Полупроводниковый диод: виды, как работает и область применения

Мы очень часто применяем в своих схемах диоды, а знаете ли вы как он работает и что из себя представляет? Сегодня в «семейство» диодов входит не один десяток полупроводниковых приборов, носящих название «диод».

 Диод представляет собой небольшую емкость с откачанным воздухом, внутри которой на небольшом расстоянии друг от друга находится анод и второй электрод — катод, один из которых обладает электропроводностью типа р, а другой — n.

Чтобы представить как работает диод, возьмем для примера ситуацию с накачиванием колеса при помощи насоса. Вот мы работаем насосом, воздух закачивается в камеру через ниппель, а обратно этот воздух выйти через ниппель не может. По сути воздух, это тот же электрон в диоде, вошел электрончик, а обратно выйти уже нельзя.

Из этого можно сделать вывод что диод пропускает ток только в одном направлении (в обратном направлении тоже пропускает, но совсем маленький) 

Внутреннее сопротивление диода (открытого) — величина непостоянная, она зависит от прямого напряжения приложенного к диоду.  Чем больше это напряжение, тем больше прямой ток через диод, тем меньше его пропускное сопротивление.

Судить о сопротивлении диода можно по падению напряжения на нем и току через него. Так, например, если через диод идет прямой ток Iпр.

= 100 мА (0,1 А) и при этом на нем падает напряжение 1В, то (по закону Ома) прямое сопротивление диода будет: R = 1 / 0,1 = 10 Ом.

Отмечу сразу, что вдаваться в подробности и сильно углубляться, строить графики, писать формулы мы не будем – рассмотрим все поверхностно. В данной статье рассмотрим разновидности диодов, а именно светодиоды, стабилитроны, варикапы, диоды Шоттки и др.

Диоды

Обозначаются на схемах вот так:

Треугольная часть является АНОД'ом, а черточка это КАТОД. Анод это плюс, катод – минус. Диоды например, используют в блоках питания для выпрямления переменного тока, при помощи диодного моста можно превратить переменной ток в постоянный, применяются  для защиты разных устройств от неправильной полярности включения и т. п.

Диодный мост представляет собой 4 диода, которые подключаются последовательно, причем два диода из этих четырех включены встречно, посмотрите на рисунки ниже.

Именно так и обозначается диодный мост, правда в некоторых схемах обозначают сокращенным вариантом:

Вывода ~ подключаются к трансформатору, на схеме это будет выглядеть вот так:

Диодный мост предназначен для преобразования, чаще говорят для выпрямления переменного тока в постоянный. Такое выпрямление называется двухполупериодным.

Принцип работы диодного моста заключается в пропускании положительной полуволны переменного напряжения положительными диодами и обрезании отрицательной полуволны отрицательными диодами.

Поэтому на выходе выпрямителя образуется немного пульсирующее положительное напряжение с постоянной величиной.

Для того, чтобы этих пульсаций не было, ставят электролитические конденсаторы. после добавления конденсатора напряжение немного увеличивается, но отвлекаться не будем, про конденсаторы можете почитать здесь.

Диодные мосты применяют для питания радиоаппаратуры, применяются в блоках питания и зарядных устройствах. Как уже говорил, диодный мост можно составить из четырех одинаковых диодов, но продаются и готовые диодные мосты, выглядят они вот так:

Диод Шоттки

Диоды Шоттки имеют очень малое падение напряжения и обладают повышенным быстродействием по сравнению с обычными диодами.

Ставить вместо диода Шоттки обычный диод не рекомендуется, обычный диод может быстро выйти из строя. Обозначается на схемах такой диод так:

Стабилитрон

Стабилитрон препятствует превышению напряжения выше определённого порога на конкретном участке схемы.

Может выполнять как защитные так и ограничительные функции, работают они только в цепях постоянного тока. При подключении следует соблюдать полярность.

Однотипные стабилитроны можно соединять последовательно для повышения стабилизируемого напряжения или образования делителя напряжений.

Стабилитроны на схемах обозначаются следующим образом:

Основным параметром стабилитронов является напряжение стабилизации, стабилитроны имеют различные напряжения стабилизации, например 3в, 5в, 8.2в, 12в, 18в и т.п.

Варикап

Варикап (по другому емкостной диод) меняет своё сопротивление в зависимости от поданного на него напряжения. Применяется как управляемый конденсатор переменной емкости, например, для настройки высокочастотных колебательных контуров.

Тиристор

Тиристор имеет два устойчивых состояния: 1) закрытое, то есть состояние низкой проводимости, 2) открытое, то есть состояние высокой проводимости. Другими словами он способен под действием сигнала переходить из закрытого состояния в открытое.

Тиристор имеет три вывода, кроме Анода и Катода еще и управляющий электрод — используется для перевода тиристора во включенное состояние. Современные импортные тиристоры выпускаются и в корпусах ТО-220 и ТО-92.

Тиристоры часто используются в схемах для регулировки мощностей, для плавного пуска двигателей или включения лампочек. Тиристоры позволяют управлять большими токами.

Мощные силовые тиристоры вида Т143(500-16) применяются в шкафах управления эл.двигателями, частотниках.

Симистор

Симистор используется в системах, питающихся переменным напряжением, его можно представить как два тиристора, которые  включены встречно-параллельно. Симистор пропускает ток в обоих направлениях.

Светодиод

Светодиод излучает свет при пропускании через него электрического тока. Светодиоды применяются в устройствах индикации приборов, в электронных компонентах (оптронах), сотовых телефонах для подсветки дисплея и клавиатуры, мощные светодиоды используют как источник света в фонарях и т.д. Светодиоды бывают разного цвета свечения, RGB и т.д.

• Обозначение на схемах:
• Подробнее про светодиоды можно почитать здесь.

Инфракрасный  диод

Инфракрасные светодиоды (сокращенно ИК диоды) излучают свет в инфракрасном диапазоне . Области применения инфракрасных светодиодов это оптические контрольно-измерительные приборы, устройства дистанционного управления, оптронные коммутационные устройства, беспроводные линии связи. Ик диоды обозначаются так же как и светодиоды.

Инфракрасные диоды излучают свет вне видимого диапазона,  свечение ИК диода можно увидеть и посмотреть например через камеру сотового телефона, данные диоды так же применяют в камерах видеонаблюдения, особенно на уличных камерах чтобы в темное время суток была видна картинка.

Фотодиод

1. Фотодиод преобразует свет попавший на его фоточувствительную область, в электрический ток, находит применение в преобразовании света в электрический сигнал.
2. Фото диоды (а так же фоторезисторы, фототранзисторы) можно сравнить с солнечными батареями. Обозначаются на схемах так:

Источник: https://cxem.net/beginner/beginner97.php

Характеристики полупроводникового диода: детальный разбор

При самостоятельной сборке различных электроприборов не обойтись баз такого изделия, как полупроводниковый диод. Это устройство применимо для работы многих приборов, которые люди собирают в домашних лабораториях.

Но для того чтобы применять такое устройство, необходимо знать некоторые его особенности: его виды (типы) и их характеристики (например, ВАХ или вольт амперная характеристика), принцип действия, и многое другое.
Обо всем этом вы узнаете из нашей статьи.

Начнем с азов

Диод представляет собой полупроводниковое двухвыводное радиоэлектронное устройство, которое обладает вольт амперной характеристикой или ВАХ. Благодаря ВАХ электрический ток по изделию может течь только по одному направлению.

Это направление определяется в ситуации, когда при прямом смещении сопротивление будет практически равно нулю.

При другом направлении нелинейная ВАХ, как особая характеристика изделия, не позволяет току протекать, поскольку в этом случае сопротивление будет велико.

Устройство изделия

На ВАХ основано исследование данных типов компонентов. Реферат о свойствах диодных полупроводников можно написать про ВАХ, различные виды изделий, а также о том, какой их общий принцип работы.

При этом реферат будет содержать в каждом случае разную информацию, так как здесь сложно изложить суть в кратком объеме.

После того, как мы разобрались, что собой представляет диод, можно выяснить основные моменты его полупроводникового вида.

Полупроводниковый диод (диодный вентиль) представляет собой изделие, изготовленное из полупроводниковых материалов (зачастую кремния). Поскольку у него есть вольт амперная характеристика, то ток здесь может течь только в одном направлении.

Главным компонентом такого электрического элемента является кристаллическая часть, в которой есть p-n переход. Переход подключен к двум электрическими контактами. Сама вакуумная трубка имеет два электрода: нагретый катод и пластину (анод).
Такая структура, а также принцип работы, позволяет применять их для:

• улучшения различных электронных схем;
• преобразования постоянного и переменного тока;
• усовершенствования различных устройств.

Реферат может более полно описать каждый способ применения.

О важном свойстве

ВАХ полупроводникового элемента

Самым важным параметром в характеристике полупроводниковых диодных компонентов электрических систем является ВАХ. Как уже говорилось выше, под ВАХ понимается вольт амперная характеристика диода.

Эта характеристика определяет зависимость тока, проходящего через p-n переход, к полярности, а также величине приложенного к нему напряжения.

Данная зависимость имеет вид кривой, представленной на рисунке снизу.

Рисунок изображает ВАХ для обратного и прямого типа включения.
Эта характеристика используется для создания эффективных электрических схем, предназначенных для самых разнообразных целей.

Как работает

Принцип действия, в своей основе, содержит свойства этого электронно-дырочного перехода. Здесь свойства перехода зависят от того, какая имеется вольт амперная характеристика (ее сильная асимметрия по отношению к нулю). Любой реферат расскажет об этом. Следовательно, принцип работы предполагает два типа включения:

• прямое. Здесь диод обладает слабым электросопротивлением, в связи с чем электрический ток и может течь. Это демонстрирует рисунок, который дополняет профильный реферат;

Прямое включение

• обратное. Ток прекращает течь при создании ситуации, когда напряжение меньше напряжения пробоя для имеющегося сопротивления. Такой рисунок тоже должен содержать любой тематический реферат.

Обратное включение

Данный принцип действия характерен почти для всех полупроводниковых диодов, за исключением ганна.

Варианты исполнения

Стабилитрон

На сегодняшний день полупроводниковый диод может быть представлен различными видами устройств. Их классификация основана на принципе действия, материале изготовления и т.д.
Существует и классификация, которая основана на области применения. Согласно ней выделяют следующие типы диодов:

• импульсные;
• стабилитроны;
• точечные;
• сплавные;
• лазер;
• светодиоды;
• варикапы и прочие типы.

Специальный реферат о каждом виде расскажет более детально, указав особенности работы, вольт амперные характеристики, свойства и т.д. для каждого типа.

Обратите внимание! Такие диоды часто применяются как выпрямительный поликристаллический аналог мостов.

Помимо этого существует и друга классификация данной продукции, основанная на функциональном предназначении:

• выпрямительный. Такие диоды предназначены для того чтобы выпрямлять переменный ток. Здесь коэффициент выпрямления будет равен отношению прямого и обратного токов (напряжение равное);
• высокочастотный. Как правило, с ними проводят исследование, связанное с работой приборов сверхвысокой и высокой частоты. Часто применяются для детектирования, а также моделирования сверхвысокочастотных колебаний. Частота может доходить до сотен мегагерц;
• варикапы. Их принцип работы базируется на изменении свойств емкости электронно-дырочного перехода. Емкость может меняться в зависимости от обратного прикладываемого напряжения;
• туннельный. Здесь усиление туннельного эффекта p-n-перехода достигается за счет использования больших концентраций различных легирующих примесей.

Данная классификация применяется чаще всего.
Также типы диодов различаются по конструкции. Они могут быть:

• плоскими;
• точечными;
• микросплавными.

По делению в зависимости от мощности, выделяют такие типы:

• мощные;
• средней мощности;
• маломощные.

По параметру частоты данная продукция делится на:

• высокочастотные;
• низкочастотные;
• СВЧ.

Разнообразие диодов

Полупроводниковые диоды имеют большое количество делений по классам, мощностям, частотам и прочим параметрам, что демонстрирует их широкое применение.

Отдельный подвид

Особняком в классификации полупроводниковых типов диодов стоит ганна. Это связано с тем, что данное устройство не имеет типичного для всех перечисленных выше диодов p-n-перехода.
Диод ганна обладает дифференциальным отрицательным сопротивлением. Из-за этого ганна часто используется в роли генератора малой мощности при формировании микроволн.

Строение диода ганна

Диод ганна в своей конструкции имеет полупроводник N-типа. В этом проводнике электроны выступают в роли основных носителей заряда. На рисунке, где изображено строение диода ганна, видна активная область.

Она представляет собой низколегированный слой арсенида галлия. С двух сторон активной области наращиваются специальные эпитаксиальные слои из высоколегированного GaAs.

Толщина слоя составляет примерно 8-10 микрометров.

В результате активная область получается зажатой между 2-мя зонами, оснащенными омическими контактами.

Это дает возможность обеспечить эффективный теплоотвод, который помогает избежать перегрева или повреждения выхода диода. На таком строении и основан эффект ганна, который применяется при формировании микроволн.

Как видим, диод ганна имеет совершенно иное строение, чем привычные нам изделия, обладающие p-n-переходом.

Достоинства продукции

Все варианты полупроводниковых диодов имеют следующие преимущества, которые сделали их постоянными составляющими многих электрических схем:

• высокие пропускные способности;
• полная взаимозаменяемость;
• невысокая стоимость, поэтому данный тип изделий может использоваться для улучшения разнообразных электрических схем. По кошельку такая модернизация уж точно не ударит;
• доступность, купить их не составит проблемы.

Обратите внимание! Найти такие диоды можно в любом радиотехническом магазине или рынке. При этом можно достать как отечественные изделия, так и зарубежную продукцию.

Что обозначает маркировка

Маркировка на диодах

Каждый полупроводниковый диодный элемент обладает определенной маркировкой. Она может отличаться в зависимости от характеристик изделия, его вида, мощности и прочих параметров.

Маркировка, которая нанесена на такого рода компоненты электрических схем, является аббревиатурой и отражает параметры устройства. К примеру, маркировка КД196В расшифровывается следующим образом:

• кремниевый диод, имеющий напряжение пробоя до 0,3 В;
• напряжение 9,6 (цифра 96);
• модель третьей разработки.

Чтобы приобрести необходимый полупроводник, нужно внимательно изучить маркировку и знать, как она расшифровывается.

Заключение

Полупроводниковые диоды обладают просто огромным разнообразием форм и видов. Каждый отдельный тип имеет свои уникальные характеристики и свойства, что позволяет использовать его в конкретной ситуации.

Этот факт следует учитывать при приобретении таких компонентов электрической схемы для электроприборов, чтобы купить действительно нужный.

Надеемся, наша статья помогла вам разобраться во многих нюансах и тонкостях этой разновидности радиотехнических устройств.

Полезные материалы

Источник: https://1posvetu.ru/montazh-i-nastrojka/poluprovodnikovyj-diod.html

Полупроводниковый диод: устройство, принцип работы и основные виды :

Когда-то, на заре развития радиотехники, одним из первых активных элементов, вызвавших настоящую революцию в создании всевозможных схем, считалась электронная лампа. Она была довольно большой и дорогой. Но уже в первые десятилетия прошлого века были изобретены детекторные приемники.

Принципиальные схемы этих устройств стали весьма популярными у радиолюбителей, поскольку в каждой из них использовался сравнительно дешевый полупроводниковый диод. Именно из его первоначального названия такие радиоприемники назывались детекторными. А сейчас этот элемент попросту называют диодом.

На схемах этот прибор обозначают треугольником с вертикальной черточкой у вершины, параллельной его основанию, а на вид он чем-то напоминает обычный резистор, часто имеющий на одном конце «шляпку».

Принцип работы полупроводникового диода

Устройство данного элемента состоит всего из двух слоев полупроводника, в роли которого часто используют германий либо кремний. Первый из них обладает электропроводимостью n-типа (негатив), а второй – электропроводимостью p-типа (позитив). На их границе образуется так называемый «p-n»-переход.

При этом зона «р» выступает в качестве анода, а область «n» — в роли катода. Благодаря такому устройству полупроводниковый диод содержит в себе свободные частицы противоположных зарядов.

В слое «р» имеются положительные ионы, которые называют «дырками», а в слое «n» – отрицательно заряженные свободные электроны.

Если на катод подать «плюс», а на анод «минус», однополярные заряды станут отталкиваться, на границе перехода между зонами возникнет движение частиц и полупроводниковый диод станет пропускать ток. Но стоит поменять полярность подключения, как ионы потянутся к минусу, а электроны будут дрейфовать к плюсу, и в итоге в «р-n»-переходе не окажется носителей зарядов. Всякое движение внутри такого элемента прекратится, и электрический ток остановится. В этом состоянии полупроводниковый диод закрыт. Данное свойство этого элемента нашло себе широчайшее применение в радиоэлектронике, но превращение тока из переменного в постоянный – это далеко не единственная его функция. Давайте рассмотрим, для чего еще использую этот прибор.

Каким бывает полупроводниковый диод

Внешне все разновидности этого радиоэлемента очень похожи друг на друга. Отличия характерны лишь для некоторых групп, которые отличаются как по ряду параметров, так и по своей конструкции. Попробуем выделить самые распространенные модификации полупроводниковых диодов:

1. Выпрямительный. Как нетрудно догадаться по названию, этот тип используется для получения постоянного тока.
2. Стабилитрон. Применяется для стабилизации выходного напряжения.
3. Полупроводниковый диод Ганна. Используется для генерирования частот диапазоном до десятков гигагерц.
4. СВЧ-диод. Отличается определенными конструктивными особенностями и применяется в устройствах, работающих на сверхвысоких и высоких частотах.
5. Импульсный диод. Для него характерно высокое быстродействие и малое время восстановления. Такой тип применяется в различных видах импульсной техники (например, в импульсном блоке питания).
6. Диод Шотки. Предназначен для работы в стабилизаторах напряжения, а также в импульсных преобразователях.
7. Лавинно-пролетный диод. Способен генерировать частоты вплоть до 180 ГГц.
8. Светодиод. У этого типа очень широкий спектр применения. Его также часто используют в различных альтернативных осветительных приборах.
9. Фотодиод. Имеет миниатюрную линзу и управляется световым потоком. В зависимости от своей разновидности может функционировать как в ультрафиолетовом, так и в инфракрасном диапазоне спектра.
10. Твердотельный лазер. Используется для считывания и записи данных на оптические диски. Пример использования: бытовые CD/DVD-плееры.

Сложно представить себе нынешнее развитие технологий без этого замечательного небольшого прибора.

Источник: https://www.syl.ru/article/110956/poluprovodnikovyiy-diod-ustroystvo-printsip-rabotyi-i-osnovnyie-vidyi

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.

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 диодаиобратное
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.

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.

Источник: https://studfile.net/preview/2495800/

Полупроводниковый диод

Эксплуатация некоторого электрооборудования невозможна без контроля направления движения электрического тока. В электронике для достижения этой цели эффективно используют полупроводниковый диод. Применение двухполюсника позволяет преобразовывать переменный ток и постоянный в пульсирующий однонаправленный.

Внешний вид полупроводникового диода

Устройство

Полупроводниковый диод – это двухполюсный прибор, изготовленный из полупроводникового вещества, пропускающий ток в одном направлении и практически не пропускающий в другом.

Главный элемент диода – кристаллическая составляющая с p-n переходом, к которой припаивают (приваривают) металлический анод и катод. Прохождение прямого тока осуществляется при подаче на анод положительного, относительно катода, потенциала.

Обратите внимание! В направлении прямого тока происходит движение дырок. Движение электронов осуществляется в противоположном направлении.

Устройство диодов может быть точечным, плоскостным, поликристаллическим.

Устройство точечного и плоскостного п/п прибора

Дополнительная информация. Принципиальных отличий между точечными и плоскостными двухполюсными приборами не существует.

Устройство точечного диода показано на рисунке (а).

При приваривании тонкой иглы, с нанесённой на неё примесью, к пластине из полупроводника, с обусловленным видом электропроводности, происходит образование полусферического мини p-n перехода, с другим типом проводимости. Это действие получило название – формовка диода.

При производстве полупроводниковых пластин применяются германий, кремний, арсенид галлия и карбид. В качестве основы точечного и плоскостного двухполюсников используют полупроводниковые монокристаллические пластины с правильным по всему объему строением.

В поликристаллических двухполюсниках p-n переход образуется полупроводниковыми слоями, в состав которых входит большое количество беспорядочно ориентированных малых кристаллов, не представляющих единой монокристаллической формы. Это селеновые, титановые и медно-закисные двухполюсники.

Основные характеристики и параметры диодов

Чтобы прибор правильно работал, выбирать его нужно в соответствии с:

• Вольтамперной характеристикой;
• Максимально допустимым постоянным обратным напряжением;
• Максимально допустимым импульсным обратным напряжением;
• Максимально допустимым постоянным прямым током;
• Максимально допустимым импульсным прямым током;
• Номинальным постоянным прямым током;
• Прямым постоянным напряжением при номинальном токе;
• Постоянным обратным током, указываемым при максимально допустимом обратном напряжении;
• Диапазоном рабочих частот;
• Ёмкостью;
• Пробивным напряжением (для защитных диодов и стабилитронов);
• Тепловым сопротивлением корпуса при различных вариантах монтажа;
• Максимально допустимой мощностью рассеивания.

Классификация диодов

Цветовая маркировка диодов

Промышленность выпускает большое разнообразие полупроводниковых вентилей, которые могут применяться во многих отраслях хозяйствования.

Классифицировать эти устройства можно по общим признакам:

1. По материалу полупроводника, из которого они изготавливаются (кремний, германий, арсенид галлия);
2. По физическим процессам, совершающим работу (в туннельных, в фотодиодах, в светодиодах);
3. По предназначению (стабилитрон, выпрямительный, импульсный, варикап и др.);
4. По технике изготовления электрического перехода (сплавной, диффузный и др.);
5. По виду (типу) электрического перехода (точечный, плоскостной).

Классификация полупроводниковых двухполюсников

Дополнительная информация. В основном используются классификации по типу электрического перехода и по назначению диода.

Типы диодов по назначению

По функциональному назначению различают диоды:

• Выпрямительный (для преобразования переменного тока в постоянный);
• Импульсный (применяют в импульсных режимах);
• Шотки (для преобразования и обработки сверхвысокочастотных сигналов при частоте более 300 МГц);
• Детекторный СВЧ (для детектирования сверхвысокочастотных сигналов);
• Переключающий СВЧ (для управления в устройствах уровнем СВЧ мощности);
• Стабилитрон (для стабилизации напряжения);
• TVS (для подавления импульсных электрических перенапряжений, превышающих напряжение лавинного пробоя прибора);
• Стабистор (для стабилизации напряжения);
• Стабилитрон с напряжением, равняющимся ширине запрещенной зоны;
• Лавинно-пролетный (ЛПД) (для генерации сверхвысокочастотных колебаний);
• Туннельный (для генерирования колебаний);
• Обращенный (проводимость которого при обратном напряжении больше, чем при прямом);
• Варикап (применяют как элемент с управляемой электричеством ёмкостью);
• Фотодиод (для нагнетания под воздействием света заряженных неосновных носителей в базу);
• Светодиод (для излучения основных носителей заряда под воздействием электрического тока).

Типы диодов по частотному диапазону

Классификация диодов осуществляется по рабочей частоте. Двухполюсники могут быть:

1. Низкочастотными, с частотой меньше 1000 Гц;
2. Высокочастотными, с частотой больше 1000 Гц;
3. Импульсными, используемыми в цепи, где требуется высокая скорость срабатывания.

Диоды с выпрямляющим переходом металл-полупроводник отличаются меньшим, чем у двухполюсников с p-n переходом, напряжением пробоя и более высокими частотными характеристиками (Шоттки). Маломощные высокочастотные и импульсные диоды (вентили) работают на высоких частотах или в быстродействующей импульсной схеме.

Типы диодов по размеру перехода

По размеру перехода диоды делятся на:

Классификация по размеру перехода и условные обозначения

В точечных приборах применяются пластины германия или кремния с электропроводностью n-типа, толщиной 0,1 …0,6 мм и площадью 0,5 … 1,5 кв. мм. В плоскостных устройствах образование р-n перехода происходит между двумя полупроводниками с различными типами электропроводности.

Обратите внимание! Площадь перехода у разных двухполюсников находится в пределах от сотых долей квадратного миллиметра до десятков квадратных сантиметров (в силовых диодах).

Типы диодов по конструкции

По конструкции корпуса п/п диоды могут быть в штыревом, таблеточном, с корпусом под запрессовку, модульном исполнении. Штыревой корпус состоит из мощной основы со штырем и герметично закрывающейся крышки. В образовавшуюся непроницаемую полость помещают структуру полупроводника.

Обратите внимание! Различают двухполюсники прямой полярности, когда анод находится на основании, и обратной полярности, когда катод – на основании.

Штыревая конструкция с гибким (а) и с жестким выводом (б)

Корпусы фланцевой конструкции отличаются от штыревой конструкции отсутствием штыря и внешней формой основания в виде фланца. Особенности штыревой и фланцевой конструкций диодов способствуют процессу одностороннего охлаждения их структуры. Применяют эти двухполюсники для токов 320-500 А.

Таблеточный корпус приспособлен для присоединения отводов тепла и проводников тока к основанию посредством прижимного устройства. Такая конструкция позволяет осуществлять односторонний и двухсторонний тепловой отвод от структуры прибора. Используется на токах 250 А и выше.

Конструкция корпуса под запрессовку с гибким (а) и жестким (б) выводами

Корпус диода под запрессовку состоит из пустотелого цилиндра с рифлёной поверхностью и дна – основания, на котором расположена структура полупроводника. Закрытие второго торца цилиндра осуществляется проходным изолятором с гибким или жестким выводом.

Двухполюсники в корпусах под запрессовку производятся в прямой полярности, когда анод находится на основании, и в обратной полярности, когда катод находится на основании. Корпус под запрессовку предусматривает одностороннее охлаждение полупроводника, используется на ток до 25 А.

Модульные конструкции полупроводниковых двухполюсников состоят из основания с изолирующей теплопроводной прокладкой, на которой расположена одна или несколько п/п структур, и защитного корпуса с электрическими выводами.

Модульные конструкции изготавливают в разных комбинациях полупроводников на токи до 160 А.

Другие типы

Селеновые выпрямители, уступающие устройствам из кремния и германия по многим показателям, обладают уникальными возможностями самовосстановления при пробое. В месте выгорания селена не происходит короткого замыкания.

Дополнительная информация. Радиационная стойкость селеновых вентилей намного выше, чем у других выпрямителей.

Медно-закисные выпрямители характеризуются низким обратным напряжением, низкой рабочей температурой, малым отношением прямого и обратного сопротивления.

Обратите внимание! В настоящее время эти вентили больше не применяются, так как на рынке появились более совершенные выпрямительные полупроводниковые приборы.

Маркировка диодов

Диод 1n5819: характеристики

• Система обозначений полупроводниковых диодов включает в себя код, состоящий из букв и цифр.
• Первая составляющая маркировки может быть представлена в виде цифры для приборов специального назначения или в виде буквы для приборов широкого применения.
• Если в обозначении материала используется:

• Г или 1, то это германий и соединения германия;
• К или 2, это кремний и соединения кремния;
• А или 3 – арсенид галлия;
• И или 4 – фосфид индия.

Для обозначения второй цифры в маркировке используют:

• Д – в выпрямительных, импульсных;
• Ц – в выпрямительных столбах и мостах;
• В – в обозначениях варикапов;
• И – в туннельных;
• А – в СВЧ;
• С – в стабилитронах и стабисторах;
• Г– в генераторах шума;
• Л – в излучающих светодиодах.

Третий элемент характеризует основные признаки устройства, зависит от его подкласса. Например, 2Д204В – это диод кремниевый выпрямительный с постоянной и средней токовой величиной 0,3-10 А, номером разработки 04, группой В.

Преимущества непосредственного включения в схему

Включение полупроводниковых приборов непосредственно в схему даёт гарантированные плюсы:

1. Высококачественную обработку сигналов;
2. Полную взаимозаменяемость устройств;
3. Миниатюрность и долговечность использования;
4. Удобство при монтаже и замене;
5. Доступность приобретения и дешевизну цен.

Дополнительная информация. Можно подобрать не только отечественный, но и зарубежный аналог полупроводникового прибора.

Вольтамперные характеристики (идеальная и реальная)

ВА характеристика приводится в виде взаимосвязи тока внешней цепи p-n перехода прибора и полярности напряжения на его электродах. Это соотношение можно получить экспериментально или рассчитать на основании уравнения вольтамперной характеристики.

Идеальная характеристика

Основной задачей выпрямительного диода является проведение электрического тока в одном направлении и непропускание его в обратном.

Поэтому при прямой подаче напряжения (плюс подаётся на анод, а минус – на катод) идеальный прибор должен быть отличным проводником, с сопротивлением, равным нулю.

При противоположном подключении, наоборот, должен иметь огромное сопротивление, став полным изолятором.

Дополнительная информация. На практике идеальная модель применяется в цифровой электронике, потому что в этой сфере имеет значение только логическая функция устройства.

Реальная ВАХ

Реальный диод, благодаря структуре полупроводника, имеет множество минусов, в сравнении с идеальным двухполюсником.

Параметры промышленных п/п элементов значительно разнятся с теми, которые для удобства принимаются за идеальные. В реальности, нелинейная ВАХ показывает большие отклонения и по значениям тока, и по крутизне преобразования. Поэтому прибор может выдержать лишь нагрузки, представленные этими предельными показателями:

• Максимальным прямым выпрямленным током;
• Током обратной утечки;
• Максимальным прямым и обратным напряжением;
• Падением потенциала на p-n переходе;
• Предельной рабочей частотой обрабатываемого сигнала.

Вольтамперная характеристика для диодных элементов – важный параметр, по которому можно определить, как будет работать прибор в электрической схеме.

Важно! Прежде, чем использовать двухполюсник по назначению, нужно изучить ВАХ этого устройства.

Видео

Источник: https://amperof.ru/teoriya/poluprovodnikovyj-diod.html

Диоды. Устройство и работа. Характеристики и особенности

Самым простым по конструкции в семействе полупроводников являются диоды, имеющие в конструкции всего два электрода, между которыми существует проводимость электрического тока в одну сторону. Такой вид проводимости в полупроводниках создается благодаря их внутреннему устройству.

Особенности устройства

Не зная конструктивных особенностей диода, нельзя понять его принципа действия. Структура диода состоит из двух слоев с проводимостью различного вида.

Диод состоит из следующих основных элементов:

• Корпус. Выполняется в виде вакуумного баллона, материалом которого может быть керамика, металл, стекло и другие прочные материалы.
• Катод. Он расположен внутри баллона, служит для образования эмиссии электронов. Наиболее простым устройством катода является тонкая нить, раскаляющаяся в процессе действия. Современные диоды оснащены косвенно накаляющимися электродами, которые выполнены в виде металлических цилиндров со свойством активного слоя, имеющего возможность испускать электроны.
• Подогреватель. Это особый элемент в виде нити, раскаляющейся от электрического тока. Подогреватель расположен внутри косвенно накаляющегося катода.
• Анод. Это второй электрод диода, служащий для приема электронов, вылетевших от катода. Анод имеет положительный потенциал, по сравнению с катодом. Форма анода чаще всего так же, как и катода, цилиндрическая. Оба электрода аналогичны эмиттеру и базе полупроводников.
• Кристалл. Его материалом изготовления является германий или кремний. Одна часть кристалла имеет р-тип с недостатком электронов. Другая часть кристалла имеет n-тип проводимости с избытком электронов. Граница, расположенная между этими двумя частями кристалла, называется р-n переходом.

Эти особенности конструкции диода позволяют ему проводить ток в одном направлении.

Принцип действия

Работа диода характеризуется его различными состояниями, и свойствами полупроводника при нахождении в этих состояниях. Рассмотрим подробнее основные виды подключений диодов, и какие процессы происходят внутри полупроводника.

Диоды в состоянии покоя

Если диод не подключен к цепи, то внутри него все равно происходят своеобразные процессы. В районе «n» есть излишек электронов, что создает отрицательный потенциал. В области «р» сконцентрирован положительный заряд. Совместно такие заряды создают электрическое поле.

Так как заряды с разными знаками притягиваются, то электроны из «n» проходят в «р», при этом заполняют дырки.

В итоге таких процессов в полупроводнике появляется очень слабый ток, увеличивается плотность вещества в области «р» до определенного значения.

При этом частицы расходятся по объему пространства равномерно, то есть, происходит медленная диффузия. Вследствие этого электроны возвращаются в область «n».

Для многих электрических устройств направление тока не имеет особого значения, все работает нормально. Для диода же, большое значение имеет направление протекания тока. Основной задачей диода является пропускание тока в одном направлении, чему благоприятствует переход р-n.

Обратное включение

Если диоды подсоединять к питанию по изображенной схеме, то ток не будет проходить через р-n переход. К области «n» подсоединен положительный полюс питания, а к «р» — минусовой. В итоге электроны от области «n» переходят к плюсовому полюсу питания. Дырки притягиваются минусовым полюсом. На переходе возникает пустота, носители заряда отсутствуют.

При повышении напряжения дырки и электроны осуществляют притягивание сильнее, и на переходе нет носителей заряда. При обратной схеме включения диода ток не проходит.

Повышение плотности вещества возле полюсов создает диффузию, то есть, стремление к распределению вещества по объему. Это возникает при выключении питания.

Обратный ток

Вспомним о работе неосновных переносчиков заряда. При запертом диоде, через него проходит малая величина обратного тока. Он и образуется от неосновных носителей, двигающихся в обратном направлении. Такое движение возникает при обратной полярности питания. Обратный ток обычно незначительный, так как число неосновных носителей очень мало.

При возрастании температуры кристалла их число повышается и обуславливает повышение обратного тока, что обычно приводит к повреждению перехода. Для того, чтобы ограничить температуру работы полупроводников, их корпус монтируют на теплоотводящие радиаторы охлаждения.

Прямое включение

Поменяем местами полюса питания между катодом и анодом. На стороне «n» электроны будут отходить от отрицательного полюса, и проходить к переходу. На стороне «р» дырки, имеющие положительный заряд, оттолкнутся от положительного вывода питания. Поэтому электроны и дырки начнут стремительное движение друг к другу.

Частицы с разными зарядами скапливаются возле перехода, и между ними образуется электрическое поле. Электроны проходят через р-n переход и двигаются в область «р». Часть электронов рекомбинирует с дырками, а остальные проходят к положительному полюсу питания. Возникает прямой ток диода, который имеет ограничения его свойствами. При превышении этой величины диод может выйти из строя.

При прямой схеме диода, его сопротивление незначительное, в отличие от обратной схемы. Считается, что обратно ток по диоду не проходит. В результате мы выяснили, что диоды работают по принципу вентиля: повернул ручку влево – вода течет, вправо – нет воды. Поэтому их еще называют полупроводниковыми вентилями.

Прямое и обратное напряжение

Во время открытия диода, на нем имеется прямое напряжение. Обратным напряжением считается величина во время закрытия диода и прохождения через него обратного тока. Сопротивление диода при прямом напряжении очень мало, в отличие от обратного напряжения, возрастающего до тысяч кОм. В этом можно убедиться путем измерения мультиметром.

Сопротивление полупроводникового кристалла может изменяться в зависимости от напряжения. При увеличении этого значения сопротивление снижается, и наоборот.

Если диоды использовать в работе с переменным током, то при плюсовой полуволне синуса напряжения он будет открыт, а при минусовой – закрыт. Такое свойство диодов применяют для выпрямления напряжения. Поэтому такие устройства называются выпрямителями.

Характеристика диодов

Характеристика диода выражается графиком, на котором видна зависимость тока, напряжения и его полярности. Вертикальная ось координат в верхней части определяет прямой ток, в нижней части – обратный.

Горизонтальная ось справа обозначает прямое напряжение, слева – обратное. Прямая ветка графика выражает ток пропускания диода, проходит рядом с вертикальной осью, так как выражает повышение прямого тока.

На обратной ветви графика видно, что при повышении обратного напряжения, величина тока практически не возрастает. Но, при достижении границ допустимых норм происходит резкий скачок обратного тока. Вследствие этого диод перегреется и выйдет из строя.

Похожие темы:

Источник: https://electrosam.ru/glavnaja/slabotochnye-seti/oborudovanie/diody/