Выпрямительные диоды — это полупроводниковые приборы, которые имеют один p-n переход и два металлических вывода. Вся система заключена в пластмассовом, металлическом, стеклянном или металлокерамическом корпусе. Предназначены для преобразования переменного тока в постоянный.

Обозначение и расшифровка диодов

Обозначение выпрямительного диода на схеме согласно “ГОСТ 2.730-73 ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые”. В приложении данного ГОСТа указаны размеры в модульной сетке. Выглядит это следующим образом:

Существуют различные варианты обозначения диодов.

Согласно ОСТ 11366.919-81 следующее буквенно-цифровое обозначение:

• 1) первая буква или цифра указывает на материал:
• 1 (Г) — германий Ge
• 2 (К) — кремний Si
• 3 (А) — галлий Ga
• 4 (И) — индий In
• 2) Вторая буква — это подкласс полупроводникового прибора. Для нашего случая — это буква Д.
• 3) Третья цифра — функционал элемента в зависимости от класса (диоды, варикапы, стабилитроны и др.).

Например, для выпрямительных диодов (Д):

101…199 — диоды малой мощности с постоянным или средним значением прямого тока менее 0,3А.

201…299 — диоды средней мощности с постоянным или средним значением прямого тока от 0,3 до 10А.

Также существуют диоды большой мощности с током более 10А. Отвод тепла у диодов малой мощности осуществляется через корпус, у диодов средней и большой мощности через теплоотводящие радиаторы.

До 1982 года была другая классификация:

• первая Д — характеризовала весь класс диодов
• далее шел цифровой код:
• от 1 до 100 — для точечных германиевых диодов
• от 101 до 200 — для точечных кремниевых диодов
• от 201 до 300 — для плоскостных кремниевых диодов
• от 301 до 400 — для плоскостных германиевых диодов
• от 401 до 500 — для смесительных СВЧ детекторов
• от 501 до 600 — для умножительных диодов
• от 601 до 700 — для видеодетекторов
• от 701 до 749 — для параметрических германиевых диодов
• от 750 до 800 — для параметрических кремниевых диодов
• от 801 до 900 — для стабилитронов
• от 901 до 950 — для варикапов
• от 951 до 1000 — для туннельных диодов
• от 1001 до 1100 — для выпрямительных столбов
• третья цифра — разновидность групп однотипных приборов

Система JEDEC (США)

• первая цифра — число p-n переходов (1 — диод; 2 — транзистор; 3 — тиристор)
• далее N (типа номер) и серийный номер
• после может идти пару цифр про номиналы и отдельные характеристики диода

Система Pro Electron (Европа)

По данной системе приборы делятся на промышленные и бытовые. Бытовые кодируются двумя буквами и тремя цифрами от 100 до 999. У промышленных приборов будет идти три буквы и две цифры от 10 до 99. Для диодов:

• 1) первая буква:
• A — германий Ge
• B — кремний Si
• C — галлий Ga
• R — другие полупроводники
• 2) Вторая буква — это буква A, указывающая на маломощные импульсные и универсальные диоды.
• 3) Третья буква отвечает за принадлежность элемента к сфере специального применения (промышленность, военная). “Z”, “Y”, “X” или “W”.
• 4) Четвертая — это 2х, 3х или 4х-значный серийный номер прибора.
• 5) Дополнительный код — в нем для выпрямительных диодов указывается максимальная амплитуда обратного напряжения.

Система JIS (Япония)

Применяется в странах Азии и тихоокеанского региона.

Существуют и специальные обозначения от фирм-изготовителей, которые отличаются от приведенных выше.

Принцип действия выпрямительного диода

Полупроводники по своим электрическим свойствам являются чем-то средним между проводниками и диэлектриками.

Как ведет себя диод при прямом и обратном включении

Прямое направление — направление постоянного тока, в котором диод имеет наименьшее сопротивление.

Обратное направление — направление постоянного тока, в котором диод имеет наибольшее сопротивление.

Рассмотрим поведение тока в цепи при прямом и обратном включении на переменное и постоянное напряжение. Изначально мы будем иметь синусоиду, которая получается от источника переменного тока.

При таких способах подключения отсекается половина синусоиды положительная или отрицательная. На выходе — пульсирующий переменный ток одного знака (считай, постоянный, только загвоздка в том, что им никто не пользуется).

• анод (для прямого включения подключаем к плюсу), основание треугольника
• катод (подключаем к минусу для прямого включения) палочка

Ток течет от анода к катоду, некоторые прибегают к сравнению с воронкой. В широкое горлышко жидкость проходит быстрее, чем в узкое. Принцип работы заключается в пропускании тока при прямом включении и запирании диода при обратном включении (отсутствии тока). Всё дело в запирающем слое, который испаряется или расширяется в зависимости от способа подключения диода.

Рассмотрим поведение диода в схеме постоянного тока. На левом изображении ток, напряжение проходит — лампочка горит (черная) — это прямое включение. На правом изображении диод не пропускает достаточно тока и напряжения для загорания лампочки — обратное включение.

ВАХ выпрямительных диодов (Ge, Si)

Вольт-амперные характеристики диодов представляют собой графики зависимостей прямых и обратных токов (Y) и напряжений (X) при различных температурах.

При подаче обратного напряжения, превышающего пороговое значение, величина обратного тока возрастает и происходит пробой p-n слоя. Стоит обратить внимание и на порядки чисел по осям. Величины обратного тока на порядок меньше прямого. Значения прямого напряжения на порядок меньше обратного. По достижении порогового значения прямого напряжения прямой ток начинает увеличиваться лавинообразно.

Разница между диодами в том, что обратный ток кремниевых диодов меньше, чем у германиевых. Поэтому, за счет большего тока, у Ge диодов пробой носит тепловой характер, у Si — преобладает электрический пробой. Мощность, рассеиваемая при одинаковых токах у германиевых диодов меньше.

Сохраните в закладки или поделитесь с друзьями

Последние статьи

Самое популярное

Типы диодов »Электроника Примечания

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

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

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

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

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

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

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

История полупроводникового диода

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

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

Символ схемы диода

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

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

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

Существует много различных типов диодов, и некоторые используют условные обозначения, которые немного изменены по сравнению с основным символом диода, чтобы указать их функцию: диод Шоттки, диод Варактора и ряд других попадают в эту категорию.

Устройства для поверхностного монтажа или этилированный

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

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

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

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

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

Типы диодов

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

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

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

  
  

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

  
  

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

  Диоды Ганна

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

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

  
  

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

  Типичный детектор кристаллов / детектор кошачьих усов

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

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

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

  
  
• Лазерный диод: Этот тип диода отличается от обычного светодиода тем, что он генерирует лазерный (когерентный) свет.Эти электронные компоненты используются во многих приложениях, включая приводы CD и DVD. Хотя эти диоды намного дешевле, чем другие виды лазерных генераторов, они стоят дороже, чем обычные светодиоды.
  

• Светоизлучающие диоды: Светодиод или светодиод является одним из самых популярных типов диодов. Когда прямое смещение с током, текущим через соединение, производится свет. Оригинальный цвет для этих диодов был красным, но в наши дни большинство цветов доступно.Это достигается путем использования различных смесей полупроводников по обе стороны от PN перехода.

  
  

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

  
  

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

  
  

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

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

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

  
  

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

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

  
  

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

  
  

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

  
  
• Туннельный диод: Хотя туннельный диод сегодня не получил широкого распространения, он использовался для микроволновых применений, где его характеристики превосходили характеристики других устройств того времени.
  

• Варикап или варакторные диоды: Этот тип диодов используется в радиочастотных (РЧ) приложениях. Диод имеет обратное смещение, и таким образом ток не протекает через переход.Однако ширина обедненного слоя изменяется в зависимости от величины смещения, размещенного на нем.

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

  
  

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

  
  

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

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

диодов — learn.sparkfun.com

Введение

После того как вы закончили с простыми пассивными компонентами, такими как резисторы, конденсаторы и индукторы, пришло время вступить в удивительный мир полупроводников. Одним из наиболее широко используемых полупроводниковых компонентов является диод.

В этом уроке мы рассмотрим:

• Что такое диод !?
• Теория работы диода
• Важные диодные свойства
• Различные типы диодов
• Как выглядят диоды
• Типичные диодные аппликации

Рекомендуемое чтение

Некоторые концепции в этом руководстве основаны на предыдущих знаниях в области электроники.Прежде чем приступить к изучению этого урока, сначала прочитайте (по крайней мере, скимминг):

Что такое цепь?

Каждый электрический проект начинается с цепи. Не знаете, что такое схема? Мы здесь, чтобы помочь.

Что такое электричество?

Мы можем видеть электричество в действии на наших компьютерах, освещая наши дома, как молнии в грозах, но что это? Это не простой вопрос, но этот урок проливает свет на него!

Как использовать мультиметр

Изучите основы использования мультиметра для измерения непрерывности, напряжения, сопротивления и тока.

Хотите исследовать различные диоды?

идеальных диодов

Ключевой функцией идеального диода является управление направлением потока тока . Ток, проходящий через диод, может идти только в одном направлении, называемом прямым направлением. Ток, пытающийся течь в обратном направлении, блокируется. Они как односторонний клапан электроники.

Если напряжение на диоде отрицательное, ток не может течь *, и идеальный диод выглядит как разомкнутая цепь.В такой ситуации говорят, что диод имеет от или с обратным смещением .

Пока напряжение на диоде не отрицательное, оно будет «включаться» и проводить ток. В идеале * диод должен действовать как короткое замыкание (0 В на нем), если он проводит ток. Когда диод проводит ток, он смещен в прямом направлении (жаргон электроники для «вкл»).

Соотношение тока и напряжения идеального диода. Любое отрицательное напряжение производит нулевой ток — разомкнутая цепь.Пока напряжение не отрицательное, диод выглядит как короткое замыкание.

Схема

Каждый диод имеет две клеммы — соединения на каждом конце компонента — и эти клеммы поляризованы , что означает, что две клеммы совершенно разные.Важно не перепутать соединения на диоде. Положительный конец диода называется анодом , а отрицательный конец — катодом . Ток может течь от конца анода к катоду, но не в другом направлении. Если вы забыли, как протекает ток через диод, попробуйте запомнить мнемонику ACID : «анодный ток в диоде» (также анодный катод — это диодный ).

Символ схемы стандартного диода представляет собой треугольник, примыкающий к линии.Как мы рассмотрим позже в этом уроке, существует множество типов диодов, но обычно их символ цепи выглядит примерно так:

Терминал, входящий в плоский край треугольника, представляет анод. Ток течет в направлении, указанном треугольником / стрелкой, но не может идти другим путем.

Выше пара простых примеров диодной схемы. Слева, диод D1 смещен в прямом направлении и пропускает ток через цепь. По сути это выглядит как короткое замыкание.Справа диод D2 имеет обратное смещение. Ток не может течь через цепь, и он по сути выглядит как разомкнутая цепь.

* Предостережение! Звездочка! Не совсем верно … К сожалению, нет идеала с идеальным диодом . Но не волнуйся! Диоды действительно реальны, у них просто есть несколько характеристик, которые заставляют их работать немного меньше, чем наша идеальная модель …

Характеристики реальных диодов

В идеале , диоды блокируют любой ток, протекающий в обратном направлении, или просто действуют как короткое замыкание, если ток протекает вперед.К сожалению, фактическое поведение диода не совсем идеальное. Диоды действительно потребляют некоторое количество энергии при проведении прямого тока, и они не блокируют весь обратный ток. Реальные диоды немного сложнее, и все они имеют уникальные характеристики, которые определяют, как они на самом деле работают.

Отношение тока к напряжению

Наиболее важной характеристикой диода является его соотношение напряжение-ток ( i-v ). Это определяет, какой ток проходит через компонент, учитывая, какое напряжение измеряется на нем.Резисторы, например, имеют простую линейную зависимость I-V … Закон Ома. Кривая i-v диода, тем не менее, полностью , а не -линейная. Это выглядит примерно так:

Вольт-амперная зависимость диода. Чтобы преувеличить несколько важных моментов на графике, шкалы как в положительной, так и в отрицательной половинах не равны.

В зависимости от напряжения, приложенного к нему, диод будет работать в одной из трех областей:

1. Прямое смещение : Когда напряжение на диоде положительное, диод «включен» и ток может протекать.Напряжение должно быть больше, чем прямое напряжение (V _F ), чтобы ток был значительным.
2. Обратное смещение : это режим «выключения» диода, когда напряжение меньше, чем V _F , но больше, чем -V _BR . В этом режиме протекание тока (в основном) заблокировано, а диод выключен. Небольшой ток с частотой (порядка нА), называемый током обратного насыщения, может течь в обратном направлении через диод.
3. Пробой : Когда напряжение, приложенное к диоду, очень велико и отрицательно, большое количество тока сможет течь в обратном направлении, от катода к аноду.

прямое напряжение

Чтобы «включить» и провести ток в прямом направлении, диод требует, чтобы на него было приложено определенное количество положительного напряжения. Типичное напряжение, необходимое для включения диода, называется прямым напряжением (V _F ).Его также можно назвать напряжением включения или напряжением .

Как мы знаем из кривой i-v , ток и напряжение на диоде взаимозависимы. Больший ток означает большее напряжение, меньшее напряжение означает меньший ток. Однако, как только напряжение достигает примерно номинального прямого напряжения, значительное увеличение тока все равно должно означать лишь очень небольшое увеличение напряжения. Если диод является полностью проводящим, обычно можно предположить, что напряжение на нем является номинальным напряжением прямого напряжения.

V _F конкретного диода зависит от того, из какого полупроводникового материала он сделан. Как правило, кремниевый диод будет иметь V _F около 0,6-1 В . Диод на основе германия может быть ниже, около 0,3 В. Диод типа также имеет некоторое значение для определения прямого падения напряжения; Светоизлучающие диоды могут иметь гораздо больший V _F , в то время как диоды Шоттки специально разработаны для того, чтобы иметь намного более низкое, чем обычно, прямое напряжение.

Напряжение пробоя

Если на диод подается достаточно большое отрицательное напряжение, оно будет сдаваться и позволять току течь в обратном направлении. Это большое отрицательное напряжение называется напряжением пробоя . Некоторые диоды фактически предназначены для работы в области пробоя, но для большинства обычных диодов не очень полезно подвергать их воздействию больших отрицательных напряжений.

Для нормальных диодов это напряжение пробоя составляет от -50 В до -100 В или даже больше отрицательного значения.

Diode Datasheets

Все вышеперечисленные характеристики должны быть подробно описаны в спецификации для каждого диода. Например, эта таблица данных для диода 1N4148 перечисляет максимальное прямое напряжение (1 В) и напряжение пробоя (100 В) (среди множества другой информации):

Таблица данных может даже представить вам очень знакомый график вольт-ампер, чтобы более подробно описать поведение диода. Этот график из таблицы данных диода увеличивает изогнутую часть передней области кривой i-v .Обратите внимание, что для увеличения тока требуется большее напряжение:

Эта диаграмма указывает на другую важную диодную характеристику — максимальный прямой ток. Как и любой другой компонент, диоды могут рассеивать столько энергии, сколько могут взорваться. Все диоды должны указывать максимальный ток, обратное напряжение и рассеиваемую мощность. Если на диод подается большее напряжение или ток, чем он может выдержать, ожидайте, что он нагреется (или хуже; тает, курит, …).

Некоторые диоды хорошо подходят для высоких токов — 1 А или более, другие, как диод со слабым сигналом 1N4148, показанный выше, могут подходить только для напряжения около 200 мА.

То, что 1N4148 — это всего лишь крошечная выборка из всех видов диодов. Далее мы рассмотрим, какое удивительное разнообразие диодов существует и для чего служит каждый тип.

Типы диодов

нормальных диода

Сигнальные диоды

Стандартные сигнальные диоды являются одними из самых простых, средних, без излишеств членов семейства диодов. Они обычно имеют среднее высокое падение прямого напряжения и низкий максимальный номинальный ток.Типичным примером сигнального диода является 1N4148.

Очень общего назначения, он имеет типичное прямое падение напряжения 0,72 В и максимальный номинальный прямой ток 300 мА.

Диод со слабым сигналом, 1N4148. Обратите внимание на черный кружок вокруг диода, который обозначает, какой из выводов является катодом.

Силовые диоды

Выпрямитель или силовой диод — это стандартный диод с намного более высоким максимальным номинальным током. Этот более высокий номинальный ток обычно достигается за счет большего прямого напряжения.1N4001 является примером силового диода.

1N4001 имеет номинальный ток 1А и прямое напряжение 1,1В.

1N4001 PTH диод. На этот раз серая полоса указывает, какой вывод является катодом.

И, конечно, большинство типов диодов выпускаются также в вариантах для поверхностного монтажа. Вы заметите, что у каждого диода есть какой-то способ (независимо от того, насколько он мал или плохо виден), чтобы указать, какой из двух выводов является катодом.

Светодиоды (светодиоды!)

Самым ярким представителем семейства диодов должен быть светодиод (LED).Эти диоды буквально загораются при подаче положительного напряжения.

Как и обычные диоды, светодиоды пропускают ток только в одном направлении. Они также имеют номинальное прямое напряжение, которое является напряжением, требуемым для того, чтобы они загорелись. Номинальная мощность светодиода V _F обычно больше, чем у обычного диода (1.2 ~ 3 В), и это зависит от цвета, который излучает светодиод. Например, номинальное прямое напряжение суперяркого синего светодиода составляет около 3,3 В, тогда как номинальное прямое напряжение суперяркого красного светодиода составляет всего 2,2 В.

Очевидно, вы чаще всего найдете светодиоды в приложениях освещения. Они веселые и веселые! Но более того, их высокая эффективность привела к широкому использованию уличного освещения, дисплеев, подсветки и многого другого. Другие светодиоды излучают свет, который не виден человеческому глазу, как инфракрасные светодиоды, которые являются основой большинства пультов дистанционного управления.Другое распространенное использование светодиодов заключается в оптической изоляции опасной высоковольтной системы от цепи низкого напряжения. Оптоизоляторы соединяют инфракрасный светодиод с фотодатчиком, который пропускает ток при обнаружении света от светодиода. Ниже приведен пример схемы оптоизолятора. Обратите внимание, как условное обозначение диода отличается от нормального диода. Светодиодные символы добавляют пару стрелок, выходящих из символа.

диоды Шоттки

Другой очень распространенный диод — это диод Шоттки.

Диод Шоттки

Диоды Шоттки известны своим низким падением прямого напряжения и очень быстрым переключением. Этот диод Шоттки 1A 40V…

Полупроводниковый состав диода Шоттки немного отличается от нормального диода, и это приводит к намного меньшему падению прямого напряжения на , которое обычно составляет 0.15 В и 0,45 В. У них все еще будет очень большое напряжение пробоя.

Диоды Шоттки особенно полезны для ограничения потерь, когда каждый последний бит напряжения должен быть обойден в . Они достаточно уникальны, чтобы получить собственный символ цепи с парой изгибов на конце катодной линии.

стабилитроны

Стабилитроны

являются странным изгоем семейства диодов. Они обычно используются для преднамеренного проведения обратного тока .

Стабилитрон — 5.1 В 1 Вт

Распродано COM-10301

Стабилитроны полезны для создания опорного напряжения или в качестве стабилизатора напряжения для слаботочных applications.These диодов …

Стабилизатор

разработан с очень точным напряжением пробоя, называемым пробивом стабилитрона , или напряжением стабилизации . Когда через стабилитрон проходит достаточный ток, падение напряжения на нем будет оставаться стабильным при напряжении пробоя.

Используя свои свойства пробоя, стабилитроны часто используются для создания известного эталонного напряжения точно при их напряжении стабилитрона. Они могут использоваться в качестве регулятора напряжения для небольших нагрузок, но на самом деле они не предназначены для регулирования напряжения в цепях, которые будут тянуть значительные количества тока.

стабилитроны достаточно особенные, чтобы получить свой собственный символ цепи с волнистыми концами на катодной линии. Символ может даже определить, какое именно напряжение стабилитрона на диоде.Вот стабилитрон 3,3 В, который создает твердое эталонное напряжение 3,3 В:

Фотодиоды

Фотодиоды — это специально сконструированные диоды, которые улавливают энергию фотонов света (см. Физика, квант) для генерации электрического тока. Вид работы в качестве анти-LED.

Фотодиод BPW34 (не четверть, мелочь на вершине). Получить его под солнцем, и он может генерировать около нескольких мкВт мощности!

Солнечные батареи являются основным благотворителем технологии фотодиодов.Но эти диоды также можно использовать для обнаружения света или даже для оптической связи.

---

Диодные Приложения

Для такого простого компонента диоды имеют огромный спектр применения. Вы найдете диод какого-то типа почти в каждой цепи. Они могут быть представлены во всем, от цифровой логики с малым сигналом до схемы преобразования мощности высокого напряжения. Давайте рассмотрим некоторые из этих приложений.

Выпрямители

Выпрямитель — это схема, которая преобразует переменный ток (AC) в постоянный ток (DC).Это преобразование имеет решающее значение для всех видов бытовой электроники. Сигналы переменного тока выходят из настенных розеток вашего дома, но постоянный ток — это то, что питает большинство компьютеров и другой микроэлектроники.

Ток в цепях переменного тока буквально чередуется с — быстро переключается между работой в положительном и отрицательном направлениях — но ток в сигнале постоянного тока идет только в одном направлении. Таким образом, чтобы преобразовать переменный ток в постоянный, вам просто нужно убедиться, что ток не может идти в отрицательном направлении. Звучит как работа для ДИОДОВ!

Полуволновый выпрямитель может быть изготовлен из одного диода.Если сигнал переменного тока, такой как, например, синусоидальная волна, посылается через диод, то любой отрицательный компонент сигнала отключается.

Форма волны входного (красного / левого) и выходного (синего / правого) напряжения после прохождения через полуволновую схему выпрямителя (посередине).

Двухполупериодный мостовой выпрямитель использует четыре диода для преобразования этих отрицательных пиков в сигнале переменного тока в положительные пики.

Схема мостового выпрямителя (в центре) и форма выходной волны, которую он создает (синий / правый).

Эти цепи являются критически важным компонентом источников питания переменного тока в постоянный ток, которые преобразуют сигнал 120/240 В переменного тока в настенную розетку в сигналы 3,3 В, 5 В, 12 В и т. Д. Если вы разорвете стенную бородавку, вы, скорее всего, увидите там несколько диодов, исправляющих ее.

Можете ли вы найти четыре диода, которые делают мостовой выпрямитель в этой настенной бородавке?

Защита от обратного тока

Вы когда-нибудь неправильно вставляли аккумулятор? Или включите красный и черный провода питания? Если так, диод мог бы быть благодарен за вашу цепь, все еще живую.Диод, установленный последовательно с положительной стороной источника питания, называется диодом обратной защиты. Это гарантирует, что ток может течь только в положительном направлении, а источник питания подает только положительное напряжение на вашу цепь.

Это диодное приложение полезно, когда разъем источника питания не поляризован, что позволяет легко испортить и случайно подключить отрицательный источник питания к положительному входу цепи.

Недостаток обратного защитного диода заключается в том, что он вызывает некоторую потерю напряжения из-за прямого падения напряжения.Это делает диоды Шоттки отличным выбором для диодов с обратной защитой.

Логические ворота

Забудьте о транзисторах! Простые цифровые логические элементы, такие как И или ИЛИ, могут быть построены из диодов.

Например, диодный логический элемент ИЛИ с двумя входами может быть построен из двух диодов с общими катодными узлами. Выход логической схемы также находится в этом узле. Всякий раз, когда любой из входов (или оба) представляет собой логическую 1 (высокая / 5 В), выход также становится логической 1.Когда оба входа имеют логический 0 (низкий / 0 В), выходной сигнал низко через резистор.

Ворота И построены аналогичным образом. Аноды обоих диодов соединены вместе, и именно там находится выход схемы. На обоих входах должна быть логическая 1, заставляющая ток течь к выходному контакту и также тянуть его высоко. Если на любом из входов низкий уровень, ток от источника 5 В проходит через диод.

Для обоих логических элементов можно добавить больше входов, добавив только один диод.

диодов обратного хода и подавления скачков напряжения

Диоды очень часто используются, чтобы ограничить потенциальный ущерб от неожиданных больших скачков напряжения. Диоды для подавления переходных напряжений (TVS) — это специальные диоды, такие как стабилитроны, с низким напряжением пробоя (часто около 20 В), но с очень большой номинальной мощностью (часто в диапазоне киловатт). Они предназначены для шунтирования токов и поглощения энергии, когда напряжение превышает их напряжение пробоя.

Диоды с обратной связью

выполняют аналогичную работу по подавлению всплесков напряжения, особенно вызванных индуктивным компонентом, таким как двигатель.Когда ток через индуктор внезапно изменяется, возникает скачок напряжения, возможно, очень большой, отрицательный скачок. Обратный диод, помещенный поперек индуктивной нагрузки, обеспечит этот отрицательный сигнал напряжения безопасным путем к разрядке, фактически повторяя петлю через индуктор и диод, пока он в конечном итоге не погаснет.

Это всего лишь несколько приложений для этого удивительного маленького полупроводникового компонента.

---

Закупочные диоды

Теперь, когда ваш текущий движется в правильном направлении, пришло время эффективно использовать ваши новые знания.Если вы ищете отправную точку или просто запасаетесь, у нас есть набор Inventor, а также отдельные диоды на выбор.

Наши рекомендации:

Диод Шоттки

В наличии COM-10926

Диоды Шоттки известны своим низким падением прямого напряжения и очень быстрым переключением.Этот диод Шоттки 1A 40V…

1

SparkFun Inventor’s Kit — V3.2

На пенсии KIT-12060

** Как вы могли видеть из [нашего блога] (https://www.sparkfun.com/news/2241), мы недавно перенесли нашу форму для литья под давлением для SIK…

76 пенсионер

Ресурсы и дальнейшее развитие

Теперь, когда вы получили контроль над диодами, возможно, вы хотите продолжить исследовать больше полупроводников:

Или откройте для себя некоторые другие распространенные электронные компоненты:

,

Простая английская Википедия, бесплатная энциклопедия Анод и Катод. Катод отмечен на корпусе.

Диод — это электронный компонент с двумя электродами (разъемами), который позволяет электричеству проходить через него в одном направлении, а не в другом.

Диоды могут быть использованы для преобразования переменного тока в постоянный ток (Диодный мост). Они используются в источниках питания, а иногда и для декодирования радиосигналов амплитудной модуляции (как в кристаллическом радио).Светодиоды (светодиоды) представляют собой тип диодов, которые производят свет.

Сегодня самые распространенные диоды изготавливаются из полупроводниковых материалов, таких как кремний или иногда германий.

Первые типы диодов назывались клапанами Флеминга. Это были вакуумные трубки. Они были внутри стеклянной трубки (очень похоже на лампочку). Внутри стеклянной колбы была маленькая металлическая проволока и большая металлическая пластина. Маленький металлический провод нагревался и излучал электричество, которое захватывалось пластиной.Большая металлическая пластина не нагревалась, поэтому электричество могло проходить в одном направлении через трубу, но не в другом направлении. Клапаны Флеминга больше не используются, потому что они были заменены полупроводниковыми диодами, которые меньше, чем клапаны Флеминга. Томас Эдисон также обнаружил это свойство, работая над своими лампочками.

Структура лампового диода

Полупроводниковые диоды изготовлены из двух типов полупроводников, соединенных друг с другом. Один тип имеет атомы с дополнительными электронами (так называемая n-сторона).Другой тип имеет атомы, которые хотят электронов (так называемая р-сторона). Из-за этого электричество будет легко перетекать со стороны со слишком большим количеством электронов в сторону со слишком небольшим количеством. Однако электричество не будет течь легко в обратном направлении. Эти различные типы сделаны легированием (полупроводник). Кремний с растворенным в нем мышьяком является хорошим полупроводником на n-стороне, а кремний с растворенным в нем алюминием — хорошим полупроводником на p-стороне. Другие химические вещества также могут работать.

Разъем на стороне n называется катодом, разъем на стороне p называется анодом.

Положительное напряжение на стороне p [изменить | изменить источник]

Если вы подаете положительное напряжение на сторону p и отрицательное напряжение на сторону n, электроны на стороне n захотят перейти к положительному напряжению на стороне p, а отверстия на стороне p захотят перейти к отрицательному напряжению на н-стороне. Из-за этого поток тока может существовать, но для его запуска требуется определенное количество напряжения (очень маленькое количество напряжения недостаточно, чтобы электрический ток протекал).Это называется напряжением включения. Напряжение включения кремниевого диода составляет около 0,7 В. Германиевому диоду необходимо напряжение включения около 0,3 В.

Отрицательное напряжение на стороне p [изменить | изменить источник]

Если вместо этого вы подаете отрицательное напряжение на сторону p и положительное напряжение на сторону n, электроны стороны n хотят перейти к источнику положительного напряжения вместо другой стороны диода. То же самое происходит на стороне р. Таким образом, ток не будет течь между двумя сторонами диода.Увеличение напряжения в конечном итоге заставит протекать электрический ток (это напряжение пробоя). Многие диоды будут разрушены обратным потоком, но некоторые сделаны, чтобы выжить.

Когда температура увеличивается, напряжение включения снижается. Это облегчает прохождение электричества через диод.

Существует много типов диодов. Некоторые из них имеют очень специфическое использование, а некоторые имеют множество применений.

Символы [изменить | изменить источник]

Вот некоторые распространенные символы полупроводниковых диодов, используемые на принципиальных схемах:

Стандартный выпрямительный диод [изменить | изменить источник]

Это изменяет A / C (переменный ток, как в розетке в доме) на D / C (постоянный ток, используемый в электронике).Стандартный выпрямительный диод имеет особые требования. Он должен выдерживать большой ток, не подвергаться значительному воздействию температуры, иметь низкое напряжение включения и поддерживать быстрые изменения направления тока. Современная аналоговая и цифровая электроника использует такие выпрямители.

Светодиод [изменить | изменить источник]

Светодиод излучает свет при прохождении через него электричества. Это более длительный и эффективный способ создания света, чем лампы накаливания. В зависимости от того, как это было сделано, светодиод может делать разные цвета.Светодиоды были впервые использованы в 1970-х годах. Светодиод может в конечном итоге заменить лампочку, так как развивающаяся технология делает ее ярче и дешевле (она уже более эффективна и длится дольше). В 1970-х годах светодиоды использовались для отображения цифр в таких приборах, как калькуляторы, и в качестве способа показать, что питание включено для больших приборов. ^[1]

Фотодиод [изменить | изменить источник]

Фотодиод — это фотодетектор (противоположность светодиода).Он реагирует на свет, который входит. Фотодиоды имеют оконное или оптоволоконное соединение, которое пропускает свет в чувствительную часть диода. Диоды обычно имеют сильное сопротивление; свет уменьшает сопротивление. ^[2]

стабилитрон [изменить | изменить источник]

Стабилитрон похож на обычный диод, но вместо разрушения большим обратным напряжением он пропускает электричество. Необходимое для этого напряжение называется напряжением пробоя или напряжением стабилитрона. ^[3] Поскольку он построен с известным напряжением пробоя, его можно использовать для подачи известного напряжения.

Varactor Diode [изменить | изменить источник]

Варикап или варактор используется во многих устройствах. Он использует область между p-стороной и n-стороной диода, где электроны и дырки уравновешивают друг друга. Это называется зоной истощения. Изменяя величину обратного напряжения, размер зоны истощения изменяется. В этой области имеется некоторая емкость, и она изменяется в зависимости от размера зоны истощения.Это называется переменной емкостью или для краткости варикап. ^[4] Используется в ФАПЧ (контурах фазовой синхронизации), которые используются для управления высокоскоростной частотой, на которой работает чип.

Step-Recovery-Diode [изменить | изменить источник]

Символ является символом диода с некой загвоздкой. Используется в цепях с высокими частотами до ГГц. Он отключается очень быстро, когда прекращается прямое напряжение. Для этого используется ток, который течет после изменения полярности.

PIN-диод [изменить | изменить источник]

Конструкция этого диода имеет внутренний (нормальный) слой между n- и p-сторонами. На более медленных частотах он действует как стандартный диод. Но на высоких скоростях он не успевает за быстрыми изменениями и начинает действовать как резистор. Внутренний слой также позволяет ему обрабатывать входы высокой мощности и может использоваться в качестве фотодиода.

диод Шоттки [изменить | изменить источник]

Символом этого является символ диода с буквой «S» на пике.Вместо того, чтобы обе стороны были полупроводниками (такими как кремний), одна сторона была металлической, как алюминий или никель. Это снижает напряжение включения примерно до 0,3 вольт. Это примерно половина порогового напряжения обычного диода. Функция этого диода состоит в том, что не вводятся неосновные носители — на n-стороне есть только дыры, а не электроны, а на p-стороне есть только электроны, а не дырки. ^[5] Поскольку он чище, он может реагировать быстрее, без диффузионной емкости, которая может замедлять его. Это также создает меньше тепла и является более эффективным.Но он имеет некоторую утечку тока при обратном напряжении.

Когда диод переключается с постоянного тока на постоянный ток, это называется переключением. Это занимает десятки наносекунд в типичном диоде; это создает некоторый радиошум, который временно ухудшает радиосигналы. Диод Шоттки переключается за небольшую долю того времени, меньше наносекунды.

Туннельный диод [изменить | изменить источник]

В символе туннельного диода есть дополнительная квадратная скобка в конце обычного символа.

Туннельный диод состоит из высоколегированного pn-перехода. Из-за этого высокого легирования существует только очень узкая щель, через которую электроны могут проходить. Этот туннельный эффект появляется в обоих направлениях. После того, как определенное количество электронов прошло, ток через зазор уменьшается до тех пор, пока не начнется нормальный ток через диод при пороговом напряжении. Это вызывает область отрицательного сопротивления. Эти диоды используются для работы с действительно высокими частотами (100 ГГц).Он также устойчив к радиации, поэтому их используют в космических кораблях. Они также используются в микроволновых печах и холодильниках. ^[6]

Обратный диод [изменить | изменить источник]

Символ имеет в конце диода знак, который выглядит как большой I. Он сделан аналогично туннельному диоду, но n- и p-слой не легированы так высоко. Это позволяет току течь в обратном направлении при небольших отрицательных напряжениях. Он может быть использован для устранения низкого напряжения (менее 0,7 вольт).

Кремниевый выпрямитель (SCR) [изменить | изменить источник]

Вместо двух слоев, как обычный диод, он имеет четыре слоя, в основном это два диода, соединенных вместе, с затвором посередине.Когда между затвором и катодом подается напряжение, включается нижний транзистор. Это позволяет току проходить, что активирует верхний транзистор, и тогда ток не нужно будет включать напряжением затвора. ^[7]

Wikimedia Commons имеет СМИ, связанные с Диоды .

,

Твердотельные диоды и характеристики диодов [Analog Devices Wiki]

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

5.1 Соединение PN

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

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

5.1.1 Свойства PN-соединения

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

5.1.2 Равновесие (нулевое смещение)

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

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

Рисунок 5.1 PN-переход в равновесии

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

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

5.1.3 Прямое смещение

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

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

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

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

5.1.4 Обратное смещение

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

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

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

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

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

Краткое содержание раздела

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

5,2 фактических диодов

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

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

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

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

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

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

(5,1)

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

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

(5.2)

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

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

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

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

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

5.3 Температурное поведение диодов

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

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

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

(5.3)

Переставляя и предполагая, что I _S1 = I _S2 мы получаем:

(5.4)

Теперь сильный температурный эффект I _S выпадает из уравнения, и у нас остается только абсолютный температурный член T, что делает ΔV _D пропорциональным абсолютной температуре (PTAT).Оба В _D2 — В _D1 и В _D4 — В _D3 имеют одинаковое соотношение 2: 1 для своих токов, поэтому кривые ΔV _D будут точно лежать на друг на друга При комнатной температуре тепловое напряжение В _Т составляет около 26 мВ , что при умножении на ln (2) составляет приблизительно 18 мВ, показанное на графике при 25 градусах.

5.4 Линейная модель

Линейная модель диода аппроксимирует экспоненциальные характеристики I — В прямой линией, которая касается фактической кривой в точке смещения постоянного тока.На рисунке 5.8 показана кривая с касательной в точке ( В, , _{, D} , I, _{, D} ). Кривая пересекает горизонтальную ось при напряжении В _D0 . Для небольших изменений в В _D и I _D относительно точки касания, касательная дает хорошее приближение к фактической кривой.

Рис. 5.8 I — характеристики В с касательной к ( В _D , I _D )

Наклон касательной линии определяется как:

(5.5)

I _D часто намного больше, чем I _S , поэтому уравнение часто упрощается до:

(5.6)

Уравнение касательной линии имеет вид:

(5.7)

5.5 Модель малого сигнала

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

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

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

(5.8)

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

Краткое содержание раздела

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

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

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

4. Существует два важных механизма протекания тока в полупроводнике:
   

   1. диффузия носителей в результате градиента концентрации; и
      

   2. дрейф носителей в электрическом поле.
      

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

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

Лабораторное задание ADALM2000 2. Кривые диодов I и V
Лабораторное занятие ADALM2000, зависящая от напряжения емкость PN-соединения
Лабораторное задание ADALM2000: Дифференциальный датчик температуры

Вернуться к предыдущей главе

Перейти к следующей главе

Вернуться к содержанию

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

.