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.

Что такое диод и где его можно эффективно применить

Диод — олицетворяет собой радиоэлемент с двумя выводами, который работает по механизму обратного клапана. Обратный клапан пропускает воду только в одну сторону. То же самое происходит и в работе диода, он пропускает электрический ток только в одну сторону и блокирует ему дорогу в другое направление.

Каждый конец или вывод у диода имеет свое название: анод и катод. Суть механизма работы диода заключается в том, что он всегда пропускает ток только в одном направлении от анода к катоду и никогда не делает это наоборот.

Из чего состоит диод

Состоит диод из двух приваренных между собой полупроводников. Одни полупроводник состоит из кремния, смешанного с индием и играет роль анода. Другой олицетворяет смесь кремния с мышьяком, и играет роль катода.

Узнать, где у радиоэлемента находится анод, а где катод достаточно легко. Почти на всех диодах, тот конец, который считается катодом, имеет другую окраску.

Однако основу этого элемента составляет так называемый токовый переход, который находится между анодом и катодом. При напряжении открывается переход и в результате через изделие проходит прямой ток.

Виды диодов

Диоды подразделяются на полупроводниковые и не полупроводниковые.

Не полупроводниковые — это газонаполненные и ламповые.

Полупроводниковые — являются в современном мире электроники самыми востребованными на настоящий момент. Такие элементы подразделяются между собой по множественным характеристикам.

По размеру токового перехода— различаются выпрямительные, точечные и микросплавные диоды.

Выпрямительные диоды — имеют возможность эксплуатироваться в условиях влажности при значительном напряжении прямого тока. Они устанавливаются в блоках питания и выполняют роль выпрямителей переменного тока.

Точечные модели — отличаются малой площадью и участвуют в преобразовании колебаний значительной частоты.

Микросплавные диоды — по характеру применений аналогичны точечным моделям.

2. По частотному диапазону, подразделяются на элементы с высокой, низкой и сверхвысокой частотностью.
3. По области применения:
• Диодный мост или выпрямитель используется практически во всех блоках питания и автомобильных генераторах.
• В радиоприемниках и телевизорах используют разработанную схему диодов с конденсаторами или диодные детекторы.
• Для работы с высокочастотными сигналами используют диодные переключатели. Они помогают мгновенно изменять частоту высокочастотных сигналов при помощи переменного тока.
• Для защиты от скачков напряжения используют ограничительные диоды и искрозащитные.

Также выделяются параметрические, сместительные, генераторные, настоечные и умножительные радиоэлементы.

Для стабилизации напряжения требуются диоды, которые способны стабилизировать действия переменного тока. Называются эти диоды стабилитронами, и они могут при электрическом пробое сохранять свои рабочие функции.

Для оформления светящихся рекламных баннеров или вывесок используют специально разработанные светодиоды. Лампы для освещения изготовленные на основе светодиодов потребляют минимальное количество тока и считаются экономичными. Работа токового прибора зависит от номинального тока, а не от напряжения. Кроме того, они в свою очередь также подразделяются на индикаторные, с легким свечением и осветительные, они применяются в LED-лампах и фонариках.

Те диоды, проводимость у которых управляется с помощью дополнительного электрода, называют тиристорами. Они применяются для управления высокой мощностью при помощи сигнала, который подается дополнительному электроду. Они в свою очередь подразделяются на диоды, которые пропускают через себя ток в двух направлениях, поэтому их используют в цепях с переменным током и в одном направлении.

Если человек запутался в характеристиках диодов и не знает какой диод для чего приспособлен, то это легко исправить. Дело в том, что на всех диодах имеется необходимая маркировка, которую будет весьма нетрудно расшифровать.

Первый знак на маркировке будет означать заглавную букву того вещества, из которого был изготовлен диод. Например, буква К, означает что исходным материалом для изготовления был кремний.

Второй знак — означает подкласс. Например, буква С — стабилизатор, Г — генератор шумов.

Третьим знаком обычно является цифра, которая обозначает функции диода. Например, выпрямительные или импульсивные.

Четвертый знак — порядковый номер партии.

Пятый знак — классификация, к которой принадлежит данное изделие.

Использование диода с его практическим применением

Под диодами мы знаем устройство с двумя активными электродами и двумя выводами, позволяющее току проходить через него только в одном направлении. Одним из основных применений диодов является блокирование протекания тока в одном направлении и обеспечение протекания тока в другом направлении.

Ниже приведена таблица ссылок для других концепций диода, связанных с : :

Как работают диоды?

Прежде чем узнать об использовании диодов, мы должны знать, что идеальный диод заключен в пластиковый или стеклянный корпус, чтобы маркировать его катодную сторону. Диод работает двумя способами: либо с прямым, либо с обратным смещением.

ВПЕРЕД	ОБРАТНОЕ СМЕЩЕНИЕ
Ток течет от анода к катоду.	Ток течет от катода к аноду

Рассмотрим диод с P-N переходом;

Если диод находится в прямом смещении, область P-типа соединяется с положительной клеммой источника напряжения, а N-типа — с отрицательной клеммой.

Электроны будут притягиваться к этой клемме и образовывать ковалентную связь с материалом P-типа.

Так что диод PN-перехода беспрепятственно будет вести себя как короткозамкнутый.

Когда диод находится в обратном смещении, область P-типа подключается к отрицательной клемме, а область N-типа подключается к положительной клемме источника. Поскольку положительный вывод подключен к N-типу, свободные электроны притягиваются к этой области из-за наличия положительного вывода.

Применение и использование диодов

Существуют различные типы диодов, и эти диоды используются по-разному.

• Наиболее простой функцией будет преобразование переменного тока в постоянный путем удаления части сигнала. Эта функциональность сделает их выпрямителями. Они используются в электрических выключателях и в устройствах защиты от перенапряжения, потому что они могут предотвратить скачок напряжения.
• Диоды помогают в выполнении цифровой логики. Миллионы диодов используются аналогично логическим элементам и используются в современных процессорах.
• Используются для изоляции сигналов от источника питания. Например, одним из основных применений диодов является устранение отрицательных сигналов переменного тока. Это известно как демодуляция сигнала. Эта функция в основном используется в радиоприемниках в качестве системы фильтрации для извлечения радиосигналов из несущей волны.
• Также используются при создании блоков питания и удвоителей напряжения. Использование двухполупериодного выпрямителя поможет обеспечить более стабильное напряжение. Комбинация диода с конденсатором поможет умножить небольшое переменное напряжение для создания очень высокого напряжения.
• Светодиоды или светодиоды используются в датчиках, а также в лазерных устройствах и многих других световых осветительных приборах.
• Зенеровские диоды используются в качестве регуляторов напряжения, варакторы используются для электронной настройки, а варисторы используются для подавления линий переменного тока
• Диоды являются основой операционных усилителей и транзисторов.

Это были некоторые примеры использования диодов, которые можно увидеть в практическом мире. Для получения дополнительных статей по физике и важных заметок продолжайте посещать BYJU’S.

Почему нельзя прикасаться к электрооборудованию мокрыми руками? Узнайте ответ на этот вопрос, посмотрев видео.

Часто задаваемые вопросы – Часто задаваемые вопросы

Что такое диод?

Диод — это электронный компонент с двумя выводами, который проводит электричество преимущественно в одном направлении.

Помогают ли диоды преобразовать переменный ток в постоянный?

Да, диоды помогают преобразовывать переменный ток в постоянный.

Каковы два способа работы диода?

Диод работает двумя способами:

• Состояние прямого смещения
• Состояние обратного смещения

Перечислите три области применения диода.


• Светодиоды используются в датчиках и лазерных устройствах.
В качестве регуляторов напряжения используются стабилитроны
• .
• Диоды помогают в выполнении цифровой логики.

Что такое светоизлучающий диод?

Светоизлучающий диод представляет собой полупроводниковое устройство, излучающее свет при прохождении через него электричества.

Стабилитрон

— определение, работа, символ схемы, вольт-амперные характеристики, области применения и часто задаваемые вопросы

Зенеровский диод позволяет току течь не только от анода к катоду, но и в обратном направлении. Благодаря этой функциональности стабилитроны являются наиболее часто используемыми полупроводниковыми диодами. В этой статье давайте узнаем о функции стабилитронов, их конструкции, работе и многом другом.

Содержание: Стабилитрон Описание Определение стабилитрона Как работает стабилитрон при обратном смещении? Лавинный пробой стабилитрона Пробой стабилитрона в стабилитроне Лавинный пробой и пробой Зенера Символ цепи стабилитрона V-I Характеристики стабилитрона Прямые характеристики стабилитрона Обратные характеристики стабилитрона Технические характеристики стабилитрона Применение стабилитрона Часто задаваемые вопросы – Часто задаваемые вопросы

Стабилитрон Пояснение

Стабилитрон, также известный как пробивной диод, представляет собой сильно легированный полупроводниковый прибор, предназначенный для работы в обратном направлении. Когда напряжение на клеммах стабилитрона меняется на противоположное, и потенциал достигает напряжения Зенера (напряжения колена), переход разрывается, и ток течет в обратном направлении. Этот эффект известен как эффект Зенера.

Определение стабилитрона

Зенеровский диод — это сильно легированный полупроводниковый прибор, предназначенный для работы в обратном направлении.

Зенеровские диоды изготавливаются с большим разнообразием стабилитронов (Vz), а некоторые даже изготавливаются с переменным напряжением.

История стабилитронов Кларенс Мелвин Зенер (1905-1993) Кларенс Мелвин Зенер был первым, кто описал электрические свойства диода Зенера. Кларенс Зенер был физиком-теоретиком, работавшим в Bell Labs. В результате его работы стабилитрон был назван в его честь. Он впервые постулировал эффект пробоя, носящий его имя, в статье, опубликованной в 1919 г.34.

Для лучшего понимания

• Полупроводниковые приборы
• Что такое диод?

Как работает стабилитрон при обратном смещении?

Стабилитрон работает как обычный диод, когда он смещен в прямом направлении. Однако при подключении в режиме обратного смещения через диод протекает небольшой ток утечки. Когда обратное напряжение увеличивается до заданного напряжения пробоя (Vz), через диод начинает протекать ток. Ток увеличивается до максимума, который определяется последовательным резистором, после чего стабилизируется и остается постоянным в широком диапазоне приложенного напряжения.

Существует два типа поломок стабилитрона:

• • Лавинный обвал
  • Пробой Зенера

 

Лавинный пробой в стабилитроне

Лавинный пробой в обычном диоде и стабилитроне при высоком обратном напряжении. Когда к PN-переходу прикладывается высокое значение обратного напряжения, свободные электроны набирают достаточную энергию и ускоряются с большими скоростями. Эти свободные электроны, движущиеся с высокой скоростью, сталкиваются с другими атомами и выбивают больше электронов. Из-за этого непрерывного столкновения генерируется большое количество свободных электронов, в результате чего электрический ток в диоде быстро увеличивается. Это внезапное увеличение электрического тока может навсегда разрушить нормальный диод. Однако диод Зенера предназначен для работы в условиях лавинного пробоя и может выдерживать внезапные скачки тока. Лавинный пробой происходит в стабилитронах при напряжении стабилитрона (Vz) более 6В.

Пробой стабилитрона в стабилитроне

Когда приложенное обратное напряжение смещения приближается к напряжению Зенера, электрическое поле в обедненной области становится достаточно сильным, чтобы вытягивать электроны из их валентной зоны. Валентные электроны, которые получают достаточную энергию от сильного электрического поля обедненной области, отрываются от родительского атома. В области зенеровского пробоя небольшое увеличение напряжения приводит к быстрому увеличению электрического тока.

Лавинный пробой против пробой Зенера

• Эффект Зенера преобладает при напряжении до 5,6 вольт, а выше — лавинный эффект.
• Оба эффекта похожи, разница в том, что эффект Зинера — квантовое явление, а лавинный эффект — движение электронов в валентной зоне подобно электрическому току.
Лавинный эффект
• также допускает больший ток через диод, чем то, что допускает пробой Зенера.

Подробнее: Разница между пробоем Зенера и пробоем лавины

Символ цепи стабилитрона

Существует множество способов упаковки стабилитрона. Некоторые используются для высоких уровней рассеивания мощности, а другие содержатся в форматах для поверхностного монтажа. Самый распространенный тип стабилитрона заключен в небольшой стеклянный корпус. Он имеет полосу вокруг одного конца, обозначающую катодную сторону диода.

Символ стабилитрона и схема упаковки

Из схемы видно, что полоса вокруг упаковки соответствует линии на символе схемы диода, и это может быть простым способом запомнить, какой конец для чего предназначен .

Символ цепи стабилитрона размещает две метки на конце полосы — одну в направлении вверх, а другую в направлении вниз, как показано на рисунке. Это помогает отличить стабилитроны от других форм диодов в цепи.

ВАХ стабилитрона

На приведенной ниже диаграмме показаны ВАХ стабилитрона.

Когда на стабилитрон подается напряжение обратного смещения, он допускает лишь небольшую величину тока утечки, пока напряжение не станет меньше напряжения Зенера.

ВАХ стабилитрона можно разделить на две части следующим образом:
(i) Прямые характеристики
(ii) Обратные характеристики

Прямые характеристики стабилитрона

Первый квадрант на графике представляет прямую характеристику стабилитрона. Из графика мы понимаем, что он практически идентичен прямой характеристике любого другого диода с P-N переходом.

Обратные характеристики стабилитрона

Когда к стабилитрону прикладывается обратное напряжение, через диод протекает небольшой обратный ток насыщения Io. Этот ток обусловлен термически генерируемыми неосновными носителями. С увеличением обратного напряжения при определенном значении обратного напряжения резко и резко возрастает обратный ток. Это свидетельствует о том, что произошел сбой. Мы называем это напряжение напряжением пробоя или напряжением Зенера, а Vz обозначает его.

Характеристики стабилитронов

Ниже приведены некоторые часто используемые характеристики стабилитронов:

• Напряжение стабилитрона/пробоя – Напряжение стабилитрона или обратного пробоя находится в диапазоне от 2,4 В до 200 В, иногда оно может достигать 1 кВ, а максимальное значение для устройства поверхностного монтажа составляет 47 В.
• Ток Iz (макс.) — максимальный ток при номинальном напряжении стабилитрона (Vz — от 200 мкА до 200 А)
• Ток Iz (мин) – это минимальное значение тока, необходимое для пробоя диода.
• Номинальная мощность — обозначает максимальную мощность, которую может рассеивать стабилитрон. Он определяется произведением напряжения диода на ток, протекающий через него.
• Термостабильность – Диоды около 5 В имеют наилучшую стабильность
• Допустимое отклонение напряжения – обычно ±5%
• Сопротивление стабилитрона (Rz) – это сопротивление экспонатов стабилитрона.

Применение стабилитрона

Ниже приведены области применения стабилитрона:

Стабилитрон в качестве регулятора напряжения:

Стабилитрон используется в качестве шунтирующего регулятора напряжения для регулирования напряжения на малых нагрузках. Зенеровский диод подключен параллельно нагрузке, чтобы сделать его обратным смещением, и как только стабилитрон превысит напряжение колена, напряжение на нагрузке станет постоянным. Напряжение пробоя стабилитронов будет постоянным в широком диапазоне токов.

Подробнее: Стабилитрон в качестве регулятора напряжения

Стабилитрон в защите от перенапряжения:

Когда входное напряжение выше, чем напряжение пробоя Зенера, напряжение на резисторе падает, что приводит к короткому замыканию, это можно избежать, используя стабилитрон.

Стабилитрон в цепях ограничения:

Стабилитрон используется для модификации цепей ограничения формы сигнала переменного тока путем ограничения частей одного или обоих полупериодов сигнала переменного тока.

Часто задаваемые вопросы – Часто задаваемые вопросы

Как определить стабилитрон?

Зенеровский диод — это полупроводниковый прибор, позволяющий току течь в прямом или обратном направлении.

Почему стабилитрон используется в качестве стабилизатора?

Стабилитрон используется в качестве шунтирующего регулятора напряжения. Зенеровский диод подключен параллельно нагрузке, чтобы сделать его обратным смещением, и как только стабилитрон превышает напряжение колена, напряжение на нагрузке становится постоянным.

Происходит ли управляемый пробой стабилитрона?

Да, стабилитрон имеет управляемый пробой.

Стабилитрон работает в режиме прямого смещения?

Да, стабилитрон имеет управляемый пробой.

В чем разница между стабилитроном и обычным диодом?

Основное различие между стабилитроном и обычным диодом заключается в прохождении тока. Обычный диод позволяет току течь только в одном направлении, а стабилитрон позволяет току течь в обоих направлениях.

Как еще называют стабилитрон?

Зенеровский диод также называют пробивным диодом.

Кто первым описал электрические свойства стабилитрона?

Кларенс Мелвин Зенер был первым, кто описал электрические свойства диода Зенера.

Какие бывают виды поломок стабилитрона?

Существует два типа пробоя стабилитрона:

• Лавинный обвал
• Пробой Зенера

Каково допустимое напряжение стабилитрона?

Допустимое отклонение напряжения стабилитрона обычно составляет ±5%.

Состояние истинное или ложное: стабилитрон используется в качестве шунтирующего регулятора напряжения.

Да, для регулирования напряжения на малых нагрузках стабилитрон используется как шунтирующий регулятор напряжения.