Принцип работы полупроводникового диода

Принцип работы полупроводникового диода

Главная » Принцип работы полупроводников…

Для контроля направления электрического тока необходимо применять разные радио и электро детали. В частности, современная электроника использует с такой целью полупроводниковый диод, его применение обеспечивает ровный ток.

• Устройство
• Принцип работы диодов
• Устройство
• Назначение
• Прямое включение диода
• Обратное включение диода
• Прямое и обратное напряжение
• Работа диода и его вольт-амперная характеристика
• Принцип работы
• Конструкция диода
• Схемы включения диодов

Устройство

Полупроводниковый электрический диод или диодный вентиль – это устройство, которое выполнено из полупроводниковых материалов (как правило, из кремния) и работает только с односторонним потоком заряженных частиц. Основным компонентом является кристаллическая часть, с p-n переходом, которая подключена к двум электрическими контактами. Трубки вакуумного диода имеют два электрода: пластину (анод) и нагретый катод.

Принцип работы диодов

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

Принцип работы:

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

//www.youtube.com/embed/NqCaJhS0HGU?feature=oembed&wmode=opaque

Устройство

Ниже приводится подробное описание устройства диода, изучение этих сведений необходимо для дальнейшего понимания принципов действия этих элементов:

1. Корпус представляет собой вакуумный баллон, который может быть изготовлен из стекла, металла или прочных керамических разновидностей материала.
2. Внутри баллона имеется 2 электрода. Первый является накаленным катодом, который предназначен для обеспечения процесса эмиссии электронов. Самый простейший по конструкции катод представляет собой нить с небольшим диаметром, которая накаливается в процессе функционирования, но на сегодняшний день более распространены электроды косвенного накала. Они представляют собой цилиндры, изготовленные из металла, и обладающие особым активным слоем, способным испускать электроны.
3. Внутри катода косвенного накала имеется специфический элемент – проволока, которая накаливается под воздействием электрического тока, она называется подогреватель.
4. Второй электрод является анодом, он необходим для приема электронов, которые были выпущены катодом. Для этого он должен обладать положительным относительно второго электрода потенциалом. В большинстве случаев анод также имеет цилиндрическую форму.
5. Оба электрода вакуумных приборов полностью идентичны эмиттеру и базе полупроводниковой разновидности элементов.
6. Для изготовления диодного кристалла чаще всего используется кремний или германий. Одна из его частей является электропроводимой по p-типу и имеет недостаток электронов, который образован искусственным методом. Противоположная сторона кристалла также имеет проводимость, но n-типа и обладает избытком электронов. Между двумя областями имеется граница, которая и называется p-n переходом.

Такие особенности внутреннего устройства наделяют диоды их главным свойством – возможностью проведения электрического тока только в одном направлении.

Назначение

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

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

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

Прямое включение диода

На p-n-переход диода может оказывать воздействие напряжение, подаваемое с внешних источников. Такие показатели, как величина и полярность, будут сказываться на его поведении и проводимом через него электрическом токе.

Ниже подробно рассмотрен вариант, при котором происходит подключение плюса к области p-типа, а отрицательного полюса к области n-типа. В этом случае произойдет прямое включение:

1. Под воздействием напряжения от внешнего источника, в p-n-переходе сформируется электрическое поле, при этом его направление будет противоположным относительно внутреннего диффузионного поля.
2. Напряжение поля значительно снизится, что вызовет резкое сужение запирающего слоя.
3. Под воздействием этих процессов значительное количество электронов обретет возможность свободно переходить из p-области в n-область, а также в обратном направлении.
4. Показатели тока дрейфа во время этого процесса остаются прежними, поскольку они напрямую зависят только от числа неосновных заряженных носителей, находящихся в области p-n-перехода.
5. Электроны обладают повышенным уровнем диффузии, что приводит к инжекции неосновных носителей. Иными словами, в n-области произойдет повышение количества дырок, а в p-области будет зафиксирована повышенная концентрация электронов.
6. Отсутствие равновесия и повышенное число неосновных носителей заставляет их уходить вглубь полупроводника и смешиваться с его структурой, что в итоге приводит к разрушению его свойств электронейтральности.
7. Полупроводник при этом способен восстановить свое нейтральное состояние, это происходит благодаря получению зарядов от подключенного внешнего источника, что способствует появлению прямого тока во внешней электрической цепи.

Обратное включение диода

Теперь будет рассмотрен другой способ включения, во время которого изменяется полярность внешнего источника, от которого происходит передача напряжения:

1. Главное отличие от прямого включения заключается в том, что создаваемое электрическое поле будет обладать направлением, полностью совпадающим с направлением внутреннего диффузионного поля. Соответственно, запирающий слой будет уже не сужаться, а, наоборот, расширяться.
2. Поле, находящееся в p-n-переходе, будет оказывать ускоряющий эффект на целый ряд неосновных носителей заряда, по этой причине, показатели дрейфового тока останутся без изменений. Он будет определять параметры результирующего тока, который проходит через p-n-переход.
3. По мере роста обратного напряжения, электрический ток, протекающий через переход, будет стремиться достичь максимальных показателей. Он имеет специальное название – ток насыщения.
4. В соответствии с экспоненциальным законом, с постепенным увеличением температуры будут увеличиваться и показатели тока насыщения.

Прямое и обратное напряжение

Напряжение, которое оказывает воздействие на диод, разделяют по двум критериям:

1. Прямое напряжение – это то, при котором происходит открытие диода и начинается прохождение через него прямого тока, при этом показатели сопротивления прибора являются крайне низкими.
2. Обратное напряжение – это то, которое обладает обратной полярностью и обеспечивает закрытие диода с прохождением через него обратного тока. Показатели сопротивления прибора при этом начинают резко и значительно расти.

Сопротивление p-n-перехода является постоянно меняющимся показателем, в первую очередь на него оказывает влияние прямое напряжение, подающееся непосредственно на диод. Если напряжение увеличивается, то показатели сопротивления перехода будут пропорционально уменьшаться.

Это приводит к росту параметров прямого тока, проходящего через диод. Когда данный прибор закрыт, то на него воздействует фактически все напряжение, по этой причине показатели проходящего через диод обратного тока являются незначительными, а сопротивление перехода при этом достигает пиковых параметров.

Работа диода и его вольт-амперная характеристика

Под вольт-амперной характеристикой данных приборов понимается кривая линия, которая показывает то, в какой зависимости находится электрический ток, протекающий через p-n-переход, от объемов и полярности напряжения, воздействующего на него.

Подобный график можно описать следующим образом:

1. Ось, расположенная по вертикали: верхняя область соответствует значениям прямого тока, нижняя область параметрам обратного тока.
2. Ось, расположенная по горизонтали: область, находящаяся справа, предназначена для значений прямого напряжения; область слева для параметров обратного напряжения.
3. Прямая ветвь вольт-амперной характеристики отражает пропускной электрический ток через диод. Она направлена вверх и проходит в непосредственной близости от вертикальной оси, поскольку отображает увеличение прямого электрического тока, которое происходит при увеличении соответствующего напряжения.
4. Вторая (обратная) ветвь соответствует и отображает состояние закрытого электрического тока, который также проходит через прибор. Положение у нее такое, что она проходит фактически параллельно относительно горизонтальной оси. Чем круче эта ветвь подходит к вертикали, тем выше выпрямительные возможности конкретного диода.
5. По графику можно наблюдать, что после роста прямого напряжения, протекающего через p-n-переход, происходит медленное увеличение показателей электрического тока. Однако постепенно, кривая достигает области, в которой заметен скачок, после которого происходит ускоренное нарастание его показателей. Это объясняется открытием диода и проведением тока при прямом напряжении. Для приборов, изготовленных из германия, это происходит при напряжении равном от 0,1В до 0,2В (максимальное значение 1В), а для кремниевых элементов требуется более высокий показатель от 0,5В до 0,6В (максимальное значение 1,5В).
6. Показанное увеличение показателей тока может привести к перегреву полупроводниковых молекул. Если отведение тепла, происходящее благодаря естественным процессам и работе радиаторов, будет меньше уровня его выделения, то структура молекул может быть разрушена, и этот процесс будет иметь уже необратимый характер. По этой причине, необходимо ограничивать параметры прямого тока, чтобы не допустить перегрева полупроводникового материала. Для этого, в схему добавляются специальные резисторы, имеющие последовательное подключение с диодами.
7. Исследуя обратную ветвь можно заметить, что если начинает увеличиваться обратное напряжение, которое приложено к p-n-переходу, то фактически незаметен рост параметров тока. Однако в случаях, когда напряжение достигает параметров, превосходящих допустимые нормы, может произойти внезапный скачок показателей обратного тока, что перегреет полупроводник и будет способствовать последующему пробою p-n-перехода.

Принцип работы

Понять принцип действия полупроводникового диода несложно. Все, что для этого понадобится — разбираться в базовых законах физики и знать, как происходят некоторые электрические процессы.

Изначально электроток действует на катод, что вызывает накаливание подогревательного элемента. В свою очередь, электродом испускаются электроны, а между двумя частями появляется электрическое поле.

Аноды с положительным зарядом воздействуют на электроны и притягивают их, а образованное поле выступает в качестве катализатора такой реакции. Также в этот момент формируется эмиссионный ток.

В двух электродах начинается формирование пространственно-отрицательного заряда, который может препятствовать протеканию электронов. Однако случается это лишь при снижении потенциала анода, в результате чего масса электронов не способна справиться с отрицательными элементами, что заставляет их перемещаться в обратном порядке, то есть электроны снова возвращаются к катоду.

Нередко показатели катодного тока держатся нулевой отметки — происходит это при воздействии частиц с зарядом минус. В результате образованное поле не заставляет электроны двигаться быстрее, а вызывает обратную реакцию — притормаживает их и заставляет вернуться обратно к катоду. В конечном итоге цепь размыкается, так как диод остается в запертом состоянии.

Конструкция диода

Одна из возможных конструкций диода показана ниже:

Рассмотрим одну из возможных конструкций прибора. Кристалл полупроводника 1 (например, с электронной проводимостью) размещен на металлической основе 3. На верхней части кристалла размещена примесь 2 (например индий), который обеспечивает наличие дырочной проводимости. Кристалл закрыт корпусом 4 во избежание различных механических повреждений p-n перехода.

С индиевой наплавки сделан изолированный вывод через стеклянный изолятор 5 – это анод прибора. Выводом же катода будет металлический корпус 3, которая также обеспечивает отвод тепла при работе устройства, чем защищает его от теплового пробоя и перегрева.

В свою очередь полупроводниковые элементы делят на:

• Малая мощность – ток до 0,3 А;
• Средняя – от 0,3 до 10 А;
• Мощные – от 10 А;

Схемы включения диодов

Если возникнет необходимость пропускать через полупроводники токи, которые больше их номинальных, соединяют их параллельно, что позволит пропустить больший ток, но возникает необходимость использовать индуктивные делители, для выравнивания токов элементов, схема ниже:

При больших напряжениях – соединяют последовательно. Но для таких соединений необходимо применять специальных схемы коммутации, чтоб не допустить выход элементов из строя, они показаны ниже:

Понравилась статья? Расскажите друзьям:

Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 4 чел.
Средний рейтинг: 2.3 из 5.

Полезные сервисы:

Опрос:

Чтобы проголосовать, кликните на нужный вариант ответа. Результаты

Полупроводниковый диод: история, развитие, особенности

Содержание

• 1 Основные термины и определения
• 2 История развития полупроводниковой техники
  • 2.1 Первые «кристаллические» диоды
  • 2.2 Первый детектор для радио
  • 2.3 Объяснение найдено
  • 2.4 Бурное развитие полупроводниковой техники
  • 2. 5 Полупроводниковые диоды Шокли
  • 2.6 Новое время

Полупроводниковый диод – это электрический прибор с одним p-n-переходом, обладающий нелинейной вольт-амперной характеристикой. В аппаратуре используется для выпрямления тока, входит в состав мостов различного толка. Полупроводниковый диод обозначается на схеме темным (реже прозрачным) треугольником с вершиной и перпендикулярной чертой при катоде (n-область).

Основные термины и определения

К полупроводниковым диодам принято относить ряд классов, по праву выделяемые в отдельные семейства. Это варикапы, стабилитроны, светодиоды и прочее. Общим становится наличие единственного p-n-перехода. Ламповые выпрямители также называют диодами. В указанном контексте и применяется эпитет полупроводниковые, чтобы отметить наличие p-n-перехода.

Электрический диод

Диоды ценятся за ярко выраженные выпрямляющие свойства. Ток проходит через p-n-переход в одном направлении, что решает большой спектр технических задач. Массово применяются выпрямительные свойства полупроводников и в интегральных схемах, включая кристаллы. Хотя в процессорах по большей части на подложке формируются транзисторы, рассматриваемые как два включённых навстречу полупроводниковых диода. Избыточность оправдывается унификацией технологического цикла.

Выпрямительные свойства полупроводниковых диодов открыты на примере сульфида меди. Об этом нетрудно прочитать в исторической справке, приведённой ниже. Вдобавок полупроводниковые диоды создаются на основе любого природного минерала, неметаллов IV, V и VI групп, различных оксидов, сплавов, части органических красителей (для светодиодов используется указанный класс веществ).

История развития полупроводниковой техники

Первые «кристаллические» диоды

Вопреки общепринятому мнению выпрямляющие свойства перехода металл-полупроводник (диод Шоттки) известны давно. В широком смысле полупроводниковая техника начала развиваться семимильными шагами после Второй мировой войны. Причины случившегося:

1. В военное время большинство стран вело исследования в области новых технологий. К примеру, появился на свет и был немедленно засекречен транзистор. Равно как и первый операционный усилитель предполагалось использовать для привода зенитных орудий системы противовоздушной обороны. Это изобретение могло бы увидеть свет раньше, первые работы в упомянутой области проводились на заре 30-х годов XX века.
2. Приблизительно за 10 лет до начала Второй мировой войны большинство стран оказалось в курсе грядущих событий. Не удивительно, что держали в секрете избранные сведения.
3. Если брать в рассмотрение фашистскую Германию, её правительство по соображениям давно взлелеянной неприязни отказывалось общаться с прочими европейскими державами. Поводом стали итоги Первой мировой войны.

Применение диода

Итак, полупроводниковая техника стала развиваться в условиях недавно созданной ООН, гарантировавшей мир на земле, и принятого ею устава. Выпрямительные свойства полупроводников открыты немецким учёным Карлом Фердинандом Брауном, получившим на пару с Маркони Нобелевскую премию за развитие беспроводного телеграфа (радиосвязи) в 1909 году. К великому сожалению, нет возможности найти перевод работы “Ueber die Stromleitung durch Schwefelmetalle”, опубликованной в журнале Annalen der Physik und Chemie 1874 года за номером 153.

Двумя годами ранее, в марте 1872 года Карл получает степень доктора философии за работу в области колебаний струны. Потом остаётся в Берлинском Университете. Научный руководитель работы, Георг Квинке, получает назначение в Вюрцбург, и оба следуют туда, где внимание сосредотачивают на проводимости материалов. Опубликованы отчёты о прохождении тока сквозь расплавы солей и выпрямляющих свойствах слоёв газа с разной проводимостью. Первоначально заинтересовавшись солями свинца, Карл Браун дошёл, наконец, до сульфида меди.

23 ноября 1874 года в свет выходит работа, где обсуждаются искусственно созданные и натуральные образцы материала с точки зрения электропроводности. Избранные демонстрировали разницу в сопротивлении, зависящую от направления, составлявшую 30%. Обнаружено, что в одном из направлений проводимость образца зависит от силы текущего тока, измеренной гальванометром. Так обнаружились и нелинейные свойства материала, ныне демонстрируемые полупроводниковыми диодами. Одновременно эффект зависел от способа приложения металлических электродов, что указывало на анизотропность обнаруженных качеств.

В то время происходящее считалось необъяснимым, наблюдаемый результат противоречил известным научным фактам. Сегодня известно, что переход металл-полупроводник обладает выпрямляющими свойствами наравне с p-n-переходом. Разница в том, что на первом падение напряжения меньше. Соответственно, полупроводниковые диоды Шоттки применяют в качестве выпрямителей на выходных каскадах блоков питания. В упомянутое время Вернер Сименс обнаружил одностороннюю проводимость кристаллов селена. А Браун добавил ещё ряд материалов, среди прочего – псиломелан (руда марганца), создав первый усиковый (точечный) диод.

Первый детектор для радио

Идеям Брауна нашёл практическое применение Джагдиш Чандра Бос, собравший первый детектор для радио под частоты миллиметрового диапазона из галенита (сульфид свинца) и получивший на него патент США за номером 755840, поданный на рассмотрение 30 сентября 1901 года и одобренный в марте 1904. Бенгальский учёный доложил об изобретении в 1899 году Королевскому научному обществу Англии. Уже в декабре 1901 года прибор применили для расшифровки трансатлантической телеграфной передачи Маркони.

Вскоре появляются новые детекторы:

• Патент № 836531, поданный 20 августа 1906 года Гринлифом Пикардом, примечателен тем, что впервые здесь упоминается о кристалле кремния (с англ. – силикон).
• Генри Данвуди 23 марта 1906 года для целей выпрямления тока использует карбид кремния (карборунда). Материал вначале синтезирован и лишь впоследствии обнаружен на осколках упавшего метеорита.

Некоторое время кристаллический детектор использовался и даже дал направление в электронике светодиодам, но с изобретением электронных ламп полупроводники ушли на задний план. И так происходило до послевоенных лет. С началом 50-х и вхождением в обиход транзисторов, а главное – германия, полупроводниковая техника развивается семимильными шагами и поныне.

Объяснение найдено

Лишь в 1928 году Арнольд Зоммерфельд и молодой Феликс Блох (Блоховские электроны) объяснили открытие Брауна с позиций квантовой механики. В первом приближении о новом направлении науки нетрудно узнать из заметки 1931 года On the quantum mechanics of electrons in crystal lattices за авторством Грониха и Пенни из Гронингенского Университета. Русскоязычным читателям удобнее ознакомиться с одномерной моделью движения электронов в периодическом поле, которая впервые наглядно иллюстрирует природу возникновения энергетических зон в кристалле.

Показано, что функция распределения энергий не непрерывна. Присутствуют разрешённые области, разделённые запрещёнными. Сегодня о теории знает каждый ученик из школьного курса физики, но роль первопроходца целиком отдаётся Шокли, что не совсем верно. В действительности полную теорию, хорошо согласующуюся с практикой, подвёл под полупроводники Ханс Альбрехт Бете в 1942 году (несколькими годами позднее знаменитого коллеги).

Полупроводниковый прибор

Бурное развитие полупроводниковой техники

В послевоенные годы выгоды выпуска полупроводниковой техники ещё не были очевидны. На начало 50-х производством занимались две американские компании:

1. Texas Instruments (с 1951 года – выделенное предприятие, отпочковавшееся от Объединённой геофизической службы) с 1950 году выпускает полупроводниковые транзисторы, и сегодня занимает ведущую роль в производстве электронных компонентов. Небезызвестный Джэк Килби, изобретатель интегральных микросхем, работал в упомянутой компании. На момент середины 50-х Texas Instruments занимала первое место по объёму оборота средств в сфере производства полупроводниковой техники.
2. Ныне несуществующая компания Transitron, созданная в 1952 году Лео и Дэвидом Бакаларами, к 1955 на пару с Texas Instruments выпускала более трети всех полупроводниковых приборов, за считаные годы поднялась до вершины. Материнская для Texas Instruments компания существовала с 1930 года, работала в военное время на правительство и обладала широкой известностью. На 1961 год оборот средств Transitron составил 40 млн. долларов. И это до первого нефтяного кризиса! Дэвид числился президентом до 1984 года, через пару лет компания прекратила существование.

Упадок Transitron начался в 60-е, когда они ошибочно отказались от новых направлений. Речь идёт об интегральных микросхемах. Перспективы обрёл кремний, хотя прежде в силу известности использовался германий. Более подробно о причинах ситуации можно прочитать в топике про биполярные транзисторы.

Добавим, в полупроводниковой технике требуется столь высокая степень чистоты кремния, что на момент середины XX века производство выходило чрезвычайно дорогим. В то же время германиевые приборы показывают меньшие предельные температуры (85 градусов Цельсия) и при перегреве легко выходят из строя. Легко понять, почему Transitron, отказавшаяся вложить средства в инновации, уже с середины 60-х годов начала терпеть серьёзные убытки.

Последние силы компании оказались отняты разработкой собственного микропроцессора, не имевшего коммерческого успеха. Кстати, германий, по некоторым оценкам, вновь станет весьма перспективным элементом и полупроводником. К примеру, на его основе создаются и выпрямители. Причём не только для радиочастот, но и промышленных сетей 50 Гц 220 В, что делает их перспективными в качестве замены громоздким реле.

Полупроводниковые диоды Шокли

В 1956 году Вильям Шокли основывает в Пало Альто (штат Калифорния) собственную компанию по адресу Сауф Антонио Роуд, 391. Это первое предприятие, занимающееся полупроводниками, на месте, где теперь расположена известная Силиконовая долина. Основной продукцией стал 4-х-слойный диод, называемый в среде профессионалов транзисторным диодом или диодом Шокли.

По задумке автора приборы должны были прийти на замену обычным реле в отрасли связи. Но из-за сложности реализации идея пришлась не по зубам технологии того времени. Читатели уже догадались, что речь идёт о тиристорах с регенеративной характеристикой. Таким образом, диодом можно назвать и указанное полупроводниковое изделие. А точнее – диодом Шокли.

Состоит он из 4-х чередующихся по типу проводимости слоёв полупроводника. Крайний n-типа называется катодом, а противоположный анодом, как у обычного диода. Работа диода Шокли основана на лавинном пробое, после понижения напряжения переходы вновь запираются, и система возвращается в исходное состояние.

Новое время

Если в начале 70-х по производству полупроводниковых материалов однозначно лидировали США, на заре 80-х Япония стала наращивать темпы. Юго-Восточная Азия и Европа стали последними, кто присоединился к этой гонке. Сегодня четыре упомянутых региона примерно поровну поделили объёмы производства, и, конечно, одеяло тянет на себя Китай: за первое десятилетие XXI века удвоил объёмы выпуска. По некоторым прогнозам Пекин к 2020 году возьмёт половину от мирового производства.

Применение диодов с P-N-переходом

Применение диодов с P-N-переходом

Физика | Электронные устройства и схемы | Электромагнетизм | СИДЕЛ Связь | Основы компьютера | Карта сайта | В сети тест | Блог

Полупроводник диоды П-Н Перекресток Ноль уклон P-N Junction Барьер напряжение Истощение регион Ширина области обеднения P-N переходной диод Вперед смещенный диод Обратный смещенный диод В-И характеристики диода Истощение регион пробой Идеальный диод Реальный диод Диод емкость перехода Диод сопротивление стабилитрон диод Лавинный диод Фотодиод Свет Излучающий диод Лазер диод тоннель диод Шоттки диод Варактор диод П-н применение диодов-переходников Кремний Управляемый выпрямитель

Электроника приборы и схемы >> Полупроводники диоды >> Применение диодов с P-N переходом A Диод с p-n переходом представляет собой двухвыводное устройство, которое позволяет электрический ток в одном направлении и блокирует электрический ток в другом направлении. В условие прямого смещения, диод пропускает электрический ток тогда как в условиях обратного смещения диод не позволяет электрический ток. Срок по этой характеристике диод находит число приложения, как указано ниже: Исправление преобразование чередования ток в прямой ток называется выпрямлением. p-n переход диод пропускает электрический ток, когда он смещен в прямом направлении и блокирует электрический ток при обратном смещении. Этот Действие диода с p-n переходом позволяет использовать его в качестве выпрямителя. Диоды используются для зажима схемы восстановления постоянного тока. Диоды используются в клиппинге схемы для формирования волны. Диоды используются в напряжении множители. Диоды используются в качестве переключателя в цифровых логических схемах, используемых в компьютеры. Диоды используются в схемах демодуляции. Лазер диоды используются в оптической связи. Свет Излучающие диоды (светодиоды) используются в цифровых дисплеи. Диоды используются в регуляторах напряжения.

О | Контакты  | Образовательные сайты | Ссылки | Условия использования  | Конфиденциальность политика  | Карта сайта | Часто задаваемые вопросы

Авторское право © 2013-2015, Физика и радиоэлектроника, Все права защищены

Полупроводниковый диод – определение, характеристики и применение

Учебное пособие по полупроводниковым диодам

Содержание

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 » ( – ) катод. Этот электронный компонент в основном используется из-за его способности пропускать электрический ток только в одном направлении (от анода к катоду ) после прямого смещения вышеупомянутого «p-n перехода» с положительным электрическим напряжением.

Рис. 1. Полупроводниковый диод условное обозначение

Однако 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 учащихся

Если вы студент или просто хотите научиться решать задачи для полупроводниковых диодов, посетите этот раздел нашего веб-сайта , где вы можете найти широкий спектр электронных задачи.

---

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 равновесия

Чтобы 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), обладающий также 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 малое время переключения (решающее влияние оказывает малая емкость перехода C _j диода) с частотами до нескольких десятков ГГц.

Полупроводниковый диод – вольтамперная характеристика

На 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 диодовРис. 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 уже не размонтируешь, если 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 при 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.

Эксперимент для самостоятельного выполнения

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, 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.