Классификация диодов | Volt-info

   Учитывая различные особенности характеристик и конфигурации диодов, их можно группировать по различным признакам. Приведём наиболее часто употребляемые классификации.

  Все полупроводниковые диоды можно разделить на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные предназначены для преобразования переменного напряжения (тока) в постоянное.

По материалу проводимости

   По материалу проводимости диоды можно разделить на вакуумные (ламповые) и полупроводниковые.

   Хотя вакуум, как таковой, не совсем корректно называть материалом, тем не менее, это среда, в которой происходит движение электронов, а значит, вакуум обладает проводимостью, и его можно рассматривать как вполне материальный объект, обладающий конкретными электрическими свойствами.

По конфигурации p-n перехода

   В зависимости от того, какое исполнение имеет p-n переход полупроводникового диода, их можно разделить на 

точечные и плоскостные. По технологии изготовления p-n перехода их можно разделить на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.

По назначению

   Если рассматривать функции, выполняемые диодами в различных узлах электронных и электрических схем, можно разделить их по назначению на две больших группы: Выпрямительные и специальные.

По частоте и форме переменного напряжения

   Все диоды имеют предельную частоту, при которой они могут работать без отклонения их электротехнических характеристик за допустимые пределы. Ряд предельных рабочих частот различных диодов очень обширный, поэтому частотная классификация условна:

 

В зависимости от частоты и формы переменного напряжения:

— Низкочастотные диоды;

— Высокочастотные диоды;

— Импульсные диоды.

Специальные типы

   Вольтамперная характеристика диода на различных участках имеет свои особенности. Некоторые электротехнические параметры диода на отдельных участках его ВАХ так же имеют уникальные свойства, на которых основана работа того или иного типа диода. На основе этих особенностей существует классификация специальных типов:

— Диоды Шоттки;

— СВЧ-диоды;

— Стабилитроны;

— Стабисторы;

— Варикапы;

— Светодиоды;

— Фотодиоды;

— Pin диод;

— Лавинный диод;

— Лавинно-пролётный диод;

— Диод Ганна;

— Туннельные диоды;

— Обращённые диоды.

По мощности

   В зависимости от конструктивных особенностей, разные диоды способны рассеивать в пространство различную мощность, которая ограничивается тепловым разрушением материала проводимости или p-n перехода. Таким образом, диоды делят на:

—  Маломощные;

— Средней мощности;

— Большой мощности (силовые).

6.5. Классификация диодов по их функциональному назначению

В разделе 6.3 было показано, что при работе в импульсном режиме переключения диода происходит не мгновенно, а через некоторое время, которое зависит от времени восстановления обратного сопротивления перехода, которое называют так же временем накопления t_s.

Для маломощных диодов время восстановления составляет 10 – 100 нС. Для мощных диодов эта величина лежит в диапазоне миллисекунд. Для уменьшения этого времени используют диоды Шотки с переходом металл – полупроводник. На рисунке 6.19 приведено условное обозначение диода Шотки.

Рис.6.19. Условное обозначение диода Шотки

Диоды предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный называют выпрямительными. Для этих диодов не предъявляют высоких требований к быстродействию и стабильности параметров. Для выпрямительных диодов характерно то, что они имеют малые сопротивления в проводящем состоянии и позволяют пропускать большие токи.

К основным характеристикам выпрямительных диодов относят:

1. Допустимое обратное напряжение U

обр – значение напряжения приложенного в обратном направлении, которое диод выдерживает длительное время без нарушения работоспособности.

2. Средний прямой ток I_{пр ср} – допустимое значение постоянного тока протекающего в прямом направлении.

3. Средняя рассеиваемая мощность Р_ср – средняя за период выпрямления мощность рассеиваемая диодом.

Рис. 6.20 поясняет механизм работы выпрямительного диода.

Рис.6.20. Работа диода в режиме выпрямления

При положительной полуволне входного напряжения, U

в_x диод открывается и через сопротивление нагрузки R_н течет ток нагрузки, создавая положительную полуволну выходного напряжения U_вых. При отрицательной полуволне диод запирается и ток в нагрузку не идет. И как следствие этого, практически отсутствует падение напряжения на R_н (U_вых=0).

Импульсные диоды имеют малые величины емкостей переходов и малое время накопления. Поэтому они имеют малые длительности переходных процессов, их используют в импульсных цепях и высокочастотных схемах.

Полупроводниковые стабилитроны предназначены для стабилизации напряжений. Их работа основана на использовании явления электрического пробоя p-n-перехода при включении диода в обратном направлении. У стабилитронов при достаточно небольших обратных напряжениях возникает пробой p-n-перехода. Режим работы выбирается так, что существенного нагрева не происходит. На рис.6.21 показан пример вольтамперной характеристики (ВАХ) (а) и схема включения стабилитрона для стабилизации напряжения на нагрузке (б).

Рис.6.21. Включение стабилитрона и его ВАХ

Стабилитроны обеспечивают стабилизацию напряжения в диапазоне от 3 до 200 В. Их прямое напряжение около 0,6 В. Эффект стабилизации основан на том, что большое изменение тока на «ветви пробоя» I вызывает малое изменение напряжения стабилизации U. Стабилизация тем лучше, чем круче идет кривая на участке пробоя, что соответствует меньшему дифференциальному внутреннему сопротивлению r

c=U/I.

Полупроводниковые приборы, предназначенные для использования в качестве управляемой электрическим напряжением емкости называют варикапами. На рис.6.22 показано условное обозначение варикапа.

Рис.6.22. Условное обозначение варикапа

Варикапы работают в широких пределах изменения емкости при их включении в обратном направлении. Закон изменения емкости определяется выражением

,

где С(0) – емкость при нулевом напряжении на диоде, U_H –контактная разность потенциалов, n=2 для резких переходов, n=3 для плавных переходов. Благодаря высокой добротности варикапы используются для построения колебательных контуров, управляемой напряжением резонансной частотой в области сверхвысоких частот.

На рис.6.23 приведены типовые зависимости емкости переходов от обратного напряжения U

ак различных варикапов.

Рис.6.23. Зависимость емкости p-n-перехода от напряжения при обратном включении варикапа

Класс полупроводниковых приборов, использующих излучающие свойстваp-n-переходов, называют светодиодами. Свечение светодиодов вызывается рекомбинацией носителей заряда при смещении перехода в прямом направлении. В процессе рекомбинации выделяется энергия, которая в светодиодах выделяется в виде кванта света – фотона. Такой процесс происходит в полупроводниках с узкой незапрещенной зоной (арсенид галлия, аммонит индия и т.д.). На рис.6.24 показано условное обозначение светодиода.

Рис.6.24. Условное обозначение светодиода

Яркость свечения на рабочем участке пропорциональна току светодиода. На рис. 6.25 показан пример яркостной характеристики красного светоизлучающего диода типа АЛ 102А.

Рис.6.25. Яркостная характеристика светоизлучающего диода типа АЛ 102А

На этом графике к — кандела – единица силы света.

Разновидность диодов, которые генерируют пары электрон – дырка в области p-n-перехода и прилегающих к нему областях под действием излучения называют фотодиодами. В этих полупроводниковых приборах под воздействием света возникает фототок. Фотодиод может работать без внешнего источника напряжения, выдавая в нагрузку фототок при его освещении (фото-генераторный режим) и может работать с внешним источником напряжения как диод, ток, в цепи которого зависит как от источника напряжения, так и от светового потока (фотодиодный режим).

Фотодиоды характеризуются вольтамперными характеристиками, которые строятся для различных световых потоков Ф, измеряемых в люменах (лм) или различных освещенностях, измеряемых в люксах (лк).

На рис.6.26 приведено условное обозначение фотодиода и пример его вольтамперной характеристики (ВАХ) для различных световых потоков (Ф₁<Ф₂<Ф₃).

Рис.6.26. Условное обозначение и типовая ВАХ фотодиода

Схема включения фотодиода с внешним источником показана на рис.6.27.

Рис.6.27. Схема включения фотодиода с внешним источником питания

Еще одной характеристикой фотодиода является его спектральная чувствительность . На рис.6.28 показан пример графиков спектральной чувствительности глаза человека, кремниевых и германиевых фотодиодов.

Рис.6.28. Примеры относительной спектральной чувствительности

Для обозначения различных видов диодов используется специальный буквенно-цифровой код.

Первый элемент (цифра или буква) обозначает исходный полупроводниковый материал, второй (буква) – подкласс приборов, третий (цифра) – основные функциональные возможности прибора, четвертый – число, обозначающее порядковый номер разработки, пятый элемент – буква – определяет классификацию приборов, изготовляемых по единой технологии. Например, диод 2Д204В – кремниевый выпрямительный диод с постоянным и средним значением тока 0,3…10 А, номер разработки 04, группа В.

Рис.6.29. Обозначения полупроводниковых диодов

Классификация диодов [править]Типы диодов по назначению

Вопрос №7. Маркировка ламп

лампы накаливания 

Приняты следующие обозначения ламп.

Первые буквы:

• В — вакуумная лампа;

• Б — биспиральная лампа с аргоновым наполнителем;

• Г — газонаполненная лампа с аргоновым наполнителем.

Остальные буквы:

• Н — колба лампы содержит окись неодима для улучшения спектра излучения;

• БК — биспиральная лампа с криптоновым наполнителем;

• РН — различного назначения;

• О — опаловая, колба молочно–белого цвета;

• С — стекло колбы имеет синий цвет.

Далее:

• 215–225 В (или иной) — диапазон напряжения, в котором рекомендуется эксплуатировать лампу;

• 60 Вт (или иная) — потребляемая электрическая мощность;

• Е27 — тип цоколя: Е — винтовой диаметром 27 мм.

Лампы люминесцентные

Лампы люминесцентные предназначены для общего и местного освещения в закрытых помещениях. Они питаются от лампа сети переменного тока напряжением 127 и 220 В и частотой 50 Гц. Включаются в сеть вместе с пускорегулирующей аппаратурой, обеспечивающей зажигание лампы, нормальный режим работы и устранение радиопомех. Тип цоколя — G13 (G8 для ламп малой мощности).

Световая отдача люминесцентных ламп в несколько раз больше, чем у ламп накаливания. Представляют собой стеклянную вакуумированную трубку–колбу, наполненную парами ртути низкого давления. Стенки трубки изнутри покрыты слоем люминофора. Пары ртути в электрическом разряде излучают свет главным образом в ультрафиолетовом диапазоне.

Излучение разряда поглощается люминофором и переизлучается в видимую область спектра. Используют люминесцентные лампы мощностью 4, 6, 8, 13, 14, 16, 18, 20, 30, 36, 40, 65 и 80 Вт.

Цифры и буквы в наименовании ламп обозначают:

• Л — люминесцентная лампа;

• Ц — лампа с улучшенной цветопередачей;

• Д — лампа дневной цветности;

• Б — лампа белой цветности;

• ТБ — лампа тепло–белая;

• У — лампа универсальная;

• Э — лампа экологическая.

Ртутная лампа

В газоразрядных лампах высокого давления источником света служит дуговой разряд в парах металлов лампавысокого давления. В зависимости от сорта паров металла светоотдача в расчете на единицу затраченной электроэнергии в 10–20 раз больше, чем у ламп накаливания. Стеклянная колба с цоколем типа Е27, Е40 или с различными специальными цоколями имеет форму цилиндра или эллипсоида.

У ртутных ламп колба покрыта изнутри люминофором, преобразующим ультрафиолет в видимый свет. Внутри колбы помещен так называемый реактор с двумя электродами и подводящими токопроводами. В нем заключены пары металла и формируется дуговой разряд. Для горения лампы необходима, как правило, особая пускорегулирующая аппаратура (ПРА), которая поджигает и поддерживает дуговой разряд.

В ртутных лампах горение дугового разряда происходит в парах ртути высокого давления. Лампы используют для общего освещения промышленных помещений и открытых пространств. Они питаются через пускорегулирующие аппараты от сети переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 220 В.

Буквы в маркировке обозначают:

Натриевая лампа

Горение дугового разряда осуществляется в парах натрия. Лампа излучает характерный желтый свет. Как правило, натриевые лампы горят примерно в полтора–два раза дольше ртутных.

Лампы разрядные натриевые созданы для применения в светильниках наружного и внутреннего освещения. Они включаются в сеть переменного тока напряжением 220 В и частотой 50 Гц последовательно с балластным дросселем. Параллельно с лампой включается универсальное зажигающее устройство.

Буквы в маркировке:

Вопрос №8. Электронно-лучевая трубка

Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) или кинескоп – электронный прибор, предназначенный для превращения электрических сигналов в световые. ЭЛТ являются основной частью телевизора.

Принцип работы электронно-лучевой трубки

Электронный луч образуется в электронной пушке, где помещен катод, который и испускает поток электронов. Для того, чтобы образовался поток, катод нагревают специальной нитью накала. В пушке располагается так называемый «управляющий электрод», который способен увеличивать или уменьшать напряжение.

Если увеличить напряжение, то и интенсивность электронного луча тоже увеличится, а следовательно, изображение на экране будет ярче. Уменьшение напряжения на управляющем электроде приводит к формированию более тусклого изображения. На выходе из электронной пушки располагается анод, который представляет собой трубу в виде конуса. Здесь (в аноде) электронный луч ускоряется.

Выйдя из анода, электронный луч попадает в отклоняющую систему, которая представляет собой либо систему магнитов, либо электростатическая система. С помощью этой системы направление луча изменяется. Конечным пунктом пути электронного луча является экран кинескопа. Слой люминофора способен самостоятельно испускать электроны (светиться), если на него воздействует электронный луч. Таким образом происходит превращение электрический импульсов в световые импульсы.

Вопрос №9. Полупроводниковый диод 

Полупроводниковый диод — полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами (электродами). В отличие от других типов диодов, принцип действия полупроводникового диода основывается на явлении p-n-перехода.

• Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный.

• Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов, предназначены для применения в импульсных режимах работы.

• Детекторные диоды предназначены для детектирования сигнала

• Смесительные диоды предназначены для преобразования высокочастотных сигналов в сигнал промежуточной частоты.

• Переключательные диоды предназначены для применения в устройствах управления уровнем сверхвысокочастотной мощности.

• Параметрические

• Ограничительные диоды предназначены для защиты радио и бытовой аппаратуры от повышения сетевого напряжения. ^[2]

• Умножительные

• Настроечные

• Генераторные

[Править]Типы диодов по размеру перехода

• Плоскостные

• Точечные

[Править]Типы диодов по конструкции

• Диоды Шоттки

• СВЧ-диоды

• Стабилитроны

• Стабисторы

• Варикапы

• Светодиоды

• Фотодиоды

• Pin диод

• Лавинный диод

• Лавинно-пролётный диод

• Диод Ганна

• Туннельные диоды

• Обращённые диоды

Вопрос №10. Полупроводниковый р-н переход

p-n-Перехо́д (n — negative — отрицательный, электронный, p — positive — положительный, дырочный), или электронно-дырочный переход — область пространства на стыке двух полупроводников p- и n-типа, в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому. p-n-Переход является основой для полупроводниковых диодов,триодов и других электронных элементов с нелинейной вольт-амперной характеристикой.

Области пространственного заряда

В полупроводнике p-типа концентрация дырок намного превышает концентрацию электронов. В полупроводнике n-типа концентрация электронов намного превышает концентрацию дырок. Если между двумя такими полупроводниками установить контакт, то возникнет диффузионный ток — носители заряда, хаотично двигаясь, перетекают из той области, где их больше, в ту область, где их меньше. При такой диффузии электроны и дырки переносят с собой заряд. Как следствие, область на границе станет заряженной, и область в полупроводнике p-типа, которая примыкает к границе раздела, получит дополнительный отрицательный заряд, приносимый электронами, а пограничная область в полупроводнике n-типа получит положительный заряд, приносимый дырками. Таким образом, граница раздела будет окружена двумя областями пространственного заряда противоположного знака.

Электрическое поле, возникающее вследствие образования областей пространственного заряда, вызывает дрейфовый ток в направлении, противоположном диффузионному току. В конце концов, между диффузионным и дрейфовым токами устанавливается динамическое равновесие, и перетекание зарядов прекращается.

Вопрос №11. ВАХ полупроводникового диода.

Как следует из соотношения (2.16) и рисунка 2.17, вольт-амперная характеристика идеального p-n перехода имеет ярко выраженный несимметричный вид. В области прямых напряжений ток p-n перехода диффузионный и экспоненциально возрастает с ростом приложенного напряжения. В области отрицательных напряжений ток p-n перехода — дрейфовый и не зависит от приложенного напряжения.

Рис. 2. Типичная вольтамперная характеристика полупроводникового диода с р — n-переходом: U — напряжение на диоде; I — ток через диод; U*oбр и I*oбр — максимальное допустимое обратное напряжение и соответствующий обратный ток; Ucт — напряжение стабилизации

Вопрос №12. Стабилитрон.

Стабилитрон (диод Зенера) — полупроводниковый диод, предназначенный для поддержания напряжения источника питания на заданном уровне. По сравнению с обычными диодами имеет достаточно низкое регламентированное напряжение пробоя (при обратном включении) и может поддерживать это напряжение на постоянном уровне при значительном изменении силы обратного тока. Материалы, используемые для создания p-n перехода стабилитронов, имеют высокую концентрацию легирующих элементов (примесей). Поэтому, при относительно небольших обратных напряжениях в переходе возникает сильное электрическое поле, вызывающее его электрический пробой, в данном случае являющийся обратимым (если не наступает тепловой пробой вследствие слишком большой силы тока).

Характеристики стабилитронов:

Напряжение стабилизации — значение напряжения на стабилитроне при прохождении заданного тока стабилизации. Пробивное напряжение диода, а значит, напряжение стабилизации стабилитрона зависит от толщины p-n-перехода или от удельного сопротивления базы диода. Поэтому разные стабилитроны имеют различные напряжения стабилизации (от 3 до 400 В).

Температурный коэффициент напряжения стабилизации — величина, определяемая отношением относительного изменения температуры окружающей среды при постоянном токе стабилизации. Значения этого параметра у различных стабилитронов различны. Коэффициент может иметь как положительные так и отрицательные значения для высоковольтных и низковольтных стабилитронов соответственно. Изменение знака соответствует напряжению стабилизации порядка 6В.

Дифференциальное сопротивление — величина, определяемая отношением приращения напряжения стабилизации к вызвавшему его малому приращению тока в заданном диапазоне частот.

Максимально допустимая рассеиваемая мощность — максимальная постоянная или средняя мощность, рассеиваемая на стабилитроне, при которой обеспечивается заданная надёжность.

Вопрос №13. Стаби́стор. Варикап.

Стаби́стор (ранее нормистор) — полупроводниковый диод, в котором для стабилизации напряжения используется прямая ветвь вольт-амперной характеристики (то есть в области прямого смещения напряжение на стабисторе слабо зависит от тока). Отличительной особенностью стабисторов по сравнению со стабилитронами является меньшее напряжение стабилизации^[1], которое составляет примерно 0,7 В. Последовательное соединение двух или трёх стабисторов даёт возможность получить удвоенное или утроенное значение напряжения стабилизации. Некоторые типы стабисторов представляют собой единый набор с последовательным соединением отдельных элементов.

Стабисторам присущ отрицательный температурный коэффициент сопротивления, то есть напряжение на стабисторе при неизменном токе уменьшается с увеличением температуры. В связи с этим стабисторы используют для температурной компенсации стабилитронов с положительным коэффициентом напряжения стабилизации.

Основная часть стабисторов — кремниевые диоды. Кроме кремниевых стабисторов промышленность выпускает и селеновые поликристаллические стабисторы, которые отличаются простотой изготовления, а значит, меньшей стоимостью. Однако селеновые стабисторы имеют меньший гарантированный срок службы (1000 ч) и узкий диапазон рабочих температур.

Варикап (от англ. vari(able) — «переменный», и cap(acity) — «ёмкость») — полупроводниковый диод, работа которого основана на зависимости барьерной ёмкости p-n перехода от обратного напряжения. Варикапы применяются в качестве элементов с электрически управляемой ёмкостью в схемах перестройки частоты колебательного контура, деления и умножения частоты,частотной модуляции, управляемых фазовращателей и др.

При отсутствии внешнего напряжения в p-n-переходе существуют потенциальный барьер и внутреннее электрическое поле. Если к диоду приложить обратное напряжение, то высота этого потенциального барьера увеличится. Внешнее обратное напряжение отталкивает электроны в глубь n-области, в результате чего происходит расширение обеднённой области p-n-перехода, которую можно представить как простейший плоский конденсатор, в котором обкладками служат границы области. В таком случае, в соответствии с формулой для ёмкости плоского конденсатора, с ростом расстояния между обкладками (вызванной ростом значения обратного напряжения) ёмкость p-n-перехода будет уменьшаться. Это уменьшение ограничено лишь толщиной базы, далее которой переход расширяться не может. По достижении этого минимума с ростом обратного напряжения ёмкость не изменяется.

Вопрос №14. Тири́стор.

Тири́стор — полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с тремя или более p-n-переходами и имеющий два устойчивых состояния: закрытое состояние, то есть состояние низкой проводимости, и открытое состояние, то есть состояние высокой проводимости.

Тиристор можно рассматривать как электронный выключатель (ключ). Основное применение тиристоров — управление мощной нагрузкой с помощью слабых сигналов, а также переключающие устройства. Существуют различные виды тиристоров, которые подразделяются, главным образом, по способу управления и по проводимости. Различие по проводимости означает, что бывают тиристоры, проводящие ток в одном направлении (например тринистор, изображённый на рисунке) и в двух направлениях (например, симисторы, симметричные динисторы).

Тиристор имеет нелинейную вольтамперную характеристику (ВАХ) с участком отрицательного дифференциального сопротивления. По сравнению, например, с транзисторными ключами, управление тиристором имеет некоторые особенности. Переход тиристора из одного состояния в другое в электрической цепи происходит скачком (лавинообразно) и осуществляется внешним воздействием на прибор: либо напряжением (током), либо светом (для фототиристора). После перехода тиристора в открытое состояние он остаётся в этом состоянии даже после прекращения управляющего сигнала, если протекающий через тиристор ток превышает некоторую величину, называемую током удержания.

Полупроводниковые диоды, классификация и их краткая характеристика.

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним p—n—переходом и двумя выводами, в котором используются свойства перехода.

Классификация и условные графические обозначения полупроводниковых диодов приведены на рис.1.

В точечном диоде используется пластинка германия или кремния с электропроводностью n—типа толщиной 0,1-0,6 мм и площадью 0,5-1,5 мм²; с пластинкой соприкасается заостренная стальная проволочка. На заключительной стадии изготовления в диоде создают большой ток (несколько ампер), стальную проволочку вплавляют в полупроводник n-типа, образуя область с электропроводностью p-типа. Из-за малой площади контакта прямой ток таких диодов сравнительно невелик. По той же причине у них мала и межэлектродная область, что позволяет применять эти диоды в области очень высоких частот(СВЧ-диоды). Точеные диоды используют в основном для выпрямления.

В плоскостных диодах p—n—переход образуется двумя полупроводниками с различными типами электропроводности, причём площадь перехода у полупроводников различных типов лежит в пределах от сотых долей квадратного микрометра (микроплоскостные) диоды до нескольких квадратных сантиметров(силовые диоды).

Электрические характеристики плоскостного диода определяются характеристиками p—n—перехода.

Рассмотрим более подробно характеристики различных групп плоскостных диодов.

Выпрямительный полупроводниковый диод − полупроводниковый диод, предназначенный для выпрямления переменного тока.

Вольтамперная характеристика (ВАХ) выпрямительного диода, его условное графическое изображение и буквенное обозначение даны на рис.2. Основные параметры выпрямительного диода: предельно допустимый постоянный ток диода I_пр.max и максимально допустимое обратное напряжение U_обр.max.

Для сохранения работоспособности германиевого диода его температура не должна превышать 85С. Кремниевые диоды могут работать при температуре до 150С. Для уменьшения разогрева мощных диодов прямым током принимают специальные меры для их охлаждения: монтаж на радиаторах, обдув и т. д.

Для получения более высокого обратного напряжения диоды можно включать последовательно. Для последовательного включения подходящими являются диоды с идентичными характеристиками. В настоящее время выпускаются так называемые диодные столбы, в которых соединены последовательно от 5 до 50 диодов. Обратное напряжение U_обр таких столбов лежит в пределах 2–40 кВ.

Более сложные соединения диодов имеют место в силовых диодных сборках. В них для увеличения прямого тока диоды соединяют параллельно, для увеличения обратного напряжения – последовательно и часто осуществляют соединения, облегчающие применение диодов в конкретных выпрямительных устройствах.

Полупроводниковый стабилитрон – полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока и который служит для стабилизации напряжения. Он представляет собой кремниевый диод, который нормально работает при электрическом пробое n—p-перехода. При этом напряжение на диоде незначительно зависит от протекающего тока. Электрический пробой не вызывает разрушения перехода, если ограничить ток до допустимой величины.

Основные параметры стабилитрона: напряжение стабилизации U_ст.ном, минимальный I_cт.min и максимальный I_ст.max токи стабилизации, максимальная мощность P_ст.max. Важным параметром стабилитрона является температурный коэффициент напряжения ТКU , который показывает, на сколько процентов изменится напряжение стабилизации при изменении температуры полупроводника на 1С.

Стабилизацию постоянного напряжения можно получить с помощью диода, включенного в прямом направлении. Кремниевые диоды, предназначенные для этой цели, называют стабисторами.

Туннельный диод — полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольт-амперных характеристиках при прямом напряжении участка с отрицательной дифференциальной электрической проводимостью. Материалом для туннельных диодов служит сильнолегированный германий или арсенид галлия. Основными параметрами туннельного диода я вляются ток пика I_п и отношение тока пика к току впадины I_п/ I_в. Для выпускаемых диодов I_п=0.1¸1000 мА и I_п/ I_в=5¸20.

Туннельные диоды являются быстродействующими полупроводниковыми приборами и применяются в генераторах высокочастотных колебаний и импульсных переключателях.

Обращённый диод –– диод на основе полупроводника с критической концентрацией примесей, в котором электрическая проводимость при обратном напряжении вследствие туннельного эффекта значительно больше, чем при прямом напряжении.

Обращённые диоды представляют собой разновидность туннельных диодов, у которых ток пика I_пр=0. Если к обращённому диоду приложить прямое напряжение U_пр≤0,3 В, то ток диода I_пр≈0. В то время даже при небольшом обратном напряжении (порядка десятков милливольт) обратный ток достигает нескольких миллиампер. Таким образом, обращённые диоды обладают вентильными свойствами при малых напряжениях именно в той области, где выпрямительные диоды обычно вентильными свойствами не обладают. При этом направлением наибольшей проводимости является направление, соответствущее обратному току.

Варикап — полупроводниковый диод, в котором используется зависимость ёмкости p—n-перехода от обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой ёмкостью.

Основными параметрами варикапа являются общая ёмкость С_в, которая фиксируется обычно при небольшом обратном напряжении U_обр=2¸5 В, и коэффициент перекрытия по ёмкости K_c=C_max/C_min.Для большинства выпускаемых варикапов С=10¸500 пФ и K_c=5¸20.

Варикапы применяют в системах дистанционного управления и автоматической подстройки частоты и в параметрических усилителях с малым уровнем собственных шумов.

Фотодиоды, полупроводниковые фотоэлементы и светодиоды.

В этих трёх типах диодов используется эффект взаимодействия оптического излучения (видимого, инфракрасного или ультрафиолетового) с носителями заряда (электронами и дырками) в запирающем слое p—n-перехода возникает видимое или инфракрасное излучение.

Магнитодиод — полупроводниковый диод, в котором используется изменение вольт-амперной характеристики под действием магнитного поля.

В качестве магнитодиодов используют выпрямительные диоды на основе германия или кремния с увеличенной толщиной полупроводникового материала. Основным параметром магнитодиода является его чувствительность ,

где и — приращение соответственно прямого напряжения и магнитной индукции. Диапазон значений γ=(10 ¸·50) ·10³В/(Тл ·мА).

Тензодиод — полупроводниковый диод, в котором используется изменение вольт-амперной характеристики под действинм механических деформаций.

В качестве тензодиодов обычно применяют туннельные диоды, у которых отдельные участки вольт-амперной характеристики существенно зависят от деформации рабочего тела диода.

[Править] Классификация диодов [править] Типы диодов по назначению

• Выпрямительныедиоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный.

• Импульсныедиоды имеют малую длительность переходных процессов, предназначены для применения в импульсных режимах работы.

• Детекторныедиоды предназначены для детектирования сигнала

• Смесительныедиоды предназначены для преобразования высокочастотных сигналов в сигнал промежуточной частоты.

• Переключательныедиоды предназначены для применения в устройствах управления уровнем сверхвысокочастотной мощности.

• Параметрические

• Ограничительныедиоды предназначены для защиты радио и бытовой аппаратуры от повышения сетевого напряжения.^[2]

• Умножительные

• Настроечные

• Генераторные

[Править] Типы диодов по размеру перехода

• Плоскостные

• Точечные

[Править] Типы диодов по конструкции

• Диоды Шоттки

• СВЧ-диоды

• Стабилитроны

• Стабисторы

• Варикапы

• Светодиоды

• Фотодиоды

• Pin диод

• Лавинный диод

• Лавинно-пролётный диод

• Диод Ганна

• Туннельные диоды

• Обращённые диоды

[Править] Другие типы

Лекция 6 Биполярные транзисторы. Обозначения.

Цель обучающая:

1. Усвоение обучающимися знаний по теме урока.

Цель развивающая:

1. Развитие аналитического, синтезирующего и абстрактного мышления, умений применять знания на практике.

2. Развитие умений учебного труда, инициативы, уверенности в своих силах.

3. Развитие умений действовать самостоятельно.

Цель воспитательная

1. Стремиться воспитать чувство аккуратности.

2. Способствовать воспитанию чувства гордости за избранную профессию.

3. Умению управлять эмоциями, бережного отношения друг к другу.

Тип урока: Урок изучения нового материала и первичного закрепления

Средства обучения: Вербальные: голос, речь, учебная литература, проектор.

Ход урока

1. Организационный момент:

   1. Проверка состояния аудитории, внешнего вида студентов.

   2. Наличие бейджей, учебных принадлежностей: ручки, тетради.

   3. Присутствие студентов на занятии.

2. Опрос или тестирование.

3. Выдача нового материала:

   1. Биполярный транзистор (определение).

   2. Устройство транзистора

   3. Количественное своеобразие структуры транзистора.

4. Закрепление.

5. Домашнее задание.

6. Итог урока (Рефлексия). Проверка выполнения работы. Выставление оценок.

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор, с двумя p—n переходами, имеющий три вывода.

Устройство транзистора

Биполярный транзистор в своей основе содержит три слоя полупроводника (p—n—p или n—p—n) и соответственно 2 p—n перехода. Средний слой и соответствующий вывод называют базой, один из крайних слоев называется коллектором, а другой крайний слой – эммитером.

Транзистор называют биполярным, так как в процессе протекания электрического тока участвуют носители электричества двух знаков – электроны и дырки.

Транзисторы типа n—p—n получили наибольшее распространение по сравнению с p—n—p, так как обычно имеют лучшие параметры.

Своеобразие транзистора определяется особенностями его конструкции. Основными элементами транзистора являются два соединенных p—n перехода. Формальное представление структуры транзистора, приведено на рисунке.

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

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

Что такое диод?

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

Принцип действия

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

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

Р-n-переход

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

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

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

Вольт-амперная характеристика

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

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

Характеристики и параметры

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

Материал полупроводника

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

Падение напряжения в режиме прямого тока (U пр.)

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

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

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

Пиковое обратное напряжение (U обр. max)

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

Максимальный прямой ток (U пр. max)

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

Ток утечки (I обр.)

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

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

Емкость перехода

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

Тип корпуса

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

Типы диодов

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

описание принципа работы, схема, характеристики, способы применения

Фотодиоды – полупроводниковые элементы, обладающие светочувствительностью. Их основная функция – трансформация светового потока в электросигнал. Такие полупроводники применяются в составе различных приборов, функционирование которых базируется на использовании световых потоков.

Принцип работы фотодиодов

Основа действия фотодиодных элементов – внутренний фотоэффект. Он заключается в возникновении в полупроводнике под воздействием светового потока неравновесных электронов и дырок (т.е. атомов с пространством для электронов), которые формируют фотоэлектродвижущую силу.

• При попадании света на p-n переход происходит поглощение световых квантов с образованием фотоносителей
• Фотоносители, находящиеся в области n, подходят к границе, на которой они разделяются под влиянием электрополя
• Дырки перемещаются в зону p, а электроны собираются в зоне n или около границы
• Дырки заряжают p-область положительно, а электроны – n-зону отрицательно. Образуется разность потенциалов
• Чем выше освещенность, тем больше обратный ток

Если полупроводник находится в темноте, то его свойства аналогичны обычному диоду. При прозванивании тестером в отсутствии освещения результаты будут аналогичны тестированию обычного диода. В прямом направлении будет присутствовать маленькое сопротивление, в обратном – стрелка останется на нуле.

Схема фотодиода

Режимы работы

Фотодиоды разделяют по режиму функционирования.

Режим фотогенератора

Осуществляется без источника электропитания. Фотогенераторы, являющиеся комплектующими солнечных батарей, иначе называют «солнечными элементами». Их функция – преобразовывать солнечную энергию в электрическую. Наиболее распространены фотогенераторы, созданные на базе кремния – дешевого, распространенного, хорошо изученного. Обладают невысокой стоимостью, но их КПД достигает всего 20%. Более прогрессивными являются пленочные элементы.

Режим фотопреобразования

Источник электропитания в схему подключается с обратной полярностью, фотодиод в данном случае служит датчиком освещенности.

Основные параметры

Свойства фотодиодов определяют следующие характеристики:

• Вольтамперная. Определяет изменение величины светового тока в соответствии с меняющимся напряжением при стабильных потоке света и темновом токе
• Спектральная. Характеризует влияние длины световой волны на фототок
• Постоянная времени – это период, в ходе которого ток реагирует на увеличение затемнения или освещенности на 63% от установленного значения
• Порог чувствительности – минимальный световой поток, на который реагирует диод
• Темновое сопротивление – показатель, характерный для полупроводника при отсутствии света
• Инерционность

Из чего состоит фотодиод?

Разновидности фотодиодов

P-i-n

Для этих полупроводников характерно наличие в зоне p-n перехода участка, обладающего собственной проводимостью и значительной величиной сопротивления. При попадании на этот участок светового потока появляются пары дырок и электронов. Электрополе в данной области постоянно, пространственного заряда нет. Такой вспомогательный слой расширяет диапазон рабочих частот полупроводника. По функциональному назначению p-i-n-фотодиоды разделяют на детекторные, смесительные, параметрические, ограничительные, умножительные, настроечные и другие.

Лавинные

Этот вид отличается высокой чувствительностью. Его функция – преобразование светового потока в электросигнал, усиленный с помощью эффекта лавинного умножения. Может применяться в условиях незначительного светового потока. В конструкции лавинных фотодиодов используются сверхрешетки, способствующие снижению помех при передаче сигналов.

С барьером Шоттки

Состоит из металла и полупроводника, вокруг границы соединения которых создается электрическое поле. Главным отличием от обычных фотодиодов p-i-n-типа является использование основных, а не дополнительных носителей зарядов.

С гетероструктурой

Образуется из двух полупроводников, имеющих разную ширину запрещенной зоны. Гетерогенным называют слой, находящийся между ними. Путем подбора таких полупроводников можно создать устройство, работающее в полном диапазоне длин волн. Его минусом является высокая сложность изготовления.

Области применения фотодиодов

• Оптоэлектронные интегральные микросхемы. Полупроводники обеспечивают оптическую связь, что гарантирует эффективную гальваноразвязку силовых и руководящих цепей при поддержании функциональной связи.
• Многоэлементные фотоприемники – сканисторы, фоточувствительные аппараты, фотодиодные матрицы. Оптоэлектрический элемент способен воспринимать не только яркостную характеристику объекта и ее изменение во времени, но и создавать полный визуальный образ.

Другие сферы использования: оптоволоконные линии, лазерные дальномеры, установки эмиссионно-позитронной томографии.

---

Была ли статья полезна?

Да

Нет

Оцените статью

Что вам не понравилось?

---

Другие материалы по теме

Анатолий Мельник

Специалист в области радиоэлектроники и электронных компонентов. Консультант по подбору деталей в компании РадиоЭлемент.