Полупроводниковые диоды это: 1.2. Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод - это... Что такое Полупроводниковый диод?

Полупроводниковый диод — полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами (электродами). В отличие от других типов диодов, принцип действия полупроводникового диода основывается на явлении p-n-перехода.

Плоскостные p-n-переходы для полупроводниковых диодов получают методом сплавления, диффузии и эпитаксии.[1]

Содержание

Основные характеристики и параметры диодов

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

Классификация диодов

Типы диодов по назначению

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

Типы диодов по частотному диапазону

  • Низкочастотные
  • Высокочастотные
  • СВЧ

Типы диодов по размеру перехода

  • Плоскостные
  • Точечные

Типы диодов по конструкции

Другие типы

Примечания

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

Литература

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

Ссылки

Полупроводниковый диод — Википедия с видео // WIKI 2

Схема полупроводникового кремниевого диода. Ниже приведено его символическое изображение на электрических принципиальных схемах.

Схема полупроводникового кремниевого диода. Ниже приведено его символическое изображение на электрических принципиальных схемах.

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

p-n-переход.

В отличие от других типов диодов, например, вакуумных, принцип действия полупроводниковых диодов основывается на различных физических явлениях переноса зарядов в твердотельном полупроводнике и взаимодействии их с электромагнитным полем в полупроводнике.

Энциклопедичный YouTube

  • 1/3

    Просмотров:

    4 580

    196 815

    2 494

  • ✪ Полупроводниковый диод

  • ✪ КАК РАБОТАЕТ ДИОД [РадиолюбительTV 36 ]

  • ✪ Полупроводниковый диод

Содержание

Основные характеристики и параметры диодов

Диод ДГ-Ц25. 1959 г.

  • Вольт-амперная характеристика
  • Максимально допустимое постоянное обратное напряжение
  • Максимально допустимое импульсное обратное напряжение
  • Максимально допустимый постоянный прямой ток
  • Максимально допустимый импульсный прямой ток
  • Номинальный постоянный прямой ток
  • Прямое постоянное напряжение на диоде при номинальном токе[1]
    (т. н. «падение напряжения»)
  • Постоянный обратный ток, указывается при максимально допустимом обратном напряжении
  • Диапазон рабочих частот
  • Ёмкость
  • Пробивное напряжение (для защитных диодов и стабилитронов)
  • Тепловое сопротивление корпуса при различных вариантах монтажа
  • Максимально допустимая мощность рассеивания

Классификация диодов

Типы диодов по назначению

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

Типы диодов по частотному диапазону

  • Низкочастотные
  • Высокочастотные
  • СВЧ

Типы диодов по размеру перехода

  • Плоскостные
  • Точечные
  • Микросплавные

Типы диодов по конструкции

Другие типы

Примечания

  1. ↑ Зависит от материала p-n перехода.
  2. 1 2 Бензарь В. К. Словарь-справочник по электротехнике, промышленной электронике и автоматике. — Минск: Вышэйшая школа, 1985.

Литература

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

Ссылки

Диод ДГ-Ц25. 1959 г. Эта страница в последний раз была отредактирована 3 июня 2020 в 10:46.

Полупроводниковые диоды

Основой полупроводникового диода является рn-переход, определяющий его свойства, характеристики и параметры. В зависимости от конструктивных особенностей рn-перехода и диода в целом полупроводниковые диоды изготовляются как в дискретном, так и в интегральном исполнении. По своему назначению полупроводниковые диоды подразделяются на выпрямительные (как разновидность выпрямительных – силовые), импульсные, высокочастотные и сверхвысокочастотные, стабилитроны, трехслойные переключающие, туннельные, варикапы, фото- и светодиоды. Условные графические обозначения диодов показаны на рис. 1.10.

diodРис. 1.10 Условные графические обозначения: а – выпрямительные и универсальные;
б – стабилитроны; в – двухсторонний стабилитрон; г – туннельный диод;
д – обращенные диоды; е – варикап; ж – фотодиодов; з – светодиод

diod

В зависимости от исходного полупроводникового материала диоды подразделяются на германиевые и кремниевые. Туннельные диоды изготовляются также на основе арсенида галия GaAs и антимонида индия InSb. Германиевые диоды работают при температурах не выше +80 °С, а кремниевые – до +140 °С.

По конструктивно-технологическому признаку диоды делятся на плоскостные и точечные. Наиболее распространены плоскостные сплавные диоды, применение которых затруднительно лишь на повышенных частотах. Преимуществом точечных диодов является низкое значение емкости p-n-перехода, дающая возможность их работы на высоких сверхвысоких частотах.

Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока низкой частоты (50-100 000 Гц). В настоящее время широко применяются кремниевые выпрямительные диоды с рn-переходом плоскостного типа, имеющие во много раз меньшие обратные токи и большие обратные напряжения по сравнению с германиевыми.

Основным элементом выпрямительного диода является полупроводниковая пластинка, в которой методом сплавления или диффузии сформован

рn-переход. Кремниевый рn-переход образуется при сплавлении исходного кристалла кремния n-типа с бором или алюминием. Для защиты от внешних воздействий, а также для обеспечения хорошего теплоотвода полупроводниковая пластинка с рn-переходом и двумя внешними выводами от слоев p и n заключается в корпус

Выпрямительные диоды подразделяются на диоды малой (Iпр. ср < 0,3 А), средней (0,3 А < Iпр. ср < 10 А) и большой (Iпp.ср > 10 А) мощности. Для повышения допустимого обратного напряжения выпускаются высоковольтные столбы, в которых несколько диодов включены последовательно. Кроме того, производством серийно выпускаются выпрямительные блоки, которые содержат как последовательно, так и параллельно (для повышения прямого тока) соединенные диоды.

diod1Рис. 1.11 Конструкция (а) и вольтамперная характеристика (б) точечного диода

Высокочастотные диоды

являются приборами универсального назначения. Они могут работать в выпрямителях переменного тока широкого диапазона частот (до нескольких сотен мегагерц), а также в модуляторах, детекторах и других нелинейных преобразователях электрических сигналов. Высокочастотные диоды содержат, как правило, точечный рn-переход и поэтому называются точечными. Конструкция типичного представителя точечных диодов (Д106А) показана на рис. 1.11, а, а его вольтамперная характеристика – на рис. 1.11, б.

Прямая ветвь вольтамперной характеристики не отличается от соответствующей ветви характеристики плоскостного диода, чего нельзя сказать при сравнении обратных ветвей. Поскольку площадь рn-перехода мала, то обратный ток невелик, однако участок насыщения практически не выражен и за счет токов утечки и термогенерации обратный ток равномерно возрастает. Значения постоянных прямых токов точечных диодов не превышают десятков миллиампер, а значения допустимых обратных напряжений 100 В. Малая величина статической емкости Сд между выводами точечных диодов (малая площадь перехода) позволяет использовать их в широком диапазоне частот. По частотным свойствам точечные диоды подразделяются на две подгруппы: ВЧ (

fмакс ? 300 МГц) и СВЧ (fмакс ? 300 МГц). Помимо статической емкости Сд точечные диоды характеризуются теми же параметрами, что и выпрямительные.

Импульсные диоды являются разновидностью высокочастотных диодов и предназначены для использования в качестве ключевых элементов в быстродействующих импульсных схемах. Помимо высокочастотных свойств импульсные диоды должны обладать минимальной длительностью переходных процессов при включении и выключении. Изготовляются точечные и плоскостные диоды. Общая конструкция импульсных диодов, а также их вольтамперные характеристики практически такие же, как у высокочастотных.

Как и выпрямительные, импульсные диоды характеризуются статическими параметрами, а также параметрами предельного режима. Основными же являются импульсные параметры: Сд и tвосст – время восстановления запирающих свойств диода после снятия прямого напряжения.

Стабилитроны – это кремниевые плоскостные диоды, предназначенные для стабилизации уровня постоянного напряжения в схеме при изменении в некоторых пределах тока через диод. Это полупроводниковый диод, сконструированный для работы в режиме электрического пробоя. Как отмечалось в разд. 1.2, если обратное напряжение превышает значение

Uобр. пр, то происходит лавинный пробой рn-перехода,

при котором обратный ток резко возрастает при почти неизменном обратном напряжении. Такой участок характеристики (участок аб, см. рис. 1.8, а) используют стабилитроны, нормальным включением которых в цепь источника постоянного напряжения является обратное (см. рис. 1.8, б). Если обратный ток через стабилитрон не превышает некоторого значения Iст. макс, то состояние электрического пробоя не приводит к порче диода и может воспроизводиться в течение десятков и сотен тысяч часов. В качестве исходного материала при изготовлении стабилитронов используют кремний, поскольку обратные токи кремниевых р-n-переходов невелики, а следовательно, нет условий для саморазогрева полупроводника и теплового пробоя рn-перехода.

К основным параметрам стабилитронов относится напряжение стабилизации
Uст – напряжение на стабилитроне при указанном номинальном токе стабилизации Iст. ном (см. рис. 1.8, а). Помимо Iст. ном указываются также минимальное Iст. мин и максимальное Iст. макс значения токов на участке стабилизации. Уровень напряжения стабилизации определяется величиной пробивного напряжения Uобр. пр, зависящего, в свою очередь, от ширины рn-перехода, а следовательно, степени легирования кремния примесью. Для получения низковольтных стабилитронов используется сильнолегированный кремний. Поэтому у стабилитронов с напряжением стабилизации <5,4 В участок стабилизации определяется обратным током туннельного характера. У низковольтных стабилитронов с ростом температуры напряжение стабилизации уменьшается, а у высоковольтных увеличивается.

Схема на рис. 1.8, б объясняет принцип работы простейшего стабилизатора постоянного напряжения. Увеличение входного напряжения uвх приводит к увеличению тока через стабилитрон и сопротивление R. Избыток входного напряжения выделяется на R, а напряжение uвых остается практически неизменным.

Варикапом называется специально сконструированный полупроводниковый диод, применяемый в качестве конденсатора переменной емкости. Значение емкости варикапа определяется емкостью его рn-перехода и изменяется при изменении приложенного к переходу (диоду) напряжения.

Как было сказано выше (см. гл. 1.2), прямосмещенный рn-переход характеризуется, в частности, диффузионной емкостью, а обратносмещенный – барьерной. В варикапах используется барьерная емкость (выражение 1.12), отличающаяся малым температурным коэффициентом, низким уровнем собственных шумов и слабой зависимостью от частоты. Следовательно, в рабочем режиме к

варикапу прикладывается запирающее внешнее напряжение. Поскольку толщина pn-перехода зависит от величины приложенного внешнего напряжения U, то, изменяя последнее, можно регулировать значение ёмкости. Это используется, в частности, для настройки на нужный канал в телевизорах и радиоприёмниках.

Основными параметрами варикапов являются: номинальная емкость Сном, определяемая при номинальном напряжений смещения (Uном = 4 В), максимальная Смакс и минимальная Смин емкости соответственно при максимальном и минимальном напряжениях смещения (или коэффициент перекрытия по емкости Кс = Смаксмин), добротность Q, а также Uобр.макс.

Фотодиод полупроводниковый фотоэлектрический прибор с внутренним фото-эффектом, отображающим процесс преобразования световой энергии в электрическую. Внутренний фотоэффект заключается в том, что под действием энергии светового излучения в области pn-перехода происходит ионизация атомов основного вещества и примеси, в результате чего генерируются пары носителей заряда электрон и дырка. Во внешней цепи, присоединенной к рn-переходу, возникает ток, вызванный движением этих носителей (фототок).

Фотодиоды могут работать в двух режимах: вентильном (фотогенераторном) и фотодиодном (фотопреобразовательном). В отличие от вентильного, фотодиодный режим предполагает наличие внешнего источника питания (смещения).

При контакте двух полупроводников n— и р-типов на их общей границе создается контактная разность потенциалов. При отсутствии светового потока и нагрузки диффузионная составляющая тока рn-перехода, уравновешивается дрейфовой составляющей тока, поэтому общий ток через переход равен нулю.

При освещении полупроводника в области рn-перехода генерируются дополнительные пары носителей заряда. Поле объемного заряда рn-перехода «разделяет» эти пары: дырки дрейфуют в р-область, а электроны – в n-область, т. е. происходит перемещение дополнительно возникших неосновных носителей. В результате плотности дрейфовых составляющих токов, определяемые равенствами (1.8), (1.9), возрастают, а следовательно, дрейфовый ток получает некоторое приращение, называемое фототоком Iф. При этом полный дрейфовый ток представляет собой, в соответствии с выражением (1.10), тепловой ток Io, обусловленный неосновными носителями при отсутствии освещения. Поскольку в области полупроводника p-типа накапливаются избыточные носители с положительным зарядом, а в области полупроводника n-типа – с отрицательным зарядом, то между внешними электродами появляется разность потенциалов представляющая собой фотоЭДС Еф. Эта ЭДС уменьшает высоту потенциального барьера, вызывая тем самым увеличение диффузионной составляющей тока. ФотоЭДС не превышает значения, численно равного ширине запрещенной зоны полупроводника. Такой режим используется, в частности, в солнечных батареях.

Светодиоды (электролюминесцентные диоды) преобразуют энергию электрического поля в нетепловое оптическое излучение, называемое электролюминесценцией. Основой светодиода является рn-переход, смещаемый внешним источником напряжения в проводящем направлении. При таком смещении электроны из n-области полупроводника инжектируют в р-область, где они являются неосновными носителями, а дырки во встречном направлении. В последующем происходит рекомбинация избыточных неосновных носителей с электрическими зарядами противоположного знака. Рекомбинация электрона и дырки соответствует переходу электрона из энергетического уровня Ее в энергетическое состояние уровня Еу с меньшим запасом энергии.

В германии и кремнии ширина запрещенной зоны сравнительно невелика и поэ-тому выделяемая при рекомбинации энергия передается в основном кристаллической решетке в виде тепла. Рекомбинационные процессы в арсениде галлия (GaAs), фосфиде галлия (GaP), карбиде кремния (SiC), имеющих большую ширину запрещенной зоны (например, для GaAs A? = 1,38 эВ), сопровождаются выделением энергии в виде квантов света, которые частично поглощаются объемом полупроводника, а частично излучаются в окружающее пространство. Поэтому внешний квантовый выход, фиксируемый зрительно, всегда меньше внутреннего.

Основными характеристиками светодиодов являются вольтамперная характеристика, а также зависимости мощности и яркости излучения от величины прямого тока. Мощность и яркость излучения во многом определяются конструкцией светодиода. Чем больший ток можно пропускать через диод при допустимом его нагреве, тем больше мощность и яркость излучения

К основным параметрам светодиода относятся мощность излучения Р, длина волны излучаемого света l и КПД. Длина световой волны, определяющая цвет свечения, зависит от разности энергий, между которыми осуществляется переход электронов.

Светодиоды применяются для индикации и вывода информации в микроэлектронных устройствах. Управляемые светодиоды (с подвижной границей светящегося поля) используются для замены стрелочных приборов как аналоги оптических индикаторов настройки радиоаппаратуры. Светодиоды с несколькими светящимися полями позволяют воспроизводить цифры от 0 до 9. Кроме того, светодиоды применяются как источники излучения в оптронах – приборах бурно развивающейся оптоэлектроники.

Туннельный диод – это полупроводниковый диод, в котором используется явление туннельного пробоя при включении в прямом направлении. Характерной особенностью туннельного диода является наличие на прямой ветви вольтамперной характеристики участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Для примера на рис. 1.12 показана прямая ветвь вольтамперной характеристики германиевого туннельного усилительного диода 1И104А (Iпр.макс = 1 мА – постоянный прямой ток, Uобр.макс = 20 мВ), предназначенного для усиления в диапазоне волн 2…10 см (это соответствует частоте более 1 ГГц).

Рис. 1.12 ВАХ туннельного диодаРис. 1.12 ВАХ туннельного диода

Общая емкость диода в точке минимума характеристики составляет 0,8…1,9 пФ. Туннельные диоды могут работать на очень высоких частотах более 1 ГГц. Наличие участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением на вольтамперной характеристике обеспечивает возможность использования туннельных диодов в качестве усилительного элемента и в качестве основного элемента генераторов. В настоящее время туннельные диоды используются именно в этом качестве в области сверхвысоких частот.

diod
Полупроводниковый диод: история, развитие, особенности

Полупроводниковый диод – это электрический прибор с одним p-n-переходом, обладающий нелинейной вольт-амперной характеристикой. В аппаратуре используется для выпрямления тока, входит в состав мостов различного толка. Полупроводниковый диод обозначается на схеме темным (реже прозрачным) треугольником с вершиной и перпендикулярной чертой при катоде (n-область).

Основные термины и определения

К полупроводниковым диодам принято относить ряд классов, по праву выделяемые в отдельные семейства. Это варикапы, стабилитроны, светодиоды и прочее. Общим становится наличие единственного p-n-перехода. Ламповые выпрямители также называют диодами. В указанном контексте и применяется эпитет полупроводниковые, чтобы отметить наличие p-n-перехода.

Электрический диод

Электрический диод

Диоды ценятся за ярко выраженные выпрямляющие свойства. Ток проходит через p-n-переход в одном направлении, что решает большой спектр технических задач. Массово применяются выпрямительные свойства полупроводников и в интегральных схемах, включая кристаллы. Хотя в процессорах по большей части на подложке формируются транзисторы, рассматриваемые как два включённых навстречу полупроводниковых диода. Избыточность оправдывается унификацией технологического цикла.

Выпрямительные свойства полупроводниковых диодов открыты на примере сульфида меди. Об этом нетрудно прочитать в исторической справке, приведённой ниже. Вдобавок полупроводниковые диоды создаются на основе любого природного минерала, неметаллов IV, V и VI групп, различных оксидов, сплавов, части органических красителей (для светодиодов используется указанный класс веществ).

История развития полупроводниковой техники

Первые «кристаллические» диоды

Вопреки общепринятому мнению выпрямляющие свойства перехода металл-полупроводник (диод Шоттки) известны давно. В широком смысле полупроводниковая техника начала развиваться семимильными шагами после Второй мировой войны. Причины случившегося:

  1. В военное время большинство стран вело исследования в области новых технологий. К примеру, появился на свет и был немедленно засекречен транзистор. Равно как и первый операционный усилитель предполагалось использовать для привода зенитных орудий системы противовоздушной обороны. Это изобретение могло бы увидеть свет раньше, первые работы в упомянутой области проводились на заре 30-х годов XX века.
  2. Приблизительно за 10 лет до начала Второй мировой войны большинство стран оказалось в курсе грядущих событий. Не удивительно, что держали в секрете избранные сведения.
  3. Если брать в рассмотрение фашистскую Германию, её правительство по соображениям давно взлелеянной неприязни отказывалось общаться с прочими европейскими державами. Поводом стали итоги Первой мировой войны.
Применение диода

Применение диода

Итак, полупроводниковая техника стала развиваться в условиях недавно созданной ООН, гарантировавшей мир на земле, и принятого ею устава. Выпрямительные свойства полупроводников открыты немецким учёным Карлом Фердинандом Брауном, получившим на пару с Маркони Нобелевскую премию за развитие беспроводного телеграфа (радиосвязи) в 1909 году. К великому сожалению, нет возможности найти перевод работы “Ueber die Stromleitung durch Schwefelmetalle”, опубликованной в журнале Annalen der Physik und Chemie 1874 года за номером 153.

Двумя годами ранее, в марте 1872 года Карл получает степень доктора философии за работу в области колебаний струны. Потом остаётся в Берлинском Университете. Научный руководитель работы, Георг Квинке, получает назначение в Вюрцбург, и оба следуют туда, где внимание сосредотачивают на проводимости материалов. Опубликованы отчёты о прохождении тока сквозь расплавы солей и выпрямляющих свойствах слоёв газа с разной проводимостью. Первоначально заинтересовавшись солями свинца, Карл Браун дошёл, наконец, до сульфида меди.

23 ноября 1874 года в свет выходит работа, где обсуждаются искусственно созданные и натуральные образцы материала с точки зрения электропроводности. Избранные демонстрировали разницу в сопротивлении, зависящую от направления, составлявшую 30%. Обнаружено, что в одном из направлений проводимость образца зависит от силы текущего тока, измеренной гальванометром. Так обнаружились и нелинейные свойства материала, ныне демонстрируемые полупроводниковыми диодами. Одновременно эффект зависел от способа приложения металлических электродов, что указывало на анизотропность обнаруженных качеств.

В то время происходящее считалось необъяснимым, наблюдаемый результат противоречил известным научным фактам. Сегодня известно, что переход металл-полупроводник обладает выпрямляющими свойствами наравне с p-n-переходом. Разница в том, что на первом падение напряжения меньше. Соответственно, полупроводниковые диоды Шоттки применяют в качестве выпрямителей на выходных каскадах блоков питания. В упомянутое время Вернер Сименс обнаружил одностороннюю проводимость кристаллов селена. А Браун добавил ещё ряд материалов, среди прочего – псиломелан (руда марганца), создав первый усиковый (точечный) диод.

Первый детектор для радио

Идеям Брауна нашёл практическое применение Джагдиш Чандра Бос, собравший первый детектор для радио под частоты миллиметрового диапазона из галенита (сульфид свинца) и получивший на него патент США за номером 755840, поданный на рассмотрение 30 сентября 1901 года и одобренный в марте 1904. Бенгальский учёный доложил об изобретении в 1899 году Королевскому научному обществу Англии. Уже в декабре 1901 года прибор применили для расшифровки трансатлантической телеграфной передачи Маркони.

Вскоре появляются новые детекторы:

  • Патент № 836531, поданный 20 августа 1906 года Гринлифом Пикардом, примечателен тем, что впервые здесь упоминается о кристалле кремния (с англ. – силикон).
  • Генри Данвуди 23 марта 1906 года для целей выпрямления тока использует карбид кремния (карборунда). Материал вначале синтезирован и лишь впоследствии обнаружен на осколках упавшего метеорита.

Некоторое время кристаллический детектор использовался и даже дал направление в электронике светодиодам, но с изобретением электронных ламп полупроводники ушли на задний план. И так происходило до послевоенных лет. С началом 50-х и вхождением в обиход транзисторов, а главное – германия, полупроводниковая техника развивается семимильными шагами и поныне.

Объяснение найдено

Лишь в 1928 году Арнольд Зоммерфельд и молодой Феликс Блох (Блоховские электроны) объяснили открытие Брауна с позиций квантовой механики. В первом приближении о новом направлении науки нетрудно узнать из заметки 1931 года On the quantum mechanics of electrons in crystal lattices за авторством Грониха и Пенни из Гронингенского Университета. Русскоязычным читателям удобнее ознакомиться с одномерной моделью движения электронов в периодическом поле, которая впервые наглядно иллюстрирует природу возникновения энергетических зон в кристалле.

Показано, что функция распределения энергий не непрерывна. Присутствуют разрешённые области, разделённые запрещёнными. Сегодня о теории знает каждый ученик из школьного курса физики, но роль первопроходца целиком отдаётся Шокли, что не совсем верно. В действительности полную теорию, хорошо согласующуюся с практикой, подвёл под полупроводники Ханс Альбрехт Бете в 1942 году (несколькими годами позднее знаменитого коллеги).

Полупроводниковый прибор

Полупроводниковый прибор

Бурное развитие полупроводниковой техники

В послевоенные годы выгоды выпуска полупроводниковой техники ещё не были очевидны. На начало 50-х производством занимались две американские компании:

  1. Texas Instruments (с 1951 года – выделенное предприятие, отпочковавшееся от Объединённой геофизической службы) с 1950 году выпускает полупроводниковые транзисторы, и сегодня занимает ведущую роль в производстве электронных компонентов. Небезызвестный Джэк Килби, изобретатель интегральных микросхем, работал в упомянутой компании. На момент середины 50-х Texas Instruments занимала первое место по объёму оборота средств в сфере производства полупроводниковой техники.
  2. Ныне несуществующая компания Transitron, созданная в 1952 году Лео и Дэвидом Бакаларами, к 1955 на пару с Texas Instruments выпускала более трети всех полупроводниковых приборов, за считаные годы поднялась до вершины. Материнская для Texas Instruments компания существовала с 1930 года, работала в военное время на правительство и обладала широкой известностью. На 1961 год оборот средств Transitron составил 40 млн. долларов. И это до первого нефтяного кризиса! Дэвид числился президентом до 1984 года, через пару лет компания прекратила существование.

Упадок Transitron начался в 60-е, когда они ошибочно отказались от новых направлений. Речь идёт об интегральных микросхемах. Перспективы обрёл кремний, хотя прежде в силу известности использовался германий. Более подробно о причинах ситуации можно прочитать в топике про биполярные транзисторы.

Добавим, в полупроводниковой технике требуется столь высокая степень чистоты кремния, что на момент середины XX века производство выходило чрезвычайно дорогим. В то же время германиевые приборы показывают меньшие предельные температуры (85 градусов Цельсия) и при перегреве легко выходят из строя. Легко понять, почему Transitron, отказавшаяся вложить средства в инновации, уже с середины 60-х годов начала терпеть серьёзные убытки.

Последние силы компании оказались отняты разработкой собственного микропроцессора, не имевшего коммерческого успеха. Кстати, германий, по некоторым оценкам, вновь станет весьма перспективным элементом и полупроводником. К примеру, на его основе создаются и выпрямители. Причём не только для радиочастот, но и промышленных сетей 50 Гц 220 В, что делает их перспективными в качестве замены громоздким реле.

Полупроводниковые диоды Шокли

В 1956 году Вильям Шокли основывает в Пало Альто (штат Калифорния) собственную компанию по адресу Сауф Антонио Роуд, 391. Это первое предприятие, занимающееся полупроводниками, на месте, где теперь расположена известная Силиконовая долина. Основной продукцией стал 4-х-слойный диод, называемый в среде профессионалов транзисторным диодом или диодом Шокли.

По задумке автора приборы должны были прийти на замену обычным реле в отрасли связи. Но из-за сложности реализации идея пришлась не по зубам технологии того времени. Читатели уже догадались, что речь идёт о тиристорах с регенеративной характеристикой. Таким образом, диодом можно назвать и указанное полупроводниковое изделие. А точнее – диодом Шокли.

Состоит он из 4-х чередующихся по типу проводимости слоёв полупроводника. Крайний n-типа называется катодом, а противоположный анодом, как у обычного диода. Работа диода Шокли основана на лавинном пробое, после понижения напряжения переходы вновь запираются, и система возвращается в исходное состояние.

Новое время

Если в начале 70-х по производству полупроводниковых материалов однозначно лидировали США, на заре 80-х Япония стала наращивать темпы. Юго-Восточная Азия и Европа стали последними, кто присоединился к этой гонке. Сегодня четыре упомянутых региона примерно поровну поделили объёмы производства, и, конечно, одеяло тянет на себя Китай: за первое десятилетие XXI века удвоил объёмы выпуска. По некоторым прогнозам Пекин к 2020 году возьмёт половину от мирового производства.

Полупроводниковый диод

Полупроводниковый диод — самый простой полупроводниковый прибор, состоящий из одного PN перехода. Основная его функция — это проводить электрический ток в одном направлении, и не пропускать его в обратном. Состоит диод из двух слоев полупроводника типов N и P.

На стыке соединения P и N образуется PN-переход (PN-junction). Электрод, подключенный к P, называется анод. Электрод, подключенный к N , называется катод. Диод проводит ток в направлении от анода к катоду, и не проводит обратно.

Диод в состоянии покоя

Посмотрим, что происходит внутри PN-перехода, когда полупроводниковый диод находится в состоянии покоя. То есть тогда, когда ни к аноду, ни к катоду не подключено напряжения.

Итак, в части N имеются в наличии свободные электроны – отрицательно заряженные частицы. В части P находятся положительно заряженные ионы – дырки. В результате, в том месте, где есть частицы с зарядами разных знаков, возникает электрическое поле, притягивающее их друг к другу.

Под действием этого поля свободные электроны из части N дрейфуют через PN переход в часть P и заполняют некоторые дырки. В итоге получается очень слабый электрический ток, измеряемый в наноамперах. В результате, плотность вещества в P части повышается и возникает диффузия (стремление вещества к равномерной концентрации), толкающая частицы обратно на сторону N.


Обратное включение диода

Теперь посмотрим, как у полупроводникового диода получается выполнять свою основную функцию – проводить ток только в одном направлении. Подключим источник питания — плюс к катоду, минус к аноду.

В соответствии с силой притяжения, возникшей между зарядами разной полярности, электроны из N начнут движение к плюсу и отдалятся от PN перехода. Аналогично, дырки из P будут притягиваться к минусу, и также отдалятся от PN перехода. В результате, плотность вещества у электродов повышается. В действие приходит диффузия и начинает толкать частицы обратно, стремясь к равномерной плотности вещества.

Как мы видим, в этом состоянии диод не проводит ток. При повышении напряжения, в PN переходе будет все меньше и меньше заряженных частиц.

Прямое включение диода

Меняем полярность источника питания — плюс к аноду, минус к катоду. В таком положении, между зарядами одинаковой полярности возникает сила отталкивания. Отрицательно заряженные электроны отдаляются от минуса и двигаются сторону pn перехода. В свою очередь, положительно заряженные дырки отталкиваются от плюса и направляются навстречу электорнам. PN переход обогащается заряженными частицами с разной полярностью, между которыми возникает электрическое поле – внутреннее электрическое поле PN перехода. Под его действием электроны начинают дрейфовать на сторону P. Часть из них рекомбинируют с дырками (заполняют место в атомах, где не хватает электрона). Остальные электроны устремляются к плюсу батарейки. Через диод пошел ток ID.

Чтобы не возникло путаницы, напомню, что направление тока на электрических схемах обратно направлению потока электронов.

Недостатки реального полупроводникового диода

На практике, в реальном диоде, при обратном подключении напряжения, возникает очень маленький ток, измеряемый в микро, или наноамперах ( в зависимости от модели прибора ). В следствии слишком высокого напряжения, может разрушиться кристаллическая структура полупроводника в диоде. В этом случае, прибор начнет хорошо проводить ток также и при обратном смещении. Такое напряжение называется напряжение пробоя. Процесс разрушения структуры полупроводника невосстановим, и прибор приходит в негодность.

При прямом подключении, напряжение между анодом и катодом должно достигнуть определенного значения Vϒ, для того чтобы диод начал хорошо проводить ток. Для кремниевых приборов Vϒ — это примерно 0.7V, а для германиевых — около 0.3V. Более подробно об этом, и других характеристиках полупроводникового выпрямительного диода пойдет речь в статье ВАХ полупроводникового диода.

Введение в диоды

  • Раздел 2.0 Введение в диоды.
  • • Символы диодной цепи.
  • • Ток, протекающий через диоды.
  • • Диодная конструкция.
  • • Соединение PN.
  • • Прямое и обратное смещение.
  • • Диодные характеристики.
  • Раздел 2.1 Кремниевые выпрямители.
  • • Маркировка полярности.
  • • Параметры выпрямителя.
  • Раздел 2.2 Диоды Шоттки.
  • • Конструкция диода Шоттки.
  • • Потенциал соединения Шоттки.
  • • Высокоскоростное переключение.
  • • Силовые выпрямители Шоттки.
  • • Ограничения тока Шоттки.
  • • Защита от перенапряжения.
  • Раздел 2.3 Малые сигнальные диоды.
  • • Конструкция с малым сигнальным диодом.
  • • Формирование волны.
  • • Отсечение.
  • • Зажим / Восстановление DC.
  • • ВЧ приложения.
  • • Защитные диоды.
  • Раздел 2.4 Стабилитроны.
  • • Конструкция с стабилитроном.
  • • Условные обозначения стабилитрона.
  • • Эффект Зенера.
  • • Лавинный эффект.
  • • Практические стабилитроны.
  • Секция 2.5 Светодиоды.
  • • Работа светодиодов.
  • • Излучение света.
  • • Цвета светодиодов.
  • • Расчет светодиодных цепей.
  • • Светодиодные матрицы.
  • • Тестирование светодиодов.
  • Раздел 2.6 Лазерные диоды.
  • • Лазерный свет.
  • • Основы атома.
  • • Конструкция лазерного диода.
  • • Лазерная накачка.
  • • Контроль лазерного диода.
  • • Лазерные модули.
  • • Лазерная оптика.
  • • Классы лазерных диодов.
  • Раздел 2.7 Фотодиоды.
  • • Основы фотодиодов.
  • • Приложения.
  • • Конструкция лазерного диода.
  • • Лазерная накачка.
  • • Контроль лазерного диода.
  • • Лазерные модули.
  • • Лазерная оптика.
  • • Классы лазерных диодов.
  • Раздел 2.8. Тестирование диодов.
  • • Неисправности диодов.
  • • Тестирование диодов с помощью омметров.
  • • Определение диодных соединений.
  • • Определение неисправных диодов.
  • Раздел 2.9 Диод Викторина.
  • • Проверьте свои знания диодов.

Рисунок 2.0,1. Диоды

Введение

Диоды

являются одними из самых простых, но наиболее полезных из всех полупроводниковых приборов. Многие типы диодов используются для широкого спектра применений. Выпрямительные диоды являются жизненно важным компонентом в источниках питания, где они используются для преобразования переменного напряжения сети (линии) в постоянный ток. Стабилитроны используются для стабилизации напряжения, предотвращения нежелательных изменений в источниках постоянного тока в цепи и для подачи точных опорных напряжений для многих цепей. Диоды также можно использовать для предотвращения катастрофического повреждения оборудования с питанием от батареи, если батареи подключены с неправильной полярностью.

Сигнальные диоды также имеют много применений 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 формы сигналов переменного тока (ограничение, ограничение и восстановление постоянного тока). Диоды также встроены во многие цифровые интегральные схемы, чтобы защитить их от опасно больших скачков напряжения.

Рис 2.0.2 Диодная схема

Светодиоды

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

Диоды изготавливаются из полупроводниковых материалов, в основном из кремния, с различными соединениями (комбинациями более чем одного элемента) и металлами, добавляемыми в зависимости от функции диода. Ранние типы полупроводниковых диодов были изготовлены из селена и германия, но эти типы диодов были почти полностью заменены более современными кремниевыми конструкциями.

Рис. 2.0.1 показывает выбор диодов с общим проводом следующим образом:

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

2. Точечный контактный диод (со стеклянной оболочкой) и диод Шоттки.

3. Малосигнальный кремниевый диод.

4. Стабилитроны со стеклянной или черной смолой.

5. Подборка светодиодов. Против часовой стрелки от красного: желтые и зеленые светодиодные индикаторы, инфракрасный фотодиод, 5-миллиметровый теплый белый светодиод и 10-миллиметровый синий светодиод высокой яркости.

Диодная схема

Диод - это односторонний проводник. Он имеет две клеммы: анодную или положительную клемму и катодную или отрицательную клемму. В идеале диод пропускает ток, когда его анод сделан более положительным, чем его катод, но предотвращает протекание тока, когда его анод является более отрицательным, чем его катод. В условных обозначениях, показанных на рис. 2.0.2, катод показан в виде стержня, а анод - в виде треугольника. На некоторых принципиальных схемах анод диода также может быть обозначен буквой «а», а катод - буквой «к».

Каким образом протекает 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.

Силиконовая диодная конструкция

Рис 2.0.3 Кремниевый планарный диод

Современные кремниевые диоды, как правило, изготавливаются с использованием одного из различных вариантов плоского процесса, также используемого для изготовления транзисторов и интегральных схем.Многослойная конструкция, используемая в кремниевых плоскостных методах, 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 приводит к образованию двух по-разному легированных слоев кремния, которые образуют «PN-переход». Нелегированный или «собственный» кремний имеет решетчатую структуру атомов, каждый из которых имеет четыре валентных электрона, но кремний P-типа и кремний N-типа легируются добавлением относительно очень небольшого количества материала, имеющего атомную структуру, с тремя валентными электронами (например,грамм. Бор или алюминий) для получения P-типа или пять валентных электронов (например, мышьяк или фосфор) для получения кремния N-типа. Эти легированные версии кремния известны как «внешний» кремний. Кремний P-типа в настоящее время испытывает недостаток валентных электронов в своей структуре, что также можно считать избытком «дырок» или носителей положительного заряда, тогда как слой N-типа легирован атомами, имеющими пять электронов в его валентной оболочке, и следовательно, имеет избыток электронов, которые являются отрицательными носителями заряда.

Диод PN Junction

Рис. 2.0.4. Уровень истощения диодов

Когда кремний P и N-типа соединяется во время производства, создается соединение, где встречаются материалы P-типа и N-типа, и отверстия рядом с соединением в кремнии P-типа притягиваются к отрицательно заряженному материалу N-типа на другой стороне. соединения. Кроме того, электроны, близкие к соединению в кремнии N-типа, притягиваются к положительно заряженному кремнию P-типа. Поэтому вдоль перехода между кремнием P и N-типа небольшой естественный потенциал создается между полупроводниковым материалом P и N с отрицательно заряженными электронами, находящимися теперь на стороне P-типа соединения, и положительно заряженными дырками на N-стороне узел.Этот слой носителей заряда противоположной полярности накапливается до тех пор, пока он не станет достаточным для предотвращения свободного перемещения любых дальнейших дырок или электронов. Из-за этого естественного электрического потенциала на переходе между слоями P и N в PN-переходе образовался очень тонкий слой, который в настоящее время обеднен носителями заряда и поэтому называется слоем обеднения. Следовательно, когда диод подключен к цепи, ток не может протекать между анодом и катодом, пока анод не станет более положительным, чем катод, благодаря прямому потенциалу или напряжению (V F ), по крайней мере, достаточным для преодоления естественного обратного потенциала перекрестокЭто значение зависит главным образом от материалов, из которых сделаны слои P и N диода, и от количества используемого легирования. Различные типы диодов имеют естественные обратные потенциалы в диапазоне приблизительно от 0,1 до 2 или 3 В. Кремниевые PN-диоды имеют потенциал перехода около 0,6 В до 0,7 В

Диодная прямая проводимость

Рис 2.0.5 Диод Форвард
Проводимость

Как только напряжение, приложенное к аноду, становится более положительным, чем катод, на величину, превышающую потенциал обедненного слоя, начинается прямая проводимость от анода к катоду обычного тока, как показано на рис.2.0.5.

По мере увеличения напряжения, прикладываемого между анодом и катодом, прямой ток сначала медленно увеличивается, поскольку носители заряда начинают пересекать обедненный слой, а затем быстро увеличиваются приблизительно экспоненциальным образом. Следовательно, сопротивление диода при включении или проводимости в режиме прямого смещения не равно нулю, а очень низкое. Поскольку прямая проводимость увеличивается после того, как потенциал истощения преодолевается на приблизительно следующей экспоненциальной кривой, прямое сопротивление (V / I) немного изменяется в зависимости от приложенного напряжения.

обратный смещенный диод

Рис 2.0.6 Диод Реверс
Смещение

Когда диод смещен в обратном направлении (анод подключен к отрицательному напряжению, а катод - к положительному напряжению), как показано на рис. 2.0.6, положительные отверстия притягиваются к отрицательному напряжению на аноде и вдали от места соединения. Аналогично, отрицательные электроны притягиваются от соединения к положительному напряжению, приложенному к катоду. Это действие оставляет большую площадь на стыке без каких-либо носителей заряда (ни положительных дырок, ни отрицательных электронов), поскольку слой обеднения расширяется.Поскольку область соединения теперь обеднена носителями заряда, она действует как изолятор, и поскольку более высокие напряжения прикладываются в обратной полярности, обедненный слой становится еще шире, поскольку больше носителей заряда удаляется от соединения. Диод не будет работать с приложенным обратным напряжением (обратное смещение), за исключением очень маленького «обратного тока утечки» (I R ), который в кремниевых диодах обычно составляет менее 25 нА. Однако, если приложенное напряжение достигает значения, называемого «Обратное напряжение пробоя» (V RRM ), ток в обратном направлении резко возрастает до такой степени, что, если ток каким-либо образом не ограничен, диод будет разрушен.

Диодный I / V Характеристики

Рис 2.0.7. Типичный диод I / V
Характеристика

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

Для диодов характеристическая кривая называется вольт-амперной характеристикой, поскольку 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 крутой рост тока после начальной нулевой области 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 увеличивается примерно экспоненциальным образом.

Оси -V и -I показывают обратное смещение (нижняя левая область графика). Здесь видно, что очень маленький ток утечки увеличивается с увеличением обратного напряжения. Однако, как только достигается обратное напряжение пробоя, поток обратного тока (-I) резко возрастает.

Начало страницы

,

Типы диодов »Электроника Примечания

Существует много различных типов диодов - они отличаются не только технологией, но и силовыми диодами, диодами поверхностного монтажа и многими другими.


Диод Учебное пособие включает в себя:
Типы диодов Диодные характеристики и рейтинги PN-диод СВЕТОДИОД PIN-диод Диод шоттки Варактор / варикап Стабилитрон


Полупроводниковый диод является широко используемым электронным компонентом, встречающимся сегодня во многих конструкциях электронных схем.

Хотя существует много различных типов диодов, в которых используется одна и та же базовая структура области материала p-типа, соответствующей области материала n-типа, различные типы оптимизированы для обеспечения различных характеристик, которые можно использовать различными способами. во многих электронных схемах.

Каким бы ни был тип диода, его основная идея сегодня важна в электронной промышленности, будь то для производства коммерческого или промышленного оборудования, для любителей или для тех, кто изучает электронику.

Диоды

используются в различных областях. Они могут быть для простого исправления сигнала; они могут использоваться в качестве силовых диодов для выпрямления мощности, обнаружения сигналов, различных форм РЧ-схем, генерации света, генерации лазерного излучения, обнаружения света и многого другого.

Диоды могут также иметь множество различных комплектов: диоды для поверхностного монтажа, диоды с обычными проволочными выводами, а некоторые силовые диоды могут даже иметь возможность закрепления на радиаторе. Диоды бывают разных форм и размеров.

Диоды для поверхностного монтажа на печатной плате

История полупроводникового диода

Первые используемые диоды были открыты еще в начале 1900-х годов, когда технология беспроводной связи находилась в зачаточном состоянии. Cat's Whisker был одним из первых типов диодов. Он состоял из очень тонкого куска проволоки (самой кошачьей усы), которую можно было поместить на кусок материала полупроводникового типа (как правило, минеральный кристалл), чтобы сделать диод точечного контакта.Это широко использовалось вплоть до середины и конца 1920-х годов, когда термоэлектронная или вентильная технология стала достаточно дешевой, чтобы широко использоваться для радиоприемников.

Во время Второй мировой войны для разработки радиолокационных установок требовались новые диоды. Полупроводниковые диоды предоставили одну опцию, поскольку их размер означал, что они могли работать лучше на частотах, необходимых для радара.

Диодная схема символ

Как и все электронные компоненты, диоды имеют символ цепи, который используется в электронных схемах.Основной символ цепи для диода состоит из треугольника, точка которого касается короткой линии, перпендикулярной проводу на электрической схеме.

Иногда треугольник и даже линия просто показаны в общих чертах, в то время как в других случаях они показаны как заполненные черные формы.

Основной символ диодной цепи

Иногда символ диодной схемы отображается только в виде контура и без закрашенных фигур. Форма контура одинаково приемлема.

Альтернативный символ диодной цепи

Существует много различных типов диодов, и некоторые используют символы схемы, которые слегка изменены по сравнению с основным символом диода, чтобы указать их функцию: диод Шоттки, диод варактора и ряд других попадают в эту категорию.

Устройства для поверхностного монтажа или этилированный

Диоды бывают всех форм и размеров. Традиционно многие из этих электронных компонентов содержались в маленькой стеклянной трубке для герметизации самого полупроводникового диода. Теперь диоды содержатся в самых разных упаковках.

Все еще существуют этилированные пакеты, и диоды со стеклянной оболочкой все еще существуют, но есть также много пластиковых пакетов. Они могут различаться по размеру в зависимости от требуемой рассеиваемой мощности.

В наши дни с большим количеством сборок печатных плат с использованием технологии поверхностного монтажа, существует целый ряд диодов, доступных в качестве компонентов для поверхностного монтажа, SMD-диоды. Существует много стандартных пакетов для SMD-диодов, включая пакет SOT-23, который используется для многих маленьких дискретных диодов. Используются только два из трех доступных контактов, что позволяет правильно ориентировать диод.

Поскольку эти SMD-диоды малы, недостаточно места для полного номера детали, который должен быть включен в диод, и используется короткий номер, чтобы их можно было различить.

Несмотря на то, что во многих сборках печатных плат используется технология поверхностного монтажа, существуют другие области электронной промышленности, где требуются диоды с гораздо более высоким током. Эти диоды могут содержаться в упаковках, которые крепятся к радиаторам.

Типы диодов

Существует множество различных типов диодов, которые изготавливаются и используются в различных схемах электронных схем, РЧ-схемах и, зачастую, цифровых конструкциях. Каждый тип имеет разные свойства, и это делает их подходящими для разных цепей.

  • Обратный диод: Этот тип диода иногда также называют задним диодом. Хотя это широко не используется, это форма PN диодного перехода, который очень похож на туннельный диод в своей работе. Он находит несколько специализированных применений, где могут использоваться его особые свойства, обычно на микроволновых частотах.

    Обратный диод - это, по сути, форма туннельного диода, в котором одна сторона перехода менее легирована, чем другая.


  • Диод BARITT: Этот вид диодов получил свое название от слов «Диод барьерного времени впрыска». Он используется в микроволновых приложениях и имеет много общего с более широко используемым диодом IMPATT.


  • Gunn Diode: Хотя этот тип диода не является диодом в виде PN-перехода, он представляет собой полупроводниковое устройство с двумя выводами.Обычно он используется для генерации микроволновых сигналов и используется во многих РЧ конструкциях в качестве простой и эффективной формы микроволнового генератора.

    Диоды Ганна

    также известны как устройства с переносимым электроном, или TED. Хотя этот электронный компонент называется диодом, он не обладает PN-переходом и технически не является диодом в обычном смысле, как он используется в полупроводниковой технологии. Вместо этого устройство использует эффект, известный как эффект Ганна (названный в честь первооткрывателя Дж. Б. Ганна).

    Хотя диод Ганна обычно используется для генерации микроволновых радиочастотных сигналов, этот электронный компонент также может использоваться для усилителя в том, что иногда называют усилителем с переносимым электроном или TEA.


  • Кошачий усы: Как уже упоминалось, этот тип диодов был самым ранним типом, получившим широкое признание. Он состоял из небольшой проволоки, помещенной на кусочек минерального кристалла. Это создало небольшой точечный контактный диод, который, хотя и был ненадежным, был достаточно хорош, чтобы позволить слышать радиопередачи при использовании в «кристаллическом наборе»."

    Image of a typical Cat Типичный детектор кристаллов / детектор кошачьих усов

    Хотя детекторы Cat Whisker не были особенно надежными, они были первой формой полупроводниковых диодов и указали путь к более поздним диодам. , , и принцип светодиода был даже соблюден H J Round в 1908 году на одном из них.

  • диод IMPATT: Микроволновый диод IMPATT или IMPACT Avalanche Transit Time используется в некоторых РЧ конструкциях, где для СВЧ-сигналов требуется простой генератор.

    Технология диодов IMPATT не так широко используется в наши дни, но этот электронный компонент способен генерировать сигналы, как правило, с частотами от 3 до 100 ГГц или более. Одним из основных преимуществ этого микроволнового диода является относительно высокая мощность (часто десять ватт и более), которая намного выше, чем у многих других форм микроволнового диода. Он имеет гораздо большую мощность, чем диод Ганна.


  • Лазерный диод: Этот тип диода отличается от обычного светодиода тем, что он генерирует лазерный (когерентный) свет.Эти электронные компоненты используются во многих приложениях, включая приводы CD и DVD. Хотя эти диоды намного дешевле, чем другие виды лазерных генераторов, они стоят дороже, чем обычные светодиоды.
  • Светоизлучающие диоды: Светодиод или светодиод является одним из самых популярных типов диодов. Когда прямое смещение с током, текущим через соединение, производится свет. Оригинальный цвет для этих диодов был красным, но в наши дни большинство цветов доступно.Это достигается путем использования различных смесей полупроводников по обе стороны от PN перехода.


  • Фотодиод: Когда свет падает на PN-переход, он может создавать электроны и дыры, вызывая протекание тока. В результате можно использовать полупроводники для обнаружения света. Эти типы диодов также могут быть использованы для выработки электроэнергии. Для некоторых приложений PIN-диоды очень хорошо работают в качестве фотоприемников.


  • PIN-диод: Этот тип диода имеет области кремния P-типа и N-типа, но между ними есть область внутреннего полупроводника (т.е.е. без допинга). Это увеличивает размер того, что называется областью истощения. Этот тип диода используется в ряде приложений, включая радиочастотные переключатели и в качестве фотодиодов.


  • Точечный контактный диод: Этот тип диода работает так же, как простой диод с PN-переходом, но его конструкция намного проще. Они состоят из куска полупроводника n-типа, на котором расположена острая точка металлического провода определенного типа (металл III группы для химиков).Часть металла мигрирует в полупроводник и создает PN-переход.

    Эти диоды имеют очень низкий уровень емкости и идеально подходят для многих радиочастотных (РЧ) применений. У них также есть преимущество в том, что они очень дешевы в изготовлении, хотя их производительность не особенно воспроизводима.

  • PN-переход: Стандартный PN-переход можно рассматривать как обычный или стандартный тип диода, который используется сегодня.Этот электронный компонент включен во многие конструкции электронных схем и также используется во многих схемах радиочастотных схем. Эти диоды могут быть сигналами небольшого типа для использования на радиочастоте или в других слаботочных приложениях, или другие типы могут быть сильноточными и высоковольтными, которые могут использоваться для силовых применений.


  • Диоды Шоттки: Этот тип диодов имеет более низкое прямое падение напряжения, чем обычные кремниевые PN-диоды.При малых токах падение может составлять где-то между 0,15 и 0,4 вольт, в отличие от 0,6 вольт для кремниевого диода.

    Для достижения этих характеристик они сконструированы иначе, чем обычные диоды, имеющие контакт металла с полупроводником. Они широко используются в качестве зажимных диодов и в радиочастотных конструкциях, часто в качестве детекторов сигналов. Они также используются в качестве силовых диодов для выпрямления переменного тока в источниках питания и т.п. Меньшие потери, вызванные меньшим падением, значительны для повышения эффективности.


  • Шаг восстановления диода: Форма микроволнового диода, используемого для генерации и формирования импульсов на очень высоких частотах. Эти диоды полагаются на очень быстрое отключение характеристики диода для их работы.


  • Диод TRAPATT: Этот тип диодов очень похож на IMPATT и фактически принадлежит к одному семейству. Он предлагает низкий уровень шума, но не достигает таких высоких частот.


  • Туннельный диод: Туннельный диод, хотя и не получил широкого распространения в наши дни, использовался для микроволновых применений, где его характеристики превосходили характеристики других устройств того времени.
  • Варикап или варакторные диоды: Этот тип диодов используется в радиочастотных (РЧ) приложениях. Диод имеет обратное смещение, и таким образом ток не протекает через переход.Однако ширина обедненного слоя изменяется в зависимости от величины смещения, размещенного на нем.

    Диод можно рассматривать как две пластины конденсатора с обедненным слоем между ними. Поскольку емкость изменяется в зависимости от ширины обедненного слоя, и это можно варьировать путем изменения обратного смещения на диоде, можно управлять емкостью диода.


  • Стабилитрон / эталон напряжения: Стабилитрон является очень полезным типом диода.Он работает с обратным смещением, и при достижении определенного напряжения он выходит из строя. Если ток ограничен через резистор, он обеспечивает стабильное напряжение. Этот тип диода поэтому широко используется для обеспечения опорного напряжения в регулируемых источниках питания.


Существует очень много различных типов диодов, каждый из которых подходит для своего применения. Технология отличается не только между различными типами диодов, но они также могут содержаться в разных упаковках: некоторые из них могут быть свинцовыми, а другие могут быть привинчены к радиаторам, а с количеством сборок печатных плат, в которых используются автоматизированные технологии изготовления, диоды для поверхностного монтажа сейчас используется в огромных количествах.

Больше электронных компонентов:
Резисторы Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды транзистор Фототранзистор FET Типы памяти тиристор Соединители РЧ разъемы Клапаны / Трубы батареи Выключатели Реле
Вернуться в меню компонентов. , ,

.

диодов < Типы диодов > | Основы электроники

Выпрямительный диод

(REC): структура и характеристики

Структура Символ Приложения ・ Характеристики
  • Используется для выпрямления (то есть первичная сторона блока питания)
  • Преимущественно класс 1A и выше, высокое напряжение пробоя (400 В / 600 В)
Выпрямительные диоды

, как следует из их названия, предназначены для выпрямления общих частот переменного тока.Выпрямление в основном включает в себя преобразование из переменного тока в постоянное и может включать в себя высокие напряжения и токи. Эффективность преобразования может сильно различаться в зависимости от рабочей частоты и условий. Таким образом, предлагаются различные типы, включая модели с низким V F (прямое напряжение), высокоскоростное переключение и модели с низким уровнем шума.

Configuration Конфигурация выпрямительной цепи]

Коммутационный диод

(SW): структура и особенности

Структура Символ Приложения ・ Характеристики
  • Идеально подходит для различных коммутационных приложений
  • Скорость переключения: короткое время обратного восстановления trr

Эти диоды обеспечивают коммутацию.Подача напряжения в прямом направлении приведет к току (ВКЛ). И наоборот, подача напряжения в обратном направлении остановит протекание тока. Переключающие диоды обычно характеризуются более коротким временем обратного восстановления (trr), что приводит к лучшей производительности переключения.

Включить ВЫКЛ
>

Что такое обратное время восстановления (trr)?

Время обратного восстановления trr относится ко времени, которое требуется переключающему диоду для полного выключения из состояния ВКЛ.Как правило, электроны не могут быть остановлены сразу после выключения работы, что приводит к некоторому току, протекающему в обратном направлении. Чем выше этот ток утечки, тем больше потери. Однако время обратного восстановления можно сократить за счет диффузии тяжелых металлов, оптимизации материала или разработки FRD (диодов быстрого восстановления), которые подавляют звон после восстановления.

Ключевые точки
  • трр означает время, за которое ток исчезает после переключения напряжения в противоположном направлении.
  • Более короткое значение trr означает меньшие потери и более высокие скорости переключения

Барьерные диоды Шоттки (SBD): структура и особенности

Структура Символ Приложения ・ Характеристики
  • Используется для выпрямления вторичного источника питания
  • Низкое V F (малые потери), большое I R
  • Быстрая скорость переключения

В отличие от обычных диодов, которые обеспечивают характеристики диодов через переход PN (полупроводник-полупроводник), барьерные диоды Шоттки используют барьер Шоттки, состоящий из перехода металл-полупроводник.Это приводит к значительно более низким характеристикам V F (прямое падение напряжения) по сравнению с диодами с PN-переходами, обеспечивая более высокие скорости переключения. Однако одним недостатком является больший ток утечки (I R ), что делает контрмеры необходимыми для предотвращения теплового разгона.

SBD

, которые часто используются для выпрямления вторичного источника питания, имеют характеристики, которые могут сильно различаться в зависимости от типа используемого металла. ROHM предлагает широкую линейку ведущих SBD, в которых используются различные металлы.

  • RB ** 1 серия low V F тип
  • RB ** 0 серия низкая I R тип
  • ROHM предлагает серии RB ** 8 диодов ультранизкого уровня I R для автомобильной промышленности
Ключевые точки
    Типы
  • Low V F и I R могут быть достигнуты простым изменением типа металла.

Тепловой побег

Барьерные диоды Шоттки чувствительны к чрезмерному выделению тепла при большом потоке тока.В результате сочетание высокой температуры с увеличением I R (ток утечки) может привести к повышению температуры корпуса и окружающей среды. Следовательно, реализация неправильного теплового проекта может привести к тому, что количество выделяемого тепла превысит количество рассеиваемого, что может привести к увеличению тепловыделения и тока утечки и в конечном итоге привести к повреждению. Это явление называется «тепловым побегом».

Ключевые точки
  • Высокие температуры окружающей среды могут стать причиной теплового разгона
Стабилитрон

(ZD) : Структура и особенности

Структура Символ Приложения ・ Характеристики
  • Используется в цепях постоянного напряжения
  • Защищает микросхемы от повреждений в результате скачков тока и ESD
  • Генерирует постоянное напряжение, когда напряжение подается в обратном направлении.
Стабилитроны

обычно используются в цепях постоянного напряжения для обеспечения постоянного напряжения, даже если ток колеблется, или в качестве элементов защиты от импульсных токов и электростатических разрядов.В отличие от стандартных диодов, которые используются в прямом направлении, стабилитроны предназначены для использования в обратном направлении. Напряжение обратного пробоя стабилитрона называется напряжением стабилитрона V Z , а значение тока в это время называется током стабилитрона (I Z ). В последние годы в связи с продолжающейся миниатюризацией и повышением производительности электронных устройств возникает необходимость в более совершенных защитных устройствах, что приводит к появлению диодов TVS (подавление переходных напряжений).

Ключевые точки
  • Только диоды Зенера работают в обратном направлении

высокочастотных диодов (PIN-диодов): структура и особенности

Что такое диодная емкость (C т )

Количество накопленного заряда внутри при подаче обратного смещения называется емкостью диода (C t ). Электрически нейтральный обедненный слой формируется путем заполнения собственного слоя, созданного между слоями P и N, носителями заряда (дырками и электронами).Слой истощения действует как паразитный конденсатор, емкость которого пропорциональна площади PN-соединения и обратно пропорциональна расстоянию d. Расстояние определяется концентрацией слоев P и N. Подача напряжения на диод приведет к увеличению обедненного слоя и уменьшению C t . Требуемое значение Ct будет варьироваться в зависимости от применения.

[При подаче обратного напряжения]

Ключевые точки
  • Чем шире слой обеднения (и больше расстояние), тем ниже емкость C t .

диодов к странице продукта

ROHM использует оригинальные передовые технологии, чтобы предложить широкую линейку диодов. Кроме того, передовые знания в области малосигнальных диодов и диодов средней и высокой мощности позволили разработать высококачественные диоды Шоттки и диоды с быстрым восстановлением.

,
Твердотельные диоды и характеристики диодов [Analog Devices Wiki]

В электронике диод представляет собой двухполюсный компонент с асимметричной характеристикой тока и напряжения, с низким (в идеале нулевым) сопротивлением току, протекающему в одном направлении, и высоким (идеально бесконечным) сопротивлением в другом. Кремниевый полупроводниковый диод, наиболее распространенный тип, представляет собой монокристаллический кусок полупроводникового материала с PN-переходом, соединенным с двумя электрическими клеммами.

5.1 Соединение PN

PN-переход образуется путем объединения полупроводников p-типа и n-типа в одну кристаллическую решетку. Термин «соединение» относится к границе раздела, где встречаются две области полупроводника. Если бы переход был построен из двух отдельных частей, это привело бы к разрыву в кристаллической решетке, поэтому PN-переходы создаются в монокристалле полупроводника путем введения определенных примесей, называемых легирующими примесями, например, путем ионной имплантации, диффузии или эпитаксии (выращивания). слой кристаллов, легированных примесями n-типа, поверх слоя кристаллов, легированных примесями р-типа, например).

PN-переходы - это элементарные строительные блоки почти всех полупроводниковых электронных устройств, таких как диоды, транзисторы, солнечные элементы, светодиоды и интегральные схемы; это активные сайты, где происходит электронное действие устройства. Например, обычный тип транзистора, биполярный переходный транзистор, состоит из двух последовательных контактов PN в форме NPN или PNP.

5.1.1 Свойства PN-соединения

PN-переход проявляет некоторые интересные свойства, которые имеют полезные применения в твердотельной электронике.Полупроводник с примесью р-типа является относительно проводящим. То же самое верно для n-легированного полупроводника, но переход между областями p и n-типа является непроводящим. Этот непроводящий слой, называемый слоем обеднения, возникает потому, что электрически заряженные носители, электроны n-типа и дырки кремния p-типа диффундируют в материал другого типа (, т. Е. электронов p-типа и дырок в n). -тип) и устранить друг друга в процессе, называемом рекомбинацией. Эта диффузия заряда вызывает встроенную разность потенциалов в области обеднения.Управляя этим непроводящим слоем, PN-переходы обычно используются в качестве диодов: элементов схемы, которые обеспечивают поток электроэнергии в одном направлении, но не в другом (противоположном) направлении. Это свойство объясняется в терминах прямого смещения и обратного смещения, где термин смещение относится к приложению электрического напряжения к PN-переходу. PN-переход будет проводить ток, когда приложенное внешнее напряжение превышает встроенный потенциал перехода.

5.1.2 Равновесие (нулевое смещение)

В PN-переходе без внешнего приложенного напряжения достигается состояние равновесия, при котором разность потенциалов формируется через переход.Эта разность потенциалов называется встроенным потенциалом В BI .

На стыке полупроводников p-типа и n-типа более высокая концентрация электронов в области n-типа вблизи границы раздела PN имеет тенденцию диффундировать в область p-типа. Когда электроны диффундируют, они оставляют положительно заряженные ионы (доноры) в n-области. Аналогично, более высокая концентрация дырок на стороне p-типа вблизи границы раздела PN начинает диффундировать в область n-типа, оставляя фиксированные ионы (акцепторы) с отрицательным зарядом.Области, непосредственно прилегающие по обе стороны от интерфейса PN, теряют свою нейтральность и становятся заряженными, образуя область пространственного заряда или слой обеднения (см. Рисунок 5.1).

Рисунок 5.1 PN-переход в равновесии

Электрическое поле, создаваемое областью пространственного заряда, противодействует процессу диффузии как электронов, так и дырок. Есть два одновременных явления: процесс диффузии, который имеет тенденцию генерировать больше пространственного заряда, и электрическое поле, генерируемое пространственным зарядом, который имеет тенденцию противодействовать диффузии.В равновесии эти две силы уравновешивают друг друга. Профиль концентрации носителей в равновесии показан на рисунке 5.1 с синими и красными линиями. Также показаны два явления уравновешивания, которые устанавливают равновесие.

Область пространственного заряда представляет собой зону с суммарным зарядом, обеспечиваемым фиксированными ионами (донорами или акцепторами), которые были оставлены открытыми из-за диффузии основных носителей. Когда равновесие достигнуто, плотность заряда аппроксимируется отображаемой ступенчатой ​​функцией на рисунке 5.2 Q (x) график. Фактически область полностью обеднена основными носителями (оставляя плотность заряда равной чистому уровню легирования), и граница между областью пространственного заряда и нейтральной областью довольно резкая. Область пространственного заряда имеет одинаковый заряд на обеих сторонах ПШ-интерфейса, поэтому она распространяется дальше в сторону с меньшей степенью легирования (сторона n на рисунках 5.1 и 5.2).

5.1.3 Прямое смещение

При прямом смещении положительное напряжение прикладывается к стороне p-типа относительно стороны n-типа соединения.При таком напряжении дырки в области p-типа и электроны в области n-типа выталкиваются в направлении перехода. Это уменьшает ширину обедненного слоя. Положительный заряд, приложенный к материалу p-типа, отталкивает отверстия, в то время как отрицательный заряд, приложенный к материалу n-типа, отталкивает электроны. Расстояние между электронами и дырками уменьшается, поскольку они вынуждены к соединению. Это снижает встроенный потенциальный барьер. С увеличением напряжения прямого смещения обеднительный слой в конечном итоге становится достаточно тонким, чтобы встроенное электрическое поле больше не могло противодействовать движению носителей заряда через PN-переход, что приводит к снижению электрического сопротивления.Электроны, которые пересекают PN-переход в материал p-типа (или отверстия, которые переходят в материал n-типа), будут диффундировать в почти нейтральную область. Следовательно, величина незначительной диффузии в околонейтральных зонах определяет величину тока, который может протекать через диод.

Только основные носители (электроны в материале n-типа или дырки в p-типе) могут протекать через полупроводник на макроскопическую длину. Имея это в виду, рассмотрим поток электронов через соединение.Прямое смещение вызывает силу на электронах, толкающих их со стороны N к стороне P. При прямом смещении область обеднения достаточно узка, чтобы электроны могли пересекать соединение и впрыскиваться в материал р-типа. Однако они не продолжают течь через материал р-типа бесконечно, потому что для них энергетически выгодно рекомбинировать с отверстиями. Средняя длина, по которой электрон проходит через материал р-типа до рекомбинации, называется диффузионной длиной, и обычно она составляет порядка микрон.

Хотя электроны проникают в материал р-типа только на короткое расстояние до рекомбинации, электрический ток продолжает непрерывный, потому что дырки (основные носители) начинают течь в противоположном направлении, заменяя те, с которыми рекомбинируют электроны неосновных носителей. Общий ток (сумма токов электронов и дырок) постоянен в пространстве, потому что любое изменение приведет к накоплению заряда с течением времени (это текущий закон Кирхгофа). Поток дырок из области p-типа в область n-типа в точности аналогичен потоку электронов из N в P (электроны и дырки меняются ролями, а знаки всех токов и напряжений меняются местами).

Следовательно, макроскопическая картина протекания тока через диод включает в себя электроны, протекающие через область n-типа к переходу, дырки, протекающие через область p-типа в противоположном направлении к переходу, и два вида носителей, постоянно рекомбинирующих в окрестность (определяемая диффузионной длиной) соединения. Электроны и дырки движутся в противоположных направлениях, но они также имеют противоположные заряды, поэтому общий ток с обеих сторон диода в одном направлении, как требуется.

5.1.4 Обратное смещение

Обратное смещение обычно относится к тому, как диод используется в цепи. Если диод смещен в обратном направлении, напряжение на катоде выше, чем на аноде. Следовательно, ток не будет течь, пока электрическое поле не станет настолько сильным, что диод сломается.

Поскольку материал р-типа теперь соединен с отрицательной стороной приложенного напряжения, отверстия в материале р-типа отводятся от соединения, что приводит к увеличению толщины обедненного слоя.Точно так же, поскольку область n-типа связана с положительной стороной, электроны также будут отведены от соединения. Следовательно, обедненный слой расширяется и делает это все больше с увеличением напряжения обратного смещения. Это увеличивает барьер напряжения, вызывая высокое сопротивление потоку носителей заряда, таким образом позволяя только очень маленькому электрическому току протекать через PN переход.

Напряженность электрического поля обедненного слоя увеличивается с увеличением напряжения обратного смещения.Как только напряженность электрического поля возрастает выше критического уровня, слой истощения PN-перехода разрушается, и начинает течь ток, обычно в результате процессов пробоя Зенера или лавины. Оба эти процесса пробоя являются неразрушающими и обратимыми, пока количество протекающего тока не достигает уровней, которые вызывают перегрев полупроводникового материала и термическое повреждение.

Этот эффект используется в своих интересах в схемах стабилизатора стабилитрона.Стабилитроны имеют четко определенное низкое напряжение обратного пробоя по конструкции. Типичным значением напряжения пробоя является, например, 6,2 В. Это означает, что напряжение на катоде никогда не может быть более чем на 6,2 В выше, чем напряжение на аноде, потому что диод сломается и, следовательно, проведет, если напряжение станет выше. Это эффективно ограничивает напряжение на диоде.

Другое применение, где используются диоды с обратным смещением, - это варакторные (переменные конденсаторы) диоды.Обедненный слой действует как изолятор между двумя проводящими пластинами или выводами диода. Емкость является функцией ширины изолирующего слоя и его площади. Ширина зоны обеднения любого диода изменяется в зависимости от приложенного напряжения. Это меняет емкость диода. Варакторы специально спроектированы так, чтобы одна сторона PN-перехода была слегка легированной, поэтому на этой стороне диода будет большая область истощения. Эта более толстая область также будет в большей степени зависеть от приложенного напряжения смещения, и, таким образом, изменение емкости диода (ΔC / ΔV) будет сильно зависеть от приложенного смещения.

Краткое содержание раздела

Свойства прямого и обратного смещения PN-перехода подразумевают, что он может использоваться в качестве диода. Соединительный диод PN позволяет электрическим зарядам течь в одном направлении, но не в противоположном направлении; отрицательные заряды (электроны) могут легко проходить через переход от N к P, но не от P к N, и обратное верно для дырок. Когда PN-переход смещен вперед, электрический заряд течет свободно из-за пониженного сопротивления PN-перехода.Однако когда PN-переход смещен в обратном направлении, барьер перехода (и, следовательно, сопротивление) становится больше, а поток заряда очень мал.

5,2 фактических диодов

На рисунке 5.3 ниже приведено схематическое обозначение диода (а) и изображение типичного диода из лаборатории (б). Диоды довольно распространенные и полезные устройства. Можно рассматривать диод как устройство, которое позволяет току течь только в одном направлении. Это слишком упрощенное, но хорошее приближение.

Рисунок 5.3: (а) Схематическое обозначение диода (б) малосигнальный диод.

Как обсуждалось ранее, полупроводниковые диоды изготавливаются в виде двухслойной структуры, образующей PN-переход. Полупроводники, такие как кремний или германий, могут быть легированы небольшими концентрациями специфических примесей для получения материала, который проводит электричество посредством транспорта электронов (n-тип) или через отверстия (р-тип). Когда слои этих двух типов легированного полупроводника сконструированы для образования PN-перехода, электроны мигрируют от стороны n-типа, а дырки уходят от стороны p-типа, как показано на рисунке.5.1. Это перераспределение заряда приводит к возникновению потенциального разрыва В BI через переход, как показано на рисунке. Этот разрыв составляет VBI ~ 0 . 7 В для кремния и ~ 0 . 3 V для германия.

Рисунок 5.4. PN-переход, образующий разрыв напряжения на контакте.

Когда этот диод PN-соединения теперь подключен к внешнему напряжению, это может эффективно увеличить или уменьшить встроенный потенциальный зазор.Это приводит к совершенно другому поведению, в зависимости от полярности этого внешнего напряжения, как показано на типичном графике В - I . 5.5. Когда диод смещен в обратном направлении, как показано на рисунке 5.6, зазор увеличивается, и через переход происходит очень малый ток (до тех пор, пока в конечном итоге в этом примере при напряжении ~ 6,2 В не произойдет пробой поля). И наоборот, смещенная в прямом направлении конфигурация уменьшает зазор, приближаясь к нулю для внешнего напряжения, равного напряжению зазора, и ток может течь легко.

Выражение для (прямого смещения) напряжения диода В D выглядит следующим образом:

(5,1)

Где:
В D = приложенное напряжение на диоде
к = постоянная Больцмана (1.38E-23 Дж / Кельвин)
T = абсолютная температура в Кельвинах
q = заряд электрона (1.6E-19 Кулоны)
I D = фактический ток через диод
I S = ток диффузии (постоянная, зависящая от устройства)
(так называемое тепловое напряжение, В T , составляет кТ / кв = 26 мВ при комнатной температуре.)

Приведенное выше уравнение можно переставить так, чтобы обеспечить I D :

(5.2)

Таким образом, при обратном смещении диод ведет себя очень похоже на разомкнутый переключатель; и при прямом смещении для токов около 10 мА или больше, диод дает почти постоянное падение напряжения ~ 0,7 В . Ток диффузии I S, зависит от уровня легирования примесей n-типа и p-типа, площади диода и (очень) от температуры.Разумной отправной точкой для диода интегральной схемы с малой геометрией является I S = 1E -16 .

Рисунок 5.5: Напряжение, В, , , D и ток, I , D , поведение диода.

Противоположные заряды в полупроводниковом переходе ничем не отличаются от зарядов на пластинах конденсатора. Таким образом, у каждого соединения есть емкость; но, поскольку расстояние между электронами и дырками, обедненный слой, изменяется с приложенным напряжением, емкость зависит от приложенного напряжения.Чем ниже напряжение, тем выше емкость, и она будет увеличиваться прямо в область прямого смещения.

Рисунок 5.6. Отношение напряжения к току для стабилитрона 6,2 В

Еще одна вещь, которую следует отметить о реальных диодах, это последовательное сопротивление в полупроводниковом материале, не поглощаемое областью обеднения. Для общей концентрации 5E 15 (атомов легирующей примеси на кубический сантиметр, что дает практическое напряжение пробоя в микросхеме около 25 Вольт), объемное удельное сопротивление составляет около 1 Ом-см для кремния, легированного фосфором (n-тип), и 3 Ом-см для бора (р-типа).Для сравнения, металл как алюминий имеет удельное сопротивление 2,8 мкОм-см, меди 1,7 мкОм-см. Объемное сопротивление (ρ или rho) измеряется между противоположными поверхностями куба материала с длиной стороны (w, h, l) 1 см (10 мм).

5.3 Температурное поведение диодов

Из уравнения напряжения диода 5.1 видно, что оно содержит абсолютный температурный член Т. Кроме того, диффузионный ток I S фактически не является постоянным, а сильно зависит от температуры.В нижнем наборе графиков на рисунке 5.7 изображено смоделированное напряжение диода в зависимости от температуры для четырех различных токов диода (зеленый = 1 мА, , синий = 2 мА, , красный = 5 мА и голубой = 10 мА). Из кривых видно, что напряжение диода имеет довольно сильную отрицательную температурную зависимость.

На верхнем графике показана разница между кривыми 2 мА и 1 мА, а также разница между кривыми 5 мА и 10 мА. Эти два результата лежат точно друг на друге.Причина этого очевидна, если мы рассмотрим уравнение напряжения на диоде более внимательно.

Рисунок 5.7 Напряжение на диоде в зависимости от температуры при 1 мА, 2 мА, 5 мА и 10 мА

(5.3)

Переставляя и предполагая, что I S1 = I S2 мы получаем:

(5.4)

Теперь сильный температурный эффект I S выпадает из уравнения, и у нас остается только абсолютный температурный член T, что делает ΔV D пропорциональным абсолютной температуре (PTAT).Оба В D2 - В D1 и В D4 - В D3 имеют одинаковое соотношение 2: 1 для своих токов, поэтому кривые ΔV D будут точно лежать на друг на друга При комнатной температуре тепловое напряжение В Т составляет около 26 мВ , что при умножении на ln (2) составляет приблизительно 18 мВ, показанное на графике при 25 градусах.

5.4 Линейная модель

Линейная модель диода аппроксимирует экспоненциальные характеристики I - В прямой линией, которая касается фактической кривой в точке смещения постоянного тока.На рисунке 5.8 показана кривая с касательной в точке ( В, , , D , I, , D ). Кривая пересекает горизонтальную ось при напряжении В D0 . Для небольших изменений в В D и I D относительно точки касания, касательная линия дает хорошее приближение к фактической кривой.

Рис. 5.8 I - характеристики В с касательной к ( В D , I D )

Наклон касательной линии определяется как:

(5.5)

I D часто намного больше, чем I S , поэтому уравнение часто упрощается до:

(5.6)

Уравнение касательной линии имеет вид:

(5.7)

5.5 Модель малого сигнала

Поскольку уравнение диода для I D как функция В D является нелинейным, инструменты линейного анализа цепей нельзя применять к цепям, содержащим диоды, так же, как к цепям, содержащим только резисторы.Однако, если ток диода известен для конкретного напряжения, линейный анализ цепи может использоваться для прогнозирования изменения тока для данного изменения напряжения, при условии, что изменение будет постепенно увеличиваться. Такой подход называется анализом слабых сигналов. Несколько слов о нотации:

Где:
В D и I D являются значениями смещения постоянного тока, а v d и i d являются изменениями слабого сигнала относительно значений смещения.

Сопротивление слабого сигнала определяется как отношение v d к i d и определяется как:

(5.8)

Это приводит к тому же r d , что и в линейной касательной модели диода на рисунке 5.8. Таким образом, слабосигнальная модель диода при прямом смещении является резистором со значением r d . Значение r d обратно пропорционально току, проходящему через него. Каждый раз, когда ток удваивается, сопротивление уменьшается вдвое.Из линейной модели диодов следует, что r d можно графически интерпретировать как обратную величину наклона кривой i D по сравнению с v D в точке ( V D , I D ) ,

Краткое содержание раздела

  1. Полупроводники содержат два типа мобильных носителей заряда: положительно заряженные дырки и отрицательно заряженные электроны.

  2. Полупроводник может быть легирован донорными примесями (легирование n-типа), так что он содержит подвижные заряды, которые являются электронами.

  3. Полупроводник может быть легирован примесями акцептора (легирование р-типа), так что он содержит подвижные заряды, которые являются дырками.

  4. Существует два важных механизма протекания тока в полупроводнике:

    1. диффузия носителей в результате градиента концентрации; и

    2. дрейф носителей в электрическом поле.

  5. В состоянии равновесия встроенный потенциал или потенциальный барьер В BI Вольт развивается через PN-переход.
  6. При применении прямого напряжения смещения В DF встроенный потенциал уменьшается до В BI - В D , и ток протекает через диод при В DF больше В BI .
  7. При применении напряжения обратного смещения В DR высота потенциального барьера увеличивается до В BI + В DR и может протекать небольшой ток.
  8. Когда В BI + В DR больше некоторого критического напряжения, где электрическое поле выше, чем диэлектрическая прочность полупроводника, происходит обратное размыкание перехода и течет ток.
  9. Общий ток диода I D связан с приложенным напряжением В D

ADALM1000 Лабораторное задание 2. Диод I противКривые V
ADALM1000 Лабораторная работа, Емкость, зависящая от напряжения PN-соединения

ADALM2000 Лабораторная работа 2. Кривые диодов I и V
ADALM2000 Лабораторная работа, Зависимая от напряжения емкость PN-соединения
ADALM2000 Лабораторная работа: Дифференциальный датчик температуры

Вернуться к предыдущей главе

Перейти к следующей главе

Вернуться к содержанию

университет / курсы / электроника / текст / глава-5.txt · Последнее изменение: 06 июня 2017 г. 16:58 по dmercer

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *