Принцип работы полупроводникового диода

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.

Как работает полупроводниковый диод.

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

Диод закрыт

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

Диод открыт

Возникает вполне естественный вопрос, как из одного полупроводникового материала удаётся получить структуры, обладающие различными свойствами, то есть полупроводник «n» типа и полупроводник «p» типа.

Этого удаётся добиться с помощью электрохимического процесса называемого легированием, то есть внесением в полупроводник примесей других металлов, которые и обеспечивают нужный тип проводимости. В электронике используются в основном три полупроводника. Это германий (Ge), кремний (Si) и арсенид галлия (GaAs). Наибольшее распространение получил, конечно, кремний, так как запасы его в земной коре поистине огромны, поэтому стоимость полупроводниковых приборов на основе кремния весьма невысока.

Полупроводники. Как работают транзисторы и диоды. Самое понятное объяснение!

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

Типы диодов и область их применения.

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

Быстровосстанавливающийся диод RU4Am

  • Выпрямительные диоды. Предназначены для выпрямления переменного тока.
  • Стабилитроны. Обеспечивают стабилизацию выходного напряжения.

Быстрый диод RGP30J

  • Диоды Шоттки. Предназначены для работы в импульсных преобразователях и стабилизаторах напряжения. Например, в блоках питания персональных компьютеров.
  • Импульсные диоды отличаются очень высоким быстродействием и малым временем восстановления. Они применяются в импульсных блоках питания и в другой импульсной технике. К этой группе можно отнести и туннельные диоды.
  • СВЧ диоды имеют определённые конструктивные особенности и работают в устройствах на высоких и сверхвысоких частотах.
  • Диоды Ганна. Они предназначены для генерирования частот до десятков гигагерц.
  • Лавинно-пролётные диоды генерируют частоты до 180 ГГц.
  • Мощный светодиод

  • Фотодиоды имеют миниатюрную линзу и управляются световым излучением. В зависимости от типа могут работать как в инфракрасном, так и в ультрафиолетовом диапазоне спектра.
  • Светодиоды. Излучают видимый свет практически любой длины волны. Спектр применения очень широк. Рассматриваются как альтернатива электрическим лампам накаливания и других осветительных приборов.
  • Твёрдотельный лазер так же представляет собой полупроводниковый диод. Спектр применения очень широк. От приборов военного назначения до обычных лазерных указок, которые легко купить в магазине. Его можно обнаружить в лазерных считывателях CD/DVD-плееров, а также лазерных уровнях (нивелирах), используемых в строительстве. Чтобы не говорили сторонники лазерной техники, как ни крути, лазер опасен для зрения. Так что, будьте внимательны при обращении с ним.
  • Также стоит отметить, что у каждого типа диодов есть и подгруппы. Так, например, среди выпрямительных есть и ультрабыстрые диоды. Могут называться как Ultra-Fast Rectifier, HyperFast Rectifier и т.п. Пример – ультрабыстрый диод с малым падением напряжения STTH6003TV/CW (аналог VS-60CPH03). Это узкоспециализированный диод, который применяется, например, в сварочных аппаратах инверторного типа. Диоды Шоттки являются быстродействующими, но не способны выдерживать больших обратных напряжений, поэтому вместо них применяются ультрабыстрые выпрямительные диоды, которые способны выдерживать большие обратные напряжения и огромные прямые токи. При этом их быстродействие сравнимо с быстродействием диодов Шоттки.

    Мощные выпрямительные ультрабыстрые диоды

    Параметры полупроводниковых диодов.

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

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

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

    • U пр. – допустимое напряжение на диоде при протекании через него тока в прямом направлении. Превышать это напряжение не стоит, так как это приведёт к его порче.
    • U обр. – допустимое напряжение на диоде в закрытом состоянии. Его ещё называют напряжением пробоя. В закрытом состоянии, когда через p-n переход не протекает ток, на выводах образуется обратное напряжение. Если оно превысит допустимое значение, то это приведёт к физическому «пробою» p-n перехода. В результате диод превратиться в обычный проводник (сгорит). Очень чувствительны к превышению обратного напряжения диоды Шоттки, которые очень часто выходят из строя по этой причине. Обычные диоды, например, выпрямительные кремниевые более устойчивы к превышению обратного напряжения. При незначительном его превышении они переходят в режим обратимого пробоя. Если кристалл диода не успевает перегреться из-за чрезмерного выделения тепла, то изделие может работать ещё долгое время.

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

    Устройство и конструкция

    Разобравшись с принципом работы полупроводникового диода, можно начать изучать его устройство и конструкцию. Эти сведения понадобятся для дальнейшего использования диода и более глубокого понимания его рабочих свойств. В основе элемента лежат такие составляющие:

    Частые поломки полупроводниковых диодов

    1. Внешняя оболочка. В качестве корпуса используется небольшой баллон. Он полностью вакуумный и может быть стеклянным, металлическим или изготовленным из керамики.
    2. Внутри конструкции находится два электрода. Первый используется в качестве катода с накалом, обеспечивающим стабильную эмиссию электронов. В самом простом исполнении он являет собой нить с минимальной толщиной, способную накаливаться по мере подачи тока. Но в настоящее время активно распространяются модели косвенного накала. В отличие от классических типов они представлены в виде небольших цилиндров со специфическим слоем, где происходит испускание электронов.
    3. Что касается второго электрода, то он является анодом, принимающим электроны от катода. Элемент обладает плюсовым зарядом и цилиндрической формой. При изготовлении кристалла диода применяется кремний или германий.

    Сферы применения и назначение

    Сферы применения полупроводниковых диодов очень обширны. Сегодня без них тяжело представить работу большинства электрических приборов, и это неудивительно. Элементы задействуются для изготовления диодных мостов, а также следующих приспособлений:

    1. Устройств для защиты приборов от неверной полярности или перегрузок.
    2. Переключателей.
    3. Систем диодной искрозащиты.

    Монтаж полупроводниковых диодов

    Что касается диодных мостов, то они представляют собой устройство из четырех, шести или двенадцати соединенных диодов (точное количество диодов определяется типом схемы, которая бывает 1-фазной, 3-фазной полумостовой или 3-фазной полномостовой). Система используется в качестве выпрямителя и зачастую устанавливается в генераторах автомобилей. Дело в том, что применение такого моста позволило существенно уменьшить устройство и сделать его более надежным.

    Диодные детекторы состоят из диодов и конденсаторов, что позволяет осуществлять модуляцию с низкими частотами из разных сигналов, включая амплитудно-модулированный радиосигнал. Устройства незаменимы для функционирования различных бытовых приборов, например, телевизор или радиоприемник. Также с помощью полупроводниковых диодов можно обеспечить полноценную защиту от нарушения полярности при запуске съемных входов и перегрузках.

    Задача переключателей на основе диодов заключается в коммутации высокочастотных сигналов. Для управления схемой используется постоянный электроток, разделение частот и подача сигнала к конденсаторам. Также на основе диодов создается мощная искрозащита, предотвращающая перегрузки и отклонения от допустимого предела напряжения.

    Без применения диодов в современной электронике практически не обойтись. Поэтому очень полезно знать, как устроены, как работают и для чего предназначаются столь распространенные устройства.

    Как устроены и работают полупроводниковые диоды

    Как устроены и работают полупроводниковые диоды

    Д иод — 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!

    Строение диода и обозначение диода на схеме

    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.

    Диод в состоянии покоя

    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.

    Обратное включение диода

    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.

    Полупроводниковый диод

    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.

    Прямое включение диода

    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. Об этом будет рассказано в следующей статье.

    • Обслуживание и ремонт магнитных пускателей
    • Характеристики автоматических выключателей
    • Транзисторы. Часть 3. Из чего делают транзисторы

    Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » В помощь начинающим электрикам

    Подписывайтесь на наш канал в Telegram: Домашняя электрика

    Поделитесь этой статьей с друзьями:

    Что такое диод, устройство и принцип работы диодов, типы диодов, для чего они применяются

    Диод — простейший полупроводниковый прибор, который можно встретить сегодня на печатной плате любого электронного устройства. В зависимости от внутренней структуры и технических характеристик, диоды классифицируются на нескольких видов: универсальные, выпрямительные, импульсные, стабилитроны, туннельные диоды и варикапы.

    Диоды применяются для выпрямления, ограничения напряжения, детектирования, модуляции, в качестве защитных элементов и т. д. — в зависимости от назначения устройства, в котором применяются.

    Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока низкой частоты в пульсирующий ток одного направления.

    Выпрямительные диоды

    Основа диода — p-n-переход, сформированный полупроводниковыми материалами с двумя разными типами проводимости. К кристаллу диода присоединены два вывода, называемые катод (минусовой электрод) и анод (плюсовой электрод). На стороне анода находится область полупроводника p-типа, а на стороне катода — область n-типа.

    Данное устройство диода обеспечивает ему уникальное свойство — он проводит ток лишь в одном (прямом) направлении, от анода — к катоду. В обратном направлении обычный исправный диод ток не проводит.

    В области анода (p-типа), основными носителями заряда являются положительно заряженные дырки, а в области катода (n-типа) — отрицательно заряженные электроны. Выводы диода представляют собой контактные металлические поверхности к которым и припаяны выводы.

    Когда диод проводит ток в прямом направлении, это значит что он находится в открытом состоянии. Если ток через p-n-переход не идет, значит диод закрыт. Таким образом, диод может находиться в одном из двух устойчивых состояний: или открыт или закрыт.

    Включив диод в цепь источника постоянного напряжения, анодом к плюсовой клемме, а катодом — к минусовой, получим смещение p-n-перехода в прямом направлении. И если напряжение источника окажется достаточным (для кремниевого диода хватит 0,7 вольт), то диод откроется и начнет проводить ток. Величина этого тока будет зависеть от величины приложенного напряжения и от внутреннего сопротивления диода.

    Почему диод перешел в проводящее состояние? Потому что при правильном включении диода, электроны из n-области, под действием ЭДС источника, устремились к его положительному электроду, навстречу дыркам из p-области, которые теперь движутся в сторону отрицательного электрода источника, навстречу электронам.

    На границе областей (на самом p-n-переходе) в это время происходит рекомбинация электронов и дырок, их взаимное поглощение. А источник вынужден непрерывно поставлять новые электроны и дырки в область p-n-перехода, увеличивая их концентрацию.

    А что случится если диод включить наоборот, катодом к плюсовой клемме источника, а анодом — к минусовой? Дырки и электроны разбегутся в разные стороны — к выводам — от перехода, и в окрестности перехода возникнет зона обедненная носителями заряда — потенциальный барьер. Ток обусловленный основными носителями заряда (электронами и дырками) попросту не возникнет.

    Но кристалл диода не идеален, в нем кроме основных носителей заряда присутствуют еще и неосновные носители заряда, которые и создадут очень незначительный обратный ток диода, измеряемый микроамперами. Но диод в данном состоянии закрыт, так как p-n-переход его смещен в обратном направлении.

    К основным параметрам выпрямительного диода относятся прямой и обратный токи, выпрямленный ток, прямое и обратное напряжение, дифференциальное сопротивление, максимальная рабочая частота.

    Напряжение, при котором диод переходит из закрытого состояния в открытое, называется прямым напряжением диода (смотрите — Основные параметры диодов), которое по сути является падением напряжения на p-n-переходе.

    Сопротивление диода току в прямом направлении не постоянно, оно зависит от величины тока через диод и имеет размер порядка единиц Ом. Напряжение обратной полярности, при котором диод закрывается, называется обратным напряжением диода. Обратное сопротивление диода в этом состоянии измеряется тысячами Ом.

    Принцип действия выпрямительного диода

    Очевидно, диод может переходить из открытого состояния в закрытое и обратно при смене полярности приложенного к нему напряжения. На данном свойстве диода основана работа выпрямителя.

    Так, в цепи синусоидального переменного тока диод будет проводить ток лишь во время положительной полуволны, а во время отрицательной — будет заперт.

    Выпрямитель — это устройство, которое преобразует переменный ток в постоянный. Основными функциональными элементами являются диоды, которые пропускают ток только в одном направлении. Подходящим расположением диодов переменный ток в однофазной или трехфазной цепи преобразуется в пульсирующий, но однонаправленный ток. Для сглаживания результирующего тока можно использовать конденсаторы.

    Нормальная работа диода в режиме выпрямления возможна в том случае, когда обратное напряжение не превышает пробивного значения, а выпрямленный ток не больше номинально допустимого при нормальной температуре диода. С повышением температуры диода прямой и обратный ток увеличиваются, а с понижением — уменьшаются. Пробивное напряжение с повышением температуры снижается.

    Границы режимов, при которых диод работает с заданной надежностью, определяются предельными параметрами. К предельным параметрам относятся максимальные значения выпрямленного тока, допустимой мощности рассеяния на диоде, его рабочей температуры, пикового обратного напряжения.

    Самые распространенные типы диодов:

    • Выпрямительные диоды: эти диоды используются в схемах выпрямления переменного тока в постоянный. Они медленные, предназначены для работы с низкочастотными цепями, оптимизированы для низких потерь проводимости и могут выдерживать только умеренные динамические нагрузки. Типичное значение ton для силового диода составляет 5–20 мкс, а toff 20–100 мкс (соотношение Ton/Tof определяем быстродействие диода) . Номинальное напряжение варьируется от нескольких сотен вольт до 10 кВ, а номинальный ток варьируется в диапазоне от 1 А до 10 кА.
    • Диоды с быстрым восстановлением: обычно это диоды-компаньоны для быстрых переключателей, таких как IGBT. Эти диоды оптимизированы для высоких динамических нагрузок, а также для применения в электронных переключателях. Типичное время ton находится в диапазоне несколько наносекунд, а типичное время toff находится в диапазоне от нескольких десятков наносекунд до нескольких микросекунд, в зависимости от номинала диода. Доступны номинальные значения напряжения и тока до 6 кВ и 3 кА соответственно.
    • Быстродействующие диоды: они оптимизированы для высокочастотных приложений, таких как высокочастотные выпрямители в импульсных источниках питания. У них очень малое время восстановления (от 1 нс до 5 мкс). Номинальная мощность варьируется от нескольких сотен милливатт до нескольких киловатт.
    • Диоды Шоттки: эти диоды имеют очень низкое падение напряжения в открытом состоянии и очень быстрое переключение. Падение напряжения в открытом состоянии может составлять всего 0,1–0,7 В. Для многих приложений, таких как высокочастотные выпрямители в источниках питания низкого напряжения, требуются быстродействующие диоды с низким падением напряжения в открытом состоянии. Диод Шоттки формируется путем нелинейного контакта между полупроводником N-типа (катод) и металлом (анод), создавая барьер Шоттки. Ток возникает из-за основных носителей, в результате чего незначительные неосновные носители сохраняются в дрейфовой области. Это значительно сокращает время выключения устройства. Диоды Шоттки на основе кремния имеют очень низкую (
    • Стабилитроны: это диоды специального назначения, которые позволяют току течь в прямом, а также в обратном направлении. В обратном направлении они предназначены для работы в области пробоя. Стабилитроны рассчитаны на низкое напряжение пробоя, обычно от нескольких вольт до максимума 1 кВ. Прямой ток будет находиться в диапазоне от нескольких микроампер до 200 А.
    • Светоизлучающие диоды: светоизлучающие диоды (СИД) излучают свет при активации. Они используются в основном в качестве индикаторов и элементов отображения информации. В последнее время их стали использовать для освещения.

    Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

    Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

    Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

    Области применения диодов

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

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

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

    Похожие статьи:

    Принцип работы и основные характеристики стабилитрона

    Что такое диодный мост, принцип его работы и схема подключения

    Описание, технические характеристики и аналоги выпрямительных диодов серии 1N4001-1N4007

    Что такое выпрямитель напряжения и для чего нужен: типовые схемы выпрямителей

    Что такое светодиод, его принцип работы, виды и основные характеристики

    Что такое конденсатор, виды конденсаторов и их применение

    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:

    Формула вольт-амперной характеристики

    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.

    ВАХ германиевого и кремниевого ПД

    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

    В настоящее время разработаны и тиражируются виды электронных и оптических полупроводниковых диодов в широком ассортименте. Классифицируются они по целому ряду признаков, среди которых конструктивные особенности, назначение, материал изготовления. Есть полупроводниковые диоды, работающие без p-n-перехода. В них используется только свойство контакта металл-полупроводник. По конструктивному исполнению диоды могут быть точечные и плоскостные, а по изготовлению — сплавные и диффузионные.

    Классификация диодов

    Классификация диодов отражается в их условных обозначениях. Маркировка основывается на буквенно-цифровом коде. Все знаки системы обозначений указаны в отраслевых стандартах — ОСТ 11336.919-81 и ГОСТ 20859.1-89. Например, маркировка КД196В расшифровывается как кремниевый выпрямительный диод напряжением 9.6 В с характеристиками класса «В».

    Маркировка диодов

    Выпрямительные ПД

    Для начала рассмотрим, что такое выпрямительный полупроводниковый диод (ВД). Основное назначение данного электротехнического устройства — превращение переменного тока в постоянный.

    Внутреннее устройство выпрямительного диода

    На рынке представлены ВД с разными физическими параметрами. Устройства имеют разнообразные геометрические размеры и монтажные особенности. Различают три группы ВД:

    • Большой мощности, способные обеспечивать работу при токах до 400 А. Производятся в корпусах двух типов: штыревом и в виде таблетки (корпус из керамики).
    • Средней мощности. Способны работать в диапазоне 300 мА-10 А.
    • Малой мощности. Максимальный рабочий ток — 300 мА.

    Примеры выпрямительных диодов

    Стабилитроны

    Этот тип ПД имеет ещё одно название — диод Зенера, по имени изобретателя — американского физика К. М. Зенера. Этот тип ПД на основе слаболегированного кремния работает при обратном напряжении в режиме электрического пробоя. Основное предназначение стабилитрона — стабилизация напряжения. Диоды Зенера, выпускаемые промышленностью могут обеспечивать стабильное напряжение с необходимой точностью в диапазоне от 1.8 В до 400.0 В.

    Стабилитроны их ВАХ и обозначение на схемах

    Стабисторы

    Устройство и принцип работы стабисторов также позволяет использовать их для целей стабилизации напряжения, но в отличие от стабилитронов они работают на ветви ВАХ в области прямого смещения, поскольку напряжение на этом участке почти не зависит от тока. Стабилизируемое одним ПД напряжение составляет порядка 0.7 В. Набор последовательно соединённых стабисторов позволяет удвоить или утроить это значение. На рисунке ниже показана ВАХ ПД, на одном из участков которой функционирует стабистор, а на другом — стабилитрон. Эти радиодетали на схеме имеют одинаковое условное обозначение. На рисунке показано также как обозначается симметричный стабистор.

    Зоны действия стабистора и стабилитрона

    Варикапы

    Этот вид ПД работает при обратном смещении в качестве переменной ёмкости (конденсатора), величина которого меняется в зависимости от поданного электрического сигнала. Принцип действия устройства основан на реагировании барьерной ёмкости p-n-перехода от обратного смещения.

    Варикап

    Варикапы находят своё применение в электронных схемах настройки частоты колебательных контуров, частотных делителях и умножителях, частотных модуляторах, фазовращателях.

    PIN-диоды

    Полупроводниковый PIN-диод — это устройство, в котором между электронной n-областью и дырочной p-областью имеется значительный нелегированный i-слой, подавляющий выпрямительные свойства ПД. PIN-диоды используются в аттенюаторах (ослабителях уровней сигналов), фотодекторах, быстродействующих переключателях и высоковольтной электронике.

    PIN диод

    Лавинно-пролётные диоды (ЛПД)

    Работа ЛПД (английское название IMPATT-diode) базируется на эффекте лавинного умножения заряженных частиц. ЛПД применяются в схемах СВЧ-генерации. Рабочая область ЛПД — участок лавинного пробоя.

    Структура ЛПД

    Туннельный диод

    Это полупроводниковый прибор, который часто называют диодом Эсаки по имени автора изобретения — японского физика Лео Эсаки. В структуру туннельного диода включен p-n-переход, обе области проводимости которого легированы до предельно возможных концентраций 10 19 см -3 и выше. На участке ВАХ в прямом направлении появляется участок с отрицательным дифференциальным настроением, возникающий благодаря квантовому эффекту туннелирования.

    Туннельный диод предназначен в основном для использования в качестве предварительных усилителей, генераторов и высокочастотных переключателей. Рабочие частоты диода имеют достаточно высокие параметры, могут достигать 100 ГГц. В качестве исходных полупроводников применяются германий (Ge), арсенид галлия (GaAs), антимонид галлия (GaSb).

    Туннельный диод

    Диоды Шоттки

    Данные радиоэлементы называются так в честь изобретателя — немецкого исследователя В. Шоттки. В них отсутствует p-n-переход. Вместо него применяется барьер Шоттки, образованный контактом металл-полупроводник. Использование данного барьера обусловливает совершенно другие физические механизмы. При работе ПД использует исключительно основные носители заряда, при этом быстродействие ограничивается только величиной барьерной ёмкости.

    Диоды Шоттки применяются везде, где необходимо минимальное значение прямого падения напряжения (менее 0.6 В), а также в высокочастотных схемах. Чаще всего их можно встретить в импульсных стабилизаторах напряжения, а также в блоках питания компьютеров.

    Приведённая классификация ПД можно быть дополнена диодами, в которых используются оптические свойства полупроводников. В светодиодах (LED — light emitted diode) p-n-переход излучает свет в широком диапазоне спектра: от инфракрасного до ультрафиолетового. В фотодиодах используются свойства перехода генерировать ток при освещении его светом. На базе светодиодов дополненных компактными резонаторами реализованы полупроводниковые лазеры.

    Оцените статью
    TutShema
    Добавить комментарий