В этой статье я объясню, что такое полупроводниковые диоды, как они работают, и как их можно использовать в электрических цепях, предоставляя определения и свойства этой важной электротехнической компоненты.
Полупроводниковые диоды: определение, принцип работы и применение в электрических цепях обновлено: 25 ноября, 2023 автором: Научные Статьи.Ру
Помощь в написании работы
Добро пожаловать на лекцию по электротехнике! Сегодня мы будем говорить о полупроводниковых диодах. Полупроводниковые диоды являются одними из самых важных и широко используемых компонентов в электрических цепях. Они играют ключевую роль в преобразовании электрической энергии и обеспечивают необходимую функциональность во многих устройствах, от простых светодиодов до сложных электронных систем.
Нужна помощь в написании работы?
Написание учебной работы за 1 день от 100 рублей. Посмотрите отзывы наших клиентов и узнайте стоимость вашей работы.
Краткая справка
Электро-дырочный переход (p-n переход) — это переходный слой между двумя областями полупроводника с разной электропроводностью, в котором существует диффузионное электрическое поле.
Диоды — это полупроводниковые приборы, основой которых является p-n переход. В основе применения полупроводниковых диодов лежит ряд их свойств, таких как асимметрия вольт-амперной характеристики, пробой электро-дырочного перехода, зависимость барьерной емкости от напряжения и т.д.
- Выпрямительный — асимметрия вольт-амперной характеристики
- Стабилитрон — пробой
- Варикап — барьерная ёмкость
- Импульсный — переходные процессы
Выпрямительные диоды
Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного сигнала в постоянный.
Рассмотрим принцип действия простейшего однополупериодного выпрямителя на полупроводниковом диоде.
Описание работы
При поступлении от первичного источника переменного напряжения, диод будет открыт на положительной полуволне и закрыт на отрицательной. В результате на полуволне через диод и сопротивление нагрузки будет протекать ток. конденсатор при этом заряжается до значения, близкого к пиковому. При уменьшении напряжения во входной цепи диод запирается. При этом конденсатор начинает разряжаться через сопротивление нагрузки.
Недостатком является то, что выпрямительное напряжение сильно зависит от сопротивления нагрузки и имеет большую амплитуду пульсаций. Поэтому такие выпрямители применяются только при высокомерных нагрузках. Для формирования Импульсов применяются амплитудные ограничители, которые могут быть последовательными и параллельными. В последовательных диодных ограничителях диод включается последовательно с сопротивлением нагрузки.
Полупроводниковый диод — Как это работает? Подробная теория
Варикапы
Варикап — полупроводниковый диод, используемый в качестве электрически управляемой емкости.
Эти параметрические диоды работают в обратном направлении, от которого зависит барьерная емкость. Таким образом, варикапы представляют собой конденсаторы переменной емкости, управляемой не механически, а электрически, при изменении обратного напряжения.
Варикапы применяются главным образом для настройки колебательных контуров. Простейшая схема включения варикапа в колебательный контур на рисунке.
Описание работы
Настройка колебательного контура на резонансную частоту может осуществляться двумя способами. Во-первых, посредством варьирования частоты проводимого к контуру переменного входного напряжения Uвх. Во-вторых, за счет изменения частоты собственных колебаний Wо, которая обусловлена индуктивностью и емкостью колебательного контура. Изменяя величину обратного напряжения Uобр., можно регулировать емкость варикапа, а следовательно и менять резонансную частоту контура. Конденсатор Cp является разделительным. Он необходим для предотвращения шунтирования варикапа индуктивностью.
Стабилитроны
Стабилитрон — это полупроводниковый диод, используемый для стабилизации напряжения.
Участок соответствующий электрическому пробою Uпроб. на котором напряжение слабо зависит от тока, является рабочим. При использовании стабилитрона для стабилизации постоянного напряжения, его включают параллельно нагрузке. Наиболее часто стабилитрон работает в таком режиме, когда напряжение источника нестабильно, а сопротивление нагрузки Rн постоянно. Для установления и поддержания правильного режима стабилизации в этом случае сопротивление Rогр. должно иметь определенное значение. Для исключения температурного дрейфа напряжение используют последовательно соединенный диод. Подобные диоды называются термокомпенсированными стабилитронами.
Импульсные диоды
Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов и предназначены для работы в качестве коммутирующих элементов. Существуют различные типы импульсных диодов: сплавные, точечные меза-диоды, диоды Шоттки.
Импульсные диоды широко используют в качестве коммутирующих элементов, т.е. устройств, имеющих два устойчивых состояния: «открыто», когда сопротивления прибора мало и «закрыто», когда велико.
При использовании диода в качестве ключа, могут комбинироваться различные диодные и диодно-транзисторные схемы, предназначенные для работы в цифровой аппаратуре.
В заключении
Прошу прощения за рисунки, элементы схем не по госту(их соотношение), но думаю для наглядного примера сойдет.
PS: стоит ли рассказать о транзисторах?
- диод
- p-n переход
- полупроводниковые приборы
Полупроводниковый диод
Полупроводнико́вый дио́д, двухэлектродный электронный прибор, изготовленный на основе полупроводникового кристалла ; разновидность полупроводникового прибора . Понятие «полупроводниковый диод» объединяет приборы с различными принципами действия, имеющие разнообразное назначение. Действие полупроводникового диода обусловлено свойствами либо электронно-дырочного перехода, либо контакта металл – полупроводник ( диоды Шоттки ), либо объёмным эффектом доменной неустойчивости однородного полупроводника (диоды с междолинным переходом электронов ).
Полупроводниковые диоды, работа которых основана на использовании р–n-перехода , получили наибольшее распространение. Если к p–n-переходу диода приложить напряжение в прямом направлении, когда положительный полюс источника питания соединяется с областью р-типа, а отрицательный – с областью n-типа, то потенциальный барьер перехода понижается и через диод протекает большой прямой ток. При подаче напряжения обратной полярности потенциальный барьер повышается и через p–n-переход протекает лишь очень малый ток неосновных носителей заряда (обратный ток). Вольт-амперная характеристика полупроводниковой структуры с p–n-переходом является несимметричной. На этом свойстве основана работа выпрямительных полупроводниковых диодов, предназначенных для преобразования переменного тока (с частотой, как правило, до 5 кГц) в постоянный ток . Частотный предел выпрямительного полупроводникового диода ограничен инерционностью, определяемой временем жизни неосновных носителей заряда. Для выпрямительных устройств и других сильноточных электрических цепей выпускают выпрямительные полупроводниковые диоды, имеющие допустимый выпрямленный ток до 300 А и максимальное допустимое обратное напряжение Uобр до нескольких киловольт. Для повышения Uобр до нескольких десятков киловольт используют выпрямительные столбы.
Легирование полупроводников примесями (в основном золотом ) позволило существенно уменьшить время жизни носителей заряда и создать быстродействующие импульсные полупроводниковые диоды (со временем переключения 10 –7 –10 –10 с), предназначенные главным образом для работы в режиме переключения электрических цепей.
При определённых обратных (т. н. пробивных) напряжениях в p–n-переходе возникает электрический пробой , приводящий к резкому возрастанию тока при практически неизменном напряжении на полупроводниковом диоде. На этом эффекте основана работа полупроводниковых стабилитронов , применяемых главным образом в стабилизаторах и ограничителях постоянного и импульсного напряжения, в качестве источника опорного напряжения и в потенциометрических устройствах.
Инерционность развития лавинного пробоя в p–n-переходе обусловливает возникновение отрицательного дифференциального сопротивления в диапазоне СВЧ, связанного со сдвигом фаз между током и напряжением в диоде. Этот принцип лежит в основе работы лавинно-пролётных диодов , применяемых для генерации СВЧ-колебаний, частотный предел которых достигает 150 ГГц. Лавинный пробой p–n-перехода сопровождается значительными флуктуациями , приводящими к большой величине шума, что используется в шумовых диодах.
Полупроводниковый переход при подаче обратного напряжения (не превышающего Uобр) ведёт себя как конденсатор, ёмкость СБ которого зависит от приложенного напряжения. Это свойство используют в варикапах , применяемых для электронной перестройки резонансных частот колебательных контуров , в параметрических СВЧ-диодах, служащих для усиления амплитуды сигнала, в умножительных СВЧ-диодах – для умножения частоты сигнала. Полупроводниковые СВЧ-диоды, служащие для детектирования и преобразования электрических сигналов в СВЧ-диапазоне (детекторные СВЧ-диоды, смесительные СВЧ-диоды и др.), обычно монтируют непосредственно в волноводных системах, что предъявляет определённые требования к конструктивному оформлению таких диодов, а также к выбору структуры и геометрии полупроводникового кристалла. В большинстве случаев они представляют собой точечные диоды с выпрямляющим контактом металл – полупроводник. Уменьшение площади p–n-перехода и использование структуры с барьером Шоттки обеспечивают малое значение ёмкости СБ таких полупроводниковых диодов. Для получения низкого сопротивления базы rб (основной источник активных потерь) обычно на исходную полупроводниковую пластинку с малым удельным сопротивлением (подложку) наносят тонкий слой высокоомного полупроводника методом эпитаксиального наращивания. Для управления уровнем мощности в линиях передачи СВЧ применяются переключательные СВЧ-диоды, работа которых основана на резком изменении их электрического сопротивления при изменении полярности подводимого напряжения, а также ограничительные диоды .
К полупроводниковым СВЧ-диодам относят также туннельные диоды и обращённые диоды , действие которых основано на туннельном эффекте , возникающем в p–n-переходе шириной не более 10 –2 мкм. Практическая безынерционность этих приборов в диапазоне СВЧ обеспечивает успешную работу туннельных диодов в быстродействующих импульсных устройствах ( мультивибраторах , триггерах и др.), в усилителях и генераторах электрических колебаний, а обращённых диодов – в качестве детекторов и смесителей СВЧ-сигнала.
Особую группу полупроводниковых диодов (не содержащих p–n-перехода) составляют диоды с междолинным переходом электронов ( диоды Ганна ), в которых благодаря особенностям зонной структуры определённого класса полупроводников (главным образом GaAs, InP) в сильном электрическом поле возникает отрицательная дифференциальная проводимость. Диоды Ганна используются для усиления и генерации СВЧ-колебаний с частотой до 100 ГГц.
Свойство фотонов и ядерных частиц образовывать электронно-дырочные пары и увеличивать тем самым обратный ток p–n-перехода при поглощении излучения в активной области полупроводникового кристалла, непосредственно примыкающей к переходу, положено в основу фотодиодов и полупроводниковых детекторов ядерных излучений. Оптимальной для данного типа диодов является p–i–n-структура, характеристики которой во многом сходны с характеристиками p–n-перехода. Излучательная рекомбинация электронов и дырок в условиях протекания через p–n-переход прямого тока, характерная для некоторых полупроводниковых структур, используется в излучающих диодах и полупроводниковых лазерах , которые также могут быть отнесены к полупроводниковым диодам. Спектр излучения определяется шириной запрещённой зоны полупроводника, а кроме того, легирующими примесями, образующими излучательные центры рекомбинации.
К полупроводниковым диодам относят также неуправляемую четырёхслойную p–n–p–n-структуру; такие приборы называются динисторами.
Для изготовления полупроводниковых диодов широко применяют планарную технологию , при этом получили распространение различные технологические методы (сплавление, диффузия , эпитаксиальное наращивание и др.). В качестве полупроводниковых материалов используют главным образом кремний и германий , полупроводники группы А Ⅲ –В Ⅴ (например, GaAs, GaP, InP) и их твёрдые растворы‚ в качестве контактных материалов – золото, алюминий , олово , никель , медь . Для защиты полупроводникового кристалла полупроводниковый диод обычно помещают в металлостеклянный, металлокерамический‚ стеклянный или пластмассовый корпус.
С развитием полупроводниковой электроники совершился переход к производству (наряду с дискретными полупроводниковыми диодами) диодных структур в полупроводниковых монолитных интегральных схемах и функциональных устройствах.
От своих электровакуумных аналогов (например, кенотрона , газоразрядного стабилитрона) полупроводниковые диоды отличаются, как правило, значительно большей надёжностью и долговечностью , меньшими габаритными размерами и массой, лучшими техническими характеристиками, меньшей стоимостью и поэтому вытесняют их в большинстве областей. Полупроводниковые диоды применяются в радиоэлектронике, электротехнике , вычислительной технике и автоматике ; используются в устройствах передачи и отображения информации и др.
Аладинский Владимир Константинович . Первая публикация: Электроника: энциклопедический словарь, 1991.
Опубликовано 23 ноября 2023 г. в 10:54 (GMT+3). Последнее обновление 23 ноября 2023 г. в 10:54 (GMT+3). Связаться с редакцией
Что такое p-n-переход
Принцип работы большинства элементов твердотельной электроники (диодов, тиристоров, транзисторов и микросхем) базируется на электрофизических свойствах p-n-перехода. В качестве основы обычно используется монокристаллический кремний, хотя для решения отдельных задач могут применяться другие полупроводники — германий (Ge), арсенид галлия (GaAs). С помощью различных технологий легирования (внедрения) дополнительными примесями в кремнии формируются две, граничащие друг с другом области. Одна из них имеет электронную проводимость и называется n-областью (донорные примеси — мышьяк (As), сурьма (Sb), фосфор (P)), а вторая — p-областью (примеси-акцепторы — алюминий (Al), индий (In), галлий (Ga)) и обладает дырочной проводимостью.
Переходной, пограничный слой называется p-n-переходом. Он обладает рядом уникальных электрических и оптических свойств. Существует два варианта включения диода в устройствах:
- На анод, каковым является p-слой, подаётся положительное напряжение (плюс), а на катод (n-слой) — отрицательное (минус). В этом случае переход открыт, сопротивление ПД минимальное, ток течёт свободно.
- Когда на катоде плюс, а на аноде минус, p-n-переход расширяется, его сопротивление резко увеличивается, а так называемый обратный ток через ПД падает до минимального значения.
Как и в случае с ламповыми диодами, появилась возможность для преобразования электрических сигналов (выпрямление, детектирование, стабилизация), но твердотельные диоды устроены так, что обладают неоспоримыми преимуществами в части надёжности, компактности, механической устойчивости.
Вольт-амперная характеристика ПД
ВАХ — это зависимость тока, протекающего через диод, от приложенного к его электродам напряжения. Вольтамперная характеристика типичного полупроводникового диода описывается следующей формулой:
Графическое представление ВАХ кремниевого и германиевого полупроводникового диода показано на картинке ниже. По оси ординат в положительном направлении ток Iпр (прямой ток) растёт экспоненциально от Uпр. При обратном напряжении (минус на аноде, плюс на катоде) ток выходит на постоянное значение Iобр, что соответствует состоянию диода «закрыто». Ток прямого включения Iпр на несколько порядков превышает обратный ток.
У германиевого диода «открывание» начинается при U * = 0.1-0.2 В, а у кремниевого при 0.5-0.6 В. Чтобы экспоненциальный рост тока не привёл к перегреву и разрушению кристаллической структуры, последовательно с ПД включается резистор-ограничитель.
Uпр для всех величин рабочих токов не превышает следующих значений:
- Для кремниевых ПД — 1.5 В.
- Для германиевых — 1.0 В.
При дальнейшем увеличении обратного напряжения происходит лавинообразный большой скачок тока, рост температуры кристалла, что приводит к пробою p-n-перехода.
Типы полупроводниковых диодов
Полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом, работа которого заключается в преобразования одних электрических значений в другие, называют диодом. В конструкции данного изделия предусматривается два вывода для монтажа.
На принципиальных электрических схемах полупроводниковые диоды изображаются в виде треугольника и отрезка, расположенного на одной из его вершин и находящегося параллельно противолежащей стороне.
- выпрямительные, импульсные и универсальные
- стабилитроны и стабисторы
- туннельные
- обращенные
- варикапы
В зависимости от разработки диода его обозначение может включать дополнительные символы. В любом случае вершина треугольника, примыкающая к осевой линии диода, указывает на направление протекания тока.
В той части обозначения, где располагается треугольник, находится p -область, которую ещё называют анодом или эмиттером, а со стороны, где к треугольнику примыкает отрезок, находится n -область, которую соответственно называют катодом, или базой.
Полупроводниковые диоды, назначение которых заключается в преобразовании переменного тока в постоянный ток, называются выпрямительными. Выпрямление переменного тока с использованием полупроводникового диода построено на основе его односторонней электропроводности, которая заключается в том, что диод создаёт очень малое сопротивление току, текущему в прямом направлении, и достаточно большое сопротивление обратному току.
Для того чтобы выпрямить ток большой силы не опасаясь теплового пробоя, конструкция диодов должна предусматривать значительную площадь p — n -перехода. В связи, с чем в выпрямительных полупроводниковых диодах задействуют специальные p — n -переходы соответствующие последнему слову науки и техники.
Технология создания p — n -перехода получается, за счёт ввода в полупроводник p -или n -типа примеси, которая создаёт в нем область с противоположным значением электропроводности. Примеси можно добавлять методом сплавления или диффузии.
Диоды, получаемые методом сплавления, называют «сплавными», а изготавливаемые методом диффузии «диффузионными».
В ходе положительного полупериода входного напряжения U1 диод V работает в прямом направлении, его сопротивление маленькое и на нагрузке RH напряжение U2 практически равно входящему напряжению.
График напряжения на входе и выходе простейшего однополупериодного выпрямителя
При отрицательном полупериоде данного входного напряжения диод включен в направлении обратно, где его сопротивление формируется значительно больше, чем сопротивление на нагрузке, и почти все входящее напряжение падает на диоде, а напряжение на нагрузке приближается к нулю. В такой схеме для получения выпрямленного напряжения используется всего лишь один полупериод входящего напряжения, поэтому такой тип выпрямителей называется однополупериодным.
Полупроводниковые диоды, которые используются для стабилизации постоянного напряжения на нагрузке, называют стабилитронами. В стабилитронах задействован участок обратной участка вольтамперной характеристики в поле электрического пробоя.
Схема простейшего стабилизатора напряжения
В данном случае при изменении тока, проходящего через стабилитрон, от Iст. мин. до Iст. макс. напряжение на нем практически не изменяется. Если нагрузка RH включена параллельно стабилитрону, уровень напряжения на ней также будет оставаться неизменным в указанных пределах изменения тока, проходящего через стабилитрон.
Такими диодами стабилизируют уровень напряжения примерно от 3,5 В и выше. Для стабилизации постоянного напряжения до 1 вольта применяют стабисторы. У стабисторов работает не обратная, а прямая часть вольтамперной характеристики. Поэтому их подсоединяют не в обратном, как делают со стабилитронами, а в прямом направлении. Электронные компоненты, такие как стабисторы и стабилитроны, как правило, изготовляются, из кремния.
Вольтамперная характеристика стабистора
Плоскостные диоды обладают с высокими ёмкостными характеристиками. С увеличением частоты емкостное сопротивление понижается, что приводит к нарастанию его обратного тока. На больших частотах вследствие того в диоде есть ёмкость, величина его обратного тока может достичь значения прямого тока, и этот диод, таким образом, утратит свое основное свойство односторонней электропроводности. Для сохранения своих функциональных качеств необходимо снизить емкость диода. Это достигается с помощью всевозможных технологических и конструктивных методов, направленных на сокращения площади p — n -перехода.
В диодах, используемых в схемах, работающих с высокочастотным током, применяют изделия с точечными и микросплавными p — n -переходами. Нужный точечный p — n -переход, получается в месте контакта заостренного окончания специальной металлической иглы с полупроводником. При этом применяют способ электроформования, заключающемся в том, что через соединение проволоки и кристалла полупроводники протекают импульсы электрического тока, формирующие в месте их контакта p — n -переход. Микросплавными называются такие диоды, у которых p — n -переход создаётся при электроформовании контакта между пластинкой полупроводника и металлическим предметом с плоским торцом.
ССЫЛКИ ПО ТЕМЕ:
Применение диодов
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода
ещё один недоучка в среднем образовании.
все предположения и трактования движения электронов и объёмных зарядов, давно уже высрали. и не нужно быть компилятором, переводить и ызрыгать буквы как испорченный телефон
Сойдёт для меня.
Всё чётко и ясно написано.
проф, ниочем вообще
Всё отлично и доступно написано. Проф придурковатый ботан.
Дырки умеют двигаться? Незнал
Nk, когда свободное место атома с дыркой заполняется электроном из соседнего атома, соседний атом лишается одного электрона. Получается что дырка передвинулась.
Написано, конечно, доступно. Вот только перепутаны причины в состоянии покоя. До контакта p и n областей они были электрически нейтральны — в p области примесь III группы отбирает электрон у полупроводника IV, полупроводник становится «дыркой», но лишний электрон у примеси никуда не исчезает, аналогично для примеси V группы — электрон улетает, но положительный ион остается. Электрическому полю взяться неоткуда — заряды друг друга компенсируют.
Также непонятно с чего бы это электроны полетят назад в n область, где и без них полно электронов, из p области, где электронов практически нет. Диффузия — это же случайный процесс. Просто электроны берут и летят куда им «вздумается». Из n области в p вылетает куча, а назад лететь практически некому.
Происходит накопление случайно прилетевших электронов в p области, часть из них рекомбинирует с «дырками», часть остается свободными. И вот тут уже происходит нарушение электронейтральности — p область оказывается заряжена отрицательно, n — положительно. Образуется область пространственного заряда. Появляется электрическое поле и дрейф несет электроны обратно в n область. Дрейф компенсирует диффузию, а не наоборот.
1)Дырки попадают в n,а электроны в p засчет теплового движения, и там же они рекомбинируют, при этом образуется избыточный заряд — в p области и + в n области вблизи раздела. какая еще диффузия? в это вся и суть, что эти заряды имеют ядра атомов, а значит не могут рекомбинировать, а создают потенциальный барьер.
2)проводимость происходит совсем по другому. при прямом включении. барьер «рассасывается» засчет эл поля и дырки с электронами устремляются (под действием этого же поля) к границе p-n в результате чего они там рекомбинируют. электрон же никак не проходит через оба перехода.
С катода электроны «перебегают» в n область, а на анод «забирает электроны» из p области. все это под действием эл поля источника.
В обратном направлении тоже ничего подобного. Просто анод «забирает» электроны из n области, а катод отдает электроны дыркам, из за чего в p области область отрицательно заряженных ионов еще расширяется, а в n области расширяется область положительно заряженных ионов(см выше — потенциальный барьер расширяется).
Самый лучший сайт с разъеснялками и наглядными примерами, большое спасибо.
Миклашевский — Промышленная электроника, советую. Когда откроете книгу, то сами все поймете. Там более чем доступно все написано.
Автору сайта спасибо за материал и проделанную работу.
Хороший материал для «чайников», просто, доступно, с понятной графикой. Оптимально для преподавателей школ, НПО, СПО. Спасибо за работу.
Привет! такой вопрос… а может такое быть что при прямом подключении электроны с N части заполнят все дырки в P части? если нет то почему? а если да то как это повлияет на свойство диода? ….
А теория P i n диодов будет?
Статья очень понравилась, спасибо автору, правда уровень средний
Все права защищены Источники»]
- https://nauchniestati.ru/spravka/poluprovodnikovye-diody-kak-nelinejnye-elementy-elektricheskoj-czepi/
- https://habr.com/ru/articles/132469/
- https://bigenc.ru/c/poluprovodnikovyi-diod-3f6fec
- https://profazu.ru/knowledge/electronics/poluprovodnikovyj-diod.html
- http://selectelement.ru/electronic-element/semiconductor-diodes.php
- http://hightolow.ru/diode1.php
- https://220v.guru/elementy-elektriki/provodka/princip-raboty-i-sfery-primeneniya-poluprovodnikovyh-diodov.html
[/spoiler]
