Сколько p n переходов содержит полупроводниковый диод

Полупроводниковый диод — это электронное устройство, которое выполняет функцию преобразования переменного тока в постоянный. Он состоит из двух областей полупроводникового материала с различными типами проводимости: p-область с положительной проводимостью и n-область с отрицательной проводимостью. Таким образом, полупроводниковый диод содержит одно p-n переход.

Переход между p- и n-областями обладает уникальными электрическими свойствами. Когда полупроводниковый диод подключен в правильной полярности, то есть положительный полюс источника питания к p-области и отрицательный полюс к n-области, происходит пропускание тока через диод. В этом случае переход называется прямым.

Однако, если диод подключен в обратной полярности, то есть положительный полюс источника питания к n-области и отрицательный полюс к p-области, переход не пропускает ток. В этом случае переход называется обратным. Таким образом, полупроводниковый диод содержит один p-n переход, который играет важную роль в его работе.

Сколько p-n переходов содержит полупроводниковый диод

Переход p-n обладает уникальными свойствами, которые позволяют полупроводниковому диоду выполнять свои функции, такие как одностороннее проводимость тока. Когда на p-сторону диода подается положительное напряжение, дырки и электроны перемещаются к p-n переходу. Затем происходит рекомбинация частиц, что создает зону без несущих зарядов — запирающий слой. В этом случае диод называется в прямом направлении проводимым.

Однако, если на n-сторону диода подается положительное напряжение, электроны и дырки отталкиваются от перехода и не могут проходить через него, образуя область с высоким сопротивлением. Это создает эффект блокирования тока и в этом случае диод называется в обратном направлении непроводимым.

Таким образом, полупроводниковый диод содержит один p-n переход, который играет ключевую роль в его функционировании.

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод – прибор, который имеет два вывода и содержит один или несколько p-n-переходов. Диоды подразделяются на: — выпрямительные, — специальные.

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока.

В зависимости от частоты переменного тока различают

Специальные диоды используют различные свойства p-n-переходов: — явление электрического пробоя, — барьерную емкость, — участок ВАХ с отрицательным сопротивлением и др

Большинство диодов выполнено на основе несимметричных p-n-переходов.

Сп- емкость перехода,

3. Что такое pn-переход и зачем он нужен

Rp-n – сопротивление перехода.

Выпрямительные диоды

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в частности синусоидальной формы в постоянный ток.

Пригодность диодов определяется его параметрами и вольт-амперной характеристикой – ВАХ.

Отличие от идеального состоит в необходимости учета распределенного омического сопротивления базы rб.

Общее обозначение диодов

СВЧ выпрямительные диоды

Предназначены для работы на сверхвысоких частотах.

Характеризуются малым сопротивлением базы

и малым временем жизни носителей

Предназначены для работы в импульсных устройствах.

Диоды относятся к универсальным.

Стабилитроны (опорные диоды)

Стабилитрон предназначен для уменьшения изменения напряжения на нагрузке, вызванные изменениями напряжения сети и изменениями тока, потребляемого нагрузкой.

Стабилитроны используются также в качестве фиксаторов и ограничителей напряжения

В стабилитроне используются свойства электрического пробоя p-n-перехода.

В режиме электрического пробоя обратная ветвь ВАХ практически параллельна оси тока.

вольт-амперная характеристика

Основные параметры стабилитронов:

Uст — напряжение стабилизации,

Icт — средний ток стабилизации,

Icт.max – максимальный ток стабилизации,

Рдоп – допустимая мощность рассеяния анода,

Кремниевый стабилитрон, серии 100, напряжение стабилизации равно 6,8 В, разновидности А.

Диод, включенный в прямом направлении и используемый в качестве стабилизатора напряжения, называют стабистор.

Туннельные диоды

В туннельных диодах используется туннельный эффект,

заключающийся в туннельном прохождении зарядов через

Он возникает в тонком переходе в условиях высокой напряженности электрического поля.

Заряды проходят в обоих направлениях, создавая ток диода.

В прямом включении при некотором напряжении ток достигает максимального значения, а затем начинает убывать.

При дальнейшем увеличении прямого напряжения ток опять начинает увеличиваться теперь уже за счет диффузионных процессов.

Вольт-амперная характеристика туннельного диода

Применение туннельного диода

В зависимости от напряжения U и величины нагрузки Rн

диод может работать в генераторном или переключательном

3И202А — Предназначен для работы в генераторном режиме

3И302А — Предназначен для работы в переключательном режиме

И – принадлежность прибора к туннельным диодам

Применение туннельного диода

диод может работать в генераторном или переключательном

В переключательном режиме рабочая точка может находиться либо в точке 1, либо в точке 2.

Диод, в котором используется емкость p-n-перехода.

Применяется в основном барьерная емкость.

Величина емкости зависит от приложенного к диоду обратного напряжения.

Емкость варикапа можно оценить

Варикап используется в качестве электрически управляемой емкости.

Определение и назначение

Главная функция полупроводникового диода — пропускать электрический ток только в одном направлении, называемом прямым направлением, и блокировать его в обратном направлении. Таким образом, диод выполняет функцию выпрямления и защиты электрических схем от обратной полярности.

Принцип работы

Работа полупроводникового диода основана на взаимодействии свободных электронов и дырок внутри полупроводника. При прямом напряжении электроны, переносящие отрицательный заряд, передают свою энергию дыркам, переносящим положительный заряд. Это позволяет току протекать через диод.

При обратном напряжении электроны и дырки расходятся в противоположных направлениях, что создает электрическое поле, препятствующее потоку тока. Таким образом, диод блокирует обратное напряжение и предотвращает повреждение электрических устройств.

Таблица с основными характеристиками

Характеристика Описание
Прямое напряжениеНапряжение, при котором диод начинает пропускать ток в прямом направлении.
Обратное напряжениеМаксимальное напряжение, при котором диод блокирует ток в обратном направлении.
Прямой токМаксимальный ток, который диод может пропустить в прямом направлении.
Время переключенияВремя, за которое диод может переключиться из открытого состояния в закрытое и наоборот.

Структура и принцип работы

Когда на полупроводниковый диод подается положительное напряжение, P-область становится положительно заряженной, а N-область — отрицательно заряженной. Это создает электрическое поле в p-n переходе, которое препятствует движению свободных электронов и дырок.

Когда на диод подается обратное напряжение, P-область становится отрицательно заряженной, а N-область — положительно заряженной. Это увеличивает электрическое поле в p-n переходе, что препятствует движению свободных носителей.

Однако, когда на диод подается прямое напряжение, электрическое поле в p-n переходе ослабевает и допускает движение свободных носителей — электронов и дырок. Это позволяет току протекать через диод и создает светящийся эффект в светодиодах.

Структура полупроводникового диода

В p-области диода преобладают дырки, а в n-области — электроны. Переход между этими областями возникает благодаря диффузии электронов из n-области в p-область и дырок из p-области в n-область.

Ключевую роль в работе полупроводникового диода играют границы p-n перехода, которые обладают свойством одностороннего пропускания электрического тока. Это связано с тем, что на границе p-n перехода образуется область, называемая обедненным слоем или областью переключения. Она является зоной, где электроны из n-области рекомбинируют с дырками из p-области и образуют заряды, нейтрализующие друг друга.

При подключении полупроводникового диода в прямом направлении, когда анод подключается к p-области, а катод к n-области, p-n переход становится пропускающим и диод начинает проводить ток. В этом случае, электроны из n-области перескакивают через область переключения в p-область, а дырки рекомбинируют с электронами в p-области, обеспечивая протекание тока.

В противоположном случае, при подключении диода в обратном направлении, когда анод подключается к n-области, а катод к p-области, p-n переход становится блокирующим и диод не проводит ток. В этом случае, электрическое поле перехода оказывает своё воздействие на свободные носители заряда, не позволяя им перескочить через область переключения.

Тип полупроводникаМатериал проводимостиТип материалаПервичные свойства
p-областьДырки (p+)Трёхвалентный материалЛишний валентный обмен
n-областьЭлектроны (n-)Пятивалентный материалДополнительный валентный обмен

Типы полупроводниковых диодов

Существует большое разнообразие типов полупроводниковых диодов, каждый из которых обладает своими уникальными характеристиками и применениями.

1. Поверхностно-монтажные диоды (SMD-диоды). Эти диоды предназначены для установки на печатные платы с использованием обычной пайки. Они имеют маленькие размеры и низкую высоту, что делает их удобными для интеграции в компактные устройства. SMD-диоды могут иметь различный форм-фактор и максимальное рабочее напряжение.

2. Высокочастотные диоды. Эти диоды специально разработаны для работы с высокой частотой. Они имеют маленькие размеры и низкую емкость, что позволяет им работать с высокими частотами без потерь. Высокочастотные диоды широко применяются в радиокомпонентах и высокоскоростной электронике.

3. Мощные диоды. Эти диоды способны выдерживать большие токи и мощности. Они обладают большими размерами и высокими тепловыми характеристиками, что позволяет им работать в условиях повышенной нагрузки. Мощные диоды широко применяются в устройствах силовой электроники, таких как источники питания и системы автоматизации.

4. Светодиоды (LED-диоды). Эти диоды способны излучать свет при пропускании электрического тока через них. Они широко используются в осветительных приборах, световых индикаторах и экранах. Светодиоды имеют различные цвета и интенсивности свечения.

5. Диоды Шоттки. Эти диоды отличаются быстрым включением и низким падением напряжения. Они предназначены для работы в высокочастотных схемах и имеют наименьшую временную задержку включения из всех типов диодов.

6. Защитные диоды. Эти диоды специально разработаны для защиты электронных компонентов от перенапряжений и токовых импульсов. Защитные диоды могут выдерживать большие пиковые токи и имеют низкое падение напряжения.

7. Фоторезисторы. Эти диоды изменяют свою электрическую проводимость при воздействии света. Они используются в фотодатчиках, системах автоматической регулировки яркости и фотоэлементах.

У каждого типа диода есть свои преимущества и недостатки, и его выбор зависит от требуемых характеристик и конкретных условий применения.

Области применения диодов

  1. Выпрямление пременного тока. Основано оно именно на свойстве диода «запираться» при обратном смещении. Диод как бы «срезает» отрицательные полуволны.
  2. В качестве переменной емкости. Эти диоды называются варикапами.
    image
    Здесь используется зависимость барьерной емкости перехода от обратного смещения. Чем больше его значение, тем шире обедненная область p-n перехода. Ее можно представить себе как плоский конденсатор, обкладками которого явялются границы области, а сама она выступает в качестве диэлектрика. Соответственно, чем толще «слой диэлеткрика», тем ниже барьерная емкость. Следовательно, изменяя приложенное напряжение можно электрически менять емкость варикапа.
  3. Для стабилизации напряжения. Принцип работы таких диодов заключается в том, что даже при значительном увеличении внешнего падения напряжения, падение напряжения на диоде увеличится незначительно. Это справедливо и для прямого, и для обратного смещений. Однако напряжение пробоя при обратном смещении намного выше, чем прямое напряжение диода. Таким образом, если нужно поддерживать стабильным большое напряжение, то диод лучше включать обратно. А чтобы он сохранял работоспособность, несмотря на пробой, нужно использовать диод особого типа — стабилитрон.
    image
    В прямосмещенном режиме он будет работать подобно обычному выпрямляющему диоду. А вот в обратносмещенном не будет проводить ток до тех пор, пока приложенное напряжение не достигнет так называемого напряжения стабилитрона, при котором диод сможет проводить значительный ток, а напряжение будет ограничено уровнем напряжения стабилитрона.
  4. В качестве «ключа» (коммутирующего устройства). Такие диоды должны уметь очень быстро открываться и закрываться в зависимости от приложенного напряжения.
  5. В качестве детекторов излучения (фотодиоды).
    image
    Кванты света передают атомам в n-области дополнительную энергию, что приводит к появлению большого числа новых пар электрон-дырка. Когда они доходят до p-n перехода, то дырки уходят в p-область, а электроны скапливаются у края перехода. Таким образом, происходит возрастание дрейфового тока, а между p- и n-областями возникает разность потенциалов, называемая фотоЭДС. Величина ее тем больше, чем больше световой поток.
  6. Для создания оптического излучения (светодиоды).
    image
    При рекомбинации дырок и электронов (прямое смещение) происходит переход последних на более низкий энергетический уровень. «Излишек» энергии выделяется в виде кванта энергии. И в зависимости от химического состава и свойств того или иного полупроводника, он излучает волны того или иного диапазона. От состава же зависит и эффективность излучения.

image

Не стоит забывать о том, что p-n переход — одно из явлений микромира, где правит балом квантовая физика и становятся возможными странные вещи. Например, туннельный эффект — когда частица может пройти через потенциальный барьер, обладая меньшей энергией. Это становится возможным благодаря неопределенности соотношения между импульсом и координатами частицы (привет, Гейзенберг!). Этот эффект лежит в основе туннельных диодов.

Чтобы обеспечить возможность «просачивания» зарядов, их делают из вырожденных полупроводников (содержащих высокую концентрацию примесей). В результате получают резкий p-n переход с тонким запирающим слоем. Такие диоды маломощные и низкоинерционные, поэтому их можно применять в СВЧ-диапазоне.

image

Есть еще одна необычная разновидность полупроводниковых диодов — диоды Шоттки.

В них используется не традиционный p-n переход, а переход металл-полупроводник в качестве барьера Шоттки. Барьер этот возникает в том случае, когда разнятся величины работы выхода электронов из металла и полупроводника. Если n-полупроводник имеет работу выхода меньше, чем контактирующий с ним металл, то приграничный слой металла будет заряжен отрицательно, а полупроводника — положительно (электронам проще перейти из полупроводника в металл, чем наоборот). Если же у нас контакт металл/p-полупроводник, причем работа выхода для второго выше, чем для первого, то получим положительно заряженный приграничный слой металла и отрицательно заряженный слой полупроводника. В любом случае, у нас возникнет разность потенциалов, с помощью которой работы выхода из обоих контактирующих веществ сравняются. Это приведет к возникновению равновесного состояния и формированию потенциального барьера между металлом и полупроводником. И так же, как и в случае p-n перехода, к переходу металл/полупроводник можно прикладывать прямое и обратное смещение с аналогичным результатом.

Диоды Шоттки отличаются от p-n собратьев низким падением напряжения при прямом включении и меньшей электрической емкостью перехода. Таким образом, повышается их рабочая частота и понижается уровень помех.

Само собой, здесь рассмотрены далеко не все существующие виды диодов. Но надеюсь, что по написанному выше можно составить достаточно полное суждение об этих электронных компонетах.

Сколько p-n переходов содержит полупроводниковый диод

Переход p-n обладает уникальными свойствами, которые позволяют полупроводниковому диоду выполнять свои функции, такие как одностороннее проводимость тока. Когда на p-сторону диода подается положительное напряжение, дырки и электроны перемещаются к p-n переходу. Затем происходит рекомбинация частиц, что создает зону без несущих зарядов — запирающий слой. В этом случае диод называется в прямом направлении проводимым.

Однако, если на n-сторону диода подается положительное напряжение, электроны и дырки отталкиваются от перехода и не могут проходить через него, образуя область с высоким сопротивлением. Это создает эффект блокирования тока и в этом случае диод называется в обратном направлении непроводимым.

Таким образом, полупроводниковый диод содержит один p-n переход, который играет ключевую роль в его функционировании.

Понятие полупроводника

В полупроводниках могут быть происходить два типа проводимости: электронная и дырочная. При электронной проводимости ток обусловлен движением свободных электронов, а при дырочной проводимости — движением дырок (отсутствие электронов в энергетической зоне ведет к возникновению «отверстий» — дырок).

Полупроводники широко используются в электронике для создания различных электронных компонентов, таких как диоды, транзисторы и микросхемы. Благодаря своим уникальным свойствам, полупроводники играют ключевую роль в развитии современных технологий и устройств.

Определение полупроводника

Главной особенностью полупроводников является их способность менять свою электрическую проводимость под воздействием различных факторов, таких как температура, электрическое поле или добавление определенных примесей.

Одним из наиболее распространенных полупроводников является кремний (Si). Кремний является основным материалом для создания полупроводниковых элементов, таких как транзисторы и диоды. Кроме кремния, также широко используются другие материалы, такие как германий (Ge) и галлий-арсенид (GaAs).

В отличие от металлов, полупроводниковую проводимость обеспечивают так называемые «электронные дырки». Они возникают в результате отсутствия электронов в электронной оболочке атомов материала. Под действием внешнего воздействия полупроводник может заполнять эти дырки, что позволяет электрическому току протекать.

Свойства полупроводников делают их важными элементами в различных электронных устройствах и схемах. Они широко используются в солнечных батареях, микроэлектронных чипах, светодиодах и лазерных диодах, благодаря своим специфическим электрическим и оптическим свойствам.

Основные свойства полупроводников

1. Переходность

Полупроводники могут быть переходными, что означает, что они могут пропускать электрический ток только в одном направлении. Это свойство полупроводников основой для создания диодов и других полупроводниковых приборов.

2. Изменение проводимости

Проводимость полупроводников может быть легко изменена добавлением примесей. Это позволяет создавать полупроводниковые материалы с различными электрическими свойствами, что делает их очень гибкими и универсальными материалами для различных приложений.

3. Запрещенная зона

Полупроводники обладают запрещенной зоной, которая отличается от проводников и диэлектриков. Запрещенная зона — это энергетическая область между валентной зоной и зоной проводимости, в которой нет свободных электронов или дырок для передачи электрического тока.

4. Температурная зависимость

Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. При повышении температуры проводимость увеличивается, что является основой для работы термисторов и других термических датчиков.

Изучение основных свойств полупроводников позволяет понять их уникальность и множество применений в современной электронике и электротехнике.

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:

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий