Полупроводниковые диоды это: 1.2. Полупроводниковые диоды

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

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

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

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 I_D.

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 V_ϒ, для того чтобы диод начал хорошо проводить ток. Для кремниевых приборов V_ϒ — 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

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

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

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.

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.

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.

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

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».»

  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

(REC): структура и характеристики

, 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］

(SW): структура и особенности

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.

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

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.

, 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

(ZD) ： Структура и особенности

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.