Полупроводниковый диод: применение, принцип работы, типы

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

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

Начнем с азов

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

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

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

Полупроводниковый диод: применение, принцип работы, типы

Устройство изделия

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

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

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

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

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

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

Реферат может более полно описать каждый способ применения.

О важном свойстве

Полупроводниковый диод: применение, принцип работы, типы

ВАХ полупроводникового элемента

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

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

Данная зависимость имеет вид кривой, представленной на рисунке снизу.

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

Как работает

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

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

Полупроводниковый диод: применение, принцип работы, типы

Прямое включение

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

Полупроводниковый диод: применение, принцип работы, типы

Обратное включение

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

Варианты исполнения

Полупроводниковый диод: применение, принцип работы, типы

Стабилитрон

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

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

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

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

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

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

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

  • плоскими;
  • точечными;
  • микросплавными.

По делению в зависимости от мощности, выделяют такие типы:

  • мощные;
  • средней мощности;
  • маломощные.

По параметру частоты данная продукция делится на:

  • высокочастотные;
  • низкочастотные;
  • СВЧ.

Полупроводниковый диод: применение, принцип работы, типы

Разнообразие диодов

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

Отдельный подвид

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

Полупроводниковый диод: применение, принцип работы, типы

Строение диода ганна

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

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

Толщина слоя составляет примерно 8-10 микрометров.

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

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

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

Достоинства продукции

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

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

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

Что обозначает маркировка

Полупроводниковый диод: применение, принцип работы, типы

Маркировка на диодах

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

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

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

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

Заключение

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

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

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

Полезные материалы

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

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

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

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

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

Полупроводниковый диод: применение, принцип работы, типы

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

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

Полупроводниковый диод: применение, принцип работы, типы

  • На рисунке дырки, преобладающие в области p-типа, условно изображены красными кружками, а электроны, преобладающие в области n-типа — синими. Эти две области являются электродами диода анодом и катодом:
  • Анод – положительный электрод диода, в котором основными носителями заряда являются дырки.
  • Катод – отрицательный электрод диода, в котором основными носителями заряда являются электроны.
  • На внешние поверхности областей нанесены контактные металлические слои, к которым припаяны проволочные выводы электродов диода. Такой прибор может находиться только в одном из двух состояний:

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

Прямое включение диода. Прямой ток

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

Полупроводниковый диод: применение, принцип работы, типы

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

Например.

Oсновные носители заряда в области n-типа электроны, преодолевая p-n переход попадают в дырочную область p-типа, в которой они становятся неосновными.

Ставшие неосновными, электроны будут поглощаться основными носителями в дырочной области – дырками.

Таким же образом дырки, попадая в электронную область n-типа становятся неосновными носителями заряда в этой области, и будут также поглощаться основными носителями – электронами.

Контакт диода, соединенный с отрицательным полюсом источника постоянного напряжения будет отдавать области n-типа практически неограниченное количество электронов, пополняя убывание электронов в этой области.

Читайте также:  Измерение сопротивления изоляции мегаомметром: пошаговая методика измерения

А контакт, соединенный с положительным полюсом источника напряжения, способен принять из области p-типа такое же количество электронов, благодаря чему восстанавливается концентрация дырок в области p-типа.

Таким образом, проводимость p-n перехода станет большой и сопротивление току будет мало, а значит, через диод будет течь ток, называемый прямым током диода Iпр.

Обратное включение диода. Обратный ток

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

Полупроводниковый диод: применение, принцип работы, типы

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

Но, так как в каждой из областей диода присутствуют неосновные носители заряда, то небольшой обмен электронами и дырками между областями происходить все же будет.

Поэтому через диод будет протекать ток во много раз меньший, чем прямой, и такой ток называют обратным током диода (Iобр).

Как правило, на практике, обратным током p-n перехода пренебрегают, и отсюда получается вывод, что p-n переход обладает только односторонней проводимостью.

Прямое и обратное напряжение диода

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

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

Сопротивление p-n перехода диода величина не постоянная и зависит от прямого напряжения (Uпр), которое подается на диод.

Чем больше это напряжение, тем меньшее сопротивление оказывает p-n переход, тем больший прямой ток Iпр течет через диод.

В закрытом состоянии на диоде падает практически все напряжение, следовательно, обратный ток, проходящий через него мал, а сопротивление p-n перехода велико.

Например.

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

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода

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

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

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

Полупроводниковый диод: применение, принцип работы, типы

Прямая ветвь идет круто вверх, прижимаясь к вертикальной оси, и характеризует быстрый рост прямого тока через диод с увеличением прямого напряжения.
Обратная ветвь идет почти параллельно горизонтальной оси и характеризует медленный рост обратного тока.

Чем круче к вертикальной оси прямая ветвь и чем ближе к горизонтальной обратная ветвь, тем лучше выпрямительные свойства диода. Наличие небольшого обратного тока является недостатком диодов.

Из кривой вольт-амперной характеристики видно, что прямой ток диода (Iпр) в сотни раз больше обратного тока (Iобр).

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

Например.

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

Но такое увеличение тока приводит к нагреванию молекулы полупроводника.

И если количество выделяемого тепла будет больше отводимого от кристалла естественным путем, либо с помощью специальных устройств охлаждения (радиаторы), то в молекуле проводника могут произойти необратимые изменения вплоть до разрушения кристаллической решетки.

Поэтому прямой ток p-n перехода ограничивают на уровне, исключающем перегрев полупроводниковой структуры. Для этого используют ограничительный резистор, включенный последовательно с диодом.

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

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

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

При постепенном увеличении обратного напряжения до значения 100В видно, как незначительно растет обратный ток (точка «в» на графике).

Но при дальнейшем увеличении напряжения, свыше максимального, на которое рассчитан p-n переход диода, происходит резкое увеличение обратного тока (пунктирная линия), нагрев кристалла полупроводника и, как следствие, наступает пробой p-n перехода.

Пробои p-n перехода

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

Полупроводниковый диод: применение, принцип работы, типы

Электрический пробой

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

Туннельный пробой

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

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

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

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

Лавинный пробой

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

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

Тепловой пробой

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

При увеличении приложенного к p-n переходу обратного напряжения (Uобр) рассеиваемая мощность на переходе растет.

Это приводит к увеличению температуры перехода и соседних с ним областей полупроводника, усиливаются колебания атомов кристалла, и ослабевает связь валентных электронов с ними.

Возникает вероятность перехода электронов в зону проводимости и образования дополнительных пар электрон — дырка. При плохих условиях теплоотдачи от p-n перехода происходит лавинообразное нарастание температуры, что приводит к разрушению перехода.

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

Источник:

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

Источник: https://sesaga.ru/princip-raboty-dioda-volt-ampernaya-xarakteristika-proboi-p-n-perexoda.html

Полупроводниковый диод: устройство, принцип работы и основные виды :

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

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

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

Полупроводниковый диод: применение, принцип работы, типы

Принцип работы полупроводникового диода

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

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

Читайте также:  Почему стиральная машина не сливает воду перед отжимом?

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

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

Каким бывает полупроводниковый диод

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

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

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

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

Разновидности и области применения полупроводниковых диодов

В зависимости от типа используемых полупроводников и степени их легирования можно создать диоды, обладающие характерными особенностями и имеющие определенное функциональное назначение.

Рассмотрим особенности различных типов диодов (см. рис. 1.4, в), их параметры и области применения.

Выпрямительные диоды, предназначенные для выпрямления низкочастотного переменного тока, используются в устройствах питания. Существуют кремниевые, германиевые и селеновые плоскостные диоды (сплавные и диффузные). Условия применения выпрямительных диодов определяют предельные значения их параметров:

  • максимальный средний прямой ток Iпр max;
  • максимальный импульсный прямой ток Iи.пр max;
  • максимальное обратное напряжение Uобр max;
  • среднее за период значение обратного тока Iобр при заданном обратном напряжении Uобр.

Мощные выпрямительные диоды пропускают прямой ток до 1500 А, а высоковольтные кремниевые диоды выдерживают обратное напряжение до 1600 В. Для отвода тепла мощные диоды монтируются на металлических радиаторах, имеющих большую поверхность и высокую теплопроводность.

Высокочастотные диоды (детекторные, смесительные и модуляторные) применяют для детектирования маломощных ВЧ сигналов.

В этом случае существенное значение имеет собственная емкость диода, для уменьшения которой используется контактная технология, позволяющая формировать небольшую базовую область р-п-перехода в месте контакта острия вольфрамовой иглы с полупроводником.

Эта технология заключается в следующем: мощный импульс тока разогревает место контакта, возникает диффузия вольфрама в полупроводник и после его охлаждения образуется небольшая область перехода.

Емкость такого диода, составляющая десятые доли пикофарад (пФ), обеспечивает диапазон рабочих частот 300ѕ600 МГц. Точечные диоды на более высокие частоты изготавливают с использованием прижимного контакта металл—полупроводник без разогревания. Такие диоды могут работать при частотах до 20 ГГц.

Основными характеристиками ВЧ диодов являются: предельная частота, дифференциальное прямое сопротивление переменному току Rд = DUпр/DIпр (гдеDUпри DIпр— изменения прямых напряжения и тока) и емкость диода Сд. Остальные их параметры аналогичны параметрам низкочастотных выпрямительных диодов.

Импульсные диоды (мезодиоды, диоды с накоплением заряда, диоды Шоттки) работают в режиме электронного ключа в импульсных схемах, т.е. у них имеется два состояния: открыто—закры­то.

При этом в открытом состоянии диод должен иметь малое сопротивление, а в закрытом — большое. Быстродействие импульсных схем определяется временем перехода диода из одного состояния в другое.

Условия применения импульсных диодов определяют предельные значения их параметров:

  1. максимальный выпрямленный ток Iпр max;
  2. максимальный импульсный прямой ток Iи.пр max;
  3. максимальное обратное напряжение Uобр max;
  4. максимальный обратный ток Iобр max;
  5. прямое импульсное напряжение на диоде при заданном импульсе прямого тока;
  6. емкость Сд;
  7. время включения tвкл;
  8. время восстановления обратного сопротивления tвос.
  9. В мезодиодах р-п-переход формируется путем травления полупроводника.

В диодах с накоплением зарядов р-n-переход формируется мето­дом диффузии, благодаря чему в приповерхностном слое создается большой градиент концентрации примеси. В результате возника­ет электрическое поле, направленное в сторону возрастания концен­трации примеси, обеспечивающее накопление зарядов вблизи границы р- и п-областей, что ускоряет переходные процессы.

Диоды с накоплением заряда способны накапливать и удерживать заряд в потенциальных ямах. Они используются как элементы задержки включения за счет наличия стадии рассасывания зарядов, а также как элементы памяти.

С их помощью формируют задер­жку в слаботочных импульсных приборах. На их основе созданы приборы с зарядовой связью: ПЗС-линейки и ПЗС-матрицы.

Послед­ние используются как быстродействующие запоминающие устройства и элементы памяти.

Диоды Шоттки работают на основе перехода металл—n-полупроводник. При этом металл имеет работу выхода больше, чем полупроводник n-проводимостью. На границе раздела формируется контактный выпрямляющий переход.

Прямой ток возникает за счет основных носителей зарядов металла (электронов). В отличие от обычных диодов накопления зарядов в переходе диода Шоттки не происходит, т.е.

эти диоды имеют малую емкость р-n-перехода (Сp-n < 1 пФ) и у них нет стадии рассасывания зарядов. Благодаря этому диоды Шоттки обладают высоким быстродействием и могут работать на частотах до 10 ГГц.

Вместе с тем они характеризуются малыми токами и имеют малое обратное напряжение пробоя.

Диоды Шоттки нашли широкое применение в транзисторных клю­чевых схемах. Транзисторный ключ в сочетании с диодом Шоттки имеет повышенное быстродействие и называется транзисто­ром Шот­тки. Это сочетание часто применяется в логических микросхемах.

Стабилитрон — полупроводниковый плоскостной диод из сильно­легированного кремния. ВАХ стабилитрона имеет вид кривой 1, представленной на рис. 1.4, б. На участке электрического пробоя дифференциальное сопротивление Rд=dU/dI очень мало.

Резкий рост обратного тока наблюдается вблизи значения обратного напряжения, равного Uпроб. Поскольку вблизи Uпробмалое изменение обратного напряжения соответствует большому изменению обратного тока, напряжение пробоя называют напряжением стабилизации Uст.

Основными параметрами стабилитронов являются:

  • напряжение стабилизации Uст;
  • дифференциальное сопротивление Rдпри напряжении Uст;
  • температурный коэффициент напряжения стабилизации
  • a = (DUст/Uст)/DT
  • (где DUст— изменение напряжения стабилизации при изменении температуры DT);
  • минимально допустимый ток стабилизации Imin, при котором Uстнаходится в заданных пределах;
  • максимально допустимый ток стабилизации Imax;
  • максимально допустимая рассеиваемая мощность Рр max.

Стабилитроны применяют в устройствах питания для стабилизации напряжения (см. гл. 4). В зависимости от структуры, состава и конструкции стабилитроны имеют разные значения напряжения стабилизации.

Имея разные номиналы, они обеспечивают диапазон стабилизации напряжения в блоках питания от 3 до 200 В.

Стабилизация осуществляется при обратном напряжении на стабилитроне, и идет она тем лучше, чем круче кривая зависимости тока от напряжения и соответственно, чем меньше дифференциальное сопротивление.

Варикап — полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании зависимости емкости протяженного и слаболегированного р-п-перехода от обратного напряжения. Емкость варикапа с увеличением обратного напряжения уменьшается примерно от 500 до 50 пФ.

Варикапы — это диоды с низколегированной областью между п- и р- областями. При обратном включении такого диода его емкость изменяется пропорционально напряжению.

Варикапы используются в колебательных контурах с управляемой резонансной частотой в диапазоне дециметровых и сантиметровых волн СВЧ (от 300 МГц до 30 ГГц).

Наиболее часто варикап используется для формирования радиосигналов с линейной частотной модуляцией.

Туннельными являются диоды с высокой концентрацией легирующих присадок и узкими p-n-переходом и запрещенной зоной.

В p-n-переходе такого диода при прямом включении возникают высокие напряжения, и электроны туннелируют в р-область.

Туннельный эффект состоит в способности заряженной частицы проникнуть за потенциальный барьер даже в том случае, если ее энергия ниже потенциального барьера.

В сильных электрических полях вблизи границы раздела р- и п-областей туннельных диодов может образоваться тонкий потенциальный барьер, через который с определенной вероятностью электроны проходят без изменения собственной энергии благодаря туннельному эффекту. Формируемая в результате N-образная ВАХ с ниспадающим участком и отрицательной дифференциальной проводимостью позволяет использовать туннельные диоды в качестве генераторов СВЧ колебаний на частотах от 10 до 100 ГГц.

Светодиод излучает свет при прохождении прямого инжекционного тока. Этот ток называется инжекционным, так как при нем происходит впрыскивание электронов из п-области в р-п-переход.

Излучение света связано с рекомбинацией носителей зарядов (электронов и дырок), а также с возбуждением валентных электронов атомов р-области электронами, проникающими через р-п-переход.

Основными характеристиками светодиодов являются предельные ток и напряжение питания, крутизна ВАХ и квантовый выход (отношение потребляемой мощности к мощности излучения).

Фотодиоды создаются на основе использования эффекта возбуждения электронов полупроводника квантами света. Если р-п-переход осветить светом, то в нем возникают носители зарядов (электроны и дырки), увеличивающие прямую и обратную прово­димости.

Наиболее чувствительными являются фотодиоды, основан­ные на изменении собственной проводимости полу­про­вод­никовых структур, и лавинные фотодиоды. В средней части p-i-п-структуры фотодиода находится полупроводник без приме­сей, обладающий слабой собственной проводимостью.

Однако его проводимость резко возрастает под действием света, и при подаче прямого или обратного напряжения на фотодиод возникает ток, пропорциональный интенсивности поданного света. В лавин­ных фотодиодах используются более сложные полупроводниковые структуры и более высокие напряжения (около 100 В).

Читайте также:  Почему в квартире может быть большой расход электричества?

Возни­кающие под действием света возбужденные электроны ускоря­ются электрическим полем и, соударяясь с атомами полупроводника, вызывают лавинный поток вторичных электронов.

Основными характеристиками фотодиодов являются пороговая чувствительность (минимальная мощность излучения, регистри­руемая фотоприемником), чувствительность (отношение изменения тока или напряжения на выходе фотоприемника к мощности на входе) и время срабатывания или предельная частота воспроизведения входного сигнала.

Полупроводниковые диоды широко используются в электронной технике.

Их применяют как смесители частот сигнала и гетеродина в супергетеродинных схемах, для детектирования радиосигналов, выпрямления переменного напряжения (выпрямители), селекции импульсов определенной полярности (импульсные диоды), стабилизации напряжения (стабилитроны), в качестве управ­ляемой напряжением емкости (варикапы) и т.п.

Туннельные диоды с N-образной ВАХ и диоды с S-образной ВАХ используются для генерации СВЧ колебаний.

Существуют и специализированные диоды – диоды Гана и обращенные диоды, используемые в СВЧ генераторах и усилителях.

Используют и такие специализированные полупроводниковые устройства варисторы и термисторы. В термисторах, в отличие от резисторов сопротивление при нагреве падает. Поэтому их используют в качестве компенсаторов температурного изменения в резисторах.

В импульсной технике широкое распространение получили диодные электронные ключи, работающие по принципу включено — выключено (ток есть — тока нет).

Применяются последовательные и парал­лельные схемы диодных ключей. В схемах последовательных диодных ключей диод пропускает ток только в одном направ­лении (от плюса к минусу) как в выпрямителях (см. гл. 4).

При параллельном соединении используются стабилитроны (см. раздел 4.3).

Биполярные транзисторы

Транзисторы — это полупроводниковые приборы с тремя электродами, подобные электровакуумному триоду, предназначенные для усиления тока или напряжения. Различают биполярные транзисторы, обычно называемые просто транзисторами, полевые транзисторы и фототранзисторы.

Биполярный транзистор — это прибор, составленный из полупроводников с двумя рп-переходами и имеющий три вывода: эмиттер (Э), базу (Б) и коллектор (К). Существуют два типа биполяр­ных транзисторов: прп-транзисторы (рис. 1.

5, а) и рпр-транзисторы (рис. 1.5, б).

Принципы их работы аналогичны, отличаются они количеством и порядком расположения полупроводников с р— и п-проводимостями, а также полярностью подаваемого постоянного напряжения смещения.

Полупроводниковый диод: применение, принцип работы, типы

Рис. 1.5. Структуры и УГО биполярных транзисторов п-р-п- (а) и р-п-р-типа (б)

Рассмотрим работу транзистора прп-типа (рис. 1.6, а) при подаче напряжения смещения на базу.

Переход база—эмиттер (или просто эмиттерный переход) такого транзистора смещен в прямом направлении напряжением UБ-Э, поэтому электроны из области эмиттера перетекают через этот переход в область базы, создавая ток IБ.

Это обычный прямой ток рп-перехода, смещенного в прямом направлении. Как только электроны попадают в область базы, они начинают испытывать притяжение положительного потенциала коллектора.

Если область базы сделать очень узкой, то почти все эти электроны пройдут через нее к коллектору, и только очень малая их часть соберется базой, формируя базовый ток IБ. Фактически более 95% всех электронов эмиттерного тока IЭсобирается коллектором, формируя коллекторный ток IК транзистора. Таким образом, IЭ= IБ+ IК.

Так как базовый ток IБочень мал (чаще всего он измеряется микроамперами), то им обычно пренебрегают. Тем самым предполагают, что токи эмиттера и коллектора равны, и каждый из них называют током транзистора.

Полупроводниковый диод: применение, принцип работы, типы

Рис. 1.6. Схемы протекания тока в п-р-п- (а) и р-п-p-транзисторах (б) при подаче напряжения смещения на базу

Отметим, что переход база—коллектор (или просто коллекторный переход) смещен в обратном направлении напряжением UБ-К.

Это необходимое условие работы транзистора, поскольку в противном случае электроны не притягивались бы к коллектору.

При этом в соответствии с правилом выбора направления тока (от положительного потенциала к отрицательному) считается, что ток транзистора течет от коллектора к эмиттеру.

В рпр-транзисторах полярность подаваемого напряжения смещения должна быть обратной (рис. 1.6, б). В этом случае ток транзистора будет представлять собой перемещение дырок от эмиттера к коллектору или электронов от коллектора к эмит­теру.

Источник: https://cyberpedia.su/13xc29c.html

1.Полупроводниковые диоды, принцип действия, характеристики:

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ
ДИОД

— полупроводниковый прибор с двумя
электродами, обладающий односторонней
проводимостью. К полупроводниковым
диодам относят обширную группу приборов
с p-n-переходом, контактом металл —
полупроводник и др.

Наиболее распространены
электропреобразовательные полупроводниковые
диоды. Служат для преобразования и
генерирования электрических колебаний.
Один из основных современных электронных
приборов.

  Принцип
действия полупроводникового диода

В
основе принципа действия полупроводникового
диода — свойства электронно-дырочного
перехода, в частности, сильная асимметрия
вольт-амперной характеристики относительно
нуля. Таким образом различают прямое и
обратное включение.

В прямом включении
диод обладает малым электросопротивлением
и хорошо проводит электрический ток. В
обратном — при напряжении меньше
напряжения пробоя сопротивление очень
велико и ток перекрыт. Характеристики:

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

Прямое
и обратное включение:

При
прямом включении
p-n-перехода внешнее напряжение создает
в переходе поле, которое противоположно
по направлению внутреннему диффузионному
полю. Напряженность результирующего
поля падает, что сопровождается сужением
запирающего слоя.

В результате этого
большое количество основных носителей
зарядов получает возможность диффузионно
переходить в соседнюю область (ток
дрейфа при этом не изменяется, поскольку
он зависит от количества неосновных
носителей, появляющихся на границах
перехода), т.е.

через переход будет
протекать результирующий ток, определяемый
в основном диффузионной составляющей.
Диффузионный ток зависит от высоты
потенциального барьера и по мере его
снижения увеличивается экспоненциально.

Повышенная
диффузия носителей зарядов через переход
привод к повышению концентрации дырок
в области n-типа и электронов в области
p-типа. Такое повышение концентрации
неосновных носителей вследствие влияния
внешнего напряжения, приложенного к
переходу, называется инжекцией неосновных
носителей.

Неравновесные неосновные
носители диффундируют вглубь полупроводника
и нарушают его электронейтральность.
Восстановление нейтрального состояния
полупроводника происходит за счет
поступления носителей зарядов от
внешнего источника.

Это является причиной
возникновения тока во внешней цепи,
называемого прямым.

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

Таким
образом, через переход будет протекать
результирующий ток, определяемый в
основном током дрейфа неосновных
носителей.

Поскольку количество
дрейфующих неосновных носителей не
зависит от приложенного напряжения
(оно влияет только на их скорость), то
при увеличении обратного напряжения
ток через переход стремиться к предельному
значению IS , которое называется током
насыщения.

Чем больше концентрация
примесей доноров и акцепторов, тем
меньше ток насыщения, а с увеличением
температуры ток насыщения растет по
экспоненциальному закону.

ВАХ:

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

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

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

Итак,
II-й и IV-й квадранты у нас пустые. Это
потому, что мы можем включить диод только
двумя способами – в прямом или в обратном
направлении.

Невозможна ситуация, когда,
например, через диод протекает обратный
ток и одновременно он включен в прямом
направлении, или, иными словами, невозможно
на один вывод одновременно подать и
«плюс» и «минус». Точнее, это возможно,
но тогда это будет короткое замыкание.

Остаётся рассмотреть только два случая
– прямое включение диодаиобратное
включение диода
.

График
прямого включения нарисован в первом
квадранте. Отсюда видно, что чем больше
напряжение, тем больше ток. Причём до
какого-то момента напряжение растёт
быстрее, чем ток. Но затем наступает
перелом, и напряжение почти не меняется,
а ток начинает расти.

Для большинства
диодов этот перелом наступает в диапазоне
0,5…1 В. Именно это напряжение, как говорят,
«падает» на диоде. Эти 0,5…1 В и есть
падение напряжения на диоде.

Медленный
рост тока до напряжения 0,5…1В означает,
что на этом участке ток через диод
практически не идёт даже в прямом
направлении.

График
обратного включения нарисован в третьем
квадранте. Отсюда видно, что на значительном
участке ток почти не изменяется, а затем
увеличивается лавинообразно.

Если
увеличить, напряжение, например, до
нескольких сотен вольт, то это высокое
напряжение «пробьёт» диод, и ток через
диод будет течь. Вот только «пробой» —
это процесс необратимый (для диодов).

То есть такой «пробой» приведет к
выгоранию диода и он либо вообще
перестанет пропускать ток в любом
направлении, либо наоборот – будет
пропускать ток во всех направлениях.

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

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

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

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector