Персональный сайт — 3) Диод. Его структура. ВАХ диода. Основные свойства диодов.
3) Диод. Его структура. ВАХ диода. Основные свойства диодов.
Диод — двухэлектродный электронный прибор, обладает различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока. Электрод диода, подключённый к положительному полюсу источника тока, когда диод открыт (то есть имеет маленькое сопротивление), называют анодом, подключённый к отрицательному полюсу — катодом.
Полупроводниковый диод — полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами (электродами). В отличие от других типов диодов, принцип действия полупроводникового диода основывается на явлении p-n-перехода.
Плоскостные p-n-переходы для полупроводниковых диодов получают методом сплавления, диффузии и эпитаксии.
Диодные выпрямители
Трёхфазный выпрямитель Ларионова А.
Диоды широко используются для преобразования переменного тока в постоянный (точнее, в однонаправленный пульсирующий). Диодный выпрямитель или диодный мост (То есть 4 диода для однофазной схемы, 6 для трёхфазной полумостовой схемы или 12 для трёхфазной полномостовой схемы, соединённых между собой по схеме) — основной компонент блоков питания практически всех электронных устройств. Диодный трёхфазный выпрямитель по схеме Ларионова А. Н. на трёх параллельных полумостах применяется в автомобильных генераторах, он преобразует переменный трёхфазный ток генератора в постоянный ток бортовой сети автомобиля. Применение генератора переменного тока в сочетании с диодным выпрямителем вместо генератора постоянного тока с щёточно-коллекторным узлом позволило значительно уменьшить размеры автомобильного генератора и повысить его надёжность.
В некоторых выпрямительных устройствах до сих пор применяются селеновые выпрямители. Это вызвано той особенностью данных выпрямителей, что при превышении предельно допустимого тока, происходит выгорание селена (участками), не приводящее (до определенной степени) ни к потере выпрямительных свойств, ни к короткому замыканию — пробою.
В высоковольтных выпрямителях применяются селеновые высоковольтные столбы из множества последовательно соединённых селеновых выпрямителей и кремниевые высоковольтные столбы из множества последовательно соединённых кремниевых диодов.
Диодные детекторы
Диоды в сочетании с конденсаторами применяются для выделения низкочастотной модуляции из амплитудно-модулированного радиосигнала или других модулированных сигналов. Диодные детекторы применяются в радиоприёмных устройствах: радиоприёмниках, телевизорах и т.п. Используется квадратичный участок вольтамперной характеристики диода.
Диодная защита
Диоды применяются также для защиты разных устройств от неправильной полярности включения и т. п.
Известна схема диодной защиты схем постоянного тока с индуктивностями от скачков при выключении питания. Диод включается параллельно катушке так, что в «рабочем» состоянии диод закрыт. В таком случае, если резко выключить сборку, возникнет ток через диод и сила тока будет уменьшаться медленно (ЭДС индукции будет равна падению напряжения на диоде), и не возникнет мощного скачка напряжения, приводящего к искрящим контактам и выгорающим полупроводникам.
Диодные переключатели
Применяются для коммутации высокочастотных сигналов. Управление осуществляется постоянным током, разделение ВЧ и управляющего сигнала с помощью конденсаторов и индуктивностей.
Этим не исчерпывается применение диодов в электронике, однако другие схемы, как правило, весьма узкоспециальны. Совершенно другую область применимости имеют специальные диоды, поэтому они будут рассмотрены в отдельных статьях.
- Диоды могут использоваться как датчики температуры.
- Диоды в прозрачном стеклянном корпусе (в том числе и современные SMD-варианты) могут обладать паразитной чувствительностью к свету (то есть радиоэлектронное устройство работает по-разному в корпусе и без корпуса, на свету).
а — вариант конструкции, б — условное обозначение, в — вольтамперная характеристика
— допустимое обратное напряжение Uобр
— средний прямой ток Iпр ср
— максимально допустимый импульсный прямой ток Iпр
— средний обратный ток Iобр ср
— среднее прямое напряжение Uпр ср
— средняя рассеиваемая мощность Рср
— дифференциальное сопротивление rдиф = ∆Uпр ср/∆Iпр ср
Стабилитрон (диод Зенера) — полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения в источниках питания.
По сравнению с обычными диодами имеет достаточно низкое регламентированное напряжение пробоя (при обратном включении) и может поддерживать это напряжение на постоянном уровне при значительном изменении силы обратного тока. Материалы, используемые для создания p-n перехода стабилитронов, имеют высокую концентрацию примесей. Поэтому, при относительно небольших обратных напряжениях в переходе возникает сильное электрическое поле, вызывающее его электрический пробой, в данном случае являющийся обратимым (если не наступает тепловой пробой вследствие слишком большой силы тока).
Параметры стабилитрона
напряжение стабилизации Uст
минимальный ток стабилизации Iст min
максимальный ток стабилизации Iст max
дифференциальное сопротивление rдиф
максимальная мощность рассеяния Рmax
температурный коэффициент стабилизации αст = ∆Uст /(Uст·∆T) (%/град)
Диод Шоттки
Назван в честь немецкого физика Вальтера Шоттки. Диоды Шоттки используют переход металл-полупроводник в качестве барьера Шоттки (вместо p-n перехода, как у обычных диодов). Допустимое обратное напряжение промышленно выпускаемых диодов Шоттки ограничено 250 В (MBR40250 и аналоги), на практике большинство диодов Шоттки применяется в низковольтных цепях при обратном напряжении порядка единиц и нескольких десятков вольт.Свойства диодов Шоттки
Достоинства
В то время, как обычные кремниевые диоды имеют прямое падение напряжения около 0,6—0,7 вольт, применение диодов Шоттки позволяет снизить это значение до 0,2—0,4 вольт. Столь малое прямое падение напряжения присуще только диодам Шоттки с максимальным обратным напряжением порядка десятков вольт, выше же падение напряжения становится сравнимым с аналогичным параметром кремниевых диодов, что ограничивает применение диодов Шоттки. Например, для силового диода Шоттки 30Q150 с максимально возможным обратным напряжением (150 В) при прямом токе 15 А падение напряжения нормируется на уровне от 0,75 В (T = 125 °C) до 1,07 В (T = −55 °C).
Барьер Шоттки (открыл нем. физик Вальтер Шоттки — Walter Schottky) также имеет меньшую электрическую ёмкость перехода, что позволяет заметно повысить рабочую частоту. Это свойство используется в интегральных микросхемах, где диодами Шоттки шунтируются переходы транзисторов логических элементов. В силовой электронике малая ёмкость перехода (то есть малое время восстановления) позволяет строить выпрямители на частоты в сотни кГц и выше. Например, диод MBR4015 (15 В, 40 А), оптимизированный под высокочастотное выпрямление, нормирован для работы при dV/dt до 10 кВ/мкс.
Благодаря лучшим временны́м характеристикам и малым ёмкостям перехода выпрямители на диодах Шоттки отличаются от традиционных диодных выпрямителей пониженным уровнем помех, поэтому они предпочтительны в традиционных трансформаторных блоках питания аналоговой аппаратуры.
Недостатки
при кратковременном превышении максимального обратного напряжения диод Шоттки необратимо выходит из строя (КЗ — короткое замыкание), в отличие от кремниевых диодов, которые переходят в режим обратного пробоя, и, при условии непревышения рассеиваемой на диоде максимальной мощности после падения напряжения, диод полностью восстанавливает свои свойства.
диоды Шоттки характеризуются повышенными (относительно обычных кремниевых диодов) обратными токами, возрастающими с ростом температуры кристалла. Для вышеупомянутого 30Q150 обратный ток при максимальном обратном напряжении изменяется от 0,12 мА при +25 °C до 6,0 мА при +125 °C. У низковольтных диодов в корпусах ТО220 обратный ток может превышать сотни миллиампер (MBR4015 — до 600 мА при +125 °C). При неудовлетворительных условиях теплоотвода положительная обратная связь по теплу в диоде Шоттки приводит к его катастрофическому перегреву.
ВАРИКАП — полупроводниковые диоды, работа которых основана на явлении барьерной емкости запертого p-n-перехода
Светодио́д или светоизлучающий диод (СД, СИД, LED англ. 
Фотодиод — приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе.
Фотодиод, работа которого основана на фотовольтаическом эффекте (разделение электронов и дырок в p- и n- области, за счёт чего образуется заряд и ЭДС), называется солнечным элементом. Кроме p-n фотодиодов, существуют и p-i-n фотодиоды, в которых между слоями p- и n- находится слой нелегированного полупроводника i. p-n и p-i-n фотодиоды только преобразуют свет в электрический ток, но не усиливают его, в отличие от лавинных фотодиодов и фототранзисторов.
Оптрон (оптопара) — электронный прибор, состоящий из излучателя света (обычно — светодиод, в ранних изделиях — миниатюрная лампа накаливания) и фотоприёмника (биполярных и полевых фототранзисторов, фотодиодов, фототиристоров, фоторезисторов), связанных оптическим каналом и как правило объединённых в общем корпусе.
Принцип работы оптрона заключается в преобразовании электрического сигнала в свет, его передаче по оптическому каналу и последующем преобразовании обратно в электрический сигнал.
Каковы динамические свойства полупроводникового диода?
Динамические свойства диода определяются при работе в режиме переключения, т. е. при переходе из состояния включения (прямое направление) в состояние выключения (обратное направление) либо наоборот. Идеальный диод практически не обладает инерционностью при переключении, тогда как реальный полупроводниковый диод характеризуется ограниченной скоростью переключения (рис. 3.16), являющейся следствием явлений, происходящих в запирающем слое. Эти явления исключают возможность очень быстрого изменения концентрации носителей.
Одной из причин такого состояния является наличие емкости перехода, называемой также переходной емкостью. Переход действует на принципе конденсатора, к которому следует подвести (либо удалить) заряд с целью формирования области барьера.
Для этого всегда требуется некоторое время. Переходная емкость зависит от приложенного напряжения. Для быстродействующих плоскостных диодов она равна 0,5–2 пФ.
Другой причиной ограниченной скорости переключения является накопление заряда в диоде, пропорциональное току в прямом направлении. Действие заряда определяется с помощью диффузионной емкости. Влияние заряда наглядно видно при переключении из состояния проводимости в состояние запирания. Лучшими динамическими свойствами обладают точечные диоды, но одновременно они имеют достаточно высокое сопротивление в прямом направлении, в результате чего на них возникает определенное падение напряжения в проводящем состоянии. Наилучшими свойствами обладают диоды с плоским переходом металл — полупроводник, у которых благодаря малому накопленному заряду в переходе время переключения составляет менее 0,1 не при сопротивлении меньше 1 Ом.
Работу полупроводникового элемента в режиме переключения более детально рассмотрим на примере транзистора.
Рис. 3.16. Переходные процессы в диоде при переключении из состояния проводимости в состояние запирания (а) и наоборот (б):
1 — открытое; 2 — закрытое состояние
|
Система и перечень параметров, включаемые в технические описания и характеризующие свойства полупроводниковых диодов, выбираются с учетом их физико-технологических особенностей и области применения. В большинстве случаев важны сведения об их статических, динамических и предельных параметрах. Статические параметры характеризуют поведение приборов при постоянном токе, динамические — их частотно-временные свойства, предельные параметры определяют область устойчивой и надежной работы. В справочники, стандарты или технические описания включается необходимая для детального расчета схем информация о параметрах: нормы на значения параметров, режимы их измерений, вольт-амперные характеристики, зависимости параметров от режима и температуры, максимальные и максимально допустимые значения параметров, конструктивно-технологические особенности приборов, их основное назначение, специфические требования, методы измерения параметров, типовые схемы применения. Постоянные (случайные) изменения технологических факторов оказывают существенное влияние на значения параметров изготавливаемых приборов. Поэтому значения параметров даже одного типа приборов являются случайными величинами, т.е. имеется отклонение от среднего (типового, номинального) уровня. Для некоторых параметров устанавливаются граничные значения и возможные отклонения (разброс). Нормы на разброс параметров устанавливаются на основе экспериментально-статистических данных при обеспечении надежной и устойчивой работы приборов в различных условиях и режимах применения, а также исходя из экономических соображений. Необходимо отметить, что вследствие постоянного совершенствования конструкций и технологии изготовления полупроводниковых приборов происходят изменения средних значений параметров. Некоторые образцы приборов имеют параметры лучше, чем приведенные в технических описаниях и справочниках. В разных странах существуют региональные унифицированные стандарты на параметры и характеристики полупроводниковых приборов, методики их измерений и контроля качества, которые могут существенно отличаться от международных стандартов. Различают общие параметры, которыми характеризуется любой полупроводниковый диод, и специальные параметры, присущие только отдельным видам диодов. К общим параметрам диодов относят: параметры рассеиваемой мощности, тепловые параметры, пробивные максимальные и максимально допустимые токи и напряжения, параметры, определяемые по виду ВАХ прибора, параметры, характеризующие основные свойства \(p\)-\(n\)-перехода и т.п. Рассеиваемая мощность (\(P_{пр}\), \(P_{обр}\), \(P_{ср}\), \(P_и\)). Температура (\(T\), \(T_п\), \(T_{кор}\)). Выделение мощности сопровождается нагреванием диода, что приводит к росту обратного тока и увеличению вероятности возникновения теплового пробоя \(p\)-\(n\)-перехода. Тепловое сопротивление (\(R_т\), \(R_{т пер-окр}\), \(R_{т пер-кор}\)). Перепад температур между переходом и окружающей средой определяется выражением: \(T_п – T = R_т \cdot P_д\), где \(R_т\) — тепловое сопротивление, характеризующее условия отвода теплоты от диода (определяется конструкцией корпуса, наличием радиатора и т.д.). В зависимости от расположения контрольной точки, в которой производится измерение температуры, различают: тепловое сопротивление переход – окружающая среда (\(R_{т пер-окр}\)), тепловое сопротивление переход – корпус диода (\(R_{т пер-кор}\)). Переходное тепловое сопротивление (\(Z_т\), \(Z_{т пер-окр}\), \(Z_{т пер-кор}\)). При определении тепловых режимов в случае работы диодов при малых длительностях импульсов используются их переходные тепловые характеристики, а именно переходное тепловое сопротивление диода (\(Z_т\)), которое является отношением разности изменения температуры перехода и температуры в контрольной точке за заданный промежуток времени, когда происходит это изменение температуры, к приращению рассеиваемой мощности диода, скачкообразно увеличенной в начале этого интервала. Прямой ток и напряжение (\(I_{пр}\), \(I_{пр}\) и, \(I_{пр ср}\), \(U_{пр}\), \(U_{пр и}\)). При приложении к диоду постоянного прямого напряжения \(U_{пр}\) его температура зависит от величины протекающего прямого тока \(I_{пр}\). Прямой ток, при котором температура \(p\)-\(n\)-перехода диода достигает максимального допустимого значения (\(T_{п max}\)), называют допустимым прямым током (\(I_{пр max}\)). Наибольшее допустимое мгновенное значение прямого тока диода называют максимальным импульсным прямым током (\(I_{пр и max}\)). Наибольшее мгновенное значение прямого напряжения на диоде, обусловленное заданным импульсным прямым током, называется максимальным импульсным прямым напряжением диода (\(U_{пр и max}\)). Средний прямой ток диода (\(I_{пр ср}\)) определяется при подаче на диод переменного напряжения как среднее за период значение прямого тока. Обратный ток и напряжение (\(I_{обр}\), \(I_{обр и}\), \(U_{обр}\), \(U_{обр и}\)). При приложении к диоду постоянного заданного обратного напряжения \(U_{обр}\) через него протекает постоянный обратный ток \(I_{обр}\) определенной величины. Важным параметром диодов является максимальное допустимое обратное напряжение \(U_{обр max}\), при котором не происходит пробоя \(p\)-\(n\)-перехода. Обычно \(U_{обр max} \le {0,8}U_{проб}\), где \(U_{проб}\) — значение обратного напряжения, вызывающее пробой перехода диода, при котором обратный ток достигает заданного значения, оно называется пробивным напряжением диода. Максимально допустимое импульсное обратное напряжение (\(U_{обр и max}\)) определяет максимальное мгновенное значение для обратного напряжения на диоде, а максимально допустимый импульсный обратный ток (\(I_{обр и max}\)) характеризует предельное мгновенное значение обратного тока, обусловленного импульсным обратным напряжением. Дифференциальное сопротивление (\(r_{диф}\)). Прямое (\(r_{пр}\)) и обратное (\(r_{обр}\)) сопротивления диода постоянному току выражаются соотношениями: \(\newcommand{\slfrac}[2]{\left.#1\right/#2}r_{пр} = \slfrac{U_{пр 0}}{I_{пр 0}}\), \(r_{обр} = \slfrac{U_{обр 0}}{I_{обр 0}}\) , где \(U_{пр 0}\), \(I_{пр 0}\), \(U_{обр 0}\), \(I_{обр 0}\) задают конкретные точки на ВАХ прибора, в которых производится вычисление сопротивления. Поскольку типичная ВАХ полупроводникового прибора имеет участки с повышенной линейностью (один на прямой ветви, один — на обратной), то вводится понятие дифференциального сопротивления (\(r_{диф}\)), которое вычисляется как отношение малого приращения напряжения диода к малому приращению тока в нем при заданном режиме (\(r_{диф пр} = \slfrac{\Delta U_{пр}}{\Delta I_{пр}}\), \(r_{диф обр} = \slfrac{\Delta U_{обр}}{\Delta I_{обр}}\)). Емкость перехода (\(C_{пер}\)) и накопленный заряд (\(Q_{нк}\)). Заряд восстановления (\(Q_{вос}\)) и время восстановления (\(t_{вос обр}\), \(t_{вос пр}\)). При переключении диода с прямого тока на обратный весь накопленный заряд вытекает во внешнюю цепь. При заданных прямом токе и итоговом обратном напряжении весь суммарный заряд (с учетом накопленного заряда и заряда емкости обедненного слоя для полных процессов запаздывания и восстановления), вытекающий во внешнюю цепь, называется зарядом восстановления (\(Q_{вос}\)), а время, истекшее от момента прохождения тока через нулевое значение до момента достижения обратным током заданной величины — временем восстановления обратного сопротивления или просто временем обратного восстановления диода (\(t_{вос обр}\)). Полный список общих параметров диодов и их принятых обозначений приведен в таб. 2.2‑1. Помимо описанных выше параметров он включает также:
Таб. 2.2-1. Общие основные параметры диодов
|
Когда через диод проходит ток, при заданном напряжении на диоде выделяется мощность \(P_д = I \cdot U\). При подаче на диод переменного напряжения общая мощность, рассеиваемая диодом, равна сумме мощностей рассеиваемых при прохождении тока в прямом (\(P_{пр}\)) и обратном (\(P_{обр}\)) направлениях \(P_д = P_{пр} + P_{обр}\). Средняя рассеиваемая мощность (\(P_{ср}\)) определяется как среднее за период значение мощности, рассеиваемой диодом при протекании прямого и обратного токов. Максимальное значение рассеиваемой мощности, при которой гарантируется долговременная и стабильная работа диода при заданных внешних условиях, называется максимальной допустимой мощностью рассеяния диода. Наибольшее мгновенное значение мощности, рассеиваемой диодом, называется импульсной рассеиваемой мощностью (\(P_и\)).
Для исключения теплового пробоя температура \(p\)-\(n\)-перехода должна быть меньше максимальной допустимой температуры перехода (\(T_{п max}\)). Как правило, эта температура для германиевых диодов составляет 70 °C, а для кремниевых — 125 °C. Выделяемая теплота рассеивается диодом в окружающую среду. Учитывая конструктивные особенности диода и условия его эксплуатации, иногда нормируются максимальная температура корпуса диода (\(T_{к max}\)) и максимальная температура окружающей среды вблизи диода (\(T\)).
Тепловое сопротивление переход – среда (\(R_{т пер-окр}\)) необходимо знать для расчета допустимой рассеиваемой мощности маломощных диодов обычно работающих без теплоотвода, а тепловое сопротивление переход – корпус (\(R_{т пер-кор}\)) — для расчета режима работы мощных приборов при наличии внешнего радиатора. Обычно \(R_{т пер-окр} \gg R_{т пер-кор}\) (сопротивление \(R_{т пер-кор}\) остается постоянным только в случае малых плотностей тока). Тепло от кристалла с переходами к корпусу или радиатору отводится за счет теплопроводности, а от корпуса в окружающее пространство — конвекцией и излучением. Режим диода необходимо выбирать из условия \(\newcommand{\slfrac}[2]{\left.#1\right/#2}U \cdot I \leq P_{д max}= \slfrac{\left( T_{п max} – T \right)}{R_{т пер-окр}}\).
Производными этого параметра являются: переходное тепловое сопротивление переход – окружающая среда (\(Z_{т пер-окр}\)) и переходное тепловое сопротивление переход – корпус диода (\(Z_{т пер‑кор}\)).
Изменение внешнего напряжения \(\operatorname{d}U\) на \(p\)-\(n\)-переходе приводит к изменению накопленного в нем заряда \(\operatorname{d}Q\). Поэтому \(p\)‑\(n\)‑переход ведет себя подобно конденсатору, емкость которого \(C = \operatorname{d}Q/\operatorname{d}U\). В зависимости от физической природы изменяющегося заряда различают зарядную (барьерную) и диффузионную емкости. Зарядная (барьерная) емкость определяется изменением нескомпенсированного заряда ионов при изменении ширины запирающего слоя под воздействием внешнего обратного напряжения. При увеличении же внешнего напряжения, приложенного к \(p\)-\(n\)-переходу в прямом направлении, растет концентрация инжектированных носителей вблизи границ перехода, что приводит к изменению количества заряда, обусловленного неосновными носителями в \(p\)- и \(n\)-областях. Это можно рассматривать как проявление некоторой емкости. Поскольку она зависит от изменения диффузионной составляющей тока, ее называют диффузионной емкостью.
Заряд электронов или дырок, накопленный при протекании прямого тока в базе диода или \(i\)‑области \(p\)-\(i\)-\(n\)-диода, называется накопленным зарядом (\(Q_{нк}\)). Полная емкость \(p\)-\(n\)-перехода определяется суммой зарядной и диффузионной емкостей: \(C_{пер} = C_{зар} + C_{диф}\). При включении \(p\)‑\(n\)‑перехода в прямом направлении преобладает диффузионная емкость, а при включении в обратном направлении — зарядная (емкость \(C_{диф}\) при этом пренебрежимо мала).
Аналогично определяется время установления прямого напряжения или время прямого восстановления диода (\(t_{вос пр}\)), которое равно промежутку времени, в течение которого прямое напряжение на диоде устанавливается от нулевого значения до заданного уровня.Свойства полупроводниковых диодов — презентация онлайн
• Вы знаете, что мы едим пищу, которую выращиваютдругие люди.
• Мы носим одежду, которую сшили другие люди.
• Мы говорим на языках, которые были придуманы другими
людьми.
• Мы используем математику, но ее тоже развивали другие
люди…
• Я думаю, мы все постоянно это говорим.
Это прекрасный повод создать что-нибудь такое, что
могло бы стать полезным человечеству.
Стив Джобс
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ
Что общего между дверным ключом и полупроводниковым диодом ?
ДВЕРНОЙ КЛЮЧ —
ДИОД — это …
«КЛЮЧ» ?
У него 2 электрода: анод «+» и катод «–».
Ток пропускается только от анода к катоду.
Полупроводники – широкий класс веществ, характеризующихся значениями электропроводности,
промежуточными между электропроводностью металлов и диэлектриков.
Простые
Сложные
Основные свойства полупроводников – зависимость электрических свойств от внешних
факторов и наличия примесей
СОБСТВЕННЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ
Это полупроводники, не содержащие примесные атомы другой валентности
(беспримесные)
Т=0К
Т>0К
! Процесс образования пары носителей заряда электрон – дырка →
ГЕНЕРАЦИЯ.
! Восстановление ковалентной связи → РЕКОМБИНАЦИЯ.
ПРИМЕСНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ
ПРИМЕСИ
! ДОНОРНЫЕ (валентность примеси > чем у основного
полупроводника) → электронная проводимость (n — тип),
основные носители — электроны
Электроны – основные носители
Дырки – неосновные носители
! АКЦЕПТОРНЫЕ (валентность примеси
основного полупроводника) → дырочная
проводимость (р – тип), основные носители — дырки
Электроны- неосновные носители
Дырки- основные носители
Техническое задание:
Исследовать свойства p-n перехода
Прямое смещение p – n – перехода
Ток, создаваемый основными носителями, → прямой ток
! Введение носителей проводимости через p-n
переход в область полупроводника, где они
являются неосновными, называется ИНЖЕКЦИЕЙ
носителей заряда
Обратное смещение p – n – перехода
Ток, создаваемый неосновными носителями, → обратный
(дрейфовый) ток
! Процесс переброса неосновных носителей
называется ЭКСТРАКЦИЕЙ носителей заряда
Применение полупроводникового диода и принцип его действия
В индивидуальной учебной работе по физике на тему «Применение полупроводникового диода и принцип его действия» рассматривается понятие «полупроводник», дает определение простым полупроводникам, полупроводниковым химическим соединениям и полупроводниковым комплексам.
Подробнее о работе:
В рамках исследовательской работы по физике о полупроводниковом диоде были рассмотрены чистые полупроводники и примесные полупроводники, среди которых германий, кремний, полупроводниковые соединения типа АIIIВV, твердые растворы на основе соединений типа АIIIВV, полупроводниковые соединения типа АIIВVI и полупроводниковые соединения типа АIVВVI. В практической части работы представлены графики, подготовленные учащимся для изготовления полупроводникового диода.
В ходе учебного исследовательского проекта по физике «Применение полупроводникового диода и принцип его действия» учащийся 11 класса особое внимание уделил изучению строения полупроводникового диода, его показателей в состоянии покоя, а также работу при обратном и прямом включении. В рамках проекта был рассмотрен принцип действия и способы применения выпрямительного диода, полупроводникового стабилитрона, туннельного диода, обращенного диода, варикапа, светоизлучающих диодов и фотодиодов.
Оглавление
Введение
1. Полупроводник.
2. Общие сведения о материалах.
3. Полупроводниковый диод.
4. Применение и принцип действия полупроводникового диода
Заключение
Литература
Введение
К полупроводникам относятся материалы, свойства которых частично схожи со свойствами проводников, частично со свойствами диэлектриков. К ним относится большое количество веществ с электронной электропроводностью.
Основной особенностью полупроводников является их способность изменять свои свойства под влиянием различных внешних воздействий (изменение температуры, приложение электрического или магнитного полей и т.д.). Свойства полупроводников сильно зависят от содержания примесей. С введением примеси изменяется не только значение проводимости, но и характер её температурной зависимости.
Электрический ток в полупроводниках связан с дрейфом носителей заряда. Появление носителей заряда в полупроводниках определяется химической частотой и температурой.
Среди полупроводниковых материалов электронные полупроводники, полупроводниковые химические соединения и твердые растворы. Электрические свойства полупроводников определяются зонной структурой и содержанием примесей.
При любой температуре, отличной от абсолютного нуля, в полупроводнике за счет теплового возбуждения происходит генерация свободных электронов и дырок. Однако с процессом генерации обязательно протекает обратный процесс – рекомбинации носителей заряда. Основной характеристикой рекомбинации является время жизни.
Основным материалов полупроводниковой электроники является кремний. Для изготовления полупроводниковых приборов и устройств микроэлектроники используют как монокристаллические, так и поликристаллические материалы.
Цель: Исследовать работу полупроводникового диода.
Задачи:
- Измерить вольт-амперную характеристику диода.
- Изучить свойства p-n переходу у диода.
Полупроводник
Полупроводник — материал, по удельной проводимости занимающий промежуточное место между проводниками и диэлектриками, и отличающийся от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения.
Основным свойством полупроводников является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.
Полупроводниками являются кристаллические вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка электрон-вольта (эВ). Например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам (около 7 эВ), а арсенид индия — к узкозонным (0,35 эВ). К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.).
Атом другого химического элемента в чистой кристаллической решётке (например, атом фосфора, бора и т. д. в кристалле кремния) называется примесью. В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон в кристалл (в вышеприведённом примере – фосфор) или захватывает его (бор), примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается.
Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков.
Общие сведения о материалах
Все полупроводниковые материалы делятся на простые полупроводники (ПП) или элементы, полупроводниковые химические соединения и полупроводниковые комплексы. В последнее время также изучаются стеклообразные и жидкие полупроводники. Простых ПП существует околодесяти. В современной технике особое значение приобрели кремний (Si), германий (Ge) и, частично, селен (Se).
| Материалы | Атомный № | D W, эВ | Подвижн. электронов, см2/В* с | Подвижн. дырок, см2/В* с |
| Ge | 32 | 0.67 | 3900 | 1900 |
| Si | 14 | 1.12 | 1400 | 500 |
| Se | 34 | 1.79 | — | 0.2* 10-4 |
Полупроводниковыми химическими соединениями являются соединения элементов различных групп таблицы Менделеева, соответствующие общим формулам АIIВVI (CdS, ZnSe), АIIIВV(InSb, GaAs, GaP ), АIVВVI (PbS, PbSe, PbTe), также некоторые оксиды и вещества сложного состава.
AIII BV
| Материалы | D W, эВ | Подвижн. электронов, см2/В* с | Подвижн. дырок, см2/В* с |
| GaSb | 0.7 | 5000 | 800 |
| InSb | 0.18 | 80000 | 1000 |
| GaAs | 1.4 | 8500 | 400 |
| InAs | 0.35 | 30000 | 500 |
AII BVI
| Материалы | D W, эВ | Подвижн. электронов ,с см2/В* с | Подвижн. дырок, см2/В* с |
| ZnS | 3.74 | 140 | 5 |
| CdS | 2.53 | 340 | 110 |
| HgS | 1.78 | 700 | — |
| ZnSe | 2.73 | 260 | 15 |
AIVBVI
| Материалы | D W, эВ | Подвижн. электронов, см2/В* с | Подвижн. дырок, См2/В* с |
| PbS | 0.39 | 600 | 700 |
| CdS | 0. 27 |
1200 | 1000 |
| HgS | 0.32 | 1800 | 900 |
К полупроводниковым комплексам можно отнести вещества с полупроводящей или проводящей фазой и карбида кремния, графита, сцепленных керамической или другой связкой. Наиболее распространенными из них являются тирит, силит и др. c шириной запрещенной зоны 0.75 ч 1.35 эВ.
Диод — прверка исправности — Диоды — РАДИОДЕТАЛИ — Каталог статей
Основным свойством диода является односторонняя проводимость тока. Ток через диод возникает только при положительном потенциале на аноде относительно катода. При обратной полярности ток через диод практически равен нулю.
Приборы, имеющие одностороннюю проводимость, называются электрическими вентилями. Сопротивление вентиля зависит от величины и знака приложенного напряжения. У идеального вентиля при одном (прямом) знаке напряжения сопротивление равно нулю, а при другом (обратном) — бесконечности.
Проверка исправности полупроводникового диода
Для проверки исправности полупроводникового диода включаем цифровой мультиметр в режим измерения сопротивления на предел, отмеченный значком (). Данный режим предназначен для тестирования P-N переходов. Его особенностью является то, что индицируемое значение сопротивления на этом пределе численно равно прямому напряжению на переходе в милливольтах.
Далее подключать щупы к выводам диода.
Рис.1
При этом у исправного диода сопротивление в прямом смещении, когда плюсовой щуп омметра подключен к аноду диода (как на Рис.1), должно быть значительно меньше сопротивления в обратном смещении, когда плюсовой щуп омметра подключен к катоду диода.
Если сопротивления диода в прямом и обратном смещениях близки к нулю, диод неис-правен , неисправность — пробой.
Если сопротивления диода в прямом и обратном смещениях бесконечно большие, диод неисправен , неисправность — обрыв .
Если при замере обратного сопротивления стрелка прибора не устанавливается твердо, а все время «плавает», диод неисправен, неисправность — увеличение тока утечки .
Полярность щупов мультиметра, подключенного при измерениях в прямом направлении укажет положение анода и катода. Красный щуп («+») в этом случае будет подключен к аноду диода, чёрный («—») — к катоду. Численные значения прямого напряжения на переходе равны:
• 200 – 400 мВ для германиевых диодов.
• 500 – 800 мВ для кремниевых диодов;
Во избежание прогрева при измерениях не следует держать диод за корпус.
Если вы пытаетесь определить исправность диода не вапаивая его из схемы, следует учитывать, что результаты измерений будут искажены из-за шунтирующего действия других элементов схемы, включённых между анодом и катодом диода. Поэтому, для однозначного определения исправности диода (кстати, это справедливо и для других элементов), необходимо одну ножку диода от схемы таки отсоединить (отпаять).
Если вы обнаружили неисправный диод в схеме, его нужо заменить. На корпусе неисправного диода необходимо считать его марку, и подобрать точно такой же. Если вы не смогли найти для замены вышедшего из строя такой же марки, можно подобрать его аналог — другой диод, по своим параметрам не хуже вышедшего из строя.
Для принятия технически грамотного решения при подборе аналога необходимо воспользоваться справочной информацией (даташитом), который легко найти, вбив в любой поисковик марку диода. По каким же параметрам следует подбирать аналог? А вот по таким:
Основные параметры диодов
Для выпрямительных диодов наибольшее значение имеют следующие параметры:
-
Максимально допустимый прямой ток IПР.МАКС — определяет максимальный ток нагрузки, который диоды смогут выдержать. Превышение IПР.
МАКС. приводит к тепловому пробою и повреждению диода; -
Максимально допустимое обратное напряжение UОБР.МАКС. – это наибольшее обратное напряжение, которое в течение длительного времени может быть приложено к диоду, не вызывая изменение его параметров. Оно должно быть как минимум в два раза больше рабочего напряжения.
Для диодов, работающих на высоких частотах важен такой параметр как ёмкость PN перехода, так как с увеличением частоты сопротивление этой ёмкости уменьшается и диод теряет своё основное свойство — одностороннюю проводимость.
Для стабилитронов помимо перечисленных важны: напряжение стабилизации UСТ. и максимально допустимый постоянный ток стабилизации IСТ. МАКС..
Для варикапов важен диапазон изменения ёмкости и соответствующий ему диапазон изменения обратного напряжения.
Предназначены диоды. Полупроводниковый диод
Что не представляем своей жизни без них. Эти жужжащие ящики на наших столах собраны из множества различных «железок». Интересно отметить, что ни один из этих составных «кирпичиков» сам по себе не может похвастаться теми свойствами, которыми обладает компьютер.
А собранные вместе, они являют собой нечто совершенно уникальное!
Какой кирпич не возьми – это только кусок обожженной глины; не сразу и понятно, к какому делу его – самого по себе — можно приспособить.
Это как дом, построенный из кирпичей.
Но несколько тысяч собранных определенным образом таких кусков глины — это жилище, которое защищает от непогоды и предоставляет крышу над головой.
Разумеется, можно пользоваться компьютером (и жить в доме) и не представлять себе, как эти штуки устроены.
Но если вы хотите научиться «лечить» ваши компьютеры, то придется разбираться, как устроены их составные части.
Поэтому сегодня мы поговорим об одном из компьютерных «кирпичиков» чуть более подробно. Мы попытаемся кратко познакомиться с тем, что такое полупроводниковые диоды и зачем они нужны.
Что такое диод?
Диоды применяются в компьютерных для выпрямления переменного тока.
Выпрямительный диод – это деталь, имеющая в своем составе соединенные вместе полупроводники двух типов – p-типа (positive – положительный) и n–типа (negative – отрицательный).
При их соединении (сплавлении) образуется так называемый p-n переход. Этот переход обладает разным сопротивлением при различной полярности приложенного напряжения.
Если напряжение приложено в прямом направлении (положительная клемма источника напряжения подключена к p-полупроводнику — аноду, а отрицательная – к n-полупроводнику — катоду), то сопротивление диода невелико.
В этом случае говорят, что диод открыт. Если полярность подключения изменить на противоположную, то сопротивление диода будет очень большим.
В таком случае говорят, что диод закрыт (заперт).
Когда диод открыт, то на нем падает какое-то напряжение.
Это падение напряжения создается протекающим через диод так называемым прямым током и зависит от величины этого тока.
Причем зависимость эта нелинейная .
Конкретное значение падения напряжения в зависимости от протекающего тока можно определить по вольт-амперной характеристике.
Эта характеристика обязательно приводится в полном техническом описании (data sheets, справочных листах).
Например, на распространенном диоде 1N5408, применяемом в компьютерном блоке питания, при изменении тока от 0,2 до 3 А падение напряжения изменяется от 0,6 до 0,9 В. Чем больше протекающий через диод ток, тем больше падение напряжения на нем и, соответственно, рассеиваемая на нем мощность (P = U * I). Чем большая мощность рассеивается на диоде, тем сильнее он греется.
В компьютерном при выпрямлении сетевого напряжения применяется обычно мостовая схема выпрямления – 4 диода, включенные определенным образом.
Если клемма 1 имеет положительный относительно клеммы 2 потенциал, то ток пойдет через диод VD1, нагрузку и диод VD3.
Если клемма 1 имеет отрицательный клеммы 2 потенциал, то ток потечет через диод VD2, нагрузку и диод VD4. Таким образом, ток через нагрузку хоть и меняется по величине (при переменном напряжении), но протекает всегда в одном направлении – от клеммы 3 к клемме 4.
В этом и заключается эффект выпрямления. Если бы не было диодного моста – ток по нагрузке протекал бы в разных направлениях. С мостом же он протекает в одном. Такой ток называется пульсирующим.
В курсе высшей математики доказывается, что пульсирующее напряжение содержит в себе постоянную составляющую и сумму гармоник (частот, кратных основной частоте переменного напряжения 50 Герц). Постоянная составляющая выделяется фильтром (конденсатором большой емкости), который не пропускает гармоники.
Выпрямительные диоды присутствуют и в низковольтной части блока питания. Только схема включения состоит там не из 4-х диодов, а из двух.
Внимательный читатель может спросить: «А почему это используются разные схемы включения? Нельзя ли применить диодный мост и в низковольтной части?»
Можно, но это будет не лучшее решение. В случае диодного моста ток проходит через нагрузку и два последовательно включенных диода.
В случае использования диодов 1N5408 общее падение напряжения на них может составить величину 1,8 В. Это очень немного по сравнению с сетевым напряжением 220 В.
А вот если такая схема будет применена в низковольтной части, то это падение будет весьма заметным по сравнению с напряжениями +3,3, +5 и +12 В. Применение схемы из двух диодов уменьшает потери вдвое, так как последовательно с нагрузкой включен один диод, а не два.
К тому же, ток во вторичных цепях блока питания гораздо больше (в разы), чем в первичной.
Следует отметить, для этой схемы трансформатор должен иметь две одинаковые обмотки, а не одну. Схема выпрямления из двух диодов использует оба полупериода переменного напряжения, также как и мостовая.
Если потенциал верхнего конца вторичной обмотки трансформатора (см схему) положителен по отношению к нижнему, то ток протекает через клемму 1, диод VD1, клемму 3, нагрузку, клемму 4 и среднюю точку обмотки. Диод VD2 в это время заперт.
Если потенциал нижнего конца вторичной обмотки положителен по отношению к верхнему, то ток протекает через клемму 2, диод VD2, клемму 3, нагрузку, клемму 4 и среднюю точку обмотки. Диод VD1 в это время заперт. Получается тот же пульсирующий ток, что и при мостовой схеме.
Теперь давайте покончим со скучной теорией и перейдем к самому интересному – к практике.
Для начала скажем, что перед началом проверки диодов, хорошо бы ознакомиться с тем, как работать с цифровым тестером.
Об этом рассказывается в соответствующих статьях , и .
Диод на электрических схемах изображается символически в виде треугольника (стрелочки) и палочки.
Палочка – это катод, стрелочка (она указывает направление тока, т.е. движения положительных зарядов) – анод.
Проверить диодный мост можно цифровым тестером, установив переключатель работы в положении проверки диодов (указатель переключателя диапазонов тестера должен стоять напротив символического изображения диода).
Если присоединить красный щуп тестера к аноду, а черный — к катоду отдельного диода, то диод будет открыт напряжением с тестера.
Дисплей покажет величину 0,5 – 0,6 В.
Если изменить полярность щупов, диод будет заперт.
Дисплей при этом покажет единицу в крайнем левом разряде.
Диодный мост часто имеет символическое обозначение вида напряжения на корпусе (~ переменное напряжение, +, — постоянное напряжение).
Диодный мост можно проверить, установив один щуп на одну из клемм «~», а второй – поочередно на выводы «+» и «-».
При этом один диод будет открыт, а другой закрыт.
Если поменять полярность щупов – то тот диод, который был закрыт, теперь откроется, а другой закроется.
Следует обратить внимание на то, что катод – это плюсовой вывод моста.
Если какой-то из диодов закорочен, тестер покажет нулевое (или очень небольшое напряжение).
Такой мост, естественно, непригоден для работы.
В закоротке диода можно убедиться, если тестировать диоды в режиме измерения сопротивления.
При закороченном диоде тестер покажет небольшое сопротивление в обоих направлениях.
Как уже говорилось, во вторичных цепях используется схема выпрямления из двух диодов.
Но даже на одном диоде падает достаточно большое напряжение по сравнению с выходными напряжениями +12 В, +5 В, +3,3 В.
Токи потребления могут достигать 20 А и более, и на диодах будет рассеиваться большая мощность.
Вследствие этого они будут сильно греться.
Мощность рассеяния уменьшится, если будет меньшим прямое напряжение на диоде.
Поэтому в таких случаях применяют так называемые диоды Шоттки, у которых прямое падение напряжения меньше .
Диоды Шоттки
Диод Шоттки состоит не из двух различных полупроводников, а из металла и полупроводника.
Получающийся при этом так называемый потенциальный барьер будет меньше.
В компьютерных блоках питания применяют сдвоенные диоды Шоттки в трехвыводном корпусе.
Типичным представителем такой сборки является SBL2040. Падение напряжения на каждом из ее диодов при максимальном токе не превысит (по даташиту) 0,55 В. Если проверить ее тестером (в режиме проверки диодов), то он покажет величину около 0,17 В.
Меньшая величина напряжения обусловлена тем, что через диод протекает очень небольшой ток, далекий от максимального.
В заключение скажем, что у диода есть такой параметр, как предельно допустимое обратное напряжение. Если диод заперт – к нему приложено обратное напряжение. При замене диодов надо учитывать эту величину.
Если в реальной схеме обратное напряжение превысит предельно допустимое – диод выйдет из строя!
Диод – важная «железка» в электронике. Чем бы еще мы выпрямляли напряжение?
Купить диоды для экспериментов можно
До встречи на блоге!
Диод — это элемент, имеющий различную проводимость. Такое его свойство имеет применение в различных электротехнических и радиоэлектронных схемах. На его основе создаются устройства, имеющие применение в различных областях.
Типы диодов: электровакуумные и полупроводниковые . Последний тип в настоящее время применяется в подавляющем большинстве случаев. Никогда не будет лишним знать о том, как работает диод, для чего он нужен, как обозначается на схеме, какие существуют типы диодов, применение диодов разных видов.
Электровакуумные диоды
Приборы этого типа выполнены в виде электронных ламп. Лампа выглядит как стеклянный баллон, внутрь которого помещены два электрода. Один из них анод, другой катод. Они находятся в вакууме. Конструктивно анод выполнен в виде тонкостенного цилиндра. Внутри расположен катод. Он имеет обычно цилиндрическую форму. Изолированная нить накала проложена внутри катода. Все элементы имеют выводы, которые соединены со штырьками (ножками) лампы. Ножки лампы выведены наружу.
Принцип работы
При прохождении электрического тока по спирали она нагревается и разогревает катод, внутри которого находится. С поверхности разогретого катода электроны, покинувшие его, без дополнительного ускоряющего поля накапливаются в непосредственной близости от него. Часть из них затем обратно возвращается на катод.
При подаче на анод положительного напряжения электроны, испускаемые катодом, устремляются к нему, создавая анодный ток электронов.
Катод обладает пределом эмиссии электронов. При достижении этого предела анодный ток стабилизируется. Если на анод подать небольшое отрицательное напряжение по отношению к катоду, то электроны прекратят своё движение.
Материал катода, из которого он изготовлен, обладает высокой степенью эмиссии.
Вольт- амперная характеристика (ВАХ)
ВАХ диодов этого типа графически показывает зависимость тока анода от прямого напряжения, приложенного к выводам катода и анода. Она состоит из трёх участков:
- Медленное нелинейное нарастание тока;
- Рабочая часть характеристики;
- Область насыщения тока анода.
Нелинейный участок начинается после области отсечки анодного тока. Его нелинейность связана с небольшим положительным потенциалом катода, который покинули электроны при его разогреве нитью накала.
Активный участок определяет из себя почти вертикальную линию. Он характеризует зависимость анодного тока от возрастающего напряжения.
Участок насыщения представляет собой линию постоянного значения тока анода при увеличивающемся напряжении между электродами лампы. Электронную лампу на этом участке можно сравнить с проводником электрического тока. Эмиссия катода достигла своего наивысшего значения.
Полупроводниковые диоды
Свойство p — n перехода пропускать электрический ток одного направления нашло применение при создании приборов этого типа. Прямое включение — это подача на n -область перехода отрицательного потенциала, по отношению к p -области, потенциал которой положительный. При таком включении прибор находится в открытом состоянии. При изменении полярности приложенного напряжения он окажется в запертом состоянии, и ток сквозь него не проходит.
Классификацию диодов можно вести по их назначению, по особенностям изготовления, по типу материала, используемого при его изготовлении.
В основном для изготовления полупроводниковых приборов используются пластины кремния или германия, которые имеют электропроводность n -типа. В них присутствует избыток отрицательно заряженных электронов.
Применяя разные технологии изготовления, можно на выходе получить точечные или пластинчатые диоды.
При изготовлении точечных приборов к пластинке n -типа приваривают заострённый проводник (иглу). На его поверхность нанесена определённая примесь. Для германиевых пластин игла содержит индий, для кремниевых пластин игла покрыта алюминием. В обоих случаях создаётся область p — n перехода. Её форма напоминает полусферу (точку).
Для плоскостных приборов применяют метод диффузии или сплавления. Площадь переходов, получаемых таким методом, варьируется в широких пределах. От её величины зависит в дальнейшем назначение изделия. К областям p — n перехода припаивают проволочки, которые в виде выводов из корпуса готового изделия используют при монтаже различных электрических схем.
На схемах полупроводниковые диоды обозначаются в виде равностороннего треугольника, к верхнему углу которого присоединена вертикальная черта, параллельная его основанию. Вывод черты называется катодом, а вывод основания треугольника анодом.
Прямым называется такое включение, при котором положительный полюс источника питания соединён с анодом. При обратном включении «плюс» источника подключается к катоду.
Вольт- амперная характеристика
ВАХ определяет зависимость тока, протекающего через полупроводниковый элемент, от величины и полярности напряжения, которое приложено к его выводам.
В области прямых напряжений выделяют три области: небольшого прямого тока и прямого рабочего тока через диод. Переход из одной области в другую происходит при достижении прямым напряжением порога проводимости. Эта величина составляет порядка 0,3 вольт для германиевых диодов и 0,7 вольт для диодов на основе кремния.
При приложении к выводам диода обратного напряжения ток через него имеет очень незначительную величину и называется обратным током или током утечки. Такая зависимость наблюдается до определённого значения величины обратного напряжения. Оно называется напряжением пробоя. При его превышении обратный ток нарастает лавинообразно.
Предельные значения параметров
Для полупроводниковых диодов существуют величины их параметров, которые нельзя превышать. К ним относятся:
- Максимальный прямой ток;
- Максимальное обратное напряжение пробоя;
- Максимальная мощность рассеивания.
Полупроводниковый элемент может выдержать прямой ток через него ограниченной величины. При его превышении происходит перегревание p-n перехода и выход его из строя. Наибольший запас по этому параметру имеют плоскостные силовые приборы. Величина прямого тока через них может достигать десятков ампер.
Превышение максимального значения напряжения пробоя может превратить диод, имеющий однонаправленные свойства, в обычный проводник электрического тока. Пробой может иметь необратимый характер и варьируется в широких пределах, в зависимости от конкретного используемого прибора.
Мощность — это величина, напрямую зависящая от тока и напряжения, которое приложено при этом к выводам диода. Как и превышение максимального прямого тока, превышение предельной мощности рассеивания приводит к необратимым последствиям. Диод просто выгорает и перестаёт выполнять своё предназначение. Для предотвращения такой ситуации силовые приборы устанавливают приборы на радиаторы, которые отводят (рассеивают) избыток тепла в окружающую среду.
Виды полупроводниковых диодов
Свойство диода пропускать ток в прямом направлении и не пропускать его в обратном нашло применение в электротехнике и радиотехнике. Разработаны и специальные виды диодов для выполнения узкого круга задач.
Выпрямители и их свойства
Их применение основано на выпрямительных свойствах этих приборов. Их используют для получения постоянного напряжения путём выпрямления входного переменного сигнала.
Одиночный выпрямительный диод позволяет получить на его выходе пульсирующее напряжение положительной полярности. Используя их комбинацию, можно получить форму выходного напряжения, напоминающую волну. При использовании в схемах выпрямителей дополнительных элементов, таких как электролитические конденсаторы большой емкости и катушки индуктивности с электромагнитными сердечниками (дроссели), на выходе устройства можно получить постоянное напряжение, напоминающее напряжение гальванической батареи, столь необходимое для работы большинства аппаратуры потребителя.
Полупроводниковые стабилитроны
Эти диоды имеют ВАХ с обратной ветвью большой крутизны. То есть, приложив к выводам стабилитрона напряжение, полярность которого обратная, можно с помощью ограничительных резисторов ввести его в режим управляемого лавин пробоя. Напряжение в точке лавинного пробоя имеет постоянное значение при значительном изменении тока через стабилитрон, величину которого ограничивают в зависимости от применённого в схеме прибора. Так получают эффект стабилизации выходного напряжения на нужном уровне.
Технологическими операциями при изготовлении стабилитронов добиваются различных величин напряжения пробоя (напряжения стабилизации). Диапазон этих напряжений (3−15) вольт. Конкретное значение зависит от выбранного прибора из большого семейства стабилитронов.
Принцип работы детекторов
Для детектирования высокочастотных сигналов применяют диоды, изготовленные по точечной технологии. Задача детектора состоит в том, чтобы ограничить одну половину модулированного сигнала. Это позволяет в последующем с помощью высокочастотного фильтра оставить на выходе устройства только модулирующий сигнал. Он содержит звуковую информацию низкой частоты. Этот метод используется в радиоприёмных устройствах, принимающих сигнал, модулированный по амплитуде.
Особенности светодиодов
Эти диоды характеризуются тем, что при протекании через них тока прямого направления кристалл испускает поток фотонов, которые являются источником света. В зависимости от типа кристалла, применённого в светодиоде, спектр света может находиться как в видимом человеческим глазом диапазоне, так и в невидимом. Невидимый свет — это инфракрасное или ультрафиолетовое излучение.
При выборе этих элементов необходимо представлять цель, которую необходимо достигнуть. К основным характеристикам светодиодов относятся:
- Потребляемая мощность;
- Номинальное напряжение;
- Ток потребления.
Ток потребления светодиода, применяемого для индикации в устройствах широкого применения, не более 20 мА. При таком токе свечение светодиода является оптимальным. Начало свечения начинается при токе, превышающем 3 мА.
Номинальное напряжение определяется внутренним сопротивлением перехода, которое является величиной непостоянной. При увеличении тока через светодиод сопротивление постепенно уменьшается. Напряжение источника питания, используемое для питания светодиода, необходимо применять не меньше напряжения, указанного в паспорте на него.
Потребляемая мощность — это величина, зависящая от тока потребления и номинального напряжения. Она увеличивается при увеличении величин, её определяющих. Следует учесть, что мощные световые диоды могут иметь в своём составе 2 и даже 4 кристалла.
Перед другими осветительными приборами светодиоды имеют неоспоримые преимущества. Их можно перечислять долго. Основными из них являются:
- Высокая экономичность;
- Большая долговечность;
- Высокий уровень безопасности из-за низких питающих напряжений.
К недостатку их эксплуатации относится необходимость наличия дополнительного стабилизированного источника питания постоянного тока, а это увеличивает стоимость .
Что такое диод? Это элемент, получивший различную проводимость. Она зависит от того, как именно течет электрический ток. Применение устройства зависит от цепи, которой нужно ограничение следования данного элемента. В этой статье мы расскажем об устройстве диода, а также о том, какие виды существуют. Рассмотрим схему и то, где применяются эти элементы.
История появления
Так вышло, что работать над созданием диодов стало сразу два ученых: британец и немец. Следует заметить, что их открытия немного отличались. Первый основал изобретение на ламповых триодах, а второй — на твердотельных.
К сожалению, в то время наука не смогла сделать прорыв в этой сфере, однако для размышлений было дано очень много поводов.
Через несколько лет снова были открыты диоды (формально). Томас Эдисон запатентовал это изобретение. К сожалению, во всех своих работах при жизни это ему не пригодилось. Поэтому подобную технологию развивали другие ученые в разные годы. До начала XX века эти изобретения были названы выпрямителями. И только спустя время Вильям Иклз использовал два слова: di и odos. Первое слово переводится как два, а второе — путь. Язык, на котором было дано название, является греческим. И если переводить выражение полностью, то «диод» означает «два пути».
Принцип работы и основные сведения о диодах
Диод в своем строении имеет электроды. Речь идет об аноде и катоде. Если первый имеет положительный потенциал, то диод называется открытым. Таким образом, сопротивление становится маленьким, а ток проходит. Если же потенциал положительный имеется у катода, то диод не раскрыт. Он не пропускает электрический ток и имеет большой показатель сопротивления.
Как устроен диод
В принципе, что такое диод, мы разобрались. Теперь нужно понять, как он устроен.
Корпус зачастую изготавливается из стекла, металла или же керамики. Чаще всего вместо последней используются определенные соединения. Под корпусом можно заметить два электрода. Наиболее простой будет иметь нить небольшого диаметра.
Внутри катода располагается проволока. Она считается подогревателем, так как имеет в своих функциях подогрев, который совершается по законам физики. Нагревается диод за счет работы электрического тока.
При изготовлении также используется кремний или германий. Одна сторона прибора имеет нехватку электродов, вторая — их переизбыток. За счет этого создаются специальные границы, которые обеспечивает переход типа p-n. Благодаря ему ток проводится в том направлении, в котором это необходимо.
Характеристики диодов
Диод на схеме уже показан, теперь следует узнать, на что нужно обращать внимание при покупке устройства.
Как правило, покупатели ориентируются только по двум нюансам. Речь идет о максимальной силе тока, а также обратном напряжении на максимальных показателях.
Использование диодов в быту
Довольно часто диоды используют в автомобильных генераторах. То, какой диод выбрать, следует решать самому. Нужно заметить, что в машинах используются комплексы из нескольких приборов, которые признаны называться диодным мостом. Нередко подобные устройства встраиваются в телевизоры и в приемники. Если использовать их вместе с конденсаторами, то можно добиться выделения частот и сигналов.
Для того чтобы защитить потребителя от электрического тока, нередко в устройства встраивается комплекс из диодов. Такая система защиты считается довольно действенной. Также нужно сказать, что блок питания чаще всего у любых приборов использует такое устройство. Таким образом, светодиодные диоды сейчас довольно распространены.
Виды диодов
Рассмотрев, что такое диод, необходимо подчеркнуть, какие виды существуют. Как правило, приборы делятся на две группы. Первой считается полупроводниковая, а вторая не полупроводниковой.
На данный момент популярной является первая группа. Название связано с материалами, из которых такое устройство изготовлено: либо из двух полупроводников, либо из обычного металла с полупроводником.
На данный момент разработан ряд особых видов диодов, которые используются в уникальных схемах и приборах.
Диод Зенера, или стабилитрон
Этот вид используется в стабилизации напряжения. Дело в том, что такой диод при возникновении пробоя резко увеличивает ток, при этом точность максимально большая. Соответственно, характеристики диода такого типа довольно удивительны.
Туннельный
Если простыми словами объяснить, что это за диод, то следует сказать, что этот вид создает отрицательный тип сопротивления на вольт-амперных характеристиках. Зачастую такое приспособление используется в генераторах и усилителях.
Обращенный диод
Если говорить о данном типе диодов, то это устройство может изменять напряжение в минимальную сторону, работая в открытом режиме. Это устройство является аналогом диода тоннельного типа. Хоть и работает оно немного по другому признаку, но основано оно именно на вышеописанном эффекте.
Варикап
Данное устройство является полупроводниковым. Оно характеризуется тем, что имеет повышенную емкость, которой можно управлять. Зависит это от показателей обратного напряжения. Нередко такой диод применяется при настройке и калибровке контуров колебательного типа.
Светодиод
Данный тип диода излучает свет, но только в том случае, если ток течет в прямом направлении. Чаще всего именно это устройство используется везде, где следует создать освещение при минимальных затратах электроэнергии.
Фотодиод
Данное устройство имеет полностью обратные характеристики, если говорить о предыдущем описанном варианте. Таким образом, он вырабатывает заряды, только если на него попадает свет.
Маркировка
Нужно заметить, что особенностью всех устройств является то, что на каждом из элементов имеется специальное обозначение. Благодаря им, можно узнать характеристику диода, если он относится к полупроводниковому типу. Корпус состоит из четырех составных частей. Теперь следует рассмотреть маркировку.
На первом месте всегда будет стоять буква или цифра, которая говорит о материале, из которого изготовлен диод. Таким образом, параметры диода будет узнать несложно. Если указана буква Г, К, А или И, то это означает германий, кремний, арсенид галлия и индий. Иногда вместо них могут указываться цифры от 1 до 4 соответственно.
На втором месте будет указываться тип. Он также имеет разные значения и свои характеристики. Могут быть выпрямительные блоки (Ц), варикапы (В), туннельные (И) и стабилитроны (С), выпрямители (Д), сверхвысокочастотные (А).
Предпоследнее место занимает цифра, которая будет указывать на область, в которой применяется диод.
На четвертом месте будет установлено число от 01 до 99. Оно будет указывать на номер разработки. Помимо этого, на корпус производитель может наносить различные обозначения. Однако, как правило, их используют только на устройствах, создаваемых для определенных схем.
Для удобства диоды могут маркироваться графическими изображениями. Речь идет о точках, полосках. Логики в данных рисунках нет никакой. Поэтому для того, чтобы понять, что имел в виду производитель, придется ознакомиться с инструкцией.
Триоды
Этот вид электродов является аналогом диода. Что такое триод? Он немного по комплексу своему похож на описываемые выше устройства, однако имеет другие функции и конструкцию. Основное различие между диодом и триодом будет заключаться в том, что у него есть три вывода, и чаще всего его самого называют транзистором.
Принцип работы рассчитана на то, что, используя небольшой сигнал, будет выводиться ток в цепь. Диоды и транзисторы используются практически в каждом устройстве, которое имеет электронный тип. Речь идет также и о процессорах.
Плюсы и минусы
Лазерный диод, как и любой другой, имеет преимущества и недостатки. Для того чтобы подчеркнуть достоинства данных устройств, необходимо их конкретизировать. Помимо этого, составим и небольшой список минусов.
Из плюсов следует отметить небольшую стоимость диодов, отличный ресурс работы, высокий показатель службы эксплуатации, еще можно использовать данные устройства при работе с переменным током. Также нужно отметить небольшие размеры, которые позволяют размещать устройства на любой схеме.
Что касается минусов, то нужно выделить, что не существует на данный момент устройств полупроводникового типа, которые можно использовать в приборах с высоким напряжением. Именно поэтому придется встраивать старые аналоги. Также нужно заметить, что на диоды очень пагубно сказываются высокая температура. Она сокращает срок эксплуатации.
Первые экземпляры имели совершенно небольшую точность. Именно поэтому характеристики устройств были довольно плохими. Лампы-диоды приходилось распаковывать. Что же это означает? Некоторые устройства могли получать совершенно разные свойства, даже изготовленные в одной партии. После отсева негодных приспособлений элементы проходили маркировку, в которой описывались их реальные характеристики.
Все диоды, которые изготовлены из стекла, получили особенность: они чувствительны к свету. Таким образом, если прибор может открываться, то есть имеет крышку, то вся схема будет работать совершенно по-разному, в зависимости от того, открыто пространство для света или закрыто.
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.
- · (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, 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 .
Всего с одним p-n переходом, имеющий два внешних вывода анод и катод. Он используется для выпрямления, детектирования, модуляции, ограничения и различных видов преобразования электрических сигналов. По функциональному назначению диоды классифицируются на выпрямительные, универсальные, СВЧ, стабилитроны, импульсные, варикапы, варисторы, переключающие, туннельные т.д.
Структурно диод можно представить кристаллом полупроводника, состоящим из двух областей. Одна с проводимостью p -типа, а другая – проводимостью n -типа.
Работа диода поясняющая структурная схема
Анод это плюсовой электрод, в нем основными носителями заряда являются дырки.
Катод это минусовой электрод, в нем основными носителями заряда являются электроны.
На внешних поверхностях двух областей имеются контактные металлические слои, к которым припаяны внешние выводы. Такой полупроводниковый прибор может быть только в одном из двух состояний: открыт и закрыт
Если к выводам полупроводникового прибора подсоединить постоянное напряжение: на анод подать плюс» а на вывод катода соответственно «минус», то диод откроется и через него начнет идти ток, величина которого зависит от приложенного напряжения и внутренних свойств диода.
При прямом включении электроны из n области устремятся навстречу дыркам в p-область, а дырки из p в область n. На границе электронно-дырочного перехода, они встретятся, и осуществится их взаимное поглощение или рекомбинация.
Вывод диода, подключенный к минусу, будет посылать в область n огромное количество электронов, пополняя их убывание. А вывод, соединенный с плюсом, помогает восстанавливать концентрация дырок в области p. То есть, проводимость электронно-дырочного перехода увеличится, а сопротивление току резко уменьшится, а значит, через диод потечет ток, называемый прямым током диода Iпр.
Изменим полярность нашего подключения и посмотрим на изменения в работе подключенного полупроводникового прибора.
В этом случае электроны и дырки будут, оттеснятся от p-n перехода, а на границе электронно-дырочного перехода резко возрастает потенциальный барьер или другими словами зона обедненная носителями заряда дырками и электронами, которая будет препятствовать прохождению тока.
Но, так как в каждой из области имеется небольшое количество неосновных носителей заряда, то небольшой обмен носителями заряда между областями все же происходит, но он очень мал. Такой ток получил название обратный ток Iобр.
Работа диода прямое и обратное напряжение |
Напряжение, открытия диода, когда через него течет прямой ток называют прямым U пр, а напряжение обратной полярности, при котором он запирается и через него течет I обр называют обратным U обр. При U пр внутреннее сопротивление не выше нескольких десятков Ом, зато при U обр сопротивление резко увеличивается до сотен и даже тысяч килоом. Это легко увидеть, если измерить обратное сопротивление с помощью мультиметра.
Сопротивление электронно-дырочного перехода величина не постоянная и зависит от Uпр. Чем оно выше, тем меньше сопротивление p-n переход, тем выше Iпр идущий через полупроводник. В закрытом состоянии на нем падает почти все напряжение, поэтому, Iобр ничтожно мал, а сопротивление p-n перехода огромно.
Если мы подсоединим диод в цепь переменного тока, то он будет открыт при положительных полуволне синусоидального напряжения, пропуская прямой ток, и заперт при отрицательной полуволне, почти не пропуская Iобр. Это главное свойства диодов используют для преобразования переменного напряжения в постоянный, и такие приборы называют выпрямительными.
Зависимость тока, проходящего через электронно-дырочный переход, от величины и полярности напряжения изображают в виде кривой, называемой ВАХ
Она состоит из двух ветвей: прямая ветвь — соответствует прямому току через диод, и обратная ветвь, соответствующая обратному току.
Прямая ветвь графика круто поднимается вверх и характеризует быстрый рост прямого тока с ростом значения прямого напряжения. Обратная ветвь, наоборот следует почти параллельно горизонтальной оси и характеризует медленный рост I обр. Чем ближе к вертикальной оси прямая ветвь и чем ближе к горизонтальной оси обратная ветвь, тем лучше выпрямительные свойства полупроводника. Наличие Iобр является недостатком. Из кривой ВАХ видно, что I пр во много больше I обр.
Как мы видим из графика с увеличением прямого напряжения через электронно-дырочный переход ток сначало возрастает медленно, а затем гораздо быстрее.
Но такое резкое увеличение тока нагревает молекулы полупроводника. И если количество тепла будет выше отводимого от кристалл, то могут случится необратимые изменения и разрушение кристаллической решетки.
Поэтому необходимо использовать ограничительное сопротивление включенное последовательно.
При сильном увеличении обратного напряжения, может произойти пробой электронно-дырочного прибора. Даже существуют специальные полупроводниковые приборы называемые стабилитронами в которых применяется это свойство.
Работа диода — пробой p-n перехода |
Пробой p-n перехода это явление резкого возрастания обратного тока при достижении обратным напряжением определенного критического уровня. Тепловые пробои в свою очередь делятся на электрический и тепловой, а электрический пробой бывает туннельный и лавинный.
Электрический пробой происходит в результате воздействия сильного электрического поля в переходе. Такой пробой считается обратимым, так как он не приводит к повреждению кристалла, и при снижении уровня обратного напряжения характеристики диода сохраняются.
Туннельный пробой возникает в результате туннельного эффекта, который заключается в том, что при высокой напряженности электрического поля в узком p-n переходе, отдельные электроны просачиваются через переход. Такие p-n переходы возможны только при условии высокой концентрации примесей в молекуле полупроводника.
При туннельном пробое происходит резкий рост Iобр при малом обратном напряжении. На основе этого свойства были разработаны туннельные диоды. Они применяются в усилителях, генераторах синусоидальных колебаний и в различных переключающих устройствах на высоких частотах.
Лавинный пробой происходит также под действием сильного электрического поля, когда неосновные носители зарядов под действием тепла в переходе ускоряются на столько, что выбивают из атома один из валентных электронов и выкидывают его в зону проводимости, создав при этом пару электрон – дырка. Образовавшиеся свободные носители начинают разгоняться и сталкиваться с другими атомами, выбивая другие электроны. Процесс носит лавинообразный характер, что приводит к резкому увеличению Iобр при практически неизменном уровне напряжения.
Эффект лавинного пробоя применяется в мощных выпрямительных агрегатах, используемых в металлургической и химической промышленности, а также в железнодорожном транспорте.
Тепловой пробой происходит из-за перегрева p-n перехода при протекании большого уровня тока, и при плохом теплоотводе. Это приводит к резкому возрастанию температуры перехода и соседних с ним областе, увеличивается колебания атомов структуры кристалла, исчезает связь валентных электронов. Электроны начинают уходить в в зону проводимости, идет лавинообразное повышение температуры, что приводит к разрушению кристалла и выходу из строя радиокомпонента.
Описание работы выпрямительного устройства на полупроводниковых диодах
Тиристор это полупроводниковый прибор, изготовленный на основе монокристаллического полупроводника, обладающего тремя и более p-n-переходами.
Стабилитрон — разновидность полупроводникового диода, работающего при напряжении обратного смещении в режиме пробоя. До момента наступления пробоя через стабилитрон текут совсем незначительные токи утечки, а его сопротивление достаточно высокое. В момент пробоя ток через него резко увеличивается, а его дифференциальное сопротивление снижается до малых величин. За счет этого в режиме пробоя напряжение на стабилитроне поддерживается с неплохой точностью в большом диапазоне обратных токов.
Переходный диод P-N: определение и свойства — стенограмма видео и урока
Как это работает
Итак, как это помогает контролировать ток?
Если ток течет в том же направлении, что и диод с p-n-переходом, называемым прямым смещением, то все будет работать плавно, когда положительные отверстия будут двигаться в сторону отрицательной стороны и наоборот. Это поддерживает ток. Но если ток течет в другом направлении, называемом обратным смещением, то он образует барьер в середине полупроводника, блокирующий движение дырок и электронов и останавливающий прохождение тока.
Использование диода с p-n переходом
Возможность управлять протеканием тока таким образом делает диод с p-n переходом простым, но мощным полупроводниковым устройством. У них есть два больших применения: преобразование входного переменного тока в выход постоянного тока и работа в качестве переключателя.
Первое использование — это то, что вы, вероятно, используете прямо сейчас. Для работы большинства компьютеров и ноутбуков требуется адаптер переменного тока. Это связано с тем, что большая часть электроники работает только с постоянным током, а не с переменным током как с положительным, так и с отрицательным током.Используя диод, он предотвращает изменение направления тока, но электричество по-прежнему перекликается с переменным током.
В качестве переключателя диоды с p-n переходом используются в логических схемах, где протекающий ток означает да, а отсутствие тока означает нет. Опять же, внутри вашего компьютера есть довольно продвинутые логические схемы, которые позволяют вашему компьютеру обрабатывать довольно сложные логические задачи. Просто откройте программу калькулятора на своем компьютере и дайте ей самую сложную задачу, которую вы знаете. Без сомнения, ваш компьютер справится с этим легко.Вы этого не видите, но этот расчет производился с помощью электричества, проходящего через некоторые логические схемы с диодами, действующими как переключатель и сообщающими компьютеру, какой правильный ответ. После того, как вся логика будет выполнена, вы увидите результат на своем экране.
Пример диода с P-N переходом
Вот пример диода в принципиальной схеме.
Это фактически пример работы базового адаптера переменного тока. У вас есть источник переменного тока и диод.Резистор представляет нагрузку, когда система включена. Диод отключает цепь при изменении направления тока.
Резюме урока
Давайте уделим несколько минут, чтобы проанализировать важную информацию, которую мы узнали. Диод с p-n переходом — это базовое полупроводниковое устройство, которое контролирует поток электрического тока в цепи. Он имеет положительную (p) сторону и отрицательную (n) сторону, создаваемую добавлением примесей с каждой стороны кремниевого полупроводника.
Обозначение диода с p-n переходом — треугольник, указывающий на линию.
Треугольник указывает, в каком направлении диод пропускает ток. Это позволяет току течь справа налево, причем правая сторона является положительной. Двумя важными способами использования диодов с p-n переходом являются следующие: преобразование входного переменного тока в выход постоянного тока и работа в качестве переключателя.
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, которое использует батареи, часто содержит диод, который защищает устройство, если вы вставляете батареи задом наперед. Диод просто блокирует выход любого тока из батареи, если он перевернут — это защищает чувствительную электронику в устройстве.
Поведение полупроводникового диода неидеально, как показано на этом графике:
Когда имеет обратное смещение , идеальный диод блокирует весь ток. Настоящий диод пропускает около 10 микроампер — немного, но все же не идеально.А если вы приложите достаточное обратное напряжение (В), соединение разорвется и пропустит ток. Обычно напряжение пробоя намного больше напряжения, чем когда-либо увидит схема, поэтому это не имеет значения.
Когда смещен в прямом направлении , для работы диода требуется небольшое напряжение. В кремнии это напряжение составляет около 0,7 вольт. Это напряжение необходимо для запуска процесса комбинации дырка-электрон на переходе.
Другой важной технологией, связанной с диодом, является транзистор.У транзисторов и диодов много общего.
Транзисторы
Транзистор создается за счет использования трех слоев , а не двух слоев, используемых в диоде. Вы можете создать сэндвич NPN или PNP. Транзистор может действовать как переключатель или усилитель.
Транзистор выглядит как два последовательно соединенных диода. Можно представить, что через транзистор не может протекать ток, потому что диоды, соединенные спиной к спине, блокируют ток в обоих направлениях. И это правда. Однако, когда вы прикладываете небольшой ток к центральному слою сэндвича , через сэндвич в целом может протекать гораздо больший ток.Это дает транзистору поведение переключения . Небольшой ток может включать и выключать больший ток.
Кремниевый чип — это кусок кремния, который может содержать тысячи транзисторов. С транзисторами, действующими как переключатели, вы можете создавать логические вентили, а с логическими вентилями вы можете создавать микропроцессорные микросхемы.
Естественный переход от кремния к легированному кремнию, транзисторам и микросхемам — вот что сделало микропроцессоры и другие электронные устройства такими недорогими и повсеместными в современном обществе.Основные принципы удивительно просты. Чудо — это постоянное совершенствование этих принципов до такой степени, что сегодня десятки миллионов транзисторов можно без больших затрат собрать на одном кристалле.
Для получения дополнительной информации о полупроводниках, диодах, микросхемах и многом другом перейдите по ссылкам на следующей странице.
Первоначально опубликовано: 25 апреля 2001 г.
The Semiconductor Diode, May 1961 Popular Electronics
| Май 1961 Популярная электроника ОглавлениеВоск, ностальгирующий по истории ранней электроники.См. Статьи с Популярная электроника, опубликовано с октября 1954 года по апрель 1985 года. Настоящим подтверждаются все авторские права. |
«Что это за устройства?» «Как они работают?» «Какие их характеристики? »« Как они используются? »Это виды вопросы о полупроводниковых диодах заданы — и даны ответы — в этой статье в выпуске журнала Popular Electronics за 1961 год.Автор Джим Кайл кратко излагает историю диодов и диодов. затем более подробно рассматривается физическая конструкция, I-V кривые, мощность, емкость переходов, сопротивление и т. д. Упомянутый интересный момент заключается в том, что в то время как полупроводник диод будет проводить некоторое конечное количество тока при смещении в обратном направлении (иногда желаемая характеристика), диод вакуумной трубки вообще не будет проводить при обратном смещении — тем самым сделав лампу более совершенным выпрямителем.
Электроника журналы той эпохи опубликовали множество статей о селеновых выпрямителях, в том числе After Class: Работа с селеновыми выпрямителями, Полупроводник Диод, Новый Селеновые выпрямители для домашних ресиверов, Селеновые выпрямители, Применение малых высоковольтных выпрямителей с селеном и с использованием выпрямителей с селеном .
Полупроводниковый диод
Что это такое Как это работает Что это такое
Джим Кайл, KSJKX / 6
Семиэтажная межконтинентальная ракета ревёт ввысь на столб огня.Внутри серебристого гиганта сотни крошечных полупроводниковые диоды контролируют каждое его движение.
Телекамера сфокусирована на мужчине. Миллионы зрителей смотрят. Между мужчиной и миллионами зрителей находятся десятки полупроводниковых диодов — без них телевидение не могло бы не работает.
Более старый, чем само радио, и когда-то считался устаревшим, полупроводник диоды сегодня являются рабочими лошадками электронной промышленности.Они составляют сердце почти всех цифровых компьютеров — гигант электронный мозг, который может предсказать исход выборов или контролировать завод-производитель. Они делают возможным радар. Они обнаруживают радиосигналы, а иногда и генерируют те же самые сигналы.
Что это за устройства? Как они работают? Какие их характеристики? Как они используются?
По сути, ответы просты. Прежде всего, полупроводник. диод — это улица с односторонним движением для электрических токов.Это позволит ток течет свободно в одном направлении, но блокирует он почти полностью в другом. Из-за этой характеристики полупроводниковый диод может выполнять широкий спектр задач и один из наших основных электронных слуг.
Как работает диод
Чтобы понять, как работает полупроводниковый диод, вернемся назад. немного и исследуем само электричество. Электрический ток просто другое название потока электронов — основной электрический заряд найден во всех элементах.Электричество течет, когда электроны переходить от одного атома вещества к другому.
Из некоторых материалов — меди, серебра, алюминия и многих других. металлы — электроны могут легко перемещаться. Эти вещества называется кондукторами.
Из других материалов — стекла, фарфора, твердой резины и многих других. пластмасса — электроны могут двигаться только с большим трудом. На самом деле, только очень немногие электроны могут вообще двигаться в этих вещества, даже находящиеся под большим электрическим давлением; и так течь прохождение электрического тока через них блокируется.Мы называем эти вещества изоляторы.
Между проводниками и изоляторами находится множество материалов, которые не являются ни хорошими проводниками, ни приемлемыми изоляторами. Электроны их атомов могут свободно двигаться, но не так свободно, как в дирижер. Эти вещества известны как полупроводники.
Типы полупроводников. Хотя многие полупроводники существуют (большинство материалов попадают в эту классификацию), только мало используются в электронике.Наиболее широко используются германий, оксид кремния, селена и меди. В прошлые годы галенит (a форма оксида свинца).
Селеновые выпрямители, эксплуатируемые более 25 лет, уступают место кремниевым диодам меньшего размера, таким как диоды Саркеса-Тарциана 1N1083.
Эти полупроводники обладают странным свойством. При определенных условиях электроны могут вытекать из им проще чем в.В других условиях ситуация такова. обратное: электроны входят свободно, но с трудом получают из.
Поскольку это странное свойство проявляется только тогда, когда электроны входят или выходят из полупроводникового материала, это полезно только когда полупроводник находится в контакте с проводником. Этот контакт может быть установлен двумя способами: точечным контактом, в котором полупроводник и проводник контактируют только в одном точка; и поверхностным контактом, при котором они встречаются на широком площадь.У каждого способа есть свои преимущества.
Ранним примером использования точечного контакта является старомодный кристалл. установленный. Изобретен около 1906 года двумя экспериментаторами по имени Х. Х. Данвуди. и Дж. У. Пикарда, это была опора радио почти на протяжении 20 лет. Он состоял из небольшого кусочка кристалла галенита и пружинная проволока «кот-ус». Пользователь переместил кошачий ус по поверхности кристалла до обнаружения чувствительного пятна.
Примером поверхностного контакта является оксид меди. стек, широко используемый как в тестовом оборудовании, так и в телефонной технике. Это устройство, разработанное примерно в 1925 году, состоит из альтернативных дисков. свинца и оксида меди, уложенных лицом к лицу и скрепленных вместе изолированным болтом через центр. Не требует регулировки. Однако технические ограничения ограничивают его использование.
Еще одним примером диодов с поверхностным контактом является современный наросший переход. такие единицы, как 1Н34, так широко используются экспериментаторами.
Электронный поток. На этом этапе давайте сузим поле вплоть до типичного точечного контакта, такого как кристалл установите и посмотрите, что происходит, когда этот полупроводник диод подключается к батарее и счетчику. См. Рис. 1.
Рис. 1. — Измерение тока диода
Когда аккумулятор подключен, его напряжение заставляет электроны соединительного провода в полупроводник, через точка контакта, в проводник, через счетчик и обратно через другой соединительный провод в аккумулятор.
Вы можете видеть, что с батареей, подключенной в одном направлении, электроны вытесняются из полупроводника на контакте точка. Если полярность батареи поменять, электроны будут быть втянутым в полупроводник.
Предположим, что этот диод сделан из полупроводника. скуп на электроны; то есть он принимает электроны легко, но не отпускает их так легко.
Когда аккумулятор подключен в первом направлении, принудительное электронов из полупроводника в точке контакта, полупроводниковый материал демонстрирует большое сопротивление.Только несколько электроны высвобождаются, чтобы пройти через счетчик и обратно к батарее, и поэтому течет только небольшой ток.
Однако, когда аккумулятор перевернут, мы выталкиваем электроны в наш жадный полупроводник, и он с готовностью принимает все, что мы может предложить. Многие электроны движутся через счетчик, или, по-другому, словами, течет большой ток.
Важно только действие в точке контакта; другой электрическое соединение с полупроводниковым материалом покрывает намного большей площади и, поскольку сопротивление пропорционально площади, имеет гораздо меньшее сопротивление.Однако это действительно способствует прямое сопротивление диода, о котором мы поговорим подробнее потом.
Если другой полупроводник — вместо этого щедрый скупой — используется, ситуация будет с точностью до наоборот к тому, что описано выше. Однако диод все равно был бы улица с односторонним движением. Единственная разница в том, что это будет одностороннее в другом направлении.
Это уличное движение с односторонним движением аналогично действию диодной вакуумной лампы, такой как уже знакомый тип 5У4-Г.В В вакуумной трубке тепло, выделяемое в нити накала, вызывает появление электронов. буквально вскипятить его поверхность. Когда пластина трубки становится положительным, электроны текут к нему. Однако, поскольку вроде заряды отталкивают друг друга, электроны не пойдут на пластину когда он отрицательный.
Два недорогих диода заменяют лампу 6AL5, экономия силы нити и пространства.
Рис.2. Электронный поток через диод, катод. к аноду.
Плюсы и минусы. В обоих полупроводниках диода и его собратьев на электронных лампах, ток легко течет в только одно направление. Это свойство делает их полезными при изменении переменный ток к постоянному току, и они широко используются в электронных источниках питания по этой причине.
Большое преимущество полупроводникового диода перед ламповым кузены в том, что полупроводниковая версия не требует тепла перемещать его электроны.Это исключает горячие и энергозатратные нить.
Еще одним преимуществом является меньший размер полупроводников. Типичные полупроводниковые диоды не больше карандаша, и меньше дюйма в длину — по сравнению с диаметром 3/4 дюйма и Длина 1 1/4 дюйма самых маленьких стандартных вакуумных диодов.
Еще одно отличие полупроводникового диода и его кузенов на электронных лампах — но это обычно не рассматривается Плюс — дело в обратном токе.
В полупроводниковом диоде ток легче течет в в одном направлении, чем в другом. Однако в вакуумной лампе версия, ток может течь только в одном направлении. В то время как полупроводник диод похож на улицу с односторонним движением электронов, вакуумный диод больше похож на турникет метро. Вы можете пойти неправильным путем улица с односторонним движением; через турникет нельзя ошибиться.
Хотя это может показаться большим недостатком для полупроводников диод, на практике он обычно не вреден.Современные диоды может пропускать ток в миллион раз больше в одном направлении, чем в другом; небольшое количество электронов, которые попадают неправильный способ практически не влияет на работу диода.
Поскольку точечный диод — самый старый тип, стандартный схематическое обозначение полупроводникового диода основано на нем. Видеть Рис. 2.
Независимо от того, скуп на полупроводник или нет с электронами стрелка символа указывает против потока движения на нашей улице с односторонним движением.Эта запутанная ситуация возникла о в более ранние годы, до того, как ученые узнали так много про диод, как они знают сегодня. Исходное направление для стрелка была выбрана произвольно, а символ находился в использовать в течение некоторого времени, прежде чем они обнаружили, что стрелка указывала неправильный путь!
Характеристики
Основным свойством полупроводникового диода является то, что он легко пропускать ток в одном направлении и позволит только небольшое количество тока, протекающего в обратном направлении.Легкое течение направление обычно называют вперед, а другое направление, вполне естественно, называется обратным.
Текущий. Одна из основных характеристик, по которой эти Номинальные диоды — это величина тока, которую устройство будет пропустить в каждом направлении. Рейтинги указаны в терминах прямого тока и обратного тока. Прямой ток, т.е. ток, идущий в легком направлении, всегда больше два.Часто прямой ток измеряется сотнями. миллиампер, а обратный ток выражается в микроамперах.
Еще один способ взглянуть на эти диоды — изучить их сопротивление. Поскольку сопротивление (в Ом) равно приложенному напряжение, деленное на ток (в амперах), протекающий через цепи, вы можете видеть, что сопротивление в прямом направлении намного ниже сопротивления в обратном направлении.В более распространенный способ сформулировать это — сказать, что прямое сопротивление полупроводникового диода низкое при обратном или обратном сопротивлении в приоритете.
Сопротивление. Однако полупроводниковые диоды имеют необычную характеристику сопротивления. Их сопротивление изменяется в зависимости от приложенного к ним напряжения. В низкие напряжения, высокое прямое сопротивление; при более высоких напряжениях, он падает. С другой стороны, обратное сопротивление чрезвычайно велико. высокий при низких напряжениях, но падает до нуля или даже показывает отрицательный характеристики в некоторой критической точке при увеличении напряжения.
Критическая точка, при которой обратное сопротивление имеет тенденцию исчезать называется пиковым обратным напряжением диода (обычно сокращенно PIV) и является ключевой характеристикой выпрямителей мощности.
Инженеры называют характеристикой сопротивления полупроводника. диод нелинейный, потому что построенная линия на графике сравнения напряжение по отношению к току отображается как кривая вместо прямой линия. Нелинейное сопротивление полупроводникового диода составляет он полезен как детектор, как микшер и как модулятор; тем не мение, нелинейное сопротивление также затрудняет определение любая другая характеристика диода.Например, вакуумный диод может быть рассчитан на ток 300 миллиампер, и это будет быть верным при любом напряжении. Прежде чем полупроводниковый диод можно будет номинальный, однако необходимо указать напряжение.
То же самое и с крайне важным обратным сопротивлением. рейтинг. Один и тот же диод может иметь обратное сопротивление равное единице. мегаом, менее ома или даже отрицательные 100 ом, в зависимости от полностью зависит от напряжения, при котором снимаются показания.
Напряжение. Все характеристики диода, следовательно, даны в единицах тока при некотором заданном напряжении. Другой производители используют разное напряжение и усложняют ситуацию более того, некоторые фирмы оценивают разные диоды при разном напряжении. Это позволяет сравнивать два диода на основе номинальных характеристик, почти невозможно, если оба не оцениваются в одинаковых условиях.
Рис.3. — ВАХ полупроводникового диода.
Однако производители диодов поставляют еще один предмет, который поможет избежать этой проблемы — характерная кривая диод. См. Рис. 3.
Вертикальная шкала на рис. 3 показывает ток; горизонтальный шкала, напряжение. Обратите внимание, что прямые напряжения и токи выражены в более крупных единицах, чем обратные значения; это принято при составлении характеристических кривых диодов.
С помощью набора характеристических кривых можно определить характеристики диода в любой рабочей точке. Просто посмотри увеличьте текущее значение для напряжения, которое вы собираетесь использовать, и определить сопротивление, используя закон Ома. Чтобы сравнить два разные диоды, сравните форму кривых.
Силовые выпрямительные диоды комплектуются винтовые шпильки для крепления к радиаторам.Показанная здесь единица оценена на 70 ампер.
Смещение. Термин, заслуживающий упоминания здесь, поскольку вы часто слышите это при работе с полупроводниками диоды, стоит смещение. Смещение состоит из напряжения, приложенного к диоду. чтобы заставить его работать в желаемой дизайнером точке. Если приложенное напряжение вызывает протекание прямого тока, это называется прямое смещение. Если применяется в обратном направлении, термин обратное смещение.Диод, на который подается такое напряжение считается предвзятым.
В дополнение к основным характеристикам, которые мы рассмотрели пока — прямой ток, обратный ток, прямое сопротивление, обратное сопротивление и пиковое обратное напряжение — полупроводник У диодов есть еще две важные характеристики. Они тепловые характеристики и емкость диодов.
Температура. «Тепловая характеристика» просто это причудливый способ сказать, «как тепло влияет на диод.»Мы заявили раньше, чем в электронном диоде кипели электроны. с нити накаливания. На самом деле тепло увеличивает подвижность всех электронов, что-то вроде попкорна на горячей плите. В при высоких температурах электроны движутся более свободно.
До определенного момента тепло мало влияет на полупроводник диод. Хотя обратный ток немного увеличивается, прямой ток увеличивается в той же пропорции. При критической температуре однако кристаллическая структура разрушается, и ток течет так же свободно в любом направлении.Некоторые диоды восстанавливаются при они остывают, а другие разоряются навсегда.
Производитель обычно оценивает свой продукт для использования в определенный температурный диапазон, а этот диапазон, как правило, далеко выше температуры, при которой вы, вероятно, будете использовать это (типичный рабочий диапазон от 40 градусов ниже нуля до 300 градусов выше). Однако, если передается чрезмерный ток через диод в любом направлении, он может нагреваться — внутри — до точки, намного превышающей критическую температуру пробоя.Этот является наиболее частой причиной выхода из строя диодов.
Емкость. Последняя важная характеристика — емкость диода. Конденсатор по определению состоит из двух проводников, разделенных диэлектриком. Таким образом, полупроводник сам материал может быть диэлектриком конденсатора, пластины которого являются проводниками с обеих сторон.
На самом деле, как говорят нам физики, большинство полупроводниковых диодов показать большую емкость, чем мы ожидали, из-за чего-то называется барьерным эффектом.Это функция применяемого Напряжение. В результате емкость полупроводникового диода изменяется с напряжением аналогично диодному сопротивление.
Эта емкость мало влияет на прямое сопротивление. или прямой ток, так как диод проводит и емкость закорочено. Однако емкость диода может иметь значение. когда диод не проводит, так как емкость будет пропускают переменные токи очень высокой частоты.
У большинства полупроводниковых диодов емкость составляет примерно от 3 до 5 мкФ. Эти диоды созданы специально для использования в частоты радаров имеют еще меньшую емкость.
Как используются диоды
Какое практическое применение имеет односторонний полупроводниковый диод? имущество? Одно из наиболее очевидных приложений — изменение переменный ток в постоянный, например, в приемнике источник питания.Диод просто подключается последовательно с переменный ток идущий от трансформатора. Те полупериоды, которые составляют прямое напряжение проходит через диод в цепь фильтра, при этом полупериоды обратного напряжения блокируются.
Рис. 4. — Полупериодный диодный выпрямитель.
Полупериодный выпрямитель. Схема на рис. 4, называемый полуволновым выпрямителем, является самым простым из возможных, но это вряд ли самый эффективный.Половина переменного тока власть не использовал. Однако, подключив три дополнительных диода в «мостовая» схема, полупериоды переменного тока противоположной полярности. можно повернуть в нужном направлении так, чтобы обе половины каждого цикла, но мощность, подаваемая на фильтр постоянный ток. См. Рис. 5.
Когда напряжение в точке A на рис. 5 положительное, напряжение в точке B будет отрицательным, так как напряжение питания переменное.Электроны текут из точки B через диод D2 к фильтру. и цепи нагрузки, и заблокированы на D3 и D4, так как их обратное сопротивление высокое. От нагрузки и фильтра электроны вернуться через диод D1 в точку А.
В другом полупериоде электроны текут из точки А через диод D4 к фильтру — блокируется на диодах D1 и D2 обратное сопротивление — затем вернитесь в точку B через D3.
Рис.5. — Двухполупериодный диодный выпрямитель.
Популярны другие выпрямительные схемы, в которых используется более одного диода. Они включают в себя умножители напряжения, позволяющие получить до 1000 вольт постоянного тока от 117-вольтовой сети линия без трансформаторов, цепи с двойным напряжением, которые обеспечить два разных постоянного напряжения от одного трансформатора, и схемы питания смещения, которые могут быть приспособлены к менее больше, чем обычный ламповый выпрямитель.
Полупроводниковый диод, наиболее широко используемый для питания. выпрямители — это селеновый стек. Однако кремниевый переход диоды, способные выдерживать ток в четыре-пять раз превышающий стек селена в одной десятой пространства быстро становится популярный.
Детектор диодный. Полупроводниковый диод также находит широкое применение в радиоприемниках, телевизорах, радарах, и испытательное оборудование, как детектор р.f. власть.
Схема диодного детектора идентична схеме однополупериодный выпрямитель — он содержит источник питания, диод и нагрузка, все подключены последовательно. Однако операция немного отличается.
Малые полупроводниковые диоды имеют аксиальные выводы, устранение необходимости в розетках.
Во время каждого цикла р.ф. энергия, диод пропускает ток проходить в прямом направлении, но блокирует обратный поток Текущий.Ток, текущий в прямом направлении, производит падение напряжения на нагрузочном резисторе параллельно с конденсатор малой емкости. Если сила р.ф. сила изменяя, постоянный ток напряжение на нагрузочном резисторе изменится с той же скоростью. И если это изменение происходит на звуковой частоте, напряжение на нагрузочном резисторе будет изменяться при той же a.f. темп.
Средняя сила постоянного тока. напряжение на детекторе нагрузочный резистор пропорционален средней силе р.f. напряжение, приложенное к цепи. В радиоприемниках это эффект используется для обеспечения автоматической регулировки громкости, а в испытательное оборудование используется для измерения р.ф. с обычным Округ Колумбия. вольтметр.
Ламповые диоды, работающие аналогичным образом, могут использоваться для этих целей на умеренно высоких частотах. Тем не мение, на чрезвычайно высоких частотах, используемых в радарах, они не могут работает должным образом. Здесь полупроводниковый диод очень низкий емкость делает его единственным применимым детектором.
Рис. 6. — Диод И затвор.
Компьютерные схемы. Несколькими абзацами ранее, мы познакомились со схемой мостового выпрямителя и увидели, как полупроводник диод был способен направлять входящий сигнал в один из несколько направлений. Это свойство широко используется в компьютерных схемотехника, где правильная комбинация диодов действительно может принимать логичные решения.
Базовая схема этого типа показана на рис. 6. Эта схема исключительно разборчивый — будет выдавать только выходной сигнал если вы подаете ему сигналы на оба его входа. Если вы дадите это сигнал только на одном из входных терминалов, он ничего не производит. Это называется логической схемой «И», поскольку она должна иметь оба сигнал A и сигнал B для обеспечения выхода. Другой способ поставить это означает, что схема должна решить, будут ли оба входа присутствуют до принятия решения о создании вывода.
При отсутствии входных сигналов оба диода смещены. прямое направление положительным напряжением через R2; R1’s значение намного меньше, чем у R2, поэтому выход почти нуль. При подаче положительного входного сигнала на A или B но не на оба, диод без входного сигнала все равно закорачивает напряжение с R2 через R1 на землю, и выход не создается. Однако с положительными входными сигналами, подаваемыми как на A, так и на B при этом оба диода смещены в обратном направлении.Ток через R2 соответствует высокому обратному сопротивлению диоды, и, как следствие, шунтируется через выходную цепь.
Типичные значения для R1 и R2 — 10 Ом и 10 000 Ом, соответственно. Источник напряжения обычно около 12 вольт.
Подобные схемы используются для выработки выходов, если сигнал применяется к любому входу; для разработки вывода, если сигнал применяется к любому входу, но не к обоим; и развивать производство всегда, кроме случаев, когда сигнал подается на оба входа.
Подобные схемы составляют основу многих гигантских компьютеры. Каждая схема достаточно проста, но типичный компьютер может содержать буквально тысячи из них. Полупроводниковый диод делает это возможным; если бы вы попробовали использовать вакуумные диоды на его месте вы обнаружите, что требования к мощности нити накала в одиночку может подняться до сотен киловатт!
Автоматический ограничитель шума. Другое использование «стробирующая» способность полупроводникового диода находится в автоматическом ограничитель шума, который можно найти во многих радиоприемниках любительского типа. Цель ограничителя шума, чтобы направить желаемые аудиосигналы на громкоговоритель, и блокировать любые всплески шума, вызванные прохождением автомобили или статические удары о землю.
Рис. 7. — Диодный ограничитель шума.
Хотя существуют десятки схем шумоподавления, изображенный на рис.7 — один из самых простых и необычайно эффективных от многих типов шума.
Без шума ограничительный диод смещен в прямом направлении Округ Колумбия. напряжение, развиваемое на резисторе нагрузки детектора, и он проводит до тех пор, пока конденсатор не зарядится до значения этого Напряжение. В этот момент смещение на диоде-ограничителе падает. до нуля.
Помните, что когда мы обсуждали нелинейное сопротивление диода, мы обнаружили, что он имеет высокое прямое сопротивление при низком напряжения, а низкое сопротивление при более высоких напряжениях? Без шума, и, следовательно, отсутствие смещения, сопротивление диода высокое и конденсатор фактически вне звуковой цепи.
Однако, когда шумовой импульс — напряжение которого намного выше чем средний сигнал — приходит, картина меняется. Диод еще раз смещается в точку с низким сопротивлением, и стробирует шумовой импульс через конденсатор на землю. Как только по истечении импульса сопротивление диода возвращается в норму. высокое значение.
Смесители. Полупроводниковые диоды также широко используются в качестве смесителей в сверхвысокочастотных приемниках, такие как комплекты радаров и микроволновых реле.В этом приложении они превосходят любую доступную лампу. Фактически, большая часть прогресса что отделяет сегодняшние полупроводниковые диоды от древних набор кристаллов можно проследить до Второй мировой войны, когда диод для использования в РЛС в качестве смесительного элемента.
Полное объяснение этой формы работы диода требует страницы математических уравнений; в упрощенном виде это как это работает:
Диод подключается к антенне комплекта, и также подключен к гетеродину, частота которого разделена от входящего сигнала на небольшую желаемую величину.Сигналы, идущие от антенны, смешиваются в диоде с теми от гетеродина.
Выход диода, как видите, будет состоять из импульсов постоянный ток, возникающий в каждом полупериоде антенного сигнала, и другие импульсы каждые полупериод сигнала гетеродина. В дополнение, однако, создаются два новых сигнала. Их частоты равны сумме и разности антенны и гетеродина сигналов, и их сила пропорциональна произведению два входных сигнала.
Поскольку только входящий антенный сигнал изменяется по силе, разностный сигнал будет копией антенного сигнала но с меньшей частотой. Таким образом, хитрый СВЧ-сигнал преобразуется в сигнал более низкой частоты, который можно обрабатывать более обычными способами.
Полупроводниковые диоды превосходны в качестве СВЧ-смесителей благодаря их чрезвычайно низкая емкость. Другие типы смесительных контуров не работают на частотах выше примерно 900 Мегациклов, но смесители на полупроводниковых диодах продолжают работать до 30 000 mc., а некоторые новые типы обещают работать на еще более высоких частотах.
Особое использование. Многие схемы специального назначения были разработаны на основе полупроводниковых диодов. Телефонные инженеры использовать диоды в качестве модуляторов, используя нелинейное сопротивление. При определенных условиях сопротивление диода может стать равным отрицательный — и его потом можно использовать как осциллятор. Под другим в условиях, емкость диода может изменяться в очень широких пределах. быстрый темп — и это приводит к «параметрическому усилителю», который делает возможной связь при отражении луны и радиолокационном контакте с далеких планет.
Упаковка диодов в трубные корпуса разрешает замена выпрямителей 5U4, 5W4, 5Y3, 6X4 и др. Картридж-гильза диоды используются в новых телевизорах.
Диоды «специальные». Многочисленные применения, которые мы перечислили пока для полупроводникового диода едва начинают показывать разнообразие работ, к которым привязана эта электронная рабочая лошадка ежедневно. В дополнение к обычным диодам, которые мы обсуждали, существуют десятки «специальных» диодов, у которых одна характеристика или другое подчеркнуто, и разрабатываются все новые типы каждый месяц.
К таким «особым» диодам можно отнести туннельный диод, который работает со скоростью, близкой к скорости света; стабилитрон, который может регулировать напряжение так же, как трубка VR; и конденсатор с переменным напряжением, который на самом деле является диодом.
Да, полупроводниковый диод прошел долгий путь с тех пор, как его первоначальное открытие в 1874 году, за 13 лет до доктора Генриха. Герц открыл само радио.Из примитивного набора кристаллов и стопки сырого оксида меди через микроволновую печь в герметичном корпусе. смесители времен Второй мировой войны и в эпоху переходных диодов (объявлено в 1948 г.), это был один из самых основных, наиболее полезны и наименее понятны из наших электронных слуг. Затененный в начале 1920-х годов его более крупным и горячим соперником, вакуумом трубки, полупроводниковый диод только сейчас возвращает себе место — как улица с односторонним движением электронов.
Опубликовано: 1 июня, 2014
P-N переходный полупроводниковый диод — Диод
Что такое полупроводниковый диод с p-n переходом?
А
диод с p-n переходом — двухполюсный или двухэлектродный полупроводниковый прибор,
который пропускает электрический ток только в одном направлении
в то время как блокирует электрический ток в обратном или обратном направлении
направление.Если диод смещен в прямом направлении, это позволяет
электрический ток. С другой стороны, если диод
с обратным смещением, он блокирует прохождение электрического тока.
P-N
переходный 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, отверстия являются основными носителями заряда.Когда n-тип полупроводник соединен с полупроводником p-типа, p-n стык образуется. P-n переход, который образуется при соединении полупроводников p-типа и n-типа называется p-n переходным диодом.
П-П переходной диод изготовлен из полупроводниковых материалов. такие как кремний, германий и арсенид галлия.Для при разработке диодов кремний более предпочтителен, чем германий. Диоды на p-n-переходе из кремния полупроводники работают при более высоких температурах по сравнению с с диодами p-n-перехода из германия полупроводники.
основной символ p-n-переходного диода при прямом смещении и Обратное смещение показано на рисунке
ниже.В На рисунке выше стрелка диода указывает на условное направление электрического тока, когда диод смещен в прямом направлении (от положительной клеммы к отрицательная клемма).Отверстия, которые движутся от положительного клемма (анод) к отрицательной клемме (катод) условное направление тока.
Свободные электроны, движущиеся от отрицательной клеммы (катод) к положительной клемме (анод) на самом деле переносят электрический ток. Однако из-за условию мы должны предположить, что текущее направление от положительной клеммы к отрицательной.
Смещение полупроводниковый диод p-n переход
процесс подачи внешнего напряжения на p-n переход полупроводниковый диод называется подмагничивающим. Внешнее напряжение на диод с p-n переходом применяется любым из двух способов: прямое смещение или обратное смещение.
Если
диод p-n-перехода смещен в прямом направлении, это позволяет
электрический ток.В условиях прямого смещения
Полупроводник p-типа подключается к положительной клемме
батареи тогда как; полупроводник n-типа подключен к
отрицательный полюс аккумуляторной батареи.
Если диод p-n перехода имеет обратное смещение, он блокирует электрический ток. В условиях обратного смещения Полупроводник p-типа подключается к отрицательной клемме батареи тогда как; полупроводник n-типа подключен к положительный полюс аккумуляторной батареи.
Клеммы pn переходного диода
Как правило, Терминал относится к точке или месту, в котором любой объект начинается или заканчивается. Например, автовокзал или конечная остановка — это место, в котором все автобусы начинаются или заканчиваются. Точно так же в диод с p-n переходом, клемма означает точку, в которой носители заряда начинается или заканчивается.
П-н переходной диод состоит из двух выводов: положительного и отрицательный.В положительный полюс, все свободные электроны закончатся, и все отверстия начнутся, тогда как на отрицательной клемме все свободные электроны начнутся, и все дырки закончатся.
-
Терминалы диода при прямом смещении
В диод с прямым смещением p-n перехода (p-тип подключен к положительный терминал и n-тип подключен к отрицательному клемма), клемма анода является положительной клеммой, тогда как катодная клемма — отрицательная клемма.
Анод клемма — положительно заряженный электрод или проводник, который поставляет отверстия в p-n переход. Другими словами, анодный или анодный вывод или положительный вывод является источником положительных носителей заряда (дырок) положительный заряд носители (отверстия) начинают свой путь от анодного терминала и проходит через диод и заканчивается на катодном выводе.
Катод отрицательно заряженный электрод или проводник, который поставляет свободные электроны в p-n переход. Другими словами, катодный вывод или отрицательный вывод является источником свободного электроны, отрицательные носители заряда (свободные электроны) начинает свое путешествие с катодного терминала и проходит через диод и заканчивается на анодном выводе.
свободные электроны притягиваются к анодному выводу или
положительный вывод, а отверстия притягиваются к
катодный вывод или отрицательный вывод.
-
Терминалы диода при обратном смещении
Если диод имеет обратное смещение (p-тип подключен к отрицательному клемма и n-тип, подключенный к положительной клемме), клемма анода становится отрицательной клеммой, тогда как катодная клемма становится положительной клеммой.
Анод клемма или отрицательная клемма поставляет свободные электроны на p-n переход. Другими словами, анодный вывод — это источник свободных электронов, свободные электроны начинают свой путь на отрицательном или анодном выводе и заполняет большое количество дырки в полупроводнике p-типа. Отверстия в р-образном полупроводник притягивается к отрицательному выводу.Свободные электроны с отрицательной клеммы не могут двигаться к положительной клемме, потому что широкое истощение область на p-n-переходе сопротивляется или противодействует потоку свободные электроны.
Катод терминал или положительный терминал обеспечивает отверстия для p-n соединение. Другими словами, катодный вывод является источником дыры, дыры начинают свой путь на положительном или катодном терминал и занимает позицию электронов в n-типе полупроводник.Свободные электроны в n-типе полупроводник притягивается к положительному выводу. Отверстия от положительного вывода не могут двигаться в сторону отрицательная клемма, потому что широкая область истощения на p-n переход препятствует потоку дырок.
Кремний и германиевые полупроводниковые диоды
- Для при разработке диодов кремний более предпочтителен, чем германий.
- г.
Диоды с p-n переходом из кремниевых полупроводников работают
при более высокой температуре, чем германиевый полупроводник
диоды.
- Нападающий
напряжение смещения для кремниевого полупроводникового диода составляет
примерно 0,7 вольт, тогда как для германия
полупроводниковый диод примерно
0.3 вольта.
- Кремний полупроводниковые диоды не пропускают электрический ток расход, если напряжение на кремниевом диоде меньше чем 0,7 вольт.
- Кремний полупроводник диоды начинают пропускать ток, если напряжение приложенный на диоде достигает 0,7 вольт.
- Германий
полупроводниковые диоды не пропускают электрический ток
потока, если напряжение, приложенное к германиевому диоду, равно
меньше 0.3 вольта.
- Германий
полупроводниковые диоды начинают пропускать ток, если
напряжение на германиевом диоде достигает 0,3
вольт.
- г. Стоимость кремниевых полупроводников невысока по сравнению с германиевые полупроводники.
Преимущества диода p-n перехода
П-н переходной диод — самая простая форма из всех полупроводниковых устройств.Однако диоды играют важную роль во многих электронные устройства.
Типы, свойства, подготовка, P-N переходы и механизмы разрушения
В этой статье мы обсудим: — 1. Типы полупроводников 2. Свойства важных полупроводников 3. Подготовка полупроводниковых материалов 4. Подготовка полупроводникового диода с PN-переходом 5. Полупроводниковый диод с PN-переходом с открытым контуром 6. Расположение прямого смещения 7 .Устройство с обратным смещением 8. Характеристики 9. Статическое и динамическое сопротивление 10. Механизмы пробоя.
Состав:
- Типы полупроводников
- Свойства важных полупроводников
- Подготовка полупроводниковых материалов
- Подготовка P-N переходов Полупроводниковый диод
- Полупроводниковый диод с разомкнутым P-N переходом
- Расположение прямого смещения полупроводникового диода
- Расположение обратного смещения полупроводникового диода
- Характеристики полупроводникового диода
- Статическое и динамическое сопротивление полупроводникового диода
- Механизмы пробоя полупроводниковых диодов
1.Типы полупроводников:
Полупроводники типа N и P:
Единственными носителями тока в собственном полупроводнике (например, чистом кремнии) являются пары электрон-дырка. В большинстве случаев они не производят полезный ток. Под термином легирование мы подразумеваем добавление примесных атомов в кристалл, так что количество электронов или дырок в зоне проводимости увеличивается. Когда кристалл легирован, он становится сторонним полупроводником.
Пятивалентные атомы, такие как мышьяк, сурьма, фосфор и т. Д., имея пять электронов на валентной орбите при добавлении к чистому кристаллу кремния, получают дополнительные электроны зоны проводимости. После образования ковалентных связей с четырьмя соседями у центрального атома остается дополнительный электрон, который перемещается по орбите зоны проводимости. Это показано на рис. 1.14 (а).
Так как каждый пятивалентный атом вносит один электрон зоны проводимости, мы можем заключить, что электроны зоны проводимости можно контролировать с помощью количества добавленной примеси. Кремний, легированный таким образом пятивалентным атомом, называется полупроводником N-типа.На рис. 1.14 (b) показана энергетическая диаграмма полупроводника N-типа. На рисунке в валентной зоне несколько дырок, а в зоне проводимости много электронов.
Когда кристалл легирован трехвалентным атомом, таким как алюминий, бор, галлий и т. Д., Мы можем получить дополнительное отверстие. После добавления трехвалентного атома к чистому кристаллу кремния, как показано на рис. 1.15 (а), мы обнаруживаем, что в каждом трехвалентном атоме появляется одна дырка. Контролируя количество добавляемой примеси, можно контролировать количество дырок в легированном кристалле.
Кремний, легированный таким образом трехвалентным атомом, называется полупроводником P-типа. На рис. 1.15 (b) показана энергетическая диаграмма полупроводника P-типа. На рисунке валентная зона имеет много дырок, а зона проводимости — несколько электронов.
2. Свойства важных полупроводников
:Среди всех полупроводников наиболее изучены элементы германий (Ge) и кремний (Si).Они четырехвалентны и принадлежат к группе IV периодической таблицы, состоящей из углерода, кремния, германия, олова и свинца. Все эти элементы являются кристаллическими в структуре решетки алмаза.
Недавно было исследовано также арсенид галлия (GaAs). Он образован из элементов III и V групп периодической таблицы и так назван соединением III-V. Он кристаллизуется в решетчатой структуре цинковой обманки.
3. Подготовка полупроводниковых материалов
:Для использования германия и кремния в диодах требуется очень высокая степень очистки.Из этих двух очистить германий легче, чем кремний.
В промышленных масштабах германий получают в виде диоксида германия (GeO 2 ). Он восстанавливается до порошка германия при 650 ° C в контролируемой атмосфере водорода. В атмосфере инертного газа, если его нагреть выше точки плавления (936 ° C), материал может быть получен в поликристаллической форме.
Кроме того, очистка производится с помощью процесса зонной плавки, который основан на том принципе, что при медленном затвердевании расплавленного полупроводника большая часть примесей остается в жидкой фазе.Они будут подметены до конца, который затвердеет в последнюю очередь. Полупроводниковый стержень, подлежащий очистке, хранится в графитовой лодочке, а затем медленно протягивается через серию катушек индукционного нагрева.
Когда стержень медленно перемещается справа налево по кварцевой трубке, имеющей несколько зон нагрева индукционной катушки, примеси останутся в жидкой зоне. В конечном итоге они концентрируются на правом конце полосы, которую можно отрезать для отбраковки. Расплавленные зоны удаляются со скоростью от половины до нескольких десятых сантиметра в минуту, чтобы примеси не задерживались на границе раздела перекристаллизованных твердых тел.Для увеличения примеси до желаемой степени процесс повторяется несколько раз.
Кремний имеет хорошие полупроводниковые характеристики примерно до 200 ° C. Это контрастирует с германием, который не работает как полупроводник при температуре выше 100 ° C. Но из-за большой растворимости в кремнии других материалов его очистка слишком сложна и дорога. Под действием хлора на нагретую смесь кремнезема (песка) и углерода можно получить тетрахлорид кремния.
Затем его восстанавливают цинком, затем водородом и другими восстановителями до чистоты 99.9%. В конце химической очистки применяется процесс зональной очистки для уменьшения содержания примесей до 1 части на 10 10 или ветвей.
Для изготовления диодов (или транзисторов) используются большие монокристаллы, которые выращивают путем прикосновения небольшого затравочного кристалла к поверхности расплавленного полупроводникового материала и затем его медленного извлечения в виде новых кристаллических решеток. Типичная схема выращивания кристаллов показана на рис. 1.17, где на рис. 1.17 (а) показано устройство для выращивания большого монокристалла, а на рис.1.17 (б) показывает поперечное сечение границы раздела кристалл-расплав. Температура расплава точно контролируется методом индукционного нагрева. Можно формировать чередующиеся области полупроводников N- и P-типа в одном кристалле путем попеременного легирования расплава примесями N- и P-типа.
Выращенные таким образом кристаллы разрезаются алмазной пилой на небольшие пластинки, поверхность каждой из которых полируется и протравливается кислотами.
4.Подготовка P-N переходов Полупроводниковый диод :
P-N-переходы получают переходом от P- к N-типу, который происходит внутри монокристалла. Обычно соединения выполняются тремя разными способами.
Это:
(i) Метод выращенных соединений,
(ii) Метод соединения сплава и
(iii) Метод диффузного перехода.
(i) Метод выращивания соединений:
В этом методе, прежде всего, кристалл германия (или кремния) легируется очень небольшим количеством примеси P-типа.N-материал Затем примесь N-типа добавляется в подходящий момент в достаточном количестве. Таким образом получают монокристалл с переходом между P- и N-материалом, функции, сформированные таким образом, имеют относительно постепенный переход от P к N и обычно классифицируются как «ступенчатые» переходы. После приготовления кристалл разрезается на стержни по длине, поверхность каждого стержня полируется и протравливается. Затем стержень устанавливается и герметизируется в корпусе.
ii.Метод соединения сплава:
Плавкие переходы или переходы из сплава чаще всего используются из-за их простоты. В первую очередь выбирается пластина для основы и обрабатывается поверхность. Кусок материала противоположной примеси удерживается на поверхности, и пластина нагревается. Для германия N-типа можно использовать паллету или точку индия для образования соединения. Для этого температуру повышают примерно до 900 ° C на минуту или около того.
При нагревании индиевый поддон плавится и растворяет германий с образованием сплава.По окончании нагрева жидкость начинает затвердевать. Полученный таким образом переход имеет очень узкий переход от N- к P-типу. Это обычно классифицируется как «резкое» соединение и в значительной степени зависит от цикла время-температура.
iii. Метод диффузного перехода:
В этом методе одна поверхность плиты материала того типа, который будет использоваться для основы, подвергается воздействию газовой примеси противоположного типа. Затем плита нагревается до высокой температуры.Газообразная примесь медленно диффундирует к поверхности, концентрация которой максимальна у поверхности и экспоненциально убывает внутрь. Таким образом, непосредственно под поверхностью образуется соединение P-N. Этот метод оказался очень полезным для изготовления солнечных элементов.
5. Разомкнутый P-N переход
Полупроводниковый диод:В диодах с P-N переходом выпрямляющее действие происходит в пограничном слое между материалами P-типа и N-типа.На рис. 1.21 (a) показан переходной диод, в котором на стороне P много дырок, а на стороне N — много электронов в зоне проводимости. На практике, однако, существует несколько электронов зоны проводимости на P-стороне и несколько дырок на N-стороне (на рисунке не показаны). Диод на рисунке называется несмещенным, что означает, что на него не подавалось внешнее напряжение.
а. Слой истощения:
Из-за отталкивания друг друга электроны на N-стороне имеют тенденцию диффундировать во всех направлениях.Электроны, которые диффундируют через переход и попадают в P-область, становятся неосновными носителями. С таким количеством дырок вокруг неосновного электрона он получает короткое время жизни, поскольку сразу после входа в P-область электрон попадает в дырку. В результате дырка исчезает, и электрон зоны проводимости становится валентным электроном.
Каждый раз, когда электрон диффундирует через соединение, образуя пару ионов. Рис. 1.21 (b) показывает эти ионы по обе стороны от перехода. Из-за ковалентной связи ионы закреплены в кристаллической структуре и не могут перемещаться, как электроны или дырки в зоне проводимости.На рисунке кружки со знаком плюс — положительные ионы, а кружки со знаком минус — отрицательные.
Каждая пара положительных и отрицательных ионов называется диполем. Таким образом, создание диполя означает, что один электрон зоны проводимости и одна дырка выведены из обращения. С образованием диполей область вблизи стыка освобождается от подвижных зарядов. Эта область без заряда называется обедненным слоем.
б.Барьерный потенциал:
Каждый диполь имеет электрическое поле. Направление силы положительного заряда. Итак, когда электрон попадает в обедненный слой, поле пытается вытолкнуть электрон обратно в N-область. Сила поля увеличивается с каждым пересечением электрона до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие.
В то же время нужно включить и миноритарных перевозчиков. На P-стороне имеется несколько электронов зоны проводимости, образовавшихся термически. Те, что находятся внутри слоя истощения, выталкиваются полем в N-область.Это немного снижает напряженность поля и позволяет нескольким основным носителям рассеиваться справа налево, чтобы восстановить исходную напряженность поля.
Поле между ионами на рис. 1.21 (b) эквивалентно разности потенциалов, известной как барьерный потенциал. При температуре 25 ° C потенциал барьера становится примерно 0,3 В для германиевых диодов и 0,7 В для кремниевых диодов.
Значение барьерного потенциала изменяется в зависимости от температуры на стыке.С повышением температуры создается большее количество электронно-дырочных пар. Как следствие, дрейф неосновных носителей заряда через переход увеличивается, и, следовательно, равновесие наступает при немного более низком барьерном потенциале. Экспериментально было обнаружено, что на каждый градус повышения температуры по Цельсию потенциал барьера уменьшается на 2 мВ, что математически можно записать как —
.∆V = — 0,002 ∆T.… (1,2)
Уравнение (1.2) удобно использовать для определения влияния изменения температуры на диодные (или транзисторные) схемы.
6. Прямое смещение
Расположение полупроводникового диода:Если отрицательная клемма постоянного тока Источник подключается через материал диода N-типа, а положительный вывод — к P-типу, тогда это соединение называется схемой прямого смещения. Такое расположение показано на рис. 1.23. Здесь постоянный ток. источник создает электрическое поле, которое противодействует полю обедненного слоя. Таким образом, он подталкивает электроны и дырки к стыку и, следовательно, деионизирует края обедненного слоя.Это сужает слой истощения. С увеличением внешнего напряжения обедненный слой сужается.
По мере того, как электроны зоны проводимости движутся к стыку, они оставляют положительно заряженные атомы. Поэтому правый конец кристалла становится слегка положительным. Эти положительно заряженные атомы втягивают электроны в кристалл с отрицательного вывода постоянного тока. источник.
То, что происходит с электроном, можно резюмировать в следующие несколько шагов:
и.После выхода из отрицательной клеммы постоянного тока источник, он входит в правый конец кристалла.
ii. Он движется через N-область как электрон зоны проводимости.
iii. Вблизи перехода он рекомбинирует и становится валентным электроном.
iv. Он движется через P-область как валентный электрон.
v. Покинув левый конец кристалла, он следует в положительную клемму источника.
Прямое смещение снижает энергетический холм.Положение, в котором происходит рекомбинация, не имеет значения; результат такой же. Поток электронов зоны проводимости направляется к переходу и попадает в дырки рядом с ним. Когда электрон падает в дыру, он испускает энергию в виде тепла, света и т. Д. Захваченные электроны, теперь валентные электроны, движутся влево постоянным потоком через дырки в P-области. Таким образом достигается непрерывный поток электронов через диод.
7.Обратное смещение
Расположение полупроводникового диода:Если положительный полюс постоянного тока Источник подключается через материал диода N-типа, а отрицательная клемма — к P-типу, тогда соединение называется схемой обратного смещения. Такое расположение показано на рис. 1.25. Здесь поле, создаваемое внешним источником, направлено в том же направлении, что и поле обедненного слоя. Таким образом, дырки и электроны движутся к концам кристалла, то есть от стыка.
Текущие электроны оставляют положительные ионы, а дырки оставляют отрицательные ионы, в результате чего слой обеднения становится шире. Вновь образованные ионы увеличивают разность потенциалов в обедненном слое. Чем шире слой истощения, тем больше разность потенциалов. Слой обеднения не будет расти дальше, когда разность потенциалов станет равной приложенному обратному напряжению.
Даже после того, как слой обеднения осядет, по обе стороны от перехода существует несколько неосновных носителей, большинство из которых рекомбинируют с основными носителями.Однако внутри слоя истощения они могут жить долгое время, чтобы пересечь соединение. На самом деле во внешней цепи течет небольшой ток. Эту идею можно пояснить, рассматривая Рис. 1.25 (b).
Как только электронно-дырочная пара создается внутри обедненного слоя, поле обедненного слоя толкает электрон вправо, образуя один электрон, чтобы покинуть правый конец кристалла. С другой стороны, отверстие в истощенном слое сдвинуто влево.Из-за этого дополнительного отверстия на стороне P один электрон попадает в левый конец кристалла и попадает в отверстие.
Поскольку тепловая энергия непрерывно создает электронно-дырочные пары вблизи перехода, во внешней цепи всегда течет небольшой ток. Этот обратный ток, вызванный неосновными носителями, известен как ток насыщения. Ток насыщения увеличивается примерно вдвое на каждые 10 ° C повышения температуры.
Поскольку энергетическая щель между валентной зоной и зоной проводимости в кремнии больше, чем в германии, тепловая энергия производит меньше неосновных носителей в кремниевых диодах, чем в последних.Это указывает на то, что при той же площади перехода кремниевый диод имеет меньший ток насыщения, чем германиевый диод.
Чем больше значение обратного напряжения, тем круче холм энергии. Когда электрон зоны проводимости падает вниз, этот холм может достичь высокой скорости.
8. Характеристики полупроводникового диода
:Для использования P-N перехода в качестве элемента схемы необходимо исследование его вольт-амперной характеристики как для прямого, так и для обратного состояния.Принципиальные схемы для исследования прямой и обратной характеристик диода показаны на рис. 1.27 (a) и 1.27 (b) соответственно.
Для изучения прямой характеристики диода прямое напряжение увеличивается от нуля с подходящими регулярными шагами, и соответствующий ток регистрируется миллиамперметром. С другой стороны, для изучения обратной характеристики диода обратное напряжение увеличивается от нуля с подходящими регулярными шагами, а соответствующий ток измеряется микроамперметром.Характер кривой, полученной с учетом как прямой, так и обратной характеристики, показан на рис. 1.28.
Из кривой можно сделать следующие важные выводы:
и. Характеристики вперед:
а. Прямая характеристика не имеет прямолинейного характера, что указывает на то, что полупроводниковый диод является нелинейным проводником электричества.
г. Если приложенное прямое напряжение V F меньше, чем внутренний потенциальный барьер V 0 диода, то l F становится равным нулю.Для германиевого диода V 0 составляет примерно 0,3 В, а для кремниевого диода — примерно 0,7 В при 25 ° C. Когда V 0 > V F , потенциальный барьер не позволяет дыркам из P-области и электронам из N-области течь через обедненную область в противоположных направлениях.
Но когда V F > V 0 , течет небольшой ток, как показано OP на рисунке. Прямое напряжение, при котором только начинается прямой ток, называется напряжением точки излома.Его также называют пороговым напряжением, напряжением включения или напряжением смещения. Это пороговое напряжение становится равным потенциальному барьеру диода.
г. При дальнейшем увеличении прямого напряжения ток резко увеличивается, что показано крутой частью PQ кривой. Здесь из-за увеличения напряжения прямого смещения увеличивается скорость потока электронов и дырок. Во время движения электроны с более высокой кинетической энергией сталкиваются с атомами кристалла. В результате некоторые ковалентные связи атомов разрываются и образуются пары электрона и дырки, что приводит к увеличению прямого тока.
Опять же, с увеличением прямого тока эффект нагрева в кристалле увеличивается. Поскольку образование пар электронов и дырок зависит от температуры, повышение температуры вызывает дальнейшее увеличение тока. Когда V F достаточно велико по сравнению с V 0 , значение I F возрастает экспоненциально с V F .
ii. Обратные характеристики:
а. С увеличением обратного напряжения V R обратный ток I R увеличивается и достигает максимального значения I 0 .При дальнейшем увеличении V R , I R становится практически независимым от V R до определенного критического значения. Это значение I R известно как обратный ток насыщения. Это также называется током утечки, который возникает из-за нескольких неосновных носителей.
г. Когда V R увеличивается до критического значения, соответствующего точке P на рисунке, обратный ток быстро увеличивается из-за пробоя перехода. Критическое значение обратного напряжения известно как напряжение переключения.Говорят, что выше этого напряжения переход находится в области пробоя.
9. Статическое и динамическое сопротивление полупроводникового диода
:Статическое сопротивление можно определить как сопротивление диода, когда через него проходит постоянный постоянный ток. Таким образом, статическое сопротивление диода R представляет собой отношение приложенного напряжения V к установившемуся току I.
Математически,
К = V / I (1.3)… (1,3)
Если прямой ток, протекающий через диод, изменяется около своего среднего значения, то динамическое сопротивление r может быть определено как —
Значения δV и δI получены из кривой, показанной на рис. 1.29. Иногда r ƒ также называют инкрементным сопротивлением.
10. Механизмы пробоя полупроводниковых диодов
:Мы знаем, что обратный ток P-N перехода в условиях обратного смещения возникает из-за движения электронов из P-области и дырок из N-области полупроводника через область обеднения.С увеличением обратного напряжения неосновной электрон, проходящий через область обеднения, получает высокую кинетическую энергию от приложенного напряжения.
Этот электрон при столкновении с атомом кристалла, электрон в ковалентной связи может получить высокую энергию, чтобы освободиться от связи. Таким образом, ковалентная связь разрывается, и создается пара электрона и дырки. Таким образом, при столкновении одного электрона с атомом кристалла образуется пара электрона и дырки. Каждый из носителей одним и тем же процессом генерирует пару из электрона и дырки.
Таким образом, в процессе столкновения и последующего разрыва ковалентных связей количество свободных электронов и дырок увеличивается. Это кумулятивное явление известно как лавинное умножение. В результате размножения лавины через переход проходит большой обратный ток. Тогда говорят, что диод находится в области лавинного пробоя. С повышением температуры перехода величина напряжения лавинного пробоя увеличивается.
Пусть P-область диода с P-N переходом имеет очень большую концентрацию примесного акцепторного атома и N-область донорного атома примеси.С увеличением его обратного напряжения обратный ток быстро увеличивается при пробое перехода. Такой пробой при низком обратном напряжении происходит не просто из-за лавинообразного размножения электронно-дырочных пар, но из-за электрического поля большой величины, которое оказывает сильное воздействие на валентные электроны (атомов кремния) в обедненной области.
Процесс удаления электронов из валентной зоны в зону проводимости с помощью сильного электрического поля в изоляторе был впервые предложен К.М. Зенера (1934), поэтому это называется пробоем стабилитрона или эффектом стабилитрона. Было обнаружено, что пробой стабилитрона изолятора происходит при электрическом поле примерно 2 · 10 7 В / м.
Полупроводниковый прибор
| электроника | Britannica
Полупроводниковые материалы
Твердотельные материалы обычно делятся на три класса: изоляторы, полупроводники и проводники. (При низких температурах некоторые проводники, полупроводники и изоляторы могут стать сверхпроводниками.На рисунке 1 показаны удельные 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 −18 до 10 −10 сименс на сантиметр; а проводники, такие как алюминий, имеют высокую проводимость, обычно от 10 4 до 10 6 сименс на сантиметр. Электропроводность полупроводников находится между этими крайними значениями.
Проводимость полупроводника обычно чувствительна к температуре, освещению, магнитным полям и незначительным количествам примесных атомов. Например, добавление менее 0,01 процента примеси определенного типа может увеличить электрическую проводимость полупроводника на четыре или более порядков (, то есть 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 отдельных видов атомов, 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 сложных полупроводников, состоящих из двух или более элементов. Например, арсенид галлия (GaAs) представляет собой бинарное соединение III-V, которое представляет собой комбинацию галлия (Ga) из колонки III и мышьяка (As) из колонки V.
Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас| период | столбец | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| II | III | IV | V | VI | |
| 2 |
бор B |
углерод C |
азот N |
||
| 3 |
магний мг |
алюминий Al |
кремний Si |
фосфор P |
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 Hg |
свинец Pb |
|||
Тройные соединения могут быть образованы элементами из трех разных колонок, как, например, теллурид ртути и 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 как Al, так и Ga происходят из столбец III и нижний индекс x относятся к составу двух элементов от 100 процентов Al ( x = 1) до 100 процентов Ga ( x = 0). Чистый кремний является наиболее важным материалом для применения в интегральных схемах, а бинарные и тройные соединения III-V являются наиболее важными для излучения света.
До изобретения биполярного транзистора в 1947 году полупроводники использовались только как двухполюсные устройства, такие как выпрямители и фотодиоды. В начале 1950-х годов германий был основным полупроводниковым материалом. Однако он оказался непригодным для многих применений, поскольку устройства, изготовленные из этого материала, демонстрируют высокие токи утечки только при умеренно повышенных температурах. С начала 1960-х годов кремний стал практическим заменителем, фактически вытеснив германий в качестве материала для производства полупроводников.Для этого есть две основные причины: (1) кремниевые устройства демонстрируют 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, а устройства на основе кремния составляют более 95 процентов всего полупроводникового оборудования, продаваемого во всем мире.
Многие сложные полупроводники обладают электрическими и оптическими свойствами, отсутствующими в кремнии.Эти полупроводники, особенно арсенид галлия, используются в основном для высокоскоростных и оптоэлектронных приложений.
Электронные свойства
Полупроводниковые материалы, рассматриваемые здесь, представляют собой монокристаллы — т. Е. атомов расположены в трехмерном периодическом порядке. На рис. 2А показано упрощенное двумерное представление кристалла собственного кремния, который очень чистый и содержит 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 представляет собой ковалентную связь. Сила притяжения электронов обоими ядрами удерживает два атома вместе.
При низких температурах электроны связаны в своих соответствующих положениях в кристалле; следовательно, они недоступны для электропроводности. При более высоких температурах тепловая вибрация может разрушить некоторые ковалентные связи. Разрыв связи дает свободный электрон, который может участвовать в проводимости тока.Как только электрон удаляется от ковалентной связи, в этой связи возникает недостаток электронов. Этот недостаток может быть восполнен одним из соседних электронов, что приводит к смещению местоположения недостатка с одного сайта на другой. Таким образом, этот недостаток можно рассматривать как частицу, подобную электрону. Эта фиктивная частица, названная 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 уровни энергии.Когда большое количество атомов объединяется, чтобы сформировать кристалл, взаимодействие между атомами заставляет дискретные уровни энергии расширяться в энергетические зоны. Когда нет тепловой вибрации (, то есть при низкой температуре), электроны в полупроводнике полностью заполняют ряд энергетических зон, оставляя остальные энергетические зоны пустыми. Полоса с самым высоким заполнением называется валентной полосой. Следующая более высокая зона — это зона проводимости, которая отделена от валентной зоны запрещенной зоной.Эта запрещенная зона, также называемая запрещенной зоной, представляет собой область, обозначающую энергии, которыми электроны в полупроводнике не могут обладать. Большинство важных полупроводников имеют ширину запрещенной зоны от 0,25 до 2,5 эВ. Ширина запрещенной зоны кремния, например, составляет 1,12 эВ, а ширина запрещенной зоны арсенида галлия — 1,42 эВ.
Как обсуждалось выше, при конечных температурах тепловые колебания разрывают некоторые связи. Когда связь разрывается, свободный электрон вместе со свободной дыркой дает , то есть : электрон обладает достаточной тепловой энергией, чтобы пересечь запрещенную зону в зону проводимости, оставляя дырку в валентной зоне.Когда к полупроводнику прикладывают электрическое поле, как электроны в зоне проводимости, так и дырки в валентной зоне получают кинетическую энергию и проводят электричество. Электропроводность материала зависит от количества 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 на вольт-секунду (см 2 / В · с) — , т.е. , то есть, электрон будет двигаться со скоростью 1500 сантиметров в секунду под действием электрического поле в один вольт на сантиметр — при подвижности дырок 500 см 2 / В · с. Подвижности данного полупроводника обычно уменьшаются с повышением температуры или с увеличением концентрации примесей.
Электрическая проводимость в собственных полупроводниках довольно низкая при комнатной температуре. Чтобы добиться более высокой проводимости, можно намеренно ввести примеси (обычно до концентрации одной части на миллион атомов хозяина). Это так называемый процесс допинга. Например, когда атом кремния заменяется атомом с пятью внешними электронами, такими как мышьяк (рис. 2C), четыре электрона образуют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами кремния. Пятый электрон становится электроном проводимости, который «дарится» зоне проводимости.Кремний становится полупроводником типа n из-за добавления электрона. Атом мышьяка является донором. Точно так же на рисунке 2C показано, что, когда атом с тремя внешними электронами, такими 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.
Термоэмиссионные и полупроводниковые диоды
Диоды — это небольшие электрические устройства, которые используются для передачи электрического тока в одном направлении и для предотвращения движения встречного тока в противоположном.У них есть два вывода, каждый с электродом — один электрод заряжен положительно, а другой — отрицательно. Способность диода передавать ток только в одном направлении также называется выпрямляющим свойством. Когда диод пропускает ток в одном направлении, это называется состоянием прямого смещения; состояние обратного смещения возникает, когда диод блокирует движение тока в противоположном направлении. Однако способность диода быть однонаправленной зависит от типа диода и используемой технологии.Различные типы диодов, такие как термоэлектронные и различные типы полупроводниковых диодов, используют разные технологии для передачи тока.
Термоэлектронные диоды, также называемые вакуумными трубками, представляют собой диоды, которые закрывают электроды в стеклянном вакууме — ранние модели выглядели как миниатюрные лампочки. Нить накала нагревателя используется для передачи тепла, которое вызывает тепловую эмиссию электронов в вакууме и нагревает катод. В этом случае анод становится положительным и притягивает электроны, передавая ток в одном направлении.Поскольку анод не будет выпускать электроны даже при понижении температуры, электроны могут двигаться только в одном направлении, и процесс не может изменить направление.
Хотя термоэлектронные диоды были распространенной ранней формой диодов, большинство современных диодов являются полупроводниковыми диодами определенного типа. Такие материалы, как кремний и германий, часто используются, потому что в них нет свободных электронов, а это означает, что они не могут легко передавать электричество и, как правило, служат изоляторами. Однако путем легирования этих материалов их химические свойства могут быть изменены.При легировании кремния есть два типа примесей, которые могут быть добавлены для превращения кремния в полупроводящий материал: N-тип и P-тип.
Примесь N-типа представляет собой фосфор или мышьяк. Каждый из них имеет пять внешних электронов, тогда как кремний имеет четыре, поэтому лишнему электрону фосфора или мышьяка не с чем связываться. Вместо этого дополнительный электрон служит средством передачи энергии. Только небольшое количество фосфора или мышьяка необходимо, чтобы генерировать достаточно свободных электронов для передачи тока через кремний.Поскольку электроны несут отрицательный заряд, этот тип примеси известен как N-тип.
При легировании P-типа используется одна из двух различных примесей: бор или галлий. Каждая из этих примесей имеет только три внешних электрона, поэтому при добавлении к кремнию они образуют дырки, в которых отсутствует электрон, а также положительный заряд. Положительный заряд позволяет бору или галлию принимать соседние электроны, что, по сути, выталкивает дырку внутри решетки электронов. Наличие дырок — это то, что обеспечивает передачу токов и движение электронов, что делает кремний с примесью P-типа проводящим материалом.Название P-тип происходит от положительного заряда материала. Легирование как N-типа, так и P-типа превращает кремний в проводник, но не в очень прочный — поэтому легированный кремний называется полупроводником.
Кремний P-типа и N-типа используются вместе в полупроводниковых диодах. Чтобы создать диод P-N, кремниевый материал P-типа составляет анод и передает ток на катод N-типа.