Диоды позволяют – Диод — Википедия

Содержание

Принцип работы диода. Вольт-амперная характеристика. Пробои p-n перехода

Здравствуйте уважаемые читатели сайта sesaga.ru. В первой части статьи мы с Вами разобрались, что такое полупроводник и как возникает в нем ток. Сегодня мы продолжим начатую тему и поговорим о принципе работы полупроводниковых диодов.

Диод – это полупроводниковый прибор с одним p-n переходом, имеющий два вывода (анод и катод), и предназначенный для выпрямления, детектирования, стабилизации, модуляции, ограничения и преобразования электрических сигналов.

По своему функциональному назначению диоды подразделяются на выпрямительные, универсальные, импульсные, СВЧ-диоды, стабилитроны, варикапы, переключающие, туннельные диоды и т.д.

Теоретически мы знаем, что диод в одну сторону пропускает ток, а в другую нет. Но как, и каким образом он это делает, знают и понимают не многие.

Схематично диод можно представить в виде кристалла состоящего из двух полупроводников (областей). Одна область кристалла обладает проводимостью p-типа, а другая — проводимостью n-типа.

На рисунке дырки, преобладающие в области p-типа, условно изображены красными кружками, а электроны, преобладающие в области n-типа — синими. Эти две области являются электродами диода анодом и катодом:

Анод – положительный электрод диода, в котором основными носителями заряда являются дырки.

Катод – отрицательный электрод диода, в котором основными носителями заряда являются электроны.

На внешние поверхности областей нанесены контактные металлические слои, к которым припаяны проволочные выводы электродов диода. Такой прибор может находиться только в одном из двух состояний:

1. Открытое – когда он хорошо проводит ток;
2. Закрытое – когда он плохо проводит ток.

Прямое включение диода. Прямой ток.

Если к электродам диода подключить источник постоянного напряжения: на вывод анода «плюс» а на вывод катода «минус», то диод окажется в открытом состоянии и через него потечет ток, величина которого будет зависеть от приложенного напряжения и свойств диода.

При такой полярности подключения электроны из области n-типа устремятся навстречу дыркам в область p-типа, а дырки из области p-типа двинутся навстречу электронам в область n-типа. На границе раздела областей, называемой электронно-дырочным или p-n переходом, они встретятся, где происходит их взаимное поглощение или рекомбинация.

Например. Oсновные носители заряда в области n-типа электроны, преодолевая p-n переход попадают в дырочную область p-типа, в которой они становятся неосновными. Ставшие неосновными, электроны будут поглощаться основными носителями в дырочной области – дырками. Таким же образом дырки, попадая в электронную область n-типа становятся неосновными носителями заряда в этой области, и будут также поглощаться основными носителями – электронами.

Контакт диода, соединенный с отрицательным полюсом источника постоянного напряжения будет отдавать области n-типа практически неограниченное количество электронов, пополняя убывание электронов в этой области. А контакт, соединенный с положительным полюсом источника напряжения, способен принять из области p-типа такое же количество электронов, благодаря чему восстанавливается концентрация дырок в области p-типа. Таким образом, проводимость p-n перехода станет большой и сопротивление току будет мало, а значит, через диод будет течь ток, называемый прямым током диода Iпр.

Обратное включение диода. Обратный ток.

Поменяем полярность источника постоянного напряжения – диод окажется в закрытом состоянии.

В этом случае электроны в области n-типа станут перемещаться к положительному полюсу источника питания, отдаляясь от p-n перехода, и дырки, в области p-типа, также будут отдаляться от p-n перехода, перемещаясь к отрицательному полюсу источника питания. В результате граница областей как бы расширится, отчего образуется зона обедненная дырками и электронами, которая будет оказывать току большое сопротивление.

Но, так как в каждой из областей диода присутствуют неосновные носители заряда, то небольшой обмен электронами и дырками между областями происходить все же будет. Поэтому через диод будет протекать ток во много раз меньший, чем прямой, и такой ток называют обратным током диода (Iобр). Как правило, на практике, обратным током p-n перехода пренебрегают, и отсюда получается вывод, что p-n переход обладает только односторонней проводимостью.

Прямое и обратное напряжение диода.

Напряжение, при котором диод открывается и через него идет прямой ток называют прямым (Uпр), а напряжение обратной полярности, при котором диод закрывается и через него идет обратный ток называют обратным (Uобр).

При прямом напряжении (Uпр) сопротивление диода не превышает и нескольких десятков Ом, зато при обратном напряжении (Uобр) сопротивление возрастает до нескольких десятков, сотен и даже тысяч килоом. В этом не трудно убедиться, если измерить обратное сопротивление диода омметром.

Сопротивление p-n перехода диода величина не постоянная и зависит от прямого напряжения (Uпр), которое подается на диод. Чем больше это напряжение, тем меньшее сопротивление оказывает p-n переход, тем больший прямой ток Iпр течет через диод. В закрытом состоянии на диоде падает практически все напряжение, следовательно, обратный ток, проходящий через него мал, а сопротивление p-n перехода велико.

Например. Если включить диод в цепь переменного тока, то он будет открываться при положительных полупериодах на аноде, свободно пропуская прямой ток (Iпр), и закрываться при отрицательных полупериодах на аноде, почти не пропуская ток противоположного направления – обратный ток (Iобр). Эти свойства диодов используют для преобразования переменного тока в постоянный, и такие диоды называют выпрямительными.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода.

Зависимость тока, проходящего через p-n переход, от величины и полярности приложенного к нему напряжения изображают в виде кривой, называемой вольт-амперной характеристикой диода.

На графике ниже изображена такая кривая. По вертикальной оси в верхней части обозначены значения прямого тока (Iпр), а в нижней части — обратного тока (Iобр).
По горизонтальной оси в правой части обозначены значения прямого напряжения Uпр, а в левой части – обратного напряжения (Uобр).

Вольт-амперная характеристика состоит как бы из двух ветвей: прямая ветвь, в правой верхней части, соответствует прямому (пропускному) току через диод, и обратная ветвь, в левой нижней части, соответствующая обратному (закрытому) току через диод.

Прямая ветвь идет круто вверх, прижимаясь к вертикальной оси, и характеризует быстрый рост прямого тока через диод с увеличением прямого напряжения.
Обратная ветвь идет почти параллельно горизонтальной оси и характеризует медленный рост обратного тока. Чем круче к вертикальной оси прямая ветвь и чем ближе к горизонтальной обратная ветвь, тем лучше выпрямительные свойства диода. Наличие небольшого обратного тока является недостатком диодов. Из кривой вольт-амперной характеристики видно, что прямой ток диода (Iпр) в сотни раз больше обратного тока (Iобр).

При увеличении прямого напряжения через p-n переход ток вначале возрастает медленно, а затем начинается участок быстрого нарастания тока. Это объясняется тем, что германиевый диод открывается и начинает проводить ток при прямом напряжении 0,1 – 0,2В, а кремниевый при 0,5 – 0,6В.

Например. При прямом напряжении Uпр = 0,5В прямой ток Iпр равен 50mA (точка «а» на графике), а уже при напряжении Uпр = 1В ток возрастает до 150mA (точка «б» на графике).

Но такое увеличение тока приводит к нагреванию молекулы полупроводника. И если количество выделяемого тепла будет больше отводимого от кристалла естественным путем, либо с помощью специальных устройств охлаждения (радиаторы), то в молекуле проводника могут произойти необратимые изменения вплоть до разрушения кристаллической решетки. Поэтому прямой ток p-n перехода ограничивают на уровне, исключающем перегрев полупроводниковой структуры. Для этого используют ограничительный резистор, включенный последовательно с диодом.

У полупроводниковых диодов величина прямого напряжения Uпр при всех значениях рабочих токов не превышает:
для германиевых — 1В;
для кремниевых — 1,5В.

При увеличении обратного напряжения (Uобр), приложенного к p-n переходу, ток увеличивается незначительно, о чем говорит обратная ветвь вольтамперной характеристики.
Например. Возьмем диод с параметрами: Uобр max = 100В, Iобр max = 0,5 mA, где:

Uобр max – максимальное постоянное обратное напряжение, В;
Iобр max – максимальный обратный ток, мкА.

При постепенном увеличении обратного напряжения до значения 100В видно, как незначительно растет обратный ток (точка «в» на графике). Но при дальнейшем увеличении напряжения, свыше максимального, на которое рассчитан p-n переход диода, происходит резкое увеличение обратного тока (пунктирная линия), нагрев кристалла полупроводника и, как следствие, наступает пробой p-n перехода.

Пробои p-n перехода.

Пробоем p-n перехода называется явление резкого увеличения обратного тока при достижении обратным напряжением определенного критического значения. Различают электрический и тепловой пробои p-n перехода. В свою очередь, электрический пробой разделяется на туннельный и лавинный пробои.

Электрический пробой.

Электрический пробой возникает в результате воздействия сильного электрического поля в p-n переходе. Такой пробой является обратимый, то есть он не приводит к повреждению перехода, и при снижении обратного напряжения свойства диода сохраняются. Например. В таком режиме работают стабилитроны – диоды, предназначенные для стабилизации напряжения.

Туннельный пробой.

Туннельный пробой происходит в результате явления туннельного эффекта, который проявляется в том, что при сильной напряженности электрического поля, действующего в p-n переходе малой толщины, некоторые электроны проникают (просачиваются) через переход из области p-типа в область n-типа без изменения своей энергии. Тонкие p-n переходы возможны только при высокой концентрации примесей в молекуле полупроводника.

В зависимости от мощности и назначения диода толщина электронно-дырочного перехода может находиться в пределах от 100 нм (нанометров) до 1 мкм (микрометр).

Для туннельного пробоя характерен резкий рост обратного тока при незначительном обратном напряжении – обычно несколько вольт. На основе этого эффекта работают туннельные диоды.

Благодаря своим свойствам туннельные диоды используются в усилителях, генераторах синусоидальных релаксационных колебаний и переключающих устройствах на частотах до сотен и тысяч мегагерц.

Лавинный пробой.

Лавинный пробой заключается в том, что под действием сильного электрического поля неосновные носители зарядов под действием тепла в p-n переходе ускоряются на столько, что способны выбить из атома один из его валентных электронов и перебросить его в зону проводимости, образовав при этом пару электрон — дырка. Образовавшиеся носители зарядов тоже начнут разгоняться и сталкиваться с другими атомами, образуя следующие пары электрон – дырка. Процесс приобретает лавинообразный характер, что приводит к резкому увеличению обратного тока при практически неизменном напряжении.

Диоды, в которых используется эффект лавинного пробоя используются в мощных выпрямительных агрегатах, применяемых в металлургической и химической промышленности, железнодорожном транспорте и в других электротехнических изделиях, в которых может возникнуть обратное напряжение выше допустимого.

Тепловой пробой.

Тепловой пробой возникает в результате перегрева p-n перехода в момент протекания через него тока большого значения и при недостаточном теплоотводе, не обеспечивающем устойчивость теплового режима перехода.

При увеличении приложенного к p-n переходу обратного напряжения (Uобр) рассеиваемая мощность на переходе растет. Это приводит к увеличению температуры перехода и соседних с ним областей полупроводника, усиливаются колебания атомов кристалла, и ослабевает связь валентных электронов с ними. Возникает вероятность перехода электронов в зону проводимости и образования дополнительных пар электрон — дырка. При плохих условиях теплоотдачи от p-n перехода происходит лавинообразное нарастание температуры, что приводит к разрушению перехода.

На этом давайте закончим, а в следующей части рассмотрим устройство и работу выпрямительных диодов, диодного моста.
Удачи!

Источник:

1. Борисов В.Г — Юный радиолюбитель. 1985г.
2. Горюнов Н.Н. Носов Ю.Р — Полупроводниковые диоды. Параметры, методы измерений. 1968г.

sesaga.ru

Виды диодов, характеристики, применение

Официальное определение диода гласит, что это элемент, который имеет различную проводимость, в зависимости от того, в каком направлении течёт электрический ток. Его использование необходимо в цепях, нуждающихся в ограничении пути его следования. Данная статья более подробно расскажет об устройстве диода, а также о том, какие существуют виды и как их различать.

История появления

Работы, связанные с диодами, начали вести параллельно сразу два учёных — британец Фредерик Гутри и немец Карл Браун. Открытия первого были основаны на ламповых диодах, второго — на твердотельных. Однако развитие науки того времени не позволило совершить большой рывок в этом направлении, но дали новую пищу для ума.

Затем через несколько лет открытие диодов заново произвёл Томас Эдисон и в дальнейшем запатентовал изобретение. Однако по каким-то причинам, в своих работах применения ему на нашлось. Поэтому развитие диодной технологии продолжали другие учёные в разные годы.

Кстати, до начала 20 века диоды назывались выпрямителями. Затем учёный Вильям Генри Иклс применил два корня слов — di и odos. Первое с греческого переводится как «два», второе — «путь». Таким образом, слово «диод» означает «два пути».

Принцип работы и основные сведения о диодах

Диод имеет два электрода — анод и катод. Если анод обладает положительным потенциалом по отношению к катоду, то диод становится открытым. То есть, ток проходит и имеет малое сопротивление диода.

Если же на катоде находится положительный потенциал, то значит диод не раскрыт, обладает большим сопротивлением и не пропускает электрический ток.

Как устроен диод?

В основном, корпус элемента изготовлен из стекла, металла или керамических соединений. Под покрытием расположены два электрода. Самый простой диод содержит в себе нить малого диаметра.

Внутри катода может находится особая проволока. Она обладает свойством нагреваться под воздействием электрического тока и называется «подогреватель».

Вещества, используемые при изготовлении, чаще всего кремний или германий. Одна сторона элемента обладает нехваткой электронов, вторая — наоборот их переизбытком. Между ними существует граница, которая и обеспечивает p-n переход. Именно он позволяет проводить ток в нужном направлении.

Характеристики диодов

При выборе элемента в основном ориентируются на два показателя — предельное обратное напряжение и максимальная сила тока.

Использование диодов в быту

Один из ярких примеров использования диодов — автомобильный генератор. В нем размещён комплекс из нескольких таких элементов, который называется «диодный мост».

Также элементы активно применяются в телевизорах или радиоприёмниках. В соединении с конденсаторами диоды могут выделять частоты из разнообразных модулированных сигналов.

Очень часто комплекс из диодов используется в схемах для защиты потребителей от поражения электрическим током.

Также стоит сказать о том, что любой блок питания многих электронных устройств обязательно содержит диоды.

Виды диодов

В основном, элементы можно разделить на две группы. Первая — вид полупроводниковых диодов, вторая — не полупроводниковые.

Широкое распространение получила именно первая группа. Название происходит от материалов, из которых изготовлен диод: два полупроводника либо полупроводник с металлом.

Также имеется целый ряд специальных видов диодов, которые применяются в особых схемах и приборах.

Диод Зенера или стабилитрон

Данный вид характерен тем, что при возникновении пробоя происходит резкое увеличение тока с высокой точностью. Эту особенность применяют в стабилизации напряжения.

Туннельный

Если говорить простыми словами, то данный вид диодов образует отрицательное сопротивление на вольт-амперной характеристике. Применяется в основном в усилителях и генераторах.

Обращённый диод

Обладает свойством значительно понижать напряжение в открытом режиме. Это также основано на туннельном эффекте, подобному предыдущему диоду.

Варикап

Относится к виду диодов полупроводниковых, которые обладают повышенной ёмкостью, управляемой электрически в случае изменения обратного напряжения. Используется в настройке и калибровке колебательных контуров.

Светодиод

Особенность данного типа диодов заключается в том, что он излучает свет при течении тока в прямом направлении. В современном мире применяется практически везде, где требуется освещение с экономичным источником света.

Фотодиод

Имеет обратные предыдущему экземпляру свойства. То есть, начинает вырабатывать электрический заряд при попадании на него света.

Маркировка

Для того чтобы определить вид, узнать характеристику полупроводникового диода, производители наносят специальные обозначения на корпус элемента. Она состоит из четырёх частей.

На первом месте — буква или цифра, означающая материал, из которого изготовлен диод. Может принимать следующие значения:

  • Г (1) — германий;
  • К (2) — кремний;
  • А (3) — арсенид галлия;
  • И (4) — индий.

На втором — типы диода. Они тоже могут иметь разное значение:

  • Д — выпрямительные;
  • В — варикап;
  • А — сверхвысокочастотные;
  • И — туннельные;
  • С — стабилитроны;
  • Ц — выпрямительные столбы и блоки.

На третьем месте располагается цифра, указывающая на область применения элемента.

Четвёртое место — числа от 01 до 99, означающее порядковый номер разработки.

Также на корпус могут быть нанесены и дополнительные обозначения. Но, как правило, они используются в специализированных приборах и схемах.

Для удобства восприятия диоды могут маркироваться также и разнообразными графическими символами, например, точками и полосками. Особой логики в таких рисунках нет. То есть, чтобы определить, что это за диод, придется заглянуть в специальную таблицу соответствия.

Триоды

Данный вид электронных элементов чем-то схож с диодом, однако выполняет другие функции и имеет свою конструкцию.

Основное различие между диодом и триодом в том, что последний имеет три вывода и в его отношении чаще используется название «транзистор». Принцип работы основан на управлении токами в выходных цепях с помощью небольшого сигнала.

Диоды и триоды (транзисторы) применяются практически в каждом электронном устройстве. В том числе и процессорах.

Плюсы и минусы

Перед заключением можно обобщить всю информацию о диодах и составить список их преимуществ и недостатков.

Плюсы:

  • Невысокая цена диодов.
  • Отличный КПД.
  • Высокий ресурс работы.
  • Маленькие размеры, что позволяет удобно их размещать на схемах.
  • Возможность использования диода в переменном токе.

Из минусов, пожалуй, можно выделить то, что не существует полупроводникового типа для высоких напряжений в несколько киловольт. Поэтому придется применять более старые ламповые аналоги. Также воздействие высоких температур неблагоприятно сказывается на работе и состоянии элемента.

Немного интересных сведений о диодах

Первые экземпляры выпускались с применением малой точности. Поэтому разброс получившихся характеристик диодов был очень большим, вследствие чего уже готовые приборы приходилось, что называется, «разбраковывать». То есть, некоторые диоды, казалось бы, одной серии могли получить совершенно разные свойства. После отсева, элементы маркировались в соответствии с фактическими характеристиками.

Диоды, изготовленные в стеклянном корпусе, имеют одну интересную особенность — чувствительность к свету. То есть если прибор, в составе которого имеется такой элемент, имеет открывающуюся крышку, то работать вся схема может по-разному в закрытом и открытом состоянии.

Заключение

В общем, чтобы полностью понять и разобраться, как правильно применять и где использовать диоды, нужны изучить больше литературы. Для определения типа элемента на глазок потребуется соответствующий опыт. Ну а новичкам в этом могут помочь таблицы и справочники по маркировкам.

Также необходимо иметь хотя бы базовые представления об электрическом токе, его свойствах. Конечно, это все проходилось в школе, но кто сейчас навскидку сможет вспомнить даже закон Ома?

Поэтому без базовых знаний нырять в мир электроники будет очень проблематично.

fb.ru

Диоды и их применение

Металлический контакт, соединенный с отрицательным полюсом элемента, может отдать области типа n практически неограниченное количество электронов, пополняя убыль электронов в этой области, а контакт, соединенный с положительным полюсом элемента, может принять из области типа р такое же количество электронов, что равнозначно введению в него соответствующего количества дырок. В этом случае сопротивление р-n перехода мало, вследствие чего через диод идет ток, называемый прямым током. Чем больше площадь р-n перехода и напряжение источника питания, тем больше этот прямой ток.

Если полюсы элемента поменять местами, как это показано на рис. 1, в, диод окажется в закрытом состоянии. В этом случае электрические заряды в диоде поведут себя иначе. Теперь, удаляясь от р-n перехода, электроны в области типа n будут перемещаться к положительному, а дырки в области типа р к отрицательному контактам диода. В результате граница областей с различными типами электропроводности как бы расширится, образуя зону, обедненную электронами и дырками (на рис. 1, в она заштрихована) и, следовательно, оказывающую току очень большое сопротивление. Однако в этой зоне небольшой обмен носителями тока между областями диода все же будет происходить. Поэтому через диод пойдет ток, но во много раз меньший, чем прямой. Этот ток называют обратным током диода. На графиках, характеризующих работу диода, прямой ток обозначают Iпр, а обратный Iобр.

А если диод включить в цепь с переменным током? Он будет открываться при положительных полупериодах на аноде, свободно пропуская ток одного направления — прямой ток Iпр и закрывания при отрицательных полупериодах на аноде, почти не пропуская ток противоположного направления обратный ток Iобр. Эти свойства диодов и используют в выпрямителях для преобразования переменного тока в ток постоянный.

Напряжение, при котором диод открывается и через него идет прямой ток, называют прямым (пишут Uпр) или пропускным, а напряжение обрат ной полярности, при котором диод закрывается и через него идет обратный ток, называют обратным (пишут Uобр) или непропускным. При прямом напряжении сопротивление диода хорошего качества не превышает нескольких десятков ом, при обратном же напряжении его сопротивление достигнет десятков, сотен килоом и даже мегаом. В этом нетрудно убедиться, если обратное сопротивление диода измерить омметром.

Внутреннее сопротивление открытого диода величина непостоянная и зависит от прямого напряжения, приложенного к диоду: чем больше это напряжение, тем больше прямой ток через диод, тем меньше его пропускное сопротивление. Судить о сопротивлении диода можно по падению напряжения на нем и току через него. Так, например, если через диод идет прямой ток Iпр = 100 мА (0,1 А) и при этом на нем падает напряжение 1 В, то (по закону Ома) прямое сопротивление диода будет: R = U/I = 1/0,1 = 10 Ом. В закрытом состоянии на диоде падает почти все прикладываемое к нему напряжение, обратный ток через него чрезвычайно мал, а сопротивление, следовательно, велико.

Зависимость тока через диод от значения и полярности приложенного к нему напряжения изображают в виде кривой, называемой вольт-амперной характеристикой диода. Такую характеристику ты видишь на рис. 2. Здесь по вертикальной оси вверх отложены значения прямого тока Iпр, а внизу — обратного тока Iобр. По горизонтальной оси вправо обозначены значения прямого напряжения Uпр, влево обратного напряжения Uобр.

На такой вольт-амперной характеристике различают прямую ветвь (в правой верхней части), соответствующую прямому току через диод, и обратную ветвь, соответствующую обратному току. Из нее видно, что ток Iпр диода в сотни раз больше тока Iобр

musbench.com

виды, как работает и область применения

Диод представляет собой простой полупроводниковый прибор, который нашел широкое применение в технике. Не каждый человек знает, что такое диод, и еще меньшее количество людей точно представляет себе принцип работы изделия.

При этом существует большое количество разновидностей этого прибора, о которых стоит знать всем, кто интересуется радиоэлектроникой.

Устройство и принцип работы

Если понять, как работает диод, то разобраться в устройстве этого полупроводникового прибора будет довольно просто. Основу детали составляет токовый переход, соединенный с двумя контактами (положительным — анодом и отрицательным — катодом). При прямом включении напряжения открывается переход, сопротивление которого небольшое. В результате через изделие проходит ток, называемый прямым.

Если же при включении детали в схему изменить полярность, то сопротивление участка перехода резко возрастет, а показатель электротока будет стремиться к нулю. Такое напряжение принято называть обратным.

Современные диоды имеют принципиальное отличие от первых моделей, активно используемых во время радиоламп. В полупроводниковых радиодеталях токовый переход изготавливается из кремния или германия и носит название р-n-переход. Основное различие между этими материалами заключается в показателях прямого напряжения, при которых происходит открытие.

Так как полупроводниковый кристалл может эффективно работать в любых условиях, то необходимость создания особой среды исчезла.

В ламповых устройствах для этого в колбу закачивался специальный газ либо создавался вакуум. В результате современные изделия имеют небольшие габариты, а стоимость их производства значительно снизилась.

Основные виды

Диоды принято классифицировать по нескольким параметрам. В зависимости от рабочих частот, они могут быть низко-, высокочастотными, а также способными функционировать в условиях сверхвысоких частот. Также существует деление и в соответствии с конструктивными особенностями, где можно выделить следующие виды диодов:

  • Диод Шоттки — вместо привычного p-n-перехода используется металл. С одной стороны, это позволяет добиться минимальных потерь напряжения при прямом включении. Однако с другой при высоком обратном токе, изделие быстро выходит из строя.
  • Стабилитрон — позволяет стабилизировать напряжение.
  • Стабистор — отличается от стабилитрона меньшей зависимостью напряжения от тока.
  • Диод Гана — лишен p — n -перехода, вместо которого используется особый кристалл. Используется для работы в диапазоне сверхвысоких частот.
  • Варикап — представляет собой сочетание диода с конденсатором. Емкость изделия зависит от обратного напряжения в области p — n -перехода, а применяется он при создании колебательных контуров.
  • Фотодиод — попадание светового потока на токовый переход приводит к созданию в нем разности потенциалов. Если замкнуть в этот момент цепь, то в ней появится ток.
  • Светодиод — при достижении определенного показателя тока в p — n -переходе, устройство начинает излучать световой поток.

Область применения

Сфера использования этих деталей в современной радиотехнике высока. Сложно найти устройство, которое работает без этих деталей. Чтобы понять, для чего нужен диод, можно привести несколько примеров:

  • Диодные мосты — содержат от 4 до 12 полупроводниковых устройств, которые соединяются между собой. Основной задачей диодных мостов является выпрямление тока, и они активно используются, например, при создании генераторов для автомобилей.
  • Детекторы — создаются при сочетании диодов и конденсаторов. В результате появляется возможность выделить низкочастотную модуляцию из различных сигналов. Применяются при изготовлении радио- и телеприемников.
  • Защитные устройства — позволяют обезопасить электрическую схему от возможных перегрузок. Несколько изделий подключаются в обратном направлении. Когда схема работает нормально, то они остаются в закрытом положении. Как только входное напряжение достигает критических показателей, устройство активируются.
  • Переключатели — такие системы на основе этих изделий позволяют осуществлять коммутацию высокочастотных сигналов.
  • Системы искрозащиты — создание шунт-диодного барьера позволяет ограничить показатель напряжения в электроцепи. Для увеличения степени защиты вместе с полупроводниковыми деталями используются специальные токоограничивающие резисторы.

Это лишь несколько примеров использования диодов. Они являются достаточно надежными устройствами, с помощью которых можно решать большое количество задач. Чаще всего эти радиодетали выходят из строя по причине естественного старения либо из-за перегрева.

Если произошел электрический пробой изделия, то его последствия редко являются необратимыми, так как кристалл не разрушается.


tokar.guru

Диод

Подробности
Категория: Школа радиофанатика

Диод представляет собой полупроводниковый элемент с двумя выводами, один из которых называют анодом (А), а другой – катодом (К). Различают дискретные диоды в виде отдельного элемента, предназначенного для монтажа на плате и заключенного в собственный корпус, и интегральные диоды, которые вместе с другими элементами схемы изготавливаются на общей полупроводниковой подложке. У интегральных диодов имеется третий вывод, необходимый для соединения с общей подложкой. Иногда его называют субстратом (S), но он играет второстепенную роль в функционировании самого диода.

Устройство.

Диоды представляют собой электронно-одырочный переход p-n или переход металл–полупроводник и называются соответственно диодами с p-n переходом или диодами Шоттки. Зона p обогащена дырками, а зона n – электронами. Условное графическое обозначение и структура диода показаны на рис. 1.1. Обычно зоны p и n диода с p-n переходом изготавливаются из кремния. Кроме этого существуют дискретные диоды на основе германия. Им свойственно низкое прямое падение напряжения, однако они устарели. В диодах Шоттки зона p заменена слоем металла, что также приводит к низкому прямому падению напряжения, поэтому они часто используются вместо германиевых диодов с p-n переходом.

Рис. 1.1. Условное графическое обозначение и устройство диода: а – графический символ; б – диод с ppn переходом; в – диод Шоттки

На практике кремниевые диоды с p-n переходом называют просто диодами. За исключением ряда диодов особого типа, все они изображаются на схемах одними тем же графическим символом. Диоды разного типа различают лишь по маркировке на корпусе и техническим данным.

Режимы работы.

В процессе работы диод может находиться в областях проводимости, запирания и пробоя, подробное описание которых дается в следующем разделе.
Диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока, называются выпрямительными; они попеременно работают в областях проводимости и запирания. Диоды, сконструированные для работы в области пробоя – стабилитроны (диоды Зенера) применяют для стабилизации напряжения. Еще один важный класс диодов составляют варикапы. Они функционируют в режиме запирания и благодаря зависимости емкости запорного слоя (барьерной емкости) от приложенного напряжения могут использоваться для настройки колебательных контуров на нужную частоту. Существует также множество специальных диодов, которые здесь не рассматриваются.

Свойства диодов

Поведение диода проще всего представить с помощью его вольттамперной характеристики, описывающей зависимость тока, протекающего через диод от приложенного к нему напряжения в случае, когда все величины постоянны или медленно меняются во времени. Для расчетов необходимы уравнения, строго описывающие поведение прибора. Чаще всего достаточно простых соотношений. Кроме того, имеется модель, хорошо воспроизводящая динамическое поведение диода под воздействием синусоидальных или импульсных сигналов. Эта модель рассматривается в разделе 1.3 и не требуется для изучения основных понятий. А теперь обратимся к поведению кремниевого диода с p-n переходом.

Характеристики

Если к диоду приложить напряжение UD = UAK и измерить ток ID, полагая, что на анод относительно катода поступает напряжение, мы получим характеристики, представленные на рис. 1.2. Обратите внимание на гораздо более крупный масштаб в области положительных напряжений. При UD > 0 В диод работает в области проводимости. Здесь ток растет экспоненциально с напряжением. У диодов с p-n переходом заметный ток течет при UD > 0,4 В. При –UBR < UD < 0 В диод заперт, и ток становится пренебрежимо малым. Этот участок называют областью запирания. Напряжение пробоя UBR зависит от типа


Рис. 1.2. Характеристики маломощных диодов

Свойства диодов.

элемента и у выпрямительных диодов составляет от –50 до –1000 В. При UD < –UBR наступает пробой диода и возникает обратный ток. В этой области способны работать длительное время только стабилитроны и варикапы. Для диодов других типов наличие обратного тока при отрицательном напряжении нежелательно. В случае германиевых диодов или диодов Шоттки заметный ток в области проводимости возникает уже при UD > 0,2 В, а напряжение пробоя UBR составляет от –10 до –200 В.
В области проводимости диода при средних токах напряжение оказывается почти постоянным благодаря крутому подъему характеристики. Это напряжение UF называется прямым. Для германиевых диодов и диодов Шоттки оно имеет величину UF,Gе≈ UF,Шотки ≈ 0,3…0,4 В, а у кремниевых диодов UF,Si ≈ 0,6…0,7 В. У силовых диодов при токах в несколько ампер оно бывает существенно выше, так как в дополнение к внутреннему прямому напряжению появляется заметное падение напряжения на прямом сопротивлении и сопротивлении вводов диода: UF = UF,I + +IDRB. В предельном случае ID → ∞ диод ведет себя, как очень малое сопротивление RB ≈ 0,01…10 Ом.
Область запирания в увеличенном масштабе представлена на рис. 1.3. Ток в запирающем направлении (обратный ток) IR = –ID весьма мал при запирающем напряжении UR = –UD и с приближением к напряжению пробоя сначала медленно увеличивается, а затем резко возрастает.

Описание диода с помощью уравнений

Характеристика диода в области UD > 0 в полулогарифмическом масштабе почти линейна (рис. 1.4). Следовательно, в силу ln ID ~ UD (пропорционально) между ID и UD действует экспоненциальная зависимость. Исходя из закономерностей физики полупроводников, имеем:

Рис. 1.3. Характеристика маломощного диода в области запирания

radiofanatic.ru

Применение диодов


Диоды являются одними из самых распространенных электронных компонентов.
Они присутствуют практически во всех электронных приборах, которые мы ежедневно используем –
от мобильного телефона до его зарядного устройства. В этой статье рассмотрим основные типы электронных схем, в которых
диоды нашли свое применение.

1. Нелинейная обработка аналоговых сигналов


В связи с тем, что диоды относятся к элементам нелинейного типа,
они применяются в детекторах, логарифматорах, экстрематорах,
преобразователях частоты и в других устройствах, в которых предполагается
нелинейная обработка аналоговых сигналов. В таких случаях диоды используют
или как основные рабочие приборы – для обеспечения прохождения главного сигнала,
или же в качестве косвенных элементов, например в цепях обратной связи.
Указанные выше устройства значительно отличаются между собой и используются для разных целей,
но применяемые диоды в каждом из них занимают очень важное место.

2. Выпрямители


Устройства, которые используются для получения постоянного тока из переменного называются выпрямителями.
В большинстве случаев они включают в себя три главных элемента – это силовой трансформатор,
непосредственно выпрямитель (вентиль) и фильтр для сглаживания. Диоды применяют в качестве вентилей,
так как по своим свойствам они отлично подходят для этих целей.

3. Стабилизаторы


Устройства, которые служат для реализации стабильности напряжения на выходе источников питания,
называются стабилизаторами. Они бывают разных видов, но каждый из них предполагает применение диодов.
Эти элементы могут использоваться либо в цепях, отвечающих за опорные напряжения, либо в цепях,
которые служат для коммутации накопительной индуктивности.

4. Ограничители


Ограничители – это специальные устройства, используемые для того,
чтобы ограничивать возможный диапазон колебания различных сигналов.
В цепях такого типа широко применяются диоды, которые имеют прекрасные ограничительные свойства.
В сложных устройствах могут использоваться и другие элементы,
но большинство ограничителей базируются на самых обычных диодных узлах стандартного типа.

5. Устройства коммутации


Диоды нашли применение и в устройствах коммутации, которые используются для того,
чтобы переключать токи или напряжения. Диодные мосты дают возможность размыкать
или замыкать цепь, которая служит для передачи сигнала. В работе применяется некоторое
управляющее напряжение, под воздействием которого и происходит замыкание или размыкание.
Иногда управляющим может быть сам входной сигнал, такое бывает в самых простых устройствах.

6.Логические цепи


В логических цепях диоды применяются для того, чтобы обеспечить прохождение тока в нужном направлении
(элементы «И», «ИЛИ»). Подобные цепи используются в схемах аналогового и аналогово-цифрового типа.
Здесь перечислены только основные устройства, в которых применяются диоды,
но существует и много других, менее распространенных.

Светодиоды


Светодиоды представляют собой полупроводниковые диоды,
которые излучают свет при прохождении через них электрического тока.
Они могут излучать разные цвета и делятся на такие типы — 3 мм, 5мм, 8мм, SMD 0603,
Top type, мигающий диод, диод с резистором, Star PCB, Emitter. В сравнении
с традиционными лампами светодиоды обладают многими преимуществами –
это экономичность, прочность, яркость света, долговечность,
низкий нагрев в процессе работы. Что касается недостатков,
то главным из них является цена, так как подобные приборы стоят достаточно дорого.
Рассмотрим различные виды светодиодных устройств, которые чаще всего применяются на практике.

1. Одиночные светодиоды


Подобные устройства широко используются в самой разной аппаратуре в качестве лампочек индикации,
которые чаще всего свидетельствуют о том, включен или выключен прибор. Кроме того,
они применяются для освещения различных небольших пространств, например в автомобилях.

2. 7’Segment


Технология Seven-Segment Display с использованием светодиодов применяется в электронных часах,
в различных измерительных приборах и в других технических средствах, которые предполагают
отображение цифровой информации на дисплее. В таких целях светодиоды используются еще с 1910 года,
но они не потеряли своей актуальности и сейчас.
7’Segment позволяет отображать простейшие данные на дисплее самым простым способом и с низкими энергозатратами.

3. Матрица светодиодов


Светодиодная матрица представляет собой определенное количество светодиодов,
которые размещаются на одной площадке. Главные характеристики таких устройств это яркость и размеры.
Большое количество применяемых диодов позволяет добиться высоких показателей освещения.
Устанавливаются подобные матрицы чаще всего в специальных плафонах,
которые могут использоваться в различных местах, например в салоне автомобиля, в его бардачке или в багажнике.

4. LED телевизоры


LED телевизоры – это телевизоры, принцип работы которых основывается на использовании светодиодов.
Они дают возможность добиться хорошего качества изображения и позволяют экономить на электроэнергии.
Благодаря небольшим размерам таких диодов, телевизионные экраны имеют значительно меньшую толщину,
чем у традиционных моделей. Кроме того, подобные устройства характеризуются надежностью и достаточно
большим сроком службы. Все телевизоры, изготовленные по этой технологии,
имеют боковую подсветку экрана и подсветку за матрицей.


Как видим, несмотря на свою простоту, диоды нашли применение в самых разнообразных технических областях,
и без их использования работа многих устройств весьма проблематична.
Следует заметить, что диоды находят и новые сферы применения.

hightolow.ru

Статьи и полезная информация от компании Duray о светотехнике

Светодиод: устройство, принцип работы, преимущества


Интерес к светодиодам растет быстрее, чем территория их применения в светотехнике. Производители и потребители, продавцы и покупатели — все как будто замерли на старте, боясь отстать от других. И только дизайнеры уже вовсю пользуются уникальными возможностями светодиодов. Давно прошло то время, когда светодиоды были интересны одним лишь ученым. Теперь светодиодная тема у всех на слуху. Говорят, за ними будущее.


Светодиоды излучают не только уникальный по своим характеристикам свет, но и завидный оптимизм по поводу своего места на рынке светотехники. Особенно активно экспансия LED разворачивается в области интерьерного оформления и светодизайна.


Настоящая публикация не случайно построена в форме вопросов и ответов (FAQ, frequently asked questions — часто задаваемые вопросы). Именно так заинтересованный человек подходит к новому для него объекту, с тем чтобы «пощупать» его с разных сторон и уж потом решить: нужен — не нужен. А мне задавать правильные вопросы и находить на них верные ответы помогал профессор МГУ Александр Эммануилович Юнович, один из ведущих российских специалистов по светодиодам.

1. Что такое светодиод?


Светодиод — это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток непосредственно в световое излучение. Кстати, по-английски светодиод называется light emitting diode, или LED.

2. Из чего состоит светодиод?


Из полупроводникового кристалла на подложке, корпуса с контактными выводами и оптической системы. Современные светодиоды мало похожи на первые корпусные светодиоды, применявшиеся для индикации.


Рис. 1. Конструкция светодиода Luxeon фирмы Lumileds lighting.

3. Как работает светодиод?


Свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок в области p-n-перехода. Значит, прежде всего нужен p-n-переход, то есть контакт двух полупроводников с разными типами проводимости. Для этого приконтактные слои полупроводникового кристалла легируют разными примесями: по одну сторону акцепторными, по другую — донорскими.


Но не всякий p-n-переход излучает свет. Почему? Во-первых, ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона. Во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой, для чего полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Эти условия в той или иной степени противоречат друг другу.


Реально, чтобы соблюсти оба условия, одного р-п-перехода в кристалле оказывается недостаточно, и приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры, так называемые гетероструктуры, за изучение которых российский физик академик Жорес Алферов получил Нобелевскую премию 2000 года.

4. Означает ли это, что чем больший ток проходит через светодиод, тем он светит ярче?


Разумеется, да. Ведь чем больше ток, тем больше электронов и дырок поступают в зону рекомбинации в единицу времени. Но ток нельзя увеличивать до бесконечности. Из-за внутреннего сопротивления полупроводника и p-n-перехода диод перегреется и выйдет из строя.

5. Чем хорош светодиод?


В светодиоде, в отличие от лампы накаливания или люминесцентной лампы, электрический ток преобразуется непосредственно в световое излучение, и, теоретически, это можно сделать почти без потерь. Действительно, светодиод (при должном теплоотводе) мало нагревается, что делает его незаменимым для некоторых приложений. Далее, светодиод излучает в узкой части спектра, его цвет чист, что особенно ценят дизайнеры, а УФ- и ИК-излучения, как правило, отсутствуют. Светодиод механически прочен и исключительно надежен, его срок службы достигает 100 тысяч часов, что в 100 раз больше, чем у лампочки накаливания, и в 10 раз больше, чем у люминесцентной лампы. Наконец, светодиод — низковольтный электроприбор, а стало быть, безопасный.

6. Чем плох светодиод?


Только одним — ценой. Пока что цена одного люмена, излученного светодиодом, в 100 раз выше, чем галогенной лампой. Но специалисты утверждают, что в ближайшие 2-3 года этот показатель будет снижен в 10 раз.

7. Когда светодиоды начали применяться для освещения?


Первоначально светодиоды применялись исключительно для индикации. Чтобы сделать их пригодными для освещения, необходимо было прежде всего научиться изготавливать белые светодиоды, а также увеличить их яркость, а точнее светоотдачу, то есть отношение светового потока к потребляемой энергии.


В 60-х и 70-х годах были созданы светодиоды на основе фосфида и арсенида галлия, излучающие в желто-зеленой, желтой и красной областях спектра. Их применяли в световых индикаторах, табло, приборных панелях автомобилей и самолетов, рекламных экранах, различных системах визуализации информации. По светоотдаче светодиоды обогнали обычные лампы накаливания. По долговечности, надежности, безопасности они тоже их превзошли. Одно было плохо — не существовало светодиодов синего, сине-зеленого и белого цвета.


К концу 80-х годов в СССР выпускалось более 100 млн светодиодов в год, а мировое производство составляло несколько десятков миллиардов.

8. От чего зависит цвет светодиода?


Исключительно от ширины запрещенной зоны, в которой рекомбинируют электроны и дырки, то есть от материала полупроводника, и от легирующих примесей. Чем «синее» светодиод, тем выше энергия квантов, а значит, тем больше должна быть ширина запрещенной зоны.

9. Какие трудности пришлось преодолеть ученым, чтобы изготовить голубой светодиод?


Голубые светодиоды можно сделать на основе полупроводников с большой шириной запрещенной зоны — карбида кремния, соединений элементов II и IV группы или нитридов элементов III группы. (Помните таблицу Менделеева?)


У светодиодов на основе SiC оказался слишком мал КПД и низок квантовый выход излучения (то есть число излученных квантов на одну рекомбинировавшую пару). У светодиодов на основе твердых растворов селенида цинка ZnSe квантовый выход был выше, но они перегревались из-за большого сопротивления и служили недолго. Оставалась надежда на нитриды.


Нитрид галлия GaN плавится при 2000 °С, при этом равновесное давление паров азота составляет 40 атмосфер; ясно, что растить такие кристаллы непросто. Аналогичные соединения — нитрилы алюминия и индия — тоже полупроводники. Их соединения образуют тройные твердые растворы с шириной запрещенной зоны, зависящей от состава, который можно подобрать так, чтобы генерировать свет нужной длины волны, в том числе и синий. Но… проблему не удавалось решить до конца 80-х годов.


Первым, еще в 70-х, голубой светодиод на основе пленок нитрида галлия на сапфировой подложке удалось получить профессору Жаку Панкову (Якову Исаевичу Панчечникову) из фирмы IBM (США). Квантовый выход был достаточен для практических применений, однако руководство сказало: «Ну, это ж на сапфире — дорого и не так уж ярко, к тому же p-n-переход нехорош…» — и работы Панкова не поддержали.


Между тем группа Сапарина и Чукичева из МГУ обнаружила, что под действием электронного пучка GaN с примесью цинка становится ярким люминофором, и даже запатентовала устройство оптической памяти. Но тогда загадочное явление объяснить не удалось.


Это сделали японцы — профессор И. Акасаки и доктор X. Амано из университета Нагоя. Обработав пленку GaN с примесью магния электронным пучком со сканированием, они получили ярко люминесцирующий слой р-типа с высокой концентрацией дырок. Однако разработчики светодиодов не обратили должного внимания на их публикации.


Лишь в 1989 году доктор Ш. Накамура из фирмы Nichia Chemical, исследуя пленки нитридов элементов III группы, сумел воспользоваться результатами профессора Акасаки. Он так подобрал легирование (Мд, Zn) и термообработку, заменив ею электронное сканирование, что смог получить эффективно инжектирующие слои р-типа в GaN-гетероструктурах. Вот как был получен голубой светодиод.


Фирма Nichia запатентовала ключевые этапы технологии и к концу 1997 года выпускала уже 10-20 млн голубых и зеленых светодиодов в месяц, а в январе 1998 года приступила к выпуску белых светодиодов.

10. Что такое квантовый выход светодиода?


Квантовый выход — это число излученных квантов света на одну рекомбинировавшую электроннодырочную пару. Различают внутренний и внешний квантовый выход. Внутренний — в самом p-n-переходе, внешний — для прибора в целом (ведь свет может теряться «по дороге» — поглощаться, рассеиваться). Внутренний квантовый выход для хороших кристаллов с хорошим теплоотводом достигает почти 100%, рекорд внешнего квантового выхода для красных светодиодов составляет 55%, а для синих — 35%.


Внешний квантовый выход — одна из основных характеристик эффективности светодиода.

11. Как получить белый свет с использованием светодиодов?


Существует три способа получения белого света от светодиодов. Первый — смешивание цветов по технологии RGB. На одной матрице плотно размещаются красные, голубые и зеленые светодиоды, излучение которых смешивается при помощи оптической системы, например линзы. В результате получается белый свет. Второй способ заключается в том, что на поверхность светодиода, излучающего в ультрафиолетовом диапазоне (есть и такие), наносится три люминофора, излучающих, соответственно, голубой, зеленый и красный свет. Это похоже на то, как светит люминесцентная лампа. И, наконец, в третьем способе желто-зеленый или зеленый плюс красный люминофор наносятся на голубой светодиод, так что два или три излучения смешиваются, образуя белый или близкий к белому свет.

12. Какой из трех способов лучше?


У каждого способа есть свои достоинства и недостатки. Технология RGB в принципе позволяет не только получить белый цвет, но и перемещаться по цветовой диаграмме при изменении тока через разные светодиоды. Этим процессом можно управлять вручную или посредством программы, можно также получать различные цветовые температуры. Поэтому RGB-матрицы широко используются в светодинамических системах. Кроме того, большое количество светодиодов в матрице обеспечивает высокий суммарный световой поток и большую осевую силу света. Но световое пятно из-за аберраций оптической системы имеет неодинаковый цвет в центре и по краям, а главное, из-за неравномерного отвода тепла с краев матрицы и из ее середины светодиоды нагреваются по-разному, и, соответственно, по-разному изменяется их цвет в процессе старения — суммарные цветовая температура и цвет «плывут» за время эксплуатации. Это неприятное явление достаточно сложно и дорого скомпенсировать.


Белые светодиоды с люминофорами существенно дешевле, чем светодиодные RGB-матрицы (в пересчете на единицу светового потока), и позволяют получить хороший белый цвет. И для них в принципе не проблема попасть в точку с координатами (0.33, 0.33) на цветовой диаграмме МКО. Недостатки же таковы: во-первых, у них меньше, чем у RGB-матриц, светоотдача из-за преобразования света в слое люминофора; во-вторых, достаточно трудно точно проконтролировать равномерность нанесения люминофора в технологическом процессе и, следовательно, цветовую температуру; и наконец в-третьих — люминофор тоже стареет, причем быстрее, чем сам светодиод. Промышленность выпускает как светодиоды с люминофором, так и RGB-матрицы — у них разные области применения.

13. Каковы электрические и оптические характеристики светодиодов?


Светодиод — низковольтный прибор. Обычный светодиод, применяемый для индикации, потребляет от 2 до 4 В постоянного напряжения при токе до 50 мА. Светодиод, который используется для освещения, потребляет такое же напряжение, но ток выше — от нескольких сотен мА до 1А в проекте. В светодиодном модуле отдельные светодиоды могут быть включены последовательно, и суммарное напряжение оказывается более высоким (обычно 12 или 24 В).


При подключении светодиода необходимо соблюдать полярность, иначе прибор может выйти из строя. Напряжение пробоя указывается изготовителем и обычно составляет более 5В для одного светодиода. Яркость светодиода характеризуется световым потоком и осевой силой света, а также диаграммой направленности. Существующие светодиоды разных конструкций излучают в телесном угле от 4 до 140 градусов. Цвет, как обычно, определяется координатами цветности и цветовой температурой, а также длиной волны излучения.


Для сравнения эффективности светодиодов между собой и с другими источниками света используется светоотдача: величина светового потока на один ватт электрической мощности. Также интересной маркетинговой характеристикой оказывается цена одного люмена.

14. Как реагирует светодиод на повышение температуры?


Говоря о температуре светодиода, необходимо различать температуру на поверхности кристалла и в области p-n-перехода. От первой зависит срок службы, от второй — световой выход. В целом с повышением температуры p-n-перехода яркость светодиода падает, потому что уменьшается внутренний квантовый выход из-за влияния колебаний кристаллической решетки. Поэтому так важен хороший теплоотвод.


Падение яркости с повышением температуры не одинаково у светодиодов разных цветов. Оно больше у AlGalnP- и AeGaAs-светодиодов, то есть у красных и желтых, и меньше у InGaN, то есть у зеленых, синих и белых.

15. Почему нужно стабилизировать ток через светодиод?


Как видно из рисунка 2, в рабочих режимах ток экспоненциально зависит от напряжения и незначительные изменения напряжения приводят к большим изменениям тока. Поскольку световой выход прямо пропорционален току, то и яркость светодиода оказывается нестабильной. Поэтому ток необходимо стабилизировать. Кроме того, если ток превысит допустимый предел, то перегрев светодиода может привести к его ускоренному старению.





Рис. 2. Зависимость силы тока от напряжения питания светодиода.

16. Для чего светодиоду требуется конвертор?


Конвертор (в англоязычной терминологии driver) для светодиода — то же, что балласт для лампы. Он стабилизирует ток, протекающий через светодиод.

17. Можно ли регулировать яркость светодиода?


Яркость светодиодов очень хорошо поддается регулированию, но не за счет снижения напряжения питания — этого-то как раз делать нельзя, — а так называемым методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), для чего необходим специальный управляющий блок (реально он может быть совмещен с блоком питания и конвертором, а также с контроллером управления цветом RGB-матрицы). Метод ШИМ заключается в том, что на светодиод подается не постоянный, а импульсно-модулированный ток, причем частота сигнала должна составлять сотни или тысячи герц, а ширина импульсов и пауз между ними может изменяться. Средняя яркость светодиода становится управляемой, в то же время светодиод не гаснет. Небольшое изменение цветовой температуры светодиода при диммировании несравнимо с аналогичным смещением для ламп накаливания.

18. Чем определяется срок службы светодиода?


Считается, что светодиоды исключительно долговечны. Но это не совсем так. Чем больший ток пропускается через светодиод в процессе его службы, тем выше его температура и тем быстрее наступает старение. Поэтому срок службы у мощных светодиодов короче, чем у маломощных сигнальных, и составляет в настоящее время 20-50 тысяч часов. Старение выражается в первую очередь в уменьшении яркости. Когда яркость снижается на 30% или наполовину, светодиод надо менять.

19. «Портится» ли цвет светодиода с течением времени?


Старение светодиода связано не только со снижением его яркости, но и с изменением цвета. В настоящее время нет стандартов, которые позволили бы выразить количественно изменение цвета светодиодов в процессе старения и сравнить с другими источниками.

20. Не вреден ли светодиод для человеческого глаза?


Спектр излучения светодиода близок к монохроматическому, в чем его кардинальное отличие от спектра солнца или лампы накаливания. Хорошо это или плохо — доподлинно не известно, потому что, насколько я знаю, серьезных исследований в этой области нигде не проводилось. Какие-либо данные о вредном воздействии светодиодов на человеческий глаз отсутствуют.


Есть надежда, что вскоре влияние светодиодов на зрение будет изучено досконально. Проблемой заинтересовался академик Михаил Аркадьевич Островский — крупный специалист в области цветного зрения. Тема, за решение которой он взялся, называется так: «Психофизическое восприятие светодиодного освещения системой зрения человека».

21. Когда и как сверхъяркие светодиоды появились в России?


Об этом лучше всех расскажет профессор Юнович.


Люминесценцию карбида кремния впервые наблюдал Олег Владимирович Лосев в Нижегородской радиотехнической лаборатории в 1923 г. и показал, что она возникает вблизи p-n-перехода. Первая научная статья о кристаллах нитрида галлия была опубликована профессором МГУ Г.С. Ждановым в 30-х гг. Люминесценцию в гетероструктурах на основе арсенида галлия впервые исследовали в лаборатории Ж.И. Алферова в 60-х гг. и показали, что можно создать структуры с внутренним квантовым выходом близким к 100%. Разработки структур и светодиодов на основе нитрида галлия велись в ленинградских Политехническом и Электротехническом институтах, в Калуге, в Зеленограде в 70-х гг., но они тогда не привели к созданию эффективных голубых светодиодов.


В 1995 году я прочел первые статьи Накамуры и понял, что «голубая проблема» в принципе решена. Тогда же я получил грант соросовского фонда. В декабре на эти деньги я смог поехать на конференцию в США, и там профессор Жак Панков познакомил меня с Ш. Накамурой. Я забросил наживку: мол, хочу приобщить студентов Московского университета к передовым достижениям в области голубых светодиодов и рассказать им о столь замечательном изобретении. Рыбка клюнула, и в феврале я получил от д-ра Ш. Накамуры из Японии бандеролью 10 светодиодов от фиолетового до зеленого. Все потом оказалось просто — фирма Nichia Chemical начинала выпуск светодиодов на рынок и была заинтересована в научной рекламе. В лаборатории МГУ мы их досконально исследовали, сняли все характеристики и получили новые научные результаты. Д-р Ш. Накамура дал любезное согласие на совместную публикацию наших первых статей.


Одновременно специалисты из группы Бориса Ферапонтовича Тринчука в Зеленограде продемонстрировали образцы зеленых светодиодов начальникам из ГАИ и получили положительный отзыв. Все дело в том, что эта группа сделала опытный образец светодиодного светофора, но у них не было хороших зеленых светодиодов. Светофоры с новыми сверхъяркими зелеными светодиодами намного превосходили светофоры с лампами, и московское правительство сделало заказ на 1000 светодиодных светофоров к 850-летию Москвы. Такое везение!


Как раз тогда у нас гостила киргизская скрипачка Райкан Карагулова — выпускница Московской консерватории, ученица моей жены, которая работала в Японии первым концертмейстером симфонического оркестра в Осаке. Выяснилось, что место ее работы находится неподалеку от фирмы Nichia Chemical! Б.Ф. Тринчук дал ей тысячу долларов и попросил купить на них и прислать на мой адрес 200 зеленых светодиодов. Из них были изготовлены первые светофоры из той юбилейной тысячи. Москва стала первым в мире городом с массовым применением светодиодных светофоров.


Наши ученые и инженеры в НИИ «Сапфир» пытались повторить достижение японцев и изготовить структуры на основе нитридов для голубых и зеленых светодиодов на старой эпитаксиальной установке, которую пришлось модернизировать, чтобы достичь более высоких температур и давлений. Но инициатива заглохла из-за отсутствия денег и интереса руководства.

22. Какие на сегодняшний день существуют технологии изготовления светодиодов и светодиодных модулей?


Что касается выращивания кристаллов, то основная технология — металлоорганическая эпитаксия. Для этого процесса необходимы особо чистые газы. В современных установках предусмотрены автоматизация и контроль состава газов, их раздельные потоки, точная регулировка температуры газов и подложек. Толщины выращиваемых слоев измеряются и контролируются в пределах от десятков ангстрем до нескольких микрон. Разные слои необходимо легировать примесями, донорами или акцепторами, чтобы создать p-n-переход с большой концентрацией электронов в n-области и дырок — в р-области.




Рис. 3. Схематическое представления светодиода.


За один процесс, который длится несколько часов, можно вырастить структуры на 6-12 подложках диаметром 50-75 мм. Очень важно обеспечить и проконтролировать однородность структур на поверхности подложек. Стоимость установок для эпитаксиального роста полупроводниковых нитридов, разработанных в Европе (фирмы Aixtron и Thomas Swan) и США (Emcore), достигает 1,5-2 млн долларов. Опыт разных фирм показал, что научиться получать на такой установке конкурентоспособные структуры с необходимыми параметрами можно за время от одного года до трех лет. Это технология, требующая высокой культуры.


Важным этапом технологии является планарная обработка пленок: их травление, создание контактов к n- и р-слоям, покрытие металлическими пленками для контактных выводов. Пленку, выращенную на одной подложке, можно разрезать на несколько тысяч чипов размерами от 0,24 x 0,24 до 1 x 1 мм2/.


Следующим шагом является создание светодиодов из этих чипов. Необходимо смонтировать кристалл в корпусе, сделать контактные выводы, изготовить оптические покрытия, просветляющие поверхность для вывода излучения или отражающие его. Если это белый светодиод, то нужно равномерно нанести люминофор. Надо обеспечить теплоотвод от кристалла и корпуса, сделать пластиковый купол, фокусирующий излучение в нужный телесный угол. Около половины стоимости светодиода определяется этими этапами высокой технологии.


Необходимость повышения мощности для увеличения светового потока привела к тому, что традиционная форма корпусного светодиода перестала удовлетворять производителей из-за недостаточного теплоотвода. Надо было максимально приблизить чип к теплопроводящей поверхности. В связи с этим на смену традиционной технологии и несколько более совершенной SMD-технологии (surface montage details — поверхностный монтаж деталей) приходит наиболее передовая технология СОВ (chip on board). Светодиод, изготовленный по технологии СОВ, схематически изображен на рисунке.


Светодиоды, выполненные по SMD- и СОВ-технологии, монтируются (приклеиваются) непосредственно на общую подложку, которая может исполнять роль радиатора — в этом случае она делается из металла. Так создаются светодиодные модули, которые могут иметь линейную, прямоугольную или круглую форму, быть жесткими или гибкими, короче, призваны удовлетворить любую прихоть дизайнера. Появляются и светодиодные лампы с таким же цоколем, как у низковольтных галогенных, призванные им на замену. А для мощных светильников и прожекторов изготавливаются светодиодные сборки на круглом массивном радиаторе.


Раньше в светодиодных сборках было очень много светодиодов. Сейчас, по мере увеличения мощности, светодиодов становится меньше, зато оптическая система, направляющая световой поток в нужный телесный угол, играет все большую роль.

23. Кто в мире сегодня производит светодиоды?


Чтобы делать качественные светодиоды в нужном количестве, понадобилось слияние двух отраслей — электронной и светотехнической. Все западные гиганты, производящие светодиоды для светотехники по полному циклу, начиная с производства чипов и заканчивая различными светодиодными модулями и сборками, а также светильниками на их основе, идут по этому пути. General Electric заключила союз с производителем полупроводниковых приборов Emcore, создав компанию GEL Core. Philips Lighting совместно с Agilent, дочерней компанией Hewlett-Packard, создали предприятие LumiLeds. Osram объединяет усилия с полупроводниковыми предприятиями своей материнской компании Siemens. Как заметил Макаранд Чипалкатти, менеджер по маркетингу из подразделения Opto Semiconductors компании Osram Sylvania, специализирующемуся на устройствах LED, производители светотехники сами уничтожают свой бизнес. Но если сегодня не «наступить на горло собственной песне», то завтра придут другие и сделают это куда более жестко.


Впрочем, существуют компании, специализирующиеся только на производстве чипов. Это предприятия радиоэлектронной промышленности, и они не занимаются светотехникой. К их числу относится Nichia Corporation.

24. Каковы основные производители светодиодных модулей и сборок и представленные ими модельные ряды?


Чипы и отдельные светодиоды производят компании Nichia Corporation, Сгее, LumiLeds Lighting, Opto Technology, Osram Opto Semiconductors, GEL Core. Массовое производство структур и чипов для светодиодов ведут тайваньские фирмы Lite-On, Taiwan Oasis и др.


В России светодиоды производят компании Корвет Лайт, Светлана Оптоэлектроника, Оптэл, Оптоника. По конструкции и технологическому исполнению наши светодиоды не уступают зарубежным, специалисты перечисленных компаний имеют соответствующие патенты. В Москве и Санкт-Петербурге есть возможность выращивать собственные чипы — например, эпитаксиальная установка имеется в Санкт-Петербургском физтехе, — но для промышленного производства необходимо крупное финансирование, и пока наши компании используют зарубежные чипы.

25. Где сегодня целесообразно применять светодиоды?


Светодиоды находят применение практически во всех областях светотехники, за исключением освещения производственных площадей, да и там могут использоваться в аварийном освещении. Светодиоды оказываются незаменимы в дизайнерском освещении благодаря их чистому цвету, а также в светодинамических системах. Выгодно же их применять там, где дорого обходится частое обслуживание, где необходимо жестко экономить электроэнергию, и где высоки требования по электробезопасности.

26. Возможности и применение


Изобретение первых светодиодов — полупроводниковых диодов в эпоксидной оболочке, выделяющих монохроматический свет при подключении к электротоку — относится к 1960-м годам. Однако до 1980-х низкая яркость, отсутствие светодиодов синего и белого цветов, а также высокие затраты на их производство ограничивали их массовое применение в качестве источников света. Поэтому светодиоды в основном использовали в наружных электронных табло, ими оборудовали системы регулирования дорожного движения, применяли в оптоволоконных системах передачи данных и медицинском оборудовании.


Появление сверх ярких, а также синих (в середине 1990-х годов) и белых диодов (в начале XXI века) и постоянное снижение их рыночной стоимости привлекли внимание многих производителей к данным источникам света. Светодиоды стали использовать в качестве индикаторов режимов работы электронных устройств, в подсветке жидкокристаллических экранов различных приборов, в том числе — мобильных телефонов и пр. Впоследствии применение светодиодов основных цветов (красного, синего и зеленого) позволило получать цвета вывесок фактически любых оттенков, а также конструировать из них дисплеи с выводом полноцветной графики и анимации.


Светодиоды, за счет их малой потребности в электроэнергии, — оптимальный выбор декоративного освещения в местах, где существуют проблемы с энергетикой.


Срок службы светодиодов, превышающий в 6-8 раз долговечность люминесцентных ламп, относительная простота в работе с ними на этапе сборки изделий, отсутствие необходимости в регулярном обслуживании и их антивандальные качества делают эти источники света конкурентоспособными с более традиционными газоразрядными, люминесцентными лампами и лампами накаливания. Одним из немногих и существенных аспектов, за счет которого неон удерживает свои позиции в сегменте подсветки вывесок, является пока еще более высокая стоимость светодиодов.

27. Преимущества


Экономично…


Одним из достоинств светодиодов является их долговечность. Данные источники света обладают ресурсом использования 100 000 часов, а ведь это 10-12 лет непрерывной работы. Для сравнения — максимальный срок работы неоновых и люминесцентных ламп составляет 10 тыс. часов.


За это же время в световом модуле, использующем люминесцентные лампы, их нужно будет сменить 8-10 раз, а лампы накаливания придется заново «вкручивать» от 30 до 40 раз. Использование светодиодных модулей позволяет снизить затраты на электроэнергию до 87%!


Удобно…


Светодиодный модуль — многокомпонентная структура с неприхотливой схемой подключения. В цепочке, скажем, из полусотни светодиодов один-два неисправных не только не выводят рекламный фрагмент из строя, но даже не влияют на суммарное световое излучение. Гигантский ресурс работы светодиодов практически решает проблемы, связанные с необходимостью их замены. Кроме того, светоизлучающие диоды способны надежно функционировать в самом широком диапазоне рабочих температур.


Надежно…


Есть надежность совершенно особого рода — та, от которой порою зависят человеческие жизни. Применение светодиодов в устройствах отображения информации (дорожные знаки, светофоры, информационные табло и т.д.) ведет к значительному увеличению расстояния их восприятия человеческим глазом. Неслучайно во многих крупных городах развитых стран уже нет обычных светофоров, а светодиодные схемы используются в воздушных и надводных навигационных системах.


Другим аспектом, благодаря которому светодиодам некоторыми заказчиками отдается предпочтение, являются их прочность и антивандальные качества. В отличие от стеклянных трубок данные источники света изготовлены из пластика. За счет этого их нелегко вывести из строя посредством механических повреждений. Характерное напряжение, необходимое для работы одного светодиода, — 3-4 вольта. Поэтому в условиях, когда требуется соблюдение повышенных мер безопасности или нет возможности использовать высокие напряжения, светодиоды являются оптимальным выбором. Рабочее напряжение светодиодных модулей, как упоминалось ранее, составляет 10-12 В. Очевидно, что при низком напряжении не требуется применять провода большого сечения с сильной изоляцией. Это также облегчает подключение светодиодов к электросети. У газоразрядных трубок, в отличие от светодиодов, есть порог срабатывания: чтобы источник света загорелся, в начале необходимо подать на разряд необходимое напряжение. Светодиоды же начинают излучать свет сразу при подключении к электросети, и их яркость легко регулировать наращиванием или снижением напряжения практически сразу после включения. Одним из важных преимуществ светодиодов является устойчивость к воздействию низких температур. Известно, что на морозе внутри газоразрядных источников света происходит вымерзание ртути, и это приводит к снижению яркости свечения. При отрицательных температурах также возникают проблемы с включением неона. Светодиоды лишены этих минусов.


Красиво…


Если бы LED-технологии не изобрели светотехники, их бы создали дизайнеры. Светодиоды, в отличие от ламп с неоном, имеют практически неограниченные возможности для «игры» со спектрами, цепочки которых можно выстроить таким образом, чтобы световые акценты точно работали на образ. Плавные, почти незаметные для глаза световые переходы от пика к пику в плане выразительности, конечно, уступают живописи, но оставляют далеко позади другие источники света. Изощренная цветодинамика, характерная для светодиодных модулей, способна удовлетворить требования самого требовательного дизайнера. Интересно, что игра со спектрами имеет и экологическое значение. Ведь кривые чувствительности, скажем, растений и человеческого глаза не совпадают: те спектры, которые комфортны для нашего глаза, часто дискомфортны для растений, и наоборот. Зональное использование различных светодиодных «цепочек» в тех интерьерах, где одновременно пребывают и растения, и человек, снимают эту проблему.


Представительно…


Светодиодные модули необычайно компактны. Различные сувениры, миниатюрные стенды и компактные табло, украшенные светодиодной символикой компании, смотрятся на удивление выразительно и необычно. Доля рынка светотехнических изделий, занимаемая светодиодами, составляет ничтожную долю. В развитых странах, особенно в крупных городах и столицах, она медленно, но верно возрастает. Своеобразным символом этой нежной и неизбежной революции стало гигантское 500-метровое полотно из светодиодов, непрерывно протянувшееся над главной улицей Лас-Вегаса.

duray.ru

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о