Применение полупроводниковых диодов – Полупроводниковый диод: применение, принцип работы, типы

Содержание

Диод характеристика и применение. Работа полупроводникового диода. Применение диода.

Диодами называют двухэлектродные элементы электрической цепи, обладающие односторонней проводимостью тока. В полупроводниковых диодах односторонняя проводимость обуславливается применением полупроводниковой структуры, сочетающей в себе два слоя, один из которых обладает дырочной (p), а другой – электронной (n) электропроводностью. Обозначение диода на электронных схемах представлено на рис 4.

Рис. 4 Изображение диода на схемах
Принцип действия полупроводникового диода основывается на специфике процессов, протекающих на границе раздела p- и n-слоев, в так называемом электронно-дырочном переходе. Электронно-дырочный переход обладает нессиметричной проводимостью, т. е. имеет нелинейное сопротивление. Работа большинства полупроводниковых приборов основана на свойствах одного или нескольких p-n-переходов.

Рис. 5 Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего напряжения
Допустим, внешнее напряжение на переходе отсутствует. Так как носители заряда в каждом полупроводнике совершают беспорядочное тепловое движение, т. е. имеют собственные скорости, то происходит их диффузия из одного полупроводника в другой. Как и при любой другой диффузии носители перемещаются оттуда, где их концентрация больше, туда, где их концентрация меньше. Таким образом, из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа диффундируют электроны, а в обратном направлении — дырки. Соответственно, на рисунке 1 светлые кружки со стрелками дырки, темные — электроны. Кружки побольше обозначают атомы акцепторной и донорной примеси, соответственно заряженные отрицательно и положительно.
В результате диффузии носителей по обе стороны границы раздела двух полупроводников с различным типом электропроводности создаются объемные заряды обоих знаков. В области n создается положительный объемный заряд. Он образован главным образом положительно заряженными атомами донорной примеси и в небольшой степени — пришедшими в эту область дырками. Аналогично в области p.
Между образовавшимися объемными зарядами возникает так называемая контактная разность потенциалов uk= ?n — ?p и электрическое поле (вектор напряженности Ek). На том же рисунке изображена потенциальная диаграмма. На этой диаграмме, показывающей распределение потенциала вдоль оси x, перпендикулярной плоскости раздела двух полупроводников, за нулевой потенциал принят потенциал граничного слоя.
Следует отметить, что объемные заряды возникают вблизи границы n- и p-областей, а положительный потенциал ?n или отрицательный потенциал ?p создается одинаковым по всей области n или p. Если бы в различных частях области потенциал был различным, т. е. была бы разность потенциалов, то возник бы ток, в результате которого все равно произошло бы выравнивание потенциала в данной области.
Как видно, в p-n-переходе возникает потенциальный барьер, препятствующий диффузионному переходу носителей. На рис. 5 изображен барьер для электронов, стремящихся за счет диффузии перемещаться слева направо (из области n в область p).
Высота барьера равна контактной разности потенциалов и обычно составляет десятые доли вольта. Чем больше концентрация примесей, тем выше концентрация основных носителей и тем большее число их диффундирует через границу. Плотность объемных зарядов возрастает, и увеличивается контактная разность потенциалов uk, т. е. высота потенциального барьера. При этом толщина p-n-перехода d уменьшается, так как соответствующие заряды образуются в приграничных слоях меньшей толщины.
Одновременно с диффузионным перемещением основных носителей через границу происходит и обратное перемещение носителей под действием электрического поля контактной разности потенциалов. Это поле перемещает дырки из n-области обратно в p-область и аналогично электроны из p-области обратно в n-область. При постоянной температуре p-n-переход находится в состоянии динамического равновесия. Ежесекундно через границу в противоположных направлениях перемещаются электроны и дырки, а под действием поля столько же их дрейфует в обратном направлении.
Полный ток через переход при динамическом равновесии равен нулю, так как диффузионный ток и ток дрейфа компенсируют друг друга. Если диффузионный ток возрастет, то через переход будет диффундировать больше носителей. Это вызовет увеличение объемных зарядов и потенциала по обе стороны границы. Значение uk возрастет, т. е. усилится электрическое поле в переходе и повысится потенциальный барьер. Но усиление поля вызовет соответствующее увеличение тока дрейфа, т. е. обратного перемещения носителей. Пока диффузионный ток больше тока дрейфа высота барьера растет, но в конце концов за счет увеличения тока дрейфа наступит равенство токов и дальнейшее повышения барьера прекратится.
Таким образом, в p-n-переходе возникает слой, называемый запирающим и обладающий большим сопротивлением по сравнению с сопротивлением остальных объемов n- и p-полупроводников.

Рис. 6 Электронно-дырочный переход при прямом напряжении
Электрическое поле, создаваемое в p-n-переходе прямым напряжением, действует навстречу полю контактной разности потенциалов. Это показано на рисунке векторами Eк и Eпр. Результирующее поле становится слабее, и разность потенциалов в переходе уменьшается, т. е. высота потенциального барьера понижается, возрастает диффузионный ток, так как большее число носителей может преодолеть пониженный барьер. Ток дрейфа при этом почти не изменяется, т. к. он зависит главным образом от числа неосновных носителей, попадающих за счет своих тепловых скоростей на p-n-переход из p- и n-областей. Если пренебречь падением напряжения на сопротивлении областей n и p, то напряжение на переходе можно считать равным uк — uпр. Для сравнения на рис. 6 штриховой линией показана потенциальная диаграмма при отсутствии внешнего напряжения.
Как известно, в этом случае ток дрейфа и диффузионный ток компенсируют друг друга. При прямом напряжении диффузионный ток становится больше тока дрейфа и поэтому полный ток через переход , т. е. прямой ток, уже не равен нулю.
Если барьер значительно понижен, то iдиф>>iдр и можно считать, что iпр?iдиф, т. е. прямой ток в переходе является чисто диффузионным.
При прямом напряжении не только уменьшается потенциальный барьер, но уменьшается толщина запирающего слоя (dпр
Рис. 7 Электронно-дырочный переход при обратном напряжении
Под действием обратного напряжения uобр через переход протекает очень небольшой обратный ток iобр, что объясняется следующим образом. Поле, создаваемое обратным напряжением, складывается с полем контактной разности потенциалов. На рис. 4 это показывают одинаковые направления векторов Eк и Eобр. Результирующее поле усиливается, и высота потенциального барьера теперь равна uк+uобр. Уже при небольшом повышении барьера диффузионное перемещение основных носителей через переход прекращается, т. е. iдиф=0, т. к. собственные скорости носителей недостаточны для преодоление барьера. А ток проводимости остается практически неизменным, поскольку он определяется главным образом число неосновных носителей, попадающих на p-n-переход из n- и p-областей.
Таким образом, обратный ток iобр представляет собой ток проводимости, вызванный перемещением неосновных носителей. Обратный ток получается очень небольшим, так как неосновных носителей мало и, кроме того, сопротивление запирающего слоя при обратном напряжении очень велико. Действительно, при повышении обратного напряжения поле в месте перехода становится сильнее и под действием этого поля больше основных носителей «выталкивается» из пограничных слоев вглубь из n- и p-областей. Поэтому с увеличением обратного напряжения увеличивается не только высота потенциального барьера, но и толщина запирающего слоя (dобр>Rпр.
Уже при сравнительно небольшом обратном напряжении обратный ток становится практически постоянным. Это связано с тем, что число неосновных носителей ограничено. С повышением температуры концентрация их возрастает и обратный ток увеличивается, а обратное сопротивление уменьшается.
Посмотрим, как устанавливается обратный ток при включении обратного напряжения. Сначала возникает переходный процесс, связанный с движением основных носителей. Электроны в n-области движутся по направлению к положительному полюсу источника, т. е. удаляются от p-n-перехода. А в p-области, удаляясь от перехода, движутся дырки. У отрицательного электрода они рекомбинируют с электронами, которые приходят из проводника, соединяющего этот электрод с отрицательным полюсом источника.
Поскольку из n-области уходят электроны, она заряжается положительно, так как в ней остаются положительно заряженные атомы донорной примеси. Подобно этому p-область заряжается отрицательно, т. к. дырки заполняются пришедшими электронами и в ней остаются отрицательно заряженные атомы акцепторной примеси. Рассмотренное движение основных носителей в противоположные стороны продолжается лишь малый промежуток времени. По обе стороны p-n-перехода возникают два разноименных объемных заряда, и вся система становится аналогичной заряженному конденсатору с диэлектриком, в котором имеется значительный ток утечки (его роль играет обратный ток). Но ток утечки конденсатора в соответствии с законом Ома пропорционален приложенному напряжению, а обратный ток p-n-перехода сравнительно мало зависит от напряжения.
В зависимости от структуры различают точечные и плоскостные диоды.
У точечных диодов линейные размеры, определяющие площадь p-n-перехода, такие же, как толщина перехода, или меньше ее. У плоскостных диодов эти размеры значительно больше толщины перехода.
Точечные диоды имеют малую емкость перехода (обычно менее 1 пФ) и поэтому применяются на любых частотах, вплоть до СВЧ. Но они могут пропускать токи не более единиц или десятков миллиампер. Плоскостные диоды в зависимости от площади перехода обладают емкостью в десятки пикофарад и, соответственно, их применяют на частотах не выше десятков килогерц, а допустимый ток бывает до сотен ампер. На рисунке представлена конструкция точечных и плоскостных диодов.

Рис. 8 Принцип устройства точечного диода

Рис. 9 Принцип устройства плоскостных германиевых диодов, изготовленных сплавным (а) и диффузионным методом(б)
Диоды бывают различного назначения.
Выпрямительные диоды. Как видно из названия их основное предназначение — выпрямление переменного тока (напряжения). Процесс этот весьма важен в радиоэлектронике, поскольку питание практически всех устройств осуществляется постоянным напряжением. Для переменного напряжения характерно изменение полярности с плюса на минус во времени по определенному закону. Рассмотрим выпрямление переменного тока упрощенно.
Наглядно это показано на рисунке (начальная фаза равна нулю).

Рис. 9 Обобщенный вид переменного напряжения
Поскольку диод обладает однонаправленными свойствами, т. е. пропускает ток только в одном направлении, соответственно, положительные полуволны входного напряжения будут проходить через диод, отрицательные — нет. В данном случае при отрицательной полуволне диод оказывается включенным при обратном напряжении. Весь процесс выглядит примерно так:

Рис. 10 Процесс выпрямления напряжения
На второй части графика небольшое отрицательное напряжение есть не что иное, как воздействие обратного тока, но этим можно пренебречь. Таким образом, на нагрузке выделяются только положительные полуволны входного переменного напряжения. Соответственно, задача выпрямителя состоит в преобразовании переменного напряжения в однонаправленное пульсирующее. Самая простая схема выглядит так:

Рис. 11 Простейшая схема выпрямителя
Для того, чтобы на нагрузке не было таких пульсаций, параллельно резистору ставят конденсатор большой емкости. Потом стабилизатор и так далее. Об этом потом.
Широко распространены низкочастотные выпрямительные диоды, предназначенные для работы на частотах до нескольких килогерц. НЧ диоды являются плоскостными, изготавливаются из германия или кремния и делятся на диоды малой, средней и большой мощности.
Для выпрямления высоких напряжений, например, несколько киловольт, выпускают кремниевые столбы в прямоугольных пластмассовых корпусах, залитых изолирующей смолой. Эти диоды рассчитаны на обратное напряжение в несколько киловольт и ток в несколько миллиампер. Вообще же, главной характеристикой выпрямительных диодов является допустимое обратное напряжение, поскольку, как было указано выше, отрицательные полуволны переменного напряжения являются для диода обратным напряжением, поэтому, если неправильно подобрать диод по обратному напряжению, может возникнуть пробой и диод выйдет из строя.
Выпрямительные точечные диоды широко применяются на высоких частотах, иногда на СВЧ, хотя успешно работают на низких частотах. Эти диоды работают во многих устройствах, поэтому их называют еще универсальными. Естественно, для таких диодов характерен небольшой прямой ток, в отличие от плоскостных (всего до сотен миллиампер).
Импульсные диоды. При работе диода в импульсном режиме для него характерны некоторые особенности. Ну, например, диод включен в цепь импульсного напряжения с длительностью импульсов в несколько микросекунд. Положительные импульсы проходят через диод, при этом прямым сопротивлением диода мы пренебрегаем. Когда полярность напряжения на диоде меняется на противоположную, диод закрывается не сразу, а в течении некоторого времени, за которое через переход протекает обратный ток, значительно превосходящий по амплитуде обратный ток в установившемся режиме. Основной причиной возникновения обратного тока является разряд диффузионной емкости, т. е. рассасывание зарядов, образованных подвижными носителями в p- и n-областях. Поскольку концентрации примесей в этих областях весьма различны, то практически импульс обратного тока создается рассасыванием заряда, накопленного в базе, т. е. в области с относительно малой проводимостью.
Стабилитроны. При рассмотрении вольт-амперной характеристики полупроводникового диода видно, что в области электрического пробоя имеется участок, который может быть использован для стабилизации напряжения. Такой участок у кремниевых плоскостных диодов соответствует изменениям обратного тока в широких пределах. При этом до наступления пробоя обратный ток очень мал, а в режиме пробоя, в данном случае в режиме стабилизации, он становится такого же порядка, как и прямой ток. Стабилитроны изготавливаются исключительно из кремния, их также еще называют опорными диодами, т. к. в ряде случаев получаемое от них стабильное напряжение используется в качестве опорного. На рисунке показана ВАХ стабилитрона.

Рис. 12 Вольт-амперная характеристика стабилитрона
Из рисунка видно, что при обратном токе напряжение стабилизации меняется незначительно. Стабилитрон работает при обратном напряжении. Принцип работы поясняет простейшая схема включения стабилитрона. Эта схема называется параметрическим стабилизатором напряжения и несмотря на свою простоту используется довольно широко. Такая схема позволяет получить ток в нагрузке в несколько миллиампер.

Рис. 13 Схема включения стабилитрона
Нагрузка включена параллельно стабилитрону, поэтому в режиме стабилизации, когда напряжение на стабилитроне постоянно, такое же напряжение будет и на нагрузке. Все изменение входного напряжения будет поглощаться резистором Rогр, которое еще называют балластным. Если входное напряжение будет изменяться, то будет изменяться ток стабилитрона, но напряжение на нем, следовательно и на нагрузке, будет оставаться постоянным.
Следует отметить, что если имеют место пульсации входного напряжения, то стабилитрон неплохо сглаживает их. Это объясняется тем, что стабилитрон обладает малым сопротивлением переменному току.
Стабисторы. Это полупроводниковые диоды, аналоги стабилитронов, но в отличие от последних у стабисторов используется не обратное напряжение, а прямое. Значение этого напряжение мало зависит от тока в некоторых пределах. Напряжение стабилизации стабисторов обычно не более 2 вольт, чаще всего 0,7 В при токе до нескольких десятков мА. Особенность стабисторов — отрицательный температурный коэффициент напряжения, т. е. напряжение стабилизации с повышением температуры уменьшается. Поэтому стабисторы применяют также в качестве термокомпенсирующих элементов, соединяя их с обычными стабилитронами, имеющими положительный ТКН.
Варикапы. Эти плоскостные диоды, иначе называемые параметрическими, работают при обратном напряжении, от которого зависит барьерная емкость. Другими словами, варикап — это конденсатор переменной емкости, управляемый не механически, а электрически.
Варикапы применяются главным образом для настройки колебательных контуров, а также в некоторых специальных схемах, например, в так называемых параметрических усилителях. Вот простейшая схемка включения варикапа в колебательный контур:

Рис. 14 Схема включения варикапа в колебательный контур
Изменяя с помощью потенциометра R обратное напряжение на варикапе, можно менять резонансную частоту контура. Добавочный резистор R1 с большим сопротивлением включен для того, чтобы добротность контура не снижалась заметно от шунтирующего влияния потенциометра R. Конденсатор Cр является разделительным. Без него варикап был бы для постоянного напряжения замкнут накоротко катушкой L.
В качестве варикапов можно использовать стабилитроны с напряжением ниже напряжения стабилизации, когда обратный ток еще очень мал, а обратное сопротивление очень велико.
Мы рассмотрели основные типы полупроводниковых диодов. Существуют еще и туннельные диоды, диоды Ганна, фотодиоды и пр.

morez.ru

42.Полупроводниковые диоды

Полупроводниковыми
диодами называются двухэлектродные
приборы c
односторонней проводимостью тока.
Односторонняя проводимость обуславливается
наличием «р-п» перехода или перехода
металл – полупроводник.

Переходы
типа «р-п» образуется в области,
примыкающей к металлургической границе
между двумя полупроводниками с
различными
типами проводимости. Если монокристалл
полупроводникового материала с одного
конца легировать примесями, создающими
избыток положительных зарядов (р),
а с другого
конца примесями, создающими избыток
электронов (п),то
между областями с различным типом
проводимости образуется
«р-n»-переход.
Часть положительных зарядов из области
р диффундируют
в область п.
Аналогичным
образом электроны из области
п диффундируют в область р.
В
тонком слое между областями п
и р электроны
и положительные заряды рекомбинируют,
и так как этот слой в результате имеет
очень
мало свободных носителей заряда, его
называют обедненным
слоем. Этот
слой действует как потенциальный
барьер, препятствующий
дальнейшей диффузии носителей зарядов.
(см.рис. 6.1.а).

Рис.
6.1. а) -полупроводниковый «р-п»-переход
с потенциальным барьером,

образованным
диффузией носителей зарядов.

б)-
вольтамперная характеристика
р-п перехода .

p-n-переходы
для полупроводниковых диодов получают
методом сплавления, диффузии и эпитаксии

Основные характеристики и параметры
диодов

  • 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
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. [2]

  • Умножительные

  • Настроечные

  • Генераторные

по
размеру перехода
1Плоскостные
2Точечные

по
конструкции
1Диоды
Шоттки

2СВЧ-диоды
3Стабилитроны
4Стабисторы
5Варикапы
6Светодиоды
7Фотодиоды
8Pin
диод

9Лавинный
диод

10Лавинно-пролётный
диод

11Диод
Ганна

12Туннельные
диоды

13Обращённые
диоды

Другие
типы

44.Стабилитроны.
Схема стабилизации напряжения. Параметры
стабилитрона.
Стабилитроном называется
прибор, наполненный одним из инертных
газов и предназначенный для стабилизации
напряжения.

Стабилитроны
работают только в цепях постоянного
тока. При включении напряжения следует
соблюдать полярность. Катод стабилитрона
обозначается кружком. Для получения
стабилизированного напряжения
обязательно включать последовательно
со стабилитроном ограничивающее
сопротивление. Полезная нагрузка, на
которой нужно получить стабильное
напряжение, включается параллельно
стабилитрону.

Для
нормальной работы стабилитрона
напряжение на нем в момент включения
должно достигнуть величины так
называемого напряжения зажигания.

При
работе стабилитрона ток, проходящий
через него, не должен выходить за
пределы, указанные в справочнике, что
является показателем правильного
выбора режима стабилизации.

Необходимо
помнить, что при отключении нагрузки
ток, проходящий через стабилитрон,
возростает. Это иногда может вывести
его из строя. Стабилитроны одного типа
нельзя соединять параллельно с целью
увеличения допустимых пределов изменения
питающего напряжения, так как при этом
невозможно обеспечить одновременность
их зажигания и одинаковый режим работы.

Зажигание
одного из двух параллельно соединенных
стабилитронов делает невозможным
зажигание второго, потому что при этом
напряжение на нем становится равным
номинальному рабочему напряжению
зажегшегося стабилитрона, которое
меньше напряжения зажигания.

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

Некоторые
стабилитроны в цоколе имеют перемычку,
включая которую в цепь первичной,
повышающей обмотки или в цепь высокого
напряжения можно разорвать какую-либо
из этих цепей при вынутом стабилитроне
и, снимая этим с конденсатора фильтра
выпрямленное напряжение, защитить
конденсатор от возможного пробоя, т.к.
при отсутствии стабилитрона напряжение
на нем может достичь опасной величины.

Обозначения
стабилитронов состоят из трех элементов:
букв СГ (стабилитрон газовый), порядкового
номера прибора и буквы, характеризующей
конструкцию стабилитрона, С — стеклянный,
П — пальчиковый.

Параллельный
параметрический стабилизатор
на 
стабилитроне

Применяется
для стабилизации напряжения в слаботочных
схемах, так как для нормальной работы
схемы ток через стабилитрон D1 должен
в несколько раз (3-10) превышать ток в
стабилизируемой нагрузке RL.
Часто такая схема линейного стабилизатора
применяется как источник опорного
напряжения в более сложных схемах
стабилизаторов

43.
ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ
В СОВРЕМЕННОЙ ТЕХНИКЕ
.
Назначение и применение полупроводниковых
диодов в современной технике весьма
разнообразно и зависит от вида конкретного
диода.

1 Высокочастотные
диоды (СВЧ-диоды) – эти диоды предназначены
для работы в устройствах высокой и
сверхвысокой частоты. Они используются
для модуляции и детектирования
сверхвысокочастотных колебаний в
диапазоне сотен мегагерц. В качестве
высокочастотных обычно применяют
точечные диоды, емкость электронно-дырочного
перехода в которых составляет сотые и
десятые доли пикофарад.

2Варикапы – это
диоды, работа которых основана на
изменении емкости электронно-дырочного
перехода в зависимости прикладываемого
обратного напряжения. Эти диоды
применяются в качестве конденсаторов
с управляемой емкостью.

3Туннельные диоды
— при больших концентрациях легирующих
примесей заметно усиливается туннельный
эффект p-n-перехода. При этом в ВАХ диода
появляется участок с отрицательным
сопротивлением, что позволяет использовать
его в схемах генерации и усиления
электрических колебаний.

studfiles.net

Применение полупроводниковых диодов



Обратная связь

ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Сила воли ведет к действию, а позитивные действия формируют позитивное отношение


Как определить диапазон голоса — ваш вокал


Как цель узнает о ваших желаниях прежде, чем вы начнете действовать. Как компании прогнозируют привычки и манипулируют ими


Целительная привычка


Как самому избавиться от обидчивости


Противоречивые взгляды на качества, присущие мужчинам


Тренинг уверенности в себе


Вкуснейший «Салат из свеклы с чесноком»


Натюрморт и его изобразительные возможности


Применение, как принимать мумие? Мумие для волос, лица, при переломах, при кровотечении и т.д.


Как научиться брать на себя ответственность


Зачем нужны границы в отношениях с детьми?


Световозвращающие элементы на детской одежде


Как победить свой возраст? Восемь уникальных способов, которые помогут достичь долголетия


Как слышать голос Бога


Классификация ожирения по ИМТ (ВОЗ)


Глава 3. Завет мужчины с женщиной


Оси и плоскости тела человека — Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.


Отёска стен и прирубка косяков — Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.


Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) — В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

Лабораторная работа № 2


Цель работы: изучить работу одно- и двухполупериодых схем выпрямления, умножителей и ограничителей напряжения.

Свойство односторонней проводимости p n перехода лежит в основе работы выпрямительных диодов, используемых для выпрямления переменных (в том числе гармонических) сигналов. Простейшая схема однопо лупериодного выпрямителя приведена на рис. 2.1. Последовательно с диодом VD подключается фильтрующая емкость (конденсатор) С, а параллельно ей – сопротивление нагрузки .

 

Рис. 2.1. Электрическая схема однополупериодного выпрямителя

 

Пусть сначала на вход этой цепи подается гармоническое (синусоидальное) напряжение uвх при отключенной емкости (ключ Кл разомкнут). Тогда за счет односторонней проводимости диода на нагрузке будут выделяться только положительные полуволны (напряжение , см. временную диаграмму на рис. 2.2). Отсюда название данного выпрямителя.

 

Рис. 2.2. Временная диаграмма работы однополупериодного выпрямителя

 

Во время действия положительной полуволны входного синусоидального сигнала диод будет прямо смещенным, его дифференциальное сопротивление будет очень маленьким, поэтому через него будет протекать ток и все входное напряжение будет падать на . Во время действия отрицательной полуволны синусоиды диод будет находиться в запертом состоянии, ток через него проходить практически не будет, входное напряжение будет падать на диоде, а на оно будет практически равно нулю.

При подключении емкости С (ключ Кл замыкается) она будет во время действия восходящего участка каждой полуволны заряжаться примерно до амплитудного значения синусоиды Umax. Далее будет происходить ее частичный разряд через сопротивление до напряжения Umin (рис. 8), а во время действия следующей полуволны – снова дозаряд до Umax и т. д. Таким образом, на сопротивлении нагрузки будет иметь место практически постоянное напряжение, имеющее некоторые пульсации. Они происходят относительно некоторого среднего значения Uср = (Umax + Umin) / 2 (рис. 8). При этом через сопротивление нагрузки будет протекать соответствующий средний ток Iср = Uср / Rн.

Для характеристики этих пульсаций вводится коэффициент пульсаций kп, который в общем случае определяется по формуле:

 

kп = ΔUп / Uср, (2.1)

 

где ΔUп = Umax – Umin (рис. 2.2).

Величина пульсаций прямо пропорциональна среднему току через нагрузку Iср и обратно пропорциональна значению действующего напряжения на входе выпрямителя, частоте этого напряжения f и емкости конденсатора С.

Пульсации являются отрицательным фактором, влияющим на качество работы выпрямителя, поэтому на практике их стремятся свести к минимуму. Достигнуть этого можно, например, увеличением емкости конденсатора С и увеличением частоты входного напряжения f, поскольку они не определяют выходные электрические параметры выпрямителя.

Уменьшить величину пульсаций выходного напряжения выпрямителя и, таким образом, повысить его качество, позволяет также использование обеих полуволн синусоидального входного напряжения, сделав их одной полярности. Получить это позволяет схема двухполупериодного выпрямителя. Вариант такой схемы приведен на рис. 2.3, а соответствующие временные диаграммы ее работы – на рис. 2.4.

Рис. 2.3. Электрическая схема двухполупериодного выпрямителя Рис. 2.4. Временная диаграмма работы двухполупериодного выпрямителя

 

Схема работает по тому же принципу, что и описанный выше одно- полупериодный выпрямитель. Включение диодов VD1–VD4, показанное на рис. 2.3, позволяет преобразовать отрицательные полуволны входного напряжения в положительные, как это показано на рис. 10 (при этом ключ Кл на рис. 2.3 разомкнут).

На практике двухполупериодные выпрямители получили более широкое распространение, чем однополупериодные.

Удвоители напряжения. В последнее время радиолюбители все чаще и чаще интересуются схемами питания построенным по принципу умножения напряжения. Причин этому можно назвать много, одни из самых главных – появление на рынке малогабаритных конденсаторов большой емкости и резкое удорожание медного провода, использовавшегося при намотке трансформаторов. Немаловажно и то, что схемы с умножением напряжения позволяют значительно снизить вес и габариты аппаратуры.

Схема удвоения напряжения (схема Латура) представляет собой мостовую схему (рис. 2.5), у которой в два плеча моста включены вентили VD1 и VD2, а в два другие плеча — конденсаторы C1 и C2.

При положительном потенциале точки а вторичной обмотки трансформатора, когда э.д.с. в ней направлены вверх, будет открыт вентиль VD1 и начнется заряд конденсатора C1. При противоположном направлении э.д.с. вторичной обмотки ток заряда конденсатора C2 протекает через вторичную обмотку, конденсатор C2 и вентиль VD2.

 

VD1

 

 

 

u1 e1

a)

+ (-)

 

 

e2

 

— (+)

б)

С1 +

 

U01 Rн

 

U0

 

VD2

С2 +

 

U02

 

 

Рис. 2.5. Схема удвоения напряжения

 

 

Конденсаторы C1 и С2 соединены последовательно и разряжаются на нагрузку. Так как напряжения двух однополупериодных схем U01 и U02 сдвинуты по фазе на половину периода, то при последовательном соединении этих схем суммарное напряжение Uн изменяется с удвоенной частотой. Ток во вторично обмотке трансформатора в различные полупериоды имеет противоположное направление и постоянная составляющая тока во вторичной обмотке равна нулю.

Ограничители напряжения. Ограничители бывают по максимуму, по минимуму и двухсторонние, которые ограничивают уровень сигнала сверху и снизу. Устройство последовательных диодных ограничителей довольно простое и оно основано на ключевом свойстве полупроводникового диода: в открытом состоянии диод пропускает электрический ток, а в закрытом – электрический ток через диод не проходит.

Последовательные диодные ограничители состоят из диода (VD1), источника смещения (ECM) и сопротивления нагрузки (R1). Различие состоит в том, как подключен диод: в ограничителе по минимуму диод включен в прямом направлении, а в ограничителе по максимуму – в обратном направлении.

Рассмотрим принцип работы ограничителя по минимуму. При значении входного напряжения UВХ меньше, чем напряжение смещения ЕСМ, диод VD1 будет находиться в закрытом состоянии и напряжение на выходе UВЫХ будет соответствовать напряжению смещения. Как только входное напряжение превысит напряжение смещения, диод откроется и через него начнёт проходить электрический ток, а напряжение на выходе будет соответствовать входному напряжению.

 

Рис. 2.6. Схема последовательного ограничителя по минимуму. Рис. 2.7. Напряжения последовательного ограничителя по минимуму.

 

Принцип работы ограничителя по максимуму состоит в следующем. При значении входного напряжения UВХ меньше напряжения смещения диод VD1 находится в открытом состоянии и напряжение на выходе UВЫХ будет равным напряжению смещения. Как только входное напряжение превысит значение напряжения смещения, диод откроется и выходное напряжение будет равным входному напряжению.

 

Рис. 2.8. Схема последовательного ограничителя по максимуму. Рис. 2.9. Напряжения последовательного ограничителя по максимуму.

 

Для ограничения сигналов сверху и снизу используются двухсторонние ограничители, которые чаще всего состоят из двух последовательно включённых односторонних ограничителей.

 

Рис. 2.10. Схема последовательного двухстороннего ограничителя. Рис. 2.11. Напряжения последовательного двухстороннего ограничителя.

 

 

Принцип работы двухстороннего ограничителя заключается в следующем. Напряжение источников смещения выбирают так, чтобы в отсутствии входного сигнала диод VD2 был открыт (ЕСМ1 < ЕСМ2). Уровень ограничения напряжения по максимуму определяется напряжением смещения ЕСМ2, а уровень ограничения по минимуму – напряжением в точке соединения диодов VD1 и VD2, которое соответствует напряжению отпирания диода VD1. Диод VD1 открывается, когда напряжение на входе превышает величину напряжения ЕСМ1. При этом напряжение на выходе ограничителя примерно равно напряжению на входе, а когда входное напряжение превышает величину ЕСМ2, то диод VD2 закрывается и напряжение на выходе будет равно напряжению ЕСМ2.

Параллельные диодные ограничители.Так же как и последовательные диодные ограничители, параллельные диодные ограничители бывают по максимуму, по минимуму и двухсторонние. Основное отличие в принципе работы параллельных ограничителей от последовательных ограничителей состоит в том, что параллельные пропускают сигнал, когда диод находится в закрытом состоянии, и ограничивают, когда диод открыт.

Параллельные диодные ограничители в основном состоят из следующих элементов: источник напряжения смещения ЕСМ служит для установки уровня ограничения, сопротивление R1 создает вместе с диодом VD1 делитель напряжения и непосредственно диод VD1 выполняет роль ключевого элемента. Различие между ограничителями сверху и снизу состоит в том, как подключен диод.

Рассмотрим схему и принцип работы параллельного ограничителя по минимуму. При значении входного напряжения UВХ меньше, чем напряжение смещения ЕСМ, диод VD1 будет находиться в открытом состоянии, а так как R1 и сопротивление диода в открытом состоянии невелико, то всё напряжение будет оставаться на сопротивлении R1, а на выходе напряжение UВЫХ будет равно сумме напряжений ЕСМ и падению напряжения на диоде. Как только входное напряжение превысит напряжение смещения, диод закроется и так как сопротивление диода в закрытом состоянии очень велико, то на выходе ограничителя будет напряжение равное входному напряжению.

 

Рис. 2.12. Схема параллельного ограничителя по минимуму. Рис. 2.13. Напряжения параллельного ограничителя по минимуму.

 

 

Порядок выполнения


megapredmet.ru

типы, классификация, принцип действия, характеристики, устройство и применение

Полупроводниковые диоды широко применяются в электронике и электронной промышленности. Они используются как самостоятельно, так и в качестве p-n-перехода транзисторов и многих других устройств. Как дискретный компонент диоды являются ключевой частью многих электронных схем. Они находят множество применений, начиная от маломощных приложений до выпрямителей тока.

Что такое диод?

В переводе с греческого название данного электронного элемента буквально обозначает «два вывода». Они называются анодом и катодом. В цепи ток проходит от анода к катоду. Полупроводниковый диод является односторонним элементом, и движение тока в противоположном направлении блокируется.

Принцип действия

Устройство полупроводниковых диодов очень разное. Это является причиной того, что существует много их типов, которые различаются как по номиналу, так и по исполняемым ими функциям. Тем не менее в большинстве случаев основной принцип работы полупроводниковых диодов одинаков. Они содержат р-n-переход, который и обеспечивает их базовую функциональность.

Этот термин обычно используется по отношению к стандартной форме диода. В действительности же он применим практически к любому их типу. Диоды составляют основу современной электронной промышленности. Все – от простых элементов и транзисторов до современных микропроцессоров – базируется на полупроводниках. Принцип действия полупроводникового диода основан на свойствах полупроводников. Технология опирается на группу материалов, внесение примесей в кристаллическую решетку которых позволяет получить участки, в которых носителями заряда являются дырки и электроны.

Р-n-переход

Диод р-n-типа получил свое название потому, что в нем используется р-n-переход, который позволяет току течь только в одном направлении. Элемент обладает и другими свойствами, которые также находят широкое применение. Полупроводниковые диоды, например, способны излучать и регистрировать свет, изменять емкость и регулировать напряжение.

P-n-переход является базовой полупроводниковой структурой. Как следует из названия, он представляет собой соединение между областями p- и n-типа. Переход позволяет носителям заряда двигаться только в одном направлении, что, например, дает возможность преобразовывать переменный ток в постоянный.

Стандартные диоды обычно производятся из кремния, хотя также используется германий и другие полупроводниковые материалы, в основном для специальных целей.

Вольт-амперная характеристика

Диод характеризуется вольт-амперной кривой, которую можно разделить на 2 ветви: прямую и обратную. В обратном направлении ток утечки близок к 0, но с ростом напряжения он медленно увеличивается и при достижении напряжения пробоя начинает резко возрастать. В прямом направлении ток быстро нарастает с увеличением приложенного напряжения выше порога проводимости, который составляет 0,7 В для диодов из кремния и 0,4 В из германия. Элементы, в которых используются другие материалы, имеют другие вольт-амперные характеристики и напряжения порога проводимости и пробоя.

Диод c р-n-переходом можно рассматривать как устройство базового уровня. Он широко используется во многих приложениях – от сигнальных цепей и детекторов до ограничителей или подавителей переходных процессов в индукционных или релейных катушках и выпрямителей высокой мощности.

Характеристики и параметры

Спецификации диодов предоставляют большой объем данных. При этом точные пояснения того, что они собой представляют, не всегда доступны. Ниже приведены подробные сведения о различных характеристиках и параметрах диода, которые приводятся в спецификациях.

Материал полупроводника

Материал, используемый в р-n-переходах, имеет первостепенное значение, поскольку он влияет на многие основные характеристики полупроводниковых диодов. Наиболее широко применяется кремний, поскольку он отличается высокой эффективностью и низкими производственными издержками. Еще одним часто используемым элементом является германий. Другие материалы, как правило, применяются в диодах специального назначения. Выбор полупроводникового материала важен, поскольку от него зависит порог проводимости – около 0,6 В для кремния и 0,3 В для германия.

Падение напряжения в режиме прямого тока (U пр.)

Любая электрическая цепь, через которую проходит ток, вызывает падение напряжения, и этот параметр полупроводникового диода имеет большое значение, особенно для выпрямления, когда потери мощности пропорциональны U пр. Кроме того, электронные элементы часто должны обеспечивать небольшое падение напряжения, поскольку сигналы могут быть слабыми, но им все же необходимо преодолеть его.

Это происходит по двум причинам. Первая заключается в самой природе р-n-перехода и является результатом напряжения порога проводимости, которое позволяет току преодолеть обедненный слой. Вторая составляющая – нормальные резистивные потери.

Показатель имеет большое значение для выпрямительных диодов, по которым могут проходить большие токи.

Пиковое обратное напряжение (U обр. max)

Это наибольшее обратное напряжение, которое полупроводниковый диод может выдержать. Его нельзя превышать, иначе элемент может выйти из строя. Это не просто среднеквадратичное напряжение входящего сигнала. Каждая цепь должна рассматриваться по существу, но для простого выпрямителя с одной полуволной со сглаживающим конденсатором следует помнить, что конденсатор будет удерживать напряжение, равное пику входного сигнала. Затем диод будет подвергаться действию пика входящего сигнала в обратном направлении, и поэтому в этих условиях будет иметь место максимальное обратное напряжение, равное пиковому значению волны.

Максимальный прямой ток (U пр. max)

При проектировании электрической цепи необходимо удостовериться в том, что не превышаются максимальные уровни тока диода. По мере увеличения силы тока выделяется дополнительное тепло, которое необходимо отводить.

Ток утечки (I обр.)

В идеальном диоде обратного тока не должно быть. Но в реальных р-n-переходах он есть из-за присутствия в полупроводнике неосновных носителей заряда. Сила тока утечки зависит от трех факторов. Очевидно, что наиболее значимым из них является обратное напряжение. Также ток утечки зависит от температуры – с ее ростом он значительно повышается. Кроме того, он сильно зависит от типа полупроводникового материала. В этом отношении кремний намного лучше германия.

Ток утечки определяется при определенном обратном напряжении и конкретной температуре. Обычно он указывается в микроамперах (μA) или пикоамперах (pA).

Емкость перехода

Все полупроводниковые диоды обладают емкостью перехода. Обедненная зона представляет собой диэлектрический барьер между двумя пластинами, которые формируются на краю обедненного участка и области с основными носителями заряда. Фактическое значение емкости зависит от обратного напряжения, которое приводит к изменению переходной зоны. Его увеличение расширяет обедненную зону и, следовательно, уменьшает емкость. Этот факт используется в варакторах или варикапах, но для других применений, особенно радиочастотных, этот эффект необходимо свести к минимуму. Параметр обычно указывается в pF при заданном напряжении. Для многих радиочастотных применений доступны специальные низкоомные диоды.

Тип корпуса

В зависимости от назначения полупроводниковые диоды производятся в корпусах разного типа и формы. В некоторых случаях, особенно при использовании в схемах обработки сигналов, корпус является ключевым элементом в определении общих характеристик этого электронного элемента. В силовых цепях, в которых важно рассеивание тепла, корпус может определять многие общие параметры диода. Устройствам большой мощности необходимо иметь возможность крепления к радиатору. Небольшие элементы могут производиться в свинцовых корпусах или в качестве устройств для поверхностного монтажа.

Типы диодов

Иногда бывает полезно ознакомиться с классификацией полупроводниковых диодов. При этом некоторые элементы могут относиться к нескольким категориям.

Обращенный диод. Хотя он и не так широко используется, представляет собой разновидность элемента р-n-типа, который по своему действию очень похож на туннельный. Отличается низким падением напряжения в открытом состоянии. Находит применение в детекторах, выпрямителях и высокочастотных переключателях.

Инжекционно-пролетный диод. Имеет много общего с более распространенным лавинно-пролетным. Используется в СВЧ-генераторах и системах сигнализации.

Диод Ганна. Не относится к р-n-типу, но представляет собой полупроводниковое устройство с двумя выводами. Он обычно используется для генерации и преобразования сигналов СВЧ в диапазоне 1-100 ГГц.

Светоизлучающий или светодиод – один из наиболее популярных типов электронных элементов. При прямом смещении ток, протекающий через переход, вызывает излучение света. В них используются составные полупроводники (например, арсенид галлия, фосфид галлия, фосфид индия), и они могут светиться разными цветами, хотя первоначально ограничивались только красным. Существует множество новых разработок, которые меняют способ функционирования и производства дисплеев, примером которых являются OLED-светодиоды.

Фотодиод. Используется для обнаружения света. Когда фотон попадает на p-n-переход, он может создавать электроны и дырки. Фотодиоды обычно работают в условиях обратного смещения, при которых можно легко обнаружить даже небольшой ток, возникающий в результате действия света. Фотодиоды можно использовать для генерации электроэнергии. Иногда в качестве фотоприемников применяются элементы pin-типа.

Pin-диод. Название электронного элемента хорошо описывает устройство полупроводникового диода. У него стандартные области р- и n-типа, но между ними существует внутренняя область без примесей. Она оказывает эффект увеличения площади области истощения, которая может быть полезна для переключения, а также в фотодиодах и т. д.

Стандартный р-n-переход можно рассматривать как обычный или стандартный тип диода, который используется сегодня. Они могут применяться в радиочастотных или других низковольтных устройствах, а также в высоковольтных и высокомощных выпрямителях.

Диоды Шоттки. Имеют более низкое прямое падение напряжения, чем стандартные кремниевые полупроводники р-n-типа. При малых токах оно может составлять от 0,15 до 0,4 B, a не 0,6 В, как у кремниевых диодов. Для этого они изготавливаются не как обычно – в них используется контакт металл-полупроводник. Они широко применяются в качестве ограничителей, выпрямителей и в радиоаппаратуре.

Диод с накоплением заряда. Представляет собой разновидность СВЧ-диода, используемого для генерации и формирования импульсов на очень высоких частотах. Его работа основана на очень быстрой характеристике отключения.

Лазерный диод. Отличается от обычного светоизлучающего, поскольку производит когерентный свет. Лазерные диоды применяются во многих устройствах – от DVD и CD-приводов до лазерных указок. Они намного дешевле других форм лазеров, но значительно дороже светодиодов. Отличаются ограниченным сроком эксплуатации.

Туннельный диод. Хотя сегодня он широко не используется, ранее применялся в усилителях, генераторах и переключающих устройствах, схемах синхронизации осциллографов, когда он был эффективнее других элементов.

Варактор или варикап. Используется во многих радиочастотных устройствах. У данного диода обратное смещение меняет ширину слоя истощения в зависимости от приложенного напряжения. В этой конфигурации он действует как конденсатор с областью истощения, выполняющей роль изолирующего диэлектрика, и пластинами, образованными проводящими областями. Применяется в генераторах, управляемых напряжением, и радиочастотных фильтрах.

Стабилитрон. Является очень полезным типом диода, поскольку обеспечивает стабильное опорное напряжение. Благодаря этому стабилитрон используется в огромных количествах. Работает в условиях обратного смещения и пробивается при достижении определенной разницы потенциалов. Если ток ограничен резистором, то это обеспечивает стабильное напряжение. Широко используется для стабилизации источников питания. В стабилитронах имеют место 2 вида обратного пробоя: разложение Зинера и ударная ионизация.

Таким образом, различные типы полупроводниковых диодов включают элементы для маломощных и высокомощных применений, излучающие и обнаруживающие свет, с низким прямым падением напряжения и переменной емкостью. В дополнение к этому существует ряд разновидностей, которые используются в СВЧ-технике.

fb.ru

Где применяются полупроводниковые диоды какова их роль?

Применение диодов
[править] Диодные выпрямители
Трёхфазный выпрямитель Ларионова А. Н. на трёх полумостах

Диоды широко используются для преобразования переменного тока в постоянный (точнее, в однонаправленный пульсирующий) . Диодный выпрямитель или диодный мост (То есть 4 диода для однофазной схемы, 6 для трёхфазной полумостовой схемы или 12 для трёхфазной полномостовой схемы, соединённых между собой по схеме) — основной компонент блоков питания практически всех электронных устройств. Диодный трёхфазный выпрямитель по схеме Ларионова А. Н. на трёх параллельных полумостах применяется в автомобильных генераторах, он преобразует переменный трёхфазный ток генератора в постоянный ток бортовой сети автомобиля. Применение генератора переменного тока в сочетании с диодным выпрямителем вместо генератора постоянного тока с щёточно-коллекторным узлом позволило значительно уменьшить размеры автомобильного генератора и повысить его надёжность.

В некоторых выпрямительных устройствах до сих пор применяются селеновые выпрямители. Это вызвано той особенностью данных выпрямителей, что при превышении предельно допустимого тока, происходит выгорание селена (участками) , не приводящее (до определенной степени) ни к потере выпрямительных свойств, ни к короткому замыканию — пробою.

В высоковольтных выпрямителях применяются селеновые высоковольтные столбы из множества последовательно соединённых селеновых выпрямителей и кремниевые высоковольтные столбы из множества последовательно соединённых кремниевых диодов.
[править] Диодные детекторы

Основная статья: Детектор (электронное устройство)

Диоды в сочетании с конденсаторами применяются для выделения низкочастотной модуляции из амплитудно-модулированного радиосигнала или других модулированных сигналов. Диодные детекторы применяются почти во всех [источник не указан 639 дней] радиоприёмных устройствах: радиоприёмниках, телевизорах и т. п. Используется квадратичный участок вольт-амперной характеристики диода.
[править] Диодная защита

Диоды применяются также для защиты разных устройств от неправильной полярности включения и т. п.

Известна схема диодной защиты схем постоянного тока с индуктивностями от скачков при выключении питания. Диод включается параллельно катушке так, что в «рабочем» состоянии диод закрыт. В таком случае, если резко выключить сборку, возникнет ток через диод и сила тока будет уменьшаться медленно (ЭДС индукции будет равна падению напряжения на диоде) , и не возникнет мощного скачка напряжения, приводящего к искрящим контактам и выгорающим полупроводникам.
[править] Диодные переключатели

Применяются для коммутации высокочастотных сигналов. Управление осуществляется постоянным током, разделение ВЧ и управляющего сигнала с помощью конденсаторов и индуктивностей.
[править] Диодная искрозащита

Основная статья: Барьер искрозащиты

Этим не исчерпывается применение диодов в электронике, однако другие схемы, как правило, весьма узкоспециальны. Совершенно другую область применимости имеют специальные диоды, поэтому они будут рассмотрены в отдельных статьях.

Решение курсовой по электротехнике <a rel=»nofollow» href=»http://arhitektu.ru/devices/linear-DC46.htm» target=»_blank» >Полупроводниковые диоды</a> В плоскостных диодах p-n — переход образован двумя полупроводниками с различными токами электропроводности, причем линейные размеры перехода много больше его толщины. Площадь перехода колеблется в широких пределах: от долей мкм2 до нескольких см2, поэтому прямой ток плоскостных диодов составляет от единиц до тысяч ампер. Конструкция и вольт-амперные характеристики плоскостных диодов

touch.otvet.mail.ru

Полупроводниковый диод. Его характеристики, эквивалентная схема и конструкция. Использование диодов в современной технике

Электронно-дырочный переход активно используют в полупроводниковых устройствах, например диодах. Главная особенность этих устройств – это возможность пропускать ток только в одном направлении. Это свойство диодов активно применяют при преобразовании переменного тока в постоянный.

В идеальном полупроводнике характеристика будет иметь следующий вид:

Но с реальной характеристикой диода будет совпадать только первый квадрант, а обратный ток I0 будет иметь следующий вид:

При относительно малых значениях обратного напряжения участок 0-1 совпадает с идеальной характеристикой элемента. При увеличении обратного напряжения обратный ток будет возрастать за счет поверхностной проводимости (участок 1-2). При дальнейшем увеличении напряжения электроны будут набирать в электрическом поле значительную энергию и сжиматься с атомами в узлах кристаллической решетки, передавая ее другим электронам. Начинается лавинная генерация электронов и ток значительно возрастет на участке 3-4. Этот процесс называется пробоем диода. Этот пробой не разрушит p-n переход полупроводника, если снизить напряжение обратное на элементе, то диод снова вернется на промежуток 1-2 характеристики. Пробои могут быть:

  • Лавинный – возникает при большой площади p-n перехода и объясняется лавинным ростом количества носителей при ударной ионизации атомов;
  • Тоннельный – возникает при малой площади p-n перехода. При этом возрастет напряженность электрического поля, и электроны будут двигаться вдоль этого поля как будто бы в тоннеле, не встречая на своем пути практически никакого сопротивления.

Если ток и дальше продолжит свой рост (участок 4-5), то температура перехода резко возрастет, что приведет к его разрушению. Его сопротивление резко упадет и, как следствие, падает напряжение на нем. Произойдет тепловой пробой, что полностью выводит диод из строя.

Во избежание теплового пробоя необходимо выбирать диод так, чтоб обратное напряжение было меньше, чем напряжение пробоя Uпроб., при котором возникнет электрический пробой. На практике Uмакс. обратное, как правило, составляет около 70% от Uпроб.

Реальная характеристика зависит также и от температуры, при ее увеличении она смещается вправо (см. рисунок выше).

Обратную характеристику применяют очень активно в полупроводниковых приборах

имеющих название стабилитронов. Они выполняют функции защиты электрических цепей от перенапряжений. Более подробно мы рассмотрим стабилитроны в следующих статьях.

Прямую ветвь полупроводников тоже можно использовать для стабилизации напряжений, но довольно малых значений 0,5 – 1 В. Такие устройства носят название опорных диодов.

На электрических схемах диод имеет следующее обозначение:

Та часть полупроводника, которая имеет дырочную проводимость называется анодом, а та, которая имеет электронную – катодом. Чтоб через полупроводник протекал ток, необходимо к аноду приложить положительное напряжение, а к катоду – отрицательное.

Упрощенная вольт-амперная характеристика диода

Как мы увидели ранее – характеристика диода нелинейная. Для проведения расчетов электрических цепей, в которых присутствуют полупроводники, нелинейную часть характеристики заменяют эквивалентными линейными элементами и ведут расчет. Такая схема показана ниже:

Где: D – диод идеальный, Rпр – прямое, Rзв – обратное сопротивления полупроводника, Е – источник напряжения.

Если заменить вольт-амперную характеристику полупроводника ломаной линией, как это показано ниже:

Наклон отрезка АЕ будет соответствовать прямому сопротивлению элемента Rпр, точка встречи этого отрезка с горизонтальной осью будет определять значение источника напряжения Е. при отрицательном напряжении анода и положительном катода работать будет правая часть схемы, при обратной ситуации (анод +, катод -), будет работать левая часть схемы.

Конструкция диода

Одна из возможных конструкций диода показана ниже:

Рассмотрим одну из возможных конструкций прибора. Кристалл полупроводника 1 (например, с электронной проводимостью) размещен на металлической основе 3. На верхней части кристалла размещена примесь 2 (например индий), который обеспечивает наличие дырочной проводимости. Кристалл закрыт корпусом 4 во избежание различных механических повреждений p-n перехода.

С индиевой наплавки сделан изолированный вывод через стеклянный изолятор 5 – это анод прибора. Выводом же катода будет металлический корпус 3, которая также обеспечивает отвод тепла при работе устройства, чем защищает его от теплового пробоя и перегрева.

В свою очередь полупроводниковые элементы делят на:

  • Малая мощность – ток до 0,3 А;
  • Средняя – от 0,3 до 10 А;
  • Мощные – от 10 А;

Схемы включения диодов

Если возникнет необходимость пропускать через полупроводники токи, которые больше их номинальных, соединяют их параллельно, что позволит пропустить больший ток, но возникает необходимость использовать индуктивные делители, для выравнивания токов элементов, схема ниже:

При больших напряжениях – соединяют последовательно. Но для таких соединений необходимо применять специальных схемы коммутации, чтоб не допустить выход элементов из строя, они показаны ниже:

elenergi.ru

Применение диодов

представляет собой вольт-амперную характеристику идеального диода для прямого и обратного тока. Уравнение Шокли для идеального диода:

( )

I = IS eVD/(nVT) 1 ;

где

I— ток проходящий через диод,

IS — ток насыщения диода,

VD — напряжение на диоде,

VT — термическое напряжение диода,

n — коэффициент идеальности, известный также как коэффициент эмиссии.

Коэффициент идеальности n обычно лежит в пределах от 1 до 2 (хотя в некоторых случаях может быть выше), в зависимости от процесса изготовления и полупроводникового материала. Во многих случаях предполагается, что n примерно равно 1 (таким образом, коэффициент n в формуле опускается). Фактор идеальности не является частью уравнения диода Шокли и был добавлен для учёта несовершенства реальных переходов. Поэтому в предположении n = 1 уравнение сводится к уравнению Шокли для идеального диода.

Термическое напряжение VT приблизительно составляет 25,85 мВ при 300 K (температура, близкая к «комнатной температуре», обычно используемой в программах моделирования). Для конкретной температуры его можно найти по формуле:

kT VT = q ;

где k — постоянная Больцмана, T — абсолютная температура p-n-перехода, и q — элементарный заряд электрона.

Ток насыщения, IS, не является постоянным для каждого диода, но зависит от температуры значительно больше VT. Напряжение VD обычно уменьшается при увеличении T.

Уравнение Шокли для идеального диода( или закон диода) получено с допущением, что единственными процессами, вызывающими ток в диоде, является дрейф (под действием электрического тока), диффузия и термическая рекомбинация. Оно также полагает, что ток в p-n-области, вызванный термической рекомбинацией, незначителен.

R S T OUT

Трёхфазный выпрямитель Ларионова А. Н. на трёх полумостах

5.1. Диодные выпрямители

Диоды широко используются для преобразования переменного тока в постоянный (точнее, в однонаправленный пульсирующий). Диодный выпрямитель или диодный мост (То есть 4 диода для однофазной схемы, 6 для трёхфазной полумостовой схемы или 12 для трёхфазной полномостовой схемы, соединённых между собой по схеме) — основной компонент блоков питания практически всех электронных устройств. Диодный трёхфазный выпрямитель по схеме А. Н. Ларионова на трёх параллельных полумостах применяется в автомобильных генераторах, он преобразует переменный трёхфазный ток генератора в постоянный ток бортовой сети автомобиля. Применение генератора переменного тока в сочетании с диодным выпрямителем вместо генератора постоянного тока с щёточно-коллекторным узлом позволило значительно уменьшить размеры автомобильного генератора и повысить его надёжность.

Внекоторых выпрямительных устройствах до сих пор применяются селеновые выпрямители. Это вызвано той особенностью данных выпрямителей, что при превышении предельно допустимого тока, происходит выгорание селена (участками), не приводящее (до определенной степени) ни к потере выпрямительных свойств, ни к короткому замыканию — пробою.

Ввысоковольтных выпрямителях применяются селеновые высоковольтные столбы из множества последовательно соединённых селеновых выпрямителей и кремниевые высоковольтные столбы из множества последовательно соединённых кремниевых диодов.

Если соединено последовательно и согласно (в одну сторону) несколько диодов, пороговое напряжение, необходимое для отпирания всех диодов, увеличивается.

studfiles.net

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о