Устройство и принцип работы диода: ПРИНЦИП РАБОТЫ ДИОДА

ПРИНЦИП РАБОТЫ ДИОДА

   Все мы прекрасно знаем что такое полупроводниковый диод, но мало кто из нас знает о принципе работы диода, сегодня специально для новичков я поясню принцип его работы. Диод как известно одной стороной хорошо пропускает ток, а в обратном направлении — очень плохо. У диода есть два вывода — анод и катод. Ни один электронный прибор не обходится без применения диодов. Диод используют для выпрямлении переменного тока, при помощи диодного моста который состоит из четырех диодов, можно превратить переменной ток в постоянный, или с использованием шести диодов превратить трехфазовое напряжение в однофазовое, диоды применяются в разнообразных блоках питания, в аудио — видео устройствах, практически повсюду. Тут можно посмотреть фотографии некоторых видов диодов. 

   На выходе диода можно заметить спад начального уровня напряжения на 0,5-0,7 вольт. Для более низковольтных устройств по питанию используют диод шоттки, на таком диоде наблюдается наименьший спад напряжения — около 0,1В.

В основном диоды шоттки используют в радио передающих и приемных устройствах и в других устройствах работающих в основном на высокой частоте. Принцип работы диода с первого взгляда достаточно простой: диод — полупроводниковый прибор с односторонней проводимостью электрического тока. 

   Вывод диода подключенный к положительному полюсу источника питания называют анодом, к отрицательному — катодом. Кристалл диода в основном делают из германия или кремния одна область которого обладает электропроводимостью п — типа, то есть дырочная, которая содержит искуственно созданный недостаток электронов, друггая — проводимости н — типа, то есть содержит избыток электронов, границу между ними называют п — н переходом, п — в латыни первая буква слова позитив, н — первая буква в слове негатив. Если к аноду диода подать положительное напряжение, а к катоду отрицательное — то диод будет пропускать ток, это называют прямым включением, в таком положении диод открыт, если подать обратное — диод ток пропускать не будет, в таком положении диод закрыт, это называют обратным подключением.

 

   Обратное сопротивление диода очень большое и в схемах его принимают ка диэлектрик (изолятор). Продемонстрировать работу полупроводникового диода можно собрать простую схему которая состоит из источника питания, нагрузки (например лампа накаливания или маломощный электрический двигатель) и самого полупроводного диода. Последовательно подключаем все компоненты схемы, на анод диода подаем плюс от источника питания, последовательно диоду, то есть к катоду диода подключаем один конец лампочки, другой конец той же лампы подключаем к минусу источника питания. Мы наблюдаем за свечением лампы, теперь перевернем диод, лампа уже не будет светится поскольку диод подключен обратно, переход закрыт. Надеюсь каким то образом это вам поможет в дальнейшем, новички — А. Касьян (АКА).

   Форум для начинающих

   Форум по обсуждению материала ПРИНЦИП РАБОТЫ ДИОДА

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

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

То есть при передаче тока в одну сторону он проходит без проблем, а при передаче в другую, сопротивление многократно увеличивается

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

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

 

Конструкция диодов.

Конструктивно, полупроводниковый диод состоит из небольшой пластинки полупроводниковых материалов (кремния или германия), одна сторона (часть пластинки) которой обладает электропроводимостью p-типа, то есть принимающей электроны (содержащей искусственно созданный недостаток электронов («дырочная»)), другая обладает электропроводимостью n-типа

, то есть отдающей электроны (содержащей избыток электронов («электронной»)).

Слой между ними называется p-n переходом. Здесь буквы p и n — первые в латинских словах negative — «отрицательный», и positive — «положительный». Сторона p-типа, у полупроводникового прибора является анодом (положительным электродом), а область n-типа — катодом (отрицательным электродом) диода.

 

Электровакуумные (ламповые) диоды, представляют собой лампу с двумя электродами внутри, один из которых имеет нить накаливания, таким образом

подогревая себя и создавая вокруг себя магнитное поле.

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

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

высокоточной низковольтной технике, чем кремниевые.

 

Типы диодов:

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

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

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

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

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

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

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

• · Полупроводниковые лазеры.

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

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

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

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

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

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

Для данных диодов используют прозрачные корпуса для возможности рассеивания света. Также производят диоды, которые могут давать излучение в ультрафиолетовом, инфракрасном и других требуемых диапазонах (в основном, литографической и космической сфере).

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

Диод Шоттки. Устройство, принцип работы и основные характеристики.

Приветствую всех на сайте MicroTechnics снова! Сегодня мы продолжим курс «Основы электроники«, и героем статьи станет еще один электронный компонент, а именно

диод Шоттки. В недавних статьях мы рассматривали принцип работы и применение обычных диодов и стабилитронов:

И вот настало время диода Шоттки!

Основной отличительной особенностью этого элемента является малое падение напряжения при прямом включении (относительно обычного выпрямительного диода). Давайте разберемся, с чем же в данном случае связано это пониженное падение.

«Сердцем» диода Шоттки является не p-n переход, который образуется при соприкосновении двух полупроводников с разными типами проводимости, а так называемый барьер Шоттки. И элемент, и барьер названы так в честь немецкого физика Вальтера Шоттки, который занимался исследованием этих процессов и явлений в 1930-х годах.

Так вот барьер Шоттки — это переход между металлом и полупроводником. В обычном диоде у нас используется переход между полупроводниками p-типа и n-типа, а здесь уже совсем другая история — металл + полупроводник.

Для работы барьера Шоттки необходимо, чтобы работы выхода использующихся металла и полупроводника были различными. А работа выхода, в свою очередь, это энергия, которую необходимо сообщить электрону для его удаления из твердого тела. Рассмотрим случай, когда барьер образуется при контакте металла и полупроводника n-типа. Причем работа выхода электронов из полупроводника меньше, чем работа выхода из металла:

\phi_{П} < \phi_{М}

Возникающий ток термоэлектронной эмиссии можно рассчитать следующим образом:

j = (1 \medspace — < R>) \medspace A \medspace T^2 \medspace e^{-\phi / kT}

Здесь нам важно заметить, что поскольку \phi_{М} > \phi_{П}, то, напротив, j_{М} < j_{П}. В результате этого при контакте металла и полупроводника в пограничной области буду скапливаться заряды:

Иными словами, из-за того, что работа выхода из полупроводника меньше, то электронам проще перейти из него в металл, чем наоборот, в обратном направлении. Но как и для p-n перехода этот процесс не будет протекать бесконечно. Эти заряды создадут дополнительное электрическое поле в граничной области, и, в результате, под действием этого поля токи термоэлектронной эмиссии выравняются.

Как видите, в целом, процессы, протекающие в барьере Шоттки, по своей сути очень похожи на то, что происходит в p-n переходе при контакте двух полупроводников. При подключении внешнего напряжения возникает дополнительное поле, которое смещает баланс токов в пограничной области.

Несмотря на некую схожесть процессов ключевым отличием является то, что в диоде Шоттки протекание тока как при прямом смещении, так и при обратном, связано исключительно с перемещением основных носителей заряда. То есть по сравнению с p-n переходом отсутствует диффузионная составляющая тока, которая связана с инжекцией неосновных носителей. А это, в свою очередь, приводит ко второй важнейшей отличительной особенности диодов Шоттки — повышенному быстродействию (поскольку отсутствуют рекомбинационные и диффузионные процессы).

Как вы помните, при прямом смещении в обычном диоде в полупроводниковых областях накапливаются неосновные носители заряда — дырки в n-области и электроны в p-области:

Так вот в момент перехода диода в закрытое состояние (при подаче обратного смещения) неосновные носители начинают перемещаться навстречу друг другу, что приводит к возникновению кратковременного импульса обратного тока. Для диодов Шоттки же этот негативный и нежелательный эффект фактически сводится на нет!

Итак, суммируем все, что мы рассмотрели, и построим вольт-амперную характеристику диода Шоттки и обычного выпрямительного диода:

А теперь резюмируем плюсы и минусы этих элементов:

• Первое преимущество — меньшее падение напряжения при прямом включении. Для диодов Шоттки оно может составлять 0.2-0.4 В, тогда как для обычных кремниевых диодов величина равна 0.6-0.7 В. А меньшее напряжение при одинаковом токе — это меньшая рассеиваемая мощность, то есть диод Шоттки будет нагреваться гораздо меньше.
• Быстродействие — бесспорный плюс, который позволяет использовать диоды Шоттки на более высоких частотах.
• Из сравнения вольт-амперных характеристик мы можем заметить, что обратный ток обычного диода имеет меньшую величину. Это уже относится к недостаткам диодов Шоттки. Причем с повышением температуры обратный ток будет увеличиваться еще больше.
• И еще один недостаток — при превышении максимально допустимого значения обратного напряжения диод Шоттки выходит из строй с вероятностью равной 100%. В то же время обычный диод может перейти в режим обратимого пробоя (лавинного или туннельного) в том случае, если для него не произошел тепловой пробой (также необратимый). И при этом максимально допустимые значения обратного напряжения для диодов Шоттки почти всегда значительно меньше, чем для обычных диодов!

А теперь давайте проведем несколько практических экспериментов. Протестируем две аналогичные схемы на работу с сигналами высокой частоты. Только в одной схеме задействуем диод Шоттки, а в другой обычный выпрямительный диод и сравним осциллограммы сигналов на выходе.

На принципиальных схемах диод Шоттки обозначается так:

Тесты будем проводить на простой схеме однополупериодного выпрямителя:

Для эксперимента я взял диод Шоттки 10BQ015 и выпрямительный диод 1N4001. Попробуем подать на вход синусоиду с частотой 1 КГц:

Первый канал (желтый) — сигнал на входе
Второй канал (красный) — сигнал на выходе цепи с диодом Шоттки
Третий канал (синий) — сигнал на выходе цепи с обычным диодом

Результат вполне ожидаем. Диоды пропускают ток только в одном направлении, поэтому нижний полупериод входного сигнала срезается. Пока разницы, честно говоря, никакой не наблюдается. Увеличиваем частоту входного сигнала до 100 КГц:

Первый канал (желтый) — сигнал на входе
Второй канал (красный) — сигнал на выходе цепи с диодом Шоттки
Третий канал (синий) — сигнал на выходе цепи с обычным диодом

И здесь уже видим, что обычный диод с таким сигналом попросту перестает справляться. При переключении диода (из открытого состояния в закрытое) возникает нежелательный импульс обратного тока (в точности так, как мы и обсудили чуть ранее).

Итак, мы рассмотрели устройство, основные характеристики и принцип работы диода Шоттки. Давайте на этом и завершим сегодняшнюю статью, всем большое спасибо за уделенное время и до встречи в новых статьях!

Принцип устройства и работы электро-вакуумных приборов

Главное назначение диодов — выпрямление переменного тока. Иногда диоды применяются для генерации шумов, т. е. беспорядочно изменяющихся токов и напряжений, для ограничения электрических импульсов и т. д.

Диод имеет два электрода в стеклянном, металлическом или керамическом баллоне с вакуумом. Один электрод — это накаленный катод, служащий для эмиссии (испускания) электронов. Другой электрод. — анод — принимает электроны, испускаемые катодом. Катод и анод вакуумного диода аналогичны эмиттеру и базе полупроводникового диода. Анод притягивает электроны, если он имеет положительный относительно катода потенциал. Между анодом и катодом образуется электрическое поле, которое при положительном потенциале анода является ускоряющим для электронов. Электроны, вылетающие из катода, под действием поля движутся к аноду.

Простейший катод делают в виде проволочки, которая накаливается током. Такие катоды называют катодами прямого или непосредственного накала. Большое распространение получил катод косвенного накала (подогревный). Это металлический цилиндр, поверхность которого покрыта активным слоем, эмитирующим электроны. Внутри цилиндра находится подогреватель в виде проволочки, накаливаемой током. В наиболее распространенной цилиндрической конструкции диода (рис. 15.1) анод имеет форму цилиндра.

Цепи диода с катодом косвенного накала показаны на рис. 15.2. Основной является анодная цепь (цепь анода). В нее входят анодный источник Е_аи пространство между анодом и катодом.

Все электроны, вылетающие из катода, образуют ток эмиссии

I_e = Nq, (15.1)

где N — число электронов, вылетающих за 1 с; q — заряд электрона.

Между анодом и катодом образуется отрицательный заряд, называемый объемным или пространственным и препятствующий движению электронов к аноду. При недостаточном положительном потенциале анода не все электроны могут преодолеть действие объемного заряда и часть их возвращается на катод.

Электроны, ушедшие с катода безвозвратно, определяют катодный ток (ток катода), обозначаемый I_к или i_K:

i_K = nq<I_e, (15. 2)

где п — число электронов, ушедших за 1 с с катода и не возвратившихся.

Рис. 15.1. Цилиндрическая конструкция электродов диода

 

Рис. 15.2. Цепи диода с катодом косвенного накала

 

Рис. 15.3. Упрощенные схемы с диодами

 

Чем выше потенциал анода, тем больше электронов преодолевает объемный заряд и уходит к аноду, т. е. тем больше катодный ток.

Поток электронов, летящих от катода к аноду и попадающих на анод, называют анодным током (током анода). Он протекает в анодной цепи и обозначается I_а или i_a В диоде катодный и анодный токи равны друг другу:

i_a = i_к.(15.3)

Анодный ток является главным током электронной лампы. Электроны этого тока движутся внутри лампы от катода к аноду, а вне лампы — от анода к плюсу анодного источника, затем внутри него и от минуса источника к катоду лампы.

При изменении положительного потенциала анода изменяется катодный ток и равный ему анодный ток. В этом заключается электростатический принцип управления анодным током.

Если потенциал анода отрицателен по отношению к катоду, то поле между анодом и катодом тормозит электроны, вылетающие из катода, и возвращает их на катод. В этом случае катодный и анодный токи равны нулю.

Основное свойство диода — способность проводить ток в одном направлении. Электроны могут двигаться только от накаленного катода к аноду, имеющему положительный потенциал. Если же на аноде отрицательный относительно катода потенциал, то диод заперт, т. е. он размыкает цепь. Такой анод отталкивает электроны, а сам он не накален и не испускает электронов. Диод обладает односторонней проводимостью и подобно полупроводниковому диоду может выпрямлять переменный ток. В отличие от полупроводникового диода в вакуумном при обратном напряжении обратный ток практически отсутствует.

Анодный ток составляет доли миллиампера в самых маломощных диодах, применяемых в радиоприемниках или измерительной аппаратуре. В более мощных диодах (кенотронах), работающих в выпрямительных установках для питания аппаратуры, анодный ток достигает сотен миллиампер и более.

Разность потенциалов между анодом и катодом называют анодным напряжением (напряжением анода) и обозначают U_a или u_а.

В практических схемах, когда в анодную цепь включена нагрузка, на которой падает часть напряжения анодного источника, анодное напряжение меньше E_а. Нередко возникают ошибки от того, что напряжение анодного источника E_а неправильно называют анодным напряжением. Но они равны только в том случае, когда зажимы анодного источника непосредственно присоединены к аноду и катоду лампы (см. рис. 15.2). Положительное анодное напряжение у маломощных диодов составляет доли вольта или единицы вольт. У кенотронов средней мощности оно достигает десятков вольт, а у мощных кенотронов сотен вольт и более.

Условились принимать потенциал катода за нулевой, так как от катода электроны начинают свое движение. Потенциал любого электрода определяют относительно катода. У катода прямого накала за точку нулевого потенциала принимают минус источника накала.

Второй цепью диода является цепь накала. Она состоит из источника E_н и подогревателя (или катода прямого накала). Ток накала обозначают I_н, а напряжение накала, т. е. напряжение между выводами подогревателя (или катода прямого накала), обозначают U_н. Напряжение накала всегда низкое — единицы, реже десятки вольт. Ток накала у маломощных ламп составляет десятки миллиампер, а у мощных — до десятков и даже сотен ампер. Во многих схемах вывод катода соединяют с корпусом (рис. 15.3, а, б) аппаратуры.

Основные аннотации по теме ламповой схемотехники

 

Диоды: описание, подключение, схема, характеристики

Содержание

• Принцип работы
• Разновидности, назначения и примеры использования
• Вывод
• FAQ

---

Принцип работы

Диод — один из элементарных “кирпичиков”, который несмотря на свою принципиальную простоту, настолько разнообразен в исполнении и широте применения, что без него не обходится ни одно из электронных устройств, даже радикально отличающихся друг от друга. А профессия у него самая понятная: пропускать ток в одном направлении и не пропускать в обратном, на этом все. Широкими мазками устройство диода можно объяснить и изобразить так:

Внутри корпуса находятся два электрода из разных материалов, один из них имеет недостаток электронов (так называемый P-тип), другой избыток (P-тип). Между ними имеется граница (P-N переход). Граница эта становится либо проводником, когда плюс напряжения подается на анод диода, либо диэлектриком, когда плюс подается, соответственно, на катод. Вот и все что нам нужно пока знать, если не хотим вдаваться в подробности конструкции и химического состава электродов.

---

Разновидности и назначения

Простота принципа работы вовсе не значит, что диод — узкоспециализированное устройство, годное лишь показать пару трюков. Вот не самая полная таблица разновидностей диодов по конструктивному типу.

Кратко рассмотрим лишь некоторые из них, которые чаще всего используются в DIY-изделиях.

Диод универсальный. Он же диод выпрямительный. Исполняет титульные диодные обязанности: пропускает сквозь себя ток только в одном направлении. В современном виде для маломощной электроники выглядит как одноцветный (чаще — черный) цилиндр с поперечной полосой со стороны катода.

В SMD исполнении они еще компактнее. Полоска присутствует тоже со стороны катода.

Силовые же диоды, рассчитанные на большие токи, особенно советского производства, выглядят намного суровее и запросто могут быть использованы в качестве холодного оружия. Анод, в данном случае, расположен со стороны “хвоста”.

Одно из частых применений: “выпрямление” тока, то есть его преобразование из переменного в постоянный. Для этого четыре диода собираются в несложную схему, называемую в народе “диодный мост”.

Диоды отправляют на плюс только положительные фазы напряжения каждого из входящих электродов, на выходе получается постоянный ток, остается лишь его немного сгладить и привести к нужному вольтажу.

Защитная функция. Тут все понятно, не допускает случайной переполюсовки, то есть при подключении питания “наоборот” дальнейшая схема не пострадает.

Защита от индуктивности. Многие потребители тока грешат наличием так называемой индуктивности, то есть в случае отключения питания некоторое время “тормозят”, продолжая по инерции вырабатывать ток самостоятельно, причем в обратном направлении. Ярким примером считается электромотор, будучи раскрученным и отключенным, он превращается в генератор, и пока ротор вращается, в сеть отправляется вполне ощутимый ток. Индуктивностью обладают очень многие устройства и элементы, даже не имеющие механически подвижных частей. Если не принять мер, индуктивный ток способен навредить элементам электрической схемы, особенно таким чувствительным, как, например, транзисторы. В роли защитника проще всего использовать наш диод, подключая его параллельно индуктивной нагрузке, но в обратном направлении.

Таким образом он пропускает только “правильный” ток, но отсекает вредный индуктивный. На заметку: диод обязателен к использованию с любыми индуктивными элементами в вашей схеме.

Диодный детектор. В симбиозе с конденсатором способен выделить сигналы определенной частоты из общей массы, что позволяет принимать амплитудно-модулированные данные. Нашел широкое применение в аналоговых радиоприемниках и телевизорах.

Одним из побочных свойств диода является падение напряжения при его использовании. Для универсального типа оно составляет порядка 0,7-0,8 В, что очень важно учитывать при проектировании. Кроме очевидных минусов, в этом можно заметить и некоторые возможности. Часть особо капризных электронных модулей требует нестандартное питание, к примеру широко известный SIMM800L, способный превратить Ардуино в сотовый телефон. Согласно даташиту напряжение на входе должно составлять от 3,4 до 4,4 В, при меньшем его работа будет нестабильна, при большем начнет перегреваться и, в конечном итоге, сгорит. Проще всего, хоть и не лучше, уменьшить вольтаж добавлением в цепь питания диода или двух, что обеспечит безопасное напряжение. То же самое рекомендуется сделать с сигнальным входом RX.

Стабилитрон. Он же диод Зенера, по фамилии изобретателя.

В отличие от универсального диода способен пропускать обратный ток, если тот превышает некоторое заранее установленное в стабилитроне значение. Будучи умышленно подключеным в обратном направлении, выполняет таким образом функцию “перепускного клапана”, сбрасывая “излишки” напряжения на минус.

В результате — при напряжении на входе выше заданного — на выходе получаем стабильное напряжение с номиналом, который установлен в стабилитроне. Это один из самых простых способов понизить напряжение до заданного, при правильном расчете мощности стабилитрона и токоограничивающего резистора. Кроме того, схема является одной из самых точных, часто используется для калибровки измерительных приборов. В продаже имеется широкий ряд диодов Зенера, отличающихся по рабочему напряжению и мощности, можно подобрать практически под любую задачу. Но необходимо помнить, что стабилитрон только ограничивает напряжение, то есть отсекает лишнее, поднять его до номинала он, конечно же, не сможет.

Для приведенного выше примера с SIMM800L данный способ добывания правильного вольтажа предпочтительней, так как напряжение будет гораздо стабильнее и точнее.

Диод Шоттки. Еще одна авторская разновидность, известная также как диод сигнальный. Внешне от универсального ничем не отличается, а на схемах изображается с характерными завитками.

В отличие от обычного универсального полупроводникового диода, Шоттке имеет два преимущества: очень высокое быстродействие и малое падение напряжения, всего 0,2-0,3 В. К недостаткам, относительно универсального, можно отнести малый максимальный вольтаж и неспособность самовосстанавливаться после пробоя.

Благодаря своим свойствам диоды Шоттке успешно используются в блоках питания, импульсных стабилизаторах напряжения, в передатчиках и приемниках цифровых сигналов, и прочих устройствах, где важна скорость и нежелательна большая потеря вольтажа.

Светодиод. Очень популярный электронный компонент. Применяется как источник света (в том числе в невидимых диапазонах), так и для индикации чего угодно. Может похвастаться очень большим количеством разновидностей по форме, размеру, мощности, яркости, цвету и так далее.

Не следует использовать светодиод для ограничения направления тока, как обычный диод, в неправильной полярности он способен молча, но быстро выйти из строя. Кроме того, он имеет очень малое внутреннее сопротивление и при прямом подключении к источнику питания даже в правильной полярности сгорит тоже быстро, правда уже со спецэффектом. Для подключения в цепь обязательно добавляется токоограничивающий резистор, номинал которого следует рассчитать в зависимости от типа светодиода и вольтажа питания. Например так.

Популярный трехцветный светодиод, это три обычных светодиода, заточенных в один корпус. И для каждого из них обязательно нужен свой резистор.

Пример подключения трехцветного светодиода с общим катодом.

Знаменитый же за последние годы адресный светодиод отличается от многоцветного лишь встроенным в него собственным микроконтроллером (ШИМ-драйвером) и пресловутыми обязательными резисторами. Все в одном микроскопическом корпусе.

Фотодиод. Как светодиод, только наоборот. Работает в двух режимах: как генератор тока и как детектор освещенности.

В первом случае, как правило, преобразует солнечный свет в электричество, правда, с небольшим КПД, в районе 20%. Во втором случае подключается в обратной полярности и способен улавливать даже очень слабые отблески света, что в ряде случае может быть полезнее, чем использование для этой цели фоторезистора.

---

Вывод

Диод — многоликий и многофункциональный элемент электроники, решающий ряд разнообразных задач — от защиты электронных схем до генерации тока из солнечного света. Здесь мы рассмотрели лишь малую часть разновидностей диодов и их назначений. Знание возможностей и различий этих простых, но важных устройств и умение применять их в реальных электронных схемах незаменимо для каждого DIY-мастера.

---

FAQ

Вопрос: можно ли использовать стабилитрон в качестве обычного диода?
Можно, если напряжение заведомо не превышает установленного в этом стабилитроне, но лучше использовать его по назначению.

Вопрос: если светодиод может сгореть при неправильной полярности, как можно заранее определить где у него плюс, где минус?
У нового светодиода ножки разной длины, длинная — это плюс (анод). Если же кто-то заранее откусил ножки, можно определить полярность по внешнему виду внутренних электродов, анод намного меньше катода. Также, по слухам, корпус светодиода со стороны анода имеет более выступающую “юбочку”, но это не точно.

Вопрос: Как проверить работоспособность универсального диода?
С помощью любого мультиметра. Включаем его в режиме омметра, соединяем красный щуп с анодом, черный с катодом, прибор должен показывать ноль. Если перекинуть щупы наоборот, прибор покажет разрыв цепи (OL в цифровых мультиметрах). Если покажет как-то иначе, значит диод испорчен.

Вопрос: какова скорость “включения” и “выключения” светодиодов?
Зависит от типа светодиода. Для обычных, которые чаще всего используются в DIY-проектах, это время составляет сотню-другую наносекунд, то есть довольно быстро, может использоваться, к примеру, для анимации и передачи данных.

для чего нужны, катоды и аноды, классификация и назначение

Диод является одной из разновидностей приборов, сконструированных на полупроводниковой основе. Обладает одним p-n переходом, а также анодным и катодным выводом. В большинстве случаев он предназначен для модуляции, выпрямления, преобразования и иных действий с поступающими электрическими сигналами.

Принцип работы:

1. Электрический ток воздействует на катод, подогреватель начинает накаливаться, а электрод испускать электроны.
2. Между двумя электродами происходит образование электрического поля.
3. Если анод обладает положительным потенциалом, то он начинает притягивать электроны к себе, а возникшее поле является катализатором данного процесса. При этом, происходит образование эмиссионного тока.
4. Между электродами происходит образование пространственного отрицательного заряда, способного помешать движению электронов. Это происходит, если потенциал анода оказывается слишком слабым. В таком случае, частям электронов не удается преодолеть воздействие отрицательного заряда, и они начинают двигаться в обратном направлении, снова возвращаясь к катоду.
5. Все электроны, которые достигли анода и не вернулись к катоду, определяют параметры катодного тока. Поэтому данный показатель напрямую зависит от положительного анодного потенциала.
6. Поток всех электронов, которые смогли попасть на анод, имеет название анодный ток, показатели которого в диоде всегда соответствуют параметрам катодного тока. Иногда оба показателя могут быть нулевыми, это происходит в ситуациях, когда анод обладает отрицательным зарядом. В таком случае, возникшее между электродами поле не ускоряет частицы, а, наоборот, тормозит их и возвращает на катод. Диод в таком случае остается в запертом состоянии, что приводит к размыканию цепи.

Электровакуумные диоды

Вакуумный диод – это устройство в виде стеклянной лампы или металлокерамического баллона. Из него откачивают воздух и помещают внутрь два электрода с нитью накаливания – проводником. Она соединяется с катодом и нагревается внешним током.

Принцип работы

У диода принцип работы основан на односторонней проводимости. В электровакуумных приборах это достигается следующим образом:

1. Нить накаливания нагревается, передавая тепло катоду, который начинает испускать электроны.
2. Анод притягивает частицы только на «плюсе».
3. Анод, подключенный к «минусу»,начнет отталкивать электроны, и тока в цепи не будет.

Благодаря принципу действия диода, основанному на управлении потоком электронов, такие устройства также называют ламповыми.

Конструкция прибора предполагает наличие выводов электродов, соединенных с контактными областями. У диода может быть два состояния: открытое и закрытое.

Полярность светодиодов

Полярность светодиодов
При неправильном включении светодиод может сломаться. Поэтому важно уметь определять полярность источника света. Полярность – это способность пропускать электрический ток в одном направлении.

Полярность моно определить несколькими способами:

• Визуально. Это самый простой способ. Для нахождения плюса и минуса у цилиндрического диода со стеклянной колбой нужно посмотреть внутрь. Площадь катода будет больше, чем площадь анода. Если посмотреть внутрь не получится, полярность определяется по контактам – длинная ножка соответствует положительному электроду. Светодиоды типа SMD имеют метки, указывающие на полярность. Они называются скосом или ключом, который направлен на отрицательный электрод. На маленькие smd наносятся пиктограммы в виде треугольника, буквы Т или П. Угол или выступ указывают на направление тока – значит, этот вывод является минусом. Также некоторые светодиоды могут иметь метку, которая указывает на полярность. Это может быть точка, кольцевая полоска.
• При помощи подключения питания. Путем подачи малого напряжения можно проверить полярность светодиода. Для этого нужен источник тока (батарейка, аккумулятор), к контактом которого прикладывается светодиод, и токоограничивающий резистор, через который происходит подключение. Напряжение нужно повышать, и светодиод должен загореться при правильном включении.

• При помощи тестеров. Мультиметр позволяет проверить полярность тремя способами. Первый – в положении проверка сопротивления. Когда красный щуп касается анода, а черный катода, на дисплее должно загореться число , отличное от 1. В ином случае на экране будет светиться цифра 1. Второй способ – в положении прозвонка. Когда красный щуп коснется анода, светодиод загорится. В ином случае он не отреагирует. Третий способ – путем установки светодиода в гнездо для транзистора. Если в отверстие С (коллектор) будет помещен катод – светодиод загорится.
• По технической документации. Каждый светодиод имеет свою маркировку, по которой можно найти информацию о компоненте. Там же будет указана полярность электродов.

Выбор способа определения полярности зависит от ситуации и наличия у пользователя нужного инструмента.

Прямое включение диода

Принцип работы УЗО

К аноду диода подают положительное напряжение, на катод – отрицательное. Что получается:

• электроны двигаются к месту p-n границы;
• сопротивление в месте перехода уменьшается, проводимость увеличивается;
• как следствие возникает прямой ток.

При соблюдении полярности диод будет считаться включенным прямо.

Прямое включение диода

Виды напряжения

Принцип работы синхронного генератора

Соответственно состояниям различают два типа напряжения: прямое и обратное. Главный определяющий параметр – сопротивление границы областей электродов.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ)

Один из ответов на вопрос о том, что такое диод, – зависимость проходящего через границу p-n тока от полярности подаваемого напряжения и его величины.

Ее показывают на графике:

• вертикальная ось – прямой и обратный ток (верхняя и нижняя часть) в Амперах;
• горизонтальная – обратное и прямое напряжение (левая и правая сторона).

Образуется кривая, показывающая значения пропускного и обратного тока.

Полупроводниковые диоды

Как работает диод полупроводник? Его работа основана на взаимодействии заряда с электромагнитным полем. Условная конструкция:

• элемент из полупроводникового материала;
• сторона, принимающая электроны, – анод, проводимость p-типа;
• катод, отдающий частицы (проводимость n-типа).

Между двумя слоями формируется граница – p-n переход.

Полупроводниковый диод

Вольт-амперная характеристика

На графике кривая имеет ветви в обеих его частях:

1. Прямая – в правой части графика. Направлена вверх, показывает возрастание прямого тока при увеличении напряжения.
2. Обратная – в левой стороне. Показывает рост обратного тока – меньше, чем прямого, поэтому ветвь расположена близко к оси напряжения.

Чем ближе ветвь к вертикальной оси справа и к горизонтальной слева, тем лучше выпрямительные свойства.

Предельные значения параметров

На графике каждого прибора есть момент, когда ток нарастает сильнее. Это зависит от устройства диода – разные материалы «открываются» при разных показателях. Ток возрастает, и происходит нагревание кристалла полупроводника.

Тепло либо рассеивается само по себе, либо отводится при помощи радиаторов. Если ток превышает допустимый параметр, проводник разрушается под воздействием высокой температуры. Поэтому по назначению диода, а также материалу определяют максимально допустимые параметры.

История появления

Работы, связанные с диодами, начали вести параллельно сразу два учёных — британец Фредерик Гутри и немец Карл Браун. Открытия первого были основаны на ламповых диодах, второго — на твердотельных. Однако развитие науки того времени не позволило совершить большой рывок в этом направлении, но дали новую пищу для ума.

Затем через несколько лет открытие диодов заново произвёл Томас Эдисон и в дальнейшем запатентовал изобретение. Однако по каким-то причинам, в своих работах применения ему на нашлось. Поэтому развитие диодной технологии продолжали другие учёные в разные годы.

Кстати, до начала 20 века диоды назывались выпрямителями. Затем учёный Вильям Генри Иклс применил два корня слов — di и odos. Первое с греческого переводится как «два», второе — «путь». Таким образом, слово «диод» означает «два пути».

Виды полупроводниковых диодов

Полупроводниковый – широкое определение, оно описывает саму идею и общее устройство. На практике существует множество узкоспециализированных разновидностей.

Выпрямители и их свойства

Иногда нужно преобразовать ток в цепи, для чего нужен диод с выпрямительными свойствами либо диодный мост. Благодаря принципу работы, переменный ток на входе прибора даст лишь одну полуволну – в открытом состоянии.

Полупроводниковые стабилитроны

Задача этих устройств – стабилизация напряжения. Как это происходит:

• в обычном состоянии у перехода высокое сопротивление, ток почти не проходит;
• если наступает пробой, проходимость увеличивается, сопротивление падает.

Устройства работают в условиях пробоя и часто применяются для профилактики перенапряжения.

Диод-стабилитрон

Диод Зенера

Часто можно встретить название «диод Зенера», что это такое? Это лишь еще одно название стабилитрона – в честь ученого Кларенса Зенера, открывшего туннельный пробой. Это эффект прохождения заряженных частиц через p-n барьер, когда перекрываются зоны электродов. Открытие позволило разработать первые стабилитроны, отсюда название.

Принцип работы детекторов

На основе обычного выпрямителя можно собрать простейший амплитудный детектор. Как устроена работа диода (например, с барьером Шоттки):

• если полупериоды выше напряжения на конденсаторе, начинается зарядка;
• как только амплитуда становится меньше его значения, диод закрывается.

Конденсатор разряжается, происходит восстановление низкочастотного сигнала.

Светодиод

В отличие от обычного прибора, СД создают оптическое излучение при прохождении тока. Это происходит при рекомбинации носителей заряда с излучением фотонов на границе электродов. Впервые эффект был открыт в 1907 году, технология продолжает совершенствоваться до сих пор.

Особенности светодиода

Спектр оптического излучения узкий – нужный цвет изначально заложен в кристалле диода. Однако диапазон может отличаться в зависимости от состава материала-полупроводника:

• зеленый – фосфид галлия;
• синий – карбид кремния;
• красный – арсенид галлия.

При этом светодиоды обладают высокой световой отдачей, спектральной чистотой, прочностью и долговечностью.

Обычные светодиоды

Туннельный

Работает на основе одноименного эффекта. При изготовлении применяют вырожденные полупроводники. Встречается в качестве усилителя.

Обращенный диод

Обладают высокими показателями обратного тока, превосходящими прямой. Отличаются низкой чувствительностью к ионизирующему излучению.

Варикап

Проще всего объяснить на примере конденсатора с переменной толщиной диэлектрического слоя. При низком напряжении на p-n переходе толщина слоя при высокой емкости мала, при высоком – слой должен увеличиваться. Для чего нужны такие диоды? Их используют как элементы с управляемой емкостью, например, в системах автонастройки частоты в радиоприборах.

Фотодиод

Устройства, в которых обратный ток возникает при попадании фотонов. По принципу действия схожи с обычным солнечным элементом.

Маркировка

Современная маркировка диодов содержит четыре элемента:

• материал изготовления;
• обозначение класса диода;
• назначение или свойства;
• номер разработки.

Например, КД202А – кремниевый (К), выпрямительный (Д) диод.

Триоды

Раньше использовались вместо транзисторов; в современной электротехнике почти не используются. Состоят из трех электродов: катода прямого либо косвенного накала, анода и сетки. В зависимости от напряжения, регулируется поток электронов, создавая эффект усилителя.

Назначение

Ниже приводятся основные области применения диодов, на примере которых становится понятно их основное назначение:

1. Диодные мосты представляют собой 4, 6 или 12 диодов, соединенных между собой, их количество зависит от типа схемы, которая может быть однофазной, трехфазной полумостовой или трехфазной полномостовой. Они выполняют функции выпрямителей, такой вариант чаще всего используется в автомобильных генераторах, поскольку внедрение подобных мостов, а также использование вместе с ними щеточно-коллекторных узлов, позволило в значительной степени сократить размеры данного устройства и увеличить степень его надежности. Если соединение выполнено последовательно и в одну сторону, то это повышает минимальные показатели напряжения, которое потребуется для отпирания всего диодного моста.
2. Диодные детекторы получаются при комбинированном использовании данных приборов с конденсаторами. Это необходимо для того, чтобы было можно выделить модуляцию с низкими частотами из различных модулированных сигналов, в том числе амплитудно-модулированной разновидности радиосигнала. Такие детекторы являются частью конструкции многих бытовых потребителей, например, телевизоров или радиоприемников.
3. Обеспечение защиты потребителей от неверной полярности при включении схемных входов от возникающих перегрузок или ключей от пробоя электродвижущей силой, возникающей при самоиндукции, которая происходит при отключении индуктивной нагрузки. Для обеспечения безопасности схем от возникающих перегрузок, применяется цепочка, состоящая из нескольких диодов, имеющих подключение к питающим шинам в обратном направлении. При этом, вход, которому обеспечивается защита, должен подключаться к середине этой цепочки. Во время обычного функционирования схемы, все диоды находятся в закрытом состоянии, но если ими было зафиксировано, что потенциал входа ушел за допустимые пределы напряжения, происходит активация одного из защитных элементов. Благодаря этому, данный допустимый потенциал получает ограничение в рамках допустимого питающего напряжения в сумме с прямым падением показателей напряжение на защитном приборе.
4. Переключатели, созданные на основе диодов, используются для осуществления коммутации сигналов с высокими частотами. Управление такой системой осуществляется при помощи постоянного электрического тока, разделения высоких частот и подачи управляющего сигнала, которое происходит благодаря индуктивности и конденсаторам.
5. Создание диодной искрозащиты. Используются шунт-диодные барьеры, которые обеспечивают безопасность путем ограничения напряжения в соответствующей электрической цепи. В совокупности с ними применяются токоограничительные резисторы, которые необходимы для ограничения показателей электрического тока, проходящего через сеть, и увеличения степени защиты.

Использование диодов в электронике на сегодняшний день весьма широко, поскольку фактически ни одна современная разновидность электронного оборудования не обходится без этих элементов.

Плюсы и минусы

Полупроводниковые диоды имеют как преимущества, так и недостатки. К первым можно отнести:

• доступность – элементы стоят недорого;
• взаимозаменяемость – при выходе из строя легко подобрать и установить аналогичный;
• высокая пропускная способность;
• простой принцип работы.

Из недостатков – уязвимость к внешним воздействиям и возможные неисправности. Это могут быть:

• обрыв перехода;
• нарушение герметичности;
• пробой перехода.

Однако устранить повреждения и заменить устройство несложно, поэтому минусы можно считать несущественными.

Основные неисправности диодов

Главная проблема, с которой сталкиваются при использовании диодов, – эффект пробоя. Есть несколько видов неисправности.

Пробой на графике ВАХ

Пробой p-n-перехода

При пробое происходит уменьшение сопротивления, образуется обратный ток. Различают лавинный пробой, которой сопровождается цепочкой прорывов, и полевой.

Электрический пробой

Главное в электрических пробоях – они обладают обратимой природой (состояние возвращается к нормальному). Это значит, что переход не повреждается. Это позволяет использовать пробой как основополагающий принцип работы – как в стабилитронах.

Тепловой пробой

Возникает при повышении температуры. Отличается возникновением необратимых повреждений: разрушается кристаллическая решетка полупроводника.

Несмотря на простоту конструкции, диод по-прежнему используется в современных устройствах. Найти ему альтернативу удается не всегда. Тем более продолжаются работы по технологическому совершенствованию диодов для различных задач.

Маркировка

Для того чтобы определить вид, узнать характеристику полупроводникового диода, производители наносят специальные обозначения на корпус элемента. Она состоит из четырёх частей.

На первом месте — буква или цифра, означающая материал, из которого изготовлен диод. Может принимать следующие значения:

• Г (1) — германий;
• К (2) — кремний;
• А (3) — арсенид галлия;
• И (4) — индий.

На втором — типы диода. Они тоже могут иметь разное значение:

• Д — выпрямительные;
• В — варикап;
• А — сверхвысокочастотные;
• И — туннельные;
• С — стабилитроны;
• Ц — выпрямительные столбы и блоки.

На третьем месте располагается цифра, указывающая на область применения элемента.

Четвёртое место — числа от 01 до 99, означающее порядковый номер разработки.

Также на корпус могут быть нанесены и дополнительные обозначения. Но, как правило, они используются в специализированных приборах и схемах.

Для удобства восприятия диоды могут маркироваться также и разнообразными графическими символами, например, точками и полосками. Особой логики в таких рисунках нет. То есть, чтобы определить, что это за диод, придется заглянуть в специальную таблицу соответствия.

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ДИОДА

23. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ДИОДА

Главным назначением двухэлектродной лампы, называемой диодом, является выпрямление переменного тока.

Диод имеет два металлических электрода в стеклянном, металлическом или керамическом баллоне с вакуумом. Одним электродом является накаленный катод, служащий для эмиссии электронов. Другой электрод – анод – служит для притяжения электронов, испускаемых катодом, и создания потока свободных электронов. Катод и анод вакуумного диода аналогичны эмиттеру и базе полупроводникового диода. Анод притягивает электроны в случае, если он имеет положительный потенциал относительно катода. В пространстве между анодом и катодом образуется электрическое поле, которое при положительном потенциале анода является ускоряющим для электронов, испускаемых катодом. Электроны, вылетающие из катода, под действием поля движутся к аноду.

В простейшем случае катод делают в виде металлической проволочки, которая накаливается током. С ее поверхности вылетают электроны. Такие катоды называют катодами прямого и непосредственного накала.

Большое распространение получили также катоды косвенного накала, иначе называемые подогревными. Катод такого типа имеет металлический цилиндр, у которого поверхность покрыта активным слоем, эмитирующим электроны. Внутри цилиндра находится подогреватель в виде проволочки, накаливаемой током.

Между анодом и катодом электроны образуют распределенный в пространстве отрицательный электрический заряд, называемый объемным или пространственным и препятствующий движению электронов к аноду. При недостаточно большом положительном потенциале анода не все электроны могут преодолеть тормозящее действие объемного заряда и часть их возвращается на катод.

Чем выше потенциал анода, тем больше электронов преодолевает объемный заряд и уходит к аноду, т. е. тем больше катодный ток.

В диоде ушедшие с катода электроны попадают на анод. Поток электронов, летящих внутри лампы от катода к аноду и попадающих на анод, называют анодным током. Анодный ток является основным током электронной лампы. Электроны анодного тока движутся внутри лампы от катода к аноду, а вне лампы – от анода к плюсу анодного источника, внутри последнего – от его плюса к минусу и затем – от минуса источника к катоду лампы. При изменении положительного потенциала анода изменяется катодный ток и равный ему анодный ток. В этом заключается электростатический принцип управления анодным током. Если потенциал анода отрицателен относительно катода, то поле между анодом и катодом является тормозящим для электронов, вылетающих из катода. Эти электроны под действием поля тормозятся и возвращаются на катод. В этом случае катодный и анодный токи равны нулю. Таким образом, основным свойством диода является его способность проводить ток в одном направлении. Диод обладает односторонней проводимостью.

Маломощные детекторные диоды выпускаются с катодами косвенного накала. Они имеют электроды небольшого размера, рассчитаны на малые анодные токи, малую предельную мощность, выделяемую на аноде, и невысокое обратное напряжение. Детекторные диоды для высоких и сверхвысоких частот делают с возможно меньшей емкостью. Более мощные диоды (кенотроны) для выпрямления переменного тока электросети выпускаются с катодами как прямого, так и косвенного накала, и рассчитаны на более высокое обратное напряжение. Широкое применение имеют двойные диоды, т. е. два диода в одном баллоне.

История, режимы работы, характеристики VI, типы и применение

Существование электронной промышленности было бы невозможно без диодов. Это простейшее полупроводниковое устройство, которое находит свое применение во всем мире электроники. В этой статье пойдет речь о том, что такое диод, его краткой истории, режимах работы, характеристиках VI, типах, применении, преимуществах и недостатках.

Что такое диод

Диод — это полупроводниковое устройство, которое позволяет току течь только в одном направлении.Диоды изготавливаются из цельного куска полупроводникового материала с двумя электродами. Полупроводник P-типа — это собственный полупроводник, легированный трехвалентной примесью, а полупроводник N-типа, легированный пятивалентной примесью, изготавливаются вместе, чтобы сформировать p-n-переход. P-тип образует анод, а n-тип — катод.

Полупроводники, такие как кремний (Si), германий (Ge) и арсенид галлия (Ga As), обладают электрическими свойствами как проводников, так и изоляторов. Их атомы тесно сгруппированы в кристаллический узор, называемый « Crystal Lattice », так как у них мало свободных электронов.

Рис. 1 — Представление PN-перехода, схематический символ и физический вид диода

Они могут проводить большое количество электричества, добавляя примеси к этой кристаллической структуре, которая производит больше свободных электронов, чем дырок, и наоборот. Эти примеси называются донорами или акцепторами . Процесс добавления примесных атомов к атомам полупроводника известен как Doping .

Кремний — наиболее часто используемый полупроводник.

Как работает диод

В p-n-переходе p-область имеет высокую концентрацию дырок и очень мало электронов. Тогда как n-область имеет высокую концентрацию электронов и мало дырок. Происходит процесс, называемый диффузией, при котором свободные электроны из n-области диффундируют в p-область, объединяясь с дырками, оставляя положительные ионы на n-стороне.

Некоторые атомы в p-области превращаются в отрицательные ионы. Точно так же несколько атомов в области n также превращаются в положительные ионы.Центральная область, где накапливается большое количество положительных и отрицательных ионов в n-области и p-области соответственно, называется Depletion Layer .

Процесс диффузии создает статическое электрическое поле на pn переходе диода, называемое « барьерный потенциал ». Барьерный потенциал препятствует потоку положительных и отрицательных ионов через соединение.

Рис. 2 — Несмещенный PN переходный диод

Для работы диодов прикладывается внешнее постоянное напряжение, помогающее потоку носителей заряда через слой истощения.Этот метод подачи внешнего постоянного напряжения называется смещением. Он настроен на прямое смещение, когда сторона P (анод) подключена к положительной клемме источника питания, а сторона n (катод) подключена к отрицательной клемме источника питания. Аналогично, если сторона n (катод) подключена к положительной клемме, а сторона p (анод) подключена к отрицательной клемме, то это называется обратным смещением.

Обычно резистор подключается последовательно с диодами для ограничения протекания тока.

Режимы работы диода

Есть два режима работы диодов в зависимости от приложенного напряжения.Это:

Что происходит, когда диод смещен в прямом направлении

При прямом смещении отрицательный вывод подключается к n-области, что заставляет электроны перемещаться в p-область. Точно так же подключение положительного вывода к p-области заставляет отверстия из p-области перемещаться в n-область.

За счет этого движения электронов и дырок образуются нейтральные атомы. Уменьшение барьерного потенциала уменьшает ширину обедненной области, и с увеличением напряжения питания большее количество атомов преобразуется в нейтральные атомы, и в этой области доступны менее заряженные ионы.Ширина области истощения дополнительно уменьшается.

Рис. 3 — Диод в прямом смещении

Преобразование атомов в нейтральные атомы продолжается до тех пор, пока область обеднения не схлопнется и, следовательно, большое количество электронов и дырок не пересечет переход, и ток будет течь от анода к катоду. Электрическое сопротивление диода с прямым смещением очень мало, и падение напряжения на нем незначительно. Значение прямого напряжения для кремниевых диодов составляет около 0.7V.

Подводя итог :

• Низкое электрическое сопротивление
• Ток течет только в состоянии прямого смещения.
• Диод действует как короткое замыкание.

Что происходит, когда диод смещен в обратном направлении

Когда диод смещен в обратном направлении , то есть когда n-область (катод) подключена к положительной клемме, а p-область (анод) подключена к отрицательной клемме, отрицательная клемма притягивает дырки из p-области, а положительная клемма притягивает электроны из n-области.

Область истощения расширяется, что препятствует прохождению тока. Сопротивление диода бесконечно, и ток не течет, когда он смещен в обратном направлении и через переход проходит небольшой ток утечки.

Рис. 4 — Диод при обратном смещении

Подводя итог :

• Электрическое сопротивление велико по сравнению с прямым смещением.
• Нет тока в состоянии обратного смещения.
• Диод работает как разомкнутая цепь.

VI-характеристики PN-переходного диода

VI-характеристики PN-переходного диода можно разделить на две части, то есть VI-характеристики при прямом смещении и обратном смещении. На рисунке ниже показаны вольт-амперные характеристики диодов.

Рис. 5 — VI Характеристики диода PN-перехода

VI Характеристики диода при прямом смещении

Нелинейная кривая показывает, что при прямом смещении pn-перехода электрическое сопротивление, импеданс низкий и проводит большой ток, известный как бесконечный ток.

В области прямого смещения характеристики VI объясняются уравнением:

Здесь V _T = KT / q

Где

• I _D = Прямой ток
• I _с = ток насыщения
• В _T = прямое напряжение
• K = 1,38 × 10 ^-23 (постоянная Больцмана)
• T = абсолютная температура
• q = 1,6 × 10 ^-19 (электронный заряд)
• n = константа и имеет значение 1 или 2, которое зависит от материала и физической структуры диодов.
  • n = 1 для кремния и германия
  • n = 2 для арсенида галлия.

VI Характеристики диода в обратном смещении

Ток в обратном смещении низкий до пробоя, поэтому диод выглядит как разомкнутая цепь. Когда входное напряжение достигает напряжения пробоя, обратный ток сильно возрастает.

Текущее значение (I _D = — I _S ) настолько мало, что мы можем приблизить его к нулю.

Следовательно, мы можем сказать, что:

• I _D ≈ 0, если –V _Z K D << -n V _T
• ∴ V _D ≈ 0.7, если I _D > 0 (прямое смещение)
• I _D ≈ 0, если — V _Z K D <0 (обратное смещение)

Типы диодов

Там — это многочисленные типы диодов, специально разработанные или модифицированные для конкретных приложений. Ниже приведен список некоторых популярных диодов.

• Стабилитроны
• Фотодиоды
• Светоизлучающие диоды
• Диоды с барьером Шоттки
• PIN-диоды
• Обратные диоды
• Диоды Барита
• Диоды Ганна
• Диоды восстановления ступени
• Туннельные диоды и т. Д.

Рис. 6 — Типы диодов

Применение диода

Диоды в основном используются в выпрямителях, клипперах, зажимах, демпфирующих схемах и регуляторах напряжения. Его несколько приложений вместе с принципиальной схемой объяснены ниже.

Использование диода в качестве выпрямителя

Преобразование входного переменного напряжения в выходное постоянное напряжение, когда переменное напряжение подается на диод, называется выпрямлением. Диоды используются по отдельности или соединяются вместе для создания различных выпрямительных схем, таких как однополупериодные и двухполупериодные выпрямители для питания и выпрямления сигналов.

Рис.7 — Схема диодного выпрямителя

Использование диода в качестве ограничителя

Ограничение — это формирование формы сигнала, при котором входной сигнал ограничивается или обрезается для получения выходного сигнала, который является плоской версией входного сигнала. . Цепи диодного ограничения используются в приложениях с ограничением напряжения, поскольку эта схема устраняет напряжения ниже нуля.

Рис. 8 — Схема ограничения диода

Использование диода для фиксации

Электронная схема, которая предотвращает превышение сигналом определенного заданного значения, называется цепью ограничения.Цепи ограничения диодов используются в качестве умножителей напряжения и для устранения искажений сигнала.

Рис. 9 — Схема зажима диода

Преимущества диода

Преимущества диодов:

• Диоды компактны по размеру и совместимы.
• Разработка электронной схемы проста с использованием некоторых диодов, таких как стабилитроны.
• Диоды помогают контролировать ток.
• Эти диоды производят меньше нежелательных шумов.
• Некоторые диоды, например диоды Шоттки, могут работать на высоких частотах.
• Светодиоды более эффективны по сравнению с другими диодами и могут излучать свет ожидаемых цветов.
• Работает с высокой скоростью переключения.

Недостатки диодов

К недостаткам диодов относятся:

• Рассеиваемая мощность больше для стабилитронов и, следовательно, менее эффективна при высоких нагрузках.
• Диоды очень чувствительны к температуре.
• В схемах на основе фотодиодов необходимо усиление.
• Светодиоды дороги по сравнению с другими диодами.
• Некоторые диоды, такие как диоды Шоттки, имеют низкое максимальное обратное напряжение.
• Они имеют высокий обратный ток и полное сопротивление.

  Также читают: 
  Что такое код CAPTCHA - как он работает, дизайн, типы, приложения 
  Что такое смарт-карта - как она работает, характеристики, типы и приложения 
  Модель OSI - Характеристики семи уровней, зачем использовать и ограничения  

Что такое диод? Конструкция и работа PN-диода

Конструкция диода, работа, типы, VI характеристики, преимущества и применение

Что такое диод?

«Di» = два и « Ode» = электроды i.е устройство или компонент, имеющий два электрода, а именно анод «+» (P) и катод «-» (N).

Диод — это двухконтактное однонаправленное устройство силовой электроники. Полупроводниковый диод — первое изобретение в семействе устройств полупроводниковой электроники. После этого изобретается много типов диодов. Но сегодня наиболее часто используемым диодом является полупроводниковый диод.

Обычно для изготовления диодов используется кремний. Но также используется другой полупроводниковый материал, такой как германий или арсенид германия.

Диод пропускает ток только в одном направлении и блокирует ток в другом. Он предлагает низкое сопротивление (в идеале нулевое) в одном направлении и высокое сопротивление (в идеале бесконечное) в другом направлении.

Символ диода

Конструкция диода

Есть два типа полупроводникового материала; Внутренний и внешний полупроводник. Собственный полупроводник — это чистый полупроводник, в котором дырка и электроны доступны в равном количестве при комнатной температуре.В внешнем полупроводнике примеси добавляются для увеличения количества дырок или количества электронов. Эти примеси бывают трехвалентными (бор, индий, алюминий) или пятивалентными (фосфор, мышьяк, сурьма).

Полупроводниковый диод состоит из двух слоев. Один слой сделан из полупроводникового слоя P-типа, а второй слой сделан из полупроводникового слоя N-типа.

Если мы добавим трехвалентные примеси в кремний или германий, появится большее количество дырок, и это будет положительный заряд.Следовательно, этот слой известен как слой P-типа.

Если мы добавим пятивалентные примеси в кремний или германий, будет присутствовать большее количество электронов, и это будет отрицательным изменением. Следовательно, этот слой известен как слой N-типа.

Диод формируется путем соединения полупроводников N-типа и P-типа вместе. Это устройство представляет собой комбинацию полупроводникового материала P-типа и N-типа, поэтому оно также известно как PN Junction Diode .

Между слоями P-типа и N-типа образуется стык.Этот переход известен как PN-переход.

Диод имеет два вывода; один вывод взят из слоя P-типа и известен как анод. Второй вывод взят из материала N-типа и известен как катод.

На рисунке ниже показана основная конструкция диода.

Работа диода

В области N-типа электроны являются основными носителями заряда, а дырки — неосновными носителями заряда. В области P-типа дырки являются основными носителями заряда, а электроны — отрицательными носителями заряда.Из-за разницы концентраций основные носители заряда диффундируют и рекомбинируют с противоположным зарядом. Делает положительный или отрицательный ион. Эти ионы собираются на стыке. И этот регион известен как область истощения.

Когда анодный вывод диода соединен с отрицательным выводом, а катод соединен с положительным выводом батареи, диод считается подключенным с обратным смещением.

Аналогично, когда анодный вывод соединен с положительным выводом, а катод соединен с отрицательным выводом батареи, диод называется подключенным с прямым смещением.

Работа диода при обратном смещении

Диод подключен с обратным смещением. В этом состоянии свободные электроны диффундируют в области P-типа и рекомбинируют с дырками. Это создаст отрицательные ионы. Точно так же дырки диффундируют в область N-типа и рекомбинируют с электронами. Это создаст положительные ионы.

Схема подключения показана на рисунке ниже.

Когда такое напряжение прикладывается к цепи, неподвижные ионы создают область обеднения, как показано на рисунке выше.Ширина области истощения велика. Следовательно, ни дырка, ни электрон больше не пересекают переход.

Он не может создать поток электронов или дырок, даже если он находится под номинальным напряжением. Следовательно, через диод невозможно протекать ток, и он ведет себя как разомкнутый переключатель.

Здесь через цепь протекает очень небольшой ток. Этот ток известен как обратный ток насыщения или обратный ток утечки. Этот ток протекает за счет неосновных носителей заряда.Этого тока недостаточно для проведения диода.

Если мы увеличим напряжение до обратного напряжения пробоя, неосновные носители заряда получат высокую кинетическую энергию и столкнутся с атомами. В этом состоянии количество разорванных ковалентных связей и огромное количество пары электрон-дырка порождает огромное количество протекающего тока.

Из-за большой силы тока диод может выйти из строя. Следовательно, в общем случае диод не подключен с обратным смещением.

Работа диода в состоянии прямого смещения

Когда анод соединен с положительной клеммой батареи, а катод соединен с отрицательной клеммой батареи, анод является положительным по отношению к катоду.И говорят, что диод подключен с прямым смещением.

Теперь постепенно увеличиваем напряжение питания. Если мы увеличим небольшое напряжение, основной носитель заряда не получит достаточной энергии, чтобы пересечь область обеднения.

В условиях прямого смещения ширина обедненной области очень мала. Если мы увеличим напряжение больше, чем напряжение прямого переключения, основной носитель заряда получит достаточно энергии, чтобы пересечь область истощения.

Для кремния напряжение прямого переключения равно 0.7 В, а для германия напряжение прямого переключения составляет 0,3 В.

Когда напряжение питания увеличивается больше, чем это напряжение, большинство носителей заряда протекает через цепь, и диод становится проводящим.

В этом режиме работы происходит очень небольшое падение напряжения. Это падение называется падением напряжения в открытом состоянии. Схема подключения этого режима показана на рисунке ниже.

VI-характеристики диода

VI-характеристика диода показывает соотношение между током диода и напряжением.Это график между напряжением и током, где напряжение находится по оси X, а ток — по оси Y.

Принципиальная схема для получения ВАХ диода показана на рисунке ниже.

Характеристика разделена на две части;

Когда напряжение не подается, ток, протекающий по цепи, равен нулю. Точка «О» показывает это состояние, при котором напряжение и ток равны нулю.

Прямое смещение

Когда материал или анод P-типа соединяется с положительной клеммой батареи, а материал или катод N-типа соединяется с отрицательной клеммой батареи, тогда диод подключается в прямое смещение.

Приложенное напряжение регулируется переменным резистором. Приложенное напряжение постепенно увеличивается. Ток не будет течь до тех пор, пока напряжение не повысится. Потому что в этом состоянии напряжения недостаточно для перемещения носителя заряда из одного слоя в другой.

Для кремния напряжение переключения составляет 0,7 В, а для германия — 0,3 В. Как только напряжение повышается выше этого уровня, напряжения достаточно для перемещения носителя заряда от одного носителя к другому.А из-за прохождения заряда через диод может течь ток.

Как показано в характеристиках, часть OP является нелинейной частью. Это показывает начальный период, когда напряжение ниже напряжения прямого переключения. Здесь ток очень маленький.

Часть PQ показывает, когда напряжение больше, чем напряжение прямого переключения. И в этом состоянии ток увеличивается линейно.

В этом состоянии диод работает как замыкающий переключатель, позволяя току течь.Для идеального диода сопротивление в открытом состоянии равно нулю, и он ведет себя как чистый проводник.

Обратное смещение

При обратном смещении материал или катод N-типа соединяется с отрицательной клеммой батареи. Этот тип подключения известен как подключение с обратным смещением.

В этом состоянии напряжение постепенно увеличивается с помощью переменного резистора. Но этого напряжения недостаточно, чтобы вызвать протекание тока.

Поскольку соединение, созданное между слоями P-типа и N-типа, имеет обратное смещение, и в этом состоянии ширина обеднения велика.Следовательно, номинального напряжения недостаточно для движения носителя заряда.

Следовательно, ток через диод не протекает. Кривая в этом режиме — OA. Как показано на графике, из-за неосновных носителей заряда будет протекать очень небольшой ток, этого тока недостаточно для включения диода.

Когда приложенное напряжение больше, чем напряжение обратного пробоя, будет течь большой ток из-за лавинного пробоя. Эта часть обозначена на графике буквой AB.

Типы диодов

Существуют разные типы диодов, и мы очень подробно объяснили каждый тип диода в предыдущем посте. Вы можете обратиться к статье о 24 типах диодов.

Преимущества диодов

Имеются следующие преимущества диодов с PN переходом по сравнению с вакуумными диодами.

• Маленький размер
• Требуется меньше места
• Малый вес
• Самый надежный в работе
• Потребление малой мощности
• Увеличенный срок службы и эффективность
• Низкое внутреннее сопротивление
• Простота установки и обслуживания
• Простая конструкция и сильный
• низкая стоимость и простота доступности

Применение диодов

Диоды используются в различных приложениях в силовой электронике.Диод представляет собой однонаправленное устройство с двумя выводами, которое позволяет пропускать ток только в одном направлении и блокирует ток в другом направлении. Благодаря этой характеристике диод используется в таких приложениях, как;

• Выпрямитель
• Схема умножителя напряжения
• Ограничитель перенапряжения
• Схема ограничителя и фиксатора
• Схема защиты от обратного тока
• Логические вентили
• Используется в солнечных панелях, чтобы избежать протекания тока в обратном направлении и используется для обхода солнечной пластины.
• Он также используется для модуляции и демодуляции сигналов связи.

Есть много других типов диодов, которые сделаны для нескольких типов диодов, таких как;

• Фотодиод используется для преобразования энергии фотонов в электрическую.
• Светоизлучающий диод используется для освещения.
• Стабилитрон используется как схема стабилизатора напряжения.
• В ВЧ цепи используется туннельный диод.
• Диод переменной емкости используется для настройки.

Похожие сообщения:

Диоды — обзор | Темы ScienceDirect

8.4.2 Диоды

Диод представляет собой двухслойный полупроводниковый прибор с двумя выводами. Когда полупроводниковые материалы n-типа и p-типа соединяются вместе, это образует PN-переход, который называется диодом. Полупроводниковый диод работает, позволяя току течь через него в одном направлении, но не в другом. Основная структура и обозначение схемы полупроводникового диода показаны на рисунке 8.34. Две клеммы называются анодом (A) и катодом (K).

Рисунок 8.34. Полупроводниковый диод

Обычный ток течет через диод от анода к катоду (электроны текут от катода к аноду). Носителями тока в полупроводниках p-типа являются дырки, а в полупроводниках n-типа — электроны. Нормальная диффузия на стыке двух материалов вызовет дрейф некоторых дырок в материал n-типа, а часть электронов — в материал p-типа.Это создает небольшой заряд на стыке, который отталкивает любую дальнейшую диффузию дырок и электронов. Заряженная область на стыке называется областью обеднения или барьерной областью. Работа диода рассматривается, когда диод смещен в прямом или обратном направлении, как показано на рисунке 8.35. Здесь прикладывается напряжение (В) и может быть измерен ток (I).

Рисунок 8.35. Работа полупроводникового диода

Типичные области применения полупроводникового диода включают выпрямление сигналов переменного тока в источниках питания, схемы пиковых детекторов, ограничение уровня сигнала (для предотвращения превышения уровня напряжения сигнала над безопасным уровнем, называемого защитой входных цепей), телекоммуникации и индуктивные цепи цепи улавливания обратной ЭДС (для снятия больших напряжений, создаваемых быстро меняющимся током в катушке индуктивности).

Когда диод смещен в прямом направлении, это уменьшает область обеднения. Если диод достаточно смещен (на достаточно высокое значение V), то начинает течь ток (I). Однако, если диод смещен в обратном направлении, это приводит к увеличению области обеднения и предотвращает протекание тока.

Идеальный диод проводит только тогда, когда диод смещен в прямом направлении, и тогда падение напряжения на диоде (Vd) равно нулю. Когда идеальный диод смещен в обратном направлении, ток не течет.

В реальном диоде, когда диод смещен в прямом направлении, на диоде имеется конечное падение напряжения (Vd): примерно 0,6 В для кремниевого диода и примерно 0,4 В для германиевого диода. Если приложенное напряжение ниже этого значения, ток не будет протекать. Когда реальный диод смещен в обратном направлении, будет небольшой, но конечный ток утечки. Вольт-амперная характеристика кремниевого диода показана на рисунке 8.36.

Рисунок 8.36. Характеристики полупроводникового диода (шкалы с прямым смещением и обратным смещением не равны)

При прямом смещении уравнение диода определяется следующим образом:

I = Is⋅ (ур.v / KT-1)

где I — ток, протекающий в диоде, Is — ток насыщения или утечки (обычно порядка 10 ^–14 A), V — напряжение на диоде (т. е. V _d ), q — заряд электрона, k — постоянная Больцмана, а T — абсолютная температура (в градусах Кельвина). Для схемы, работающей при температуре около 20 ° C, kT / q обычно принимается равным 25 м В.

Варианты полупроводникового диода, обычно встречающиеся в электронных схемах, включают стабилитрон, светоизлучающий диод (LED) и фотодиод.

Если напряжение обратного смещения превышает максимальное значение, напряжение пробоя диода будет проводить ток, и чрезмерный ток может вывести устройство из строя. Это называется лавинным срывом. Также может иметь место вторая форма пробоя, туннельный пробой (или пробой Зенера).

Стабилитрон имеет управляемое обратное напряжение пробоя. Туннелирование или пробой стабилитрона происходит при превышении управляющего напряжения. Символ стабилитрона показан на рисунке 8.37. Стабилитрон используется в таких приложениях, как источники питания и цепи опорного напряжения.

Рисунок 8.37. Символ стабилитрона

Светодиод — это диод, который заставляет устройство излучать свет, когда через него протекает ток (с прямым смещением). Доступные цвета: красный, зеленый, оранжевый, синий и белый. Символ светодиода показан на Рисунке 8.38.

Рисунок 8.38. Символ светодиода

Типичное применение светодиода показано на Рисунке 8.39. Здесь светодиод подключен к напряжению источника питания схемы и используется для индикации наличия питания в схеме. Напряжение питания +5 В постоянного тока.Прямое падение напряжения на светодиоде составляет 2 В (фактическое значение зависит от конкретного светодиода), а прямой ток для стандартных светодиодов составляет 20 мА (фактическое значение зависит от конкретного светодиода). Чтобы подключить светодиод к источнику +5 В, ток, протекающий через диод, должен быть ограничен резистором подходящего номинала.

Рисунок 8.39. Работа светодиода

Фотодиод можно использовать для измерения силы света, поскольку он производит ток, зависящий от количества света, падающего на pn переход.

PN Принцип работы соединительного диода

PN Принцип работы диода соединения:

Принцип работы диода с переходным соединением PN объясняет способность пропускать значительный ток при прямом смещении и блокировать ток при обратном смещении. Таким образом, его можно использовать как выключатель; горит при прямом смещении и не горит при обратном смещении. В Принципе работы PN Junction Diode соединительные выводы из медного провода превращаются в электронное устройство, известное как диод .

Обозначение схемы (или графический символ) для диода — это стрелка и полоса (рис. 2-2). Стрелка указывает обычное направление тока, когда диод смещен в прямом направлении (от положительной клеммы через устройство к отрицательной клемме). Сторона p диода всегда является положительной клеммой для прямого смещения и называется анодом . Сторона n, называемая катодом , является отрицательной клеммой, когда устройство смещено в прямом направлении.

Принцип работы PN Junction Diode говорит о том, что он может быть поврежден высоким уровнем прямого тока, вызывающим перегрев устройства. Он также может быть разрушен большим обратным напряжением, вызывающим пробой перехода. Максимальный уровень прямого тока и обратного напряжения для диодов указан в паспорте производителя. Как правило, физически большие диоды пропускают самые большие токи и выдерживают самые большие обратные напряжения. Маленькие диоды ограничены низкими уровнями тока и низкими обратными напряжениями.

На Рис. 2-3 показан внешний вид диодов с низким, средним и высоким током. Корпус слаботочного устройства на рис. 2-3 (а) может иметь длину всего 0,3 см, поэтому катод обычно обозначается цветной полосой. Этот тип диода обычно способен пропускать максимальный прямой ток около 100 мА. Он также может выдерживать обратное смещение около 75 В без пробоя, а его обратный ток при 25 ° C обычно составляет менее 1 мкА.

Среднетоковый диод, показанный на рис.2-3 (b) обычно могут пропускать прямой ток около 400 мА и выдерживать более 200 В обратного смещения. Выводы анода и катода могут быть обозначены символом диода на боковой стороне устройства.

Слаботочные и среднетоковые диоды обычно монтируют путем пайки соединительных выводов к клеммам. Мощность, рассеиваемая в устройстве, уносится конвекцией воздуха и теплопроводностью по соединительным проводам. Сильноточные диоды или силовые диоды [рис. 2-3 (c)], выделяют много тепла.Так что конвекции воздуха было бы совершенно недостаточно. Такие устройства предназначены для механического подключения к металлическому радиатору. Силовые диоды могут пропускать прямой ток величиной много ампер и выдерживать обратное смещение в несколько сотен вольт.

Переходный диод

pn и принцип его работы

Диод с pn переходом — это монокристаллический полупроводниковый прибор с двумя выводами, одна сторона которого легирована акцепторами, а другая — донорами. При легировании акцептором образуется полупроводник p-типа, а при легировании донорами образуется полупроводник n-типа.Таким образом, в диоде образуется pn переход.

Образование p-n-перехода в монокристалле из-за легирования материалом p-типа и n-типа показано на рисунке ниже.

На приведенном выше рисунке левая сторона кристалла относится к p-типу, а правая сторона — к n-типу. Положительно заряженные донорные ионы в n-типе показаны обведенным знаком плюса, а отрицательно заряженные ионы-акцепторы показаны обведенным знаком минус. Обозначение схемы диода с pn переходом показано ниже.

Принцип работы pn-переходного диода

Принцип работы диода с pn переходом можно в общих чертах разделить на три категории: несмещенный pn переход, pn переход с прямым смещением и pn переход с обратным смещением.Мы обсудим каждую из них по очереди.

Несмещенный диод pn-перехода

Несмещение означает, что к клеммам pn-переходного диода не подключен источник напряжения. Разберемся с явлениями, происходящими внутри стыка.

Так как сторона p и сторона n имеют дырки и электроны в качестве основных носителей, концентрация дырок больше на стороне p, тогда как концентрация электронов больше на стороне n. Из-за этой разницы в концентрации дырки начнут диффундировать в сторону n, а электроны начнут диффундировать в сторону p.В этом процессе дырки и электроны рекомбинируют и, следовательно, нейтрализуют. В результате ионы-акцепторы около p-стороны и донорные ионы около n-стороны остаются ненейтрализованными. Этот ненейтрализованный ион вблизи pn перехода называется непокрытыми зарядами. Положительный и отрицательный незакрытые заряды создают электрическое поле на pn переходе. Направление этого электрического поля — от стороны n к стороне p. Это электрическое поле, создаваемое непокрытыми зарядами в диоде с pn переходом, называется барьерным полем.Это барьерное поле препятствует диффузии дырок и электронов, и равновесие достигается, когда сила этого барьерного поля достаточна, чтобы остановить дальнейшую диффузию дырок и электронов через pn переход. После этого диффузии основных носителей заряда не будет. Таким образом, окрестность перехода лишена каких-либо свободных зарядов, и поэтому эта область pn перехода называется областью истощения . Термин истощение сам по себе означает, что в области i истощение свободных зарядов.е. pn переход.

Разность потенциалов между pn переходом называется барьерным потенциалом . Основная причина возникновения барьерного потенциала — разделение зарядов из-за процесса диффузии. Это приводит к созданию барьерного поля и, следовательно, связанного с ним барьерного потенциала. Величина этого барьерного потенциала зависит от полупроводника, легирования и ширины обедненной области. Чем больше ширина обедненной области, тем больше будет барьерный потенциал.

Из-за этого барьерного потенциала необходимо провести работу по переносу отверстия со стороны p на сторону n. То же самое и с электроном. Если предполагается, что барьерный потенциал равен V _B , то работа, которую необходимо выполнить для переноса отверстия со стороны p на сторону n, будет равна эВ _B . Таким образом, мы видим, что существует барьерный потенциал на pn переходе диода. Значит, у нас должна быть возможность измерить это с помощью вольтметра? Если вы когда-нибудь попытаетесь измерить это напряжение, подключив провод вольтметра к клеммам диода, вы получите нулевое показание.Разве не противоречие? Верно, что существует барьерный потенциал, но в то же время верно и то, что существует контактное падение напряжения между полупроводником и металлическим контактом. Потенциал барьера точно уравновешивается контактным потенциалом на контактах металл-полупроводник на концах выводов диода. По этой причине вольтметр не может измерить барьерный потенциал диода.

Итак, в несмещенном диоде с pj переходом нет протекания тока.Это просто устройство в таком состоянии.

Диод pn-переходного смещения в прямом направлении

Диод с pn переходом называется смещенным вперед, если положительная пластина батареи подключена к стороне p, а отрицательная пластина — к стороне n. Диод с прямым смещением показан на рисунке ниже.

Поскольку стороны p и n подключены к положительной и отрицательной пластине батареи соответственно, положительная пластина будет перемещать отверстия на стороне p к стороне n и притягивать электроны на стороне n к стороне p.Точно так же отрицательная пластина будет толкать электроны на стороне n и притягивать дырки на стороне p. Таким образом, как положительная, так и отрицательная пластины создают силу для потока дырок и электронов. Если напряжение батареи больше, чем потенциал барьера, дырки и электроны будут иметь достаточно энергии, чтобы пересечь pn переход. Впоследствии через диод pn-перехода начнется протекание тока. Следует также отметить, что ширина обедненной области будет уменьшаться в условиях прямого смещения.Таким образом, в диоде с прямым смещением ток течет от анода к катоду или от стороны p к стороне n, как показано на рисунке выше.

Подводя итог, диод с прямым смещением действует как замкнутый переключатель при условии, что напряжение смещения в прямом направлении должно быть больше, чем потенциал барьера. Если напряжение прямого смещения меньше, чем потенциал барьера, энергия, передаваемая батареей электронам и дыркам, не будет достаточной для пересечения pn-перехода. Следовательно, он заблокирует ток. Таким образом, мы видим, что диод не является двусторонним устройством.Обратите внимание, что двустороннее устройство является однократным, что позволяет току течь в обоих направлениях.

Обратно смещенный диод pn-перехода

Диод с pn переходом называется обратным смещением, если положительная пластина батареи подключена к стороне n, а отрицательная пластина — к стороне p. Диод с обратным смещением показан на рисунке ниже.

В условиях обратного смещения ширина области истощения увеличивается по мере того, как напряжение батареи отодвигает дырки на стороне p и электроны на стороне n от перехода.Таким образом, не будет потока дырок и электронов через переход. Следовательно, через диод pn-перехода не будет протекать ток.

Но поток неосновных носителей, то есть электронов на стороне p и дырок на стороне n, остается неизменным. Следует отметить, что концентрация неосновного носителя зависит от температуры. Это термически генерируемые неосновные носители на стороне p и n. Из-за протекания неосновных носителей заряда через переход небольшой ток течет от катода к аноду.Этот ток называется током обратного насыщения. Значение обратного тока насыщения не зависит от напряжения обратного смещения, но зависит от температуры перехода. Его значение увеличивается с увеличением температуры перехода. Поток обратного тока насыщения I _s показан на рисунке выше.

Диод с обратным смещением pn-перехода действует как разомкнутый переключатель и блокирует прохождение тока от анода к катоду.

Что нужно помнить

• Диод с прямым смещением pn-перехода действует как замкнутый переключатель при условии, что напряжение прямого смещения должно быть больше, чем его барьерный потенциал.
• Ширина обедненной области уменьшается с увеличением прямого смещения.
• Диод с обратным смещением не проводит ток и, следовательно, действует как разомкнутый переключатель.
• Ширина обедненной области увеличивается с увеличением напряжения обратного смещения.
• Небольшой обратный ток течет от стороны n к стороне p в диоде с обратным смещением pn перехода или просто диоде. Этот ток называется током обратного насыщения.
• Значение обратного тока насыщения не зависит от напряжения обратного смещения.Его значение зависит от температуры перехода. Чем выше температура перехода, тем больше будет величина обратного тока насыщения.

Уравнение диода

| PVEducation

Обзор

2. I ₀ напрямую связано с рекомбинацией и, таким образом, обратно пропорционально качеству материала.
3. Неидеальные диоды включают в знаменателе показатель степени «n». N — коэффициент идеальности в диапазоне от 1-2, который увеличивается с уменьшением тока.{\ frac {q V} {k T}} — 1 \ right) $$

   где:
   I = чистый ток, протекающий через диод;
   I ₀ = «ток темнового насыщения», плотность тока утечки диода в отсутствие света;
   В = приложенное напряжение на выводах диода;
   q = абсолютное значение заряда электрона;
   k = постоянная Больцмана; и
   T = абсолютная температура (K). {\ frac {q V} {n k T}} — 1 \ right) $$

   где:
   n = коэффициент идеальности, число от 1 до 2, которое обычно увеличивается при уменьшении тока.

   Уравнение диода показано на интерактивном графике ниже. Измените ток насыщения и наблюдайте за изменением ВАХ. Обратите внимание, что, хотя вы можете просто изменять температуру и коэффициент идеальности, полученные кривые IV вводят в заблуждение. При моделировании подразумевается, что входные параметры независимы, но это не так. В реальных устройствах ток насыщения сильно зависит от температуры устройства. Аналогичным образом механизмы, изменяющие коэффициент идеальности, также влияют на ток насыщения.Температурные эффекты обсуждаются более подробно на странице «Влияние температуры».

   Изменение тока темнового насыщения изменяет напряжение включения диода. Фактор идеальности изменяет форму диода. График не соответствует фактору идеальности. Это означает, что увеличение коэффициента идеальности приведет к увеличению напряжения включения. На самом деле это не так, поскольку любой физический эффект, увеличивающий коэффициент идеальности, может существенно увеличить ток темнового насыщения, I ₀ , так что устройство с высоким коэффициентом идеальности обычно будет иметь напряжение включения ниже .

   Диодный закон для кремния показан на следующем рисунке. Повышение температуры заставляет диод «включаться» при более низких напряжениях.

   Диодный закон для кремния — ток изменяется в зависимости от напряжения и температуры. При заданном токе кривая сдвигается примерно на 2 мВ / ° C. Голубая кривая показывает влияние на ВАХ, если I ₀ не изменяется с температурой. На самом деле I ₀ быстро меняется с температурой, что приводит к синей кривой.

   Что такое диод? Определение, конструкция, работа, характеристики и типы диода

   Определение : Электронный компонент из полупроводникового материала, который позволяет проводить ток только в одном направлении, называется диодом. Это двухконтактное устройство , обычно образованное путем сплавления полупроводниковых материалов p- и n-типа, каждый из которых имеет основные и неосновные носители.

   Давайте сначала посмотрим на основное содержание этой статьи.

   Содержание: Диод

   1. Символ
   2. Строительство
   3. Рабочий
   4. Уравнение тока диода
   5. Характеристическая кривая
   6. Типы
   7. Ключевые термины

   Символ диода

   На рисунке ниже показан символ диода с PN переходом:

   
   

   Конструкция диода

   После базового определения приступим к формированию.

   Диод в своей основной форме представляет собой устройство с PN-переходом, через которое протекает ток при приложении правильного прямого потенциала. Полупроводниковые материалы p- и n-типа должны быть тщательно скомбинированы, чтобы в них содержалось контролируемое количество донорных и акцепторных примесей. В своей основной форме берется одиночная пластина кремния или германия, которая легирована пятивалентными и трехвалентными примесями в двух своих половинах. Область P обозначает легирование трехвалентной примесью, а область n означает легирование пятивалентной примесью.Или просто, мы можем объединить отдельные материалы p- и n-типа, чтобы сформировать полупроводниковый прибор.

   На приведенном ниже рисунке показана структура диода с PN переходом:

   Здесь, как мы видим, полупроводниковый материал p-типа объединен с полупроводниковым материалом n-типа, который образует переход. Этот переход известен как PN-переход. На противоположных концах прикреплены два металлических контакта, которые вместе образуют диод с PN-переходом. Материал p-типа содержит дырки в качестве основного носителя, а электроны — в качестве неосновного.Напротив, материал n-типа имеет электроны в качестве основного носителя и дырки в качестве неосновного носителя.

   Этот p-n переход представляет собой не что иное, как слой неподвижных ионов , называемый слоем истощения . Когда имеется соответствующий потенциал, в нем отмечается проводящее и непроводящее состояние.
   

   Работа диода

   Диод работает без смещения, с прямым смещением и с обратным смещением.

   Обсудим вышеупомянутое условие более подробно.Начнем с беспристрастного условия.

   • Несмещенное состояние диода :

   Когда на устройство не подается внешний потенциал или напряжение. Тогда это называется несмещенным состоянием диода.

   Приведенный ниже рисунок поможет вам лучше понять несмещенное состояние диода.

   Здесь материал p-типа сплавлен с материалом n-типа. Это слияние создает соединение. Когда на диод не подается напряжение, большинство носителей заряда i.То есть дырки со стороны p и электроны со стороны n объединяются друг с другом в переходе. Эти носители заряда при объединении генерируют неподвижные ионы, которые истощаются через переход. За счет этого на стыке образуется обедненная область.

   Здесь следует отметить, что поток носителей заряда через площадь поперечного сечения известен как диффузия. Следовательно, ток при отсутствии смещения известен как диффузионный ток .

   Разность потенциалов в области истощения порождает электрическое поле на ней.Из-за этого электрического поля дальнейшее движение основных носителей заряда не допускается. Поэтому ширина обедненной области фиксирована. Потенциал в области истощения действует как барьер для дальнейшего движения, следовательно, известный как барьер или встроенный потенциал. Однако неосновные носители по-прежнему дрейфуют через область истощения, и ток течет незначительно. Этот очень небольшой ток из-за неосновных носителей известен как дрейфовый ток .

   • Прямое смещение диода :

   В состоянии прямого смещения сторона p устройства соединена с положительной клеммой источника питания.А сторона n связана с отрицательным потенциалом аккумулятора. Таким образом, соединение будет смещено вперед.

   Ниже приведен рисунок, представляющий схему диодов с положительным смещением:

   Когда применяется прямое смещение. Отверстия на стороне p испытывают силу отталкивания от положительного вывода. Точно так же электроны отталкиваются от отрицательной клеммы источника питания. Однако первоначально основные носители с обеих сторон не перемещаются через переход из-за барьерного потенциала.

   Но, когда барьерный потенциал превышен, основной носитель заряда теперь показывает движение через переход. Это движение носителей заряда после преодоления барьерного потенциала генерирует ток. Этот ток известен как ток большинства. В тот момент, когда этот барьер удален, сопротивление, создаваемое переходом, автоматически становится равным 0. Таким образом, прямой ток теперь начинает течь через устройство.

   Примечательно, что барьерный потенциал кремния равен 0.7В, а для германия 0,3В . Таким образом, после преодоления соответствующего потенциала в случае обоих материалов прямой ток начинает течь через устройство.

   • Состояние обратного смещения диода :

   Когда мы обеспечиваем внешний потенциал устройства таким образом, чтобы сторона p была подключена к отрицательной клемме источника питания. И сторона n соединена с положительной клеммой. Тогда говорят, что устройство имеет обратное смещение.

   На рисунке ниже показано расположение диода с PN переходом с обратным смещением:

   При приложении обратного потенциала отверстия со стороны p испытывают притяжение со стороны отрицательной клеммы.И электроны на стороне n испытывают притяжение от положительной клеммы источника питания. Из-за этого большинство носителей, присутствующих на обеих сторонах, движутся в направлении от стыка. Это увеличивает ширину обедненной области и, следовательно, потенциальный барьер увеличивается.

   Переводит устройство в непроводящее состояние. Однако из-за присутствия неосновных носителей как на стороне p, так и на стороне n протекает очень небольшой ток. Этот небольшой ток через устройство известен как обратный ток утечки.Этот обратный ток не зависит от барьерного потенциала и зависит только от температуры и конструкции устройства.
   

   Уравнение тока диода

   Ток диода определяется следующим соотношением:

   : I _D = ток диода

   I _S = ток обратного насыщения

   В _D = напряжение на устройстве

   T _K = температура в Кельвинах

   К = 11600 / ƞ

   ƞ = коэффициент идеальности колеблется от 1 до 2

   С,

   Мы также можем написать,

   или

   Таким образом, при подстановке указанного выше значения в основное уравнение.Получаем,

   Это упрощенное уравнение тока диода.
   

   Характеристическая кривая диода

   На приведенном ниже рисунке показана характеристическая кривая диода с PN переходом в прямом и обратном смещении:

   Область A представляет собой кривую для диода с прямым смещением. В то время как область B показывает кривую для диода с обратным смещением.

   Будем считать, что диод изготовлен из кремниевого материала. Следовательно, внешний потенциал, необходимый для преодоления барьерного потенциала, равен 0.7V в его корпусе. Таким образом, мы можем видеть в области прямого смещения, быстрое увеличение тока наблюдается после 0,7 вольт. Это называется напряжением колена, после которого барьерный потенциал полностью снимается, и устройство начинает проводить ток.

   Теперь перейдем к области B, которая представляет состояние устройства с обратным смещением. Как мы уже обсуждали, в случае обратного смещения ширина обедненной области очень велика, как и барьерный потенциал. Таким образом, кривая представляет собой обратный ток насыщения, который течет только из-за движения неосновных носителей заряда через устройство.Этот обратный ток составляет всего менее 1 микроампер для кремниевого устройства.

   Еще один примечательный момент заключается в том, что при номинальном обратном напряжении протекает небольшой обратный ток. Но при увеличении обратного напряжения возникает условие, вызывающее пробой перехода диода. Это вызывает немедленное увеличение обратного тока через него.
   

   Типы диодов

   В основном они характеризуются принципом действия, обеспечивая различные характеристики терминала и допускающие многократное использование.Ниже приведены различные типы диодов:

   Стабилитрон : это тип диода с PN переходом, который работает в режиме обратного смещения. Точнее можно сказать в области разбивки.

   Это в основном сильно легированный диод с PN переходом и находит свое применение в регулировании напряжения, защите счетчиков, а также в операциях переключения и ограничения.

   Туннельный диод : Туннельный диод, также известный как диод Эсаки, представляет собой плотно легированное устройство с высокой проводимостью.Концентрация примесей в нем меняется в зависимости от нормального диода с PN переходом. Он основан на принципе туннелирования и показывает характеристики отрицательного сопротивления.

   Как показывает быстрый отклик, широко используется в качестве усилителя и генератора. Поскольку это слаботочное устройство, широко не используется.

   PIN-диод : это трехслойное устройство, в котором внутренняя область зажата между p и полупроводником n-типа. Поскольку внутренний слой обеспечивает высокое удельное сопротивление, он обеспечивает ключ для обработки небольших входных сигналов.

   Они широко используются в микроволновых и радиолокационных устройствах.

   Варакторный диод : Он также известен как варикап-диоды, что представляет собой слово, состоящее из комбинации переменного конденсатора. Это диод с обратным смещением, режим работы которого зависит от переходной емкости. Они широко используются в высокочастотных приложениях.

   Фотодиод : Фотодиод — это устройство, которое генерирует ток, когда соответствующая область подвергается воздействию света. Он также работает в режиме обратного смещения.Они широко используются в приложениях обнаружения, демодуляции, коммутации и кодирования.

   LED : LED — это сокращенная форма светодиодов. Это устройство, излучающее некогерентный свет из-за приложенного электрического поля. Это диод с прямым смещением. Светодиоды широко используются в цифровых часах, мультиметрах, охранной сигнализации и т. Д.

   Лазерный диод : Лазер — это аббревиатура, обозначающая усиление света за счет вынужденного излучения. Они специально разработаны для создания когерентного излучения.Лазерные диоды широко используются в телекоммуникациях и медицине.

   Диод Шоттки : Это не диод с PN-переходом, поскольку он образован путем слияния металла с полупроводниковым материалом n-типа. Это исключает область истощения. Они широко используются в цифровых компьютерах.
   

   Ключевые термины, относящиеся к диоду

   Барьерный потенциал : это напряжение, генерируемое на переходе в условиях смещения нуля из-за неподвижных ионов. Также известен как встроенный потенциал.

   Напряжение в колене : Напряжение прямого смещения полупроводникового устройства, которое преодолевает барьерный потенциал. После этого напряжения через переход перемещается большое количество носителей заряда. В результате через устройство протекает большой ток. Его значение составляет 0,3 В, для германия и 0,7 В, для кремния.

   Напряжение пробоя : При обратном смещении в устройстве наблюдается очень небольшой ток из-за потока неосновных носителей. Однако, если обратное напряжение увеличивается сверх определенного предела.Затем это приводит к полному разрушению соединения. Это напряжение известно как напряжение пробоя.