Полупроводниковые приборы — диод / Хабр
Введение
Каждый технически грамотный человек должен знать электронику. Подавляющее большинство устройств современной электроники изготавливаются из полупроводниковых материалов. По этому в рамках этой статьи, я бы хотел рассказать о диодах. Конечно, не зная основных свойств полупроводников, нельзя понять, как работает транзистор. Но одного знакомства только со свойствами полупроводников не достаточно. Необходимо разобраться в очень интересных и не всегда простых явлениях.
Краткая справка
Электро-дырочный переход (p-n переход) — это переходный слой между двумя областями полупроводника с разной электропроводностью, в котором существует диффузионное электрическое поле.
Диоды — это полупроводниковые приборы, основой которых является p-n переход. В основе применения полупроводниковых диодов лежит ряд их свойств, таких как асимметрия вольт-амперной характеристики, пробой электро-дырочного перехода, зависимость барьерной емкости от напряжения и т. д.
Используемое свойство перехода
- Выпрямительный — асимметрия вольт-амперной характеристики
- Стабилитрон — пробой
- Варикап — барьерная ёмкость
- Импульсный — переходные процессы
Познакомимся с ними подробнее.
Выпрямительные диоды
Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного сигнала в постоянный.
Описание работы
При поступлении от первичного источника переменного напряжения, диод будет открыт на положительной полуволне и закрыт на отрицательной. В результате на полуволне через диод и сопротивление нагрузки будет протекать ток. конденсатор при этом заряжается до значения, близкого к пиковому. При уменьшении напряжения во входной цепи диод запирается. При этом конденсатор начинает разряжаться через сопротивление нагрузки.
Недостатком является то, что выпрямительное напряжение сильно зависит от сопротивления нагрузки и имеет большую амплитуду пульсаций. Поэтому такие выпрямители применяются только при высокомерных нагрузках. Для формирования Импульсов применяются амплитудные ограничители, которые могут быть последовательными и параллельными. В последовательных диодных ограничителях диод включается последовательно с сопротивлением нагрузки.
Варикапы
Варикап — полупроводниковый диод, используемый в качестве электрически управляемой емкости.
Эти параметрические диоды работают в обратном направлении, от которого зависит барьерная емкость. Таким образом, варикапы представляют собой конденсаторы переменной емкости, управляемой не механически, а электрически, при изменении обратного напряжения.
Описание работы
Настройка колебательного контура на резонансную частоту может осуществляться двумя способами. Во-первых, посредством варьирования частоты проводимого к контуру переменного входного напряжения Uвх. Во-вторых, за счет изменения частоты собственных колебаний Wо, которая обусловлена индуктивностью и емкостью колебательного контура. Изменяя величину обратного напряжения Uобр., можно регулировать емкость варикапа, а следовательно и менять резонансную частоту контура. Конденсатор Cp является разделительным. Он необходим для предотвращения шунтирования варикапа индуктивностью.
Стабилитроны
Стабилитрон — это полупроводниковый диод, используемый для стабилизации напряжения.
Участок соответствующий электрическому пробою Uпроб. на котором напряжение слабо зависит от тока, является рабочим. При использовании стабилитрона для стабилизации постоянного напряжения, его включают параллельно нагрузке.
Импульсные диоды
Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов и предназначены для работы в качестве коммутирующих элементов. Существуют различные типы импульсных диодов: сплавные, точечные меза-диоды, диоды Шоттки.
При использовании диода в качестве ключа, могут комбинироваться различные диодные и диодно-транзисторные схемы, предназначенные для работы в цифровой аппаратуре.
В заключении
Прошу прощения за рисунки, элементы схем не по госту(их соотношение), но думаю для наглядного примера сойдет.
PS: стоит ли рассказать о транзисторах?
Физика Полупроводниковый диод. Транзистор
Материалы к уроку
Конспект урока
Свойство p-n- перехода используют для создания полупроводниковых диодов, которые применяют для выпрямления переменного тока. Диод — полупроводниковый прибор, пропускающий электрический ток только одного направления и имеющий два вывода для включения в электрическую цепь. Полупроводниковый диод — полупроводниковый прибор с p-n- переходом. Рассмотрим работу диода, состоящего из германия.
Кристалл германия обладает проводимостью n–типа за счёт небольшой добавки донорной примеси. Для создания в нём p-n-переходов в одну из его поверхностей вплавляют индий.
Достоинствами полупроводниковых диодов являются их прочность, малые размеры и масса, длительный срок службы, высокая механическая прочность; недостатком — зависимость их параметров от температуры: они могут работать в ограниченном интервале температур (от – 70ºС до + 125ºС).
Свойства p-n-перехода можно использовать для создания усилителя электрических колебаний, называемого транзистором. Транзисторы стали применять в науке в начале 50-х годов ХХ века. Они в отличие от диодов содержат в себе два р-n- перехода. Наиболее массовый транзистор представляет собой пластинку германия, кремния или другого полупроводника, обладающего электронной или дырочной проводимостью, в объеме которой искусственно созданы две области, противоположные по электрической проводимости.
Условное обозначение транзистора: Б база, К коллектор, Э эмиттер, направление стрелки показывает направление тока. На рисунках представлены p-n-p- транзисторы.
Устройство биполярного транзистора.
Переход эмиттер — база включается в прямом направлении, а база — коллектор — в обратном. Какое подключение называется прямым, а какое обратным?
Через эмиттерный переход идет большое количество основных носителей заряда. Так как база очень тонкая, концентрация основных носителей заряда в базе небольшая, следовательно и рекомбинация электронов и дырок также невелика. Ток базы маленький. Заряды, пришедшие из эмиттера, по отношению к базе являются неосновными, поэтому они свободно проходят через коллекторный переход. До 95% дырок, попадающих из эмиттера в базу, проходят в коллектор. Т.е. силы тока на коллекторе и эмиттере приблизительно равны.
Микросхемы и микропроцессоры в современных электронных устройствах не могут обойтись без транзисторов. Транзистор — это основная часть любой микросхемы. В компьютере, без которого мы сейчас не можем себе представить жизнь, микропроцессор также состоит из большого числа транзисторов. Транзисторы широко применяются в современной технике. Они также заменяют электронные лампы в электрических цепях различной аппаратуры как промышленной, так и научной. По сравнению с электронными лампами транзисторы обладают рядом преимуществ:
1. они не накаливаются,
2. потребляют значительно меньше энергии,
3. работают при низком напряжении,
4. компактны, имеют малые размеры и массу,
5. не требуют времени для нагревания.
Однако у них есть недостатки – транзисторы чувствительны к повышению температуры и к электрическим перегрузкам.
Остались вопросы по теме? Наши репетиторы готовы помочь!
Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам
Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки
Повысим успеваемость по школьным предметам
Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ
Выбрать репетитораОставить заявку на подбор
Полупроводниковый диод – определение, характеристики и применение
Учебное пособие по полупроводниковым диодамСодержание
Полупроводниковый диод – тип диода, который содержит «p-n переход», изготовленный из полупроводниковых материалов, легированных различными добавками. Это двусторонний нелинейный электронный компонент, в котором клемма, присоединенная к слою « p » ( + ), называется анодом, а слой « n » (–) — катодом. Этот электронный компонент в основном используется из-за его способности пропускать электрический ток только в одном направлении (от анод до катод ) после прямого смещения вышеупомянутого «p-n перехода» с положительным электрическим напряжением.
Рис. 1. Полупроводниковый диод условное обозначениеОднако в обратном направлении (обратное смещение p-n перехода с отрицательным электрическим напряжением) можно сказать, что в идеальном полупроводниковом диоде электрический ток не будет течь. Вот почему полупроводниковый диод часто называют «электрическим вентилем», который может пропускать или блокировать прохождение электрического тока.
Полупроводниковый диод – Задания для школьников
Если вы студент или просто хотите научиться решать задачи на Полупроводниковый диод, посетите этот раздел нашего сайта, где вы найдете большое разнообразие электронных заданий .
Полупроводниковый диод – внутренняя конструкция
Полупроводниковый диод состоит из двух полупроводниковых кристаллов с различным легированием – типов «p» и «n». Вместе они образуют так называемые « p-n переход» , где «n» слой (с примесями доноров электронов) имеет избыточное количество электронов, которые являются там основными носителями (у нас больше электронов (-), чем электронов дырок (+)). Однако в слое «p» (акцептор электронов) основными носителями являются электронные дырки (+), а не электроны (-), поэтому у нас больше дырок, которые нужно «заполнить», чем доступных электронов. Электронная дыра — это вакансия, созданная электроном, «путешествующим» из своего первоначального места в какое-то другое место в этом кристалле. На самом деле «дырки» не существует, но отсутствие электрона делает ее положительно заряженной частицей, которая притягивает отрицательно заряженные электроны, чтобы снова образовать пару (дырки тоже могут двигаться).
После их объединения начинается пропорциональное распределение электронов. Электроны, которых раньше не хватало в «p» слое, переносятся туда из «n» слоя, где их было слишком много. Итак, слой «n» — хороший друг для слоя «p», верно? 🙂 И здесь образуется так называемая область обеднения , препятствующая протеканию электрического тока (термодинамическое равновесие).
Рис. 2. P-N-переход в состоянии термодинамического равновесияЧтобы обеспечить протекание электрического тока через «p-n-переход» (электрический клапан открыт), внешнее положительное электрическое напряжение должно быть приложено для «толкания» и помощи большой группе электронов. и отверстия, чтобы встретиться вместе (прямое смещение диода). После того, как их «протолкнут» через область истощения с достаточной силой (V F = 0,7В) диод начинает проводить ток, поэтому он начинает течь через него.
Рис. 3. P-N переход с прямым смещением (электрический вентиль включен)Чтобы убедиться, что электрический ток не будет течь (электрический вентиль закрыт), необходимо подать внешнее отрицательное напряжение на полупроводниковый диод (обратное смещение) чтобы сделать область истощения еще больше (иллюстрация ниже).
Рис. 4. P-N переход с обратным смещением (электрический вентиль закрыт)С течением времени технологические требования возрастали, что привело к разработке новых типов диодов. Когда полупроводник соединяется с соответствующим металлом, мы получаем МС переход (Металл-Полупроводник), который также обладает выпрямительными свойствами (проводимость тока в одном направлении) – используется, например, в быстродействующих диодах Шоттки .
МС-переходы могут иметь одну из двух ВАХ:
- Несимметричные нелинейные
- Симметричный, линейный
МС переход Свойства зависят в основном от состояния поверхности полупроводника и от разности работы выхода электронов из металла и самого полупроводника. Диод Шоттки в основном используется в системах, требующих быстрое время переключения (решающее влияние оказывает малая емкость перехода C j диода) с частотами до нескольких десятков ГГц.
Полупроводниковый диод – вольтамперная характеристикаНа приведенном ниже графике показана вольтамперная характеристика полупроводникового диода . Это типичная характеристика полупроводниковых диодов, используемых в электронике (V F = 0,7В). Полупроводниковый диод начинает проводить ток после превышения порогового значения прямого напряжения, указанного производителем в паспорте. Полутепловые диоды в основном используются для защиты других электронных компонентов.
Рис. 5. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода Как определить, где анод, а где катод?Для определения полярности диода можно использовать простой мультиметр. Есть по крайней мере три способа сделать это, но я покажу здесь два самых популярных способа, которые можно сделать даже с помощью самых дешевых мультиметров (получите мультиметр Basetech BT-11):
а) Использование омметра (диапазон 2 кОм):
Рис. 6. Прямое смещение: омметр покажет приблизительное прямое напряжение диода (около 0,7 В) Рис. 7. Обратное смещение: омметр показывает «1», что означает очень высокое сопротивление (электрический клапан закрыт)Вы также можете использовать функцию «проверки диодов» (символ диода на мультиметре), но результат будет таким же, как и при использовании омметра.
b) Использование функции измерения напряжения постоянного тока:
Рис. 8. Прямое смещение: Мультиметр должен показывать падение напряжения приблизительно 0,7 В для кремниевых диодов Рис. 9. Обратное смещение: мультиметр покажет приблизительное полное напряжение питания. ( Примечание: Здесь диод вставлен противоположным образом по сравнению с примером выше. На самом деле я бы изменил полярность источника питания , потому что «руками» уже спаянный компонент не размонтируешь, если только не выпаяешь. Конечно, мы не хотим делать это с хорошим рабочим компонентом. Я просто хотел показать вам пример, что вы также должны обратить внимание на правильное размещение компонентов на вашей печатной плате или макетной плате) Типы полупроводниковых диодов- Выпрямительный диод — выпрямление переменного тока,
- Стабилитрон – стабилизация напряжения и тока в электронных системах,
- Светоизлучающий диод (LED) — излучает свет в инфракрасном или видимом спектре света,
- Диод переменной емкости – его емкость зависит от приложенного к нему напряжения в обратном смещении,
- Переключающий диод – используется в импульсных электронных системах, требующих очень короткого времени переключения,
- Туннельный диод – специально разработанный диод, характеризующийся областью отрицательного динамического сопротивления,
- Фотодиод – диод, работающий как фотоприемник – реагирует на световое излучение (видимое, инфракрасное или ультрафиолетовое),
- Диод Ганна — компонент, используемый в высокочастотной электронике.
Этот эксперимент позволит вам визуализировать принцип работы полупроводникового диода, независимо от того, проводит ток или нет. Поскольку вы будете делать это самостоятельно, вы лучше запомните этот урок.
Необходимое количество:
- макетная плата (макетная плата GET, выдвижная, общее количество контактов 840 (Д x Ш x В) 172,7),
- Батарея 9В с проводами,
- один светодиодный диод (помните, что светодиоды также относятся к семейству полупроводниковых диодов!) (GET LED Wired Red Rectangular 2 x 5 mm 8 mcd),
- один резистор 1 кОм (получить резистор 1 кОм)
Мы будем использовать две принципиальные схемы, которые вы видели ранее:
Рис. 10. В этом случае светодиод должен проводить ток, и вы должны увидеть, как он загорается Рис. 11. Здесь светодиод не должен гореть – диод не проводит ток ( Примечание: Здесь диод вставлен противоположным образом по сравнению с примером выше. В реальности я бы поменял полярность Блока питания, потому что «руками» один раз впаянный компонент не размонтируешь, разве что выпаять. Конечно, мы не хотим делать это с хорошим рабочим компонентом. Я просто хотел показать вам пример, что вы также должны обратить внимание на правильное размещение компонентов на вашей печатной плате или макетной плате)Ниже вы можете увидеть изображения, показывающие схему, установленную на макетной плате, и визуализацию двух противоположных положений светодиода (обратное полярность).
Рис. 12. Схема «перенесена» на макетную плату (диод проводит ток)Рис. 13. В этом случае, как видите, диод не проводит ток (вставлен наоборот) ( Примечание: Здесь диод вставлен наоборот по сравнению с примером выше В реальности я бы поменял полярность блока питания, потому что «руками» уже впаянный компонент не разобрать, если только не выпаять. мы не хотим делать это с хорошо работающим компонентом, я просто хотел показать вам пример, что вы также должны обратить внимание на правильное размещение компонентов на вашей печатной плате или макетной плате)
На первой картинке светодиод был переведен в проводящее состояние. Потенциал напряжения на аноде был выше (+), чем на катоде (-), поэтому протекание тока было возможно. В нашем эксперименте мы использовали батарею 9 В, поэтому ток, протекающий через диод, будет около 9 мА (рассчитано по закону Ома ).
На втором снимке диод был вставлен наоборот (потенциал напряжения на катоде был выше (+), чем на аноде (-)), поэтому диод вел себя как закрытый электроклапан, что не позволяло протекание тока – светодиод не горит.
Полупроводниковый диод Определение и значение
- Лучшие определения
- Викторина
- Подробнее о полупроводниковом диоде
- Примеры
Сохраните это слово!
Диод, изготовленный из полупроводниковых компонентов, обычно кремния. Катод, который отрицательно заряжен и имеет избыток электронов, расположен рядом с анодом, который имеет положительный заряд, несущий избыток дырок. На этом стыке образуется обедненная область, в которой нет ни дырок, ни электронов. Положительное напряжение на аноде делает область обеднения небольшой, и протекает ток; отрицательное напряжение на аноде делает область истощения большой, предотвращая протекание тока.
ВИКТОРИНА
ВСЕ ЗА(U)R ЭТОГО БРИТАНСКОГО ПРОТИВ. АМЕРИКАНСКИЙ АНГЛИЙСКИЙ ВИКТОРИНА
Существует огромное количество различий между тем, как люди говорят по-английски в США и Великобритании. Способны ли ваши языковые навыки определить разницу? Давай выясним!
Вопрос 1 из 7
Правда или ложь? Британский английский и американский английский различаются только сленговыми словами.
Слова рядом полупроводниковый диод
полуклассический, точка с запятой, полукома, полупроводниковый, полупроводниковый, полупроводниковый диод, полупроводниковый лазер, полусознательный, полуконсервативная репликация, полукристаллический, полуцилиндр
Научный словарь American Heritage® Авторские права © 2011. Опубликовано издательством Houghton Mifflin Harcourt Publishing Company. Все права защищены.
БОЛЬШЕ О ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДАХ
Что такое полупроводниковый диод
?Полупроводниковый диод представляет собой диод, изготовленный из полупроводникового материала, чаще всего из кремния. Это похоже на дверь, через которую проходит электричество, но она открывается только в одну сторону.
А Диод — это устройство для управления электрическими токами, чтобы они протекали только в нужном направлении (так, как хочет инженер). Полупроводник — это материал, через который электричество может проходить, но не так хорошо, как через более прочный проводник, такой как медь.
Большинство используемых сегодня диодов — это полупроводниковые диоды . Люди часто используют просто слово диод , когда говорят о полупроводниковом диоде .
Почему
полупроводниковые диоды важны?Если вы это читаете, спасибо полупроводниковому диоду .
Полупроводниковые диоды используются во всех видах современной электроники, включая процессоры в телефонах и компьютерах. Эта концепция была впервые открыта немецким физиком Фердинандом Брауном в 1874 году, но не получила распространения до появления радио в начале 1900-х годов. Первыми коммерческими полупроводниковыми диодами были устройства, известные как кристаллические детекторы , запатентованные в 1906 году американским инженером-электриком Гринлифом У. Пикардом, который продавал их для радиоприложений. В наиболее распространенном типе кристаллического детектора использовалась тонкая пружинистая металлическая проволока, отсюда и его популярное название: детектор кошачьих усов .
Среди простейших полупроводниковых устройств известны как p-n переход диоды . Чаще всего они сделаны из кремния, хотя также используется германий. Кремний не очень хорошо проводит электричество сам по себе, но его проводимость можно улучшить, добавив другие элементы. В зависимости от того, что вы добавляете к кремнию, он может стать либо так называемым материалом р-типа, который имеет положительный заряд, либо материалом n-типа, который имеет отрицательный заряд. Для создания диода используется материал p-типа и материал n-типа. P-тип — это анод , а n-типа катод .
На стыке, где встречаются два материала, они компенсируют друг друга, и область вокруг стыка не имеет заряда. Электрический ток не может пройти через него. Если вы добавите положительный электрический ток к положительному концу и отрицательный к отрицательному концу, соединение станет меньше, и электричество может течь через соединение. Но если вы перевернете это, соединение станет больше, и ток не сможет пройти. Таким образом, электричество может проводиться только в одном направлении, и создается диод.
Еще одним основным типом диода является термоэмиссионный диод . Возможно, вы знаете их лучше как вакуумные лампы . В вакуумных лампах используются стеклянные трубки для создания вакуума вокруг крошечной проволоки, которая нагревает катод и высвобождает электроны. Затем анод притягивает электроны, что означает, что ток течет в этом направлении. Хотя этот тип диода был широко распространен в ранних электрических приложениях, сегодня он в значительной степени вытеснен полупроводниковым типом.
Полупроводниковые диоды используются повсюду вокруг нас во многих электронных устройствах, на которые мы полагаемся в современной жизни. Например, диоды используются в устройствах защиты от перенапряжений (которые предохраняют все виды устройств от подгорания). Эти типы диодов открываются только при слишком высоком напряжении и выпускают лишнее, чтобы защитить ваше устройство от получения слишком большого количества электроэнергии.
Знаете ли вы… ?
LED (как в светодиодных фонарях) означает светоизлучающий диод.
Полупроводниковые диоды настолько гибкие и мощные, что их можно заставить излучать свет, и этот свет намного эффективнее, чем свет, излучаемый обычными лампочками.
Каковы реальные примеры полупроводниковых диодов
?Полупроводниковые диоды могут показаться сложными, но они основаны на простых принципах. Вы можете найти их в большинстве электронных устройств, которые вы используете каждый день.
Роберт Холл демонстрирует первый полупроводниковый диодный лазер, делающий возможными такие популярные сегодня технологии, как дистанционное управление и лазер🖨️ pic.twitter.com/uYdbHVVNQ0
— GE Research (@GEResearch) 25 апреля 2017 г.
20 ноября 1906 года Гринлиф Уиттиер Пикард получает патент на свой кристаллический (кошачий ус) детектор для приема радиопередач. Первый тип полупроводникового диода, заложивший основу для изобретения транзистора Bell Labs 42 года спустя. #OTD #STEM #ThisDayinSTEM https://t.co/y1sRnk5jjP pic.twitter.com/CrZV7Raodg
— Bell Labs (@BellLabs) 20 ноября 2017 г.
Какие другие слова связаны с полупроводниковым диодом
?Проверьте себя!
Правда или ложь?
Большинство диодов полупроводниковые диоды .
Как использовать полупроводниковый диод в предложении
The Daily Pic: Инго Маурер показывает, что лучше зарядить один диод, чем проклинать темноту.
Свеча на (цифровом) ветру|Блейк Гопник|7 января 2013 г.|DAILY BEAST
Точно так же полупроводниковая промышленность, какой мы ее знаем сегодня, зародилась в 1970-х, а не в 1980-х, в условиях высоких налогов.
Книжный клуб Дэвида: непреднамеренные последствия|Дэвид Фрум|3 июля 2012 г.|DAILY BEAST
Возьмем Intel, которая десятилетиями была ведущим производителем полупроводниковых микросхем.
Что за паника на рынке? Безмятежные дни для Силиконовой долины|Закари Карабелл|7 марта 2012 г.