Полупроводниковый диод принцип действия: Принцип работы полупроводникового диода

Содержание

Принцип работы полупроводникового диода

Полупроводниковые диоды: виды,  характеристики, принцип работы

Для контроля направления электрического тока необходимо применять разные радио и электро детали.

В частности, современная электроника использует с такой целью полупроводниковый диод, его применение обеспечивает ровный ток.

Устройство

Полупроводниковый электрический диод или диодный вентиль – это устройство, которое выполнено из полупроводниковых материалов (как правило, из кремния) и работает только с односторонним потоком заряженных частиц.

Основным компонентом является кристаллическая часть, с p-n переходом, которая подключена к двум электрическими контактами.

Трубки вакуумного диода имеют два электрода: пластину (анод) и нагретый катод.

Принцип работы диодов

Диод является одной из разновидностей приборов, сконструированных на полупроводниковой основе. Обладает одним p-n переходом, а также анодным и катодным выводом. В большинстве случаев он предназначен для модуляции, выпрямления, преобразования и иных действий с поступающими электрическими сигналами.

Принцип работы:

  1. Электрический ток воздействует на катод, подогреватель начинает накаливаться, а электрод испускать электроны.
  2. Между двумя электродами происходит образование электрического поля.
  3. Если анод обладает положительным потенциалом, то он начинает притягивать электроны к себе, а возникшее поле является катализатором данного процесса. При этом, происходит образование эмиссионного тока.
  4. Между электродами происходит образование пространственного отрицательного заряда, способного помешать движению электронов. Это происходит, если потенциал анода оказывается слишком слабым. В таком случае, частям электронов не удается преодолеть воздействие отрицательного заряда, и они начинают двигаться в обратном направлении, снова возвращаясь к катоду.
  5. Все электроны, которые достигли анода и не вернулись к катоду, определяют параметры катодного тока. Поэтому данный показатель напрямую зависит от положительного анодного потенциала.
  6. Поток всех электронов, которые смогли попасть на анод, имеет название анодный ток, показатели которого в диоде всегда соответствуют параметрам катодного тока. Иногда оба показателя могут быть нулевыми, это происходит в ситуациях, когда анод обладает отрицательным зарядом. В таком случае, возникшее между электродами поле не ускоряет частицы, а, наоборот, тормозит их и возвращает на катод. Диод в таком случае остается в запертом состоянии, что приводит к размыканию цепи.

//www.youtube.com/embed/NqCaJhS0HGU?feature=oembed&wmode=opaque

Устройство

Ниже приводится подробное описание устройства диода, изучение этих сведений необходимо для дальнейшего понимания принципов действия этих элементов:

  1. Корпус представляет собой вакуумный баллон, который может быть изготовлен из стекла, металла или прочных керамических разновидностей материала.
  2. Внутри баллона имеется 2 электрода. Первый является накаленным катодом, который предназначен для обеспечения процесса эмиссии электронов. Самый простейший по конструкции катод представляет собой нить с небольшим диаметром, которая накаливается в процессе функционирования, но на сегодняшний день более распространены электроды косвенного накала. Они представляют собой цилиндры, изготовленные из металла, и обладающие особым активным слоем, способным испускать электроны.
  3. Внутри катода косвенного накала имеется специфический элемент – проволока, которая накаливается под воздействием электрического тока, она называется подогреватель.
  4. Второй электрод является анодом, он необходим для приема электронов, которые были выпущены катодом. Для этого он должен обладать положительным относительно второго электрода потенциалом. В большинстве случаев анод также имеет цилиндрическую форму.
  5. Оба электрода вакуумных приборов полностью идентичны эмиттеру и базе полупроводниковой разновидности элементов.
  6. Для изготовления диодного кристалла чаще всего используется кремний или германий. Одна из его частей является электропроводимой по p-типу и имеет недостаток электронов, который образован искусственным методом. Противоположная сторона кристалла также имеет проводимость, но n-типа и обладает избытком электронов. Между двумя областями имеется граница, которая и называется p-n переходом.

Такие особенности внутреннего устройства наделяют диоды их главным свойством – возможностью проведения электрического тока только в одном направлении.

Назначение

Ниже приводятся основные области применения диодов, на примере которых становится понятно их основное назначение:

  1. Диодные мосты представляют собой 4, 6 или 12 диодов, соединенных между собой, их количество зависит от типа схемы, которая может быть однофазной, трехфазной полумостовой или трехфазной полномостовой. Они выполняют функции выпрямителей, такой вариант чаще всего используется в автомобильных генераторах, поскольку внедрение подобных мостов, а также использование вместе с ними щеточно-коллекторных узлов, позволило в значительной степени сократить размеры данного устройства и увеличить степень его надежности.
    Если соединение выполнено последовательно и в одну сторону, то это повышает минимальные показатели напряжения, которое потребуется для отпирания всего диодного моста.
  2. Диодные детекторы получаются при комбинированном использовании данных приборов с конденсаторами. Это необходимо для того, чтобы было можно выделить модуляцию с низкими частотами из различных модулированных сигналов, в том числе амплитудно-модулированной разновидности радиосигнала. Такие детекторы являются частью конструкции многих бытовых потребителей, например, телевизоров или радиоприемников.
  3. Обеспечение защиты потребителей от неверной полярности при включении схемных входов от возникающих перегрузок или ключей от пробоя электродвижущей силой, возникающей при самоиндукции, которая происходит при отключении индуктивной нагрузки. Для обеспечения безопасности схем от возникающих перегрузок, применяется цепочка, состоящая из нескольких диодов, имеющих подключение к питающим шинам в обратном направлении. При этом, вход, которому обеспечивается защита, должен подключаться к середине этой цепочки. Во время обычного функционирования схемы, все диоды находятся в закрытом состоянии, но если ими было зафиксировано, что потенциал входа ушел за допустимые пределы напряжения, происходит активация одного из защитных элементов. Благодаря этому, данный допустимый потенциал получает ограничение в рамках допустимого питающего напряжения в сумме с прямым падением показателей напряжение на защитном приборе.
  4. Переключатели, созданные на основе диодов, используются для осуществления коммутации сигналов с высокими частотами. Управление такой системой осуществляется при помощи постоянного электрического тока, разделения высоких частот и подачи управляющего сигнала, которое происходит благодаря индуктивности и конденсаторам.
  5. Создание диодной искрозащиты. Используются шунт-диодные барьеры, которые обеспечивают безопасность путем ограничения напряжения в соответствующей электрической цепи. В совокупности с ними применяются токоограничительные резисторы, которые необходимы для ограничения показателей электрического тока, проходящего через сеть, и увеличения степени защиты.

Использование диодов в электронике на сегодняшний день весьма широко, поскольку фактически ни одна современная разновидность электронного оборудования не обходится без этих элементов.

Прямое включение диода

На p-n-переход диода может оказывать воздействие напряжение, подаваемое с внешних источников. Такие показатели, как величина и полярность, будут сказываться на его поведении и проводимом через него электрическом токе.

Ниже подробно рассмотрен вариант, при котором происходит подключение плюса к области p-типа, а отрицательного полюса к области n-типа. В этом случае произойдет прямое включение:

  1. Под воздействием напряжения от внешнего источника, в p-n-переходе сформируется электрическое поле, при этом его направление будет противоположным относительно внутреннего диффузионного поля.
  2. Напряжение поля значительно снизится, что вызовет резкое сужение запирающего слоя.
  3. Под воздействием этих процессов
    значительное количество электронов обретет возможность свободно переходить из p-области в n-область, а также в обратном направлении.
  4. Показатели тока дрейфа во время этого процесса остаются прежними, поскольку они напрямую зависят только от числа неосновных заряженных носителей, находящихся в области p-n-перехода.
  5. Электроны обладают повышенным уровнем диффузии, что приводит к инжекции неосновных носителей. Иными словами, в n-области произойдет повышение количества дырок, а в p-области будет зафиксирована повышенная концентрация электронов.
  6. Отсутствие равновесия и повышенное число неосновных носителей
    заставляет их уходить вглубь полупроводника и смешиваться с его структурой, что в итоге приводит к разрушению его свойств электронейтральности.
  7. Полупроводник при этом способен восстановить свое нейтральное состояние, это происходит благодаря получению зарядов от подключенного внешнего источника, что способствует появлению прямого тока во внешней электрической цепи.

Обратное включение диода

Теперь будет рассмотрен другой способ включения, во время которого изменяется полярность внешнего источника, от которого происходит передача напряжения:

  1. Главное отличие от прямого включения заключается в том, что создаваемое электрическое поле будет обладать направлением, полностью совпадающим с направлением внутреннего диффузионного поля. Соответственно, запирающий слой будет уже не сужаться, а, наоборот, расширяться.
  2. Поле, находящееся в p-n-переходе, будет оказывать ускоряющий эффект на целый ряд неосновных носителей заряда, по этой причине, показатели дрейфового тока останутся без изменений. Он будет определять параметры результирующего тока, который проходит через p-n-переход.
  3. По мере роста обратного напряжения, электрический ток, протекающий через переход, будет стремиться достичь максимальных показателей. Он имеет специальное название – ток насыщения.
  4. В соответствии с экспоненциальным законом, с постепенным увеличением температуры будут увеличиваться и показатели тока насыщения.

Прямое и обратное напряжение

Напряжение, которое оказывает воздействие на диод, разделяют по двум критериям:

  1. Прямое напряжение – это то, при котором происходит открытие диода и начинается прохождение через него прямого тока, при этом показатели сопротивления прибора являются крайне низкими.
  2. Обратное напряжение – это то, которое обладает обратной полярностью и обеспечивает закрытие диода с прохождением через него обратного тока. Показатели сопротивления прибора при этом начинают резко и значительно расти.

Сопротивление p-n-перехода является постоянно меняющимся показателем, в первую очередь на него оказывает влияние прямое напряжение, подающееся непосредственно на диод. Если напряжение увеличивается, то показатели сопротивления перехода будут пропорционально уменьшаться.

Это приводит к росту параметров прямого тока, проходящего через диод. Когда данный прибор закрыт, то на него воздействует фактически все напряжение, по этой причине показатели проходящего через диод обратного тока являются незначительными, а сопротивление перехода при этом достигает пиковых параметров.

Работа диода и его вольт-амперная характеристика

Под вольт-амперной характеристикой данных приборов понимается кривая линия, которая показывает то, в какой зависимости находится электрический ток, протекающий через p-n-переход, от объемов и полярности напряжения, воздействующего на него.

Подобный график можно описать следующим образом:

  1. Ось, расположенная по вертикали: верхняя область соответствует значениям прямого тока, нижняя область параметрам обратного тока.
  2. Ось, расположенная по горизонтали: область, находящаяся справа, предназначена для значений прямого напряжения; область слева для параметров обратного напряжения.
  3. Прямая ветвь вольт-амперной характеристики отражает пропускной электрический ток через диод. Она направлена вверх и проходит в непосредственной близости от вертикальной оси, поскольку отображает увеличение прямого электрического тока, которое происходит при увеличении соответствующего напряжения.
  4. Вторая (обратная) ветвь соответствует и отображает состояние закрытого электрического тока, который также проходит через прибор. Положение у нее такое, что она проходит фактически параллельно относительно горизонтальной оси. Чем круче эта ветвь подходит к вертикали, тем выше выпрямительные возможности конкретного диода.
  5. По графику можно наблюдать, что после роста прямого напряжения, протекающего через p-n-переход, происходит медленное увеличение показателей электрического тока. Однако постепенно, кривая достигает области, в которой заметен скачок, после которого происходит ускоренное нарастание его показателей. Это объясняется открытием диода и проведением тока при прямом напряжении. Для приборов, изготовленных из германия, это происходит при напряжении равном от 0,1В до 0,2В (максимальное значение 1В), а для кремниевых элементов требуется более высокий показатель от 0,5В до 0,6В (максимальное значение 1,5В).
  6. Показанное увеличение показателей тока может привести к перегреву полупроводниковых молекул. Если отведение тепла, происходящее благодаря естественным процессам и работе радиаторов, будет меньше уровня его выделения, то структура молекул может быть разрушена, и этот процесс будет иметь уже необратимый характер. По этой причине, необходимо ограничивать параметры прямого тока, чтобы не допустить перегрева полупроводникового материала. Для этого, в схему добавляются специальные резисторы, имеющие последовательное подключение с диодами.
  7. Исследуя обратную ветвь можно заметить, что если начинает увеличиваться обратное напряжение, которое приложено к p-n-переходу, то фактически незаметен рост параметров тока. Однако в случаях, когда напряжение достигает параметров, превосходящих допустимые нормы, может произойти внезапный скачок показателей обратного тока, что перегреет полупроводник и будет способствовать последующему пробою p-n-перехода.

Принцип работы

Понять принцип действия полупроводникового диода несложно. Все, что для этого понадобится — разбираться в базовых законах физики и знать, как происходят некоторые электрические процессы.

Изначально электроток действует на катод, что вызывает накаливание подогревательного элемента. В свою очередь, электродом испускаются электроны, а между двумя частями появляется электрическое поле.

Аноды с положительным зарядом воздействуют на электроны и притягивают их, а образованное поле выступает в качестве катализатора такой реакции. Также в этот момент формируется эмиссионный ток.

В двух электродах начинается формирование пространственно-отрицательного заряда, который может препятствовать протеканию электронов. Однако случается это лишь при снижении потенциала анода, в результате чего масса электронов не способна справиться с отрицательными элементами, что заставляет их перемещаться в обратном порядке, то есть электроны снова возвращаются к катоду.

Нередко показатели катодного тока держатся нулевой отметки — происходит это при воздействии частиц с зарядом минус. В результате образованное поле не заставляет электроны двигаться быстрее, а вызывает обратную реакцию — притормаживает их и заставляет вернуться обратно к катоду. В конечном итоге цепь размыкается, так как диод остается в запертом состоянии.

Конструкция диода

Одна из возможных конструкций диода показана ниже:

Рассмотрим одну из возможных конструкций прибора. Кристалл полупроводника 1 (например, с электронной проводимостью) размещен на металлической основе 3. На верхней части кристалла размещена примесь 2 (например индий), который обеспечивает наличие дырочной проводимости. Кристалл закрыт корпусом 4 во избежание различных механических повреждений p-n перехода.

С индиевой наплавки сделан изолированный вывод через стеклянный изолятор 5 – это анод прибора. Выводом же катода будет металлический корпус 3, которая также обеспечивает отвод тепла при работе устройства, чем защищает его от теплового пробоя и перегрева.

В свою очередь полупроводниковые элементы делят на:

  • Малая мощность – ток до 0,3 А;
  • Средняя – от 0,3 до 10 А;
  • Мощные – от 10 А;

Схемы включения диодов

Если возникнет необходимость пропускать через полупроводники токи, которые больше их номинальных, соединяют их параллельно, что позволит пропустить больший ток, но возникает необходимость использовать индуктивные делители, для выравнивания токов элементов, схема ниже:

При больших напряжениях – соединяют последовательно. Но для таких соединений необходимо применять специальных схемы коммутации, чтоб не допустить выход элементов из строя, они показаны ниже:

Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Принцип работы полупроводникового диода

Полупроводниковый диод — полупроводниковый прибор, в широком смысле — электронный прибор, изготовленный из полупроводникового материала, имеющий два электрических вывода (электрода). В более узком смысле — полупроводниковый прибор, во внутренней структуре которого сформирован один p-n-переход.

Диод — самый простейший по устройству в славном семействе полупроводниковых приборов. Если взять пластинку полупроводника, например германия, и в его левую половину ввести акцепторную примесь, а в правую донорную, то с одной стороны получится полупроводник типа P, соответственно с другой типа N. В середине кристалла получится, так называемый P-N переход, как показано на рисунке 1.

На этом же рисунке показано условное графическое обозначение диода на схемах: вывод катода (отрицательный электрод) очень похож на знак «-». Так проще запомнить.

Всего в таком кристалле две зоны с различной проводимостью, от которых выходят два вывода, поэтому полученный прибор получил название диод, поскольку приставка «ди» означает два.

В данном случае диод получился полупроводниковый, но подобные устройства были известны и раньше: например в эпоху электронных ламп был ламповый диод, называвшийся кенотрон. Сейчас такие диоды ушли в историю, хотя приверженцы «лампового» звука считают, что в ламповом усилителе даже выпрямитель анодного напряжения должен быть ламповым! 

Рисунок 1. Строение диода и обозначение диода на схеме

На стыке полупроводников с P и N проводимостями получается P-N переход (P-N junction), который является основой всех полупроводниковых приборов. Но в отличии от диода, у которого этот переход лишь один, транзисторы имеют два P-N перехода, а, например, тиристоры состоят сразу из четырех переходов.

P-N переход в состоянии покоя

Даже если P-N переход, в данном случае диод, никуда не подключен, все равно внутри него происходят интересные физические процессы, которые показаны на рисунке 2.

Рисунок 2. Диод в состоянии покоя

В области N имеется избыток электронов, она несет в себе отрицательный заряд, а в области P заряд положительный. Вместе эти заряды образуют электрическое поле. Поскольку разноименные заряды имеют свойство притягиваться, электроны из зоны N проникают в положительно заряженную зону P, заполняя собой некоторые дырки. В результате такого движения внутри полупроводника возникает, хоть и очень маленький (единицы наноампер), но все-таки ток.

В результате такого движения возрастает плотность вещества на стороне P, но до определенного предела. Частицы обычно стремятся распространяться равномерно по всему объему вещества, подобно тому, как запах духов распространяется на всю комнату (диффузия), поэтому, рано или поздно, электроны возвращаются обратно в зону N.

Если для большинства потребителей электроэнергии направление тока роли не играет, — лампочка светится, плитка греется, то для диода направление тока играет огромную роль. Основная функция диода проводить ток в одном направлении. Именно это свойство и обеспечивается P-N переходом.

Далее рассмотрим, как ведет себя диод в двух возможных случаях подключения источника тока.

Включение диода в обратном направлении

Если к полупроводниковому диоду подключить источник питания, как показано на рисунке 3, то ток через P-N переход не пройдет.

Рисунок 3. Обратное включение диода

Как видно на рисунке, к области N подключен положительный полюс источника питания, а к области P – отрицательный. В результате электроны из области N устремляются к положительному полюсу источника. В свою очередь положительные заряды (дырки) в области P притягиваются отрицательным полюсом источника питания. Поэтому в области P-N перехода, как видно на рисунке, образуется пустота, ток проводить просто нечем, нет носителей заряда.

При увеличении напряжения источника питания электроны и дырки все сильней притягиваются электрическим полем батарейки, в области же P-N перехода носителей заряда остается все меньше. Поэтому в обратном включении ток через диод не идет. В таких случаях принято говорить, что полупроводниковый диод заперт обратным напряжением.

Увеличение плотности вещества около полюсов батареи приводит к возникновению диффузии, — стремлению к равномерному распределению вещества по всему объему. Что и происходит при отключении элемента питания.

Обратный ток полупроводникового диода

Вот здесь как раз и настало время вспомнить о неосновных носителях, которые были условно забыты. Дело в том, что даже в закрытом состоянии через диод проходит незначительный ток, называемый обратным. Этот обратный ток и создается неосновными носителями, которые могут двигаться точно так же, как основные, только в обратном направлении. Естественно, что такое движение происходит при обратном напряжении. Обратный ток, как правило, невелик, что обусловлено незначительным количеством неосновных носителей.

С повышением температуры кристалла количество неосновных носителей увеличивается, что приводит к возрастанию обратного тока, что может привести к разрушению P-N перехода. Поэтому рабочие температуры для полупроводниковых приборов, — диодов, транзисторов, микросхем ограничены. Чтобы не допускать перегрева мощные диоды и транзисторы устанавливаются на теплоотводы – радиаторы.

Включение диода в прямом направлении

Показано на рисунке 4.

Рисунок 4. Прямое включение диода

Теперь изменим полярность включения источника: минус подключим к области N (катоду), а плюс к области P (аноду). При таком включении в области N электроны будут отталкиваться от минуса батареи, и двигаться в сторону P-N перехода. В области P произойдет отталкивание положительно заряженных дырок от плюсового вывода батареи. Электроны и дырки устремляются навстречу друг другу.

Заряженные частицы с разной полярностью собираются около P-N перехода, между ними возникает электрическое поле. Поэтому электроны преодолевают P-N переход и продолжают движение через зону P. При этом часть из них рекомбинирует с дырками, но большая часть устремляется к плюсу батарейки, через диод пошел ток Id.

Этот ток называется прямым током. Он ограничивается техническими данными диода, некоторым максимальным значением. Если это значение будет превышено, то возникает опасность выхода диода из строя. Следует, однако, заметить, что направление прямого тока на рисунке совпадает с общепринятым, обратным движению электронов.

Можно также сказать, что при прямом направлении включения электрическое сопротивление диода сравнительно небольшое. При обратном включении это сопротивление будет во много раз больше, ток через полупроводниковый диод не идет (незначительный обратный ток здесь в расчет не принимается). Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что диод ведет себя подобно обычному механическому вентилю: повернул в одну сторону — вода течет, повернул в другую — поток прекратился. За это свойство диод получил название полупроводникового вентиля.

Чтобы детально разобраться во всех способностях и свойствах полупроводникового диода, следует познакомиться с его вольт – амперной характеристикой. Также неплохо узнать о различных конструкциях диодов и частотных свойствах, о достоинствах и недостатках.

Ранее ЭлектроВести писали, что два больших проекта систем накопления энергии (СНЭ) на юге Техаса в США общей номинальной мощностью 200 МВт будут реализованы на основе технологий Wärtsilä. Накопители будут соединены непосредственно с системой передачи электроэнергии как самостоятельные участники рынка. Компания Wärtsilä также подписала сервисное соглашение с гарантированными на 10 лет эксплуатационными показателями.

По материалам: electrik.info.

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.

Полупроводниковый диод — это… Что такое Полупроводниковый диод?

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.[1]

Основные характеристики и параметры диодов

Диод ДГ-Ц25. 1959 г.
  • Вольт-амперная характеристика
  • Постоянный обратный ток диода
  • Постоянное обратное напряжение диода
  • Постоянный прямой ток диода
  • Диапазон частот диода
  • Дифференциальное сопротивление
  • Ёмкость
  • Пробивное напряжение
  • Максимально допустимая мощность
  • Максимально допустимый постоянный прямой ток диода

Классификация диодов

Типы диодов по назначению

  • Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный.
  • Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов, предназначены для применения в импульсных режимах работы.
  • Детекторные диоды предназначены для детектирования сигнала
  • Смесительные диоды предназначены для преобразования высокочастотных сигналов в сигнал промежуточной частоты.
  • Переключательные диоды предназначены для применения в устройствах управления уровнем сверхвысокочастотной мощности.
  • Параметрические
  • Ограничительные диоды предназначены для защиты радио и бытовой аппаратуры от повышения сетевого напряжения.
  • Умножительные
  • Настроечные
  • Генераторные

Типы диодов по частотному диапазону

  • Низкочастотные
  • Высокочастотные
  • СВЧ

Типы диодов по размеру перехода

  • Плоскостные
  • Точечные

Типы диодов по конструкции

Другие типы

Примечания

  1. Овечкин Ю. А. Полупроводниковые приборы: Учебник для техникумов. 3-е изд., перераб. и доп. — М. : Высш. шк., 1986
  2. 1 2 Бензарь В. К. Словарь-справочник по электротехнике, промышленной электронике и автоматике. — Минск: Вышэйшая школа, 1985.

Литература

  • Бензарь В. К. Словарь-справочник по электротехнике, промышленной электронике и автоматике. — Минск: Вышэйшая школа, 1985. — 176 с.
  • Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов. — 4-е изд., перераб. и доп. изд. — М.: Высшая школа, 1987. — 479 с.

Ссылки

Свойства p-n-перехода. Полупроводниковый диод. Принцип действия транзистора.

Свойства  pn-перехода.

Примесные полупроводники

 

Донорная примесь: основные носители заряда — свободные электроны. Остается положительный ион примеси.  Акцепторная примесь: основные носители заряда—дырки. Остается отрицательный ион примеси. В месте контактадонорного и акцепторного полупроводников возникает электронно-дырочный переход (p-n-переход).

Свойства р-п-перехода

1. Образуется запирающий слой, образованный зарядами ионов примеси: d=10-7 м,  Dj = 0.4—0,8 В.

2.  Направление внешнего поля (источника) совпадает с направлением контактного поля. Тока основных носителей заряда нет. Существует слабый токнеосновных носителей заряда. Такое включение называется обратным.

3. Прямое включение. Существует ток основных носителей заряда.

p-n-переход пропускает электрический ток только в одном направлении

(свойство односторонней проводимости).

Полупроводниковый диод

Схематическое изображение. Направление стрелки указывает направление тока.

Устройство диода.

Вольтамперная характеристика полупроводникового диода.

/, 2 участок приближенно прямолинеен -экспонента;

— пробой диода

0,3 обратный ток;

0,1— ток меняется нелинейно.

 Обратный ток обусловлен наличием неосновных носителей заряда.

Применение полупроводникового диода

Выпрямитель тока

Принцип действия транзистора

Условное обозначение

Направление стрелки — направление тока

На всех рисунках —  p-n-p— транзисторы.

Устройство биполярного транзистора.

Основные применения: элемент усилетеля тока, напряжения или мощности; электронный ключ (например, в генераторе электромагнитных колебаний).

Переход эмиттер — база включается в прямом направлении, а база — коллектор — в обратном. Через эмиттерный переход идет большое количество основных носителей заряда.  База очень тонкая. Концентрация основных носителей заряда в базе небольная. Поэтому рекомбинация электронов и дырок небольшая. Ток базы маленький. Заряды, пришедшие из эмиттера, по отношению к базе являютсянеосновными, поэтому они свободно проходят через коллекторный переход. До 95% дырок, попадающих из эмиттера в базу, проходят в коллектор. Т.е. Iэ ≈ Iб. При изменении Iэ с помощью источника переменного напря­жения одновременно почти во столько же раз изменяется Iк. Т.к. сопротивление коллекторного перехода во много раз превышает сопротивление эмиттерного, то при практически равных токах, напряжение на эмиттере много меньше напряжения на коллекторе.

1. Полупроводниковые диоды, принцип действия, характеристики полупроводниковый диод


Подборка по базе: Закономерности, принципы и цели воспитания.pptx, Размещение и перемещение тыла осуществляется в соответствии с оп, Ғимараттардың тірек және қоршау конструкцияларын жобалаудың жалп, 38 Б.3. 10. Физико-химические основы и общие принципы переработ, Лекция 1 — Периферийные устройства назначение и классификация. О, 1) Общие принципы_модель Хилла.pptx, Лекция №1 Тема Общие принципы организации и ведения кассовых и б, Тема 1.3. основные принципы обеспечения охраны труда.doc, Основные принципы организации и деятельности таможенных органов , Осн принципы доказ мед РОС.docx

1.Полупроводниковые диоды, принцип действия, характеристики:

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД — полупроводниковый прибор с двумя электродами, обладающий односторонней проводимостью. К полупроводниковым диодам относят обширную группу приборов с p-n-переходом, контактом металл — полупроводник и др. Наиболее распространены электропреобразовательные полупроводниковые диоды. Служат для преобразования и генерирования электрических колебаний. Один из основных современных электронных приборов. 

Принцип действия полупроводникового диода
В основе принципа действия полупроводникового диода — свойства электронно-дырочного перехода, в частности, сильная асимметрия вольт-амперной характеристики относительно нуля. Таким образом различают прямое и обратное включение. В прямом включении диод обладает малым электросопротивлением и хорошо проводит электрический ток. В обратном — при напряжении меньше напряжения пробоя сопротивление очень велико и ток перекрыт.

Характеристики:

2.Полупроводниковые диоды, прямое и обратное включение, ВАХ:

Прямое и обратное включение:

При прямом включении p-n-перехода внешнее напряжение создает в переходе поле, которое противоположно по направлению внутреннему диффузионному полю. Напряженность результирующего поля падает, что сопровождается сужением запирающего слоя. В результате этого большое количество основных носителей зарядов получает возможность диффузионно переходить в соседнюю область (ток дрейфа при этом не изменяется, поскольку он зависит от количества неосновных носителей, появляющихся на границах перехода), т.е. через переход будет протекать результирующий ток, определяемый в основном диффузионной составляющей. Диффузионный ток зависит от высоты потенциального барьера и по мере его снижения увеличивается экспоненциально.

Повышенная диффузия носителей зарядов через переход привод к повышению концентрации дырок в области n-типа и электронов в области p-типа. Такое повышение концентрации неосновных носителей вследствие влияния внешнего напряжения, приложенного к переходу, называется инжекцией неосновных носителей. Неравновесные неосновные носители диффундируют вглубь полупроводника и нарушают его электронейтральность. Восстановление нейтрального состояния полупроводника происходит за счет поступления носителей зарядов от внешнего источника. Это является причиной возникновения тока во внешней цепи, называемого прямым.

При включении p-n-перехода в обратном направлении внешнее обратное напряжение создает электрическое поле, совпадающее по направлению с диффузионным, что приводит к росту потенциального барьера и увеличению ширины запирающего слоя. Все это уменьшает диффузионные токи основных носителей. Для неосновных носителе поле в p-n-переходе остается ускоряющим, и поэтому дрейфовый ток не изменяется.

Таким образом, через переход будет протекать результирующий ток, определяемый в основном током дрейфа неосновных носителей. Поскольку количество дрейфующих неосновных носителей не зависит от приложенного напряжения (оно влияет только на их скорость), то при увеличении обратного напряжения ток через переход стремиться к предельному значению IS , которое называется током насыщения. Чем больше концентрация примесей доноров и акцепторов, тем меньше ток насыщения, а с увеличением температуры ток насыщения растет по экспоненциальному закону.

ВАХ:

На графике изображены ВАХ для прямого и обратного включения диода. Ещё говорят, прямая и обратная ветвь вольт-амперной характеристики. Прямая ветвь (Iпр и Uпр) отображает характеристики диода при прямом включении (то есть когда на анод подаётся «плюс»). Обратная ветвь (Iобр и Uобр) отображает характеристики диода при обратном включении (то есть когда на анод подаётся «минус»).

Синяя толстая линия – это характеристика германиевого диода (Ge), а чёрная тонкая линия – характеристика кремниевого (Si) диода. На рисунке не указаны единицы измерения для осей тока и напряжения, так как они зависят от конкретной марки диода.

Для начала определим, как и для любой плоской системы координат, четыре координатных угла (квадранта). Напомню, что первым считается квадрант, который находится справа вверху (то есть там, где у нас буквы Ge и Si). Далее квадранты отсчитываются против часовой стрелки.

Итак, II-й и IV-й квадранты у нас пустые. Это потому, что мы можем включить диод только двумя способами – в прямом или в обратном направлении. Невозможна ситуация, когда, например, через диод протекает обратный ток и одновременно он включен в прямом направлении, или, иными словами, невозможно на один вывод одновременно подать и «плюс» и «минус». Точнее, это возможно, но тогда это будет короткое замыкание. Остаётся рассмотреть только два случая – прямое включение диода и обратное включение диода.

График прямого включения нарисован в первом квадранте. Отсюда видно, что чем больше напряжение, тем больше ток. Причём до какого-то момента напряжение растёт быстрее, чем ток. Но затем наступает перелом, и напряжение почти не меняется, а ток начинает расти. Для большинства диодов этот перелом наступает в диапазоне 0,5…1 В. Именно это напряжение, как говорят, «падает» на диоде. Эти 0,5…1 В и есть падение напряжения на диоде. Медленный рост тока до напряжения 0,5…1В означает, что на этом участке ток через диод практически не идёт даже в прямом направлении.

График обратного включения нарисован в третьем квадранте. Отсюда видно, что на значительном участке ток почти не изменяется, а затем увеличивается лавинообразно. Если увеличить, напряжение, например, до нескольких сотен вольт, то это высокое напряжение «пробьёт» диод, и ток через диод будет течь. Вот только «пробой» — это процесс необратимый (для диодов). То есть такой «пробой» приведет к выгоранию диода и он либо вообще перестанет пропускать ток в любом направлении, либо наоборот – будет пропускать ток во всех направлениях.

В характеристиках конкретных диодов всегда указывается максимальное обратное напряжение – то есть напряжение, которое может выдержать диод без «пробоя» при включении в обратном направлении. Это нужно обязательно учитывать при разработке устройств, где применяются диоды.

Сравнивая характеристики кремниевого и германиевого диодов, можно сделать вывод, что в p-n-переходах кремниевого диода прямой и обратный токи меньше, чем в германиевом диоде (при одинаковых значениях напряжения на выводах). Это связано с тем, что у кремния больше ширина запрещённой зоны и для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости им необходимо сообщить большую дополнительную энергию.

3. Полупроводниковые диоды, классификация по конструктивным особенностям и области применения:

Классификация полупроводниковых диодов:

По исходному полупроводниковому материалу диоды делятся на две основные группы: германиевые и кремниевые. Первые работают при температурах не выше +70°С, а вторые – до +125-150°С.

По конструктивно-технологическому признаку также различают две разновидности диодов: точечные и плоскостные. У точечных диодов выпрямляющий контакт образуется в точке касания полупроводниковой пластинки острием металлической иглы, причем пропускное направление соответствует прохождению тока от иглы к пластинке. У плоскостных диодов выпрямляющими свойствами обладает поверхность раздела двух областей полупроводника с разными типами проводимости (дырочной p и электронной n) внутри монокристаллического объема полупроводника (p-n переход). Наиболее распространенными плоскостными диодами являются так называемые сплавные, у которых p-n переход образуется в результате рекристаллизации сплава исходного полупроводника с помещенной на его поверхности таблеткой примесного вещества.

Сплавные диоды позволяют пропускать значительно большие токи и отличаются лучшим постоянством характеристик, но обладают повышенными емкостями, что ограничивает их применение на высоких частотах. Промежуточными свойствами обладают микросплавные диоды. Они изготавливаются путем электролитического осаждения тонкой пленки примесного вещества на поверхность монокристаллической пластинки исходного полупроводника и последующего вплавления этой примеси.

Области применения:

По областям применения различают диоды универсального назначения, силовые выпрямительные диоды, стабилизаторы напряжения («опорные» диоды) и ряд разновидностей диодов специализированного назначения (смесительные и модуляторные диоды, диоды для умножения частоты, для параметрических усилителей и др.). Выпускаются также высоковольтные выпрямительные столбы, состоящие из нескольких однотипных диодов, включенных последовательно.

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. 
4. Биполярные транзисторы, принцип действия:

Биполярный транзистор — электронный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Транзистор называется биполярный, поскольку в работе прибора одновременно участвуют два типа носителей заряда – электроны и дырки. Этим он отличается от униполярного (полевого) транзистора, в работе которого участвует только один тип носителей заряда.

Принцип действия:

Принцип работы похож на работу водяного крана, который регулирует водяной поток, только через транзистор проходит поток электронов. У биполярных транзисторов через прибор проходят два тока — основной «большой» ток, и управляющий «маленький» ток. Мощность основного тока зависит от мощности управляющего.

Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой. Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам.
Между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора), а между эмиттером и базой — слабый управляющий ток (ток базы). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы.
Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй — с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки». 

Поскольку переход ЭБ открыт, то электроны легко «перебегают» в базу. Там они частично рекомбинируют с дырками, но большая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, как мы помним, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны — неосновные носители заряда, то электирическое поле перехода помогает им преодолеть его. Таким образом, ток коллетора получается лишь немного меньше тока эмиттера. Если увеличить ток базы, то переход ЭБ откроется сильнее, и между эмиттером и коллектором сможет проскочить больше электронов. А поскольку ток коллектора изначально больше тока базы, то это изменение будет весьма и весьма заметно. Таким образом, произойдет усиление слабого сигнала, поступившего на базу. Еще раз: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабого изменения тока базы.

5. Биполярные транзисторы, распределение токов в кристалле:

Свойства транзисторов и их характеристики в значительной мере определяются процессами переноса носителей заряда от эмиттера к коллектору, которые в свою очередь, зависят от закона распределения примесей в базе.

В равновесном состоянии во всех областях транзистора устанавливается концентрация носителей в соответствии с законом действующих масс np = n2i. Концентрация неосновных носителей каждой области определяют по степени её легирования. Обычно концентрация примесей в базовой области бездрейфового транзистора на два-три порядка меньше, чем в областях эмиттера и коллектора.

Приложение напряжения смещения на p-n переход меняет концентрацию неосновных носителей заряда на границе соседних областей. Причем при прямом смещении концентрация неосновных носителей растёт, а при обратном — падает. Аналогично меняется концентрация основных носителей в областях транзисторов возле границы p-n переходов.

В транзисторе возможны четыре комбинации знаков напряжения, которые подаются на эмиттерный и коллекторный переходы (на диаграмме ниже). В соответствии с этим различают четыре режима работы транзистора:


  • режим отсечки — оба перехода смещены в обратном направлении;

  • режим насыщения — оба перехода смещено в прямом направлении;

  • активный нормальный режим (режим усиления) — эмиттерный переход смещен в прямом, а коллекторный в обратном направлениях;

  • активный инверсный режим — коллекторный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный в обратном направлении.

В режиме насыщения эмиттерный и коллекторный p-n переходы смещены в прямом направлении. Через оба перехода в базу инжектируются неосновные носители, концентрация которых значительно превышает равновесную. Это приводит к к интенсивной рекомбинации, которая вызывает поступление электронов в базу через внешний вывод. Характер распределения дырок в базе определяется напряжениями смещения p-n переходов. В режиме насыщения нет возможности управления токами транзистора.

В активном нормальном режиме эмиттерный переход смещен в прямом направлении, коллекторный — в обратном. Через эмиттерный переход в базу инжектируются дырки, а из базы в эмиттер — электроны. Далее под действием градиента концентрации диффузируют в сторону коллектора и частично рекомбинируют в базе. Достигши коллекторного перехода, дырки подхватываются его полем и перебрасываются в область коллектора, где движутся к омическому контакту и создают коллекторный ток.

Одновременно из коллектора в базу дрейфуют электроны, где они частично компенсируют избыточный заряд дырок, а частично рекомбинируют. Количество электронов, которых не хватает для компенсации заряда дырок, поступают в базу от источника через базовый вывод. Следует отметить, что в ряде случаев, например, с уменьшением диффузии дырок, в базе появляется избыточный заряд электронов и они будут вытекать через внешний электрод. Электроны поступают или выбывают таким образом, что в базе всегда сохраняется электронейтральность.

Уровень рекомбинации дырок определяется временем их пребывания в базе, то есть зависит от её длины. По этому для уменьшения уровня рекомбинации толщина базы должна быть значительно меньше чем диффузная длина дырок (WБp).

В инверсном режиме эмиттерный переход смещен в обратном направлении, а коллекторный — в прямом. При этом роль инжекторного выполняет коллекторный переход, а собирательно — эмиттерный. Если площади эмиттерного и коллекторного переходов одинаковы (симметричные транзисторы), тогда нет никакого принципиального отличия в распределении избыточных носителей, который был в активном режиме. На практике, за исключением специальных случаев, площадь коллекторного перехода формируют больше чем площадь эмиттерного перехода (несимметричные транзисторы), что необходимо для эффективного собирания коллектором носителей, которые инжектируются эмиттером. По этому в инверсном режиме в таких транзисторах, кроме рекомбинации избыточных носителей в объеме базы, существенную роль играет и поверхностная рекомбинация, вследствие чего эффективность работы транзистора в инверсном режиме оказывается ниже, чем в активном.

6. Биполярные транзисторы, коэффициент инжекции, переноса, передачи тока:

Полупроводниковый диод

Определение «Полупроводниковый диод» в Большой Советской Энциклопедии


Полупроводниковый диод, двухэлектродный электронный прибор на основе полупроводникового (ПП) кристалла. Понятие «Полупроводниковый диод» объединяет различные приборы с разными принципами действия, имеющие разнообразное назначение. Система классификации Полупроводниковый диод соответствует общей системе классификации полупроводниковых приборов. В наиболее распространённом классе электропреобразовательных Полупроводниковый диод различают: выпрямительные диоды, импульсные диоды, стабилитроны, диоды СВЧ (в т. ч. видеодетекторы, смесительные, параметрические, усилительные и генераторные, умножительные, переключательные). Среди оптоэлектронных Полупроводниковый диод выделяют фотодиоды, светоизлучающие диоды и ПП квантовые генераторы.
Наиболее многочисленны Полупроводниковый диод, действие которых основано на использовании свойств электронно-дырочного перехода (р—n-перехода). Если к р—n-переходу диода (рис. 1) приложить напряжение в прямом направлении (т. н. прямое смещение), т. е. подать на его р-область положительный потенциал, то потенциальный барьер, соответствующий переходу, понижается и начинается интенсивная инжекция дырок из р-области в n-область и электронов из n-области в р-область — течёт большой прямой ток (рис. 2). Если приложить напряжение в обратном направлении (обратное смещение), то потенциальный барьер повышается и через р—n-переход протекает лишь очень малый ток неосновных носителей заряда (обратный ток). На рис. 3 приведена эквивалентная схема такого Полупроводниковый диод
На резкой несимметричности вольтамперной характеристики (ВАХ) основана работа выпрямительных (силовых) диодов. Для выпрямительных устройств и др. сильноточных электрических цепей выпускаются выпрямительные Полупроводниковый диод, имеющие допустимый выпрямленный ток Iв до 300 а и максимальное допустимое обратное напряжение U*обр от 20—30 в до 1—2 кв. Полупроводниковый диод аналогичного применения для слаботочных цепей имеют Iв< 0,1 а и называются универсальными. При напряжениях, превышающих U*o6p, ток резко возрастает, и возникает необратимый (тепловой) пробой р—n-перехода, приводящий к выходу Полупроводниковый диод из строя. С целью повышения U*обр до нескольких десятков кв используют выпрямительные столбы, в которых несколько одинаковых выпрямительных Полупроводниковый диод соединены последовательно и смонтированы в общем пластмассовом корпусе. Инерционность выпрямительных диодов, обусловленная тем, что время жизни инжектированных дырок (см. Полупроводники) составляет > 10-5—10-4сек, ограничивает частотный предел их применения (обычно областью частот 50—2000 гц).

  Использование специальных технологических приёмов (главным образом легирование германия и кремния золотом) позволило снизить время переключения до 10-710-10 сек и создать быстродействующие импульсные Полупроводниковый диод, используемые, наряду с диодными матрицами, главным образом в слаботочных сигнальных цепях ЭВМ.

При невысоких пробивных напряжениях обычно развивается не тепловой, а обратимый лавинный пробой р—n-перехода — резкое нарастание тока при почти неизменном напряжении, называется напряжением стабилизации U. На использовании такого пробоя основана работа полупроводниковых стабилитронов. Стабилитроны общего назначения с Ucт от 3—5 в до 100—150 в применяют главным образом в стабилизаторах и ограничителях постоянного и импульсного напряжения; прецизионные стабилитроны, у которых встраиванием компенсирующих элементов достигается исключительно высокая температурная стабильность U (до 1×10-5— 5×10-6 К-1), — в качестве источников эталонного и опорного напряжений.

В предпробойной области обратный ток диода подвержен очень значительным флуктуациям; это свойство р—n-перехода используют для создания генераторов шума. Инерционность развития лавинного пробоя в р—n-переходе (характеризующаяся временем 10-9—10-10сек) обусловливает сдвиг фаз между током и напряжением в диоде, вызывая (при соответствующей схеме включения его в электрическую цепь) генерирование СВЧ колебаний. Это свойство успешно используют в лавинно-пролётных полупроводниковых диодах, позволяющих осуществлять генераторы с частотами до 150 Ггц.

  Для детектирования и преобразования электрических сигналов в области СВЧ используют смесительные Полупроводниковый диод и видеодетекторы, в большинстве которых р—n-переход образуется под точечным контактом. Это обеспечивает малое значение ёмкости Св (рис. 3), а специфическое, как и у всех СВЧ диодов, конструктивное оформление обеспечивает малые значения паразитных индуктивности Lk и ёмкости Ск и возможность монтажа диода в волноводных системах.

При подаче на р—n-переход обратного смещения, не превышающего U*обр, он ведёт себя как высокодобротный конденсатор, у которого ёмкость Св зависит от величины приложенного напряжения. Это свойство используют в варикапах, применяемых преимущественно для электронной перестройки резонансной частоты колебательных контуров, в параметрических полупроводниковых диодах, служащих для усиления СВЧ колебаний, в варакторах и умножительных диодах, служащих для умножения частоты колебаний в диапазоне СВЧ. В этих Полупроводниковый диод стремятся уменьшить величину сопротивления rб (основной источник активных потерь энергии) и усилить зависимость ёмкости Свот напряжения Uo6p.

  У р—n-перехода на основе очень низкоомного (вырожденного) полупроводника область, обеднённая носителями заряда, оказывается очень тонкой (~ 10-2 мкм), и для неё становится существенным туннельный механизм перехода электронов и дырок через потенциальный барьер (см. Туннельный эффект). На этом свойстве основана работа туннельного диода, применяемого в сверхбыстродействующих импульсных устройствах (например, мультивибраторах, триггерах), в усилителях и генераторах колебаний СВЧ, а также обращенного диода, применяемого в качестве детектора слабых сигналов и смесителя СВЧ колебаний. Их ВАХ (рис. 4) существенно отличаются от ВАХ других Полупроводниковый диод как наличием участка с «отрицательной проводимостью», ярко выраженной у туннельного диода, так и высокой проводимостью при нулевом напряжении.

К Полупроводниковый диод относят также ПП приборы с двумя выводами, имеющие неуправляемую четырёхслойную р—n—р—n-структуру и называют динисторами (см. Тиристор), а также приборы, использующие объёмный эффект доменной неустойчивости в ПП структурах без р—n-перехода — Ганна диоды. В Полупроводниковый диод используют и др. разновидности ПП структур: контакт металл — полупроводник (см. Шотки эффект, Шотки диод) и р—i—n-структуру, характеристики которых во многом сходны с характеристиками р—n-перехода. Свойство р—i—n-структуры изменять свои электрические характеристики под действием излучения используют, в частности, в фотодиодах и детекторах ядерных излучений, устроенных т. о., что фотоны или ядерные частицы могут поглощаться в активной области кристалла, непосредственно примыкающей к р—n-переходу, и изменять величину обратного тока последнего. Эффект излучательной рекомбинации электронов и дырок, проявляющийся в свечении некоторых р—n-переходов при протекании через них прямого тока, используется в светоизлучающих диодах. К Полупроводниковый диод могут быть отнесены также и полупроводниковые лазеры.

  Большинство Полупроводниковый диод изготавливают, используя планарно-эпитаксиальную технологию (см. Планарная технология), которая позволяет одновременно получать до нескольких тысяч Полупроводниковый диод В качестве полупроводниковых материалов для Полупроводниковый диод применяют главным образом Si, а также Ge, GaAs, GaP и др., в качестве контактных материалов — Au, Al, Sn, Ni, Cu. Для защиты кристалла Полупроводниковый диод его обычно помещают в металло-стеклянный, металло-керамический, стеклянный или пластмассовый корпус (рис. 5).

В СССР для обозначения Полупроводниковый диод применяют шестизначный шифр, первая буква которого характеризует используемый полупроводник, вторая — класс диода, цифры определяют порядковый номер типа, а последняя буква — его группу (например, ГД402А — германиевый универсальный диод; КС196Б — кремниевый стабилитрон).

От своих электровакуумных аналогов, например кенотрона, газоразрядного стабилитрона, индикатора газоразрядного, Полупроводниковый диод отличаются значительно большими надёжностью и долговечностью, меньшими габаритами, лучшими техническими характеристиками, меньшей стоимостью и поэтому вытесняют их в большинстве областей применения.

С развитием ПП электроники совершился переход к производству наряду с дискретными Полупроводниковый диод диодных структур в ПП монолитных интегральных схемах и функциональных устройствах, где Полупроводниковый диод неотделим от всей конструкции устройства.
Об исторических сведениях см. в ст. Полупроводниковая электроника.
 

  Лит.: Полупроводниковые диоды. Параметры. Методы измерений, М., 1968; Федотов Я. А., Основы физики полупроводниковых приборов, М., 1970; Пасынков В. В., Чиркин Л. К., Шинков А. Д., Полупроводниковые приборы, М., 1973; Зи С. М., Физика полупроводниковых приборов, пер. с англ., М., 1973.
  Ю. Р. Носов.

U — напряжение на диоде; I — ток через диод.» href=»/a_pictures/18/10/204941466.jpg»>U — напряжение на диоде; I — ток через диод.»http://uranium.atomistry.com/»>U — напряжение на диоде; I — ток через диод.» src=»a_pictures/18/10/th_204941466.jpg»>
Рис. 4. Вольтамперные характеристики туннельного (1) и обращенного (2) диодов: U — напряжение на диоде; I — ток через диод.
U — напряжение на диоде; I — ток через диод; U*oбр и I*oбр — максимальное допустимое обратное напряжение и соответствующий обратный ток; Ucт — напряжение стабилизации.» href=»/a_pictures/18/10/209762612.jpg»>U — напряжение на диоде; I — ток через диод; U*oбр и I*oбр — максимальное допустимое обратное напряжение и соответствующий обратный ток; Ucт — напряжение стабилизации.»http://uranium.atomistry.com/»>U — напряжение на диоде; I — ток через диод; U*oбр и I*oбр — максимальное допустимое обратное напряжение и соответствующий обратный ток; Ucт — напряжение стабилизации.» src=»a_pictures/18/10/th_209762612.jpg»>
Рис. 2. Типичная вольтамперная характеристика полупроводникового диода с р — n-переходом: U — напряжение на диоде; I — ток через диод; U*oбр и I*oбр — максимальное допустимое обратное напряжение и соответствующий обратный ток; Ucт — напряжение стабилизации.



Статья про «Полупроводниковый диод» в Большой Советской Энциклопедии была прочитана 266 раз
Полупроводниковый диод

— Принцип работы — Области применения

Полупроводниковый диод — это простейшее полупроводниковое устройство, которое можно найти практически в любой электронной схеме. Диоды изготавливаются из германия и кремния (наиболее распространены). Диоды состоят из двух частей: «N-слоя» (катода) и «P-слоя» (анода), которые разделены перегородкой.

Этот барьер имеет 0,3 В в германиевом диоде и приблизительно 0,6 В в кремниевом диоде.

Принцип работы диода

N-слой диода имеет свободные электроны, а P-слой диода имеет свободные дырки (отсутствие электронов).

— Когда положительное напряжение приложено к P-слою и отрицательное напряжение к N-слою, электроны в N-слое выталкиваются в P-слой, и электроны проходят через P-материал за пределы полупроводника.

Аналогичным образом отверстия в материале P проталкиваются отрицательным напряжением к стороне материала N.Затем отверстия проходят через материал N.

— Когда положительное напряжение прикладывается к N-слою и отрицательное к P-слою, электроны в P-слое выталкиваются в N-слой, а дырки в N-слое выталкиваются в P-слой. . В этом случае электроны в полупроводнике не двигаются и электрический ток не течет.

Соотношение тока и напряжения реального диода

В F составляет 0,3 В на германиевом диоде и приблизительно 0.6 вольт на кремниевом диоде.

Полупроводниковый диод работает двумя способами:

Прямо смещенный

В этом случае электрический ток циркулирует через диод по пути стрелки (стрелка диода) или от анода к катоду . Электрический ток проходит через диод очень легко, почти как короткое замыкание.

Обратное смещение

В этом случае электрический ток в диоде должен циркулировать в направлении, противоположном стрелке (стрелка диода), или от катода к аноду.Электрический ток не проходит через диод, и он ведет себя как разомкнутая цепь.

Примечание. Упомянутая выше операция относится к идеальному диоду, что означает, что мы принимаем диод как идеальный компонент.

Применение полупроводниковых диодов

Диоды имеют множество применений, но наиболее распространенным из них является процесс преобразования переменного тока (AC) в постоянный ток (C.C.). В этом случае диод используется как выпрямительный диод.

Другие применения диодов:

  • Защита от обратного напряжения
  • Обратный диод в индуктивных нагрузках
  • и т. Д.

Диод | Принцип работы | Конструкция

Определение: Диод — простейший полупроводниковый компонент. Он состоит всего из двух частей из разных полупроводниковых материалов. Тем не менее, диоды можно встретить почти во всех электронных схемах.

Принцип работы диода

Его функция заключается в том, чтобы пропускать электрический ток в одном направлении, но предотвращать течение в противоположном направлении. Это очень важное и полезное свойство.Эта функция аналогична обратному клапану в гидравлике.

Обратный клапан, изображенный на , рис. 1а, открывается, когда давление в левой части трубы больше, чем в правой части, но предотвращает прохождение любой жидкости из правой стороны влево. Применение обратного клапана множество; например, на входе трубы в колодец, подключенный к насосу, используется обратный клапан, чтобы предотвратить обратный ток воды в колодец ( Рис. 1b ).

Также для защиты насоса от высокого давления в нерабочем состоянии на его выходе может быть установлен обратный клапан.

Точно так же в электронных схемах диоды могут использоваться для защиты устройства от обратного тока, если такая возможность существует.

Диод обеспечивает короткое замыкание устройства, что облегчает прохождение тока. Более распространенное применение диода — в выпрямителях .

Рисунок 1 Обратный клапан, допускающий поток только в одном направлении.(a) Если давление справа превышает давление слева, клапан закрывается. (b) Если насос, подающий воду, останавливается, вода не может вернуться.

Диод — это простейший полупроводниковый компонент.

Конструкция диода

PN-переход образуется при соединении материала N-типа и материала P-типа. Это сквозной процесс производства полупроводниковых материалов, который должен осуществляться в очень чистой среде, называемой чистой комнатой .

На рисунке 2 показаны материалы N-типа и P-типа вместе. PN-переход — это не физический объект, который можно купить; это просто внутренняя структура диодов , транзисторов и других полупроводниковых компонентов, где соединены материал P-типа и материал N-типа.

Там, где два типа материалов контактируют друг с другом, есть небольшая граница, где дырки (с положительным зарядом) притягивают электроны (с отрицательным зарядом). Когда привлеченные электроны собираются около этой границы, их отрицательные заряды накапливаются, а затем они отталкивают любой дополнительный электрон, притягиваясь к дыркам.

Точно так же , отверстия, также собранные на другой стороне границы, отталкивают любые другие отверстия, приближающиеся. Область, сформированная таким образом, называется областью истощения, также изображенной на рисунке 2.

Рисунок 2 PN-переход.

Область истощения: Область узкой ширины в полупроводниковом переходе только между материалами N-типа и P-типа.

Поток электронов и дырок в обедненную область продолжается до тех пор, пока они не уравновесят друг друга и не будет достигнуто состояние равновесия.В этом смысле обедненная область будет тоньше или толще, в зависимости от количества примесей при изготовлении PN-перехода.

Обратите внимание, что при изучении электроники, точно так же, как считается, что электрический ток возникает из-за потока электронов, иногда вместо этого рассматривается поток дырок. Для простоты термин «носитель» используется как причина тока. Таким образом, носителем могут быть электроны или дырки.

Носитель: Объект (электроны или дырки), к которому можно отнести большую часть электрического тока в полупроводниковом приборе.

Например, , если 94% тока связано с движением электронов, а 6% связано с дыркой, то электроны являются носителем.

Прямое и обратное смещение в диоде

Когда PN-переход подключен к электричеству постоянного тока, есть две возможности: либо сторона P-типа подключена к положительной, а сторона N-типа подключена к отрицательной клемме, либо наоборот.

В первом случае , показанном на рис. 3a , сторона P PN-перехода положительна по отношению к стороне N.Эта конфигурация называется с прямым смещением , а переход называется с прямым смещением.

Случай, когда сторона P подключена к отрицательной клемме, а сторона N — к положительной клемме, называется обратным смещением (а переход называется обратным смещением).

Как правило, одна сторона может быть более положительной (или менее отрицательной) по отношению к другой стороне. На основе этого определения внутри схемы любой PN-переход подключается либо в прямом, либо в обратном смещении.Это всегда так, и по соотношению напряжений можно определить, смещен ли какой-либо PN-переход в любой момент в прямом или обратном направлении.

Прямое смещение: Подача более положительного напряжения на сторону P-типа PN-перехода, чем на N-тип.

Обратное смещение: Противоположное прямому смещению: подключение стороны P-типа PN-перехода к менее положительному или более отрицательному напряжению, чем напряжение, подключенное к стороне N-типа.

Когда PN-переход смещен в прямом направлении , он является проводящим, потому что полярность цепи помогает току течь через соединение (см. , рис. 4a, ).Но в целом, когда PN-переход находится в обратном смещении , электроны отталкиваются при приближении к области истощения, и, таким образом, поток электричества блокируется, как показано на Рис. 4b .

Материалы N- и P-типа могут быть на основе кремния или германия. Кроме того, для легирования можно использовать различные легирующие примеси. В результате характеристики PN-переходов зависят от материалов, из которых они сделаны.

Доля примеси также имеет прямое влияние на толщину обедненной области и, таким образом, на свойства PN-перехода и устройства, использующего PN-переход.

Рисунок 3 Прямое (a) и обратное (b) смещение PN-перехода.

Рисунок 4 Проводимость в PN-переходе: (a) прямое смещение и (b) обратное смещение.

Свойства PN-перехода зависят от материалов и их пропорций, используемых при его изготовлении.

Характеристики и символ диода

Диод — это простейшее полупроводниковое устройство, состоящее только из одного PN перехода. Он имеет две клеммы для подключения к внешним цепям.

Диод может быть включен в цепь в конфигурации прямого или обратного смещения. Рисунок 5 иллюстрирует символ, а также физическую форму наиболее распространенных диодов.

Стрелка в символе показывает направление тока от положительного к отрицательному. Это текущее направление от стороны P к стороне N.

Сторона P диода называется анодом , а сторона N называется катодом .Находясь внутри схемы, для большинства приложений анод должен быть подключен к положительному выводу (или к более положительному напряжению), тогда как катод подключен к отрицательному выводу (или к менее положительному напряжению).

В физической форме, показанной на рисунке 5, сторона, обозначенная полосой, является катодом. Есть и другие физические формы диодов, особенно для более специфических диодов. На практике катод также можно определить по длине соединительных проводов.Разъем на катодной стороне всегда короче.

Анод: Положительный полюс в диоде и тиристоре.

Катод: Отрицательный вывод диода или аналогичных устройств, в отличие от анода.

На рисунке 6 показаны другие физические формы диодов. Также идентифицируются анодная и катодная стороны.

Рис. 5 Символ диода и наиболее распространенная физическая форма.

Рисунок 6 Диоды другой формы.

Для прямого смещения анод должен быть подключен к положительной стороне (положительной клемме или более положительному напряжению) в цепи.

Когда диод вставлен в цепь и смещен в прямом направлении, в зависимости от материала, из которого изготовлен диод (кремний или германий), на диоде возникает небольшое падение напряжения. Это связано с сопротивлением потоку электронов в результате образования обедненной области . Это падение напряжения необходимо учитывать при любом расчете тока через диод и его цепь.

Для кремниевого диода это падение напряжения составляет около 0,7 В, а для германиевого диода — около 0,3 В.

Принцип работы полупроводникового диода

Принцип работы полупроводникового диода

Мы знаем, что диод — это полупроводниковый прибор с двумя выводами, который проводит ток в основном в одном направлении.

Диод имеет низкое сопротивление с одной стороны, где ток может легко проходить, и высокое сопротивление с другой стороны, где ток не может проходить.Диод может действовать как переключатель.

P-N переход — это простейшая форма полупроводникового диода, которая ведет себя как идеальное короткое замыкание в состоянии прямого смещения, но размыкается в состоянии обратного смещения. Диод может преобразовывать переменный ток в постоянный, поэтому иногда его также называют выпрямителем.

Принцип работы полупроводникового диода

Из следующего рисунка мы можем сказать, что мы можем создать простой диод с PN переходом, легируя донорную примесь в одной части и акцепторную примесь в другой части кристаллического блока кремния или германия.

Эти легирующие примеси создают PN переход в средней части блока, рядом с которым одна часть становится p-типа, а другая часть становится n-типом.

Аналогичным образом мы можем создать пересечение PN, соединив p-тип (собственный полупроводник, легированный трехвалентным загрязняющим влиянием) и полупроводник n-типа (характерный полупроводник, легированный пятивалентным загрязнением) вместе с исключительной процедурой создания.

Следовательно, это устройство с двумя компонентами: анодом p-типа и рамкой катода n-типа.Эти клеммы выведены наружу для внешнего подключения.

Принцип работы полупроводникового диода

N-типа имеют значительное количество свободных электронов и очень мало дырок. Но в P-типе он имеет высокую концентрацию дырок и очень мало свободных электронов. По этой причине свободный электрон со стороны n будет диффундировать в сторону p и рекомбинировать с присутствующими там дырками, оставляя неподвижные ионы на стороне n и создавая отрицательные неподвижные ионы на стороне p-типа диода.

Таким образом, обнаружены положительные дающие частицы, присутствующие на стороне n-типа вблизи края перехода. Соответственно, были обнаружены частицы отрицательного акцептора, присутствующие на стороне p-типа вблизи края перехода.

По этой причине количество положительных и отрицательных ионов будет накапливаться как на стороне n, так и на стороне p. Эта область образуется в обедненной области из-за наличия в ней свободного носителя.

Из-за близости этих положительных и отрицательных ионов через PN переход диода создается статическое электрическое поле, называемое барьерным потенциалом.Он классифицируется как «барьерный потенциал», поскольку действует как препятствие и препятствует дальнейшей миграции зазоров и свободных электронов по переходу.

Работа диода — Energy Education

Рис. 1. p-n переход диода вместе с его соответствующими схематическими и реальными компонентами. [1] Катод и анод диода помечены так, что обычный ток течет от анода к катоду через диод.

Принцип работы диода может быть трудным для понимания, поскольку он основан на довольно продвинутой квантовой механике.Однако на простейшем уровне работу диода можно понять, взглянув на поток положительных зарядов (или «дырок») и отрицательных зарядов (электронов). Технически полупроводниковый диод упоминается как p-n переход . Эти p-n-переходы также важны для работы фотоэлементов. Для правильной работы диода требуется процесс, известный как легирование. Полупроводники могут быть легированы материалами так, чтобы они имели избыток легко смещаемых электронов — обычно это называется отрицательной областью или n-типа .Кроме того, они могут быть легированы элементами, которые создают избыток дырок, которые легко поглощают эти электроны — обычно называемые положительной областью или p-типа . [2] [3] Отрицательная и положительная области диода также являются катодом и анодом компонента соответственно (см. Рисунок 1).

Различия между этими двумя материалами и их взаимодействие на очень коротких расстояниях (менее миллиметра) приводят к образованию диода при соединении двух типов.Соединение этих двух типов создает p-n-переход, а область между двумя сторонами называется обедненной областью, поскольку электроны из области n-типа диффундируют и заполняют некоторые дыры в области p-типа. Это создает отрицательные ионы в области p-типа и оставляет положительные ионы в области n-типа (см. Рисунок 2). [4] Он по-разному реагирует на электрические поля в зависимости от направления электрического поля. Это приводит к полезному поведению электроники в зависимости от того, каким образом приложено напряжение (или электрическое поле), это называется смещением.

Смещение

Диод (PN переход) в электрической цепи позволяет току течь легче в одном направлении, чем в другом. Прямое смещение означает подачу напряжения на диод, позволяющее легко протекать току, в то время как обратное смещение означает подачу напряжения на диод в противоположном направлении. Напряжение с обратным смещением не вызывает протекания заметного тока. Это полезно для изменения переменного тока на постоянный. У него есть и другие применения для управления электронными сигналами.

Обратное смещение

Рис. 2. Обратносмещенный p-n-переход с черными кружками, представляющими легко перемещаемые электроны, и белыми кружками, представляющими «дырки» с недостатком электронов. В таком соединении с обратным смещением, как этот, электроны покидают черные кружки и движутся к внешней цепи, оставляя больше положительных ионов, в то время как электроны из внешней цепи «заполняют дыры», создавая больше отрицательных ионов.

Если на диод подается напряжение таким образом, что половина диода n-типа была подключена к положительной клемме источника напряжения, а половина p-типа была подключена к отрицательной клемме, электроны из внешней цепи создаст больше отрицательных ионов в области p-типа, «заполняя дыры», и больше положительных ионов будет создано в области n-типа, поскольку электроны смещаются к положительному выводу источника напряжения (см. рисунок 2).Следовательно, область истощения будет увеличиваться, и напряжение между областями p-типа и n-типа также будет увеличиваться, поскольку общий заряд на каждой стороне перехода увеличивается по величине до тех пор, пока напряжение на диоде не станет равным и противодействует приложенному напряжению и не компенсирует его, прекращая ток через цепь. Этот процесс происходит почти мгновенно и практически не приводит к протеканию тока через цепь, когда напряжение подается в этом направлении через диод. Это известно как p-n-переход с обратным смещением. [5]

Прямое смещение

Рис. 3. Частично и полностью смещенный в прямом направлении p-n переход. Обратите внимание, что для сжатия обедненной области требуется минимальное напряжение.

Когда на диод подается напряжение в противоположном направлении, область обеднения начинает сокращаться (см. Рисунок 3). В диоде с обратным смещением электроны и дырки будут отводиться от перехода, но сценарий с прямым смещением гарантирует, что электроны и дырки движутся к переходу, поскольку они отталкиваются от положительных и отрицательных выводов источника напряжения соответственно. . [1] [6] При достаточно большом приложенном напряжении и дырки, и электроны преодолеют область истощения и встретятся рядом с переходом, где они могут объединиться в непрерывном процессе, замыкая цепь и позволяя течь току. .

Прямое напряжение и напряжение пробоя

Существует минимальное пороговое напряжение, необходимое для преодоления области истощения, которое для большинства кремниевых диодов составляет значительные 0,7 вольт. Кроме того, напряжение обратного смещения индуцирует через диод небольшой ток, называемый током утечки, которым можно пренебречь для большинства целей.Наконец, достаточно большое обратное напряжение приведет к полному электрическому пробою диода и позволит току течь через диод в обратном направлении. [1]

Для получения дополнительной информации о диодах см. Все о схемах или гиперфизике.

Для дальнейшего чтения

Для получения дополнительной информации см. Соответствующие страницы ниже:

Список литературы

Переходный диод

pn и принцип его работы

Диод с pn переходом — это монокристаллический полупроводниковый прибор с двумя выводами, одна сторона которого легирована акцепторами, а другая — донорами.При легировании акцептором образуется полупроводник p-типа, а при легировании донорами образуется полупроводник n-типа. Таким образом, в диоде образуется pn переход.

Образование pn перехода в монокристалле из-за легирования материалом p-типа и n-типа показано на рисунке ниже.

На приведенном выше рисунке левая сторона кристалла относится к p-типу, а правая сторона — к n-типу. Положительно заряженные ионы-доноры в n-типе показаны обведенным знаком плюса, а отрицательно заряженные ионы-акцепторы показаны обведенным знаком минус.Обозначение схемы диода с pn переходом показано ниже.

Принцип работы pn-переходного диода

Принцип работы диода с pn переходом можно в общих чертах разделить на три категории: несмещенный pn переход, pn переход с прямым смещением и pn переход с обратным смещением. Мы обсудим каждую из них по очереди.

Несмещенный диод pn-перехода

Несмещение означает, что к клеммам pn-переходного диода не подключен источник напряжения.Разберемся с явлениями, происходящими внутри стыка.

Так как сторона p и сторона n имеют дырки и электроны в качестве основных носителей, концентрация дырок больше на стороне p, тогда как концентрация электронов больше на стороне n. Из-за этой разницы в концентрации дырки начнут диффундировать в сторону n, а электроны начнут диффундировать в сторону p. В этом процессе дырки и электроны рекомбинируют и, следовательно, нейтрализуют. В результате ионы акцептора около p-стороны и донорные ионы около n-стороны остаются ненейтрализованными.Этот ненейтрализованный ион вблизи pn перехода называется непокрытыми зарядами. Положительный и отрицательный незакрытые заряды создают электрическое поле на pn переходе. Направление этого электрического поля — от стороны n к стороне p. Это электрическое поле, создаваемое непокрытыми зарядами в диоде с pn переходом, называется барьерным полем. Это барьерное поле препятствует диффузии дырок и электронов, и равновесие достигается, когда сила этого барьерного поля достаточна, чтобы остановить дальнейшую диффузию дырок и электронов через pn переход.После этого диффузии основных носителей заряда не будет. Таким образом, окрестность перехода лишена каких-либо свободных зарядов, и поэтому эта область pn перехода называется областью истощения . Термины истощение сами по себе означают, что в области есть истощение свободных зарядов, то есть pn-переход.

Разность потенциалов между pn переходом называется барьерным потенциалом . Основная причина возникновения барьерного потенциала — разделение зарядов из-за процесса диффузии.Это приводит к созданию барьерного поля и, следовательно, связанного с ним барьерного потенциала. Величина этого барьерного потенциала зависит от полупроводника, легирования и ширины обедненной области. Чем больше ширина обедненной области, тем больше будет барьерный потенциал.

Из-за этого барьерного потенциала необходимо провести работу по переносу отверстия со стороны p на сторону n. То же самое и с электроном. Если предполагается, что барьерный потенциал равен V B , то работа, которую необходимо выполнить для перемещения отверстия со стороны p на сторону n, будет равна eV B .Таким образом, мы видим, что существует барьерный потенциал на pn переходе диода. Значит, у нас должна быть возможность измерить это с помощью вольтметра? Если вы когда-нибудь попытаетесь измерить это напряжение, подключив провод вольтметра к клеммам диода, вы получите нулевое показание. Разве не противоречие? Верно, что существует барьерный потенциал, но в то же время верно и то, что существует контактное падение напряжения между полупроводником и металлическим контактом. Потенциал барьера точно уравновешивается контактным потенциалом на контактах металл-полупроводник на концах выводов диода.По этой причине вольтметр не может измерить барьерный потенциал диода.

Итак, в несмещенном диоде с pj переходом нет протекания тока. Это просто устройство в таком состоянии.

Диод pn-переходного смещения в прямом направлении

Диод с pn переходом называется смещенным в прямом направлении, если положительная пластина батареи подключена к стороне p, а отрицательная пластина — к стороне n. Диод с прямым смещением показан на рисунке ниже.

Поскольку стороны p и n подключены к положительной и отрицательной пластине батареи соответственно, положительная пластина будет перемещать отверстия на стороне p к стороне n и притягивать электроны на стороне n к стороне p.Точно так же отрицательная пластина будет толкать электроны на стороне n и притягивать дырки на стороне p. Таким образом, как положительная, так и отрицательная пластины создают силу для потока дырок и электронов. Если напряжение батареи больше, чем потенциал барьера, дырки и электроны будут иметь достаточно энергии, чтобы пересечь pn переход. Впоследствии через диод pn-перехода начнется протекание тока. Следует также отметить, что ширина обедненной области будет уменьшаться в условиях прямого смещения.Таким образом, в диоде с прямым смещением ток течет от анода к катоду или со стороны p на сторону n, как показано на рисунке выше.

Подводя итог, диод с прямым смещением действует как замкнутый переключатель при условии, что напряжение смещения в прямом направлении должно быть больше, чем потенциал барьера. Если напряжение прямого смещения меньше, чем потенциал барьера, энергия, передаваемая батареей электронам и дыркам, не будет достаточной для пересечения pn-перехода. Следовательно, он заблокирует ток. Таким образом, мы видим, что диод не является двусторонним устройством.Обратите внимание, что двустороннее устройство является однократным, что позволяет току течь в обоих направлениях.

Обратно смещенный диод pn-перехода

Диод с pn переходом называется обратным смещением, если положительная пластина батареи подключена к стороне n, а отрицательная пластина — к стороне p. Диод с обратным смещением показан на рисунке ниже.

При обратном смещении ширина области истощения увеличивается по мере того, как напряжение батареи отодвигает дырки на стороне p и электроны на стороне n от перехода.Таким образом, не будет потока дырок и электронов через переход. Следовательно, через диод pn-перехода не будет протекать ток.

Но поток неосновных носителей, то есть электронов на стороне p и дырок на стороне n, остается неизменным. Следует отметить, что концентрация неосновного носителя зависит от температуры. Это термически генерируемые неосновные носители на стороне p и n. Из-за протекания неосновных носителей заряда через переход небольшой ток течет от катода к аноду.Этот ток называется током обратного насыщения. Значение обратного тока насыщения не зависит от напряжения обратного смещения, но зависит от температуры перехода. Его значение увеличивается с увеличением температуры перехода. Поток обратного тока насыщения I s показан на рисунке выше.

Диод с обратным смещением pn-перехода действует как разомкнутый переключатель и блокирует прохождение тока от анода к катоду.

Что нужно помнить
  • Диод с прямым смещением pn-перехода действует как замкнутый переключатель при условии, что напряжение прямого смещения должно быть больше, чем его барьерный потенциал.
  • Ширина обедненной области уменьшается с увеличением прямого смещения.
  • Диод с обратным смещением не проводит ток и, следовательно, действует как разомкнутый переключатель.
  • Ширина обедненной области увеличивается с увеличением напряжения обратного смещения.
  • Небольшой обратный ток течет от стороны n к стороне p в диоде с обратным смещением pn перехода или просто диоде. Этот ток называется током обратного насыщения.
  • Значение обратного тока насыщения не зависит от напряжения обратного смещения.Его значение зависит от температуры перехода. Чем выше температура перехода, тем больше будет величина обратного тока насыщения.

Принцип работы полупроводникового диода с PN переходом


В этой статье я объясню принцип работы полупроводникового диода с PN переходом. Как вы знаете, диод работает как в прямом, так и в обратном смещении, поэтому мы подробно объясним оба этих состояния с помощью необходимых кривых ВАХ.

Базовая часть — это общее описание полупроводников p- и n-типа, а также найденного pn-перехода. Полупроводниковый диод — это биполярное устройство, состоящее из полупроводникового кристалла p- и n-типа. Поверхность стыка, составляющая pn переход. Между различно легированными полупроводниковыми подложками происходит перенос заряда. Часть электронов из области n-типа мигрирует в полупроводник p-типа. Известно, что положительные носители заряда притягиваются дырками или дефектными электронами.
В области контакта оба полупроводниковых кристалла не являются электрически нейтральными. Полупроводниковая область n-типа, образующая положительный заряд. В соседнем полупроводнике p-типа создается область отрицательного заряда. При обесточивании процесс диффузии естественным образом останавливается. В зоне контакта обоих типов полупроводников находится пограничный слой, а значит, и зона пространственного заряда. Величина диффузионного напряжения полупроводникового материала и сила примеси зависят.В процессе диффузии пограничный слой обедняется свободными носителями заряда. Это высокий импеданс и барьерный слой.

  • Германиевый полупроводник демонстрирует диффузионное напряжение прибл. (От 0,2 до 0,4) составляет 0,3 вольт.

  • Кремниевые полупроводники имеют напряжение диффузии прибл. (От 0,4 до 0,8) 0,7 вольт.
  • Если к этому pn переходу приложено внешнее напряжение, то полярность определяет, может ли ток течь. Находится на отрицательном выводе полупроводника p-типа и положительном выводе на полупроводнике n-типа, тогда барьерный слой расширяется.Измеряемые значения тока остаются в диапазоне мкА. При обратной полярности с положительным полюсом к отрицательному выводу p-зоны и в области n-типа барьерный слой ухудшается. Он низкий и пропускает ток. Значения тока зависят от типа и конструкции диода от нескольких мА до кА. Полупроводниковый диод действует как механический обратный клапан. Течение тока может иметь место только в одном направлении и заблокировано в противоположном направлении.

    Диод в прямом направлении


    Обозначение схемы простого полупроводникового диода — закрытая стрелка на вертикальной линии.Два электрода называются анодом и катодом. Направление стрелки сверху к полосе указывает направление тока проводящего диода. На следующей диаграмме показаны характеристики различных диодов в полосе пропускания.


    Источник изображения:

    Собственное, созданное с помощью программного обеспечения CAD

    Напряжение, которое значительно ниже порогового, прохождение тока (от 1 до 100) мкА практически неизмеримо. Барьерный слой не удален, а pn переход имеет высокое сопротивление.

    Вблизи порога напряжение возрастает нелинейно, при этом истощается ток блокирующего слоя.

    Выше порогового напряжения барьерный слой ухудшается и сопротивление полупроводника очень низкое. Прямой ток очень быстро увеличивается. Оно не может превышать максимального значения и должно ограничиваться последовательным резистором.
    Возникающие в результате потери тепла при проведении в полупроводнике улучшают его проводимость. Каждые 10 градусов повышения температуры удваиваются за счет спаривания германиевых диодов в количестве свободных носителей заряда в кристалле, а в кремниевых диодах даже утраиваются.Без ограничения по току компонент в конечном итоге разрушается.

    Необходимость пробоя барьерного напряжения называется пороговым или пороговым напряжением. Это соответствует напряжению диффузии находящегося под напряжением pn перехода. Выше порогового значения напряжение полупроводникового диода низкое и проводящее. Тогда диод работает в прямом направлении или в полосе пропускания.

    Полупроводниковые диоды не имеют постоянного значения сопротивления. Он выбранная рабочая точка. Область крутой кривой выше порогового напряжения, постоянное значение сопротивления постоянному току может быть рассчитано с хорошим приближением в соответствии с законом Ома.Величина резистора рассчитывается как отношение напряжения и тока в рабочей точке.

    Для более точных расчетов или использования диода в конкретных цепях дифференциального сопротивления, также называемого сопротивлением переменного тока, использовать. Его можно определить графически, применив характеристику касательной к рабочей точке с помощью треугольника наклона.

    Диод в полосе заграждения


    Источник изображения:

    Собственный, созданный с помощью программного обеспечения CAD

    Диод работает в обратном направлении, когда потенциал анода более отрицательный по сравнению с катодом.Ток снижен до минимального, остаточный ток в 10 7 раз меньше по сравнению с направлением потока. Никогда так больше ноль в полупроводниковом кристалле несколько примесных носителей. Область p-типа предоставляет электроны и электронные дырки, область n-типа и дырки в качестве неосновных носителей. Оба могут свободно проходить через барьер и вызывать обратный ток. Повышение температуры и заметное увеличение обратного тока можно измерить, поскольку полупроводники находятся среди горячих проводников.
    По сравнению с кремниевыми германиевыми диодами диоды имеют более высокие токи утечки. Максимальное напряжение блокировки германиевого диода ниже. Силовые диоды имеют более высокие значения тока утечки, поскольку их pn переход имеет большую площадь поперечного сечения. На диаграмме показаны основные полные характеристические кривые двух типов диодов.

  • Диоды — это устройства с pn переходом.

  • Диоды имеют прямое и обратное направление.

  • В прямом режиме анодный потенциал более положительный, чем у катода.

  • Напряжение выше порогового значения диода очень низкое.
  • Диоды с высоким обратным напряжением


    Выпрямитель в энергетике для направления больших токов и высоких напряжений может одновременно надежно блокироваться. Однако до необходимой степени легирование снижает максимальное обратное напряжение, поскольку эти полупроводники имеют лишь узкий барьер. Этот недостаток устраняется установкой дополнительного полупроводникового слоя. Между сильнолегированными полупроводниками p- и n-типа находится слаболегированная полупроводниковая область.Этот диапазон имеет низкое содержание p- или n-легирования, имеет высокое сопротивление и расширяется за счет барьерного слоя. Во включенном режиме этот промежуточный слой затем заполняется носителями заряда с обеих сторон и, таким образом, находится на низком уровне. Эти диоды называются полупроводниками PSN.


    Источник изображения:

    Создано с использованием программного обеспечения CAD.

    Высоковольтные диоды на несколько киловольт, обратное напряжение формируют широкую нелегированную полупроводниковую область между кристаллами p- и n-типа. Это внутренний, внутренний слой, называемый i-зоной.При высоком обратном блокирующем напряжении область истощения простирается по всей ширине i-области. В прямом направлении эта область залита с обеих сторон подобно псн-диодам из электронов и дырок и с низким импедансом.

    Важные граничные данные диодов


    Предельные значения, указанные производителями в технических паспортах, поддерживаются для каждого из них. При эксплуатации некоторые значения не достигаются, это не влияет на другие пределы. Несоблюдение этого требования будет уничтожено.

    Обратное напряжение UR


    До этого максимального напряжения постоянного тока диод в обратном или обратном режиме сохраняет высокое сопротивление. Кремниевые диоды имеют обратное напряжение до 4 кВ. Для германиевых диодов максимальное значение около. 100 В. Селеновые диоды, которые почти не используются, достигают только (25 … 40) В.

    Пиковое обратное напряжение URM


    Значение представляет собой максимальное периодическое пиковое значение переменного напряжения в обратном направлении при рабочей частоте больше чем 20 Гц

    Прямой ток IF и I0


    Значение указывает максимально допустимый постоянный или эффективный ток через диод, который не разрушается в полосе пропускания.Целевой ток I0 является средним арифметическим прямого тока и немного ниже.

    Максимальный пиковый ток IFM


    Выражается в прямом направлении для рабочей частоты около 20 Гц с синусоидальными нагрузками. Это значение применяется к прямоугольным сигналам с коэффициентом заполнения 0,5.

    Рассеиваемая мощность Ptot


    Таким образом, подразумевается максимальная непрерывная мощность, которая не разрушает полупроводник. Он рассчитывается как произведение напряжения на диоде и тока через диод.Кремниевые диоды допускают более высокое рассеивание мощности по сравнению с германиевыми диодами.

    Температура перехода Tj


    Полупроводниковому кристаллу позволяют нагреваться до этой максимальной температуры без необратимого повреждения. Самая высокая температура корпуса компонента низкая, так как тепло кристалла должно передаваться только наружу. Кристаллические кремниевые диоды выдерживают температуры до 190 ° C. В германиевых полупроводниках предел составляет 100 ° C. Полупроводники с селеном допускают температуру до 80 ° C.

    Температура окружающей среды ТУ


    Все пределы приведены для температуры окружающей среды 25 ° C, если значение не указано отдельно.

    Некоторые характеристики диода


    Следующие характеристики не соблюдаются, схема может проявлять неожиданные свойства. Вот некоторые важные параметры:

    Прямое напряжение VF


    Значение должно соответствовать заданному прямому току IF. Прямое напряжение обычно соответствует напряжению диффузии pn перехода в обесточенном состоянии.

    Обратный ток IR


    Приведены спецификации обратного тока для определенного обратного напряжения UR. Кремниевые диоды имеют самые низкие обратные токи. На порядок хуже германиевые диоды. Еще более высокие обратные токи имеют селеновые ячейки.

    Емкость диода CD


    Диод, обедненная область барьерного слоя с электрическим потенциалом заряженного пластинчатого конденсатора можно сравнить. Диоды с большой площадью поперечного сечения на pn переходе имеют высокие значения емкости.Диапазон значений от нескольких пФ до пика диода 500 пФ в диодах с удельной емкостью.

    Есть диоды с очень коротким временем переключения, диоды переключения. Время обратного восстановления определяет верхнюю частоту, на которой диод все еще работает должным образом. На следующей диаграмме показано поведение универсального диода 1N4005, работающего на слишком высокой частоте. Входным сигналом является один раз синусоидальное напряжение, а в другой раз — прямоугольное напряжение с пиковым значением 15 В на частоте 50 кГц.Диод подключен как однополупериодный выпрямитель, и выходное напряжение измеряется на нагрузочном резисторе kO первый


    Источник изображения:

    Собственный, созданный с помощью программного обеспечения CAD

    Of (от 0 до 10) — потенциал анода больше положительный, чем у катода. Диод работает в режиме передачи и выходное напряжение равно входному. Of (от 10 до 20) — диод должен быть заблокирован, а выходное напряжение V 0. Это состояние достигается через 5 микросекунд. При этом из области pn перехода вытекают носители заряда.После этого, исходя из зоны отчуждения, и диод не проводит.

    Область, выделенная желтым цветом, допустимая рассеиваемая мощность диода может быть превышена очень быстро. Он рассчитывается как P tot = R · U I R. При высоком обратном напряжении UR протекает большой обратный ток I R, который соответствует первым микросекундам значения прямого тока.


    Основной принцип и действие полупроводникового прибора — диода





    ПОЛУПРОВОДНИК ДИОД

    Теперь, когда доступны материалы как n-, так и p-типа, мы можем сконструировать наше первое твердотельное электронное устройство: полупроводниковый диод, применение которого слишком много, чтобы упоминать, создается путем простого соединения материалов n-типа и p-типа. вместе, не более того, просто соединение одного материала с основным носителем электронов с материалом с основным носителем дырок.Базовая простота его конструкции просто подчеркивает важность развития этой эпохи твердотельных устройств.

    Нет приложенного смещения (V = 0 В)

    В момент, когда два материала «соединяются», электроны и дырки в области перехода объединяются, что приводит к отсутствию свободных носителей в области вблизи перехода, как показано на рис. 1.12a. Обратите внимание на рис. 1.12a, что единственные частицы, отображаемые в этой области, — это положительные и отрицательные ионы, оставшиеся после поглощения свободных носителей.

    «Эта область непокрытых положительных и отрицательных ионов называется областью истощения из-за« истощения »свободных носителей в этой области».

    Если выводы подсоединены к концам каждого материала, получается двухконтактное устройство, как показано на рис. 1.12a и 1.12b. Затем становятся доступны три варианта: без смещения, смещение вперед и смещение в обратном направлении. Термин «смещение» относится к приложению внешнего напряжения к двум клеммам устройства для получения отклика.Условие, показанное на рис. 1.12a и 1.12b — это ситуация отсутствия смещения, потому что к ней не приложено внешнее напряжение. Это просто диод с двумя изолированными выводами, установленный на лабораторном столе. На рис. 1.12b обозначение полупроводникового диода показано, чтобы показать его соответствие с p — n переходом. На каждом рисунке видно, что приложенное напряжение равно 0 В (без смещения), а результирующий ток равен 0 А, что очень похоже на изолированный резистор. Отсутствие напряжения на резисторе приводит к нулевому току через него.Даже на этом раннем этапе обсуждения важно отметить полярность напряжения на диоде на рис. 1.12b и направление тока. Эти полярности будут распознаваться как определенные полярности для полупроводникового диода. Если напряжение, приложенное к диоду, имеет ту же полярность, что и на рис. 1.12b, это будет считаться положительным напряжением. Если наоборот, это отрицательное напряжение. Те же стандарты могут быть применены к определенному направлению тока на рис.1.12b. В условиях отсутствия смещения любые неосновные носители (дырки) в материале n-типа, которые по любой причине оказываются в области обеднения, быстро переходят в материал p-типа. Чем ближе неосновной носитель находится к переходу, тем больше притяжение для слоя отрицательных ионов и тем меньше противодействие со стороны положительных ионов в обедненной области материала n-типа. Таким образом, для будущих обсуждений мы сделаем вывод, что любые неосновные носители материала n-типа, оказавшиеся в области обеднения, будут переходить непосредственно в материал p-типа.Этот поток носителя указан в верхней части рис. 1.12c для неосновных носителей каждого материала.

    Основные носители (электроны) материала n-типа должны преодолевать силы притяжения слоя положительных ионов в материале n-типа и экран отрицательных ионов в материале p-типа, чтобы мигрировать в область за пределами истощения. область материала p -типа. Однако количество основных носителей настолько велико в материале n-типа, что всегда будет небольшое количество основных носителей с достаточной кинетической энергией, чтобы пройти через область обеднения в материал p-типа.Опять же, то же самое обсуждение может быть применено к основным носителям (дыркам) материала p-типа. Результирующий поток, обусловленный основными носителями, показан в нижней части рис. 1.12c.

    Внимательное изучение рис. 1.12c покажет, что относительные величины векторов потока таковы, что чистый поток в любом направлении равен нулю. Это сокращение векторов для каждого типа несущего потока обозначено перечеркнутыми линиями. Длина вектора, представляющего поток дырок, нарисована больше, чем длина потока электронов, чтобы продемонстрировать, что две величины не обязательно должны быть одинаковыми для компенсации и что уровни легирования для каждого материала могут привести к неравному потоку носителей дырок и электронов.Таким образом, таким образом:

    «В отсутствие приложенного смещения на полупроводниковом диоде чистый поток заряда в одном направлении равен нулю».

    Другими словами, ток в условиях отсутствия смещения равен нулю, как показано на рис. 1.12a и 1.12b.

    Условие обратного смещения (V

    D <0 В)

    Если внешний потенциал в Вольт приложен к p — n переходу так, что положительный вывод подключен к материалу n-типа, а отрицательный вывод подключен к материалу p-типа, как показано на рис.1.13, количество непокрытых положительных ионов в обедненной области материала n-типа будет увеличиваться из-за большого количества свободных электронов, притянутых к положительному потенциалу приложенного напряжения. По тем же причинам количество непокрытых отрицательных ионов будет увеличиваться в материале p-типа. Таким образом, чистым эффектом является расширение области истощения. Это расширение области истощения создаст слишком большой барьер для преодоления большинства носителей, эффективно уменьшая поток основных носителей до нуля, как показано на рис.1.13a.

    Однако количество неосновных носителей, попадающих в область истощения, не изменится, что приведет к векторам потока неосновных носителей той же величины, что и на рис. 1.12c, без приложенного напряжения.

    «Ток, который существует в условиях обратного смещения, называется током обратного насыщения и представлен как I s ».

    Обратный ток насыщения редко превышает несколько микроампер и обычно выражается в нА, за исключением устройств большой мощности.Термин насыщение происходит от того факта, что он быстро достигает своего максимального уровня и существенно не изменяется с увеличением потенциала обратного смещения, как показано на характеристиках диода на рис. 1.15 для VD 0 В. Условия обратного смещения изображены. на рис. 1.13б для обозначения диода и p — n перехода. Обратите внимание, в частности, что направление I s направлено против стрелки символа. Отметим также, что отрицательная сторона приложенного напряжения подключена к материалу p-типа, а положительная сторона — к материалу n-типа, причем разница в подчеркнутых буквах для каждой области указывает на состояние обратного смещения.

    Условие прямого смещения (V

    D > 0 В)

    Прямое смещение или состояние «включено» устанавливается путем приложения положительного потенциала к материалу p-типа и отрицательного потенциала к материалу n-типа, как показано на рис. 1.14. Приложение потенциала прямого смещения V D будет «давить» на электроны в материале n-типа и дырки в материале p-типа, чтобы рекомбинировать с ионами вблизи границы и уменьшать ширину обедненной области, как показано на рис.1.14a.

    Результирующий поток неосновных носителей электронов из материала p-типа в материал n-типа (и дырок из материала SEMICONDUCTOR DIODE 13 n-типа в материал p-типа) не изменился по величине (поскольку проводимость уровень контролируется в первую очередь ограниченным количеством примесей в материале), но уменьшение ширины области истощения привело к сильному потоку через соединение. Электрон материала n-типа теперь «видит» уменьшенный барьер на стыке из-за уменьшенной области обеднения и сильного притяжения для положительного потенциала, приложенного к материалу p-типа.По мере увеличения величины приложенного смещения область обеднения будет продолжать уменьшаться по ширине до тех пор, пока поток электронов не сможет пройти через переход, что приведет к экспоненциальному увеличению тока, как показано в области прямого смещения характеристик на рис. 1.15. . Обратите внимание, что вертикальная шкала на рис. 1.15 измеряется в миллиамперах (хотя некоторые полупроводниковые диоды имеют вертикальную шкалу, измеряемую в амперах), а горизонтальная шкала в области прямого смещения имеет максимум 1 В. Поэтому обычно напряжение на диоде с прямым смещением будет меньше 1 В.Обратите также внимание на то, как быстро ток поднимается за пределы изгиба кривой. С помощью физики твердого тела можно продемонстрировать, что общие характеристики полупроводникового диода могут быть определены следующим уравнением, называемым уравнением Шокли, для областей прямого и обратного смещения:

    Область разбивки

    Даже несмотря на то, что масштаб на рис. 1.15 составляет десятки вольт в отрицательной области, существует точка, в которой приложение слишком отрицательного напряжения с обратной полярностью приведет к резкому изменению характеристик, как показано на рис.1.17. Ток увеличивается очень быстро в направлении, противоположном положительному напряжению. Потенциал обратного смещения, который приводит к такому резкому изменению характеристик, называется потенциалом пробоя и обозначается меткой V BV .

    По мере увеличения напряжения на диоде в области обратного смещения скорость неосновных носителей, ответственных за обратный ток насыщения I s, также будет увеличиваться. В конце концов, их скорость и соответствующая кинетическая энергия (W K = 1/2 mv 2 ) будет достаточной для высвобождения дополнительных носителей в результате столкновений со стабильными атомными структурами.Таким образом, в результате будет происходить процесс ионизации, в результате которого валентные электроны поглощают энергию, достаточную для того, чтобы покинуть родительский атом. Эти дополнительные носители могут затем способствовать процессу ионизации до точки, где устанавливается высокий лавинный ток и определяется область лавинного пробоя.

    Область лавины (V BV ) может быть приближена к вертикальной оси за счет увеличения уровней легирования в материалах p- и n-типа. Однако, когда V BV снижается до очень низкого уровня, такого как 5 В, другой механизм, называемый пробоем Зенера, будет способствовать резкому изменению характеристики.Это происходит из-за того, что в области соединения существует сильное электрическое поле, которое может нарушить силы связи внутри атома и «породить» носители. Хотя механизм пробоя стабилитрона вносит значительный вклад только на более низких уровнях V BV , это резкое изменение характеристики на любом уровне называется областью стабилитрона, а диоды, использующие эту уникальную часть характеристики p-n-перехода, называются Стабилитроны.

    Следует избегать области пробоя описанного полупроводникового диода, если не следует полностью изменять отклик системы из-за резкого изменения характеристик в этой области обратного напряжения.

    «Максимальный потенциал обратного смещения, который может быть приложен до входа в область пробоя, называется пиковым обратным напряжением (обозначается просто как номинал P IV ) или пиковым обратным напряжением (обозначается как рейтинг P RV ). . »

    Если приложение требует, чтобы номинал P IV был выше, чем у отдельного блока, несколько диодов с одинаковыми характеристиками могут быть подключены последовательно. Диоды также подключаются параллельно для увеличения допустимой токовой нагрузки.В целом, напряжение пробоя GaAs-диодов примерно на 10% выше, чем у кремниевых диодов, но на 200% выше, чем у Ge-диодов.

    Температурные эффекты

    Температура может оказывать заметное влияние на характеристики полупроводникового диода, что демонстрируется характеристиками кремниевого диода, показанными на рис. 1.19: В области прямого смещения характеристики кремниевого диода сдвигаются влево со скоростью Повышение температуры на 2,5 мВ на градус Цельсия.

    Повышение от комнатной температуры (20 ° C) до 100 ° C (точка кипения воды) приводит к падению ПОЛУПРОВОДНИКА 19 на 80 (2,5 мВ) 200 мВ или 0,2 В, что является значительным для графика, масштабированного в десятые доли вольт. Снижение температуры имеет обратный эффект, как также показано на рисунке:

    В области обратного смещения обратный ток кремниевого диода удваивается на каждые 10 ° C повышения температуры. «

    При изменении с 20 ° C на 100 ° C уровень I s увеличивается с 10 нА до значения 2.56 мА, что является значительным 256-кратным увеличением. Продолжение температуры до 200 ° C приведет к чудовищному обратному току насыщения 2,62 мА. Поэтому для высокотемпературных применений следует искать кремниевые диоды с I s при комнатной температуре, близким к 10 пА, обычно доступному сегодня уровню, который ограничивает ток до 2,62 мкА. Действительно удачно, что и Si, и GaAs имеют относительно небольшие обратные токи насыщения при комнатной температуре. Доступны устройства на основе GaAs, которые очень хорошо работают в диапазоне температур от 200 ° C до 200 ° C, а некоторые из них имеют максимальную температуру, приближающуюся к 400 ° C.Задумайтесь на мгновение, насколько велик был бы обратный ток насыщения, если бы мы начали с Ge-диода с током насыщения 1 мА и применили тот же коэффициент удвоения.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.