Устройство полупроводникового диода: Диоды. Устройство и работа. Характеристики и особенности

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.

Вторая ветка графика показывает ток при закрытом диоде, и проходит параллельно горизонтальной оси. Чем круче график, тем лучше диод выпрямляет ток. После возрастания прямого напряжения, медленно повышается ток. Достигнув области скачка, его величина резко нарастает.

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:

Полупроводниковый диод

Полупроводниковый диод — это полупроводниковый элемент, пропускающий ток только в одном направлении. Принцип работы диода основан на свойствах проводимости полупроводников, а именно на электронно-дырочном переходе.

На принципиальной электрической схеме диоды изображаются следующим образом:

 

Диоды изготавливают в основном методами сплавления и методом диффузии. Метод сплавления заключается в сплавлении пластин p и n – типов, а метод диффузии состоит во внедрении примесных атомов в полупроводниковую пластину. Благодаря этим способам изготавливаются большие площади p – n переходов – до 1000 мм2. А чем больше площадь перехода, тем больший ток можно через него пропускать.

Существуют также точечные (высокочастотные) диоды, площадь их p – n перехода меньше 0,1 мм2. Такие диоды изготавливаются с помощью соединения металлической иглы с полупроводником. Применяются точечные диоды в аппаратуре сверхвысоких частот при значении тока 10-20 мА.

Основные виды полупроводниковых диодов по функциональному назначению: выпрямительные, стабилитроны, импульсные, светодиоды, фотодиоды и т.д.

Выпрямительными называют полупроводниковые диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный. Такие диоды изготавливают методами сплавки и диффузии, для того чтобы создать большую площадь p-n перехода, так как через них протекают большие токи. Сам процесс выпрямления переменного тока заключается в свойстве диода хорошо проводить ток в одном направлении и практически не проводить его в другом.

Ниже изображена схема простейшего однополупериодного выпрямителя. Работает он следующим образом: положительный полупериод напряжения Uвх, диод V пропускает практически без изменения, и напряжение Ur практически равно Uвх. Но в момент времени, когда полупериод напряжения отрицательный, диод включен в обратном направлении и все напряжение Uвх падает на диоде, а напряжение на резисторе практически равно нулю

 

 На рисунке схематично изображен график напряжения на резисторе.

 

Стабилитронами (опорными диодами) называются полупроводниковые диоды предназначенные для стабилизации постоянного напряжения. Для стабилизации напряжения в стабилитронах используют обратную ветвь вольт-амперной характеристики в области электрического пробоя, для этого их включают в обратном направлении. При изменении тока протекающего через стабилитрон от значения Iстmin до Iстmax напряжение на нем почти не изменяется.

 

Стабилитроны стабилизируют напряжение от 3,5 В, а для стабилизации меньшего напряжения используют стабисторы. В стабисторах используют прямую ветвь вольт-амперной характеристики, поэтому их включают в прямом направлении.

Импульсным называется диод, который предназначен для работы в импульсных схемах. В прямом направлении импульсный диод хорошо проводит электрический ток. При обратном включении такого диода, обратный ток в нем резко увеличивается, а через короткий промежуток времени исчезает. Таким образом получается электрический импульс.

 

Просмотров:

Устройство и принцип работы полупроводниковых диодов | Electrotechnical Laboratory

Всем привет мои дорогие друзья, подписчики и коллеги.

Сегодня я хочу рассказать про то как устроены и работают полупроводниковые диоды.

Полупроводниковый диод, это электронный прибор, который способен пропускать электрический ток, только в одном направлении. Такие приборы как правило применяются в выпрямительных устройствах, а также в электрических и электронных схемах, где нужно конкретное направление тока.

Схема однофазного мостового выпрямителя

Основным элементом диода, являются полупроводники, как правило это кремний или германий. Но сами полупроводники обладают высокими сопротивлениями и низкой проводимостью, из-за того, что эти элименты являются четырехвалентными, и каждый его электрон на внешней орбите атома имеет связь с другим электроном другого атома. Для того, чтобы полупроводники могли проводить электрический ток, в них добавляют примеси, в виде доноров и акцепторов.

Кристаллическое строение атома кремния

Диод имеет две зоны проводимости это р — зона и n — зона. В зону p — типа добавляют акцепторы, в виде трехвалентных химических элементов, которые образуют дырки, а в зону n — типа — доноры — пятивалентные химические элементы, которые образуют свободные электроны.

Пример примесей доноров и акцепторов

Две эти зоны соединены на кристаллическом уровне. Сам диод имеет два вывода, анод и катод.

При подачи на диод прямое напряжение, (к аноду — плюс, к катоду — минус) свободные электроны начнут переходить из области — n, в область — p, а дырки начнут перемещаться из области — p в область — n. При этом его сопротивление уменьшится и диод будет проводить электрический ток.

При подачи на диод обратного напряжения, (к аноду — минус, к катоду — плюс) свободные электроны сместиться к выводу катода, а дырки к выводу анода, в зоне p-n перехода образуется запирающий слой, который увеличит сопротивление диода, который не позволит диоду пропускать электрический ток. А точнее ток будет протекать очень слабый, который называется обратным током.

Вольт-Амперная характеристика полупроводникового диода и прямая — обратная подача напряжения на диод

Если вам понравился это материал, то поставьте ему лайк, а также не забудьте подписаться на наш канал и нажать на колокольчик, чтобы не пропускать новые выпуски. Всем пока.

Диод — полупроводниковый элемент. Принцип работы, устройство и разновидности.

Диод (Diode -eng.) – электронный прибор, имеющий 2 электрода, основным функциональным свойством которого является низкое сопротивление при передаче тока в одну сторону и высокое при передаче в обратную.

То есть при передаче тока в одну сторону он проходит без проблем, а при передаче

в другую, сопротивление многократно увеличивается, не давая току пройти без сильных потерь в мощности. При этом диод довольно сильно нагревается.

Диоды бывают электровакуумные, газоразрядные и самые распространённые – полупроводниковые. Свойства диодов, чаще всего в связках между собой, используются для преобразования переменного тока электросети в постоянный ток, для нужд полупроводниковых и других приборов.

 

Конструкция диодов.

Конструктивно, полупроводниковый диод состоит из небольшой пластинки полупроводниковых материалов (

кремния или германия), одна сторона (часть пластинки) которой обладает электропроводимостью p-типа, то есть принимающей электроны (содержащей искусственно созданный недостаток электронов («дырочная»)), другая обладает электропроводимостью n-типа, то есть отдающей электроны (содержащей избыток электронов («электронной»)).

Слой между ними называется p-n переходом. Здесь буквы p и n — первые в латинских словах negative — «отрицательный», и positive — «

положительный». Сторона p-типа, у полупроводникового прибора является анодом (положительным электродом), а область n-типа — катодом (отрицательным электродом) диода.

 

Электровакуумные (ламповые) диоды, представляют собой лампу с двумя электродами внутри, один из которых имеет нить накаливания, таким образом подогревая себя и создавая вокруг себя магнитное поле.

При разогреве, электроны отделяются от одного электрода (катода) и начинают

движение к другому электроду (аноду), благодаря электрическому магнитному полю. Если направить ток в обратную сторону (изменить полярность), то электроны практически не будут двигаться к катоду из-за отсутствия нити накаливания в аноде. Такие диоды, чаще всего применяются в выпрямителях и стабилизаторах, где присутствует высоковольтная составляющая.

Диоды на основе германия, более чувствительны на открытие при малых токах, поэтому их чаще используют в

высокоточной низковольтной технике, чем кремниевые.

 

Типы диодов:

• · Смесительный диод — создан для приумножения двух высокочастотных сигналов.

• · pin диод — содержит область проводимости между легированными областями. Используется в силовой электронике или как фотодетектор.

• · Лавинный диод — применяется для защиты цепей от перенапряжения. Основан на лавинном пробое обратного участка вольт-амперной характеристики.

• · Лавинно-пролётный диод — применяется для генерации колебаний в СВЧ-технике. Основан на лавинном умножении носителей заряда.

• · Магнитодиод. Диод, характеристики сопротивления которого зависят от значения индукции магнитного поля и расположения его вектора относительно плоскости p-n-перехода.

• · Диоды Ганна. Используются для преобразования и генерации частоты в СВЧ диапазоне.

• · Диод Шоттки. Имеет малое падение напряжения при прямом включении.

• · Полупроводниковые лазеры.

Применяются в лазеростроении, по принципу работы схожи с диодами, но излучают в когерентном диапазоне.

• · Фотодиоды. Запертый фотодиод открывается под действием светового излучения. Применяются в датчиках света, движения и т.д.

• · Солнечный элемент (вариация солнечных батарей). При попадании света, происходит движение электронов от катода к аноду, что генерирует электрический ток
  .

• · Стабилитроны — используют обратную ветвь характеристики диода с обратимым пробоем для стабилизации напряжения.

• · Туннельные диоды, использующие квантовомеханические эффекты. Применяются как усилители, преобразователи, генераторы и пр.

• · Светодиоды (диоды Генри Раунда, LED). При переходе электронов, у таких диодов происходит излучение в видимом диапазоне света.

Для данных диодов используют прозрачные корпуса для возможности рассеивания света. Также производят диоды, которые могут давать

излучение в ультрафиолетовом, инфракрасном и других требуемых диапазонах (в основном, литографической и космической сфере).

• · Варикапы (диод Джона Джеумма) Благодаря тому, что закрытый p—n-переход обладает немалой ёмкостью, ёмкость зависит от приложенного обратного напряжения. Применяются в качестве конденсаторов с переменной ёмкостью.

Презентация «Устройство и принцип работы полупроводникового диода»

Инфоурок › Физика ›Презентации›Презентация «Устройство и принцип работы полупроводникового диода»

Скрыть

Описание презентации по отдельным слайдам:

1 слайд Описание слайда:

Тема 1.2 Полупроводниковые диоды 1. Понятие и характеристика диода. 2. Виды диодов. 3. Маркировка.

2 слайд Описание слайда:

1. Полупроводниковый диод- это прибор с двумя выводами и одним p-n переходом, его принцип действия основана на вентильных свойствах этого перехода, применяется для выпрямления переменного тока. Плоскостной диод состоит из: 1 – изоляция (стекло) 2 – внутренний вывод анода 3 – кристаллодержатель 4 – пластина кремния (катод) 5 – крепление (вывод катода)

3 слайд Описание слайда:

Точечный диод состоит из: 1 – вывод 2 – стеклянный корпус 3 полупроводниковый кристалл 4 – стальная пружина

4 слайд Описание слайда:

Вольтамперная характеристика диода Характеристика показывает: что с увеличением прямого напряжения прямой ток возрастает увеличение обратного напряжения не влияет на обратный ток, он очень мал, но при некотором значении обратного напряжения может произойти пробой p-n перехода

5 слайд Описание слайда:

Кремниевые диоды обладают большими параметрами в прямом направлении Германиевые диоды обладают большими параметрами в обратном направлении

6 слайд Описание слайда:

Параметры диода: Прямой ток – ток протекающий через диод в прямом направлении Прямое напряжение – падение напряжения на диоде Максимальный обратный ток – ток неосновных носителей, протекающий в обратном направлении Максимальное обратное напряжение – напряжение, при котором ещё не произойдет пробой Прямое и обратное сопротивление диода Допустимая рабочая температура

7 слайд Описание слайда:

2. Виды полупроводниковых диодов 1- выпрямительный диод выпрямляет переменный ток в схемах радиоаппаратуры. 2 – СВЧ –диод работает в устройствах высокой частоты, модулирует высокочастотные колебания (радиолокация и связь). 3 – варикап- диод с переменной емкостью (используется как конденсатор). 4 – стабилитрон используется для получения постоянного напряжения при изменении тока. 5 – импульсный диод применяется для работы в схемах с быстропротекающими процессами.

8 слайд Описание слайда:

3. Маркировка диодов КД 204 Б К – материал (кремний), Г – германий Д – выпрямительный диод, А — СВЧ диод, В — варикап, И — импульсный диод 204 – тип и область применения диода 101-399 – в выпрямителях 401-499 – в высокочастотных цепях 501-599 – в импульсных схемах 601-699 – варикапы Б – разновидность (особенность диода)

9 слайд Описание слайда:

Письменный опрос по теме «ДИОД» 1. Дать определение, что такое диод, где применяется? 2. Изобразить его условное обозначение на схеме, указав положение анода и катода. 3. Каким особым свойством обладает диод, в чем оно заключается? 4. Нарисовать ВАХ диода. Описать вид ВАХ. 5. Перечислить параметры диодов.

Курс повышения квалификации

Курс профессиональной переподготовки

Учитель физики

Курс повышения квалификации

Найдите материал к любому уроку,
указав свой предмет (категорию), класс, учебник и тему:

Выберите категорию: Все категорииАлгебраАнглийский языкАстрономияБиологияВнеурочная деятельностьВсеобщая историяГеографияГеометрияДиректору, завучуДоп. образованиеДошкольное образованиеЕстествознаниеИЗО, МХКИностранные языкиИнформатикаИстория РоссииКлассному руководителюКоррекционное обучениеЛитератураЛитературное чтениеЛогопедия, ДефектологияМатематикаМузыкаНачальные классыНемецкий языкОБЖОбществознаниеОкружающий мирПриродоведениеРелигиоведениеРодная литератураРодной языкРусский языкСоциальному педагогуТехнологияУкраинский языкФизикаФизическая культураФилософияФранцузский языкХимияЧерчениеШкольному психологуЭкологияДругое

Выберите класс: Все классыДошкольники1 класс2 класс3 класс4 класс5 класс6 класс7 класс8 класс9 класс10 класс11 класс

Выберите учебник: Все учебники

Выберите тему: Все темы

также Вы можете выбрать тип материала:

Общая информация

Номер материала: ДВ-446290

Похожие материалы

Вам будут интересны эти курсы:

Оставьте свой комментарий

Как работает полупроводниковый диод

В электротехнике одним из электронных приборов, получивших широкое применение, является диод . Он оборудован двумя электродами и обладает переменным сопротивлением. Если ток передается в одну сторону, то в этом случае сопротивление будет низким. Когда передача тока производится в противоположную сторону – сопротивление возрастает и становится высоким.

Получается, что в первом случае прохождение тока осуществляется без каких-либо проблем, а во втором случае из-за увеличивающегося сопротивления происходят потери тока и мощности. Кроме того, наблюдается сильный нагрев диод а. Чтобы понять как работает диод, необходимо знать хотя-бы в общих чертах его устройство.

Конструкция диод а

Диод ы разделяются на несколько категорий. Они могут быть газоразрядными, электровакуумными и полупроводниковыми, которые получили наибольшее распространение. Разные диод ы используются одновременно в единой связке, благодаря чему становится возможным преобразование переменного тока в постоянный ток. Эти свойства широко используются в полупроводниковых и прочих приборах.

Основными конструктивными элементами полупроводникового диод а являются пластинки, изготовленные из специфических полупроводниковых материалов. Чаще всего, для этого используется германий или кремний. На одной стороне пластинки наблюдается проводимость р-типа, при которой осуществляется прием электронов. Эта проводимость называется дырочной. Она призвана заполнить искусственно создаваемый недостаток электронов. Другая сторона пластинки имеет электропроводимость п-типа или электронную, при которой отдаются избыточные электроны.

Между обеими сторонами пластинки существует слой, называемый р-п переходом. Во всех полупроводниках р-тип выступает в качестве анода, а п-тип служит катодом или отрицательным электродом прибора.

Особенности электровакуумных диод ов

Электровакуумные диод ы получили название ламповых диод ов. Если рассматривать устройство диод а этого типа, то, прежде всего, это лампа с расположенными внутри двумя электродами. На одном из электродов расположена нить накаливания, которая подогревает его и способствует созданию магнитного поля.

Во время разогрева происходит отделение электронов от катода с последующим их перемещением в сторону анода. Это движение возникает именно из-за образования электрического магнитного поля. При изменении полярности или направлении тока в противоположную сторону, движение электроном прекратится, поскольку в аноде отсутствует нить накаливания. Поэтому, данный вид диод ов наиболее часто используется в стабилизаторах и выпрямителях, при наличии высоковольтных составляющих.

Как работает диод

Устройство, параметры и разновидности диодов

В самом начале радиотехники первым активным элементом была электронная лампа. Но уже в двадцатые годы прошлого века появились первые приборы доступные для повторения радиолюбителями и ставшие очень популярными. Это детекторные приёмники. Более того они выпускались в промышленном масштабе, стоили недорого и обеспечивали приём двух-трёх отечественных радиостанций работавших в диапазонах средних и длинных волн.

Именно в детекторных приёмниках впервые стал использоваться простейший полупроводниковый прибор, называемый вначале детектором и лишь позже получивший современное название – диод.

Диод это прибор, состоящий всего из двух слоёв полупроводника. Это слой “p”- позитив и слой “n”- негатив. На границе двух слоёв полупроводника образуется “p-n” переход. Анодом является область “p”, а катодом зона “n”. Любой диод способен проводить ток только от анода к катоду. На принципиальных схемах он обозначается так.

Как работает полупроводниковый диод.

В полупроводнике “n” типа имеются свободные электроны, частицы со знаком минус, а в полупроводнике типа “p” наличествуют ионы с положительным зарядом, их принято называть «дырки». Подключим диод к источнику питания в обратном включении, то есть на анод подадим минус, а на катод плюс. Между зарядами разной полярности возникает притяжение и положительно заряженные ионы тянутся к минусу, а отрицательные электроны дрейфуют к плюсу источника питания. В “p-n” переходе нет носителей зарядов, и отсутствует движение электронов. Нет движения электронов – нет электрического тока. Диод закрыт.

При прямом включении диода происходит обратный процесс. В результате отталкивания однополярных зарядов все носители группируются в зоне перехода между двумя полупроводниковыми структурами. Между частицами возникает электрическое поле перехода и рекомбинация электронов и дырок. Через “p-n” переход начинает протекать электрический ток. Сам процесс носит название «электронно-дырочная проводимость». При этом диод открыт.

Возникает вполне естественный вопрос, как из одного полупроводникового материала удаётся получить структуры, обладающие различными свойствами, то есть полупроводник “n” типа и полупроводник “p” типа. Этого удаётся добиться с помощью электрохимического процесса называемого легированием, то есть внесением в полупроводник примесей других металлов, которые и обеспечивают нужный тип проводимости. В электронике используются в основном три полупроводника. Это германий (Ge), кремний (Si) и арсенид галлия (GaAs). Наибольшее распространение получил, конечно, кремний, так как запасы его в земной коре поистине огромны, поэтому стоимость полупроводниковых приборов на основе кремния весьма невысока.

При добавлении в расплав кремния ничтожно малого количества мышьяка (As) мы получаем полупроводник “n” типа, а легируя кремний редкоземельным элементом индием (In), мы получаем полупроводник “p” типа. Присадок для легирования полупроводниковых материалов достаточно много. Например, внедрение атомов золота в структуру полупроводника увеличивает быстродействие диодов, транзисторов и интегральных схем, а добавление небольшого числа различных примесей в кристалл арсенида галлия определяет цвет свечения светодиода.

Типы диодов и область их применения.

Семейство полупроводниковых диодов очень большое. Внешне они очень похожи за исключением некоторых групп, которые отличаются конструктивно и по ряду параметров. Наиболее распространены следующие модификации полупроводниковых диодов:

Выпрямительные диоды. Предназначены для выпрямления переменного тока.

Стабилитроны. Обеспечивают стабилизацию выходного напряжения.

Диоды Шоттки. Предназначены для работы в импульсных преобразователях и стабилизаторах напряжения. Например, в блоках питания персональных компьютеров.

Импульсные диоды отличаются очень высоким быстродействием и малым временем восстановления. Они применяются в импульсных блоках питания и в другой импульсной технике. К этой группе можно отнести и туннельные диоды.

СВЧ диоды имеют определённые конструктивные особенности и работают в устройствах на высоких и сверхвысоких частотах.

Диоды Ганна. Они предназначены для генерирования частот до десятков гигагерц.

Лавинно-пролётные диоды генерируют частоты до 180 ГГц.

Фотодиоды имеют миниатюрную линзу и управляются световым излучением. В зависимости от типа могут работать как в инфракрасном, так и в ультрафиолетовом диапазоне спектра.

Светодиоды. Излучают видимый свет практически любой длины волны. Спектр применения очень широк. Рассматриваются как альтернатива электрическим лампам накаливания и других осветительных приборов.

Твёрдотельный лазер так же представляет собой полупроводниковый диод. Спектр применения очень широк. От приборов военного назначения до обычных лазерных указок, которые легко купить в магазине. Его можно обнаружить в лазерных считывателях CD/DVD-плееров, а также лазерных уровнях (нивелирах), используемых в строительстве. Чтобы не говорили сторонники лазерной техники, как ни крути, лазер опасен для зрения. Так что, будьте внимательны при обращении с ним.

Также стоит отметить, что у каждого типа диодов есть и подгруппы. Так, например, среди выпрямительных есть и ультрабыстрые диоды. Могут называться как Ultra-Fast Rectifier, HyperFast Rectifier и т.п. Пример – ультрабыстрый диод с малым падением напряжения STTH6003TV/CW (аналог VS-60CPH03). Это узкоспециализированный диод, который применяется, например, в сварочных аппаратах инверторного типа. Диоды Шоттки являются быстродействующими, но не способны выдерживать больших обратных напряжений, поэтому вместо них применяются ультрабыстрые выпрямительные диоды, которые способны выдерживать большие обратные напряжения и огромные прямые токи. При этом их быстродействие сравнимо с быстродействием диодов Шоттки.

Параметры полупроводниковых диодов.

Параметров у полупроводниковых диодов достаточно много и они определяются функцией, которую те выполняют в конкретном устройстве. Например, в диодах, генерирующих СВЧ колебания, очень важным параметром является рабочая частота, а также та граничная частота, на которой происходит срыв генерации. А вот для выпрямительных диодов этот параметр совершенно не важен.

В импульсных и переключающих диодах важна скорость переключения и время восстановления, то есть скорость полного открытия и полного закрытия. В мощных силовых диодах важна рассеиваемая мощность. Для этого их монтируют на специальные радиаторы. А вот диоды, работающие в слаботочных устройствах, ни в каких радиаторах не нуждаются.

Но есть параметры, которые считаются важными для всех типов диодов, перечислим их:

U пр. – допустимое напряжение на диоде при протекании через него тока в прямом направлении. Превышать это напряжение не стоит, так как это приведёт к его порче.

U обр. – допустимое напряжение на диоде в закрытом состоянии. Его ещё называют напряжением пробоя. В закрытом состоянии, когда через p-n переход не протекает ток, на выводах образуется обратное напряжение. Если оно превысит допустимое значение, то это приведёт к физическому «пробою» p-n перехода. В результате диод превратиться в обычный проводник (сгорит).

Очень чувствительны к превышению обратного напряжения диоды Шоттки, которые очень часто выходят из строя по этой причине. Обычные диоды, например, выпрямительные кремниевые более устойчивы к превышению обратного напряжения. При незначительном его превышении они переходят в режим обратимого пробоя. Если кристалл диода не успевает перегреться из-за чрезмерного выделения тепла, то изделие может работать ещё долгое время.

I пр. – прямой ток диода. Это очень важный параметр, который стоит учитывать при замене диодов аналогами или при конструировании самодельных устройств. Величина прямого тока для разных модификаций может достигать величин десятков и сотен ампер. Особо мощные диоды устанавливают на радиатор для отвода тепла, который образуется из-за теплового действия тока. P-N переход в прямом включении также обладает небольшим сопротивлением. На небольших рабочих токах его действие не заметно, но вот при токах в единицы-десятки ампер кристалл диода ощутимо нагревается. Так, например, выпрямительный диодный мост в сварочном инверторном аппарате обязательно устанавливают на радиатор.

I обр. – обратный ток диода. Обратный ток – это так называемый ток неосновных носителей. Он образуется, когда диод закрыт. Величина обратного тока очень мала и его в подавляющем числе случаев не учитывают.

U стаб. – напряжение стабилизации (для стабилитронов). Подробнее об этом параметре читайте в статье про стабилитрон.

Кроме того следует иметь в виду, что все эти параметры в технической литературе печатаются и со значком “max”. Здесь указывается предельно допустимое значение данного параметра. Поэтому подбирая тип диода для вашей конструкции необходимо рассчитывать именно на максимально допустимые величины.

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.

Вторая ветка графика показывает ток при закрытом диоде, и проходит параллельно горизонтальной оси. Чем круче график, тем лучше диод выпрямляет ток. После возрастания прямого напряжения, медленно повышается ток. Достигнув области скачка, его величина резко нарастает.

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.

1. Общие сведения и принцип работы полупроводникового диода

  Если вкратце, полупроводниковый диод — устройство, пропускающее ток в одном направлении. Это определение достаточно поверхностное, однако на первых порах этого будет достаточно. Как и у всех электронных компонентов, у диода есть свое графическое изображение, которое показано ниже:

  Диод имеет два вывода: анод (А) и катод (К). Он будет пропускать ток, если напряжение на аноде выше, чем на катоде на определенную величину. Назовем эту величину «потенциалом отпирания». Давайте рассмотрим вольт-амперную характеристику диода:

  Для удобства будем рассматривать только правую часть графика, из которой видно, что при достижении напряжения некой величины,ток через диод начнет лавинообразно нарастать. Это и есть тот самый потенциал отпирания диода. Величина его зависит от многих параметров, таких как степень легирования полупроводника, температуры, материала, и т. д. На практике, для кремния, величина отпирания примерно равна 0,65 Вольт. Давайте рассмотрим, откуда берется этот потенциал.

 В момент соединения двух полупроводников разных типов проводимости, в о дном из которых основными носителями заряда являются электроны (проводимость n-типа), а в другом — дырки (проводимость p-типа), на стыках соединения формируется область пространственного заряда (ОПЗ). Ниже, условно изображен процесс, протекающий при этом:

  Поскольку заряды разноименные (изображены кружками со стрелочками), они стремятся друг к другу, а на их месте остаются ионы, имеющие заряд противоположный заряду, который его занимал, то есть, если электрон устремился в область p-типа, на его месте остался ион с положительным зарядом. Та же самая ситуация касается и  дырок, причем, первыми начнут свое движение частицы, которые находятся ближе к стыку соединения, поскольку там расстояние между противоположными зарядами меньше. Так вот, устремившись друг к другу, эти заряды «оставляют за собой» неподвижные ионы, которые формируют электрическое поле на границе стыка. Чем больше количество электронов и дырок покинут свое место, тем больше будет потенциал поля, сформированного ионами. Электроны и дырки перестанут двигаться друг к другу тогда, когда величина поля сформированного ионами станет достаточной для того, чтобы препятствовать движению противоположных зарядов друг к другу. В этом случае, наступает равновесие. Рассмотрим, что будет происходить при подключении внешнего источника.

Прямое включение диода

  При прямом включении, к аноду подключается положительный потенциал, а к катоду отрицательный потенциал внешнего источника, как показано ниже:
 В этом случае, потенциал отпирания диода компенсируется внешним источником, если величина электрического поля внешнего источника больше.Также, внешний источник устремляет электроны и дырки друг к другу. Через диод практически беспрепятственно начинает протекать ток.

Обратное включение диода

 Обратным включением диода называется такое соединение, при котором положительный потенциал внешнего источника подключен к катоду диода, а отрицательный — к аноду. Рассмотрим, что происходит в таком случае:

  В такой ситуации, электроны и дырки будут устремляться друг от друга, поскольку электроны будут притягиваться к положительному потенциалу, а дырки —  к отрицательному потенциалу внешнего источника. К тому же, величина внутреннего электрического поля диода будет расти, поскольку на тех местах, откуда устремились электроны и дырки к потенциалам внешнего источника, остаются неподвижные ионы, которых стало больше,чем было изначально. По идее, в этом случае электрический ток не должен идти. Однако это не совсем так. Ток в такой цепи течет, но он очень, очень маленький (десятки наноампер на практике). Связано это вот с чем. Выше я упоминал, что при соединении двух полупроводников противоположных типов проводимостей, их свободные заряды устремляются друг к другу. При таком контакте, электрон, попав в полупроводник p-типа остается там, он никуда не исчезает. Тоже самое касается и дырок. Такие заряды называют неосновными. Из-за этих зарядов и протекает ток в обратном включении. Но их очень мало, по сравнению с основными. Соответственно, величина этого тока (обратного) будет намного меньше по сравнению с прямым током.
 Итак, резюмируя: полупроводниковый диод — устройство, величина  тока которого при прямом включении намного больше, чем в обратном.
  На этом пока все). В следующий раз перейдем к  практической части.

различных типов полупроводниковых устройств

В этой статье мы немного поговорим о полупроводниковых устройствах в целом, о некоторых наиболее известных типах полупроводниковых устройств и многих других аспектах полупроводников.

Введение

За последние 70 лет полупроводники стали важнейшим элементом в производстве электроники. С момента изобретения транзистора мир электроники всегда находился на экспоненциальной кривой с точки зрения исследований, разработок, производства, создания новых устройств и технологий.

Электронные устройства

предназначены для обработки информации, то есть для высокоскоростной передачи, сбора и обработки информации в областях промышленности и производства, связи, искусства, медицины и даже военного дела.

Но все это можно связать с сердцем современной электроники и ее производства: полупроводниковыми приборами.

Несмотря на то, что электронная система изготавливается из металлов, диэлектриков и полупроводников (подробнее об этом позже), полупроводники считаются основой электроники.

Что такое полупроводник?

Прежде чем перейти к обсуждению различных типов полупроводниковых устройств, важно иметь представление о том, что такое полупроводник.

Проще говоря, полупроводники — это материалы, которые не являются ни проводниками, ни изоляторами. Если немного подробнее остановиться на этом, материалы классифицируются на проводники, изоляторы и полупроводники в зависимости от их способности проводить электричество.

Проводники — это материалы с очень хорошей пропускной способностью по электричеству.Обычно металлы обладают хорошей электропроводностью, и вы можете найти медь или алюминий в электропроводке вашего дома.

Напротив, изоляторы — это материалы с очень плохой электропроводностью. Стекло, дерево и бумага — хорошие примеры изоляторов.

Теперь давайте поговорим о важной категории материалов для нашего обсуждения, то есть о полупроводниках. При комнатной температуре полупроводники представляют собой материалы с более низкой электропроводностью, чем проводники, но с более высокой электропроводностью, чем изоляторы.

ПРИМЕЧАНИЕ: Для более детального понимания полупроводников, вам нужно глубоко погрузиться в красиво сложную квантовую механику, которая «определенно» выходит за рамки этого обсуждения.

Полупроводниковые материалы

В терминах удельной электропроводности в единицах Ом ^-1 см ^-1 , полупроводниковые материалы — это материалы с удельной электропроводностью между 10 ^-9 Ом ^-1 см ^-1 и 10 ² Ом. ^-1 см ^-1 .

Традиционно элементы IV группы, такие как кремний (Si) и германий (Ge), считаются элементарными полупроводниковыми материалами, то есть полупроводниками, состоящими только из одного атома.

Существуют и другие типы полупроводниковых материалов, которые могут быть образованы путем объединения элементов из группы III с элементами группы V, и они известны как составные полупроводники. Арсенид галлия (GaAs) — самый известный полупроводниковый материал в этой категории и фактически второй после кремния как наиболее часто используемый полупроводниковый материал.

Что такое полупроводниковые приборы?

Проще говоря, полупроводниковые устройства — это тип электронных компонентов, которые спроектированы, разработаны и изготовлены на основе таких полупроводниковых материалов, как кремний (Si), германий (Ge) и арсенид галлия (GaAs).

С момента своего использования в конце 1940-х (или начале 1950-х) полупроводники стали основным материалом при производстве электроники и ее разновидностей, таких как оптоэлектроника и термоэлектроника.

До использования полупроводниковых материалов в электронных устройствах, вакуумные лампы использовались в конструкции электронных компонентов.Основное различие между электронными лампами и полупроводниковыми приборами состоит в том, что в электронных лампах проводимость электронов происходит в газообразном состоянии, тогда как в случае полупроводниковых приборов это происходит в «твердом состоянии».

Полупроводниковые устройства можно найти как в виде дискретных компонентов, так и в виде интегральных схем.

Почему полупроводники?

Основная причина использования полупроводниковых устройств (и, следовательно, лежащих в основе полупроводниковых материалов) в производстве электронных устройств и компонентов — это возможность легко управлять проводимостью носителей заряда i.е. электроны и дырки.

Как упоминалось ранее, электропроводность полупроводниковых материалов находится между проводниками и изоляторами. Даже эта проводимость может контролироваться внешними или внутренними факторами, такими как электрическое поле, магнитное поле, свет, температура и механические искажения.

На данный момент игнорируя внешние факторы, такие как температура и свет, процесс, называемый легированием, обычно применяется к полупроводниковым материалам, когда в его структуру вводятся примеси для изменения структурных, а также электрических свойств.

Чистый полупроводник известен как внутренний полупроводник, в то время как нечистый или легированный полупроводник известен как внешний полупроводник.

Когда количество свободных электронов в полупроводниковой структуре увеличивается после легирования, полупроводник известен как полупроводник n-типа. Точно так же, если количество отверстий увеличено, он известен как полупроводник p-типа.

Различные типы полупроводниковых приборов

Ниже приводится небольшой список некоторых из наиболее часто используемых полупроводниковых устройств.В зависимости от физической структуры устройства следующий список подразделяется на устройства с двумя терминалами и устройства с тремя терминалами.

Двухконтактные полупроводниковые приборы

• Диод
• Диод Шоттки
• Светоизлучающий диод (LED)
• DIAC
• Стабилитрон
• Фотодиод (фототранзистор)
• PIN диод
• Лазерный диод
• Туннельный диод
• Фотоэлемент
• Солнечная батарея
• Диод Ганна
• Диод IMPATT
• TVS диод (диод подавления переходных напряжений)
• VCSEL (Поверхностно-излучающий лазер с вертикальной полостью)

Трехконтактные полупроводниковые приборы

• Транзистор биполярный
• Полевой транзистор
• Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT)
• Транзистор Дарлингтона
• Выпрямитель с кремниевым управлением (SCR)
• TRIAC
• Тиристор
• Однопереходный транзистор

Есть также несколько четырехконтактных полупроводников, таких как оптопара (оптопара) и датчик Холла.

Для получения дополнительной информации о некоторых из вышеупомянутых полупроводниковых устройств прочтите « P-N Junction Diode », « Transistor », « Thyristor ».

Применение полупроводниковых приборов

Как упоминалось ранее, полупроводниковые приборы являются основой почти всех электронных устройств. Некоторые из областей применения полупроводниковых устройств:

• Транзисторы — основные компоненты в различных интегральных схемах, таких как микропроцессоры.
• Фактически, они являются основными компонентами в конструкции логических вентилей и других цифровых схем.
Транзисторы
• также используются в аналоговых схемах, таких как усилители и генераторы.

Введение в диоды

• Раздел 2.0 Введение в диоды.
• • Обозначения диодных цепей.
• • Ток через диоды.
• • Конструкция диодов.
• • Узел PN.
• • Прямое и обратное смещение.
• • Характеристики диода.
• Раздел 2.1 Кремниевые выпрямители.
• • Маркировка полярности.
• • Параметры выпрямителя.
• Раздел 2.2 Диоды Шоттки.
• • Конструкция диода Шоттки.
• • Потенциал соединения Шоттки.
• • Высокоскоростное переключение.
• • Выпрямители мощности Шоттки.
• • Ограничения по току Шоттки.
• • Защита от перенапряжения.
• Раздел 2.3 Малосигнальные диоды.
• • Конструкция малосигнального диода.
• • Формирование волны.
• • Обрезка.
• • Зажим / восстановление постоянного тока.
• • Приложения HF.
• • Защитные диоды.
• Раздел 2.4 стабилитрона.
• • Конструкция стабилитрона.
• • Обозначения схем Зенера.
• • Эффект Зенера.
• • Эффект лавины.
• • Практические стабилитроны.
• Раздел 2.5. Светодиоды.
• • Работа светодиода.
• • Излучение света.
• • Цвета светодиодов.
• • Расчеты цепей светодиодов.
• • Светодиодные матрицы.
• • Тестирование светодиодов.
• Раздел 2.6 Лазерные диоды.
• • Лазерный свет.
• • Основы атома.
• • Конструкция лазерного диода.
• • Лазерная накачка.
• • Управление лазерным диодом.
• • Лазерные модули.
• • Лазерная оптика.
• • Классы лазерных диодов.
• Раздел 2.7 Фотодиоды.
• • Основы фотодиодов.
• • Приложения.
• • Конструкция лазерного диода.
• • Лазерная накачка.
• • Управление лазерным диодом.
• • Лазерные модули.
• • Лазерная оптика.
• • Классы лазерных диодов.
• Раздел 2.8 Проверка диодов.
• • Неисправности диодов.
• • Проверка диодов с помощью омметра.
• • Определение соединений диодов.
• • Выявление неисправных диодов.
• Раздел 2.9 Тест диодов.
• • Проверьте свои знания о диодах.

Рисунок 2.0.1. Диоды

Введение

Диоды — одни из самых простых, но наиболее полезных из всех полупроводниковых устройств. Многие типы диодов используются в широком спектре приложений. Выпрямительные диоды — жизненно важный компонент в источниках питания, где они используются для преобразования сетевого напряжения переменного тока в постоянное. Стабилитроны используются для стабилизации напряжения, предотвращения нежелательных изменений в подаче постоянного тока в цепи и для подачи точных опорных напряжений для многих схем.Диоды также можно использовать для предотвращения катастрофического повреждения оборудования с батарейным питанием, когда батареи подключены с неправильной полярностью.

Сигнальные диоды также широко используются при обработке сигналов в электронном оборудовании; они используются для получения аудио- и видеосигналов из передаваемых радиочастотных сигналов (демодуляция), а также могут использоваться для формирования и изменения форм сигналов переменного тока (ограничение, ограничение и восстановление постоянного тока). Диоды также встроены во многие цифровые интегральные схемы, чтобы защитить их от опасных скачков напряжения.

Рис. 2.0.2 Обозначения диодных цепей

Светодиоды

излучают многоцветный свет в очень широком спектре оборудования от простых индикаторных ламп до огромных и сложных видеодисплеев. Фотодиоды также производят электрический ток из света.

Диоды изготавливаются из полупроводниковых материалов, в основном кремния, с добавлением различных соединений (комбинации более чем одного элемента) и металлов в зависимости от функции диода. Ранние типы полупроводниковых диодов были сделаны из селена и германия, но эти типы диодов были почти полностью заменены более современными конструкциями кремния.

На рис. 2.0.1 показаны следующие диоды с общим проводом на концах:

1. Три силовых выпрямителя (мостовой выпрямитель для использования с сетевым (линейным) напряжением и два выпрямительных диода сетевого напряжения).

2. Точечный диод (в стеклянной капсуле) и диод Шоттки.

3. Кремниевый малосигнальный диод.

4. Стабилитроны в корпусе из стекла или черной смолы.

5. Подборка светодиодов. Против часовой стрелки от красного: желтый и зеленый светодиоды, инфракрасный фотодиод, теплый белый светодиод 5 мм и синий светодиод высокой яркости 10 мм.

Условные обозначения диодных цепей

Диод — это односторонний провод. Он имеет два вывода: анод или положительный вывод и катод или отрицательный вывод. В идеале диод будет пропускать ток, когда его анод сделан более положительным, чем его катод, но предотвращать протекание тока, когда его анод более отрицательный, чем его катод. В условных обозначениях схем, показанных на рис. 2.0.2, катод показан в виде стержня, а анод — в виде треугольника. На некоторых принципиальных схемах анод диода может также обозначаться буквой «а», а катод — буквой «к».

В каком направлении течет диодный ток?

Обратите внимание на рис. 2.0.2, что обычный ток течет от положительной (анодной) клеммы к отрицательной (катодной) клемме, хотя движение электронов (электронный поток) происходит в противоположном направлении, от катода к аноду.

Конструкция кремниевого диода

Рис. 2.0.3 Кремниевый планарный диод

Современные кремниевые диоды обычно производятся с использованием одной из различных версий планарного процесса, который также используется для изготовления транзисторов и интегральных схем.Многослойная конструкция, используемая в методах Silicon Planar, дает ряд преимуществ, таких как предсказуемые характеристики и надежность, а также является преимуществом для массового производства.

Упрощенный планарный кремниевый диод показан на рис. 2.0.3. Использование этого процесса для кремниевых диодов позволяет получить два слоя кремния с различным легированием, которые образуют «PN переход». Нелегированный или «собственный» кремний имеет решеточную структуру из атомов, каждый из которых имеет четыре валентных электрона, но кремний P-типа и кремний N-типа легируют путем добавления относительно очень небольшого количества материала, имеющего атомную структуру с тремя валентными электронами (например,грамм. Бор или алюминий), чтобы получить кремний P-типа, или пять валентных электронов (например, мышьяк или фосфор), чтобы получить кремний N-типа. Эти легированные версии кремния известны как «примесный» кремний. Кремний P-типа теперь имеет нехватку валентных электронов в своей структуре, что также можно рассматривать как избыток «дырок» или носителей положительного заряда, тогда как слой N-типа легирован атомами, имеющими пять электронов в его валентной оболочке и поэтому имеет избыток электронов, которые являются носителями отрицательного заряда.

Диод PN переход

Рис. 2.0.4 Слой истощения диодов

Когда кремний P- и N-типа объединяются во время производства, создается переход, где встречаются материалы P-типа и N-типа, и отверстия, расположенные рядом с переходом в кремнии P-типа, притягиваются к отрицательно заряженному материалу N-типа на другой стороне. перехода. Кроме того, электроны, расположенные рядом с переходом в кремнии N-типа, притягиваются к положительно заряженному кремнию P-типа. Следовательно, вдоль перехода между кремнием P- и N-типа создается небольшой естественный потенциал между полупроводниковым материалом P и N с отрицательно заряженными электронами, которые теперь находятся на стороне P-типа перехода, и положительно заряженными дырками на стороне N. соединение.Этот слой носителей заряда противоположной полярности накапливается до тех пор, пока его не станет достаточно, чтобы предотвратить свободное движение любых дальнейших дырок или электронов. Из-за этого естественного электрического потенциала в переходе между слоями P и N в PN-переходе образовался очень тонкий слой, который теперь обеднен носителями заряда и поэтому называется обедненным слоем. Поэтому, когда диод подключен к цепи, ток не может течь между анодом и катодом, пока анод не станет более положительным, чем катод, с помощью прямого потенциала или напряжения (V _F ), по крайней мере, достаточного для преодоления естественного обратного потенциала соединение.Это значение зависит в основном от материалов, из которых сделаны слои P и N диода, и от количества используемого легирования. Различные типы диодов имеют естественный обратный потенциал в диапазоне примерно от 0,1 В до 2 или 3 В. Кремниевые диоды с PN-переходом имеют потенциал перехода от 0,6 до 0,7 В.

Диод прямой проводимости

Рис. 2.0.5 Диод вперед

Проводимость

Когда напряжение, приложенное к аноду, становится более положительным, чем на катоде, на величину, превышающую потенциал обедненного слоя, начинается прямая проводимость от анода к обычному катоду, как показано на рис.2.0.5.

Когда напряжение, приложенное между анодом и катодом, увеличивается, прямой ток сначала увеличивается медленно, поскольку носители заряда начинают пересекать обедненный слой, а затем быстро возрастает примерно по экспоненте. Следовательно, сопротивление диода, когда он «включен» или проводит в режиме «прямого смещения», не равно нулю, а очень мало. Поскольку прямая проводимость увеличивается после преодоления потенциала истощения по примерно следующей экспоненциальной кривой, прямое сопротивление (V / I) незначительно изменяется в зависимости от приложенного напряжения.

Диод с обратным смещением

Рис. 2.0.6 Обратный диод

Смещенный

Когда диод смещен в обратном направлении (анод подключен к отрицательному напряжению, а катод — к положительному), как показано на рис. 2.0.6, положительные отверстия притягиваются к отрицательному напряжению на аноде и от перехода. Точно так же отрицательные электроны притягиваются от перехода к положительному напряжению, приложенному к катоду. Это действие оставляет большую площадь на стыке без каких-либо носителей заряда (положительных дырок или отрицательных электронов) по мере расширения обедненного слоя.Поскольку область перехода теперь обеднена носителями заряда, она действует как изолятор, и по мере того, как более высокие напряжения применяются с обратной полярностью, обедненный слой становится еще шире, чем больше носителей заряда удаляется от перехода. Диод не будет проводить ток при приложенном обратном напряжении (обратном смещении), за исключением очень небольшого «обратного тока утечки» (I _R ), который в кремниевых диодах обычно меньше 25 нА. Однако, если приложенное напряжение достигает значения, называемого «обратным напряжением пробоя» (V _RRM ), ток в обратном направлении резко возрастает до точки, где, если ток не ограничен каким-либо образом, диод будет разрушен.

Вольт-амперные характеристики диода

Рис 2.0.7. Типовой диод I / V

Характеристика

Работа диодов, описанная выше, также может быть описана специальным графиком, называемым «характеристической кривой». Эти графики показывают взаимосвязь между фактическими токами и напряжениями, связанными с различными клеммами устройства. Понимание этих графиков помогает понять, как работает устройство.

Для диодов характеристическая кривая называется ВАХ, потому что она показывает взаимосвязь между напряжением, приложенным между анодом и катодом, и результирующим током, протекающим через диод.Типичная ВАХ показана на рис. 2.0.7.

Оси графика показывают как положительные, так и отрицательные значения и поэтому пересекаются в центре. Пересечение имеет нулевое значение как для тока (ось Y), так и для напряжения (ось X). Оси + I и + V (верхняя правая область графика) показывают круто возрастающий ток после области начального нулевого тока. Это прямая проводимость диода, когда анод положительный, а катод отрицательный. Первоначально ток не течет, пока приложенное напряжение не превысит потенциал прямого перехода.После этого ток резко возрастает примерно по экспоненте.

Оси -V и -I показывают состояние обратного смещения (нижняя левая область графика). Здесь можно увидеть, что очень небольшой ток утечки увеличивается с увеличением обратного напряжения. Однако, как только достигается обратное напряжение пробоя, обратный ток (-I) резко возрастает.

Начало страницы

Что такое диод и для чего он нужен?

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

26.02.2020 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», у нее 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 среднего 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 должны быть защищены 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 большими скачками мощности в течение коротких периодов времени, которые обычно могут повредить чувствительные компоненты.

(ID: 46381408)

PN Соединительный диод »Примечания по электронике

Диод с PN переходом — это основная форма полупроводникового прибора, а его технология лежит в основе многих других полупроводниковых приборов.

---

Diode Tutorial:
Типы диодов Характеристики и номиналы диодов PN переходный диод ВЕЛ PIN-диод Диод с барьером Шоттки Варактор / варикап Стабилитрон

---

После резисторов и конденсаторов одним из наиболее широко используемых электронных компонентов является диод с PN переходом.

Диод с PN переходом является основным форматом полупроводниковых диодов. Он используется для многих форм выпрямления для уровней тока, больших и малых, а также для уровней высокого и низкого напряжения, и это полупроводниковое устройство находит множество применений во всех типах конструкций электронных схем.

PN-переход обладает очень полезным свойством: электроны могут течь только в одном направлении. Поскольку ток состоит из потока электронов, это означает, что току разрешено течь только в одном направлении через структуру, но он не может течь в другом направлении через переход.

диодов с PN переходом можно получить из ряда полупроводниковых материалов — самые ранние диоды, как правило, делались из германия, но сегодня большинство из них представляют собой кремниевые диоды.

Диод прост по своей основной концепции, он сформирован из соединения материалов N-типа и P-типа, хотя на самом деле производство и теория работы более сложны.

Обозначение и полярность диодной цепи

Как и любой диод, диод с PN переходом имеет два контакта или два электрода.Отсюда и название: «ди-» означает два, а «-оде» — сокращение от электрода.

Один электрод полупроводникового прибора называется анодом, а другой — катодом. Чтобы ток протекал через переход PN-диода, он должен быть смещен в прямом направлении. В этих условиях обычный ток течет от анода к катоду, но не наоборот.

Обозначение диодной цепи и физическая ориентация диода

Полярность многих проводных диодов легко определить.«Полоса» на символе схемы соответствует катоду диода и часто отмечается белой линией по окружности самого диода. Ориентация SMD-диодов менее очевидна и обычно определяется в результате того, что диоды содержатся в таком же корпусе, что и транзисторы с тремя выводами — только два используются для SMD-диодов, но они могут быть ориентированы только в одном направлении.

Когда диод с PN-переходом смещен в прямом направлении, анод является положительным по отношению к катоду, и наоборот, при обратном смещении катод является положительным по отношению к аноду.

Полярность напряжения для работы диода с PN переходом

Это означает, что, когда диод используется в такой цепи, как выпрямитель, катод обеспечивает положительный выход — анод все еще остается более положительным, как показано на схеме ниже.

Диодный выпрямитель, показывающий полярности напряжения
Полярность на диоде для условий прямого смещения / проводимости

Эта схема показывает, как анод диода является положительным по отношению к катоду, а катод подключен к выходу, который является положительным по отношению к обратной стороне линия нулевого напряжения.Таким образом сохраняется полярность напряжения в цепи.

Разработка диода PN-перехода

PN-переход — одна из самых важных структур в современной электронике. Он составляет основу большинства современных полупроводниковых технологий и был первым полупроводниковым устройством, которое использовалось.

Первым использованным полупроводниковым диодом был беспроводной извещатель Cat’s Whisker, который использовался в ранних беспроводных устройствах. Он состоял из проволоки, помещенной на материал, который фактически был полупроводником.Точка, где провод встречается с полупроводником, затем формирует небольшой PN-переход, который обнаруживает радиосигналы. На самом деле это была форма диода Шоттки, но, тем не менее, самая ранняя форма PN-перехода и полупроводникового устройства.

Типичный детектор кошачьих усов 1920-х годов

Диод или PN-переход был первой формой полупроводникового устройства, которое было исследовано в начале 1940-х годов, когда были предприняты первые настоящие исследования полупроводниковой технологии. Было обнаружено, что небольшие точечные контактные диоды были способны исправлять некоторые из микроволновых частот, используемых в ранних радиолокационных системах, и в результате вскоре они нашли множество применений.

Сегодня узел PN претерпел значительное развитие. Многие разновидности диодов используются во множестве приложений. В дополнение к этому, PN-переход составляет основу большей части современной полупроводниковой технологии, где он используется в транзисторах, полевых транзисторах и многих типах интегральных схем.

PN-переход используется сегодня во многих полупроводниковых устройствах, включая полупроводниковые диоды, биполярные транзисторы, полевые транзисторы с переходом, полевые МОП-транзисторы, диакритические схемы, тиристоры и симисторы — они составляют основу огромного количества современных полупроводниковых технологий.

PN переход

PN-переход обычно изготавливается из цельного куска полупроводника, имеющего две разные области: одна сделана для P-типа, а другая для N-типа.

Соответственно, разные области полупроводника имеют разные свойства. Полупроводник N-типа имеет избыток электронов, в то время как P-тип имеет избыток дырок.

Диод можно представить как состоящий из двух областей, находящихся в тесном контакте друг с другом.

Когда это происходит, отверстия диффундируют в область N-типа, и аналогичный процесс происходит для материала P-типа.

Когда происходит эта диффузия, поток зарядов создает электрическое поле, которое начинает препятствовать потоку дальнейшего заряда, и вскоре достигается состояние равновесия, и дальнейший поток заряда не происходит.

Там, где две области встречаются и в состоянии равновесия нет свободных дырок или электронов. Это означает, что в этом регионе нет доступных зарядных устройств. Ввиду того, что эта область обеднена носителями заряда, она известна как область обеднения.

PN-переход полупроводникового диода без приложенного смещения

Область обеднения очень тонкая — часто всего несколько тысячных долей миллиметра — но этого достаточно, чтобы предотвратить нормальное протекание тока.Однако обнаружено, что в зависимости от способа приложения напряжения к переходу наблюдаются различные эффекты.

PN-переход полупроводникового диода с прямым смещением

• Текущий поток — Если напряжение приложено так, что область типа P становится положительной, а тип N становится отрицательной, дырки притягиваются к отрицательному напряжению и им помогают перескакивать через слой истощения.

  Подобным образом электроны движутся к положительному напряжению и перепрыгивают через слой обеднения.Несмотря на то, что дырки и электроны движутся в противоположных направлениях, они несут противоположные заряды и в результате представляют собой ток, протекающий в одном направлении.

• Нет тока — Если напряжение приложено к PN-переходу в противоположном направлении, ток не течет. Причина этого в том, что дырки притягиваются к отрицательному потенциалу, приложенному к области P-типа.

  Аналогичным образом электроны притягиваются к положительному потенциалу, приложенному к области N-типа.Другими словами, дырки и электроны притягиваются от самого перехода, и ширина обедненной области увеличивается. Соответственно, через PN-переход ток не течет.

Полупроводниковый диод PN переход с обратным смещением

Характеристики PN перехода

Хотя PN-переход обеспечивает отличное выпрямляющее действие, это не идеальный диод, имеющий бесконечное сопротивление в обратном направлении и нулевое сопротивление в прямом направлении. Для того, чтобы можно было использовать PN переход, необходимо немного знать о его свойствах и характеристиках при прямом и обратном смещении.

Глядя на характеристический график PN-перехода, можно увидеть, что в прямом направлении (с прямым смещением) можно увидеть, что очень небольшой ток течет до тех пор, пока не будет достигнуто определенное напряжение. Это представляет собой работу, которая требуется для того, чтобы носители заряда могли пересечь обедненный слой. Это напряжение варьируется от одного типа полупроводника к другому. Для германия оно составляет около 0,2 или 0,3 вольт, а для кремния — около 0,6 вольт.

Можно измерить напряжение около 0.6 В на большинстве диодов с малым током, когда они смещены в прямом направлении, поскольку большинство этих электронных компонентов являются кремниевыми. Небольшое число покажет более низкое напряжение и, вероятно, будет германием. Диоды выпрямителя мощности обычно имеют большее напряжение на них, но отчасти это связано с тем, что в кремнии есть некоторое сопротивление, а отчасти с тем, что протекают более высокие токи, и они работают дальше по кривой.

PN-диод IV характеристика

В обратном направлении идеальный диод не пропускал бы ток.На самом деле протекает небольшое количество тока, хотя оно, вероятно, будет очень маленьким и находится в области пикоампер или микроампер. На схеме он увеличен, чтобы его можно было увидеть. Хотя обычно он очень низкий, характеристики любого диода будут ухудшаться при более высоких температурах, и также обнаружено, что германий не так хорош, как кремний.

Этот обратный ток является результатом так называемых неосновных носителей. Это очень небольшое количество электронов, обнаруженных в области P-типа, или дырок в области N-типа.Ранние полупроводники имели относительно высокие уровни неосновных носителей, но теперь, когда производство полупроводниковых материалов стало намного лучше, количество неосновных носителей значительно уменьшилось, как и уровни обратных токов.

Базовый диодный переход PN используется сегодня во многих электронных компонентах всей электронной промышленности: во многих новых общих конструкциях электронных схем, ВЧ конструкциях и во многих других областях.

Даже в своей базовой форме, как диод, этот электронный компонент используется в огромных количествах, но помимо этого, PN-переход составляет основу большинства современных высокотехнологичных транзисторов, интегральных схем и других полупроводниковых устройств.Без PN-перехода жизнь сегодня была бы совсем другой, и электроника была бы совсем другой.

Другие электронные компоненты:
резисторы Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор Полевой транзистор Типы памяти Тиристор Разъемы Разъемы RF Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты».. .

Что такое полупроводниковый диод? Прямое и обратное соединение диода

p n переход известен как полупроводниковый диод . Переход p n используется с целью выпрямления, так как он ведет только в одном направлении. Он также известен как кристалл , , диод , , поскольку он сделан из кремния или германия, подобного кристаллу. Обозначение полупроводникового диода показано ниже.

Имеет два терминала.Он ведет себя только тогда, когда он смещен вперед. Это означает, что клемма, соединенная со стрелкой, имеет более высокий потенциал, чем клемма, подключенная к шине, как показано на рисунке выше. Когда полупроводниковый диод имеет обратное смещение, он практически не проводит через него ток.

Вольт-амперные характеристики полупроводникового диода

Вольт-амперная или ВАХ полупроводникового диода — это кривая между напряжением на переходе и током цепи.

Схема схем показана ниже.

Резистор R включен последовательно с PN переходом, который ограничивает прямой ток диода от превышения предписанного предельного значения. Характеристики изучаются по трем направлениям: нулевое внешнее напряжение, прямое смещение и обратное смещение. Они подробно описаны ниже.

Нулевое внешнее напряжение

Когда не подается внешнее напряжение, т. Е. Цепь разомкнута на ключе K, ток через цепь не течет.Это обозначено точкой 0 на графике, представленном ниже:

Прямое смещение

Когда ключ K замкнут, а переключатель двойного хода переведен в положение 1, как показано на приведенной выше принципиальной схеме A. PN-переход смещен в прямом направлении, поскольку полупроводник p-типа подключен к положительной клемме, а n-тип — к отрицательной. терминал питания. Теперь при увеличении напряжения питания изменением переменного резистора Rh. Ток в цепи увеличивается очень медленно, и кривая является нелинейной, показанной на приведенном выше характеристическом рисунке B как OA.

Медленное нарастание тока в этой области связано с тем, что приложенное извне напряжение используется для преодоления потенциального барьера 0,3 В, для Ge и 0,7 для Si PN-перехода. Однако, как только потенциальный барьер устранен, и внешнее напряжение питания увеличивается. PN-переход ведет себя как обычный проводник, и ток в цепи очень резко возрастает, что представлено областью AB.

В этот момент ток ограничен последовательным сопротивлением R и небольшим значением прямого сопротивления перехода R _f .Кривая почти линейная. Если ток превышает номинальное значение диода, диод может быть поврежден.

Напряжение колена

Прямое напряжение (0,3 В для Ge и 0,7 В для Si-диодов), при котором ток через диод или p-n-переход начинает резко возрастать, известно как Knee Voltage .

Обратное смещение

Когда двухполюсный переключатель двойного направления (DPDT) переведен в положение 2, как показано на рисунке A. pn переход имеет обратное смещение, поскольку полупроводник p-типа подключается к отрицательной клемме, а n-тип — к положительной клемме поставлять.При этом условии потенциальный барьер на переходе увеличивается. Следовательно, сопротивление перехода R _{— r} становится очень большим, и ток по цепи практически не течет.

Однако на практике в цепи протекает очень небольшой ток порядка микроампер. Этот ток известен как обратный ток и возникает из-за наличия неосновных носителей заряда при комнатной температуре.

Обратный ток немного увеличивается с увеличением напряжения питания обратного смещения.Если обратное напряжение постоянно увеличивается, наступает стадия, когда кинетическая энергия электронов (неосновных носителей заряда) становится настолько высокой, что они выбивают электроны из полупроводниковых связей. В точке C происходит пробой перехода, и сопротивление области барьера R _r внезапно падает.

Следовательно, обратный ток сильно возрастает до большого значения. Это может навсегда разрушить соединение. Обратное напряжение, при котором происходит разрыв pn перехода, известно как напряжение пробоя .

Из всего вышеизложенного можно сделать следующие выводы.

• При нулевом внешнем напряжении ток через цепь или диод не протекает.
• При прямом смещении ток немного увеличивается до тех пор, пока барьерный потенциал не исчезнет.
• После напряжения колена прямой ток резко возрастает.
• Прямой ток ограничен последовательным сопротивлением R и небольшим значением сопротивления перехода Rf.
• Диод разрушается, когда прямой ток превышает номинальное значение диода.
• Обратный ток немного увеличивается с увеличением напряжения из-за неосновных носителей. Максимальное значение обратного тока для Si-диода составляет всего 1 мкА. Для Ge это около 100 мкА.
• Обратное напряжение, при котором происходит разрыв перехода, известно как напряжение пробоя .
• При обратном напряжении, при обрыве перехода диод может выйти из строя.

Это все о полупроводниковых диодах.

Введение в диоды и выпрямители | Диоды и выпрямители

Все о диодах

Диод представляет собой 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, говорят, что диод смещен в прямом направлении . 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 Аналог

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 большее давление жидкости справа, чем слева). Если давление имеет противоположную «полярность», перепад давления на обратном клапане закроется и будет удерживать 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 всех 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.

Схематическое обозначение диода показано 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 прямое напряжение, 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 внутри P-N перехода из-за действия температуры, и называется тепловым 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 падение напряжения на токопроводящем диоде действительно влияет на значение в зависимости от протекающего 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 может также 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 для большинства целей им можно пренебречь.

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 значению прямого напряжения.

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 на диод подается напряжение 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 «пробоя», называется номинальным значением пикового обратного напряжения или PIV .

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

Полупроводниковый диод

— статья энциклопедии

(PD) Изображение: Джон Р.Brews
Меза-диодная структура (вверху) и планарная диодная структура с защитным кольцом (внизу).

Полупроводниковый диод — это устройство с двумя выводами, которое проводит ток только в одном направлении, состоящее из двух или более слоев, из которых по крайней мере один является полупроводником. Примером может служить диод pn , изготовленный путем соединения полупроводникового слоя типа p с полупроводниковым слоем типа n . Для обсуждения легирующих примесей и терминологии типа p- и n- .см. легирующие примеси.

На рисунке показаны две из множества возможных структур, используемых для полупроводниковых диодов pn-, обе адаптированы для увеличения напряжения, которое устройства могут выдерживать при обратном смещении. В верхней структуре используется меза, чтобы избежать резкого искривления области p ⁺ — рядом с прилегающим слоем n- . В нижней структуре используется слегка легированное защитное кольцо p- на краю острого угла слоя p ⁺ — для распределения напряжения на большее расстояние и уменьшения электрического поля.(Верхние индексы, такие как n ⁺ или n ^— , относятся к более тяжелым или более легким примесным уровням легирования.)

Типы

Полупроводниковые диоды бывают самых разных типов:

• pn -диод: переходной диод pn состоит из полупроводника типа n , соединенного с полупроводником типа p .
Стабилитрон
• : Стабилитрон — это особый тип диода pn , предназначенный для работы в области обратного пробоя и часто используемый в качестве регулятора напряжения.Напряжение пробоя в этих диодах иногда называют напряжением Зенера . В зависимости от рассчитанного диапазона напряжений диод может выйти из строя из-за пробоя стабилитрона, туннелирования электронов или лавинного пробоя.
• Диод Шоттки: Диод Шоттки изготовлен из металла, такого как алюминий или платина, на легированной полупроводниковой подложке.
• Туннельный диод: Как и стабилитрон, туннельный диод (или диод Эсаки) состоит из сильно легированных слоев типа n- и p с очень резким переходом между двумя типами.Проводимость происходит за счет электронного туннелирования.
• Светодиод: Светодиод предназначен для преобразования электрического тока в свет.
• Фотодиод: Фотодиод является инверсией светодиода, действует как фотодетектор, преобразуя падающий свет в обнаруживаемый электрический ток.
• Диод pin : Диод pin состоит из трех слоев: внутреннего (нелегированного) слоя между слоями типа p и n .Благодаря своим характеристикам быстрого переключения он используется в микроволновых и радиочастотных приложениях.
Диод Ганна
• : Диод Ганна представляет собой устройство с переносом электронов , основанное на эффекте Ганна в полупроводниках III-V, и используется для генерации микроволновых колебаний.
• Varactor: переход pn , используемый при обратном смещении в качестве конденсатора переменного напряжения для настройки радиоприемников. Термин варактор также используется для устройств, которые ведут себя как встречные стабилитроны.

Электрические характеристики

(PD) Изображение: John R. Brews
Nonideal pn — вольт-амперные характеристики диода.

Идеальный диод имеет нулевое сопротивление для полярности прямого смещения и бесконечное сопротивление (проводит нулевой ток) для полярности обратного напряжения . Другими словами, полупроводниковый диод действует как электрический выпрямитель .

Полупроводниковый диод не идеален. Как показано на рисунке, диод не проводит заметную проводимость до тех пор, пока не будет достигнуто ненулевое напряжение изгиба (также называемое напряжением включения или напряжением включения ).Выше этого напряжения наклон кривой вольт-амперной характеристики не бесконечен (сопротивление в открытом состоянии не равно нулю). В обратном направлении диод проводит ненулевой ток утечки (преувеличенный меньшим масштабом на рисунке), и при достаточно большом обратном напряжении ниже напряжения пробоя ток увеличивается очень быстро с более отрицательными обратными напряжениями.

Как показано на рисунке, на и на сопротивлениях представляют собой обратные наклоны вольт-амперной характеристики в выбранной точке смещения:

, где r _D — сопротивление, а Δi _D — изменение тока, соответствующее изменению напряжения на диоде Δv _D при смещении v _D = V _BIAS .

Операция

Здесь рассматривается работа простого диода с переходом pn . Цель состоит в том, чтобы объяснить различные режимы смещения на рисунке. Работа описывается с использованием диаграмм изгиба зон, которые показывают, как наименьшая энергия зоны проводимости и наибольшая энергия валентной зоны меняются в зависимости от положения внутри диода при различных условиях смещения. Дополнительное обсуждение см. В статье Полупроводник.

Нулевое смещение

(PD) Изображение: Джон Р.Brews
Диаграмма изгиба ленты для pn -переходного диода при нулевом приложенном напряжении. Область истощения заштрихована.

На рисунке показана диаграмма изгиба полосы для диода pn ; то есть края зоны для зоны проводимости (верхняя линия) и валентной зоны (нижняя линия) показаны как функция положения по обе стороны от соединения между материалом типа p (левая сторона) и Материал типа n (правая сторона). Когда область типа p и область типа n одного и того же полупроводника соединены вместе и два диодных контакта закорочены, уровень половинной занятости Ферми (пунктирная горизонтальная прямая линия) находится на постоянном уровне. .Этот уровень обеспечивает правильное заполнение дырок и электронов в бесполевом объеме по обе стороны от перехода. (Так, например, электрону не обязательно покидать сторону n и переходить к стороне p через короткое замыкание, чтобы отрегулировать заселенность.)

Однако плоский уровень Ферми требует, чтобы полосы на стороне типа p двигались выше, чем соответствующие полосы на стороне типа n , образуя ступеньку или барьер на краях полосы, обозначенную φ _B .Этот шаг изменяет плотность электронов на стороне n- , чтобы стать фактором Больцмана exp (- φ _B / V _th ) меньшим на стороне p- , чтобы соответствовать нижнему электрону. плотность в р- р-н. Здесь символ V _th обозначает тепловое напряжение , V _th = k _B T / q ≈ 25 мВ при T = 290 кельвинов. Аналогичные соображения применимы к влиянию барьера на плотность дырок в области n-.Так получилось, что pn — произведение несущих плотностей:

в любом положении диода в состоянии равновесия. ^[1] Здесь p _B , n _B — плотность основного груза на стороне p- и стороне n- .

В результате этого шага на краях зоны обедненная область рядом с переходом становится обедненной как дырками, так и электронами, образуя изолирующую область почти без подвижных зарядов .Однако существует фиксированных, неподвижных зарядов из-за ионов легирующей примеси. Практически полное отсутствие подвижного заряда в обедненном слое означает, что присутствующих подвижных зарядов недостаточно для уравновешивания неподвижного заряда, вносимого легирующими ионами: отрицательный заряд на стороне типа p из-за акцепторной примеси и как положительный заряд на сторона n типа за счет донорной легирующей примеси. Из-за этого заряда в этой области возникает электрическое поле, как определено уравнением Пуассона.Ширина области истощения регулируется таким образом, что отрицательный заряд акцептора на стороне p точно уравновешивает положительный заряд донора на стороне n , поэтому вне области истощения с обеих сторон отсутствует электрическое поле.

В этой конфигурации полосы не подается напряжение и через диод не протекает ток. Чтобы пропустить ток через диод, необходимо применить прямое смещение , как описано ниже.

Прямое смещение

(PD) Изображение: Джон Р.Brews
Диаграмма изгиба pn-диода при прямом смещении. Диффузия перемещает носителей через соединение. (PD) Изображение: Джон Р. Брюс Квази-уровни Ферми
и плотности носителей в диоде pn- с прямым смещением. На рисунке предполагается, что рекомбинация ограничена областями, где концентрация основных носителей заряда близка к объемным значениям, что не является точным, когда центры генерации рекомбинации в области поля играют роль.

При прямом смещении электроны инжектируются в материал p- , а дырки — в материал n-.Электроны в материале типа n называются основными носителями на этой стороне, но все, которые попадают на сторону типа p , называются неосновными носителями . Те же дескрипторы применимы к дыркам: они являются основными носителями на стороне типа p и неосновными носителями на стороне типа n .

Прямое смещение разделяет два объемных уровня половинной занятости по величине приложенного напряжения, что снижает разделение краев объемных зон типа p , чтобы они были ближе по энергии к таковым у типа n .Как показано на диаграмме, шаг по краям полосы уменьшается под действием приложенного напряжения до _B −v _D . (Диаграмма изгиба полосы сделана в вольтах, поэтому для преобразования v _D в энергию отсутствует заряд электрона.)

При прямом смещении диффузионный ток течет (то есть ток, обусловленный градиентом концентрации) дырок со стороны p на сторону n- и электронов в направлении, противоположном направлению . n — сторона p- сторона.Градиент, управляющий этим переносом, настраивается следующим образом: в объеме, удаленном от границы раздела, неосновные носители имеют очень низкую концентрацию по сравнению с основными носителями, например, электронная плотность на стороне p (где они являются неосновными носителями) является множителем exp (- φ _B / V _th ) ниже, чем на стороне n- (где они являются основными операторами связи). С другой стороны, вблизи интерфейса приложение напряжения v _D уменьшает шаг на краях полосы и увеличивает плотность неосновных носителей на коэффициент Больцмана exp ( v _D / V _th ) над основной массой. значения.Внутри соединения продукт pn- увеличивается выше равновесного значения до: ^[1]

Градиент, управляющий диффузией, в таком случае представляет собой разницу между большими плотностями избыточных неосновных носителей заряда на барьере и низкими плотностями в объеме, и этот градиент управляет диффузией неосновных носителей из границы раздела в объем. Количество введенных неосновных носителей уменьшается по мере того, как они перемещаются в основной объем за счет механизмов рекомбинации , которые приводят избыточные концентрации к объемным значениям.

Рекомбинация может происходить при прямом столкновении с основным носителем, аннигилирующем оба носителя, или через центр генерации рекомбинации , дефект, который поочередно захватывает дырки и электроны, способствуя рекомбинации. Неосновные носители имеют ограниченный срок службы , и этот срок службы, в свою очередь, ограничивает то, как далеко они могут диффундировать со стороны основных носителей на сторону неосновных носителей, так называемая длина диффузии . В светодиодах рекомбинация электронов и дырок сопровождается излучением света с длиной волны, связанной с энергетическим зазором между валентной зоной и зоной проводимости, поэтому диод преобразует часть прямого тока в свет.

Линии половинной занятости дырок и электронов не могут оставаться плоскими по всему устройству, поскольку они находятся в равновесии, а становятся квазиуровнями Ферми , которые меняются в зависимости от положения. Как показано на рисунке, электронный квазиуровень Ферми смещается с положением от равновесного уровня Ферми половинного заполнения в объеме n- к равновесному уровню половинного заполнения для дырок глубоко в объеме p- . Дырочный квазиуровень Ферми делает обратное. Два квазиуровня Ферми не совпадают, за исключением глубины в объемных материалах.

На рисунке показано падение плотности основных носителей заряда от уровней плотности основных носителей n _B , p _B в соответствующих сыпучих материалах до уровня фактора exp (- ( φ _B — v _D ) / V _th ) меньше на вершине барьера, которое уменьшается от равновесного значения φ _B на величину прямого смещения диода v _D . Поскольку этот барьер расположен в материале с противоположным легированием, инжектированные носители в позиции барьера теперь являются неосновными носителями.По мере того, как происходит рекомбинация, плотности неосновных носителей падают с глубиной до их равновесных значений для объемных неосновных носителей, на коэффициент exp (- φ _B / V _th ) меньше, чем их объемная плотность n _B , p _B в качестве основных носителей перед инъекцией. В этот момент квазиуровни Ферми воссоединяются с положениями объемных уровней Ферми.

Уменьшенный шаг на краях зоны также означает, что при прямом смещении область обеднения сужается, поскольку в нее проталкиваются дырки со стороны p и электроны со стороны n .

В простом диоде pn прямой ток увеличивается экспоненциально с напряжением прямого смещения из-за экспоненциального увеличения плотности несущих, поэтому всегда присутствует некоторый ток даже при очень малых значениях приложенного напряжения. Однако, если кто-то интересуется некоторым конкретным уровнем тока, для достижения этого уровня тока потребуется «излом» напряжения. Например, очень распространенный выбор в текстах о схемах с кремниевыми диодами: В _Колено = 0.7 В. ^[2] Выше колена, конечно, ток продолжает экспоненциально нарастать. Некоторые специальные диоды, такие как некоторые варакторы, специально разработаны для поддержания низкого уровня тока до некоторого напряжения колена в прямом направлении.

Обратное смещение

(PD) Изображение: John R. Brews
Изгиб ленты для диода pn при обратном смещении (PD) Изображение: Джон Р. Брюс
квази-уровней Ферми в диоде pn- с обратным смещением.

При обратном смещении уровень заполнения дырок снова имеет тенденцию оставаться на уровне объемного полупроводника типа p , в то время как уровень заполнения электронами соответствует уровню заполнения объемного полупроводника типа n- .В этом случае края объемной зоны типа p приподняты относительно объема типа n за счет обратного смещения v _R , поэтому два уровня заполнения снова разделены энергией, определяемой величиной приложенное напряжение. Как показано на диаграмме, такое поведение означает, что шаг по краям зоны увеличивается до φ _B + v _R , и область обеднения расширяется по мере того, как дырки отталкиваются от нее на стороне p и электроны на стороне n .

Когда применяется обратное смещение, электрическое поле в обедненной области увеличивается, отталкивая электроны и дырки дальше друг от друга, чем в случае нулевого смещения. Таким образом, любой протекающий ток происходит из-за очень слабого процесса генерации носителей заряда внутри обедненной области из-за дефектов генерации-рекомбинации в этой области. Этот очень небольшой ток является источником тока утечки при обратном смещении. В фотодиоде обратный ток вводится за счет создания дырок и электронов в обедненной области падающим светом, тем самым преобразуя часть падающего света в электрический ток.

Когда обратное смещение становится очень большим, достигая напряжения пробоя, процесс генерации в области истощения ускоряется, что приводит к лавинообразному состоянию , которое может вызвать разгон и разрушить диод.

Диодный закон

Величина постоянного тока идеального диода pn- определяется уравнением диода Шокли: ^[3]

с В _D постоянным напряжением на диоде и I _R обратным током насыщения , ток, который течет при обратном смещении диода ( В _D большой и отрицательный).Символ В _th обозначает тепловое напряжение , В _th = k _B T / q ≈ 25 мВ при T = 290 кельвинов.

Это уравнение не моделирует поведение, не связанное с сделкой, такое как избыточная обратная утечка или явление пробоя. Во многих практических диодах это уравнение должно быть изменено, чтобы читать:

, где коэффициент идеальности , n вводится для моделирования более медленной скорости увеличения, чем предсказывается законом идеальных диодов.Используя это уравнение, сопротивление диода на — составляет:

показывает меньшее сопротивление, чем выше ток.

Емкость

Слой обеднения между сторонами n — и p перехода pn служит изолирующей областью, которая разделяет два диодных контакта. Таким образом, диод в обратном смещении имеет емкость обедненного слоя , иногда более расплывчато называемую емкостью перехода , аналогично конденсатору с параллельными пластинами с диэлектрической прокладкой между контактами.При обратном смещении ширина обедненного слоя увеличивается с увеличением обратного смещения v _R , и соответственно уменьшается емкость. Таким образом, переход служит конденсатором с регулируемым напряжением. В упрощенной одномерной модели емкость перехода равна:

с A площадь устройства, κ относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника, ε ₀ электрическая постоянная и w ширина обеднения (толщина области, где плотность мобильных носителей пренебрежимо мала. ).

При прямом смещении, помимо указанной выше емкости обедненного слоя, происходит инжекция и диффузия заряда неосновных носителей. Существует диффузионная емкость , выражающая изменение заряда неосновных носителей, которое происходит при изменении прямого смещения. С точки зрения накопленного заряда неосновных носителей ток диода i _D равен:

, где Q _D — это заряд, связанный с диффузией неосновных носителей заряда, а τ _T — время прохождения , время, необходимое для прохождения неосновного заряда через область инжекции.Типичные значения времени прохождения составляют 0,1–100 нс. ^[4] На основании этого рассчитывается диффузионная емкость:

Вообще говоря, для обычных уровней тока при прямом смещении эта емкость намного превышает емкость обедненного слоя.

Переходный ответ

(PD) Изображение: John R. Brews
Схема слабого сигнала для диода pn-, управляемая токовым сигналом, представленным в виде источника Norton.

Диод — это в высшей степени нелинейное устройство, но для изменений слабого сигнала его отклик можно проанализировать с помощью схемы малого сигнала на основе смещения постоянного тока, относительно которого, как предполагается, изменяется сигнал.Эквивалентная схема показана справа для диода, управляемого источником Norton. Используя текущий закон Кирхгофа в выходном узле:

с C _D диффузионная емкость диода, C _J емкость диодного перехода (емкость обедненного слоя) и r _D сопротивление диода, все при выбранном смещении точка или Q-точка. Выходное напряжение, обеспечиваемое этой схемой, тогда:

с ( R _S || r _D ) параллельной комбинацией R _S и r _D .Этот усилитель сопротивления демонстрирует угловую частоту , обозначенную f _C :

и для частот f >> f _C усиление падает с частотой, поскольку конденсаторы замыкают резистор r _D . Предположим, как и в случае включения диода, что C _D >> C _J и R _S >> r _D , выражения, найденные выше для сопротивление и емкость диода обеспечивают:

, который связывает частоту излома со временем прохождения диода τ _T .

Для диодов, работающих с обратным смещением, C _D равно нулю, и термин угловая частота часто заменяется частотой среза . В любом случае, при обратном смещении сопротивление диода становится довольно большим, хотя и не бесконечным, как предполагает закон идеального диода, и предположение, что оно меньше сопротивления Нортона драйвера, может быть неточным. Емкость перехода мала и зависит от обратного смещения В _R .Тогда частота среза равна:

и изменяется с обратным смещением, потому что ширина w (v _R ) изолирующей области, лишенной подвижных несущих, увеличивается с увеличением обратного смещения диода, уменьшая емкость. ^[5]

Банкноты

1. ↑ ^{1,0 1,1} Джон Спаркс (1994). Полупроводниковые приборы , 2-е изд. CRC Press, стр. 78. ISBN 0748773827.
2. ↑ Естественно, это напряжение зависит от выбранного уровня тока.Это напряжение для диода с переходом pn принимается по-разному: 0,7 В и 0,5 В; см. AS Sedra and KF Smith (1998). «Глава 3: Диоды», Микроэлектронные схемы , 4-е изд. Oxford University Press, стр. 134 и Рисунок 3.8. ISBN 0195116631. .
3. ↑ Андрей Гребенников (2011). «§2.1.1: Диоды: принцип действия», Конструкция передатчика ВЧ и СВЧ . Дж. Уайли и сыновья, стр. 59. ISBN 047052099X.
4. ↑ Нараин Арора (2007). Моделирование Mosfet для моделирования СБИС: теория и практика . World Scientific, стр. 539. ISBN 981256862X. Жан-Пьер Колиндж, Синтия А. Колиндж (2002). Физика полупроводниковых приборов , 2-е изд. Спрингер, стр. 149. ISBN 1402070187.
5. ↑ Варактор представляет собой диод pn-, работающий в режиме обратного смещения. См., Например, В.С. Багад (2009). «§5.8.1 Варакторный диод: принцип работы», Микроволновая и радиолокационная техника , 2-е изд.Технические публикации Пуна. ISBN 8184311214.

.