за отсутствия нити накаливания в аноде. Такие диоды, чаще всего применяются в выпрямителях и стабилизаторах, где присутствует высоковольтная составляющая.

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

Типы диодов:

· Смесительный диод — создан для приумножения двух высокочастотных сигналов.

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

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

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

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

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

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

· Полупроводниковые лазеры.

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

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

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

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

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

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

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

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

типы, классификация, принцип действия, характеристики, устройство и использование

Полупроводниковые диоды широко применяются в электронике и электронной промышленности. Они используются как самостоятельно, так и в качестве p-n-перехода транзисторов и многих других устройств. Как дискретный компонент диоды являются ключевой частью многих электронных схем. Они находят множество применений, начиная от маломощных приложений до выпрямителей тока.

Что такое диод?

В переводе с греческого название данного электронного элемента буквально обозначает «два вывода». Они называются анодом и катодом. В цепи ток проходит от анода к катоду. Полупроводниковый диод является односторонним элементом, и движение тока в противоположном направлении блокируется.

Принцип действия

Устройство полупроводниковых диодов очень разное. Это является причиной того, что существует много их типов, которые различаются как по номиналу, так и по исполняемым ими функциям. Тем не менее в большинстве случаев основной принцип работы полупроводниковых диодов одинаков. Они содержат р-n-переход, который и обеспечивает их базовую функциональность.

Этот термин обычно используется по отношению к стандартной форме диода. В действительности же он применим практически к любому их типу. Диоды составляют основу современной электронной промышленности. Все – от простых элементов и транзисторов до современных микропроцессоров – базируется на полупроводниках. Принцип действия полупроводникового диода основан на свойствах полупроводников. Технология опирается на группу материалов, внесение примесей в кристаллическую решетку которых позволяет получить участки, в которых носителями заряда являются дырки и электроны.

Р-n-переход

Диод р-n-типа получил свое название потому, что в нем используется р-n-переход, который позволяет току течь только в одном направлении. Элемент обладает и другими свойствами, которые также находят широкое применение. Полупроводниковые диоды, например, способны излучать и регистрировать свет, изменять емкость и регулировать напряжение.

P-n-переход является базовой полупроводниковой структурой. Как следует из названия, он представляет собой соединение между областями p- и n-типа. Переход позволяет носителям заряда двигаться только в одном направлении, что, например, дает возможность преобразовывать переменный ток в постоянный.

Стандартные диоды обычно производятся из кремния, хотя также используется германий и другие полупроводниковые материалы, в основном для специальных целей.

Вольт-амперная характеристика

Диод характеризуется вольт-амперной кривой, которую можно разделить на 2 ветви: прямую и обратную. В обратном направлении ток утечки близок к 0, но с ростом напряжения он медленно увеличивается и при достижении напряжения пробоя начинает резко возрастать. В прямом направлении ток быстро нарастает с увеличением приложенного напряжения выше порога проводимости, который составляет 0,7 В для диодов из кремния и 0,4 В из германия. Элементы, в которых используются другие материалы, имеют другие вольт-амперные характеристики и напряжения порога проводимости и пробоя.

Диод c р-n-переходом можно рассматривать как устройство базового уровня. Он широко используется во многих приложениях – от сигнальных цепей и детекторов до ограничителей или подавителей переходных процессов в индукционных или релейных катушках и выпрямителей высокой мощности.

Характеристики и параметры

Спецификации диодов предоставляют большой объем данных. При этом точные пояснения того, что они собой представляют, не всегда доступны. Ниже приведены подробные сведения о различных характеристиках и параметрах диода, которые приводятся в спецификациях.

Материал полупроводника

Материал, используемый в р-n-переходах, имеет первостепенное значение, поскольку он влияет на многие основные характеристики полупроводниковых диодов. Наиболее широко применяется кремний, поскольку он отличается высокой эффективностью и низкими производственными издержками. Еще одним часто используемым элементом является германий. Другие материалы, как правило, применяются в диодах специального назначения. Выбор полупроводникового материала важен, поскольку от него зависит порог проводимости – около 0,6 В для кремния и 0,3 В для германия.

Падение напряжения в режиме прямого тока (U пр.)

Любая электрическая цепь, через которую проходит ток, вызывает падение напряжения, и этот параметр полупроводникового диода имеет большое значение, особенно для выпрямления, когда потери мощности пропорциональны U пр. Кроме того, электронные элементы часто должны обеспечивать небольшое падение напряжения, поскольку сигналы могут быть слабыми, но им все же необходимо преодолеть его.

Это происходит по двум причинам. Первая заключается в самой природе р-n-перехода и является результатом напряжения порога проводимости, которое позволяет току преодолеть обедненный слой. Вторая составляющая – нормальные резистивные потери.

Показатель имеет большое значение для выпрямительных диодов, по которым могут проходить большие токи.

Пиковое обратное напряжение (U обр. max)

Это наибольшее обратное напряжение, которое полупроводниковый диод может выдержать. Его нельзя превышать, иначе элемент может выйти из строя. Это не просто среднеквадратичное напряжение входящего сигнала. Каждая цепь должна рассматриваться по существу, но для простого выпрямителя с одной полуволной со сглаживающим конденсатором следует помнить, что конденсатор будет удерживать напряжение, равное пику входного сигнала. Затем диод будет подвергаться действию пика входящего сигнала в обратном направлении, и поэтому в этих условиях будет иметь место максимальное обратное напряжение, равное пиковому значению волны.

Максимальный прямой ток (U пр. max)

При проектировании электрической цепи необходимо удостовериться в том, что не превышаются максимальные уровни тока диода. По мере увеличения силы тока выделяется дополнительное тепло, которое необходимо отводить.

Ток утечки (I обр.)

В идеальном диоде обратного тока не должно быть. Но в реальных р-n-переходах он есть из-за присутствия в полупроводнике неосновных носителей заряда. Сила тока утечки зависит от трех факторов. Очевидно, что наиболее значимым из них является обратное напряжение. Также ток утечки зависит от температуры – с ее ростом он значительно повышается. Кроме того, он сильно зависит от типа полупроводникового материала. В этом отношении кремний намного лучше германия.

Ток утечки определяется при определенном обратном напряжении и конкретной температуре. Обычно он указывается в микроамперах (μA) или пикоамперах (pA).

Емкость перехода

Все полупроводниковые диоды обладают емкостью перехода. Обедненная зона представляет собой диэлектрический барьер между двумя пластинами, которые формируются на краю обедненного участка и области с основными носителями заряда. Фактическое значение емкости зависит от обратного напряжения, которое приводит к изменению переходной зоны. Его увеличение расширяет обедненную зону и, следовательно, уменьшает емкость. Этот факт используется в варакторах или варикапах, но для других применений, особенно радиочастотных, этот эффект необходимо свести к минимуму. Параметр обычно указывается в pF при заданном напряжении. Для многих радиочастотных применений доступны специальные низкоомные диоды.

Тип корпуса

В зависимости от назначения полупроводниковые диоды производятся в корпусах разного типа и формы. В некоторых случаях, особенно при использовании в схемах обработки сигналов, корпус является ключевым элементом в определении общих характеристик этого электронного элемента. В силовых цепях, в которых важно рассеивание тепла, корпус может определять многие общие параметры диода. Устройствам большой мощности необходимо иметь возможность крепления к радиатору. Небольшие элементы могут производиться в свинцовых корпусах или в качестве устройств для поверхностного монтажа.

Типы диодов

Иногда бывает полезно ознакомиться с классификацией полупроводниковых диодов. При этом некоторые элементы могут относиться к нескольким категориям.

Обращенный диод. Хотя он и не так широко используется, представляет собой разновидность элемента р-n-типа, который по своему действию очень похож на туннельный. Отличается низким падением напряжения в открытом состоянии. Находит применение в детекторах, выпрямителях и высокочастотных переключателях.

Инжекционно-пролетный диод. Имеет много общего с более распространенным лавинно-пролетным. Используется в СВЧ-генераторах и системах сигнализации.

Диод Ганна. Не относится к р-n-типу, но представляет собой полупроводниковое устройство с двумя выводами. Он обычно используется для генерации и преобразования сигналов СВЧ в диапазоне 1-100 ГГц.

Светоизлучающий или светодиод – один из наиболее популярных типов электронных элементов. При прямом смещении ток, протекающий через переход, вызывает излучение света. В них используются составные полупроводники (например, арсенид галлия, фосфид галлия, фосфид индия), и они могут светиться разными цветами, хотя первоначально ограничивались только красным. Существует множество новых разработок, которые меняют способ функционирования и производства дисплеев, примером которых являются OLED-светодиоды.

Фотодиод. Используется для обнаружения света. Когда фотон попадает на p-n-переход, он может создавать электроны и дырки. Фотодиоды обычно работают в условиях обратного смещения, при которых можно легко обнаружить даже небольшой ток, возникающий в результате действия света. Фотодиоды можно использовать для генерации электроэнергии. Иногда в качестве фотоприемников применяются элементы pin-типа.

Pin-диод. Название электронного элемента хорошо описывает устройство полупроводникового диода. У него стандартные области р- и n-типа, но между ними существует внутренняя область без примесей. Она оказывает эффект увеличения площади области истощения, которая может быть полезна для переключения, а также в фотодиодах и т. д.

Стандартный р-n-переход можно рассматривать как обычный или стандартный тип диода, который используется сегодня. Они могут применяться в радиочастотных или других низковольтных устройствах, а также в высоковольтных и высокомощных выпрямителях.

Диоды Шоттки. Имеют более низкое прямое падение напряжения, чем стандартные кремниевые полупроводники р-n-типа. При малых токах оно может составлять от 0,15 до 0,4 B, a не 0,6 В, как у кремниевых диодов. Для этого они изготавливаются не как обычно – в них используется контакт металл-полупроводник. Они широко применяются в качестве ограничителей, выпрямителей и в радиоаппаратуре.

Диод с накоплением заряда. Представляет собой разновидность СВЧ-диода, используемого для генерации и формирования импульсов на очень высоких частотах. Его работа основана на очень быстрой характеристике отключения.

Лазерный диод. Отличается от обычного светоизлучающего, поскольку производит когерентный свет. Лазерные диоды применяются во многих устройствах – от DVD и CD-приводов до лазерных указок. Они намного дешевле других форм лазеров, но значительно дороже светодиодов. Отличаются ограниченным сроком эксплуатации.

Туннельный диод. Хотя сегодня он широко не используется, ранее применялся в усилителях, генераторах и переключающих устройствах, схемах синхронизации осциллографов, когда он был эффективнее других элементов.

Варактор или варикап. Используется во многих радиочастотных устройствах. У данного диода обратное смещение меняет ширину слоя истощения в зависимости от приложенного напряжения. В этой конфигурации он действует как конденсатор с областью истощения, выполняющей роль изолирующего диэлектрика, и пластинами, образованными проводящими областями. Применяется в генераторах, управляемых напряжением, и радиочастотных фильтрах.

Стабилитрон. Является очень полезным типом диода, поскольку обеспечивает стабильное опорное напряжение. Благодаря этому стабилитрон используется в огромных количествах. Работает в условиях обратного смещения и пробивается при достижении определенной разницы потенциалов. Если ток ограничен резистором, то это обеспечивает стабильное напряжение. Широко используется для стабилизации источников питания. В стабилитронах имеют место 2 вида обратного пробоя: разложение Зинера и ударная ионизация.

Таким образом, различные типы полупроводниковых диодов включают элементы для маломощных и высокомощных применений, излучающие и обнаруживающие свет, с низким прямым падением напряжения и переменной емкостью. В дополнение к этому существует ряд разновидностей, которые используются в СВЧ-технике.

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.

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод — это полупроводниковый прибор с одним
электронно-дырочным переходом (основная часть) и двумя выводами. Примеры внешнего вида
диодов приведены на рис. 1.

Рис. 1. Полупроводниковые диоды.

По конструкции полупроводниковые диоды могут быть плоскостными и точечными.
Устройство плоскостного диода показано на рис. 2. К кристаллодержателю припаивается
пластинка полупроводника n-типа. Кристалложержатель – это металлическое
основание плоскостного диода. Сверху в пластинку полупроводника вплавляется капля
трёхвалентного металла, обычно индия. Атомы индия диффундируют (проникают) в
полупроводниковую пластинку и образуют у её поверхности слой р-типа. Между
слоями р- и n-типов образуется электронно-дырочный переход (ЭДП). К кристаллодержателю и
индию припаиваются проводники, которые служат выводами диода. Для предохранения
диода от механических повреждений, попадания света, пыли и влаги на полупроводник,
его помещают в герметичный корпус.

На рис. 2 позиция 1 – это вывод р-области, позиция 2 – вывод n-области.

Рис. 2. Устройство плоскостного диода.

Точечный полупроводниковый диод состоит из пластинки полупроводника n-типа и
заострённой пружинки из вольфрама или фосфористой бронзы диаметром около 0,1 мм.
Через прижатую к полупроводниковой пластинке пружинку пропускают электрический ток
большой силы, в результате чего металлическая пружинка сваривается с полупроводниковой
пластинкой, образуя под своим остриём р-область. Между р-областью и полупроводником
n-типа возникает электронно-дырочный переход.

На рис. 3 приведены условные графические обозначения (УГО) различных диодов. Острая вершина
треугольника в УГО указывает на направление протекания прямого тока через диод. То есть
для того, чтобы диод пропускал ток, включать его нужно так, чтобы на основание треугольника
подавался «плюс» (или на прямолинейный отрезок подавался «минус»). Если включить диод в
обратном направлении, то он не будет пропускать ток (потому и называется полупроводником –
пропускает ток только в одном направлении). Пример включения диода показан на рис. 4.
Пример применения диода
можно увидеть на рис. 5.

Рис. 3. Условное графическое обозначение (УГО) диодов.

р-область диода (то есть вывод, на который в прямом направлении подаётся «плюс») носит
название анод. Противоположный вод называется катод.

Рис. 4. Включение диода.

Полупроводниковый диод с PN-переходом

— Диод

Что
Полупроводниковый диод с p-n переходом?

А
Диод с p-n переходом представляет собой двухвыводной или двухэлектродный полупроводниковый прибор,
который пропускает электрический ток только в одном направлении
в то время как блокирует электрический ток в противоположном или обратном направлении
направление. Если диод смещен в прямом направлении, он позволяет
протекание электрического тока.С другой стороны, если диод
с обратным смещением он блокирует прохождение электрического тока.
П-Н
переходной полупроводниковый диод также называется p-n переходом
полупроводниковый прибор.

В
n-тип
полупроводники, бесплатно
электроны являются основными носителями заряда, тогда как в
р-тип
полупроводники, дырки
являются основными носителями заряда.Когда n-тип
полупроводник соединяется с полупроводником p-типа, p-n
соединение образуется. p-n переход, который образуется
при соединении полупроводников p-типа и n-типа
называется диодом с p-n переходом.

р-н
переходной диод изготовлен из полупроводниковых материалов
такие как кремний, германий и арсенид галлия. За
при разработке диодов кремний предпочтительнее
германий. Кремниевые диоды с p-n переходом.
полупроводники работают при более высокой температуре по сравнению с
с германиевыми диодами с p-n переходом
полупроводники.

основной символ диода с p-n переходом при прямом смещении и
обратное смещение показано на рисунке ниже

В
На приведенном выше рисунке стрелка диода указывает
обычное направление электрического тока, когда
диод смещен в прямом направлении (от положительного вывода к
минусовая клемма).Отверстия, которые перемещаются от положительного
клемма (анод) к отрицательной клемме (катоду)
традиционное направление тока.

Свободные электроны, движущиеся от отрицательного полюса
(катод) к положительной клемме (анод) на самом деле
проводить электрический ток. Однако из-за
соглашение, мы должны предположить, что текущее направление
от положительной клеммы к отрицательной клемме.

Смещение
Полупроводниковый диод с p-n переходом

процесс подачи внешнего напряжения на p-n переход
полупроводниковый диод называют смещающим. Внешнее напряжение до
диод с p-n переходом применяется любым из двух способов:
прямое смещение или обратное смещение.

Если
диод с p-n переходом смещен в прямом направлении, что позволяет
протекание электрического тока. В условиях прямого смещения
Полупроводник p-типа подключен к положительной клемме
батареи в то время как; полупроводник n-типа подключен к
отрицательную клемму аккумулятора.

Если
диод с p-n переходом смещен в обратном направлении, он блокирует
протекание электрического тока. В условиях обратного смещения
Полупроводник p-типа подключен к отрицательной клемме
батареи в то время как; полупроводник n-типа подключен к
положительный полюс аккумулятора.

Клеммы p-n перехода диода

Как правило,
Терминал относится к точке или месту, в котором любой объект
начинается или заканчивается. Например, автовокзал или конечная станция — это
место, в котором все автобусы начинаются или заканчиваются. Точно так же в
диод с p-n переходом, клемма относится к точке, в которой
носителей заряда начинается или заканчивается.

П-н
переходной диод состоит из двух выводов: положительного и
отрицательный.В
положительная клемма, все свободные электроны закончатся и все
отверстия начнутся, тогда как на отрицательной клемме все
свободные электроны начнутся, а все дырки закончатся.

Терминалы
диода при прямом смещении

В
диод p-n перехода с прямым смещением (p-тип подключен к
положительный терминал и n-тип, подключенный к отрицательному
клемма), клемма анода является положительной клеммой, тогда как
катодная клемма — отрицательная клемма.

Анод
клемма — положительно заряженный электрод или проводник,
который обеспечивает отверстия для p-n перехода. Другими словами,
анод или клемма анода или положительная клемма является источником
положительных носителей заряда (дырок), положительный заряд
носители (дырки) начинают свой путь на анодном терминале и
проходит через диод и заканчивается на катодном выводе.

Катод
отрицательно заряженный электрод или проводник, который
доставляет свободные электроны к p-n переходу. Другими словами,
катодная клемма или отрицательная клемма является источником свободного
электроны, носители отрицательного заряда (свободные электроны)
начинают свое путешествие на катодном терминале и проходят через
диода и заканчивается на клемме анода.

свободные электроны притягиваются к клемме анода или
положительная клемма, тогда как отверстия притягиваются к
катодная клемма или отрицательная клемма.

Терминалы
диода при обратном смещении

Если
диод смещен в обратном направлении (p-тип подключен к отрицательному
терминал и n-тип, подключенный к положительному терминалу),
клемма анода становится отрицательной клеммой, тогда как
катодный стержень становится положительным стержнем.

Анод
терминал или отрицательный терминал поставляет свободные электроны к
p-n переход. Другими словами, анодный терминал является источником
свободных электронов, свободные электроны начинают свой путь
на отрицательной или анодной клемме и заполняет большое количество
дырки в полупроводнике р-типа. Отверстия в p-типе
полупроводник притягивается к отрицательной клемме.Свободные электроны с отрицательного вывода не могут двигаться
к положительному терминалу, потому что широкое истощение
область на p-n переходе сопротивляется или противостоит потоку
свободные электроны.

Катод
клемма или положительная клемма поставляет отверстия к p-n
узел. Другими словами, катодный терминал является источником
дырки, дырки начинают свое путешествие с плюса или с катода
концевой и занимает позицию электронов в n-типе
полупроводник.Свободные электроны в n-типе
полупроводник притягивается к плюсовой клемме.
Отверстия от положительной клеммы не могут двигаться к
отрицательный терминал, потому что широкая обедненная область на
p-n переход препятствует потоку дырок.

Кремний и
германиевые полупроводниковые диоды

Для
при разработке диодов кремний предпочтительнее
германий.
Диоды с p-n переходом из кремниевых полупроводников работают
при более высокой температуре, чем германиевый полупроводник
диоды.
Вперед
напряжение смещения для кремниево-полупроводникового диода
примерно 0,7 вольт, тогда как для германия
полупроводниковый диод примерно
0.3 вольта.
Кремний
полупроводниковые диоды не пропускают электрический ток
поток, если напряжение на кремниевом диоде меньше
чем 0,7 вольта.
Кремний
полупроводник
диоды начинают пропускать ток, если напряжение
приложенное к диоду достигает 0,7 вольта.
Германий
полупроводниковые диоды не пропускают электрический ток
поток, если напряжение, приложенное к германиевому диоду,
меньше 0.3 вольта.
Германий
полупроводниковые диоды начинают пропускать ток, если
напряжение на германиевом диоде достигает 0,3
вольт.
стоимость кремниевых полупроводников низка по сравнению с
германиевые полупроводники.

Преимущества
диода с p-n переходом

П-н
переходной диод является простейшей формой всех полупроводниковых
устройства. Тем не менее, диоды играют важную роль во многих
электронные устройства.

полупроводниковых устройств | электроника | Britannica

Полупроводниковые материалы

Твердотельные материалы обычно подразделяются на три класса: изоляторы, полупроводники и проводники. (При низких температурах некоторые проводники, полупроводники и изоляторы могут становиться сверхпроводниками.) На рис. 1 показаны проводимости σ (и соответствующие удельные сопротивления ρ = 1/σ), связанные с некоторыми важными материалами каждого из трех классов.Изоляторы, такие как плавленый кварц и стекло, имеют очень низкую проводимость, порядка от 10 90 100 -18 90 101 до 10 90 100 -10 90 101 сименс на сантиметр; и проводники, такие как алюминий, имеют высокую проводимость, обычно от 10 90 100 4 90 101 до 10 90 100 6 90 101 сименс на сантиметр. Электропроводность полупроводников находится между этими крайностями.

Проводимость полупроводника обычно чувствительна к температуре, освещенности, магнитным полям и незначительному количеству атомов примесей. Например, добавление менее 0,01 процента примеси определенного типа может увеличить электропроводность полупроводника на четыре и более порядков (в , т. е. в в 10000 раз). Диапазоны проводимости полупроводников за счет примесных атомов для пяти распространенных полупроводников приведены на рисунке 1.

Изучение полупроводниковых материалов началось в начале 19 века. За прошедшие годы было исследовано множество полупроводников. В таблице показана часть периодической таблицы, относящаяся к полупроводникам.Элементарные полупроводники состоят из атомов одного вида, таких как кремний (Si), германий (Ge) и серое олово (Sn) в столбце IV и селен (Se) и теллур (Te) в столбце VI. Однако существует множество составных полупроводников, состоящих из двух или более элементов. Арсенид галлия (GaAs), например, представляет собой бинарное соединение III-V, представляющее собой комбинацию галлия (Ga) из столбца III и мышьяка (As) из столбца V.

Часть периодической таблицы элементов, относящаяся к полупроводникам
период	столбец
период	II	III	IV	В	VI
2		бор Б	углерод С	азот Н
3	магний мг	алюминий Al	кремний Si	фосфор Р	сера S
4	цинк Zn	галлий Ga	германий Ge	мышьяк As	селен Se
5	кадмий Cd	индий В	олово Sn	сурьма Sb	теллур Te
6	ртуть рт. ст.		свинец Pb

Тройные соединения могут быть образованы элементами из трех разных столбцов, как, например, теллурид ртути-индия (HgIn ₂ Te ₄ ), соединение II-III-VI.Они также могут быть образованы элементами из двух столбцов, такими как арсенид алюминия-галлия (Al _x Ga _{1 − x} As), который представляет собой тройное соединение III-V, где и Al, и Ga происходят из колонка III и нижний индекс х относятся к составу двух элементов от 100 процентов алюминия ( х = 1) до 100 процентов галлия ( х = 0). Чистый кремний является наиболее важным материалом для применения в интегральных схемах, а бинарные и тройные соединения III-V наиболее важны для излучения света.

До изобретения биполярного транзистора в 1947 году полупроводники использовались только в качестве двухвыводных устройств, таких как выпрямители и фотодиоды. В начале 1950-х германий был основным полупроводниковым материалом. Однако он оказался непригодным для многих применений, поскольку устройства, изготовленные из этого материала, демонстрировали высокие токи утечки лишь при умеренно повышенных температурах. С начала 1960-х годов кремний стал практическим заменителем, практически вытеснив германий в качестве материала для изготовления полупроводников.Этому есть две основные причины: (1) кремниевые устройства имеют гораздо более низкие токи утечки и (2) высококачественный диоксид кремния (SiO ₂ ), который является изолятором, легко производить. Кремниевая технология в настоящее время является самой передовой среди всех полупроводниковых технологий, и устройства на основе кремния составляют более 95 процентов всего полупроводникового оборудования, продаваемого во всем мире.

Многие составные полупроводники обладают электрическими и оптическими свойствами, отсутствующими у кремния.Эти полупроводники, особенно арсенид галлия, используются в основном для высокоскоростных и оптоэлектронных приложений.

Электронные свойства

Рассматриваемые здесь полупроводниковые материалы представляют собой монокристаллы — т. е. атомы расположены в трехмерном периодическом порядке. На рис. 2А показано упрощенное двумерное изображение собственного кристалла кремния, очень чистого и содержащего пренебрежимо малое количество примесей. Каждый атом кремния в кристалле окружен четырьмя ближайшими соседями.Каждый атом имеет четыре электрона на своей внешней орбите и делит эти электроны со своими четырьмя соседями. Каждая общая электронная пара образует ковалентную связь. Сила притяжения электронов обоими ядрами удерживает два атома вместе.

При низких температурах электроны связаны в соответствующих положениях в кристалле; следовательно, они недоступны для электропроводности. При более высоких температурах тепловая вибрация может разрушить некоторые ковалентные связи. При разрыве связи образуется свободный электрон, который может участвовать в проводимости тока.Как только электрон удаляется от ковалентной связи, в этой связи возникает недостаток электронов. Этот дефицит может быть заполнен одним из соседних электронов, что приводит к смещению места дефекта с одного места на другое. Таким образом, этот недостаток можно рассматривать как частицу, подобную электрону. Эта фиктивная частица, называемая дыркой, несет положительный заряд и движется под действием приложенного электрического поля в направлении, противоположном направлению движения электрона.

Для изолированного атома электроны атома могут иметь только дискретные энергетические уровни.Когда большое количество атомов объединяется в кристалл, взаимодействие между атомами приводит к тому, что дискретные энергетические уровни распределяются по энергетическим зонам. При отсутствии тепловых колебаний (, т. е. при низкой температуре) электроны в полупроводнике полностью заполняют ряд энергетических зон, оставляя остальные энергетические зоны пустыми. Самая высокая заполненная зона называется валентной зоной. Следующая более высокая зона — это зона проводимости, которая отделена от валентной зоны энергетической щелью. Эта энергетическая щель, также называемая запрещенной зоной, представляет собой область, обозначающую энергии, которыми не могут обладать электроны в полупроводнике. Большинство важных полупроводников имеют ширину запрещенной зоны в диапазоне от 0,25 до 2,5 эВ. Ширина запрещенной зоны кремния, например, составляет 1,12 эВ, а арсенида галлия — 1,42 эВ.

Как обсуждалось выше, при конечных температурах тепловые колебания разрушат некоторые связи. Когда связь разрывается, образуется свободный электрон вместе со свободной дыркой, т. е. электрон обладает достаточной тепловой энергией, чтобы пересечь запрещенную зону в зону проводимости, оставив после себя дырку в валентной зоне.Когда к полупроводнику прикладывается электрическое поле, как электроны в зоне проводимости, так и дырки в валентной зоне приобретают кинетическую энергию и проводят электричество. Электропроводность материала зависит от числа носителей заряда (, т. е. свободных электронов и свободных дырок) в единице объема и от скорости, с которой эти носители перемещаются под действием электрического поля. В собственном полупроводнике существует равное количество свободных электронов и свободных дырок.Однако электроны и дырки обладают разной подвижностью, то есть они движутся с разными скоростями в электрическом поле. Например, для собственного кремния при комнатной температуре подвижность электронов составляет 1500 квадратных сантиметров за вольт-секунду (см 90 100 2 90 101 /В·с) — 90 110, т. е. 90 111 электрон будет двигаться со скоростью 1 500 сантиметров в секунду под действием электрического поля. поле один вольт на сантиметр, а подвижность дырок 500 см ² /В·с. Подвижности данного полупроводника обычно уменьшаются с повышением температуры или увеличением концентрации примесей.

Электрическая проводимость собственных полупроводников при комнатной температуре довольно плохая. Чтобы добиться более высокой проводимости, можно намеренно ввести примеси (обычно до концентрации одна часть на миллион атомов-хозяев). Это так называемый процесс допинга. Например, когда атом кремния заменяется атомом с пятью внешними электронами, таким как мышьяк (рис. 2C), четыре электрона образуют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами кремния. Пятый электрон становится электроном проводимости, который «отдается» зоне проводимости.Кремний становится полупроводником типа n из-за добавления электрона. Атом мышьяка является донором. Аналогичным образом, на рис. 2C показано, что, когда атом с тремя внешними электронами, такой как бор, заменяется атомом кремния, дополнительный электрон «принимается» для образования четырех ковалентных связей вокруг атома бора, и в атоме бора создается положительно заряженная дырка. валентная полоса. Это полупроводник типа p , в котором бор является акцептором.

Знакомство с диодами

Раздел 2.0 Введение в диоды.
• Символы схемы диода.
• Ток протекает через диоды.
• Конструкция диода.
• Развязка PN.
• Прямое и обратное смещение.
• Характеристики диода.
Раздел 2.1 Кремниевые выпрямители.
• Маркировка полярности.
• Параметры выпрямителя.
Раздел 2.2 Диоды Шоттки.
• Конструкция диода Шоттки.
• Потенциал соединения Шоттки.
• Высокая скорость переключения.
• Силовые выпрямители Шоттки.
• Ограничения по току Шоттки.
• Защита от перенапряжения.
Раздел 2.3 Диоды слабого сигнала.
• Конструкция маломощного сигнального диода.
• Формирование волны.
• Отсечение.
• Фиксация/реставрация постоянным током.
• ВЧ приложения.
• Защитные диоды.
Раздел 2.4 Стабилитроны.
• Конструкция стабилитрона.
• Символы схемы Зенера.
• Эффект Зенера.
• Эффект лавины.
• Практичные стабилитроны.
Раздел 2.5 Светодиоды.
• Работа светодиода.
• Световое излучение.
• Цвета светодиодов.
• Расчет схемы светодиодов.
• Светодиодные матрицы.
• Проверка светодиодов.
Раздел 2.6 Лазерные диоды.
• Лазерный свет.
• Основы атома.
• Конструкция лазерного диода.
• Лазерная накачка.
• Управление лазерным диодом.
• Лазерные модули.
• Лазерная оптика.
• Классы лазерных диодов.
Раздел 2.7 Фотодиоды.
• Основы работы с фотодиодами.
• Приложения.
• Конструкция лазерного диода.
• Лазерная накачка.
• Управление лазерным диодом.
• Лазерные модули.
• Лазерная оптика.
• Классы лазерных диодов.
Раздел 2.8 Проверка диодов.
• Неисправности диодов.
• Проверка диодов с помощью омметров.
• Определение подключений диодов.
• Определение неисправных диодов.
Раздел 2.9 Проверка диодов.
• Проверьте свои знания о диодах.

Рисунок 2.0.1. Диоды

Введение

Диоды

являются одними из самых простых, но наиболее полезных из всех полупроводниковых устройств. Многие типы диодов используются для широкого спектра применений.Выпрямительные диоды являются жизненно важным компонентом в источниках питания, где они используются для преобразования переменного сетевого (линейного) напряжения в постоянное. Стабилитроны используются для стабилизации напряжения, предотвращения нежелательных изменений в источниках постоянного тока в цепи, а также для обеспечения точных опорных напряжений для многих цепей. Диоды также можно использовать для предотвращения катастрофического повреждения оборудования с батарейным питанием, когда батареи подключены с неправильной полярностью.

Сигнальные диоды также широко используются для обработки сигналов в электронном оборудовании; они используются для получения аудио- и видеосигналов из передаваемых радиочастотных сигналов (демодуляция), а также могут использоваться для формирования и изменения формы сигнала переменного тока (обрезание, ограничение и восстановление постоянного тока).Диоды также встроены во многие цифровые интегральные схемы, чтобы защитить их от опасно больших скачков напряжения.

Рис. 2.0.2 Символы диодной цепи

Светодиоды

излучают многоцветный свет в очень широком спектре оборудования, от простых индикаторных ламп до огромных и сложных видеодисплеев. Фотодиоды также производят электрический ток из света.

Диоды изготавливаются из полупроводниковых материалов, в основном из кремния, с добавлением различных соединений (комбинаций более чем одного элемента) и металлов в зависимости от функции диода.Ранние типы полупроводниковых диодов изготавливались из селена и германия, но эти типы диодов были почти полностью заменены более современными конструкциями из кремния.

На рис. 2.0.1 показан следующий набор обычных диодов с проволочными наконечниками:

1. Три силовых выпрямителя (мостовой выпрямитель для использования с сетевым (линейным) напряжением и два выпрямительных диода сетевого напряжения).

2. Точечный диод (со стеклянным корпусом) и диод Шоттки.

3. Кремниевый диод с малым сигналом.

4. Стабилитроны со стеклянным или черным полимерным покрытием.

5. Подборка светодиодов. Против часовой стрелки от красного: желтый и зеленый индикаторные светодиоды, инфракрасный фотодиод, 5-миллиметровый теплый белый светодиод и 10-миллиметровый синий светодиод высокой яркости.

Символы диодной цепи

Диод является односторонним проводником. Он имеет две клеммы: анодную или положительную клемму и катодную или отрицательную клемму. В идеале диод пропускает ток, когда его анод становится более положительным, чем его катод, но предотвращает протекание тока, когда его анод более отрицательный, чем его катод.В схемах, показанных на рис. 2.0.2, катод показан в виде полосы, а анод — в виде треугольника. На некоторых принципиальных схемах анод диода также может быть обозначен буквой «а», а катод буквой «к».

В каком направлении протекает диодный ток?

Обратите внимание на рис. 2.0.2, что обычный ток течет от положительной (анодной) клеммы к отрицательной (катодной) клемме, хотя движение электронов (электронный поток) происходит в противоположном направлении, от катода к аноду.

Конструкция кремниевого диода

Рис. 2.0.3 Кремниевый планарный диод

Современные кремниевые диоды обычно производятся с использованием одного из различных вариантов планарного процесса, который также используется для производства транзисторов и интегральных схем. Слоистая конструкция, используемая в методах Silicon Planar, дает ряд преимуществ, таких как предсказуемая производительность и надежность, а также преимущества для массового производства.

Упрощенный планарный кремниевый диод показан на рис.2.0.3. Использование этого процесса для кремниевых диодов позволяет получить два слоя кремния с различными примесями, которые образуют «PN-переход». Нелегированный или «собственный» кремний имеет решетчатую структуру атомов, каждый из которых имеет четыре валентных электрона, но кремний P-типа и кремний N-типа легируют путем добавления относительно очень небольшого количества материала, имеющего либо атомную структуру с тремя валентными электронами (например, бор или алюминий), чтобы получить P-тип, или пять валентных электронов (например, мышьяк или фосфор), чтобы сделать кремний N-типа.Эти легированные версии кремния известны как «внешний» кремний. Кремний P-типа теперь имеет нехватку валентных электронов в своей структуре, что также можно рассматривать как избыток «дырок» или положительных носителей заряда, тогда как слой N-типа легирован атомами, имеющими пять электронов в своей валентной оболочке и поэтому имеет избыток электронов, которые являются носителями отрицательного заряда.

Диод PN переход

Рис. 2.0.4 Слой истощения диодов

Когда кремний типа P и N объединяется во время производства, соединение создается там, где встречаются материалы типа P и типа N, и отверстия, расположенные рядом с соединением в кремнии типа P, притягиваются к отрицательно заряженному материалу типа N с другой стороны. узла.Кроме того, электроны вблизи перехода в кремнии N-типа притягиваются к положительно заряженному кремнию P-типа. Поэтому вдоль перехода между кремнием типа P и N между полупроводниковым материалом P и N устанавливается небольшой естественный потенциал с отрицательно заряженными электронами теперь на стороне P типа перехода, а положительно заряженные дырки на стороне N соединения. узел. Этот слой носителей заряда противоположной полярности накапливается до тех пор, пока его становится достаточно, чтобы предотвратить свободное движение любых дальнейших дырок или электронов.Из-за этого естественного электрического потенциала на переходе между P- и N-слоями в PN-переходе образовался очень тонкий слой, который теперь обеднен носителями заряда и поэтому называется обедненным слоем. Таким образом, когда диод подключен к цепи, между анодом и катодом не может протекать ток до тех пор, пока анод не станет более положительным, чем катод, за счет прямого потенциала или напряжения (V _F ), по крайней мере, достаточного для преодоления естественного обратного потенциала перекресток.Это значение зависит главным образом от материалов, из которых изготовлены P- и N-слои диода, и количества используемого легирования. Различные типы диодов имеют естественный обратный потенциал в диапазоне примерно от 0,1 В до 2 или 3 В. Кремниевые диоды с PN-переходом имеют потенциал перехода примерно от 0,6 до 0,7 В

Диод прямой проводимости

Рис. 2.0.5 Диод вперед

Проводимость

Как только напряжение, приложенное к аноду, становится более положительным, чем к катоду, на величину, превышающую потенциал обедненного слоя, начинается прямая проводимость от анода к катоду обычного тока, как показано на рис.2.0.5.

По мере увеличения напряжения, приложенного между анодом и катодом, прямой ток сначала увеличивается медленно, поскольку носители заряда начинают пересекать обедненный слой, а затем быстро увеличивается примерно экспоненциально. Таким образом, сопротивление диода, когда он «включен» или работает в режиме «прямого смещения», не равно нулю, а очень мало. Поскольку прямая проводимость увеличивается после преодоления потенциала истощения примерно по следующей экспоненциальной кривой, прямое сопротивление (V/I) незначительно изменяется в зависимости от приложенного напряжения.

Диод обратного смещения

Рис. 2.0.6 Обратный диод

Смещенный

Когда диод смещен в обратном направлении (анод подключен к отрицательному напряжению, а катод к положительному напряжению), как показано на рис. 2.0.6, положительные дырки притягиваются к отрицательному напряжению на аноде и от перехода. Точно так же отрицательные электроны оттягиваются от перехода к положительному напряжению, приложенному к катоду. Это действие оставляет большую площадь на стыке без каких-либо носителей заряда (ни положительных дырок, ни отрицательных электронов) по мере расширения обедненного слоя.Поскольку область перехода теперь обеднена носителями заряда, она действует как изолятор, и по мере того, как более высокие напряжения применяются в обратной полярности, обедненный слой становится еще шире по мере удаления от перехода большего количества носителей заряда. Диод не будет проводить ток при приложении обратного напряжения (обратного смещения), за исключением очень небольшого «обратного тока утечки» (I _R), который в кремниевых диодах обычно составляет менее 25 нА. Однако, если приложенное напряжение достигает значения, называемого «Обратное напряжение пробоя» (V _RRM), ток в обратном направлении резко возрастает до такой степени, что, если ток каким-либо образом не ограничивается, диод будет разрушен.

ВАХ диода

Рис. 2.0.7. Типичная I/V диода

Характеристика

Работу диодов, как описано выше, также можно описать специальным графиком, называемым «характеристической кривой». На этом графике показано соотношение между фактическими токами и напряжениями, связанными с различными клеммами устройства. Понимание этих графиков помогает понять, как работает устройство.

Для диодов характеристическая кривая называется вольт-амперной характеристикой, поскольку она показывает зависимость между напряжением, приложенным между анодом и катодом, и результирующим током, протекающим через диод. Типичная ВАХ показана на рис. 2.0.7.

Оси графика показывают как положительные, так и отрицательные значения и поэтому пересекаются в центре. Пересечение имеет нулевое значение как для тока (ось Y), так и для напряжения (ось X). Оси +I и +V (верхняя правая область графика) показывают резкое возрастание тока после начальной области нулевого тока. Это прямая проводимость диода, когда анод положительный, а катод отрицательный. Первоначально ток не течет, пока приложенное напряжение не превысит потенциал прямого перехода.После этого ток резко возрастает примерно по экспоненциальному закону.

Оси -V и -I показывают состояние обратного смещения (нижняя левая область графика). Здесь видно, что очень небольшой ток утечки увеличивается с ростом обратного напряжения. Однако, как только достигается обратное напряжение пробоя, протекание обратного тока (-I) резко возрастает.

К началу страницы

Как работают полупроводники | HowStuffWorks

Устройство, которое блокирует ток в одном направлении, позволяя току течь в другом направлении, называется диодом . Диоды можно использовать по-разному. Например, устройство, в котором используются батареи, часто содержит диод, который защищает устройство, если вы вставляете батареи обратной стороной. Диод просто блокирует любой ток, вытекающий из батареи, если он перевернут — это защищает чувствительную электронику устройства.

Когда имеет обратное смещение , идеальный диод блокирует весь ток. Настоящий диод пропускает примерно 10 микроампер — немного, но все же не идеально. И если вы приложите достаточное обратное напряжение (V), соединение сломается и пропустит ток.Обычно напряжение пробоя намного больше напряжения, чем когда-либо увидит схема, поэтому оно не имеет значения.

Когда смещен в прямом направлении , для запуска диода требуется небольшое напряжение. В кремнии это напряжение составляет около 0,7 вольта. Это напряжение необходимо для запуска процесса объединения дырок и электронов на стыке.

Еще одна монументальная технология, связанная с диодами, — это транзистор. Транзисторы и диоды имеют много общего.

Транзисторы

Транзистор создан с использованием трех слоев вместо двух слоев, используемых в диоде.Вы можете создать бутерброд NPN или PNP. Транзистор может действовать как переключатель или усилитель.

Транзистор выглядит как два диода, включенных друг к другу. Вы можете себе представить, что ток не может течь через транзистор, потому что встречно-параллельные диоды блокируют ток в обоих направлениях. И это правда. Однако, если подать небольшой ток на центральный слой сэндвича , через сэндвич в целом может протекать гораздо больший ток. Это дает транзистору его поведение при переключении .Небольшой ток может включать и выключать больший ток.

Кремниевый чип — это кусок кремния, который может содержать тысячи транзисторов. Используя транзисторы, действующие как переключатели, вы можете создавать логические элементы, а с помощью логических элементов вы можете создавать микропроцессорные микросхемы.

Естественный переход от кремния к легированному кремнию, от транзисторов к чипам сделал микропроцессоры и другие электронные устройства такими недорогими и широко распространенными в современном обществе. Основополагающие принципы удивительно просты.Чудо заключается в постоянном совершенствовании этих принципов до такой степени, что сегодня десятки миллионов транзисторов могут быть с минимальными затратами размещены на одном кристалле.

Для получения дополнительной информации о полупроводниках, диодах, микросхемах и многом другом перейдите по ссылкам ниже.

Первоначально опубликовано: 25 апреля 2001 г.

Полупроводниковые диоды — обзор

6.10.1 Введение и предыстория

С момента первых демонстраций когерентного излучения света и генерации в полупроводниковых диодах в 1960-х годах (Hall et al., 1962; Holonyak and Bevacqua, 1962), полупроводниковые лазеры стали ключевым компонентом для широкого круга приложений, включая телекоммуникации, оптическую память, накачку твердотельных лазеров, медицинскую визуализацию и общую хирургию. Стоимость, производительность, надежность и компактность полупроводникового лазера выгодно отличаются от любых других типов лазеров. Что еще более важно, электрическая инжекция может быть достигнута в диодном лазере. Резкое улучшение рабочих характеристик стало возможным за последние четыре десятилетия благодаря внедрению двойных гетероструктур, квантовых ям и, в последнее время, квантовых точек в активной области полупроводникового лазера.Чтобы лучше понять недавний прогресс полупроводниковых лазеров и, что более важно, предельные характеристики таких устройств с включением квантовых точек в качестве усиливающей среды, важные рабочие параметры полупроводникового лазера, включая пороговый ток ( Дж _th ), характеристическая температура ( T ₀ ), ширина полосы модуляции ( f _-3dB ), коэффициент расширения ширины линии (или α-параметр) и щебет.

Важным параметром полупроводникового лазера является пороговая плотность тока, которая представляет собой минимальную плотность тока инжекции, необходимую для получения генерации. Общее выражение для порогового тока полупроводникового лазера приведено ниже (Bhattacharya, 1996):

(1)Jth=Jth0+qdΓηiτr∂g∂n[γ+12lln1R1R2]

толщина активного слоя, Γ коэффициент оптического ограничения, η _i внутренний квантовый выход, τ _r время жизни излучательной рекомбинации, ∂ g /∂ n дифференциальное усиление, γ потери оптического резонатора, l длина резонатора, а R ₁ и R ₂ обозначают коэффициент отражения граней.Хотя пороговый ток полупроводникового лазера зависит от ряда параметров материала и устройства, основным соображением при создании устройств с низким порогом является улучшение дифференциального усиления. Пороговый ток полупроводникового лазера обычно имеет температурную зависимость, которую можно описать следующим эмпирическим соотношением:

(2)Jth=Jth0exp(TT0)

где температура устройства. T ₀ зависит от материалов активной области и конструкции лазера. Видно, что большое значение Тл ₀ приводит к малой температурной зависимости порогового тока. Факторы, которые обычно ограничивают значения T ₀, включают разброс носителей в зоне проводимости и валентной зоне, безызлучательную оже-рекомбинацию и утечку носителей из активной области лазера. Полупроводниковые лазеры с низким пороговым током и высокотемпературной стабильностью (большие T ₀ ) требуются практически для всех практических приложений.

Другим важным аспектом полупроводникового лазера является частотная характеристика или временное поведение устройства, когда управляющий ток модулируется на высоких частотах. Для приложений высокоскоростной оптической связи очень желательно, чтобы выходной импульс лазера мог полностью повторять импульс тока инжекции. Частотная характеристика лазера описывается шириной полосы модуляции слабого сигнала f _— _{3 дБ} , которая напрямую связана с резонансной частотой f _r устройства (Bhattacharya, 1996). :

(3)fr=12πcΓ∂g/∂nqnrd(J−Jth)

где n _r — показатель преломления оптического резонатора, а c — скорость света в свободном пространстве.Ширина полосы модуляции слабого сигнала пропорциональна квадратному корню из дифференциального усиления. Кроме того, ширина полосы модуляции увеличивается с увеличением тока инжекции. Однако высокие уровни инжекции могут генерировать значительное количество горячих носителей в активной области лазера, что приводит к неквазифермиевскому распределению носителей. Результирующее сжатие усиления сильно ограничивает максимально достижимую полосу модуляции. Важным соображением при разработке полупроводниковых лазеров для применения в оптической связи является оптимизация ширины полосы модуляции устройств.

Коэффициент увеличения ширины линии, или α-параметр, напрямую связан с влиянием изменения показателя преломления при изменении тока инжекции на динамические характеристики полупроводникового лазера. Коэффициент увеличения ширины линии может быть выражен как (Henry, 1982)

(4)α=−4πλdn/dNdg/dN

, где λ — рабочая длина волны, а ∂ n _r / g /∂ n — дифференциальный показатель преломления и дифференциальный коэффициент усиления соответственно. Для многих приложений очень желателен малый или близкий к нулю параметр α. Небольшой параметр α обычно приводит к небольшому чирпу, вызванному модуляцией, что приводит к небольшой динамической ширине линии и, следовательно, к небольшой дисперсии сигнала в оптических волокнах. Параметр α также напрямую связан с характеристиками выходного луча лазера. Большой параметр α может привести к филаментации луча, антинаводке и самофокусировке в лазере и вреден для операций с большой мощностью (Marciante and Agrawal, 1996 Gehrig et al., 2004 г.). Чирп полупроводникового лазера прямо пропорционален коэффициенту усиления ширины линии. При прямой модуляции моды Фабри – Перо полупроводникового лазера смещаются по длине волны, что приводит к уширению динамической ширины линии каждой моды. Для приложений в оптической связи требуются как малые значения α-параметра, так и чирп.

Очевидно, что рабочие характеристики полупроводникового лазера в значительной степени определяются коэффициентом усиления и дифференциальным коэффициентом усиления. Таким образом, оптимизация усиления и дифференциального усиления путем адаптации зонной структуры и плотности состояний активной области была фундаментальным соображением при разработке высокоэффективных полупроводниковых лазеров. В этом отношении резкое улучшение характеристик было достигнуто за счет включения в качестве усиливающей среды квантово-ограниченной ямы, проволоки и, в последнее время, точечных гетероструктур. В предельном случае лазера с квантовыми точками трехмерное квантовое ограничение носителей приводит к дискретной плотности состояний, что приводит к чрезвычайно большому усилению и дифференциальному усилению.Было предсказано и дополнительно продемонстрировано, что в лазере на квантовых точках могут быть достигнуты почти идеальные характеристики, включая сверхнизкий пороговый ток, температурно-инвариантную работу, а также почти нулевые α-параметры и чирп.

Предложения по созданию лазеров на квантовых точках впервые были сделаны Динглом и Генри (1976 г.) и Аракавой и Сакаки (1982 г. ). Однако практические лазеры на квантовых точках стали возможны только с разработкой самоорганизующихся гетероструктур с квантовыми точками в режиме роста Странского-Крастанова во время эпитаксиального роста.Среди первых продемонстрированных лазеров на квантовых точках — InAlAs лазеры видимого и InGaAs ближнего инфракрасного излучения на квантовых точках с краевым излучением на подложках GaAs (Kirstaedter и др., , 1994; Fafard, и др., , 1996; Kamath, и др.). , 1996; Mirin и др. , 1996; Shoji и др. , 1996), за которыми вскоре последовало создание лазеров на квантовых точках с длиной волны 1,3 и 1,5 мкм (Huffaker и др. , 1998; Леденцов и др. , 2003 Ми и др., 2006а). Также были разработаны поверхностно-излучающие лазеры с вертикальным резонатором (VCSEL) на основе GaAs (Saito и др. , 1996; Huffaker и др. , 1997a; Lott и др. , 1997). В то же время были исследованы эпитаксиальный рост и характеристики квантовых точек из других систем материалов, включая квантовые точки InAs/InP, InP/GaInP, InGaN/GaN и CdSe/ZnSe. Были продемонстрированы лазеры на квантовых точках с длиной волны излучения от ~0,4 до ~2,0 мкм.Резкое улучшение рабочих характеристик стало возможным благодаря детальному пониманию динамики носителей и разработке специальных методов p-легирования и туннельной инжекции (Щекин и др. , 2002a; Бхаттачарья и др. , 2003). ). В результате производительность и надежность лазеров с квантовыми точками сравнимы или лучше, чем у их аналогов с квантовыми ямами.

Цель этой главы — дать общее представление о последних разработках лазеров на квантовых точках, от конструкции, эпитаксиального роста до современного уровня техники, а также углубленный анализ их фундаментальной динамики носителей и предельные эксплуатационные характеристики.Хотя эта глава в основном посвящена лазерам с квантовыми точками In(Ga,Al)As на подложках GaAs и InP, также описывается недавний прогресс в области полупроводниковых лазеров с использованием гетероструктур с квантовыми точками InP, Ga(In)N и CdSe. . В разделе 6.10.2 мы представляем обзор явных преимуществ использования квантовых точек в качестве лазерной усиливающей среды. В разделе 6.10.3 описан эпитаксиальный рост гетероструктур In(Ga)As/GaAs и InAs/InP с квантовыми точками для применения в высокоэффективных лазерах на квантовых точках.В разделе 6.10.4 выводятся коэффициенты оптического усиления и скорости спонтанного излучения квантовых точек In(Ga)As/GaAs. Уникальная динамика носителей и связанные с ней проблемы инжекции носителей в лазерах на квантовых точках In(Ga)As/GaAs представлены в разделе 6.10.5. Конструкция высокоэффективных лазеров с краевым излучением на квантовых точках с использованием специальных методов p-легирования и туннельной инжекции описана в разделе 6.10.6. В разделе 6.10.7 рассказывается о недавнем прогрессе в разработке лазеров с краевым излучением на квантовых точках с рабочими длинами волн в видимом диапазоне 1.1, 1,3 и 1,55 мкм. Раздел 6.10.8 посвящен In(Ga)As VCSEL с квантовыми точками. Полупроводниковые лазеры на основе других гетероструктур с квантовыми точками, включая квантовые точки InP, (ln,Ga)N и CdSe, представлены в разделе 6. 10.9. Наконец, выводы сделаны в разделе 6.10.10.

Диод | Инжиниринг | Fandom

Типы диодов

В электронике диод — это компонент, ограничивающий направление движения носителей заряда.Он позволяет электрическому току течь в одном направлении, но по существу блокирует его в противоположном направлении. Таким образом, диод можно рассматривать как электронную версию обратного клапана.

Первыми диодами были вакуумные ламповые устройства (называемые в Великобритании клапанами ), но сегодня наиболее распространенные диоды изготавливаются из сверхчистых полупроводниковых материалов, таких как кремний или германий.

Термин был придуман Уильямом Генри Эклзом в 1919 году от греческих корней; di означает «два», а ode означает «путь».

Термоэмиссионные или газообразные диоды[]

Первыми диодами были вакуумные ламповые устройства (также известные как термоэмиссионные клапаны), устройства электродов, окруженных вакуумом внутри стеклянной оболочки, внешне похожие на лампы накаливания. Устройство нити накала и пластины в качестве диода было изобретено в 1904 году Джоном Амброузом Флемингом (научным консультантом компании Marconi) на основе наблюдения Томаса Эдисона.

В ламповых диодах ток проходит через катод, нить накала, обработанную смесью оксидов бария и стронция, которые являются редкоземельными металлами.Ток нагревает нить накала, вызывая термоэлектронную эмиссию электронов в вакуумную оболочку. В прямом направлении окружающий металлический электрод, называемый анодом, заряжен положительно, так что он электростатически притягивает испускаемые электроны.
Однако электроны не так легко высвобождаются с ненагретой поверхности анода при изменении полярности напряжения, и, следовательно, любой обратный поток представляет собой очень малый ток.

На протяжении большей части 20-го века ламповые диоды использовались в приложениях аналоговых сигналов и в качестве выпрямителей в источниках питания.Сегодня ламповые диоды используются только в нишевых приложениях, таких как выпрямители в ламповых гитарах и усилителях Hi-Fi, а также в специализированном высоковольтном оборудовании.

Большинство современных диодов основаны на полупроводниковых p-n переходах. В pn-диоде обычный ток может течь от стороны p-типа (анода) к стороне n-типа (катода), но не в противоположном направлении.
Другой тип полупроводниковых диодов, диод Шоттки, формируется за счет контакта между металлом и полупроводником, а не p-n-переходом.

Кривая ВАХ полупроводникового диода приписывается поведению так называемого слоя обеднения или зоны обеднения , которая существует на p-n переходе между различными полупроводниками. Когда р-n-переход впервые создается, электроны зоны проводимости (подвижные) из области, легированной азотом, диффундируют в область, легированную фосфором, где имеется большое количество дырок (места для электронов, в которых нет ни одного электрона), с которыми электроны «рекомбинировать».Когда подвижный электрон рекомбинирует с дыркой, дырка исчезает, и электрон перестает быть подвижным. Таким образом, исчезли два носителя заряда. Область вокруг p-n перехода обедняется носителями заряда и, таким образом, ведет себя как изолятор. Однако ширина истощения не может расти неограниченно. Для каждой пары электрон-дырка, которая рекомбинирует, положительно заряженный ион примеси остается в области, легированной азотом, а отрицательно заряженный ион примеси остается в области, легированной фосфором. По мере того, как рекомбинация продолжается и создается больше ионов, в зоне истощения возникает возрастающее электрическое поле, которое замедляет, а затем, наконец, останавливает рекомбинацию.В этот момент в зоне истощения имеется «встроенный» потенциал. Если на диод подается внешнее напряжение с той же полярностью, что и встроенный потенциал, зона обеднения продолжает действовать как изолятор, предотвращая значительный электрический ток. Однако, если полярность внешнего напряжения противоположна встроенному потенциалу, рекомбинация может снова начаться, что приведет к значительному электрическому току через p-n-переход. Для кремниевых диодов встроенный потенциал примерно равен 0.6 В. Таким образом, если через диод пропустить внешний ток, на диоде будет возникать напряжение около 0,6 В, так что область, легированная P, будет положительной по отношению к области, легированной N, и говорят, что диод «повернут». на’.

ВАХ диода с P-N переходом (не в масштабе).

ВАХ диода можно аппроксимировать двумя рабочими областями. Ниже определенной разности потенциалов между двумя выводами обедненный слой имеет значительную ширину, и диод можно рассматривать как разомкнутую (непроводящую) цепь.По мере увеличения разности потенциалов на каком-то этапе диод становится проводящим и пропускает заряды, и в этот момент его можно рассматривать как соединение с нулевым (или, по крайней мере, очень низким) сопротивлением. Точнее, передаточная функция логарифмическая, но настолько острая, что выглядит как угол на уменьшенном графике ( см. также обработка сигналов).

Уравнение идеального диода Шокли (названное в честь Уильяма Брэдфорда Шокли) можно использовать для аппроксимации ВАХ p-n-диода.

где I ток диода, I _S масштабный коэффициент, называемый током насыщения , q заряд электрона k — постоянная Больцмана, T — абсолютная температура p-n перехода и V _D — напряжение на диоде. Термин kT / q представляет собой тепловое напряжение , иногда пишется как V _T , и составляет примерно 26 мВ при комнатной температуре. n (иногда опускается) — это коэффициент излучения , который варьируется примерно от 1 до 2 в зависимости от процесса изготовления и материала полупроводника.

Можно использовать более короткие обозначения. положить

и отношение диода становится:

где (при комнатной температуре) — известная константа.

В обычном кремниевом диоде при номинальном токе падение напряжения на проводящем диоде примерно равно 0.от 6 до 0,7 вольт. Для других типов диодов это значение отличается: диоды Шоттки могут иметь напряжение всего 0,2 В, а светоизлучающие диоды (СИД) могут иметь напряжение 1,4 В и более в зависимости от тока.

Ссылаясь на изображение ВАХ, в области обратного смещения для нормального диода выпрямителя PN ток через устройство очень мал (в диапазоне мкА) для всех обратных напряжений до точки, называемой пиковым обратным напряжением ( ПИВ). За пределами этой точки происходит процесс, называемый обратным пробоем, который приводит к повреждению устройства и значительному увеличению тока.Для диодов специального назначения, таких как лавинные диоды или стабилитроны, концепция PIV неприменима, поскольку они имеют преднамеренный пробой за пределами известного обратного тока, так что обратное напряжение «зажимается» до известного значения (называемого напряжением стабилитрона). Однако устройства имеют максимальный предел тока и мощности в стабилитроне или лавинной области.

Типы полупроводниковых диодов[]

Существует несколько типов полупроводниковых диодов:

Обычные (p-n) диоды: , которые работают, как описано выше.Обычно изготавливаются из легированного кремния или, реже, из германия. До разработки современных кремниевых силовых выпрямительных диодов использовался оксид меди, а затем селен; его низкая эффективность давала ему гораздо более высокое прямое падение напряжения (обычно 1,4–1,7 В на «ячейку», с несколькими ячейками, расположенными друг над другом для увеличения номинального пикового обратного напряжения в выпрямителях высокого напряжения), и требовал большого радиатора (часто расширение металлическая подложка диода), намного больше, чем потребовался бы кремниевый диод с такими же номиналами тока.
‘ Диоды, легированные золотом: Золото вызывает «подавление меньшинства». Это снижает эффективную емкость диода, позволяя ему работать на сигнальных частотах. Типичным примером является 1Н914. Германиевые диоды и диоды Шоттки также быстры, как и биполярные транзисторы, «выродившиеся» для работы в качестве диодов. Диоды источника питания рассчитаны на работу с максимальной частотой 2,5 x 400 Гц (иногда называемой американцами «французской мощностью»), поэтому они бесполезны выше килогерца.
Стабилитроны (произносится как /ziːnər/): , которые можно сделать обратными. Этот эффект, называемый пробоем Зенера, возникает при точно определенном напряжении, что позволяет использовать диод в качестве прецизионного источника опорного напряжения. В практических схемах опорного напряжения стабилитрон и переключающие диоды подключаются последовательно и в противоположных направлениях, чтобы сбалансировать температурный коэффициент почти до нуля. Некоторые устройства, обозначенные как высоковольтные стабилитроны, на самом деле являются лавинными диодами (см. ниже).Два (эквивалентных) стабилитрона последовательно и в обратном порядке в одном корпусе составляют поглотитель переходных процессов (или Transorb, зарегистрированная торговая марка). Они названы в честь изобретателя устройства доктора Кларенса Мелвина Зенера из Университета Южного Иллинойса.
Лавинные диоды: диоды, проводящие в обратном направлении, когда обратное напряжение смещения превышает напряжение пробоя. Они электрически очень похожи на диоды Зенера, и их часто ошибочно называют диодами Зенера, но они выходят из строя по другому механизму, лавинному эффекту .Это происходит, когда обратное электрическое поле поперек p-n перехода вызывает волну ионизации, напоминающую лавину, приводящую к большому току. Лавинные диоды рассчитаны на пробой при строго определенном обратном напряжении без разрушения. Отличие лавинного диода (имеющего обратный пробой выше примерно 6,2 В) от стабилитрона в том, что длина канала первого превышает «длину свободного пробега» электронов, поэтому на выходе между ними происходят столкновения. Единственное практическое различие состоит в том, что эти два типа имеют температурные коэффициенты противоположной полярности.
Диоды для подавления переходных напряжений (TVS): Это лавинные диоды, разработанные специально для защиты других полупроводниковых приборов от электростатических разрядов. Их p-n переходы имеют гораздо большую площадь поперечного сечения, чем у обычных диодов, что позволяет им проводить большие токи на землю без повреждений.
Фотодиоды: Полупроводники подлежат оптическому

Диод — Энциклопедия Нового Света

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

Ранние диоды включали кристаллы «кошачий ус» и вакуумные ламповые устройства (называемые «термионными клапанами» на диалекте британского английского). Сегодня наиболее распространены диоды из полупроводниковых материалов, таких как кремний или германий.

Диоды

являются чрезвычайно полезными устройствами для различных приложений.Например, они использовались для демодуляции AM-радиопередач; для выпрямителей, преобразующих переменный ток в постоянный; отводить вредные высокие напряжения от чувствительных электронных устройств; создавать логические элементы в электронных устройствах; для детекторов излучения и частиц; и для приборов измерения температуры.

крупный план, показывающий кристалл германия

История

Термоэлектронные и твердотельные диоды разрабатывались параллельно. Принцип работы термоэлектронных диодов был открыт Фредериком Гатри в 1873 году.^[1] Принцип работы кристаллических диодов был открыт в 1874 году немецким ученым Карлом Фердинандом Брауном.

Принципы термоэлектронных диодов были заново открыты Томасом Эдисоном 13 февраля 1880 г., и он получил патент в 1883 г. (патент США 307031 (PDF)), но не развил эту идею дальше. Браун запатентовал кристаллический выпрямитель в 1899 году. Первый радиоприемник, использующий кристаллический диод, был построен около 1900 года Гринлифом Уиттиером Пикардом. Первый термоэлектронный диод был запатентован в Великобритании Джоном Амброузом Флемингом (научный консультант компании Marconi и бывший сотрудник Эдисона) 16 ноября 1904 года (U.Патент С. 803684 (PDF) в ноябре 1905 г.). Пикард получил патент на кремниевый кристаллический детектор 20 ноября 1906 г. (патент США 836531 (PDF)).

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

Диоды термоэмиссионные или газообразные

Символ лампового диода. Компонентами сверху вниз являются анод, катод и нагреватель.

Термоэмиссионные диоды представляют собой термоэмиссионные клапанные устройства (также известные как вакуумные трубки), которые представляют собой устройства электродов, окруженных вакуумом внутри стеклянной оболочки, внешне похожие на лампы накаливания.

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

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

Полупроводниковые диоды

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

Большинство современных диодов основаны на полупроводниковых p-n переходах. В pn-диоде обычный ток течет со стороны p-типа (анод) на сторону n-типа (катод), но не в противоположном направлении.Другой тип полупроводниковых диодов, диод Шоттки, формируется за счет контакта между металлом и полупроводником, а не p-n-переходом.

Кривая вольт-амперной характеристики полупроводникового диода, или ВАХ, , приписывается поведению так называемого слоя обеднения или зоны обеднения , которая существует на p-n переходе между различными полупроводниками. Когда р-n-переход впервые создается, электроны зоны проводимости (подвижные) из области, легированной азотом, диффундируют в область, легированную фосфором, где имеется большое количество дырок (места для электронов, в которых нет ни одного электрона), с которыми электроны » рекомбинировать.Когда подвижный электрон рекомбинирует с дыркой, дырка исчезает, а электрон больше не подвижен. Таким образом, исчезают два носителя заряда. Область вокруг p-n-перехода обедняется носителями заряда и, таким образом, ведет себя как изолятор.

Однако ширина истощения не может расти без ограничений. Для каждой пары электрон-дырка, которая рекомбинирует, положительно заряженный ион примеси остается в области, легированной азотом, а отрицательно заряженный ион примеси остается в области, легированной фосфором.По мере того, как рекомбинация продолжается и создается больше ионов, в зоне истощения возникает возрастающее электрическое поле, которое замедляет, а затем, наконец, останавливает рекомбинацию. В этот момент в зоне истощения имеется «встроенный» потенциал.

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

ВАХ диода с P-N переходом (не в масштабе).

ВАХ диода можно аппроксимировать двумя рабочими областями. Ниже определенной разности потенциалов между двумя выводами обедненный слой имеет значительную ширину, и диод можно рассматривать как разомкнутую (непроводящую) цепь. По мере увеличения разности потенциалов на каком-то этапе диод становится проводящим и пропускает заряды, и в этот момент его можно рассматривать как соединение с нулевым (или, по крайней мере, очень низким) сопротивлением.Точнее, передаточная функция логарифмическая, но настолько острая, что выглядит как угол на уменьшенном графике.

В обычном кремниевом диоде при номинальном токе падение напряжения на проводящем диоде составляет приблизительно от 0,6 до 0,7 вольт. Для других типов диодов это значение отличается: диоды Шоттки могут иметь напряжение всего 0,2 В, а светоизлучающие диоды (СИД) могут иметь напряжение 1,4 В и более (синие светодиоды могут иметь напряжение до 4,0 В).

Ссылаясь на изображение ВАХ, в области обратного смещения для нормального выпрямительного диода PN ток через устройство очень мал (в диапазоне мкА) для всех обратных напряжений до точки, называемой пиковым обратным напряжением. (ПИВ).За пределами этой точки происходит процесс, называемый обратным пробоем, который приводит к повреждению устройства и значительному увеличению тока. Для диодов специального назначения, таких как лавинные диоды или стабилитроны, концепция PIV неприменима, поскольку они имеют преднамеренный пробой за пределами известного обратного тока, так что обратное напряжение «зажимается» до известного значения (называемого напряжением стабилитрона ). или напряжение пробоя). Однако эти устройства имеют максимальное ограничение по току и мощности в стабилитронной или лавинной области.

Уравнение диода Шокли

Уравнение идеального диода Шокли или закон диода (названный в честь соавтора транзистора Уильяма Брэдфорда Шокли) представляет собой ВАХ идеального диода при прямом или обратном смещении (или при отсутствии смещения). Он получен в предположении, что единственными процессами, вызывающими появление тока в диоде, являются дрейф (обусловленный электрическим полем), диффузия и тепловая рекомбинация-генерация. Также предполагается, что ток рекомбинации-генерации (РГ) в области обеднения незначителен.{V_{\mathrm{D}}/(nV_{\mathrm{T}})}-1\right),\,}

, где

I ток диода,

I _S — масштабный коэффициент, называемый током насыщения

В _D напряжение на диоде

В _T тепловое напряжение

n — коэффициент эмиссии

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

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

, где

e — величина заряда электрона (элементарный заряд)

k — постоянная Больцмана

T абсолютная температура p-n перехода

Типы полупроводниковых диодов

Существует несколько типов полупроводниковых диодов:

Обычные (p-n) диоды

Эти диоды работают, как описано выше.Обычно изготавливаются из легированного кремния или, реже, из германия. До разработки современных кремниевых силовых выпрямительных диодов использовался оксид меди, а затем селен; его низкая эффективность давала ему гораздо более высокое прямое падение напряжения (обычно 1,4–1,7 В на «ячейку», с несколькими ячейками, расположенными друг над другом для увеличения номинального пикового обратного напряжения в выпрямителях высокого напряжения), и требовал большого радиатора (часто расширение металлическая подложка диода), намного больше, чем потребовался бы кремниевый диод с такими же номиналами тока.

Диоды Шоттки

Диоды Шоттки состоят из контакта металл-полупроводник. Они имеют более низкое прямое падение напряжения, чем стандартный диод с PN-переходом. Падение их прямого напряжения при прямом токе около 1 мА находится в диапазоне от 0,15 В до 0,45 В, что делает их полезными в приложениях ограничения напряжения и предотвращения насыщения транзисторов. Их также можно использовать в качестве выпрямителей с малыми потерями, хотя их обратный ток утечки обычно намного выше, чем у выпрямителей без Шоттки.Диоды Шоттки являются устройствами с основными носителями и поэтому не страдают от проблем с хранением неосновных носителей, которые замедляют работу большинства обычных диодов. Они также, как правило, имеют намного меньшую емкость перехода, чем PN-диоды, что способствует их высокой скорости переключения и их пригодности в высокоскоростных цепях и ВЧ-устройствах, таких как смесители и детекторы.

Диоды, легированные золотом

В качестве легирующей примеси золото (или платина) действует как центр рекомбинации, который способствует быстрой рекомбинации неосновных носителей заряда. Это позволяет диоду работать на сигнальных частотах за счет более высокого падения напряжения в прямом направлении. ^[2] Типичным примером является 1N914.

Диоды с отсечкой или ступенчатым восстановлением

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

Диоды с точечным контактом

Они работают так же, как и полупроводниковые диоды, описанные выше, но имеют более простую конструкцию. Строится блок из полупроводника n-типа, и проводящий острый контакт, сделанный из некоторого металла группы 3, помещается в контакт с полупроводником. Некоторое количество металла мигрирует в полупроводник, образуя небольшую область полупроводника p-типа вблизи контакта. Давно популярная германиевая версия 1N34 до сих пор используется в радиоприемниках в качестве детектора, а иногда и в специализированной аналоговой электронике.

Диоды с кошачьими усами или кристаллические диоды

Это диоды с точечным контактом. Диод с кошачьими усами состоит из тонкой или заостренной металлической проволоки, прижатой к полупроводниковому кристаллу, обычно галениту или куску угля. Проволока образует анод, а кристалл — катод. Усиные диоды Cat также назывались кристаллическими диодами и нашли применение в кристаллических радиоприемниках. Кошачьи усики устарели.

PIN-диоды

PIN-диод имеет центральный нелегированный или внутренний слой , образующий структуру p-типа/собственного/n-типа.Ширина внутреннего слоя больше, чем у P и N. Они используются как радиочастотные переключатели, аналогичные варакторным диодам, но с более резким изменением емкости. Они также используются в качестве детекторов ионизирующего излучения большого объема и в качестве фотодетекторов. PIN-диоды также используются в силовой электронике, так как их центральный слой может выдерживать высокие напряжения. Кроме того, структуру PIN можно найти во многих силовых полупроводниковых устройствах, таких как IGBT, силовые МОП-транзисторы и тиристоры.

Варикапы или варакторы

Они используются в качестве конденсаторов, управляемых напряжением.Они важны в схемах PLL (петля фазовой автоподстройки частоты) и FLL (петля частотной автоподстройки частоты), позволяя схемам настройки, например, в телевизионных приемниках, быстро синхронизироваться, заменяя старые конструкции, которым требовалось много времени для прогрева и блокировки. PLL быстрее, чем FLL, но склонен к целочисленной гармонической синхронизации (если кто-то пытается синхронизироваться с широкополосным сигналом). Они также позволили использовать настраиваемые генераторы для ранней дискретной настройки радиоприемников, где дешевый и стабильный кварцевый генератор с фиксированной частотой обеспечивал опорную частоту для генератора, управляемого напряжением.

Стабилитроны

Диоды, которые можно настроить для обратной проводимости. Этот эффект, называемый пробоем Зенера, возникает при точно определенном напряжении, что позволяет использовать диод в качестве прецизионного источника опорного напряжения. В практических схемах опорного напряжения стабилитрон и переключающие диоды подключаются последовательно и в противоположных направлениях, чтобы сбалансировать температурный коэффициент почти до нуля. Некоторые устройства, обозначенные как высоковольтные стабилитроны, на самом деле являются лавинными диодами. Два (эквивалентных) стабилитрона последовательно и в обратном порядке в одном корпусе составляют поглотитель переходных процессов (или Transorb, зарегистрированная торговая марка).Они названы в честь изобретателя устройства доктора Кларенса Мелвина Зенера из Университета Южного Иллинойса.

Лавинные диоды

Диоды, проводящие в обратном направлении, когда обратное напряжение смещения превышает напряжение пробоя. Они электрически очень похожи на диоды Зенера, и их часто ошибочно называют диодами Зенера, но они выходят из строя по другому механизму, лавинному эффекту . Это происходит, когда обратное электрическое поле поперек p-n перехода вызывает волну ионизации, напоминающую лавину, приводящую к большому току.Лавинные диоды рассчитаны на пробой при строго определенном обратном напряжении без разрушения. Отличие лавинного диода (имеющего обратный пробой выше примерно 6,2 В) от стабилитрона в том, что длина канала первого превышает «длину свободного пробега» электронов, поэтому на выходе между ними происходят столкновения. Единственное практическое различие состоит в том, что эти два типа имеют температурные коэффициенты противоположной полярности.

Диоды для подавления переходных напряжений (TVS)

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

Фотодиоды

Полупроводники подвержены генерации оптических носителей заряда, поэтому большинство из них упаковывается в светонепроницаемый материал. Если они упакованы в материалы, пропускающие свет, их светочувствительность можно использовать. Фотодиоды могут использоваться как солнечные элементы и в фотометрии.

Светоизлучающие диоды (СИД)

В диоде, изготовленном из полупроводника с прямой запрещенной зоной, такого как арсенид галлия, носители, пересекающие переход, испускают фотоны, рекомбинируя с основным носителем на другой стороне. В зависимости от материала могут быть получены длины волн (или цвета) от инфракрасного до ближнего ультрафиолетового. Прямой потенциал этих диодов зависит от длины волны испускаемых фотонов: 1,2 В соответствует красному цвету, 2,4 В — фиолетовому.Первые светодиоды были красного и желтого цвета, и со временем были разработаны более высокочастотные диоды. Все светодиоды монохроматические; «белые» светодиоды на самом деле представляют собой комбинацию трех светодиодов разного цвета или синего светодиода с желтым сцинтилляционным покрытием. Светодиоды также можно использовать в качестве малоэффективных фотодиодов в сигнальных приложениях. Светодиод может быть соединен с фотодиодом или фототранзистором в одном корпусе для формирования оптоизолятора.

Лазерные диоды

Когда светодиодоподобная структура содержится в резонаторе, образованном полировкой параллельных торцов, можно сформировать лазер.Лазерные диоды обычно используются в оптических запоминающих устройствах и для высокоскоростной оптической связи.

Esaki или туннельные диоды

Они имеют рабочую область с отрицательным сопротивлением, вызванным квантовым туннелированием, что позволяет усиливать сигналы и создавать очень простые бистабильные схемы. Эти диоды также наиболее устойчивы к ядерному излучению.

Диоды Ганна

Они аналогичны туннельным диодам тем, что сделаны из таких материалов, как GaAs или InP, которые имеют область отрицательного дифференциального сопротивления.При соответствующем смещении дипольные домены формируются и проходят через диод, что позволяет создавать высокочастотные микроволновые генераторы.

Диоды Пельтье

Используются в качестве датчиков, тепловых двигателей для термоэлектрического охлаждения. Носители заряда поглощают и излучают энергию запрещенной зоны в виде тепла.

Токоограничивающие полевые диоды

На самом деле это JFET с затвором, закороченным на исток, и функционируют как двухвыводной токоограничивающий аналог стабилитрона; они позволяют протекающему через них току повышаться до определенного значения, а затем выравниваться до определенного значения.Также называются CLD, диодами постоянного тока, транзисторами с диодным включением, или токорегулирующими диодами.

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

Приложения

Демодуляция радио

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

Преобразование мощности

Выпрямители состоят из диодов, которые используются для преобразования электроэнергии переменного тока (AC) в постоянный ток (DC). Точно так же диоды также используются в умножителях напряжения Кокрофта-Уолтона для преобразования переменного тока в очень высокое постоянное напряжение.

Защита от перенапряжения

Диоды

часто используются для отведения опасного высокого напряжения от чувствительных электронных устройств. Обычно они смещены в обратном направлении (непроводящие) при нормальных обстоятельствах и становятся смещенными в прямом направлении (проводящими), когда напряжение превышает нормальное значение. Например, диоды используются в схемах шаговых двигателей и реле для быстрого обесточивания катушек без разрушительных скачков напряжения, которые в противном случае произошли бы. Многие интегральные схемы также включают диоды на соединительных контактах, чтобы предотвратить повреждение их чувствительных транзисторов внешним напряжением.Для защиты от перенапряжений при большей мощности используются специализированные диоды.

Логические элементы

Диоды

можно комбинировать с другими компонентами для построения логических элементов И и ИЛИ. Это называется диодной логикой.

Детекторы ионизирующего излучения

Кроме света, упомянутого выше, полупроводниковые диоды чувствительны к более энергичному излучению. В электронике космические лучи и другие источники ионизирующего излучения вызывают шумовые импульсы, а также одиночные и множественные битовые ошибки.Этот эффект иногда используется детекторами частиц для обнаружения излучения. Одна частица излучения с энергией в тысячи или миллионы электрон-вольт генерирует множество пар носителей заряда, поскольку ее энергия откладывается в полупроводниковом материале. Если обедненный слой достаточно велик, чтобы уловить весь ливень или остановить тяжелую частицу, можно провести довольно точное измерение энергии частицы, просто измерив проводимый заряд и не используя сложности магнитного спектрометра.

Эти полупроводниковые детекторы излучения требуют эффективного и равномерного сбора заряда и низкого тока утечки. Их часто охлаждают жидким азотом. Для более дальнобойных (около сантиметра) частиц им нужна очень большая глубина истощения и большая площадь. Для частиц ближнего действия необходимо, чтобы любой контакт или неистощенный полупроводник хотя бы на одной поверхности был очень тонким. Напряжения обратного смещения близки к пробойным (около тысячи вольт на сантиметр). Германий и кремний являются распространенными материалами.Некоторые из этих детекторов чувствуют положение, а также энергию.

Срок службы ограничен, особенно при обнаружении тяжелых частиц из-за радиационного повреждения. Кремний и германий сильно различаются по своей способности преобразовывать гамма-лучи в электронные потоки.

Полупроводниковые детекторы для частиц высокой энергии используются в большом количестве. Из-за флуктуаций потерь энергии точное измерение выделенной энергии менее полезно.

Измерение температуры

В качестве устройства для измерения температуры можно использовать диод, так как прямое падение напряжения на диоде зависит от температуры.Эта температурная зависимость следует из приведенного выше уравнения идеального диода Шокли и обычно составляет около -2,2 мВ на градус Цельсия.

Устройства с зарядовой связью

В цифровых камерах и аналогичных устройствах используются матрицы фотодиодов, объединенные со схемой считывания.

Дополнительный

Диоды

также могут обозначаться как управляемые выпрямители , сокращенно CR на печатных платах.

Примечания

Ссылки

Ссылки ISBN поддерживают NWE за счет реферальных сборов

Нойдек, Джордж У. Диод PN-перехода . Река Аппер-Сэдл, Нью-Джерси: Prentice Hall, 1988. ISBN 0201122960
Пьер, Роберт Ф. Основы полупроводников . Река Аппер-Сэдл, Нью-Джерси: Prentice Hall, 1988. ISBN 0201122952
Сзе, С.М. Физика современных полупроводниковых устройств . Хобокен, Нью-Джерси: Wiley Interscience, 1997. ISBN 0471152374

Кредиты

Энциклопедия Нового Света авторов и редакторов переписали и дополнили статью Википедии
в соответствии со стандартами New World Encyclopedia .Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с надлежащим указанием авторства. Упоминание должно осуществляться в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на авторов New World Encyclopedia , так и на самоотверженных добровольных участников Фонда Викимедиа. Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних вкладов википедистов доступна исследователям здесь:

История этой статьи с момента ее импорта в New World Encyclopedia :

Примечание.

Полупроводниковый диод

Диод в состоянии покоя

Обратное включение диода

Прямое включение диода

Недостатки реального полупроводникового диода

Принцип работы полупроводникового диода

Устройство полупроводникового диода, p-n переход.

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

типы, классификация, принцип действия, характеристики, устройство и использование

Что такое диод?

Принцип действия

Р-n-переход

Вольт-амперная характеристика

Характеристики и параметры

Материал полупроводника

Падение напряжения в режиме прямого тока (U пр.)

Пиковое обратное напряжение (U обр. max)

Максимальный прямой ток (U пр. max)

Ток утечки (I обр.)

Емкость перехода

Тип корпуса

Типы диодов

Устройство и принцип работы полупроводниковых диодов | Electrotechnical Laboratory

Полупроводниковые диоды

— Диод

Что Полупроводниковый диод с p-n переходом?

Смещение Полупроводниковый диод с p-n переходом

Клеммы p-n перехода диода

Терминалы диода при прямом смещении

Терминалы диода при обратном смещении

Кремний и германиевые полупроводниковые диоды

Преимущества диода с p-n переходом

полупроводниковых устройств | электроника | Britannica

Полупроводниковые материалы

Электронные свойства

Знакомство с диодами

Рисунок 2.0.1. Диоды

Введение

Рис. 2.0.2 Символы диодной цепи

Символы диодной цепи

В каком направлении протекает диодный ток?

Конструкция кремниевого диода

Рис. 2.0.3 Кремниевый планарный диод

Диод PN переход

Рис. 2.0.4 Слой истощения диодов

Диод прямой проводимости

Рис. 2.0.5 Диод вперед

Диод обратного смещения

Рис. 2.0.6 Обратный диод

ВАХ диода

Рис. 2.0.7. Типичная I/V диода

Как работают полупроводники | HowStuffWorks

Транзисторы

Полупроводниковые диоды — обзор

6.10.1 Введение и предыстория

Диод | Инжиниринг | Fandom

Термоэмиссионные или газообразные диоды[]

Типы полупроводниковых диодов[]

Диод — Энциклопедия Нового Света

История

Диоды термоэмиссионные или газообразные

Полупроводниковые диоды

Уравнение диода Шокли

Типы полупроводниковых диодов

Приложения

Демодуляция радио

Преобразование мощности

Защита от перенапряжения

Логические элементы

Детекторы ионизирующего излучения

Измерение температуры

Устройства с зарядовой связью

Дополнительный

Примечания

Ссылки

Кредиты

alexxlab

Вам также может понравиться

Лампы накаливания виды: Какие бывают лампы

Чем заменить канифоль: Страница не найдена — Svaring

Что
Полупроводниковый диод с p-n переходом?

Смещение
Полупроводниковый диод с p-n переходом

Терминалы
диода при прямом смещении

Терминалы
диода при обратном смещении

Кремний и
германиевые полупроводниковые диоды

Преимущества
диода с p-n переходом