Устройство диода: Что такое диод: назначение, устройство, принцип работы

Содержание

Что такое диод: назначение, устройство, принцип работы

В электротехнике используется много радиодеталей, и все они имеют свои особенности, но семейство диодов имеет свои удивительные свойства.

Манипулируя соотношениями примесей или конструктивными особенностями, получают новые возможности этого прибора, используемые совершенно для других целей. Зная, что такое диод, его устройство и принцип работы диода можно научиться использовать его для самых неожиданных решений.

Приглашаем познакомиться с этим многоцелевым и разнообразным радиоэлементом. А начнем с назначения диода.

Назначение диода

Область применения диодов все больше и больше расширяется. Это достигается благодаря тому, что работа над их преобразованием не утихает, а только увеличивается. Рассмотрим, где их можно встретить:

  • выпрямление;
  • детектирование;
  • защита;
  • стабилизация;
  • переключение;
  • излучение.

На заре своего образования диоды назывались выпрямителями.

Они способны пропускать ток в одном направлении и задерживать его в противоположном. Благодаря чему переменный ток становился однонаправленным, пульсирующим. То есть напряжение носило волновой характер.

Причем выпрямление могло быть как на одном диоде, тогда на выходе была только положительная полуволна, так и на четырех, в этом случае на выходе оставались и положительная, и отрицательная полуволны.

Другой способ применения – детектирование. Радио и телевизионные сигналы передаются на несущих частотах. В передающих устройствах с помощью модулятора происходит наложение полезного сигнала на несущую частоту.

Чтобы извлечь полезную информацию, чаще всего применяют диод с конденсатором. В этом случае диод работает как однопериодный выпрямитель, а конденсатор фильтрует ненужные частоты.

Диод используется для защиты, например, в коммутируемой цепи с индукционной нагрузкой. Если катушку, по которой проходит ток отключить, то электроны под действием электромагнитного поля продолжат двигаться, создавая для ключа опасное высокое напряжение.

В качестве ключа может быть использован транзистор, который может выйти из строя. Чтобы снять накопленный заряд, параллельно катушке подключают диод, но включают его в обратном направлении относительно движения тока. При отключении выключателя диод возвращает ток на начало катушки, тем самым защищая ключ.

Несколько измененные диоды способны работать в обратном направлении, пропуская через себя ток, когда напряжение превышает допустимое значение. Такие приборы называются стабилитронами, и о них будет сказано ниже.

Для переключения частот часто требуются переменные конденсаторы. Варикап, еще одна разновидность диода, способен менять свою емкость под действием меняющегося обратного напряжения.

Наконец, светодиоды и фотодиоды. Светодиоды способны излучать потоки лучистой энергии, фотодиоды, напротив, преобразуют солнечный свет в электрический ток. Фотодиоды по своему назначению также разнообразны и имеют различное применение.

Из чего состоит диод

Лучше всего понять, что такое диод поможет его строение. Выделим три основные группы:

  • вакуумные;
  • газонаполненные;
  • полупроводниковые.

Как у любого другого радиоэлемента у диода есть выводы. Если перевести слово диод с древнегреческого, то получится два электрода. Они носят название:

В обычном состоянии на анод подается положительное напряжение, на катод отрицательное. В этом случае

диод открыт и через него протекает ток.

На оба вывода могут подаваться положительные потенциалы, но на аноде этот потенциал должен превышать катодный.

В вакуумных диодах применяются стеклянные или металлические баллоны, из которых выкачан воздух. Катод может быть:

  • прямого накала;
  • косвенного накала.

Катод прямого накала представляет собой спиральную нить, по которой проходит ток, разогревая его. При этом высвобождаются электроны, которые устремляются к аноду, если он имеет положительный потенциал относительно катода.

Если на аноде напряжение ниже катодного, то электроны возвращаются назад. Таким образом, происходит выпрямление переменного тока. В лампах с косвенным подогревом катод представляет собой короб или цилиндр, внутри него находится нить накала, разогревающая его.

В отличие от вакуумных диодов в газонаполненных имеется ионизированный газ. Он становится проводником между анодом и катодом. Для включения диода используют сетки или поджигающий электрод.

Вакуумные и газонаполненные диоды способны пропускать большой ток и работать с повышенным напряжением. Однако они потребляют много энергии для своей работы, поэтому на смену им пришли полупроводники.

По проводимости электрического тока различают:

  • проводники;
  • полупроводники;
  • диэлектрики.

Полупроводники занимают промежуточное значение между проводниками и диэлектриками. В обычном состоянии они не проводят ток, но при определенных условиях у них появляется проводимость.

Достигается это, например, добавлением примесей. Различают два вида проводимости:

  • с помощью электронов, n-тип;
  • с помощью дырок, p-тип.
Материал, основным носителем которого служат положительно заряженные атомы. Для этого добавляют акцепторные примеси, при этом получается материал с недостающим количеством электронов. Для n-типа добавляют донорные примеси, материал обладает избытком электронов.

Соединяя эти два типа получают прибор, способный пропускать ток только в одном направлении.

Как определить анод и катод диода

Диоды бывают разного размера, и маркировка может несколько отличаться. Например, на диодах советского образца на корпусе, который был достаточно большим, непосредственно наносился знак диода, указывающий направление движения.

Корпус, расположенный возле катода, может иметь большое расширение в виде кольца. На некоторых видах устанавливают знаки + и – или делают отметку в виде нарисованного кольца либо точки.

В случае сомнения можно проверить диод с помощью мультиметра, поставив прибор в режим измерения сопротивления или проверки диода, если есть такой режим.

Если сопротивление маленькое, значит, щуп с положительным напряжением подключен к аноду, а минусовой к катоду. Большое сопротивление говорит, что щупы подключены в обратном порядке.

Принцип работы диода

Осталось посмотреть, как работает диод. Когда происходит соединение двух полупроводников разной проводимостью, между ними появляется пограничная полоса с нейтральным зарядом, поскольку часть электронов занимает часть дырок.

При прямом включении положительное напряжение подается на дырочную область, а отрицательное на электронную. В этом случае электроны под действием напряжения перескакивают нейтральную зону и, проходя через дырочную область, устремляются к положительному полюсу источника питания.

Если поменять напряжение, электроны уходят к положительному полюсу, увеличивая нейтральную зону. В этом случае диод закрывается.

Диод в цепи постоянного тока

В схеме с постоянным током диод работает как ключ: открывается, когда прямое напряжение превышает пороговое значение и закрывается, когда это напряжение становится меньше.

Выше было рассмотрена работа диода с катушкой индуктивности. Когда по катушке идет ток, то параллельно подключенный диод находится в закрытом состоянии, так как на аноде и катоде напряжение почти равно.

Когда цепь размыкается, по катушке продолжает идти ток и накапливается. Напряжение на аноде повышается, диод открывается и пропускает лишний заряд через себя. После падения напряжения он закрывается.

Обозначение диода на схемах

Для пояснения работы радиоэлектронного устройства используют электрические принципиальные схемы. Найти диод на схеме не составит труда, потому что обозначение диода осуществляется с помощью треугольника с вертикальным отрезком на его вершине.

Рядом ставится порядковый номер и буквы VD.

Диод в цепи переменного тока

Если диод работает

как выпрямитель переменного тока, тогда во время повышения напряжения положительной полуволны диод открывается, а когда напряжение падает ниже порогового значения, он закрывается. Во время отрицательной полуволны включается в работу параллельно подключенный диод, но обращенный в обратном направлении.

Два других подключены таким же образом к нулевому проводу. При каждой полуволне участвуют в работе два диода, один связан с фазным проводом, другой с нулевым. Снимаемое с них положительное и отрицательное напряжение подается в постоянную цепь.

Характеристики диода

Полупроводники очень чувствительны к перегреву, поэтому режим их работы строго оговаривается. Учитываются следующие параметры:
рабочее, максимальное и импульсное обратное напряжение;

  1. прямое напряжение;
  2. обратный ток;
  3. прямой постоянный, импульсный и ток перегрузки;
  4. рабочая и максимальная частота;
  5. максимальная температура корпуса и перехода.

Допускается максимальное значение только по одному из указанных параметров. После импульса должно пройти оговоренное время, чтобы прибор успел остыть.

Виды диодов

Кроме описанных диодов, используются диоды, у которых характеристики изменены за счет примесей и конструкторских доработок. Остановимся на двух из них: стабилитроне и светодиоде.

Стабилитроны

Работа стабилитрона отличается от работы диода. Подключается он в обратном направлении, то есть на анод подают отрицательное напряжение, а на катод положительное. При таком подключении он работает в пробивном режиме.

Стабилитроны рассчитаны на определенное рабочее обратное напряжение, при достижении которого происходит обратимый пробой. Используются для поддержания определенного напряжения на контролируемом участке цепи. Чтобы ток не превышал рабочее значение, в цепь стабилитрона ставят ограничивающий резистор.

Светодиоды

У полупроводниковых приборов p-n-переход из-за внутреннего сопротивления постоянно греется. Это происходит главным образом во время захвата дырками электронов. Высвобождается энергия, нагревающая переход.

В 60-х годах прошлого столетия был создан светодиод, в котором часть высвобождаемой энергии была лучистой с красным и желто-зеленым свечением. Правда, процентное соотношение было маленьким, всего 0,1% от всей высвобождаемой энергии. Но это было только началом.

В 70-х годах упорные разработки привели к хорошим показателям. Сначала это был 15% выход, затем дошло до 55%. Такой показатель уже превышал к. п. д. ламп накаливания. Испускаемый свет имеет очень узкий спектр, что позволяет получать очень качественное цветное свечение.

Оно намного превосходит свет ламп накаливания, пропущенных через светофильтр. Мощность светового потока также была поднята, это дало возможность использовать светодиоды в качестве освещения.

Тиристоры

Тиристоры – это общее название для мощных диодов, работающих в режиме ключа. Подразделяются на три вида:

  1. тринистор;
  2. динистор;
  3. симистор.

Тринистор имеет три вывода: анод, катод и управляющий электрод. При подаче небольшого управляющего напряжения на управляющий электрод тринистор открывается. Динистор открывается при достижении заданного напряжения на его двух выводах. Симистор – это два динистора, включенных навстречу друг другу. То есть он работает, в отличие от динистора, в двух направлениях.

Исследуя, что такое диод, можно открыть для себя еще много удивительных знаний. Здесь были рассмотрены лишь поверхностные познания, но они уже могут дать понять, что такие элементы радиотехники очень полезны и разнообразны в своем применении.

Похожие материалы на сайте:

Понравилась статья — поделись с друзьями!

 

Выпрямительные диоды: устройство, конструктивные особенности, характеристики

Основное предназначение выпрямительных диодов — преобразование напряжения. Но это не единственная сфера применения данных полупроводниковых элементов. Их устанавливают в цепи коммутации и управления, используют в каскадных генераторах и т. д. Начинающим радиолюбителям будет интересно узнать, как устроены эти полупроводниковые элементы, а также их принцип действия. Начнем с общих характеристик.

Устройство и конструктивные особенности

Основной элемент конструкции – полупроводник. Это пластина кристалла кремния или германия, у которого имеются две области р и n проводимости. Из-за этой особенности конструкции она получила название плоскостной.

При изготовлении полупроводника обработка кристалла производится следующим образом: для получения поверхности р-типа ее обрабатывают расплавленным фосфором, а р-типа – бором, индием или алюминием. В процессе термообработки происходит диффузия этих материалов и кристалла. В результате образуется область с р-n переходом между двумя поверхностями с различной электропроводимостью. Полученный таким образом полупроводник устанавливается в корпус. Это обеспечивает защиту кристалла от посторонних факторов воздействия и способствует теплоотводу.

Конструкция (1), внешний вид (2) и графическое отображение выпрямительного диода(3)

Обозначения:

  • А – вывод катода.
  • В – кристалладержатель (приварен к корпусу).
  • С – кристалл n-типа.
  • D – кристалл р-типа.
  • E – провод ведущий к выводу анода.
  • F – изолятор.
  • G – корпус.
  • H – вывод анода.

Как уже упоминалось, в качестве основы р-n перехода используются кристаллы кремния или германия. Первые применяются значительно чаще, это связано с тем, что у германиевых элементов величина обратных токов значительно выше, что существенно ограничивает допустимое обратное напряжение (оно не превышает 400 В). В то время как у кремниевых полупроводников эта характеристика может доходить до 1500 В.

Помимо этого у германиевых элементов значительно уже диапазон рабочей температуры, он варьируется в пределах от -60°С до 85°С. При превышении верхнего температурного порога резко увеличивается обратный ток, что отрицательно отражается на эффективности устройства. У кремниевых полупроводников верхний порог порядка 125°С-150°С.

Классификация по мощности

Мощность элементов определяется максимально допустимым прямым током. В соответствии этой характеристики принята следующая классификация:

  • Слаботочные выпрямительные диоды, они используются в цепях с током не более 0,3 А. Корпус таких устройств, как правило, выполнен из пластмассы. Их отличительные особенности – малый вес и небольшие габариты. Выпрямительные диоды малой мощности
  • Устройства, рассчитанные на среднюю мощность, могут работать с током в диапазоне 0,3-10 А. Такие элементы, в большинстве своем, изготавливаются корпусе из металла и снабжены жесткими выводами. На одном один из них, а именно на катоде, имеется резьба, позволяющая надежно зафиксировать диод на радиаторе, используемого для отвода тепла. Выпрямительный диод средней мощности
  • Силовые полупроводниковые элементы, они рассчитаны на прямой ток свыше 10 А. Производятся такие устройства в металлокерамических или металлостеклянных корпусах штыревого (А на рис. 4) или таблеточного типа (В). Рис. 4. Выпрямительные диоды высокой мощности

Перечень основных характеристик

Ниже приведена таблица, с описанием основных параметров выпрямительных диодов. Эти характеристики можно получить из даташита (технического описания элемента). Как правило, большинство радиолюбителей к этой информации обращаются в тех случаях, когда указанный в схеме элемент недоступен, что требует найти ему подходящий аналог.

Таблица основных характеристик выпрямительных диодов

Заметим, что в большинстве случаев, если требуется найти аналог тому или иному диоду, первых пяти параметров из таблицы будет вполне достаточно. При этом желательно учесть диапазон рабочей температуры элемента и частоту.

Принцип работы

Проще всего объяснить принцип действия выпрямительных диодов на примере. Для этого смоделируем схему простого однополупериодного выпрямителя (см. 1 на рис. 6), в котором питание поступает от источника переменного тока с напряжением UIN (график 2) и идет через VD на нагрузку R.

Рис. 6. Принцип работы однодиодного выпрямителя

Во время положительного полупериода, диод находится в открытом положении и пропускает через себя ток на нагрузку. Когда приходит очередь отрицательного полупериода, устройство запирается, и питание на нагрузку не поступает. То есть происходит как бы отсечение отрицательной полуволны (на самом деле это не совсем верно, поскольку при данном процессе всегда имеется обратный ток, его величина определяется характеристикой Iобр).

В результате, как видно из графика (3), на выходе мы получаем импульсы, состоящие из положительных полупериодов, то есть, постоянный ток. В этом и заключается принцип работы выпрямительных полупроводниковых элементов.

Заметим, что импульсное напряжение, на выходе такого выпрямителя подходить только для питания малошумных нагрузок, примером может служить зарядное устройство для кислотного аккумулятора фонарика. На практике такую схему используют разве что китайские производители, с целью максимального удешевления своей продукции. Собственно, простота конструкции является единственным ее полюсом.

К числу недостатков однодиодного выпрямителя можно отнести:

  • Низкий уровень КПД, поскольку отсекаются отрицательные полупериоды, эффективность устройства не превышает 50%.
  • Напряжение на выходе примерно вдвое меньше, чем на входе.
  • Высокий уровень шума, что проявляется в виде характерного гула с частотой питающей сети. Его причина – несимметричное размагничивание понижающего трансформатора (собственно именно поэтому для таких схем лучше использовать гасящий конденсатор, что также имеет свои отрицательные стороны).

Заметим, что эти недостатки можно несколько уменьшить, для этого достаточно сделать простой фильтр на базе высокоемкостного электролита (1 на рис. 7).

Рис. 7. Даже простой фильтр позволяет существенно снизить пульсации

Принцип работы такого фильтра довольно простой. Электролит заряжается во время положительного полупериода и разряжается, когда наступает черед отрицательного. Емкость при этом должна быть достаточной для поддержания напряжения на нагрузке. В этом случае импульсы несколько сгладятся, примерно так, как продемонстрировано на графике (2).

Приведенное решение несколько улучшит ситуацию, но ненамного, если запитать от такого однополупериодного выпрямителя, например, активные колонки компьютера, в них будет слышаться характерный фон. Для устранения проблемы потребуются более радикальное решение, а именно диодный мост. Рассмотрим принцип работы этой схемы.

Устройство и принцип работы диодного моста

Существенно отличие такой схемы (от однополупериодной) заключается в том, что напряжение на нагрузку подается в каждый полупериод. Схема включения полупроводниковых выпрямительных элементов продемонстрирована ниже.

Принцип работы диодного моста

Как видно из приведенного рисунка в схеме задействовано четыре полупроводниковых выпрямительных элемента, которые соединены таким образом, что при каждом полупериоде работают только двое из них. Распишем подробно, как происходит процесс:

  • На схему приходит переменное напряжение Uin (2 на рис. 8). Во время положительного полупериода образуется следующая цепь: VD4 – R – VD2. Соответственно, VD1 и VD3 находятся в запертом положении.
  • Когда наступает очередность отрицательного полупериода, за счет того, что меняется полярность, образуется цепь: VD1 – R – VD3. В это время VD4 и VD2 заперты.
  • На следующий период цикл повторяется.

Как видно по результату (график 3), в процессе задействовано оба полупериода и как бы не менялось напряжение на входе, через нагрузку оно идет в одном направлении. Такой принцип работы выпрямителя называется двухполупериодным. Его преимущества очевидны, перечислим их:

  • Поскольку задействованы в работе оба полупериода, существенно увеличивается КПД (практически вдвое).
  • Пульсация на выходе мостовой схемы увеличивает частоту также вдвое (по сравнению с однополупериодным решением).
  • Как видно из графика (3), между импульсами уменьшается уровень провалов, соответственно сгладить их фильтру будет значительно проще.
  • Величина напряжения на выходе выпрямителя приблизительно такая же, как и на входе.

Помехи от мостовой схемы незначительны, и становятся еще меньше при использовании фильтрующей электролитической емкости. Благодаря этому такое решение можно использовать в блоках питания, практически, для любых радиолюбительских конструкций, в том числе и тех, где используется чувствительная электроника.

Заметим, совсем не обязательно использовать четыре выпрямительных полупроводниковых элемента, достаточно взять готовую сборку в пластиковом корпусе.

Диодный мост в виде сборки

Такой корпус имеет четыре вывода, два на вход и столько же на выход. Ножки, к которым подключается переменное напряжение, помечаются знаком «~» или буквами «AC». На выходе положительная ножка помечается символом «+», соответственно, отрицательная как «-».

На принципиальной схеме такую сборку принято обозначать в виде ромба, с расположенным внутри графическим отображением диода.

На вопрос что лучше использовать сборку или отдельные диоды нельзя ответить однозначно. По функциональности между ними нет никакой разницы. Но сборка более компактна. С другой стороны, при ее выходе из строя поможет только полная замена. Если же в этаком случае используются отдельные элементы, достаточно заменить вышедший из строя выпрямительный диод.

Принцип устройства и работы электро-вакуумных приборов

Главное назначение диодов — выпрямление переменного тока. Иногда диоды применяются для генерации шумов, т. е. беспорядочно изменяющихся токов и напряжений, для ограничения электрических импульсов и т. д.

Диод имеет два электрода в стеклянном, металлическом или керамическом баллоне с вакуумом. Один электрод — это накаленный катод, служащий для эмиссии (испускания) электронов. Другой электрод. — анод — принимает электроны, испускаемые катодом. Катод и анод вакуумного диода аналогичны эмиттеру и базе полупроводникового диода. Анод притягивает электроны, если он имеет положительный относительно катода потенциал. Между анодом и катодом образуется электрическое поле, которое при положительном потенциале анода является ускоряющим для электронов. Электроны, вылетающие из катода, под действием поля движутся к аноду.

Простейший катод делают в виде проволочки, которая накаливается током. Такие катоды называют катодами прямого или непосредственного накала. Большое распространение получил катод косвенного накала (подогревный). Это металлический цилиндр, поверхность которого покрыта активным слоем, эмитирующим электроны. Внутри цилиндра находится подогреватель в виде проволочки, накаливаемой током. В наиболее распространенной цилиндрической конструкции диода (рис. 15.1) анод имеет форму цилиндра.

Цепи диода с катодом косвенного накала показаны на рис. 15.2. Основной является анодная цепь (цепь анода). В нее входят анодный источник Еаи пространство между анодом и катодом.

Все электроны, вылетающие из катода, образуют ток эмиссии

Ie = Nq, (15.1)

где N — число электронов, вылетающих за 1 с; qзаряд электрона.

Между анодом и катодом образуется отрицательный заряд, называемый объемным или пространственным и препятствующий движению электронов к аноду. При недостаточном положительном потенциале анода не все электроны могут преодолеть действие объемного заряда и часть их возвращается на катод.

Электроны, ушедшие с катода безвозвратно, определяют катодный ток (ток катода), обозначаемый Iк или iK:

iK = nq<Ie, (15.2)

где п — число электронов, ушедших за 1 с с катода и не возвратившихся.

Рис. 15.1. Цилиндрическая конструкция электродов диода

 

Рис. 15.2. Цепи диода с катодом косвенного накала

 

Рис. 15.3. Упрощенные схемы с диодами

 

Чем выше потенциал анода, тем больше электронов преодолевает объемный заряд и уходит к аноду, т. е. тем больше катодный ток.

Поток электронов, летящих от катода к аноду и попадающих на анод, называют анодным током (током анода). Он протекает в анодной цепи и обозначается Iа или ia В диоде катодный и анодный токи равны друг другу:

ia = iк. (15.3)

Анодный ток является главным током электронной лампы. Электроны этого тока движутся внутри лампы от катода к аноду, а вне лампы — от анода к плюсу анодного источника, затем внутри него и от минуса источника к катоду лампы.

При изменении положительного потенциала анода изменяется катодный ток и равный ему анодный ток. В этом заключается электростатический принцип управления анодным током.

Если потенциал анода отрицателен по отношению к катоду, то поле между анодом и катодом тормозит электроны, вылетающие из катода, и возвращает их на катод. В этом случае катодный и анодный токи равны нулю.

Основное свойство диода — способность проводить ток в одном направлении. Электроны могут двигаться только от накаленного катода к аноду, имеющему положительный потенциал. Если же на аноде отрицательный относительно катода потенциал, то диод заперт, т. е. он размыкает цепь. Такой анод отталкивает электроны, а сам он не накален и не испускает электронов. Диод обладает односторонней проводимостью и подобно полупроводниковому диоду может выпрямлять переменный ток. В отличие от полупроводникового диода в вакуумном при обратном напряжении обратный ток практически отсутствует.

Анодный ток составляет доли миллиампера в самых маломощных диодах, применяемых в радиоприемниках или измерительной аппаратуре. В более мощных диодах (кенотронах), работающих в выпрямительных установках для питания аппаратуры, анодный ток достигает сотен миллиампер и более.

Разность потенциалов между анодом и катодом называют анодным напряжением (напряжением анода) и обозначают Ua или uа.

В практических схемах, когда в анодную цепь включена нагрузка, на которой падает часть напряжения анодного источника, анодное напряжение меньше Eа. Нередко возникают ошибки от того, что напряжение анодного источника Eа неправильно называют анодным напряжением. Но они равны только в том случае, когда зажимы анодного источника непосредственно присоединены к аноду и катоду лампы (см. рис. 15.2). Положительное анодное напряжение у маломощных диодов составляет доли вольта или единицы вольт. У кенотронов средней мощности оно достигает десятков вольт, а у мощных кенотронов сотен вольт и более.

Условились принимать потенциал катода за нулевой, так как от катода электроны начинают свое движение. Потенциал любого электрода определяют относительно катода. У катода прямого накала за точку нулевого потенциала принимают минус источника накала.

Второй цепью диода является цепь накала. Она состоит из источника Eн и подогревателя (или катода прямого накала). Ток накала обозначают Iн, а напряжение накала, т. е. напряжение между выводами подогревателя (или катода прямого накала), обозначают Uн. Напряжение накала всегда низкое — единицы, реже десятки вольт. Ток накала у маломощных ламп составляет десятки миллиампер, а у мощных — до десятков и даже сотен ампер. Во многих схемах вывод катода соединяют с корпусом (рис. 15.3, а, б) аппаратуры.

Основные аннотации по теме ламповой схемотехники

 

Устройство и принцип работы туннельного диода

Туннельный диод — высокопроводящий, сильно легированный диод на базе p-n перехода, в котором ток индуцируется из-за туннелирования.

Туннелирование или туннельный эффект — это явление проводимости в полупроводниковом материале, в котором носитель заряда «пробивает» барьер, а не поднимается через него.

Туннельный диод представляет собой сильно легированный диод на базе p-n перехода. Концентрация примеси в обычном диоде составляет около 1 части на 108. А в туннельном диоде концентрация примеси составляет около 1 части на 103. Из-за сильного легирования полупроводник проводит ток, как в прямом направлении, так и в обратном направлении. Это быстрое переключающее устройство. Он используется в высокочастотных преобразователях, компьютерах и усилителях.

Обозначение туннельного диода на схеме

Обозначение туннельного диода на электрических схемах показано на рисунке ниже. Катод и анод являются двумя выводами из полупроводникового материала. Материал р-типа притягивает электроны, и поэтому он называется анодом, в то время как материал n-типа испускает электроны и называется катодом.

Конструкция туннельного диода

Туннельный диод имеет два вывода, а именно анод и катод. Полупроводник p-типа действует как анод, а полупроводниковый материал n-типа действует как катод. Для изготовления туннельного диода используются арсенид галлия, германий и антимонид галлия.

Отношение пикового значения прямого тока к значению тока в долине максимально в случае германия и минимально при использовании кремния. Следовательно, кремний не используется для изготовления туннельного диода. Плотность легирования туннельного диода в 1000 раз выше, чем у обычного диода.

Вольт-амперная характеристика туннельного диода

При прямом смещении туннельная проводимость наступает в диоде из-за их сильного легирования. Ток в диоде достиг своего максимального значения IP при подаче на него напряжения Vp. При дальнейшем увеличении напряжения ток через диод уменьшается. И он продолжает уменьшаться, пока не достигнет своего минимального значения. Это минимальное значение тока называется током впадины Iv.

Приведенный выше график показывает, что при переходе из точки А в точку В величина тока уменьшается с ростом напряжения. Итак, от A до B на графике показана область отрицательного сопротивления туннельного диода. Данная область показывает наиболее важное свойство диода. Здесь, в показанной области, туннельный диод отдает энергию, а не поглощает ее.

Принцип работы туннельного диода

Когда туннельный диод находится в состоянии равновесия, или мы можем сказать, что на диод не подается напряжение, в этом случае зона проводимости полупроводникового материала n-типа перекрывается с валентной зоной материала p-типа. Энергетические уровни дырок и электронов на стороне p и n соответственно остаются одинаковыми.

Когда температура повышается, электроны переходят от зоны проводимости n-области к валентной зоне p-области. Аналогично дырки, переходят от валентной зоны р-области до зоны проводимости n-области. Естественно, для туннельного перехода электрона через барьер из одной области в другую необходимо, чтобы по другую сторону барьера (место куда переходит электрон) имелось свободное состояние. Нулевой ток протекает через диод в состоянии равновесия.

Когда небольшое напряжение подается на туннельный диод, величина которого меньше напряжения в области обеднения, тогда электроны не пересекают область обеднения, и через диод протекает нулевой ток. Немногие электроны из n-области зоны проводимости туннелируются в p-область валентной зоны. Из-за туннелирования электронов небольшой прямой ток течет через область обеднения.

Когда на туннельный диод подается полное напряжение, создается определенное количество электронов и дырок. Увеличение напряжения увеличивает перекрытие проводимости и валентной зоны. Уровни энергии валентной зоны n-стороны и зоны проводимости p-стороны равны. Таким образом, через туннельный диод протекает максимальный ток.

Когда прикладываемое напряжение еще больше увеличивается, валентная зона и зона проводимость туннельного диода слегка смещаются. Но зона проводимости области n-типа и валентная зона области p-типа все еще перекрываются. Небольшой ток течет через диод, и, таким образом, ток начинает уменьшаться.

Если напряжение на проводнике сильно увеличивается, то туннельный ток падает до нуля. В этом состоянии зона проводимости n-стороны и валентная зона р-стороны не перекрывают друг друга, и туннельный диод ведет себя как обычный диод с PN-переходом. Если величина напряжения больше, чем контактная разность потенциалов, через диод течет прямой ток.

Понятие отрицательного сопротивления в туннельном диоде?

На графике выше показано, что между точкой Iv и Ip ток начинает уменьшаться, когда на него подается напряжение. Эта область графика называется областью отрицательного сопротивления. Это самая важная характеристика туннельного диода. В этой области туннельный диод генерирует энергию, а не поглощает ее.

Эквивалентная схема туннельного диода показана на рисунке ниже. Rs представляет сопротивление выводных клемм туннельного диода и полупроводникового материала. Оно примерно равно 5 Ом. Ls — индуктивность выводных клемм, и она почти равна 0,5 нГн. Cd — это диффузионная емкость перехода, и ее величина лежит в диапазоне от 5 до 100 пФ.

Преимущества и недостатки туннельного диода

Туннельный диод имеет низкую стоимость. У него низкий уровень шума, а его изготовление также очень просто. Диод дает быстрый отклик, и он умеренный в работе. Туннельный диод работает на малой мощности.

Недостатком туннельного диода является то, что выходное напряжение диода не является стабильным. Это двух контактное устройство, но его входные и выходные цепи не изолированы друг от друга.

Применение туннельного диода

Туннельный диод может использоваться в качестве усилителя и генератора для обнаружения малых высокочастотных сигналов или в качестве коммутатора. Это высокочастотный компонент, потому что он очень быстро реагирует на изменение значения входного сигнала.

Туннельный диод не получил слишком широкого применения, так как это слаботочное устройство.

Диод Шоттки. Устройство, принцип работы и основные характеристики.

Приветствую всех на сайте MicroTechnics снова! Сегодня мы продолжим курс “Основы электроники“, и героем статьи станет еще один электронный компонент, а именно диод Шоттки. В недавних статьях мы рассматривали принцип работы и применение обычных диодов и стабилитронов:

И вот настало время диода Шоттки!

Основной отличительной особенностью этого элемента является малое падение напряжения при прямом включении (относительно обычного выпрямительного диода). Давайте разберемся, с чем же в данном случае связано это пониженное падение.

“Сердцем” диода Шоттки является не p-n переход, который образуется при соприкосновении двух полупроводников с разными типами проводимости, а так называемый барьер Шоттки. {-\phi / kT}

Здесь нам важно заметить, что поскольку \phi_{М} > \phi_{П}, то, напротив, j_{М} < j_{П}. В результате этого при контакте металла и полупроводника в пограничной области буду скапливаться заряды:

Иными словами, из-за того, что работа выхода из полупроводника меньше, то электронам проще перейти из него в металл, чем наоборот, в обратном направлении. Но как и для p-n перехода этот процесс не будет протекать бесконечно. Эти заряды создадут дополнительное электрическое поле в граничной области, и, в результате, под действием этого поля токи термоэлектронной эмиссии выравняются.

Как видите, в целом, процессы, протекающие в барьере Шоттки, по своей сути очень похожи на то, что происходит в p-n переходе при контакте двух полупроводников. При подключении внешнего напряжения возникает дополнительное поле, которое смещает баланс токов в пограничной области.

Несмотря на некую схожесть процессов ключевым отличием является то, что в диоде Шоттки протекание тока как при прямом смещении, так и при обратном, связано исключительно с перемещением основных носителей заряда. То есть по сравнению с p-n переходом отсутствует диффузионная составляющая тока, которая связана с инжекцией неосновных носителей. А это, в свою очередь, приводит ко второй важнейшей отличительной особенности диодов Шоттки – повышенному быстродействию (поскольку отсутствуют рекомбинационные и диффузионные процессы).

Как вы помните, при прямом смещении в обычном диоде в полупроводниковых областях накапливаются неосновные носители заряда – дырки в n-области и электроны в p-области:

Так вот в момент перехода диода в закрытое состояние (при подаче обратного смещения) неосновные носители начинают перемещаться навстречу друг другу, что приводит к возникновению кратковременного импульса обратного тока. Для диодов Шоттки же этот негативный и нежелательный эффект фактически сводится на нет!

Итак, суммируем все, что мы рассмотрели, и построим вольт-амперную характеристику диода Шоттки и обычного выпрямительного диода:

А теперь резюмируем плюсы и минусы этих элементов:

  • Первое преимущество – меньшее падение напряжения при прямом включении. Для диодов Шоттки оно может составлять 0.2-0.4 В, тогда как для обычных кремниевых диодов величина равна 0.6-0.7 В. А меньшее напряжение при одинаковом токе – это меньшая рассеиваемая мощность, то есть диод Шоттки будет нагреваться гораздо меньше.
  • Быстродействие – бесспорный плюс, который позволяет использовать диоды Шоттки на более высоких частотах.
  • Из сравнения вольт-амперных характеристик мы можем заметить, что обратный ток обычного диода имеет меньшую величину. Это уже относится к недостаткам диодов Шоттки. Причем с повышением температуры обратный ток будет увеличиваться еще больше.
  • И еще один недостаток – при превышении максимально допустимого значения обратного напряжения диод Шоттки выходит из строй с вероятностью равной 100%. В то же время обычный диод может перейти в режим обратимого пробоя (лавинного или туннельного) в том случае, если для него не произошел тепловой пробой (также необратимый). И при этом максимально допустимые значения обратного напряжения для диодов Шоттки почти всегда значительно меньше, чем для обычных диодов!

А теперь давайте проведем несколько практических экспериментов. Протестируем две аналогичные схемы на работу с сигналами высокой частоты. Только в одной схеме задействуем диод Шоттки, а в другой обычный выпрямительный диод и сравним осциллограммы сигналов на выходе.

На принципиальных схемах диод Шоттки обозначается так:

Тесты будем проводить на простой схеме однополупериодного выпрямителя:

Для эксперимента я взял диод Шоттки 10BQ015 и выпрямительный диод 1N4001. Попробуем подать на вход синусоиду с частотой 1 КГц:

Первый канал (желтый) – сигнал на входе
Второй канал (красный) – сигнал на выходе цепи с диодом Шоттки
Третий канал (синий) – сигнал на выходе цепи с обычным диодом

Результат вполне ожидаем. Диоды пропускают ток только в одном направлении, поэтому нижний полупериод входного сигнала срезается. Пока разницы, честно говоря, никакой не наблюдается. Увеличиваем частоту входного сигнала до 100 КГц:

Первый канал (желтый) – сигнал на входе
Второй канал (красный) – сигнал на выходе цепи с диодом Шоттки
Третий канал (синий) – сигнал на выходе цепи с обычным диодом

И здесь уже видим, что обычный диод с таким сигналом попросту перестает справляться. При переключении диода (из открытого состояния в закрытое) возникает нежелательный импульс обратного тока (в точности так, как мы и обсудили чуть ранее).

Итак, мы рассмотрели устройство, основные характеристики и принцип работы диода Шоттки. Давайте на этом и завершим сегодняшнюю статью, всем большое спасибо за уделенное время и до встречи в новых статьях!

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.

Германиевые диоды-вольт-амперная характеристика, как работает диод

Как и любой полупроводниковый диод, германиевый состоит из двух, контактирующих друг с другом, частей с различными легирующими примесями. Место контакта – это особая область, в ней образуется так называемый потенциальный барьер, определяющий все свойства прибора.

Для того, чтобы диод вообще мог работать, приходится принимать особые меры по очистке германия Ge от примесей. Материал должен иметь почти идеальную кристаллическую решетку, в которую вводятся легирующие донорные (с избытком электронов) или акцепторные (с недостатком электронов) примеси. После донорного легирования говорят о n-проводимости, а после акцепторного – о p-проводимости.

Как работает диод

В качестве n-примесей для германия используют сурьму Sb, а в качестве p-примесей – галлий Ga. Атомы сурьмы при этом проявляют валентность, равную пяти, а атомы галлия – трем. Что это означает? При соединении с четырехвалентным германием в n-материале появляются лишние электроны, а в p-материале вакантные места для них, называемые просто дырками. На границе между  p и n материалами возникает разность потенциалов, диффузионный ток и потенциальный барьер, имеющий свойства односторонней проводимости. Этот слой называют p-n переходом.

Нужно отметить, что концентрации легирующих примесей чрезвычайно малы и должны дозироваться с высокой точностью

Вольт-амперная характеристика (ВАХ)

На рисунке изображена зависимость тока через германиевый диод средней мощности от приложенного к нему напряжения и графический символ для принципиальных схем (К – катод, А – анод).

 

В области прямого тока диод отпирается когда преодолен потенциальный барьер и в дальнейшем ток возрастает приблизительно по экспоненте (уравнение Шокли для идеального диода). Чрезмерный прямой ток может вызвать тепловой пробой. Обратный ток характеризуется очень малой величиной, порядка единиц-десятков мкА. Однако при слишком большом обратном напряжении может возникнуть электрический пробой. Оба вида пробоя необратимо разрушают p-n переход и прибор становится непригодным.

Область применения и история

Германиевые диоды применяются для выпрямления переменных напряжений, переменных составляющих пульсирующих напряжений, в различных нелинейных схемах: амплитудные детекторы, частотные и фазовые дискриминаторы, смесители, ограничители напряжения, логарифмирующие цепи обратных связей операционных усилителей (компрессоры, экспандеры аналоговых сигналов, логарифмирующие усилители для измерений в децибелах).

В связи с переходом на цифровые методы обработки сигналов, данные области применения германиевых (да и кремниевых) диодов сокращаются. Что касается кремния, то он начал интенсивно вытеснять германий из полупроводниковой промышленности уже в 1970-х годах, еще в доцифровую эпоху.

Исторически именно германий был первым промышленным материалом для изготовления диодов и транзисторов. Германиевые приборы резко потеснили электронные лампы, поскольку имеют значительно меньшие габариты и не потребляют энергии для нити накала. К недостаткам полупроводникового диода следует отнести тепловой шум носителей заряда, чем не страдали лампы. Однако, в большинстве случаев, этим оказалось возможно пренебречь.

Самые первые приборы содержали кристалл германия и металлическое острие, упирающееся в этот кристалл. (Нетрудно догадаться, что германий должен иметь p-тип проводимости.) В месте контакта возникал полупроводниковый p-n барьер. Сборка заключалась в стеклянный или металлостеклянный корпус. Такой диод имел очень маленькую собственную емкость и хорошо работал в качестве детекторов, в области высоких частот и малых сигналов.

 

Мощные германиевые диоды, выпрямители

Для изготовления полупроводникового перехода в диодах, – это основа основ работы прибора, – используются несколько основных методов: диффузия (сплавление n и p-легированных материалов) и планарная эпитаксия. Первый метод считается устаревшим и сейчас не применяется. При его использовании не удавалось снизить емкость запертого перехода, и это значительно ограничивало верхнюю рабочую частоту диода. На низкой частоте, например, промышленной 50-60 Гц, диоды вполне успешно работали в мощных выпрямителях.

 

Позже появился метод ионного легирования тонких кристаллов (планарная эпитаксия) и удалось значительно повысить диапазон частот, так как при новом методе паразитная емкость, о которой только что говорилось, оказалась, соответственно, ниже. Это никак не повлияло на мощность приборов, о чем еще будет сказано дальше.

Устройство диодов

Об устройстве первых диодов уже говорилось. Диффузионные приборы изготавливали вплавлением капли материала n-проводимости в каплю большего размера из материал p-проводимости или наоборот. “Большая капля” часто охлаждалась теплоотводом в мощных приборах. Для защиты диода от повреждений его заключали в герметичный, по возможности теплоотводящий корпус из металла со стеклянным изолятором и вторым электродом.

 

 

Планарные диоды часто имеют совсем другую, более современную конструкцию. Это тонкий плоский кристалл на охлаждающей подложке, подвергнутый сложной фото- и химической обработке, и облученный ионами из легирующей пушки. “Фото” – это уже устарело, используют не свет, а жесткие УФ-лучи или рентген.

Принцип напоминает традиционную фотографию: засвечивание и легирование производится через шаблоны с последующими травлениями (подобными проявке для фото). Мощные диоды могут получать, соединяя параллельно несколько других. Это делает тепловую нагрузку равномерной по подложке. Фактически это та же технология, по которой производят микросхемы. Поэтому современные мощные диоды выполняют в корпусах из реактопластов с металлическими теплоотводами.

Параметры германиевого диода

Возьмем, для примера, типичный германиевый диод средней мощности. Он имеет следующие характеристики, важные для практики:

 

  1. Наибольший прямой ток, Iпр.                            = 10 А
  2. Прямое напряжение, Uпр.                                   = 0.35 В
  3. Максимальная рабочая температура, °C            = 70
  4. Наибольшее обратное напряжение, Uоб.          = 50 В
  5. Обратный ток, Iобр.                                             = < 2.5 мА
  6. Емкость, Cd.                                                          = не нормируется
  7. Максимальная рабочая частота, Fmax.               = 1000 Гц

 

Следует отметить, что силовые германиевые диоды в настоящее время не используются и являются большой редкостью. Они полностью вытеснены кремниевыми, как имеющими несравнимо лучшие характеристики, особенно по времени переключения, что очень важно при имеющейся тенденции постоянного возрастания рабочих частот силовых преобразователей самого различного назначения.

 

Похожее

Что такое диод? | Fluke

Диод — это полупроводниковое устройство, которое, по сути, действует как односторонний переключатель тока. Это позволяет току легко течь в одном направлении, но сильно ограничивает протекание тока в противоположном направлении.

Диоды также известны как выпрямители , потому что они преобразуют переменный ток (ac) в пульсирующий постоянный ток (dc). Диоды классифицируются в соответствии с их типом, напряжением и допустимым током.

Диоды имеют полярность, определяемую анодом (положительный вывод) и катодом (отрицательный вывод).Большинство диодов пропускают ток только тогда, когда на анод подается положительное напряжение. На этом рисунке показаны различные конфигурации диодов:

Диоды доступны в различных конфигурациях. Слева: металлический корпус, крепление на шпильке, пластиковый корпус с лентой, пластиковый корпус с фаской, стеклянный корпус.

Когда диод пропускает ток, он смещен в прямом направлении . Когда диод имеет обратное смещение , он действует как изолятор и не пропускает ток.

Странно, но факт: стрелка символа диода указывает против направления потока электронов.Причина: инженеры придумали символ, а их схемы показывают ток, текущий от положительной (+) стороны источника напряжения к отрицательной (-). То же самое соглашение используется для символов полупроводников, которые включают стрелки — стрелка указывает в разрешенном направлении «обычного» потока и против разрешенного направления потока электронов.

Контрольный диод диода цифрового мультиметра создает небольшое напряжение между контрольными выводами, достаточное для прямого смещения диодного перехода. Нормальное падение напряжения равно 0.От 5 В до 0,8 В. Смещенное в прямом направлении сопротивление хорошего диода должно находиться в диапазоне от 1000 Ом до 10 Ом. При обратном смещении на дисплее цифрового мультиметра будет отображаться OL (что указывает на очень высокое сопротивление).

Диодам присваиваются номинальные значения тока. Если номинальное значение превышено и диод выйдет из строя, он может закоротить и либо а) позволить току течь в обоих направлениях, или б) остановить ток в любом направлении.

Ссылка: Digital Multimeter Principles by Glen A.Мазур, американское техническое издательство.

Что такое диод и для чего он нужен?

ОСНОВНЫЕ ЗНАНИЯ — ДИОД Что такое диод и для чего он используется?

Автор / Редактор: Люк Джеймс / Erika Granath

Диод может быть самым простым из всех полупроводниковых компонентов, однако он выполняет множество важных функций, включая контроль потока электрического тока. Вот краткий обзор простого диода и того, для чего он обычно используется.

Связанные компании

Диод — это устройство, которое позволяет току течь в одном направлении, но не в другом. Это достигается за счет встроенного электрического поля.

(Bild: Public Domain)

Диод — это устройство, которое позволяет току течь в одном направлении, но не в другом. Это достигается за счет встроенного электрического поля. Хотя самые ранние диоды состояли из раскаленных проволок, проходящих через середину металлического цилиндра, который сам находился внутри стеклянной вакуумной трубки, современные диоды являются полупроводниковыми диодами.Как следует из названия, они сделаны из полупроводниковых материалов, в основном из легированного кремния.

Проведение электрического тока в одном направлении

ВАХ (зависимость тока от напряжения) диода с p – n переходом.

(Bild: CC BY-SA 4.0)

Несмотря на то, что диоды являются не более чем простыми двухконтактными полупроводниковыми приборами, они жизненно важны для современной электроники.
Некоторые из их наиболее распространенных приложений включают преобразование переменного тока в постоянный, изоляцию сигналов от источника питания и микширование сигналов.У диода две «стороны», и каждая сторона легирована по-разному. Одна сторона — это «сторона p», она имеет положительный заряд.
Другая сторона — это «n-сторона», она имеет отрицательный заряд. Обе эти стороны наслоены вместе, образуя так называемое «n-p соединение», где они встречаются.

Когда отрицательный заряд прикладывается к n-стороне и положительный к p-стороне, электроны «перепрыгивают» через этот переход, и ток течет только в одном направлении. Это свойство сердечника диода; обычный ток течет от положительной стороны к отрицательной только в этом направлении.В то же время электроны текут в одном направлении только с отрицательной стороны на положительную. Это связано с тем, что электроны заряжены отрицательно и притягиваются к положительному полюсу батареи.

Для чего используются диоды?

Диоды — чрезвычайно полезные компоненты, которые широко используются в современной технике.

Светодиоды (LED)

Возможно, наиболее широко известное современное применение диодов — это светодиоды. В них используется особый вид легирования, так что, когда электрон пересекает n-p переход, испускается фотон, который создает свет.Это связано с тем, что светодиоды светятся при наличии положительного напряжения. Тип легирования может быть изменен так, что может излучаться свет любой частоты (цвета), от инфракрасного до ультрафиолетового.

Преобразование мощности

Хотя светодиоды могут быть наиболее широко известным приложением для обычного человека, наиболее распространенным применением на сегодняшний день является использование диодов для преобразования мощности переменного тока в мощность постоянного тока. Используя диоды, можно создавать различные типы выпрямительных схем, самые основные из которых — это полуволновые, полнополупериодные выпрямители с центральным ответвлением и полные мостовые выпрямители.Они чрезвычайно важны в источниках питания для электроники — например, в зарядном устройстве ноутбука — где переменный ток, исходящий от источника питания, должен быть преобразован в постоянный ток, который затем может быть сохранен.

Защита от перенапряжения

Чувствительные электронные устройства необходимо защитить от скачков напряжения, и диод идеально подходит для этого. При использовании в качестве устройств защиты по напряжению диоды не проводят ток, однако они немедленно замыкают любой всплеск высокого напряжения, отправляя его на землю, где он не может повредить чувствительные интегральные схемы.Для этого разработаны специальные диоды, известные как «ограничители переходных напряжений». Они могут справляться с резкими скачками мощности в течение коротких периодов времени, которые обычно приводят к повреждению чувствительных компонентов.

(ID: 46381408)

Диод

| Определение, символ, типы и применение

Диод , электрический компонент, который позволяет току течь только в одном направлении. На принципиальных схемах диод представлен треугольником с линией, пересекающей одну вершину.

Самый распространенный тип диодов использует переход p n . В этом типе диода один материал ( n ), в котором электроны являются носителями заряда, примыкает ко второму материалу ( p ), в котором дырки (места, лишенные электронов, которые действуют как положительно заряженные частицы) действуют как носители заряда. На их границе образуется обедненная область, через которую электроны диффундируют, заполняя дырки на стороне p . Это останавливает дальнейший поток электронов. Когда этот переход смещен в прямом направлении (то есть, к стороне p приложено положительное напряжение), электроны могут легко перемещаться через переход, чтобы заполнить отверстия, и через диод течет ток.Когда переход смещен в обратном направлении (то есть к стороне p прикладывается отрицательное напряжение), область обеднения расширяется, и электроны не могут легко перемещаться по ней. Ток остается очень маленьким, пока не будет достигнуто определенное напряжение (напряжение пробоя), и ток внезапно не возрастет.

p-n характеристики перехода

(A) Вольт-амперные характеристики типичного кремниевого перехода p-n . (B) условия прямого смещения и (C) обратного смещения. (D) Обозначение соединения p-n .

Encyclopædia Britannica, Inc.

Светодиоды (LED) — это переходы p n , которые излучают свет, когда через них протекает ток. Несколько переходных диодов p n могут быть соединены последовательно для создания выпрямителя (электрического компонента, преобразующего переменный ток в постоянный). Стабилитроны имеют четко определенное напряжение пробоя, так что ток течет в обратном направлении при этом напряжении, и постоянное напряжение может поддерживаться, несмотря на колебания напряжения или тока.В варакторных (или варикапных) диодах изменение напряжения смещения вызывает изменение емкости диода; Эти диоды находят множество применений для передачи сигналов и используются в радио- и телеиндустрии. (Для получения более подробной информации об этих и других типах диодов, см. полупроводниковое устройство.)

Ранние диоды представляли собой вакуумные лампы, вакуумные стеклянные или металлические электронные трубки, содержащие два электрода — отрицательно заряженный катод и положительно заряженный анод. Они использовались в качестве выпрямителей и детекторов в электронных схемах, таких как радио- и телевизионные приемники.Когда на анод (или пластину) подается положительное напряжение, электроны, испускаемые нагретым катодом, текут на пластину и возвращаются к катоду через внешний источник питания. Если к пластине приложено отрицательное напряжение, электроны не могут покинуть катод, и ток пластины не течет. Таким образом, диод позволяет электронам течь от катода к пластине, но не от пластины к катоду. Если на пластину подается переменное напряжение, ток течет только в то время, когда пластина положительна.Считается, что переменное напряжение выпрямляется или преобразуется в постоянный ток.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишись сейчас

Введение в диоды и выпрямители | Диоды и выпрямители

Все о диодах

Диод — это электрическое устройство, позволяющее току проходить через него в одном направлении с гораздо большей легкостью, чем в другом. Наиболее распространенным типом диодов в современной схемотехнике является полупроводниковый диод , хотя существуют и другие диодные технологии.Полупроводниковые диоды обозначены на схематических диаграммах, таких как рисунок ниже. Термин «диод» обычно зарезервирован для малосигнальных устройств, I ≤ 1 A. Термин выпрямитель используется для силовых устройств, I> 1 A.

Схематический символ полупроводникового диода: стрелки указывают направление тока.

При включении в простую схему «батарея-лампа» диод пропускает или предотвращает прохождение тока через лампу, в зависимости от полярности приложенного напряжения.(рисунок ниже)

Работа диода: а) ток разрешен; диод смещен в прямом направлении. (b) Текущий поток запрещен; диод имеет обратное смещение.

Когда полярность батареи такова, что ток может течь через диод, диод называется с прямым смещением . И наоборот, когда батарея находится «в обратном направлении» и диод блокирует ток, говорят, что диод имеет обратное смещение . Диод можно рассматривать как переключатель: «замкнут» при прямом смещении и «разомкнут» при обратном смещении.

Направление стрелки символа диода указывает направление тока в обычном потоке. Это соглашение справедливо для всех полупроводников, на схемах которых есть «наконечники стрел». Обратное верно, когда используется поток электронов, когда направление тока направлено против «стрелки».

Гидравлический обратный клапан Аналогия

Поведение диода аналогично поведению гидравлического устройства, называемого обратным клапаном . Обратный клапан позволяет жидкости проходить через него только в одном направлении, как показано на рисунке ниже.

Аналогия с гидравлическим обратным клапаном: (a) Допустимый ток. (b) Текущий поток запрещен.

Обратные клапаны — это, по сути, устройства, работающие под давлением: они открываются и пропускают поток, если давление на них имеет правильную «полярность» для открытия задвижки (в показанной аналогии давление жидкости справа больше, чем слева). Если давление имеет противоположную «полярность», перепад давления на обратном клапане закроется и удержит заслонку, так что потока не будет.

Как и обратные клапаны, диоды, по сути, представляют собой устройства, работающие от давления (напряжения). Существенная разница между прямым и обратным смещением заключается в полярности падения напряжения на диоде. Давайте подробнее рассмотрим простую схему батарея-диод-лампа, показанную ранее, на этот раз исследуя падение напряжения на различных компонентах на рисунке ниже.

Измерения напряжения диодной цепи: (a) Прямое смещение. (b) Обратное смещение.

Конфигурация диода прямого смещения

Диод с прямым смещением проводит ток и понижает на нем небольшое напряжение, в результате чего большая часть напряжения батареи падает на лампе.Если полярность батареи меняется на противоположную, диод становится смещенным в обратном направлении и сбрасывает все напряжения батареи, не оставляя лампе ничего. Если мы считаем диод самодействующим переключателем (замкнутым в режиме прямого смещения и разомкнутым в режиме обратного смещения), такое поведение имеет смысл. Наиболее существенное различие состоит в том, что диод при проводке падает намного больше напряжения, чем средний механический переключатель (0,7 вольт против десятков милливольт).

Это падение напряжения прямого смещения, проявляемое диодом, связано с действием области обеднения, образованной P-N переходом под влиянием приложенного напряжения.Если на полупроводниковый диод не подается напряжение, вокруг области P-N-перехода существует тонкая обедненная область, предотвращающая протекание тока. (Рисунок ниже (а)) Область обеднения почти лишена доступных носителей заряда и действует как изолятор:

Изображения диодов: модель PN-перехода, схематическое обозначение, физическая часть.

Схематический символ диода показан на рисунке выше (b), так что анод (указывающий конец) соответствует полупроводнику P-типа в точке (a).Катодный стержень, не указывающий конец, в точке (b) соответствует материалу N-типа в точке (a). Также обратите внимание, что катодная полоса на физической части (c) соответствует катоду на символе.

Конфигурация диода обратного смещения

Если напряжение обратного смещения приложено к переходу P-N, эта область истощения расширяется, дополнительно сопротивляясь любому току через нее. (Рисунок ниже)

Область истощения расширяется с обратным смещением.

прямое напряжение

И наоборот, если напряжение прямого смещения приложено к переходу P-N, область обеднения сжимается, становясь тоньше.Диод становится менее резистентным к проходящему через него току. Для того, чтобы через диод шел устойчивый ток; тем не менее, область истощения должна быть полностью сжата под действием приложенного напряжения. Для этого требуется определенное минимальное напряжение, называемое прямым напряжением , как показано на рисунке ниже.

Увеличение прямого смещения от (a) до (b) уменьшает толщину обедненной области.

Для кремниевых диодов типичное прямое напряжение составляет 0,7 В, номинальное.Для германиевых диодов прямое напряжение составляет всего 0,3 вольта. Химическая составляющая P-N перехода, составляющего диод, определяет его номинальное значение прямого напряжения, поэтому кремниевые и германиевые диоды имеют такие разные прямые напряжения. Прямое падение напряжения остается примерно постоянным для широкого диапазона токов диодов, а это означает, что падение напряжения на диоде не похоже на падение напряжения на резисторе или даже на обычном (замкнутом) переключателе. Для наиболее упрощенного анализа схемы падение напряжения на проводящем диоде можно считать постоянным при номинальном значении и не связанным с величиной тока.

Диодное уравнение

На самом деле, прямое падение напряжения более сложное. Уравнение описывает точный ток через диод с учетом падения напряжения на переходе, температуры перехода и нескольких физических констант. Это широко известно как уравнение диода :

Термин kT / q описывает напряжение, возникающее в переходе P-N из-за действия температуры, и называется термическим напряжением или Vt перехода.При комнатной температуре это примерно 26 милливольт. Зная это и принимая коэффициент «неидеальности» равным 1, мы можем упростить уравнение диода и переписать его как таковое:

Вам не нужно знать «уравнение диода» для анализа простых диодных цепей. Просто поймите, что напряжение, падающее на токопроводящем диоде , изменяет с величиной проходящего через него тока, но это изменение довольно мало в широком диапазоне токов. Вот почему во многих учебниках просто говорится, что падение напряжения на проводящем полупроводниковом диоде остается постоянным на уровне 0.7 вольт для кремния и 0,3 вольт для германия.

Однако в некоторых схемах намеренно используется присущее P-N-переходу экспоненциальное соотношение тока / напряжения, и поэтому их можно понять только в контексте этого уравнения. Кроме того, поскольку температура является фактором в уравнении диода, смещенный в прямом направлении P-N переход также может использоваться в качестве устройства измерения температуры и, таким образом, может быть понят, только если у человека есть концептуальное представление об этой математической зависимости.

Работа с обратным смещением

Диод с обратным смещением предотвращает прохождение тока через него из-за расширенной области обеднения.На самом деле очень небольшой ток может проходить и проходит через диод с обратным смещением, называемый током утечки , но его можно игнорировать для большинства целей.

Способность диода выдерживать напряжения обратного смещения ограничена, как и для любого изолятора. Если приложенное напряжение обратного смещения становится слишком большим, диод испытывает состояние, известное как пробой (рисунок ниже), которое обычно является разрушительным.

Максимальное номинальное напряжение обратного смещения диода известно как Peak Inverse Voltage или PIV , и его можно получить у производителя.Как и прямое напряжение, рейтинг PIV диода зависит от температуры, за исключением того, что PIV увеличивается на с повышением температуры, а уменьшается на , когда диод становится холоднее, что в точности противоположно прямому напряжению.

Диодная кривая: показывает излом при прямом смещении 0,7 В для Si и обратный пробой.

Обычно рейтинг PIV обычного «выпрямительного» диода составляет не менее 50 В при комнатной температуре. Диоды с рейтингом PIV в несколько тысяч вольт доступны по скромным ценам.

ОБЗОР:

  • Диод представляет собой электрический компонент, действующий как односторонний клапан для тока.
  • Когда напряжение подается на диод таким образом, что диод пропускает ток, говорят, что диод смещен в прямом направлении .
  • Когда напряжение подается на диод таким образом, что диод запрещает ток, говорят, что диод имеет обратное смещение .
  • Напряжение, падающее на проводящий диод с прямым смещением, называется прямым напряжением .Прямое напряжение диода изменяется незначительно при изменении прямого тока и температуры и фиксируется химическим составом P-N перехода.
  • Кремниевые диоды
  • имеют прямое напряжение примерно 0,7 В.
  • Прямое напряжение германиевых диодов
  • составляет примерно 0,3 В.
  • Максимальное напряжение обратного смещения, которое диод может выдержать без «поломки», называется номинальным значением пикового обратного напряжения или PIV .

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

Что такое диод? — Определение от WhatIs.com

Диод — это специализированный электронный компонент с двумя электродами, которые называются анодом и катодом. Большинство диодов изготовлено из полупроводниковых материалов, таких как кремний, германий или селен. Некоторые диоды состоят из металлических электродов в камере, откачанной или заполненной чистым элементарным газом при низком давлении. Диоды могут использоваться как выпрямители, ограничители сигналов, регуляторы напряжения, переключатели, модуляторы сигналов, смесители сигналов, демодуляторы сигналов и генераторы.

Основным свойством диода является его способность проводить электрический ток только в одном направлении.Когда катод заряжен отрицательно относительно анода при напряжении, превышающем определенный минимум, называемый прямым переключением , тогда ток течет через диод. Если катод положительный по отношению к аноду, находится под тем же напряжением, что и анод, или отрицательный на величину, меньшую, чем напряжение прямого переключения, то диод не проводит ток. Это упрощенное представление, но верно для диодов, работающих как выпрямители, переключатели и ограничители. Напряжение прямого переключения составляет примерно шесть десятых вольта (0.6 В) для кремниевых устройств, 0,3 В для германиевых устройств и 1 В для селеновых устройств.

Несмотря на вышеприведенное общее правило, если катодное напряжение положительно относительно анодного напряжения на достаточно большую величину, диод будет проводить ток. Напряжение, необходимое для возникновения этого явления, известное как лавинное напряжение , сильно варьируется в зависимости от природы полупроводникового материала, из которого изготовлено устройство. Напряжение лавины может составлять от нескольких вольт до нескольких сотен вольт.

Когда аналоговый сигнал проходит через диод, работающий в точке прямого размыкания или около нее, форма сигнала искажается. Эта нелинейность допускает модуляцию, демодуляцию и смешивание сигналов. Кроме того, сигналы генерируются на гармониках или целых кратных входной частоты. Некоторые диоды также имеют характеристику, которая неточно названа отрицательным сопротивлением . Диоды этого типа при приложении напряжения нужного уровня и полярности генерируют аналоговые сигналы на микроволновых радиочастотах.

Полупроводниковые диоды могут быть разработаны для выработки постоянного тока (DC), когда на них попадает энергия видимого света, инфракрасного (ИК) или ультрафиолетового (УФ) излучения. Эти диоды известны как фотоэлектрические элементы и являются основой для систем солнечной энергии и фотосенсоров. Еще одна форма диодов, обычно используемых в электронном и компьютерном оборудовании, излучает видимый свет или инфракрасную энергию, когда через них проходит ток. Таким устройством является привычный светодиод (LED).

См. Вводное руководство по диодам и полупроводникам:

Как диоды используются в нашей повседневной жизни?

Диод — это электронный компонент с двумя выводами, который проводит электричество только в одном направлении и только тогда, когда к его двум выводам приложена определенная минимальная разность потенциалов или напряжение.Первые диоды использовались для преобразования переменного тока в постоянный и для фильтрации сигнала в радиоприемниках. С тех пор диоды стали повсеместными, они используются для защиты электроники, освещения наших домов и отправки сигналов дистанционного управления.

Базовая структура

Чтобы понять основы использования диода, полезно взглянуть на стандартную структуру диода. Стандартный p-n-диод имеет два полупроводника, которые входят в контакт, образуя интерфейс. Чистые полупроводники не проводят, поэтому добавляются металлические примеси. В одном полупроводнике p-n-диода загрязняющий металл легко отдает электрон; другой также легирован (загрязнен) металлом, который легко принимает электрон.На границе раздела электроны перемещаются из одной стороны в другую, делая атомы, оставленные электронами, положительно заряженными, а принимающие атомы — отрицательными. Это отклонение от нейтральности происходит только на интерфейсе. Он создает электрическое поле, так что электроны, поступающие от внешнего тока, в основном идут со стороны, принимающей электроны, на сторону, отдающую электроны.

Ранние диоды: радио

Это свойство однонаправленности было впервые использовано в радиоприемниках AM. Радиосигнал колеблется взад и вперед, создавая в антенне переменный ток.Перед усилением сигнал необходимо сделать однонаправленным. Следовательно, радиодиод пропускает половину сигнала, перемещая электроны в одном направлении, но не другую половину. Короче говоря, переменный ток превращается в постоянный ток. Затем конденсаторы отфильтровывают высокие частоты, оставляя только аудиосигнал, готовый к усилению.

LED

Если вы подаете напряжение на диод, электроны из электрического тока, движущегося по электрической цепи, будут излучать свет определенной длины волны при присоединении к примеси, которая принимает электрон.Вот как светодиоды (LED) производят свет. Затем электроны перемещаются через границу раздела полупроводников из-за электрического поля между ними, пересекают полупроводник, который отдает электроны, и продолжают движение к задней части источника напряжения, чтобы замкнуть цепь.

Фотодиоды и светочувствительные диоды

Так же, как диоды могут излучать свет, они также могут создавать ток, когда получают его. Эти два типа работают вместе в устройстве дистанционного управления, например, для вашего телевизора.Именно так работают фотоэлектрические панели. Два диода излучают свет от пульта ДУ: один излучает видимый свет, чтобы вы знали, что сигнал отправляется; другой излучает двоичный сигнал на невидимой длине волны (отсюда и необходимость в видимом фотодиоде). Фотоны попадают в электронодонорный полупроводник, освобождая электроны и передавая им кинетическую энергию. Кинетическая энергия может передаваться только в одном направлении, поскольку допускается только одно направление электрического тока. Таким же образом работают солнечные панели, преобразующие солнечные фотоны в электрический ток только в одном направлении.

Защита цепи

Диод может защитить схему от неправильно вставленных батарей. Полярность будет неправильной, но это не повредит схему за диодом, который пропускает только слабый ток. Диоды также играют роль в устройствах защиты от перенапряжения. Так называемые «лавинные» диоды ведут к заземляющему проводу, но они не пропускают постоянный ток из-за своей однонаправленной ориентации. При достаточно высоком напряжении диод пропускает напряжение. Когда скачки напряжения намного превышают рабочие уровни, лавинный диод открывается и пропускает дополнительное напряжение через заземляющий провод.

Диодные и выпрямительные устройства | Microsemi

Обзор

Microsemi является пионером в создании выпрямительных диодов с 1960 года. Текущее предложение диодов включает в себя высокомощные диоды, высокочастотные диоды и практически все разновидности диодов, используемых в Space , Commercial Aviation , Hi-Reliability , Военные и Промышленные (включая Автомобильные ) приложения. Дискретные решения Microsemi соответствуют требованиям MIL-PRF-19500 , и компания имеет более сертификатов DLA , чем любой другой производитель космического уровня.Мы были первым производителем диодов, выбранным военными службами США в качестве источника поставки для обеспечения высочайшего указанного уровня надежности.

Для Commercial / Industrial приложений , охватывающих широкий спектр требований приложений, предложения Microsemi диодов включают серию DL с низким VF и сверхмягким восстановлением, серию D средней скорости и напряжения, серию DQ с высокой скоростью сверхбыстрого восстановления , высокоскоростные диоды серии DS и кремниевые диоды Шоттки серии S.Диодные продукты сверхбыстрого восстановления (DQ) особенно подходят для приложений с более высокой частотой коммутации, таких как преобразователи AC-DC / DC-DC в зарядных устройствах H / EV и импульсных источниках питания. Семейство диодов DQ выпускается в серию 600 В, 1000 В и 1200 В с номинальным током от 8 А до 100 А. Квалификация AEC-Q101 для семейства высоковольтных диодов DQ расширяет проникновение продукта в приложения с более высокой надежностью, такие как бортовые зарядные устройства и силовые агрегаты.

Характеристики диода

DQ

  • Сверхбыстрое время восстановления
  • Мягкое восстановление
  • Низкий ток утечки
  • Оценка лавинной энергии
  • Соответствует AEC-Q101
Преимущества диода

DQ

  • Более высокая частота коммутации
  • Низкие коммутационные потери
  • Коммутация с низким уровнем шума (EMI)
  • Простая параллельность
  • Повышенная надежность системы

Применение диодов DQ

  • Преобразователи AC-DC / DC-DC
  • Инверторы
  • Импульсный источник питания
  • Зарядные устройства H / EV
  • Бортовые зарядные устройства и трансмиссия H / EV

Таблица 1: Стандартные диоды Microsemi и диоды быстрого восстановления

Серия Номинальное напряжение (В) Характеристики Приложения Комментарий
DL 600 Low VF
Сверхмягкое восстановление
Оценка лавин
Выходной выпрямитель
Резонансная цепь
Сверхмягкое восстановление сводит к минимуму или устраняет демпфер
D 200, 300, 400, 600, 100, 1200 Средний VF
Среднескоростной
Frewheeling Diode
Output Rectifier
DC-DC преобразователь
собственный платиновый процесс
DQ 600, 100, 1200 Высокая скорость
Оценка лавин
PFC
Диод свободного хода
Преобразователь постоянного тока в постоянный
Stepped epi улучшает мягкость
Платиновый процесс, запатентованный
AECQ101 Соответствует
DS 600 Очень высокая скорость Высокочастотный PFC Платиновый процесс, запатентованный
Шоттки 200 Low VF
Оценка лавин
Выходной выпрямитель
Диод свободного хода
Преобразователь постоянного тока в постоянный

Приложения

Рекомендуемые приложения для диодных и выпрямительных устройств

Параметрический поиск

  • «Предыдущая
  • {{n + 1}}
  • Следующий »
  • Показано 2550100 на страницу
Детали Состояние детали упаковка Тип Перевозчик пакетов

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Весь товар подлежит гарантии и сертифицирован!Все права защищены .RU