Site Loader
Posted on 21.11.1981

Содержание

Диоды Шотки — это… Что такое Диоды Шотки?

Диоды Шотки

Изображения на схемах

Дио́д Шо́ттки (назван в честь немецкого физика Вальтера Шоттки) — полупроводниковый диод с малым падением напряжения при прямом включении. Диоды Шоттки используют переход металл-полупроводник в качестве барьера Шоттки (вместо p-n перехода, как у обычных диодов). Допустимое обратное напряжение промышленно выпускаемых диодов Шоттки ограничено 250 В (MBR40250 и аналоги), на практике большинство диодов Шоттки применяется в низковольтных цепях при обратном напряжении порядка единиц и нескольких десятков вольт.

Свойства диодов Шоттки

Достоинства

  • В то время, как обычные кремниевые диоды имеют прямое падение напряжения около 0,6—0,7 вольт, применение диодов Шоттки позволяет снизить это значение до 0,2—0,4 вольт. Столь малое прямое падение напряжения присуще только диодам Шоттки с максимальным обратным напряжением порядка десятков вольт, выше же падение напряжения становится сравнимым с аналогичным параметром кремниевых диодов, что ограничивает применение диодов Шоттки. Например, для силового диода Шоттки 30Q150 с максимально возможным обратным напряжением (150 В) при прямом токе 15 А падение напряжение нормируется на уровне от 0,75 В (T = 125 °C) до 1,07 В (T = −55 °C).
  • Барьер Шоттки также имеет меньшую электрическую ёмкость перехода, что позволяет заметно повысить рабочую частоту. Это свойство используется в интегральных микросхемах, где диодами Шоттки шунтируются переходы транзисторов логических элементов. В силовой электронике малая ёмкость перехода (то есть малое время восстановления) позволяет строить выпрямители на частоты в сотни кГц и выше. Например, диод MBR4015 (15 В, 40 А), оптимизированный под высокочастотное выпрямление, нормирован для работы при dV/dt до 1000 В/мс.
  • Благодаря лучшим временны́м характеристикам и малым ёмкостям перехода выпрямители на диодах Шоттки отличаются от традиционных диодных выпрямителей пониженным уровнем помех, поэтому они предпочтительны в традиционных трансформаторных блоках питания аналоговой аппаратуры.

Недостатки

  • при кратковременном превышении максимального обратного напряжения диод Шоттки необратимо выходит из строя (КЗ — короткое замыкание), в отличие от кремниевых диодов, которые переходят в режим обратного пробоя, и при условии непревышения рассеиваемой на диоде максимальной мощности, после падения напряжения диод полностью востанавливает свои свойства.
  • диоды Шоттки характеризуются повышенными (относительно обычных кремниевых диодов) обратными токами, возрастающими с ростом температуры кристалла. Для вышеупомянутого 30Q150 обратный ток при максимальном обратном напряжениии изменяется от 0,12 мА при +25 °C до 6,0 мА при +125 °C. У низковольтных диодов в корпусах ТО220 обратный ток может превышать сотни миллиампер (MBR4015 — до 600 мА при +125 °C). При неудовлетворительных условиях теплоотвода положительная обратная связь по теплу в диоде Шоттки приводит к его катастрофическому перегреву.

Номенклатура диодов Шоттки

Диоды Шоттки — составные части современных дискретных полупроводниковых приборов:

  • МОП-транзисторы со встроенным обратным диодом Шоттки (впервые выпущены компанией International Rectifier под торговой маркой FETKY в 1996) — основной компонент синхронных выпрямителей. В отличие от обычного МОП-транзистора, обратный диод которого отличается высоким прямым падением напряжения и посредственными временны́ми характеристиками, использование обратного диода Шоттки позволяет строить силовые синхронные выпрямители с частотой преобразования в сотни кГц и выше. Существуют приборы этого класса со встроенными драйверами затворов и устройствами управления синхронным выпрямлением.
  • Так называемые ORing-диоды и ORing-сборки — силовые диоды и диодные сборки, применяемые для объединения параллельных источников питания общей нагрузки в устройствах повышенной надёжности (логическое ИЛИ по питанию). Отличаются особо низким, нормируемым прямым падением напряжения. Например, специализированный миниатюрный диод MBR140 (30 В, 1 А) при токе 100 мА имеет прямое падение напряжения не более 360 мВ при +25 °C и 300 мВ при +85 °C. ORing-диоды характеризуются относительно большой плошадью P-N перехода и низкими удельными плотностями тока.
Электроника

 

Wikimedia Foundation. 2010.

Что такое диод Шоттки?

Наиболее распространенный тип диодов (легированных кремниевых PN- диодов) имеет минимальное падение напряжения, чтобы преодолеть потенциал перехода, т.е. энергетическую яму, для проводимости носителей. Для кремния это примерно 0,6-0,65 Вольт и зависит от температуры.

Для некоторых применений падение напряжения диода ~ 0,65 В недопустимо. Причины включают в себя:

  • Мощность впустую на диоде является функцией тока через него и напряжение перехода в этом токе, то есть P = V x I. Таким образом, выделяемое тепло пропорционально этому напряжению
  • Одним из факторов ( не единственным ) скорости переключения диодов является барьер напряжения, который необходимо преодолеть для возникновения проводимости. Таким образом, снижение этого напряжения будет одним из способов повышения производительности переключения диодов.

Логично, что простым ответом должно быть использование некоторого другого полупроводника вместо Si … и это работает с некоторыми ограничениями: альтернативой для приложений с низким напряжением традиционно является германиевый pn-переходный диод: его потенциал перехода составляет приблизительно 0,15 В, намного меньше, чем ~ 0,65 Вольт выше. Однако Ge-диоды в значительной степени исчезают из-за проблем, при которых они теряют кремниевые диоды: например, высокий ток обратной утечки, низкая емкость прямого тока, низкое напряжение обратной блокировки и жалкая термическая стабильность.

Шоттки диод падает где — то между Si и Ge диодами в параметрах, но существенно отличается в том , как она работает: функция ректификации происходит между легированным полупроводником, почти всегда п-типом, и металлом образуя « барьер Шоттки » для полупроводника , Отметим, что дополнительный тип допанта (p <-> n в зависимости от обстоятельств) отсутствует в диодах Шоттки.

Напряжение энергетической ямы в случае барьера металл-полупроводник зависит от того, какая комбинация полупроводника и металла используется для формирования диода, и обычно намного ниже, чем у диода с pn-переходом (половина напряжения, как отметил Олин в его ответ).

Другое большое преимущество заключается в том, что время обратного восстановления барьера Шоттки в значительной степени бесконечно мало по сравнению с относительно медленным диодом pn-перехода. Это немного секрет для высокоскоростных приложений переключения / выпрямления.

Недостатком диодов Шоттки является то, что обратный ток утечки связан с достигнутым барьерным напряжением и резко возрастает с уменьшением этого потенциала перехода. Следовательно, хотя возможны очень низкие переходные потенциалы, для целей выпрямления слишком низкое напряжение не очень хорошая вещь.

Теперь перейдем к вопросам:

  • Диоды Шоттки используются в цепях, где низкий потенциал перехода имеет важное значение, и обратная утечка не является прерывателем
  • Оба малого сигнала высокой скорости переключения и мощности Шоттки диоды имеют свое применение в электронном дизайне: то есть и для применений низкого напряжения , где низкое падение диода и быстрое восстановление являются важными, так и для высоких текущих применений , где низкие результаты падения диода в меньшей мощности впустую , как высокая температура. Например, мой любимый силовой диод Шоттки, Vishay 95sq015 , имеет прямое напряжение всего 0,25 В при токе 9 Ампер!
  • Одним из относительно недавних применений диодов Шоттки является высокотемпературное переключение, где кремниевые карбидные диоды Шоттки,
    например, 1N8032 , обеспечивают очень высокие напряжения обратной блокировки (типично> 600 В), не требуют обратного восстановления заряда и работают в номинальном режиме до 200-250 o. C. В то время как преимущество низкого прямого напряжения в этих диодах теряется, скорость переключения из-за нулевого обратного восстановления в сочетании с работой при безумно высоких температурах делает этот тип Шоттки уникальным бесценным в таких приложениях.

Как работают диоды в приложении AM-диапазона?

Детектор, который вы показываете, называется детектором конвертов (Википедия) .

Вам не хватает пары важных компонентов: резистор и конденсатор после диода.

Когда диод проводит, он заряжает конденсатор, который затем разряжается относительно медленно через резистор. Постоянная времени выбирается так, чтобы она была длинной относительно несущей частоты, но короткой относительно модулирующего сигнала.

Резистор и конденсатор заполняют сигнал между циклами несущей, чтобы получить близкое приближение к исходному отправленному сигналу.

С более сложным сигналом, таким как аудио, вы можете получить что-то вроде этого:

Быстро меняющийся сигнал является несущей, а красный контур — желаемым выходом.

Для простого приемника, такого как вы показываете, вы должны быть осторожны, чтобы соединение антенны и детектора не нарушало резонансный контур LC так сильно, что оно изменяет частоту резонанса от того места, где вам это нужно, а также может увеличивать потери до перестань работать.

Как правило, антенна будет подключена к катушке с небольшим конденсатором, чтобы уменьшить такую ​​нагрузку, и детектор будет извлечен из постукивания по катушке, а не в конце по аналогичной причине. Это позволит резонансному контуру работать более эффективно.

Вам нужно то, что в резонансном контуре называется «высокое значение Q», чтобы усилить слабый сигнал от антенны.

Например, в этом примере:

Диод фактически начнет проводить при напряжении ниже 300 мВ, вероятно, около 100 мВ, как показано на этой диаграмме, вы получите некоторый выходной сигнал даже через несколько десятков милливольт сигнала.

Даже при всем этом выходной сигнал будет небольшим, и вам потребуются чувствительные наушники с высоким импедансом — обычные наушники с низким импедансом для личных стереосистем не будут работать, я использовал хрустальный наушник, и они работают удовлетворительно, хотя это было много лет назад. Вы также можете подать сигнал на аудиоусилитель.

Существует целый ряд веб-сайтов о кристаллических радиоприемниках, которые могут предоставить информацию, которая поможет вам работать — вот один из сайтов Techlib.com .

Диод Ганна — Википедия

Диод Ганна российского производства

А Диод Ганна, также известный как переданное электронное устройство (ТЕД), является формой диод, двухконтактный полупроводник электронный компонент, с отрицательное сопротивление, используется в высокочастотных электроника. Он основан на «эффекте Ганна», открытом в 1962 году физиком. Дж. Б. Ганн. Его наибольшее использование в электронные генераторы чтобы генерировать микроволны, в таких приложениях, как радар скорость пушки, микроволновое реле передатчики канала передачи данных и автоматические открыватели дверей.

Его внутренняя конструкция отличается от других диодов тем, что состоит только из N-легированный полупроводник материал, тогда как большинство диодов состоят из областей, легированных как P, так и N. Следовательно, он не ведет себя только в одном направлении и не может исправить переменный ток, как и другие диоды, поэтому в некоторых источниках этот термин не используется. диод но предпочитаю TED. В диоде Ганна существует три области: две из них сильно легированы азотом на каждом выводе с тонким слоем слегка легированного азота между ними. Когда на устройство подается напряжение, электрический градиент будет самым большим в тонком среднем слое. Если напряжение увеличивается, ток через слой сначала увеличивается, но, в конечном итоге, при более высоких значениях поля, проводящие свойства среднего слоя изменяются, увеличивая его удельное сопротивление и вызывая падение тока. Это означает, что диод Ганна имеет область отрицательное дифференциальное сопротивление в его вольт-амперная характеристика кривая, на которой увеличение приложенного напряжения вызывает уменьшение тока. Это свойство позволяет усилить, функционирующий как усилитель радиочастоты, или становиться нестабильным и колебаться, когда он пристрастный с напряжением постоянного тока.

Генераторы на диодах Ганна

Отрицательное дифференциальное сопротивление в сочетании с временными характеристиками промежуточного слоя отвечает за наибольшее использование диода: в электронные генераторы в микроволновая печь частоты и выше. СВЧ-генератор можно создать, просто применив ОКРУГ КОЛУМБИЯ напряжение для смещения устройства в область отрицательного сопротивления. Фактически, отрицательное дифференциальное сопротивление диода нейтрализует положительное сопротивление цепи нагрузки, тем самым создавая цепь с нулевым дифференциальным сопротивлением, которая вызывает спонтанные колебания. Колебание частота Частично определяется свойствами среднего диодного слоя, но может регулироваться внешними факторами. В реальных генераторах электронная резонатор обычно добавляется к контрольной частоте в виде волновод, микроволновая печь или же ЖИГ сфера. Диод обычно устанавливается внутри резонатора. Диод компенсирует сопротивление потерь резонатора, поэтому он производит колебания на своем резонансная частота. Частоту можно настроить механически, регулируя размер резонатора, или, в случае сфер ЖИГ, изменяя магнитное поле. Диоды Ганна используются для создания генераторов в 10 ГГц к высокому (ТГц) Диапазон частот.

Арсенид галлия Диоды Ганна производятся для частот до 200 ГГц, нитрид галлия материалов может доходить до 3 терагерц.[1][2]

История

Диод Ганна основан на эффекте Ганна, и оба названы в честь физика. Дж. Б. Ганн кто на IBM в 1962 году обнаружил эффект, потому что он отказался принять противоречивые экспериментальные результаты с арсенидом галлия как «шум», и выследил причину. Алан Чиновет, из Bell Telephone Laboratories, показал в июне 1965 года, что только механизм перенесенных электронов может объяснить экспериментальные результаты.[3] Стало понятно, что обнаруженные им колебания объясняются Теория Ридли – Уоткинса – Хилсама, названный в честь британских физиков Брайан Ридли, Том Уоткинс и Кирилл Хилсум кто в научных статьях в 1961 году показал, что объемные полупроводники могут отображать отрицательное сопротивление, что означает, что увеличение приложенного напряжения вызывает снижаться.

Эффект Ганна и его связь с эффектом Уоткинса-Ридли-Хилсума вошли в электронную литературу в начале 1970-х годов, например в книгах по переданным электронным устройствам[4] и, совсем недавно, о нелинейных волновых методах переноса заряда.[5]

Российский диодный генератор Ганна. Диод установлен внутри полость (металлическая коробка), который действует как резонатор для определения частоты. Отрицательное сопротивление диода возбуждает микроволновые колебания в резонаторе, которые излучают прямоугольное отверстие в волновод (не показано). Частоту можно регулировать, изменяя размер полости с помощью винта с шлицевой головкой.

Как это устроено

В электронная зонная структура некоторых полупроводник материалы, в том числе арсенид галлия (GaAs), имеют другую энергетическую полосу или подполосу в дополнение к валентность и зоны проводимости которые обычно используются в полупроводниковые приборы. Эта третья зона имеет более высокую энергию, чем обычная зона проводимости, и остается пустой до тех пор, пока не будет подана энергия, которая продвигает в нее электроны. Энергия исходит из кинетической энергии баллистические электроны, то есть электроны в зоне проводимости, но движущиеся с достаточной кинетической энергией, чтобы они могли достичь третьей зоны.

Эти электроны либо начинаются ниже Уровень Ферми и им предоставляется достаточно большая длина свободного пробега для получения необходимой энергии путем приложения сильного электрического поля, либо они вводятся катодом с нужной энергией. При приложении прямого напряжения уровень Ферми в катоде перемещается в третью зону, и отражения баллистических электронов, начинающиеся вокруг уровня Ферми, сводятся к минимуму за счет согласования плотности состояний и использования дополнительных интерфейсных слоев, позволяющих отраженным волнам деструктивно интерферировать.

В GaAs эффективная масса электронов в третьей зоне выше, чем в обычной зоне проводимости, поэтому мобильность или скорость дрейфа электронов в этой полосе ниже. По мере увеличения прямого напряжения все больше и больше электронов могут достигать третьей полосы, заставляя их двигаться медленнее, и ток через устройство уменьшается. Это создает область отрицательного дифференциального сопротивления в соотношении напряжение / ток.

Когда к диоду приложен достаточно высокий потенциал, плотность носителей заряда вдоль катода становится нестабильной и образуются небольшие участки с низкой проводимостью, а остальная часть катода имеет высокую проводимость. Большая часть катодного падения напряжения будет происходить на сегменте, поэтому он будет иметь высокое электрическое поле. Под действием этого электрического поля он будет двигаться по катоду к аноду. Невозможно сбалансировать населенность в обоих диапазонах, поэтому всегда будут тонкие срезы высокой напряженности поля на общем фоне низкой напряженности поля. Таким образом, на практике при небольшом увеличении прямого напряжения на катоде создается сегмент с низкой проводимостью, сопротивление увеличивается, сегмент перемещается вдоль стержня к аноду, и когда он достигает анода, он поглощается, и создается новый сегмент. на катоде, чтобы общее напряжение оставалось постоянным. Если напряжение понижается, любой существующий слой гасится, и сопротивление снова уменьшается.

Лабораторные методы, используемые для выбора материалов для изготовления диодов Ганна, включают: фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением.

Приложения

Из-за своей способности к работе с высокими частотами диоды Ганна в основном используются на сверхвысоких частотах. Они могут производить на этих частотах одну из самых высоких выходных мощностей среди полупроводниковых устройств. Чаще всего они используются в генераторы, но они также используются в микроволновой печи усилители для усиления сигналов. Поскольку диод однопортовый (двухполюсное) устройство, схема усилителя должна отделять исходящий усиленный сигнал от входящего входного сигнала для предотвращения связи. Одна общая схема — это усилитель отражения который использует циркулятор для разделения сигналов. А косой тройник необходим для изоляции тока смещения от высокочастотных колебаний.

Датчики и измерительные приборы

Генераторы на диодах Ганна используются для генерации СВЧ-мощности для:[6]радар предотвращения столкновений в воздухе, антиблокировочная система тормозов, датчики для наблюдения за движением транспорта, автомобильные радар-детекторы, системы безопасности пешеходов, регистраторы пройденного расстояния, детекторы движения, «тихоходные» датчики (для обнаружения пешеходов и движения транспорта со скоростью до 85 км / ч (50 миль в час)), контроллеры светофоров, автоматические открыватели дверей, автоматические ворота, оборудование для контроля пропускной способности, охранная сигнализация и оборудование для обнаружение нарушителей, датчики предотвращения схода поездов с рельсов, удаленные датчики вибрации, тахометры скорости вращения, мониторы влажности.

Радиолюбительское использование

Благодаря своему низковольтному режиму работы диоды Ганна могут служить в качестве генераторов СВЧ-частот для очень маломощных (несколько милливатт) СВЧ трансиверы называется Gunnplexers. Впервые они были использованы британскими радиолюбителями в конце 1970-х годов, и многие разработки Gunnplexer были опубликованы в журналах. Обычно они состоят из волновода диаметром около 3 дюймов, в который устанавливается диод. Источник постоянного тока низкого напряжения (менее 12 В), который может модулированный соответственно, используется для управления диодом. Волновод заблокирован на одном конце, образуя резонансную полость, а другой конец обычно питает рупорная антенна. Дополнительный «Смеситель диод »вставляется в волновод и часто подключается к модифицированному FM-трансляция ресивер для прослушивания других любительских станций. Ганнплексеры чаще всего используются в 10 ГГц и 24 ГГц радиолюбительские диапазоны и иногда сигнализация безопасности 22 ГГц модифицируются, поскольку диод (ы) может быть помещен в слегка расстроенный резонатор со слоями меди или алюминиевой фольги на противоположных краях для перехода на лицензированный любительский диапазон. Как правило, диод смесителя, если он не поврежден, остается повторно используется в существующем волноводе, и эти части хорошо известны своей чрезвычайно чувствительной к статике. На большинстве коммерческих устройств эта часть защищена параллельным резистором и другими компонентами, а в некоторых атомных часах Rb используется вариант. Смесительный диод полезен для более низких частот. частотных приложений, даже если диод Ганна ослаблен из-за использования, и некоторые радиолюбители использовали их в сочетании с внешним генератором или диодом Ганна с длиной волны n / 2 для поиска спутников и других приложений.

Радиоастрономия

Генераторы Ганна используются в качестве гетеродинов для радиоастрономических приемников миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов. Диод Ганна установлен в резонаторе, настроенном так, чтобы резонировать на двойной основной частоте диода. Длина полости изменяется микрометрической регулировкой. Доступны генераторы Ганна, способные генерировать более 50 мВт в 50% диапазоне настройки (одна полоса волновода). Дж. Э. Карлстром, Р. Л. Пламбек и Д. Д. Торнтон. Плавно настраиваемый осциллятор Ганна 65-115 ГГц, IEEE, 1985 г. [3]

Что такое диод ?

Электрод диода, подключённый к положительному полюсу источника тока, когда диод открыт (т.е. имеет маленькое сопротивление), называют анодом, подключённый к отрицательному полюсу — катодом. Диоды бывают как электровакуумными (кенотроны), так и полупроводниковыми. В настоящее время в подавляющем большинстве случаев применяются полупроводниковые диоды.

Развитие диодов началось в третьей четверти XIX века сразу по двум направлениям: в 1873 году Фредериком Гутри был разработан принцип действия термионного диода, а в 1874 году Карл Фердинанд Браун разработал первые диоды на кристалле. Принципы работы термионного диода были заново открыты тринадцатого февраля 1880 года Томасом Эдисоном, и затем запатентованы (патент США №307031). Однако дальнейшего развития в работах Эдисона идея не получила. В 1890 году Браун запатентовал выпрямитель на кристалле. В 1900 Гринлиф Пикард создал первый радиоприемник на кристаллическом диоде. Термионный диод был запатентован в Британии Джоном Амброзом Флемингом (научным советником компании Маркони и бывшим сотрудником Эдисона) шестнадцатого ноября 1904 года (патент США №803684 от ноября 1905 года). Пикард же запатентовал кремниевый детектор на кристалле двадцатого ноября 1906 года (патент США №836531). В конце XIX века устройства подобного рода были известны под именем выпрямителей, и лишь в 1919 году Вильям Генри Еклс ввел в оборот слово «диод», образованное от греческих корней «di» — два, и «odos» — путь.

Полупроводниковые диоды используют свойство односторонней проводимости p-n перехода — контакта между полупроводниками с разным типом примесной проводимости, либо между полупроводником и металлом.

Диоды широко используются для преобразования переменного тока в постоянный (точнее, в пульсирующий). Диодный выпрямитель или диодный мост (то есть 4 (или 6 для трёхфазной схемы) диода, соединённых между собой по мостовой схеме) — основной компонент блоков питания практически всех электронных устройств. Диодный выпрямитель применяется также в автомобильных генераторах, он преобразует переменный трёхфазный ток генератора в постоянный ток бортсети автомобиля. Использование диодного выпрямителя в сочетании с генератором переменного тока вместо генератора постоянного тока позволило значительно уменьшить размеры автомобильного генератора и повысить его надёжность.

Диоды в сочетании с конденсаторами применяются для выделения низкочастотной модуляции из амплитудно-модулированного радиосигнала или других модулированных сигналов. Диодные детекторы применяются во всех радиоприёмных устройствах: радиоприёмниках, телевизорах и т. п.. Используется квадратичный участок вольт-амперной характеристики диода.

Диоды применяются также для защиты разных устройств от неправильной полярности включения и т. п.

Известна схема диодной защиты схем постоянного тока с индуктивностями от скачков при выключении питания. Диод включается параллельно катушке так, что в «рабочем» состоянии диод закрыт. В таком случае, если резко выключить сборку, ток потечет через диод и будет уменьшаться медленно (ЭДС индукции будет равна падению напряжения на диоде), и не возникнет мощного скачка напряжения, приводящего к искрящим контактам и выгорающим полупроводникам.

Применяются для коммутации высокочастотных сигналов. Управление осуществляется постоянным током, разделение ВЧ и управляющего сигнала с помощю конденсаторов и индуктивностей. Этим не исчерпывается применение диодов в электронике, однако другие схемы, как правило, весьма узкоспециальны. Совершенно другую область применимости имеют специальные диоды, поэтому они будут рассмотрены в отдельных статьях.

Стабилитроны. Используют обратную ветвь характеристики диода с обратимым пробоем для стабилизации напряжения.

Туннельные диоды. Диоды, существенно использующие квантовомеханические эффекты. Имеют область т. н. «отрицательного сопротивления» на вольт-амперной характеристике. Применяются как усилители, генераторы и пр.

Варикапы. Используется то, что запертый p—n-переход обладает большой ёмкостью, причём ёмкость зависит от обратного напряжения.

Светодиоды. В отличие от обычных диодов, при рекомбинации электронов и дырок в переходе излучают свет в видимом диапазоне, а не в инфракрасном.

Полупроводниковые лазеры. По устройству близки к светодиодам, однако имеют лазерный резонатор, излучают когерентный свет.

Фотодиоды. Запертый фотодиод открывается под действием света.

Диоды Ганна. Используются для генерации и преобразования частоты в СВЧ диапазоне.

Диод Шоттки. Диод с малым падением напряжения при прямом включении.

Лавинно-пролётный диод. Диод, работающий за счет лавинного пробоя.

Магнитодиод. Диод, вольт-амперная характеристика которого существенно зависит от значения индукции магнитного поля и расположения его вектора относительно плоскости p-n-перехода.

Стабисторы. При работе используется участок ветви вольт-амперной характеристики, соответствующий «прямому напряжению» на диоде.

Смесительный диод — предназначен для перемножения 2 высокочастотных сигналов. В

первые десятилетия развития полупроводниковой технологии точность изготовления диодов была настолько низкой, что приходилось делать «разбраковку» уже изготовленных приборов. Так, диод Д220 мог, в зависимости от фактически получившихся параметров, маркироваться и как переключательный (Д220А,Б), и как стабистор (Д220С). Радиолюбители широко использовали его в качестве варикапа.

Диоды могут использоваться как датчики температуры. Диоды в прозрачном стеклянном корпусе (в том числе и современные SMD-варианты) могут обладать паразитной чувствительностью к свету (то есть радиоэлектронное устройство работает по-разному в корпусе и без корпуса, на свету).

Назад

Simple English Wikipedia, бесплатная энциклопедия

Анод и катод. Катод нанесен на корпус.

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

Диоды могут использоваться для преобразования переменного тока в постоянный (диодный мост). Они используются в источниках питания, а иногда и для декодирования радиосигналов с амплитудной модуляцией (например, в радиоприемнике на кристалле).Светодиоды (LED) — это диоды, излучающие свет.

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

Первые типы диодов были названы клапанами Флеминга. Это были электронные лампы. Они были внутри стеклянной трубки (очень похожей на лампочку). Внутри стеклянной колбы была небольшая металлическая проволока и большая металлическая пластина. Маленькая металлическая проволока нагревается и выделяет электричество, которое улавливается пластиной.Большая металлическая пластина не нагревалась, поэтому электричество могло проходить через трубку в одном направлении, но не в другом. Клапаны Флеминга больше не используются, потому что они были заменены полупроводниковыми диодами, которые меньше, чем клапаны Флеминга. Томас Эдисон также обнаружил это свойство, когда работал над своими лампочками.

Структура лампового диода

Полупроводниковые диоды состоят из двух типов полупроводников, соединенных друг с другом. У одного типа есть атомы с дополнительными электронами (так называемая n-сторона).У другого типа есть атомы, которым нужны электроны (так называемая p-сторона). Из-за этого электричество будет легко течь со стороны со слишком большим количеством электронов в сторону со слишком малым количеством электронов. Однако электричество не будет легко течь в обратном направлении. Эти разные типы сделаны легированием (полупроводник). Кремний с растворенным в нем мышьяком является хорошим полупроводником на n-стороне, а кремний с растворенным в нем алюминием — хорошим полупроводником на p-стороне. Другие химические вещества также могут работать.

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

Положительное напряжение на стороне p [изменить | изменить источник]

Если вы подадите положительное напряжение на сторону p и отрицательное напряжение на сторону n, электроны на стороне n захотят перейти к положительному напряжению на стороне p, а отверстия на стороне p потребуются перейти к отрицательному напряжению на стороне n. Из-за этого ток может существовать, но для этого требуется определенное напряжение (очень небольшого напряжения недостаточно для протекания электрического тока).Это называется напряжением включения. Напряжение включения кремниевого диода составляет около 0,7 В. Германиевый диод требует напряжения включения около 0,3 В.

Отрицательное напряжение на стороне p [изменить | изменить источник]

Если вместо этого вы подадите отрицательное напряжение на сторону p и положительное напряжение на сторону n, электроны стороны n захотят перейти к источнику положительного напряжения, а не к другой стороне диода. То же самое происходит на стороне p. Таким образом, ток не будет течь между двумя сторонами диода.Повышение напряжения в конечном итоге заставит электрический ток течь (это напряжение пробоя). Многие диоды будут разрушены обратным потоком, но некоторые из них могут выжить.

При повышении температуры снижается напряжение включения. Это облегчает прохождение электричества через диод.

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

Символы [изменить | изменить источник]

Вот несколько распространенных символов полупроводниковых диодов, используемых на принципиальных схемах:

Стандартный выпрямительный диод [изменить | изменить источник]

Изменяет A / C (переменный ток, как в сетевой розетке в доме) на D / C (постоянный ток, используемый в электронике).Стандартный выпрямительный диод предъявляет особые требования. Он должен выдерживать большой ток, не сильно зависеть от температуры, иметь низкое напряжение включения и поддерживать быстрое изменение направления тока. Такие выпрямители используются в современной аналоговой и цифровой электронике.

Светодиод

[изменить | изменить источник]

Светодиод излучает свет, когда через него проходит электричество. Это более долговечный и более эффективный способ создания света, чем лампы накаливания. В зависимости от того, как он был изготовлен, светодиод может быть разного цвета.Светодиоды были впервые использованы в 1970-х годах. Светоизлучающий диод может в конечном итоге заменить лампочку, поскольку развивающиеся технологии делают ее ярче и дешевле (она уже более эффективна и служит дольше). В 1970-х годах светодиоды использовались для отображения чисел в таких приборах, как калькуляторы, и как способ показать, что питание было включено для более крупных приборов. [1]

Фотодиод [изменить | изменить источник]

Фотодиод — это фотодетектор (противоположность светодиода).Он реагирует на входящий свет. Фотодиоды имеют окно или оптоволоконное соединение, которое пропускает свет на чувствительную часть диода. Диоды обычно имеют сильное сопротивление; свет снижает сопротивление. [2]

Стабилитрон

[изменить | изменить источник]

Стабилитрон похож на обычный диод, но вместо того, чтобы разрушаться большим обратным напряжением, он пропускает электричество. Напряжение, необходимое для этого, называется напряжением пробоя или напряжением Зенера. [3] Поскольку он построен с известным напряжением пробоя, его можно использовать для подачи известного напряжения.

Варакторный диод [изменить | изменить источник]

Варикап или варакторный диод используется во многих устройствах. Он использует область между p-стороной и n-стороной диода, где электроны и дырки уравновешивают друг друга. Это называется зоной истощения. При изменении величины обратного напряжения изменяется размер зоны истощения. В этой области есть некоторая емкость, и она изменяется в зависимости от размера зоны истощения.Это называется переменной емкостью, или сокращенно варикапом. [4] Он используется в ФАПЧ (контурах фазовой автоподстройки частоты), которые используются для управления высокоскоростной частотой, на которой работает микросхема.

Step-Recovery-Diode [изменить | изменить источник]

Обозначение представляет собой символ диода с своеобразной заглушкой. Используется в цепях с высокими частотами до ГГц. Он очень быстро выключается при прекращении прямого напряжения. Для этого он использует ток, который течет после изменения полярности.

PIN диод [изменить | изменить источник]

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

диод Шоттки [изменить | изменить источник]

Обозначается диодом с буквой «S» на пике.Вместо того, чтобы обе стороны были полупроводниками (например, кремнием), одна сторона — это металл, например алюминий или никель. Это снижает напряжение включения примерно до 0,3 В. Это примерно половина порогового напряжения обычного диода. Функция этого диода заключается в том, что неосновные носители не инжектируются — на n-стороне есть только дырки, но не электроны, а на p-стороне есть только электроны, а не дырки. [5] Поскольку он более чистый, он может реагировать быстрее, без диффузионной емкости, которая может его замедлить. Кроме того, он создает меньше тепла и более эффективен.Но есть утечка тока с обратным напряжением.

Когда диод переключается с постоянного тока на неподвижный, это называется переключением. В типичном диоде это занимает десятки наносекунд; это создает некоторый радиошум, который временно ухудшает качество радиосигналов. Диод Шоттки переключается за небольшую часть этого времени, менее наносекунды.

Туннельный диод [изменить | изменить источник]

В условном обозначении туннельного диода в конце обычного обозначения есть своеобразная дополнительная квадратная скобка.

Туннельный диод состоит из высоколегированного pn-перехода. Из-за этого высокого уровня легирования существует только очень узкая щель, через которую могут проходить электроны. Этот туннельный эффект проявляется в обоих направлениях. После прохождения определенного количества электронов ток через зазор уменьшается, пока не начнется нормальный ток через диод при пороговом напряжении. Это вызывает область отрицательного сопротивления. Эти диоды используются для работы с действительно высокими частотами (100 ГГц).Также они устойчивы к радиации, поэтому их используют в космических кораблях. Они также используются в микроволновых печах и холодильниках. [6]

Обратный диод [изменить | изменить источник]

Символ имеет на конце диода знак, похожий на большой I. Он сделан аналогично туннельному диоду, но n- и p-слой не легированы так высоко. Это позволяет току течь в обратном направлении с небольшими отрицательными напряжениями. Его можно использовать для выпрямления низкого напряжения (менее 0,7 В).

Кремниевый выпрямитель (SCR) [изменить | изменить источник]

Вместо двух слоев, как у обычного диода, он состоит из четырех слоев, по сути, это два диода, соединенных вместе, с затвором посередине.Когда напряжение проходит между затвором и катодом, включается нижний транзистор. Это позволяет протекать току, который активирует верхний транзистор, и тогда ток не нужно будет включать напряжением на затворе. [7]

Викискладе есть медиафайлы, связанные с диодами .

Простая английская Википедия, бесплатная энциклопедия

Анод и катод. Катод нанесен на корпус.

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

Диоды могут использоваться для преобразования переменного тока в постоянный (диодный мост). Они используются в источниках питания, а иногда и для декодирования радиосигналов с амплитудной модуляцией (например, в радиоприемнике на кристалле). Светодиоды (LED) — это диоды, излучающие свет.

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

Первые типы диодов были названы клапанами Флеминга. Это были электронные лампы. Они были внутри стеклянной трубки (очень похожей на лампочку). Внутри стеклянной колбы была небольшая металлическая проволока и большая металлическая пластина. Маленькая металлическая проволока нагревается и выделяет электричество, которое улавливается пластиной. Большая металлическая пластина не нагревалась, поэтому электричество могло проходить через трубку в одном направлении, но не в другом. Клапаны Флеминга больше не используются, потому что они были заменены полупроводниковыми диодами, которые меньше, чем клапаны Флеминга.Томас Эдисон также обнаружил это свойство, когда работал над своими лампочками.

Структура лампового диода

Полупроводниковые диоды состоят из двух типов полупроводников, соединенных друг с другом. У одного типа есть атомы с дополнительными электронами (так называемая n-сторона). У другого типа есть атомы, которым нужны электроны (так называемая p-сторона). Из-за этого электричество будет легко течь со стороны со слишком большим количеством электронов в сторону со слишком малым количеством электронов. Однако электричество не будет легко течь в обратном направлении.Эти разные типы сделаны легированием (полупроводник). Кремний с растворенным в нем мышьяком является хорошим полупроводником на n-стороне, а кремний с растворенным в нем алюминием — хорошим полупроводником на p-стороне. Другие химические вещества также могут работать.

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

Положительное напряжение на стороне p [изменить | изменить источник]

Если вы подадите положительное напряжение на сторону p и отрицательное напряжение на сторону n, электроны на стороне n захотят перейти к положительному напряжению на стороне p, а отверстия на стороне p потребуются перейти к отрицательному напряжению на стороне n.Из-за этого ток может существовать, но для этого требуется определенное напряжение (очень небольшого напряжения недостаточно для протекания электрического тока). Это называется напряжением включения. Напряжение включения кремниевого диода составляет около 0,7 В. Германиевый диод требует напряжения включения около 0,3 В.

Отрицательное напряжение на стороне p [изменить | изменить источник]

Если вместо этого вы подадите отрицательное напряжение на сторону p и положительное напряжение на сторону n, электроны стороны n захотят перейти к источнику положительного напряжения, а не к другой стороне диода.То же самое происходит на стороне p. Таким образом, ток не будет течь между двумя сторонами диода. Повышение напряжения в конечном итоге заставит электрический ток течь (это напряжение пробоя). Многие диоды будут разрушены обратным потоком, но некоторые из них могут выжить.

При повышении температуры снижается напряжение включения. Это облегчает прохождение электричества через диод.

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

Символы [изменить | изменить источник]

Вот несколько распространенных символов полупроводниковых диодов, используемых на принципиальных схемах:

Стандартный выпрямительный диод [изменить | изменить источник]

Изменяет A / C (переменный ток, как в сетевой розетке в доме) на D / C (постоянный ток, используемый в электронике). Стандартный выпрямительный диод предъявляет особые требования. Он должен выдерживать большой ток, не сильно зависеть от температуры, иметь низкое напряжение включения и поддерживать быстрое изменение направления тока.Такие выпрямители используются в современной аналоговой и цифровой электронике.

Светодиод

[изменить | изменить источник]

Светодиод излучает свет, когда через него проходит электричество. Это более долговечный и более эффективный способ создания света, чем лампы накаливания. В зависимости от того, как он был изготовлен, светодиод может быть разного цвета. Светодиоды были впервые использованы в 1970-х годах. Светоизлучающий диод может в конечном итоге заменить лампочку, поскольку развивающиеся технологии делают ее ярче и дешевле (она уже более эффективна и служит дольше).В 1970-х годах светодиоды использовались для отображения чисел в таких приборах, как калькуляторы, и как способ показать, что питание было включено для более крупных приборов. [1]

Фотодиод [изменить | изменить источник]

Фотодиод — это фотодетектор (противоположность светодиода). Он реагирует на входящий свет. Фотодиоды имеют окно или оптоволоконное соединение, которое пропускает свет на чувствительную часть диода. Диоды обычно имеют сильное сопротивление; свет снижает сопротивление. [2]

Стабилитрон

[изменить | изменить источник]

Стабилитрон похож на обычный диод, но вместо того, чтобы разрушаться большим обратным напряжением, он пропускает электричество. Напряжение, необходимое для этого, называется напряжением пробоя или напряжением Зенера. [3] Поскольку он построен с известным напряжением пробоя, его можно использовать для подачи известного напряжения.

Варакторный диод [изменить | изменить источник]

Варикап или варакторный диод используется во многих устройствах.Он использует область между p-стороной и n-стороной диода, где электроны и дырки уравновешивают друг друга. Это называется зоной истощения. При изменении величины обратного напряжения изменяется размер зоны истощения. В этой области есть некоторая емкость, и она изменяется в зависимости от размера зоны истощения. Это называется переменной емкостью, или сокращенно варикапом. [4] Он используется в ФАПЧ (контурах фазовой автоподстройки частоты), которые используются для управления высокоскоростной частотой, на которой работает микросхема.

Step-Recovery-Diode [изменить | изменить источник]

Обозначение представляет собой символ диода с своеобразной заглушкой. Используется в цепях с высокими частотами до ГГц. Он очень быстро выключается при прекращении прямого напряжения. Для этого он использует ток, который течет после изменения полярности.

PIN диод [изменить | изменить источник]

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

диод Шоттки [изменить | изменить источник]

Обозначается диодом с буквой «S» на пике. Вместо того, чтобы обе стороны были полупроводниками (например, кремнием), одна сторона — это металл, например алюминий или никель. Это снижает напряжение включения примерно до 0,3 В. Это примерно половина порогового напряжения обычного диода.Функция этого диода заключается в том, что неосновные носители не инжектируются — на n-стороне есть только дырки, но не электроны, а на p-стороне есть только электроны, а не дырки. [5] Поскольку он более чистый, он может реагировать быстрее, без диффузионной емкости, которая может его замедлить. Кроме того, он создает меньше тепла и более эффективен. Но есть утечка тока с обратным напряжением.

Когда диод переключается с постоянного тока на неподвижный, это называется переключением. В типичном диоде это занимает десятки наносекунд; это создает некоторый радиошум, который временно ухудшает качество радиосигналов.Диод Шоттки переключается за небольшую часть этого времени, менее наносекунды.

Туннельный диод [изменить | изменить источник]

В условном обозначении туннельного диода в конце обычного обозначения есть своеобразная дополнительная квадратная скобка.

Туннельный диод состоит из высоколегированного pn-перехода. Из-за этого высокого уровня легирования существует только очень узкая щель, через которую могут проходить электроны. Этот туннельный эффект проявляется в обоих направлениях. После прохождения определенного количества электронов ток через зазор уменьшается, пока не начнется нормальный ток через диод при пороговом напряжении.Это вызывает область отрицательного сопротивления. Эти диоды используются для работы с действительно высокими частотами (100 ГГц). Также они устойчивы к радиации, поэтому их используют в космических кораблях. Они также используются в микроволновых печах и холодильниках. [6]

Обратный диод [изменить | изменить источник]

Символ имеет на конце диода знак, похожий на большой I. Он сделан аналогично туннельному диоду, но n- и p-слой не легированы так высоко. Это позволяет току течь в обратном направлении с небольшими отрицательными напряжениями.Его можно использовать для выпрямления низкого напряжения (менее 0,7 В).

Кремниевый выпрямитель (SCR) [изменить | изменить источник]

Вместо двух слоев, как у обычного диода, он состоит из четырех слоев, по сути, это два диода, соединенных вместе, с затвором посередине. Когда напряжение проходит между затвором и катодом, включается нижний транзистор. Это позволяет протекать току, который активирует верхний транзистор, и тогда ток не нужно будет включать напряжением на затворе. [7]

Викискладе есть медиафайлы, связанные с диодами .

диод — Викисловарь

Английский [править]

Этимология [править]

di- + -ode . Выученная формация, введенная Уильямом Экклсом в 1919 году после древнегреческого δίοδος (díodos).

Произношение [править]

Существительное [править]

диод ( множество диодов )

  1. (электроника) Электронное устройство, позволяющее току течь только в одном направлении; используется в основном как выпрямитель.
    • 1919 18 апреля, Уильям Экклс, Электрик , стр. 475:

      Предлагаю дать название диод трубке с двумя электродами.

    • 1949 , Сэмюэл Сильвер, Теория и конструкция СВЧ-антенн [1] , стр. 593:

      Если используется кристалл или диод , комбинация усилитель-вольтметр может использоваться с амплитудой -модулированный источник; или с источником непрерывного света детектор может быть подключен к микроамперметру или гальванометру в качестве показывающего устройства.

    • 2005 , Роберт Диффендерфер, Электронные устройства: системы и приложения [2] , стр. 69:

      В этой схеме, когда диод смещен в прямом направлении, напряжение на диоде остается справедливым. близко к потенциалу барьера диода .

Условия координат [править]
Производные термины [править]
Связанные термины [править]
Потомков [править]
  • → Французский: диод ( см. Там для дальнейших потомков )
Переводы [править]

Анаграммы [править]

Произношение [править]

Существительное [править]

диод

  1. (электроника) диод
Cклонение [править]
См. Также [править]

Дополнительная литература [править]

Этимология [править]

От англ. диод .

Произношение [править]

Существительное [править]

диод f ( множественное число диодов )

  1. (электроника) диод
Потомки [править]

Дополнительная литература [править]

Диод

— Википедия, бесплатная энциклопедия

Из Википедии, бесплатной энциклопедии

Рисунок 1: Крупный план диода, показывающий полупроводниковый кристалл квадратной формы.

В электронике диод — это двухконтактное устройство (термоэлектронные диоды могут также иметь одну или две вспомогательные клеммы для нагревателя).

Диоды имеют два активных электрода, между которыми может протекать интересующий сигнал, и большинство из них используются из-за свойства однонаправленного электрического тока. Варикап-диод используется как электрически регулируемый конденсатор.

Однонаправленность большинства диодов иногда обычно называют свойством выпрямления . Наиболее распространенная функция диода — пропускать электрический ток в одном направлении (это называется условием с прямым смещением ) и блокировать ток в противоположном направлении (условие с обратным смещением ).Таким образом, диод можно рассматривать как электронную версию обратного клапана.

Настоящие диоды не обладают такой идеальной направленностью включения-выключения, но имеют более сложную нелинейную электрическую характеристику, которая зависит от конкретного типа диодной технологии. У диодов также есть много других функций, для которых они не предназначены для работы в таком режиме включения-выключения.

Ранние диоды включали кристаллы «кошачьи усы» и устройства на электронных лампах (также называемые термоэлектронными клапанами). Сегодня наиболее распространенные диоды изготавливаются из полупроводниковых материалов, таких как кремний или германий.

[править] История

Хотя кристаллический (твердотельный) диод был популяризирован до термоэмиссионного диода, термоэлектронные и твердотельные диоды разрабатывались параллельно. Принцип действия термоэмиссионных диодов был открыт Фредериком Гатри в 1873 году. [1] Принцип действия кристаллических диодов был открыт в 1874 году немецким ученым Карлом Фердинандом Брауном. [2]

На момент своего изобретения такие устройства были известны как выпрямители.В 1919 году Уильям Генри Эклс ввел термин диод из греческих корней; di означает «два», а ode (с ὅδος ) означает «путь».

[править] Принципы

Принципы термоэмиссионного диода

были заново открыты Томасом Эдисоном 13 февраля 1880 года, и он получил патент в 1883 году (патент США 307031), но дальше не развивал идею. Браун запатентовал кристалл-выпрямитель в 1899 году. [3] Открытие Брауна было развито Джагдишем Чандрой Бозе в полезное устройство для обнаружения радиоизлучений.

[править] Радиоприемники

Первый радиоприемник, использующий кристаллический диод, был построен Greenleaf Whittier Pickard. Первый термоэмиссионный диод был запатентован в Великобритании Джоном Амброузом Флемингом (научным советником компании Marconi и бывшим сотрудником Эдисона [4] ) 16 ноября 1904 года (за которым последовал патент США 803684 в ноябре 1905 года). Пикард получил патент на кремниевый детектор на кристалле 20 ноября 1906 г. [5] (патент США 836,531).

[править] Термоэмиссионные и газовые диоды

Рисунок 4: Символ вакуумного лампового диода непрямого нагрева.Сверху вниз компонентами являются анод, катод и нить накала нагревателя.

Термоэлектронные диоды — это устройства с термоэлектронным клапаном (также известные как вакуумные трубки, трубки или клапаны), которые представляют собой системы электродов, окруженных вакуумом внутри стеклянной оболочки. Ранние образцы были довольно похожи по внешнему виду на лампы накаливания.

В термоэлектронных вентильных диодах ток через нить накала нагревателя косвенно нагревает катод, другой внутренний электрод, обработанный смесью оксидов бария и стронция, которые являются оксидами щелочноземельных металлов; эти вещества выбраны потому, что они имеют небольшую работу выхода.(В некоторых клапанах используется прямой нагрев, при котором вольфрамовая нить действует как нагреватель и как катод.) Тепло вызывает термоэлектронную эмиссию электронов в вакуум. В прямом режиме окружающий металлический электрод, называемый анодом, заряжается положительно, так что он электростатически притягивает испускаемые электроны. Однако электроны нелегко высвободить с ненагретой поверхности анода при изменении полярности напряжения. Следовательно, обратный поток незначителен.

На протяжении большей части 20-го века термоэмиссионные вентильные диоды использовались в приложениях аналоговых сигналов и в качестве выпрямителей во многих источниках питания.Сегодня вентильные диоды используются только в нишевых приложениях, таких как выпрямители в электрогитарах и высококачественных аудиоусилителях, а также в специализированном высоковольтном оборудовании.

[править] Полупроводниковые диоды

Большинство современных диодов основаны на полупроводниковых p-n переходах. В p-n диоде обычный ток идет со стороны p-типа (анод) на сторону n-типа (катод), но не в противоположном направлении. Другой тип полупроводникового диода, диод Шоттки, формируется из контакта между металлом и полупроводником, а не из p-n-перехода.

[править] ВАХ

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода, или ВАХ, связана с переносом носителей через так называемый обедненный слой или обедненную область , которая существует на p-n-переходе между разными полупроводниками. Когда pn-переход создается впервые, электроны зоны проводимости (подвижные) из области с примесью азота диффундируют в область с примесью фосфора, где имеется большая популяция дырок (места для электронов, в которых нет электронов), с которыми электроны «рекомбинировать».Когда мобильный электрон рекомбинирует с дыркой, и дырка, и электрон исчезают, оставляя неподвижный положительно заряженный донор на N-стороне и отрицательно заряженный акцептор на P-стороне. Область вокруг p-n-перехода становится обедненной носителями заряда и, таким образом, ведет себя как изолятор.

Однако ширина истощения не может расти без ограничений. Для каждой пары электрон-дырка, которая рекомбинирует, положительно заряженный ион легирующей примеси остается в области, легированной азотом, а отрицательно заряженный ион легирующей примеси остается в области, легированной фосфатом.По мере того, как рекомбинация продолжается и образуется больше ионов, через зону обеднения возникает увеличивающееся электрическое поле, которое замедляет, а затем, наконец, останавливает рекомбинацию. На данный момент существует «встроенный» потенциал в зоне истощения.

Если на диод подается внешнее напряжение с той же полярностью, что и встроенный потенциал, зона обеднения продолжает действовать как изолятор, предотвращая любое значительное протекание электрического тока. Это явление обратного смещения .Однако, если полярность внешнего напряжения противоположна встроенному потенциалу, рекомбинация может снова продолжиться, что приведет к значительному электрическому току через p-n-переход. Для кремниевых диодов встроенный потенциал составляет приблизительно 0,6 В. Таким образом, если через диод пропускается внешний ток, через диод будет развиваться около 0,6 В, так что область, легированная P, будет положительной по отношению к N- легированная область и диод называется «включенным», так как он имеет прямое смещение .

Рисунок 5: ВАХ диода с P-N переходом (не в масштабе).

ВАХ диода можно приблизительно определить для четырех рабочих областей (см. Рисунок справа).

При очень большом обратном смещении, превышающем пиковое обратное напряжение или PIV, происходит процесс, называемый обратным пробоем, который вызывает большое увеличение тока, что обычно приводит к необратимому повреждению устройства. Лавинный диод специально разработан для использования в лавиноопасной зоне. В стабилитроне концепция PIV не применима.Стабилитрон содержит сильно легированный p-n переход, позволяющий электронам туннелировать из валентной зоны материала p-типа в зону проводимости материала n-типа, так что обратное напряжение «фиксируется» на известном значении (называемом напряжение стабилитрона ), и лавины не возникает. Однако оба устройства имеют ограничение на максимальный ток и мощность в области фиксированного обратного напряжения. Кроме того, после окончания прямой проводимости в любом диоде на короткое время возникает обратный ток.Устройство не достигает своей полной блокирующей способности, пока обратный ток не прекратится.

Вторая область, при обратном смещении более положительном, чем PIV, имеет очень небольшой обратный ток насыщения. В области обратного смещения для нормального выпрямительного диода P-N ток через устройство очень мал (в диапазоне мкА).

Третья область — прямое, но с небольшим смещением, где проходит только небольшой прямой ток.

Когда разность потенциалов увеличивается выше произвольно определенного «напряжения включения», или «напряжения включения», или «прямого падения напряжения на диоде (V d )», ток диода становится заметным (уровень тока считается «заметным» «и значение напряжения включения зависит от приложения), а диод имеет очень низкое сопротивление.

Вольт-амперная кривая экспоненциальная. В нормальном кремниевом диоде при номинальных токах произвольное напряжение включения составляет от 0,6 до 0,7 вольт. Значение отличается для других типов диодов — диоды Шоттки могут иметь низкое напряжение 0,2 В, красные светодиоды (светодиоды) могут иметь напряжение 1,4 В или более, а синие светодиоды могут иметь напряжение до 4,0 В.

При более высоких токах прямое падение напряжения на диоде увеличивается. Падение от 1 В до 1,5 В при полном номинальном токе типично для силовых диодов.

[править] Уравнение диода Шокли

Уравнение идеального диода Шокли или закон диода (названный в честь соавтора транзистора Уильяма Брэдфорда Шокли, не путать с изобретателем тетрода Уолтером Х.Шоттки) — ВАХ идеального диода при прямом или обратном смещении (или без смещения). Уравнение:

где

I — ток диода,
I S — обратное смещение ток насыщения ,
В D — напряжение на диоде,
В T — это тепловое напряжение ,
и n — коэффициент выбросов , также известный как коэффициент идеальности .Коэффициент излучения n варьируется от примерно 1 до 2 в зависимости от процесса изготовления и материала полупроводника и во многих случаях предполагается, что он примерно равен 1 (таким образом, обозначение n опущено).

Тепловое напряжение В T составляет приблизительно 25,85 мВ при 300 K, температуре, близкой к «комнатной температуре», обычно используемой в программном обеспечении для моделирования устройств. При любой температуре это известная константа, определяемая как:

где

q — величина заряда электрона (элементарный заряд),
k — постоянная Больцмана,
T — абсолютная температура p-n перехода в кельвинах

Уравнение идеального диода Шокли или закон диода выведено с предположением, что единственными процессами, вызывающими ток в диоде, являются дрейф (из-за электрического поля), диффузия и генерация тепловой рекомбинации.Также предполагается, что ток генерации рекомбинации (R-G) в области обеднения незначителен. Это означает, что уравнение Шокли не учитывает процессы, связанные с обратным пробоем и R-G с участием фотонов. Кроме того, он не описывает «выравнивание» ВАХ при высоком прямом смещении из-за внутреннего сопротивления.

При обратном смещении напряжения (см. Рисунок 5) экспонента в уравнении диода незначительна, а ток — это постоянное (отрицательное) значение обратного тока — I S .Область обратного пробоя не моделируется уравнением диода Шокли.

Даже для довольно малых напряжений прямого смещения (см. Рисунок 5) экспонента очень велика, потому что тепловое напряжение очень мало, поэтому вычитаемая «1» в уравнении диода пренебрежимо мала, а прямой ток диода часто приближается к

.

Использование уравнения диода в задачах схемы проиллюстрировано в статье о моделировании диодов.

[править] Малосигнальное поведение

Для проектирования схем часто оказывается полезной модель поведения диода при слабом сигнале. Конкретный пример моделирования диодов рассмотрен в статье о схемах слабого сигнала.

[править] Типы полупроводниковых диодов

Рисунок 6: Некоторые символы диодов.

Рисунок 7: Типичные диодные блоки, расположенные так же, как обозначение диода. Тонкая полоса изображает катод. Рисунок 8: Несколько типов диодов. Масштаб в сантиметрах.

Существует несколько типов переходных диодов, которые либо подчеркивают другой физический аспект диода, часто геометрическим масштабированием, уровнем легирования, выбором правильных электродов, либо представляют собой просто применение диода в специальной схеме, либо представляют собой действительно разные устройства, например Ганна, лазерный диод и полевой МОП-транзистор:

Нормальные (p-n) диоды, которые работают, как описано выше, обычно изготавливаются из легированного кремния или, реже, германия. До разработки современных кремниевых выпрямительных диодов использовалась закись меди, а затем селен; его низкая эффективность давала гораздо более высокое прямое падение напряжения (обычно 1.4–1,7 В на «ячейку», при этом несколько ячеек уложены друг над другом для увеличения пикового значения обратного напряжения в высоковольтных выпрямителях) и требовали большого радиатора (часто являющегося продолжением металлической подложки диода), намного большего, чем у кремниевого диода. такие же текущие рейтинги потребуются. Подавляющее большинство всех диодов — это p-n-диоды, используемые в интегральных схемах КМОП, которые включают два диода на вывод и множество других внутренних диодов.

Лавинные диоды

Диоды, которые проводят в обратном направлении, когда напряжение обратного смещения превышает напряжение пробоя.Они электрически очень похожи на стабилитроны и часто ошибочно называются стабилитронами, но выходят из строя по другому механизму, лавинному эффекту . Это происходит, когда обратное электрическое поле через p-n-переход вызывает волну ионизации, напоминающую лавину, приводящую к сильному току. Лавинные диоды предназначены для пробоя при четко определенном обратном напряжении без разрушения. Разница между лавинным диодом (у которого обратный пробой выше примерно 6.2 В), а стабилитрон состоит в том, что длина канала первого превышает «длину свободного пробега» электронов, поэтому на выходе между ними происходят столкновения. Единственное практическое различие состоит в том, что два типа имеют температурные коэффициенты противоположной полярности.

Кошачьи усы или кристаллические диоды

Это диод с точечным контактом. Диод кошачьих усов состоит из тонкой или заостренной металлической проволоки, прижатой к полупроводниковому кристаллу, обычно галениту или куску угля.[1] Проволока образует анод, а кристалл — катод. Диоды Кошачьи усы также назывались кристаллическими диодами и нашли применение в кристаллических радиоприемниках. Диоды кошачьих усов устарели.

Диоды постоянного тока

На самом деле это полевой транзистор с закороченным затвором на исток и функционирует как двухконтактный ограничитель тока, аналог стабилитрона, который ограничивает напряжение. Они позволяют току через них повышаться до определенного значения, а затем выравниваться до определенного значения.Также называется CLD , диодов постоянного тока , диодно-соединенных транзисторов или стабилизирующих диодов .

Есаки или туннельные диоды

Они имеют рабочую область, показывающую отрицательное сопротивление, вызванное квантовым туннелированием, что позволяет усиление сигналов и очень простые бистабильные схемы. Эти диоды также являются наиболее стойкими к ядерному излучению.

Диоды Ганна

Они похожи на туннельные диоды в том, что они сделаны из таких материалов, как GaAs или InP, которые имеют область отрицательного дифференциального сопротивления.При соответствующем смещении дипольные домены образуются и перемещаются по диоду, что позволяет создавать высокочастотные микроволновые генераторы.

Светодиоды (светодиоды)

В диоде, сформированном из полупроводника с прямой запрещенной зоной, такого как арсенид галлия, носители, которые пересекают переход, излучают фотоны, когда они рекомбинируют с основным носителем на другой стороне. В зависимости от материала могут быть получены длины волн (или цветов) от инфракрасного до ближнего ультрафиолета.Прямой потенциал этих диодов зависит от длины волны излучаемых фотонов: 1,2 В соответствует красному цвету, 2,4 — фиолетовому. Первые светодиоды были красными и желтыми, а со временем были разработаны более высокочастотные диоды. Все светодиоды излучают некогерентный узкоспектральный свет; «Белые» светодиоды на самом деле представляют собой комбинацию трех светодиодов разного цвета или синего светодиода с желтым сцинтилляторным покрытием. Светодиоды также могут использоваться в качестве фотодиодов с низким КПД в сигнальных приложениях. Светодиод может быть соединен с фотодиодом или фототранзистором в одном корпусе, чтобы сформировать оптоизолятор.

Лазерные диоды

Когда светодиодная структура содержится в резонансной полости, образованной полировкой параллельных торцевых поверхностей, может быть сформирован лазер. Лазерные диоды обычно используются в оптических запоминающих устройствах и для высокоскоростной оптической связи.

Диоды Пельтье

Эти диоды используются как датчики тепловых двигателей для термоэлектрического охлаждения. Носители заряда поглощают и излучают энергию своей запрещенной зоны в виде тепла.

Фотодиоды

Все полупроводники подвержены генерации оптических носителей заряда.Обычно это нежелательный эффект, поэтому большинство полупроводников упаковано в светозащитный материал. Фотодиоды предназначены для восприятия света (фотодетектор), поэтому они упакованы в материалы, которые пропускают свет, и обычно представляют собой PIN (тип диода, наиболее чувствительный к свету). Фотодиод можно использовать в солнечных элементах, в фотометрии или в оптической связи. Несколько фотодиодов могут быть упакованы в одном устройстве либо в виде линейной матрицы, либо в виде двумерной матрицы. Эти массивы не следует путать с устройствами с зарядовой связью.

Точечные диоды

Они работают так же, как описанные выше переходные полупроводниковые диоды, но имеют более простую конструкцию. Строится блок из полупроводника n-типа, и с полупроводником помещается проводящий заостренный контакт с каким-либо металлом группы 3. Часть металла мигрирует в полупроводник, образуя небольшую область полупроводника p-типа рядом с контактом. Давно популярная германиевая версия 1N34 до сих пор используется в радиоприемниках в качестве детектора и иногда в специализированной аналоговой электронике.

PIN диоды

PIN-диод имеет центральный нелегированный или собственный слой , образующий структуру p-типа / внутреннего / n-типа. Они используются в качестве радиочастотных переключателей и аттенюаторов. Они также используются как детекторы ионизирующего излучения большого объема и как фотодетекторы. PIN-диоды также используются в силовой электронике, поскольку их центральный слой может выдерживать высокие напряжения. Кроме того, структуру PIN можно найти во многих силовых полупроводниковых устройствах, таких как IGBT, силовые MOSFET и тиристоры.

Диоды Шоттки

Диоды Шоттки построены по принципу «металл-полупроводник». У них меньшее прямое падение напряжения, чем у диодов с p-n переходом. Их прямое падение напряжения при прямом токе около 1 мА находится в диапазоне от 0,15 В до 0,45 В, что делает их полезными для приложений ограничения напряжения и предотвращения насыщения транзисторов. Их также можно использовать в качестве выпрямителей с малыми потерями, хотя их обратный ток утечки обычно выше, чем у других диодов.Диоды Шоттки являются устройствами с основной несущей и поэтому не страдают от проблем с хранением неосновных носителей, которые замедляют работу многих других диодов, поэтому они имеют более быстрое «обратное восстановление», чем диоды с p-n переходом. Они также имеют тенденцию иметь гораздо более низкую емкость перехода, чем p-n диоды, что обеспечивает высокую скорость переключения и их использование в высокоскоростных схемах и ВЧ-устройствах, таких как импульсные источники питания, смесители и детекторы.

Супер барьерные диоды

Супербарьерные диоды — это выпрямительные диоды, которые включают в себя низкое прямое падение напряжения диода Шоттки с возможностью защиты от перенапряжения и низким обратным током утечки обычного диода с p-n переходом.

Диоды, легированные золотом

В качестве допанта золото (или платина) действует как центры рекомбинации, которые помогают быстрой рекомбинации неосновных носителей заряда. Это позволяет диоду работать на частотах сигнала за счет более высокого прямого падения напряжения. Легированные золотом диоды быстрее, чем другие p-n-диоды (но не так быстро, как диоды Шоттки). Они также имеют меньшую утечку обратного тока, чем диоды Шоттки (но не так хороши, как другие p-n-диоды) [2]. [6] Типичным примером является 1N914.

Отводные или ступенчатые восстановительные диоды

Термин «ступенчатое восстановление» относится к форме характеристики обратного восстановления этих устройств. После прохождения прямого тока в SRD и прерывания или реверсирования тока обратная проводимость прекращается очень резко (как в ступенчатой ​​форме волны). Таким образом, SRD могут обеспечивать очень быстрые переходы напряжения за счет очень внезапного исчезновения носителей заряда.

Диод подавления переходных напряжений (TVS)

Это лавинные диоды, разработанные специально для защиты других полупроводниковых устройств от высоковольтных переходных процессов.Их p-n-переходы имеют гораздо большую площадь поперечного сечения, чем у обычных диодов, что позволяет им проводить большие токи на землю без повреждений.

Варикапные или варакторные диоды

Используются как конденсаторы с регулируемым напряжением. Они важны в схемах PLL (контур фазовой автоподстройки частоты) и FLL (контур автоподстройки частоты), позволяя схемам настройки, например, в телевизионных приемниках, быстро блокироваться, заменяя старые конструкции, для разогрева и блокировки которых требовалось много времени.ФАПЧ быстрее, чем ФАПЧ, но подвержена целочисленной гармонической синхронизации (если кто-то пытается синхронизироваться с широкополосным сигналом). Они также позволяли настраиваемые генераторы на ранних этапах дискретной настройки радиоприемников, где дешевый и стабильный кварцевый генератор с фиксированной частотой обеспечивал опорную частоту для генератора, управляемого напряжением.

Стабилитроны

Диоды с обратным током. Этот эффект, называемый пробоем стабилитрона, происходит при точно определенном напряжении, что позволяет использовать диод в качестве прецизионного опорного напряжения.В практических схемах опорного напряжения стабилитроны и переключающие диоды включены последовательно и в противоположных направлениях, чтобы уравновесить температурный коэффициент почти до нуля. Некоторые устройства, обозначенные как высоковольтные стабилитроны, на самом деле являются лавинными диодами (см. Ниже). Два (эквивалентных) стабилитрона, включенные последовательно и в обратном порядке, в одной упаковке, составляют поглотитель переходных процессов (или Transorb, зарегистрированная торговая марка). Стабилитрон назван в честь доктора Кларенса Мелвина Зенера из Университета Южного Иллинойса, изобретателя устройства.

Другие применения полупроводниковых диодов включают измерение температуры и вычисление аналоговых логарифмов (см. Применение операционных усилителей # Логарифмические).

[править] Нумерация

Стандартизованная система нумерации серии 1N была введена в США EIA / JEDEC (Объединенный инженерный совет по электронным устройствам) примерно в 1960 году. Среди наиболее популярных в этой серии были: 1N34A / 1N270 (сигнал германия), IN914 / 1N4148 (сигнал кремния). ) и 1N4001-1N4007 (силовой выпрямитель кремниевый 1А). [7]

[3] [8]

[править] Связанные устройства

В оптике эквивалентным устройством для диода, но с лазерным светом будет оптический изолятор, также известный как оптический диод, который позволяет свету проходить только в одном направлении. В качестве основного компонента он использует ротатор Фарадея.

[править] Приложения

[править] Демодуляция радио

Первым применением диода была демодуляция радиопередач с амплитудной модуляцией (AM).История этого открытия подробно рассматривается в статье radio . Таким образом, AM-сигнал состоит из чередующихся положительных и отрицательных пиков напряжения, амплитуда или «огибающая» которых пропорциональна исходному звуковому сигналу. Диод (первоначально кристаллический диод) выпрямляет радиочастотный сигнал AM, оставляя звуковой сигнал, который является исходным звуковым сигналом. Аудио извлекается с помощью простого фильтра и подается в аудиоусилитель или преобразователь, который генерирует звуковые волны.

[править] Преобразование мощности

Выпрямители состоят из диодов, где они используются для преобразования электричества переменного тока (AC) в постоянный ток (DC). Автомобильные генераторы переменного тока являются распространенным примером, где диод, который преобразует переменный ток в постоянный, обеспечивает лучшую производительность, чем коммутатор более ранних динамо-машин. Точно так же диоды также используются в умножителях Кокрофта – Уолтона для преобразования переменного тока в более высокие напряжения постоянного тока.

[править] Защита от перенапряжения

Диоды часто используются для отвода высокого напряжения от чувствительных электронных устройств.Обычно они имеют обратное смещение (непроводящие) при нормальных обстоятельствах. Когда напряжение поднимается выше нормального диапазона, диоды становятся смещенными в прямом направлении (проводящими). Например, диоды используются в контроллере двигателя (шаговый двигатель и H-мост) и в цепях реле для быстрого обесточивания катушек без разрушительных скачков напряжения, которые в противном случае могли бы возникнуть. (Любой диод, используемый в таком приложении, называется обратным диодом). Многие интегральные схемы также включают диоды на соединительных контактах, чтобы предотвратить повреждение чувствительных транзисторов внешним напряжением.Специализированные диоды используются для защиты от перенапряжения при более высокой мощности (см. Типы диодов выше).

[править] Логические ворота

Диоды можно комбинировать с другими компонентами для создания логических вентилей И и ИЛИ. Это называется диодной логикой.

[править] Детекторы ионизирующего излучения

Помимо света, упомянутого выше, полупроводниковые диоды чувствительны к более энергичному излучению. В электронике космические лучи и другие источники ионизирующего излучения вызывают шумовые импульсы и одиночные или множественные битовые ошибки.Этот эффект иногда используется детекторами частиц для обнаружения излучения. Одна частица излучения с энергией в тысячи или миллионы электрон-вольт генерирует множество пар носителей заряда, поскольку ее энергия вкладывается в полупроводниковый материал. Если истощающий слой достаточно велик, чтобы уловить весь ливень или остановить тяжелую частицу, можно провести довольно точное измерение энергии частицы, просто измерив проводимый заряд и без сложностей, связанных с магнитным спектрометром и т. Д.Эти полупроводниковые детекторы излучения требуют эффективного и равномерного сбора заряда и низкого тока утечки. Их часто охлаждают жидким азотом. Для частиц с большим радиусом действия (около сантиметра) им нужна очень большая глубина истощения и большая площадь. Для частиц с коротким радиусом действия им необходимо, чтобы любой контактный или не обедненный полупроводник по крайней мере на одной поверхности был очень тонким. Напряжения обратного смещения близки к пробою (около тысячи вольт на сантиметр). Германий и кремний — обычные материалы.Некоторые из этих детекторов определяют положение, а также энергию. У них ограниченный срок службы, особенно при обнаружении тяжелых частиц, из-за радиационного повреждения. Кремний и германий совершенно разные по своей способности преобразовывать гамма-лучи в электронные ливни.

Полупроводниковые детекторы частиц высоких энергий используются в большом количестве. Из-за колебаний потерь энергии точное измерение выделенной энергии менее полезно.

[править] Измерение температуры

Диод может использоваться в качестве прибора для измерения температуры, поскольку прямое падение напряжения на диоде зависит от температуры, как в кремниевом датчике температуры запрещенной зоны.Из приведенного выше уравнения идеального диода Шокли видно, что напряжение имеет положительный температурный коэффициент (при постоянном токе), но зависит от концентрации легирования и рабочей температуры (Sze 2007). Температурный коэффициент может быть отрицательным, как в типичных термисторах, или положительным для температурных диодов, вплоть до примерно 20 кельвинов.

[править] Текущее рулевое управление

Диоды предотвратят токи в непреднамеренных направлениях. Для подачи питания на электрическую цепь во время сбоя питания схема может потреблять ток от батареи.Источник бесперебойного питания может использовать диоды таким образом, чтобы ток от батареи потреблялся только тогда, когда это необходимо. Точно так же на небольших лодках обычно есть две цепи, каждая со своими батареями / батареями: одна используется для запуска двигателя; один использовался для прислуги. Обычно оба заряжаются от одного генератора переменного тока, и используется усиленный диод разделения заряда, чтобы предотвратить разряд батареи с более высоким зарядом (обычно батареи двигателя) через батарею с более низким зарядом, когда генератор не работает. [9] .

Диоды также используются в электронных музыкальных клавишных. Чтобы уменьшить количество проводов, необходимых для электронных музыкальных клавиатур, в этих инструментах часто используются матричные схемы клавиатуры. Контроллер клавиатуры просматривает строки и столбцы, чтобы определить, какую ноту нажал игрок. Проблема с матричными схемами заключается в том, что при одновременном нажатии нескольких нот ток может течь в обратном направлении по цепи и запускать «фантомные клавиши», которые вызывают воспроизведение «призрачных» нот. Чтобы избежать появления нежелательных нот, в большинстве схем матричной клавиатуры есть диоды, припаянные к переключателю под каждой клавишей музыкальной клавиатуры.Тот же принцип используется и для матрицы переключателей в твердотельных автоматах для игры в пинбол.

[править] Сокращения

Диоды обычно обозначаются как D для диодов на печатных платах. Иногда используется аббревиатура CR для кристаллического выпрямителя . [10]

[править] См. Также

[править] Список литературы

[править] Внешние ссылки

Кривые зависимости тока диода от напряжения [Analog Devices Wiki]

Цель:

Цель этого упражнения — исследовать текущую vs.характеристики напряжения различных твердотельных диодов с PN переходом, таких как обычный кремниевый диод, барьерный диод Шоттки, стабилитрон и светоизлучающий диод (LED).

Фон:

Диод с PN переходом — это устройство, которое обычно используется в схемах, таких как выпрямление, где ток может течь только в одном направлении. Когда диод изготовлен из кремния, прямое падение напряжения обычно составляет 0,7 В и В D vs.I D характеристика, связывающая напряжение и ток диода, может быть описана экспоненциальной зависимостью:

где I S и n — масштабные коэффициенты, а kT / q (~ 25,4 мВ при комнатной температуре) — тепловое напряжение В T .

Условные обозначения на схеме диодов:

Каждый тип диода имеет определенный схематический символ, который является вариациями обычного символа диода, показанного слева на рисунке 1.Катод в форме буквы «Z» обозначает стабилитрон, как показано во втором символе на рисунке 1. Катод в форме буквы «S» обозначает диод Шоттки, как показано в следующем символе. Стрелки, указывающие от диода, обозначают светодиод, как в символе справа.

Рисунок 1, условные обозначения диодов

Основы стабилитрона:

Стабилитрон похож по конструкции и работе на обычный диод. В отличие от обычного диода, предназначенного для предотвращения тока в обратном направлении, стабилитрон в основном используется в обратной области выше напряжения пробоя.Его характеристика I vs V аналогична кривой обычного диода. Регулируя легирование сторон P и N перехода, можно создать стабилитрон, который выходит из строя при напряжении от нескольких вольт до нескольких сотен вольт. См. Рисунок 2. В этой области пробоя или стабилитрона напряжение на диоде будет оставаться примерно постоянным в широком диапазоне токов. Максимальный потенциал обратного смещения, который может быть приложен до входа в область стабилитрона, называется пиковым обратным напряжением (PIV) или пиковым обратным напряжением (PRV).

Рисунок 2, Характеристики прямого и обратного стабилитрона I / V

При напряжениях выше начала пробоя увеличение приложенного напряжения вызовет прохождение большего тока через диод, но напряжение на диоде останется почти на уровне В Z . Стабилитрон, работающий в режиме обратного пробоя, может обеспечивать опорное напряжение для таких систем, как регуляторы напряжения или компараторы напряжения.

Основы диода Шоттки:

Диод с барьером Шоттки использует выпрямляющий переход металл-полупроводник, образованный путем нанесения, испарения или распыления одного из множества металлов на полупроводниковый материал n-типа или p-типа.Обычно кремний n-типа и GaAs n-типа используются в коммерчески доступных диодах Шоттки. Свойства диода с барьером Шоттки, смещенного в прямом направлении, определяются явлением большинства носителей заряда. Свойства обычного диода с PN переходом определяются неосновными носителями. Диоды Шоттки — это устройства с большинством несущих, которые можно быстро переключать с прямого на обратное смещение без эффекта накопления неосновных носителей.

Кривая нормальной зависимости тока от напряжения (I / В ) диода с барьером Шоттки похожа на кривую диода с PN-переходом, за следующими исключениями:

1.Напряжение обратного пробоя диода с барьером Шоттки ниже, а обратный ток утечки выше, чем у диода с PN-переходом, изготовленного из того же полупроводникового материала с удельным сопротивлением.

2. Прямое напряжение при определенном прямом токе также ниже для диода с барьером Шоттки, чем для диода с PN переходом. Например, при токе прямого смещения 2 мА кремниевый диод Шоттки с низким барьером будет иметь прямое напряжение ~ 0,3 В, а кремниевый диод с PN переходом будет иметь напряжение ~ 0.7 вольт. Это более низкое прямое падение напряжения может снизить мощность, рассеиваемую диодом, более чем наполовину. Эта экономия энергии может быть очень значительной, когда диоды должны пропускать большие прямые токи.

Зависимость тока от напряжения (I / V ) для диода с барьером Шоттки задается следующим уравнением, известным как уравнение Ричардсона. Основное отличие от уравнения обычного диода заключается в I S с добавлением модифицированной постоянной Ричардсона A *.

Где:
A = площадь перехода
A * = модифицированная постоянная Ричардсона (значение зависит от материала и присадки) = 110
A / (° K 2 -см 2 )
для Si n-типа T = абсолютная температура в ºK
q = электронный заряд = 1,6 * 10 -19 C
f B = высота барьера в вольтах
k = постоянная Больцмана = 1,37 * 10 -23 Дж / K
n = коэффициент идеальности (коэффициент прямого наклона, определяемый границей раздела металл-полупроводник)

Основы светодиодов:

Светодиод представляет собой переходной диод, который излучает свет при прямом смещении.Фактически все диоды с PN-переходом излучают фотоны при прямом смещении, просто фотоны находятся в инфракрасном диапазоне, а физическая форма диода не позволяет фотонам покинуть корпус. Для достижения свойства излучения видимого света необходимо изготавливать светодиод из материалов с большей шириной запрещенной зоны, отличных от кремния. В результате прямое падение напряжения светодиода превышает 0,7 В; обычно порядка 1,5–2 вольт в зависимости от длины волны излучаемого света.Светодиод также выполнен в специальном прозрачном корпусе, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3, Светодиоды

Светодиод — это полупроводниковое устройство, излучающее электромагнитное излучение на оптических и инфракрасных частотах. Устройство представляет собой диод с PN-переходом, сделанный из полупроводников p-типа и n-типа, обычно GaAs, GaP или SiC. Они излучают свет только тогда, когда внешнее приложенное напряжение используется для прямого смещения диода выше минимального порогового значения. Прирост электрической потенциальной энергии, передаваемой этим напряжением, достаточно, чтобы заставить электроны вытекать из материала n-типа через барьер перехода в область p-типа.Это пороговое напряжение для начала протекания тока через переход и образования света составляет В 0 . Излучение света происходит после того, как электроны входят в p-область (а дырки — в n-область). Эти электроны — небольшое меньшинство, окруженное дырками (по сути, античастицами электронов), и они быстро найдут дырку для рекомбинации. Энергетически электрон релаксирует из возбужденного состояния (зона проводимости) в основное состояние (валентная зона).Диоды называются светоизлучающими, потому что энергия, отдаваемая электроном при релаксации, излучается в виде фотона. Выше порогового значения ток и светоотдача экспоненциально возрастают с увеличением напряжения смещения на диоде. Кванты энергии или фотон имеют энергию E = hf. Соотношение между энергией фотона и напряжением включения В 0 , составляет:

Где:
E g — размер энергетической щели
V 0 — пороговое напряжение
f и λ — частота и длина волны испускаемых фотонов
c — скорость света
e — заряд электрона
ч — постоянная Планка

лабораторных экспериментов:

Вы будете делать I vs. В измерения на различных типах диодов в этой части лаборатории.

Материалы:

Аналоговый прибор Discovery
Макетная плата без пайки
1 — Резистор (100 Ом или любое аналогичное значение от 100 Ом до 1 кОм)
1 — Обычный диод (1N4001 или аналогичный)
1 — Диод Шоттки (1N5817 или аналогичный)
1 — 4,7 стабилитрон вольт (1N5230 или аналогичный)
Различный — светодиодный диод (5 мм красный, желтый, зеленый, синий или белый и т. д.)

Направления:

Текущий vs.Характеристики напряжения PN-переходного диода могут быть измерены с помощью платы Discovery и следующих соединений, показанных на рисунке 4. Зеленые прямоугольники указывают, где подключить плату Discovery. Установите макет с выходом генератора сигналов W1, прикрепленным к одному концу резистора. Сюда также подключается вход осциллографа 2+. Другой конец резистора подключается к одному концу измеряемого диода, как показано на схеме. Вход 2 осциллографа, а также вход осциллографа 1+ также подключены ко второму концу резистора.Другой конец диода соединен с землей вместе с входом 1-осциллографа.

Рисунок 4, Схема подключения диода I в зависимости от В, кривые

Настройка оборудования:

Генератор сигналов должен быть настроен на треугольную волну 100 Гц с амплитудой 3 вольта и смещением 0 вольт. Дифференциальный вход канала 2 осциллографа (2 +, 2-) используется для измерения тока в резисторе (и диоде). Несимметричный вход канала осциллографа 1 (1+) используется для измерения напряжения на диоде (вход 1 заземлен).Осциллограф должен быть настроен с каналом 1 на 500 мВ на деление и каналом 2 также на 500 мВ на деление. Ток, протекающий через диод, I D , представляет собой напряжение, измеренное каналом 2, деленное на номинал резистора (в данном примере 100 Ом). Используйте режим отображения XY для построения графика зависимости напряжения на диоде (канал осциллографа 1) по оси X от тока в диоде (канал осциллографа 2) по оси Y.

Процедура:

Загрузите полученные данные для каждого типа диода в программу анализа данных, такую ​​как MatLab или электронную таблицу (Excel), и вычислите ток диода I D .Постройте график зависимости тока от напряжения прямого смещения на диоде. Отношение напряжения диода к току должно быть логарифмическим. При нанесении на логарифмическую шкалу линия должна быть прямой.

Светодиодный анализ данных:

Как обсуждалось в разделе «Предпосылки», посвященном светодиодам, для измерения постоянной Планка можно использовать соотношение I / V для светодиодов разного цвета (, т.е. длины волны). В технических описаниях светодиодов различных цветов должна быть указана длина волны излучаемого света.Используйте эти числа в своих расчетах.

Один из методов, который следует рассмотреть, начинается с построения данных I / V для каждого цветного светодиода на полулогарифмическом графике. Ваши данные должны быть аппроксимированы прямой линией, что указывает на экспоненциальный характер зависимости тока от напряжения. Рабочим определением порогового напряжения может быть значение напряжения смещения, когда ток достигает 0,01 мА . Экстраполируйте кривые I / В туда, где они пересекают ток 0,01 мА, и используйте это как рабочее значение В 0 .

Постройте таблицу со столбцами для V 0 , λ и f. Для каждого светодиода используйте измеренное значение В 0 и значение f, чтобы определить значение постоянной Планка и ввести его в виде столбца в таблице. Найдите среднее значение постоянной Планка и ее неопределенность из ваших экспериментальных значений. Сравните со значением, указанным ранее.

Вопросы:

Каково математическое выражение для тока диода I D , учитывая напряжение на диоде В D ?

Как меняются параметры диода в зависимости от типа диода, Шоттки, светодиода и т. Д.?

Измерения напряжения пробоя стабилитрона:

Направления:

Чтобы измерить напряжение обратного пробоя стабилитрона, измените схему измерения, как показано на рисунке 5.

Рисунок 5, стабилитрон I в сравнении с настройкой В и

Настройка оборудования:

Генератор формы волны должен быть настроен на треугольную волну 100 Гц с амплитудой 3 вольта и смещением -2 вольта, чтобы она колебалась от -5 вольт до +1 вольт.Это должно быть достаточно большим, чем напряжение пробоя стабилитрона 4,7 В 1N5230. Обязательно включите источник питания -5 В перед выполнением измерений.

Процедура:

Загрузите полученные данные для каждого типа диода в программу анализа данных, такую ​​как MatLab или электронную таблицу (Excel), и вычислите ток диода I D . Постройте график зависимости тока от теперь обратного напряжения смещения на диоде.

Вопросы:

Диоды специального назначения | Диоды и выпрямители

Диоды Шоттки

S Диоды Шоттки сконструированы из металлического перехода к N, а не из полупроводникового перехода P-N.Диоды Шоттки, также известные как с горячими носителями , характеризуются быстрым временем переключения (малым временем обратного восстановления), низким прямым падением напряжения (обычно от 0,25 до 0,4 В для перехода металл-кремний) и низкой емкостью перехода.

Условное обозначение диода Шоттки показано на рисунке ниже.

Условное обозначение диода Шоттки.

Преимущества и недостатки диодов Шоттки

Прямое падение напряжения (VF), время обратного восстановления (trr) и емкость перехода (CJ) диодов Шоттки ближе к идеалу, чем у среднего «выпрямляющего» диода.Это делает их подходящими для высокочастотных приложений. К сожалению, диоды Шоттки обычно имеют более низкие номинальные значения прямого тока (IF) и обратного напряжения (VRRM и VDC), чем выпрямительные диоды, и поэтому не подходят для приложений, требующих значительного количества энергии. Хотя они используются в источниках питания импульсных стабилизаторов низкого напряжения.

Применение диодов Шоттки

Технология диодов Шоттки

находит широкое применение в высокоскоростных компьютерных схемах, где быстрое время переключения соответствует высокой скорости, а низкое прямое падение напряжения означает меньшее рассеивание мощности при проведении.

Блоки питания импульсного стабилизатора

, работающие на частоте 100 кГц, не могут использовать обычные кремниевые диоды в качестве выпрямителей из-за их низкой скорости переключения. Когда сигнал, подаваемый на диод, изменяется с прямого на обратное смещение, проводимость продолжается в течение короткого времени, в то время как носители уносятся из области обеднения. Проводимость прекращается только после того, как истечет время обратного восстановления tr . Диоды Шоттки имеют более короткое время обратного восстановления.

Независимо от скорости переключения, 0.Прямое падение напряжения на кремниевых диодах 7 В приводит к снижению эффективности источников питания с низким напряжением. Это не проблема, скажем, при питании 10 В. При питании 1 В падение 0,7 В составляет значительную часть выходной мощности. Одним из решений является использование силового диода Шоттки с меньшим прямым падением.

Туннельные диоды

Туннельные диоды используют странное квантовое явление, называемое резонансным туннелированием , для обеспечения характеристик прямого смещения с отрицательным сопротивлением. Когда на туннельный диод подается небольшое прямое смещение, он начинает проводить ток.(Рисунок ниже (b)) По мере увеличения напряжения ток увеличивается и достигает пикового значения, называемого пиковым током (IP). Если напряжение увеличивается немного больше, ток фактически начинает уменьшаться , пока не достигнет нижней точки, называемой током впадины (IV). Если напряжение еще больше увеличивается, ток снова начинает увеличиваться, на этот раз не снижаясь в другую «долину». Схематическое обозначение туннельного диода показано на рисунке (а) ниже.

Туннельный диод (a) Условное обозначение. (b) График зависимости тока от напряжения (c) Осциллятор.

Прямые напряжения, необходимые для управления туннельным диодом до его пикового и минимального токов, известны как пиковое напряжение (VP) и минимальное напряжение (VV), соответственно. Область на графике, где ток уменьшается при увеличении приложенного напряжения (между VP и VV по горизонтальной шкале), известна как область отрицательного сопротивления .

Туннельные диоды

, также известные как диоды Esaki в честь их японского изобретателя Лео Эсаки, способны очень быстро переходить между пиковыми и минимальными уровнями тока, «переключаясь» между высоким и низким состояниями проводимости намного быстрее, чем даже диоды Шоттки.На характеристики туннельного диода также относительно не влияют изменения температуры.

Зависимость напряжения обратного пробоя от уровня легирования. После Сзе [SGG]

Характеристики туннельных диодов

Туннельные диоды сильно легированы как в P-, так и в N-областях, что в 1000 раз превышает уровень выпрямителя. Это видно на рисунке выше. Стандартные диоды находятся слева, стабилитроны слева, а туннельные диоды — справа от пунктирной линии. Сильное легирование дает необычно тонкую обедненную область.Это создает необычно низкое напряжение обратного пробоя с высокой утечкой. Тонкая обедненная область вызывает высокую емкость. Чтобы преодолеть это, площадь перехода туннельного диода должна быть крошечной.

Прямая характеристика диода состоит из двух областей: нормальная прямая характеристика диода с экспоненциально возрастающим током сверх VF, 0,3 В для Ge, 0,7 В для Si.

Между 0 В и VF находится дополнительный характеристический пик «отрицательного сопротивления». Это происходит из-за квантово-механического туннелирования, связанного с двойственной частицей-волновой природой электронов.Область обеднения достаточно тонкая по сравнению с эквивалентной длиной волны электрона, через которую они могут туннелировать. Им не нужно преодолевать нормальное прямое напряжение на диоде VF. Уровень энергии зоны проводимости материала N-типа перекрывает уровень валентной зоны в области P-типа. С повышением напряжения начинается туннелирование; уровни перекрываются; ток увеличивается до определенного предела. При дальнейшем увеличении тока уровни энергии перекрываются меньше; ток уменьшается с увеличением напряжения.Это часть кривой «отрицательного сопротивления».

Применение туннельных диодов

Туннельные диоды не являются хорошими выпрямителями, поскольку они имеют относительно высокий ток утечки при обратном смещении. Следовательно, они находят применение только в специальных схемах, где имеет значение их уникальный туннельный эффект. Чтобы использовать туннельный эффект, в этих диодах поддерживается напряжение смещения где-то между пиковым и минимальным уровнями напряжения, всегда с прямым смещением полярности (положительный анод и отрицательный катод).

Пожалуй, наиболее распространенное применение туннельного диода — в простых схемах высокочастотного генератора, как на рисунке (c) выше, где он позволяет источнику постоянного напряжения вносить мощность в «резервуар» LC-цепи, причем диод проводит ток, когда напряжение на нем достигает пикового (туннельного) уровня и эффективно изолирует при всех других напряжениях. Резисторы смещают туннельный диод на несколько десятых вольта с центром на участке отрицательного сопротивления характеристической кривой. Резонансный контур L-C может быть частью волновода для работы в микроволновом режиме.Возможны колебания до 5 ГГц.

История туннельных диодов

Когда-то туннельный диод был единственным доступным твердотельным СВЧ-усилителем. Туннельные диоды были популярны с 1960-х годов. Они были более долговечными, чем ламповые усилители бегущей волны, что важно для спутниковых передатчиков. Туннельные диоды также устойчивы к излучению из-за сильного легирования.

Сегодня различные транзисторы работают на сверхвысоких частотах. Даже туннельные диоды с малым сигналом дороги, и их трудно найти сегодня.Остается один производитель германиевых туннельных диодов и ни одного производителя кремниевых устройств. Иногда их используют в военной технике, поскольку они нечувствительны к радиации и большим перепадам температуры.

Были проведены некоторые исследования, связанные с возможной интеграцией кремниевых туннельных диодов в интегральные схемы КМОП. Считается, что они могут переключаться на частоте 100 ГГц в цифровых схемах. Единственный производитель германиевых устройств производит их по одному. Необходимо разработать пакетный процесс для кремниевых туннельных диодов, а затем интегрировать его с обычными процессами CMOS.[SZL]

Туннельный диод Esaki не следует путать с резонансным туннельным диодом CH 2, более сложной конструкции из сложных полупроводников. RTD — это более поздняя разработка, способная работать с более высокой скоростью.

Светодиоды

Принцип излучения лучистой энергии

Диоды, как и все полупроводниковые устройства, регулируются принципами, описанными в квантовой физике. Один из этих принципов — излучение излучательной энергии определенной частоты всякий раз, когда электроны падают с более высокого энергетического уровня на более низкий энергетический уровень.

Тот же принцип работает в неоновой лампе — характерное розово-оранжевое свечение ионизированного неона из-за специфических энергетических переходов его электронов посреди электрического тока. Уникальный цвет свечения неоновой лампы обусловлен тем фактом, что неон находится внутри трубки, а не определенной величиной тока через трубку или напряжением между двумя электродами. Неоновый газ светится розовато-оранжевым светом в широком диапазоне ионизирующих напряжений и токов.Каждый химический элемент имеет свою собственную «сигнатуру» излучения лучистой энергии, когда его электроны «прыгают» между различными квантованными уровнями энергии. Например, газообразный водород при ионизации светится красным светом; пары ртути светятся синим светом. Это то, что делает возможной спектрографическую идентификацию элементов.

Излучение лучистой энергии в светодиодах

Электроны, протекающие через PN-переход, испытывают аналогичные переходы по уровню энергии и при этом излучают лучистую энергию. Частота этой лучистой энергии определяется кристаллической структурой полупроводникового материала и составляющими его элементами.Некоторые полупроводниковые переходы, состоящие из особых химических комбинаций, излучают лучистую энергию в спектре видимого света, когда электроны меняют уровни энергии. Проще говоря, эти переходы светятся при прямом смещении. Диод, специально спроектированный так, чтобы светиться как лампа, называется светоизлучающим диодом или светодиодом .

Электролюминесценция

Кремниевые диоды с прямым смещением выделяют тепло, поскольку электрон и дырки из областей N-типа и P-типа соответственно рекомбинируют в переходе.В светодиодах с прямым смещением рекомбинация электронов и дырок в активной области на рисунке (c) ниже дает фотоны. Этот процесс известен как электролюминесценция . Чтобы испускать фотоны, потенциальный барьер, через который падают электроны, должен быть выше, чем для кремниевого диода. Падение прямого диода может достигать нескольких вольт для некоторых цветных светодиодов.

Диоды, изготовленные из комбинации элементов галлия, мышьяка и фосфора (называемые арсенид-фосфид галлия ), светятся ярко-красным светом и являются одними из наиболее распространенных производимых светодиодов.Изменяя химический состав PN-перехода, можно получить разные цвета. Ранние поколения светодиодов были красными, зелеными, желтыми, оранжевыми и инфракрасными, более поздние поколения включали синий и ультрафиолетовый, причем фиолетовый был последним цветом, добавленным к выбору. Другие цвета могут быть получены путем объединения двух или более светодиодов основного цвета (красного, зеленого и синего) в одном корпусе с использованием одной и той же оптической линзы. Это позволило использовать многоцветные светодиоды, такие как трехцветные светодиоды (коммерчески доступные в 1980-х годах), с использованием красного и зеленого (которые могут создавать желтый цвет), а затем светодиоды RGB (красный, зеленый и синий), которые покрывают весь цветовой спектр.

Схематическое обозначение светодиодов

Схематический символ светодиода представляет собой диод правильной формы внутри круга с двумя маленькими стрелками, указывающими в сторону (обозначающими излучаемый свет), как показано на рисунке (a) ниже.

Светодиод, светоизлучающий диод: (а) схематический символ. (b) Плоская сторона и короткий вывод устройства соответствуют катоду, а также внутреннему устройству катода. (c) Поперечное сечение светодиодной матрицы.

Это обозначение наличия двух маленьких стрелок, указывающих в сторону от устройства, является общим для схематических символов всех светоизлучающих полупроводниковых устройств.И наоборот, если устройство светится — активировано (это означает, что входящий свет стимулирует его), тогда у символа будут две маленькие стрелки, указывающие в сторону его. Светодиоды могут воспринимать свет. Они генерируют небольшое напряжение при воздействии света, как в небольших солнечных батареях. Это свойство может быть успешно применено в различных светочувствительных схемах.

Работа светодиода

Поскольку светодиоды состоят из других химических веществ, чем кремниевые диоды, их прямое падение напряжения будет другим.Обычно светодиоды имеют гораздо большее прямое падение напряжения, чем выпрямительные диоды, от 1,6 до более 3 вольт, в зависимости от цвета. Типичный рабочий ток для светодиода стандартного размера составляет около 20 мА. При работе светодиода от источника постоянного напряжения, превышающего прямое напряжение светодиода, необходимо включить последовательно подключенный «падающий» резистор, чтобы предотвратить повреждение светодиода полным напряжением источника. Рассмотрим пример схемы на рисунке (а) ниже с использованием источника 6 В.

Установка тока светодиода на 20 мА.(а) для источника 6 В, (б) для источника 24 В.

При падении на светодиоде 1,6 В на резисторе будет 4,4 Вольт. Подобрать резистор для тока светодиода 20 мА так же просто, как взять его падение напряжения (4,4 В) и разделить на ток цепи (20 мА) в соответствии с законом Ома (R = E / I). Это дает нам цифру 220 Ом.

Рассчитывая рассеиваемую мощность для этого резистора 220 Ом, мы берем его падение напряжения и умножаем на его ток (P = IE), и получаем 88 мВт, что находится в пределах номинала резистора 1/8 Вт.

Более высокое напряжение батареи потребует понижающих резисторов большего номинала, а также, возможно, резисторов большей мощности. Рассмотрим пример на рисунке (b) выше для напряжения питания 24 В:

В данном случае резистор сброса должен быть увеличен до размера 1,12 кОм, чтобы упасть 22,4 вольта при 20 мА, чтобы на светодиод по-прежнему подавалось только 1,6 вольт. Это также способствует увеличению рассеиваемой мощности резистора: 448 мВт, почти половина ватта мощности! Очевидно, что резистор, рассчитанный на рассеивание мощности 1/8 Вт или даже 1/4 Вт, при использовании здесь будет перегреваться.

Падение резисторов в цепях светодиодов

Значения падающего резистора для цепей светодиодов не обязательно должны быть точными. Предположим, мы должны были использовать резистор 1 кОм вместо резистора 1,12 кОм в схеме, показанной выше. В результате ток в цепи и падение напряжения на светодиодах немного увеличатся, что приведет к более яркому свету светодиода и небольшому сокращению срока службы. Падение резистора со слишком большим сопротивлением (скажем, 1,5 кОм вместо 1,12 кОм) приведет к меньшему току цепи, меньшему напряжению светодиода и более тусклому свету.Светодиоды довольно устойчивы к колебаниям подаваемой мощности, поэтому вам не нужно стремиться к совершенству в выборе размера понижающего резистора.

Несколько светодиодов в цепи

Иногда требуется несколько светодиодов, например, при освещении. Если светодиоды работают параллельно, каждый из них должен иметь свой собственный токоограничивающий резистор, как показано на рисунке (а) ниже, для обеспечения более равномерного деления токов. Однако более эффективно использовать светодиоды последовательно (рисунок (b) ниже с одним падающим резистором. По мере увеличения количества последовательно подключенных светодиодов значение последовательного резистора должно уменьшаться до определенного значения для поддержания тока.Количество последовательно включенных светодиодов (Vf) не может превышать мощность источника питания. Можно использовать несколько последовательностей строк, как показано на рисунке (c) ниже.

Несмотря на выравнивание токов в нескольких светодиодах, яркость устройств может не совпадать из-за различий в отдельных частях. Детали могут быть выбраны для согласования яркости для критических применений.

Несколько светодиодов: (а) параллельно, (б) последовательно, (в) последовательно-параллельно

Кроме того, из-за своего уникального химического состава светодиоды имеют гораздо более низкие значения пикового обратного напряжения (PIV), чем обычные выпрямительные диоды.Типичный светодиод может быть рассчитан только на 5 В в режиме обратного смещения. Следовательно, при использовании переменного тока для питания светодиода, подключите защитный выпрямительный диод встречно-параллельно со светодиодом, чтобы предотвратить обратный пробой через каждый второй полупериод, как показано на рисунке (а) ниже.

Управление светодиодом с помощью переменного тока

Противопараллельный диод на Рисунке (а) выше можно заменить встречно-параллельным светодиодом. Получившаяся пара встречно-параллельных светодиодов загорается на чередующихся полупериодах синусоидального сигнала переменного тока.Эта конфигурация потребляет 20 мА, равномерно распределяя его между светодиодами в чередующихся полупериодах переменного тока. Из-за этого разделения каждый светодиод получает только 10 мА. То же самое и с антипараллельной комбинацией светодиодов с выпрямителем. Светодиод получает только 10 мА. Если для светодиода (-ов) требовалось 20 мА, значение резистора можно было бы уменьшить вдвое.

Типовые характеристики светодиодов

Прямое падение напряжения светодиодов обратно пропорционально длине волны (λ). По мере уменьшения длины волны от инфракрасного к видимому и ультрафиолетовому цветам Vf увеличивается.Хотя эта тенденция наиболее очевидна для различных устройств от одного производителя, диапазон напряжений для светодиодов определенного цвета от разных производителей различается. Этот диапазон напряжений показан в таблице ниже.

Оптические и электрические свойства светодиодов

Светодиод λ нм (= 10 -9 м) V f (начиная с) V f (к)
инфракрасный 940 1.2 1,7
красный 660 1,5 2,4
оранжевый 602-620 2,1 2,2
желтый, зеленый 560-595 1,7 2,8
белый, синий, фиолетовый– 3 4
ультрафиолет 370 4,2 4,8
Светодиоды в сравнении с лампами накаливания

Как лампы, светодиоды во многих отношениях превосходят лампы накаливания.

Прежде всего, это эффективность: светодиоды излучают намного больше световой мощности на ватт потребляемой электроэнергии, чем лампы накаливания. Это значительное преимущество, если рассматриваемая схема питается от батареи, эффективность которой приводит к увеличению срока службы батареи.

Во-вторых, светодиоды намного надежнее и имеют гораздо больший срок службы, чем лампы накаливания. Это связано с тем, что светодиоды являются «холодными» устройствами: они работают при гораздо более низких температурах, чем лампа накаливания с раскаленной добела металлической нитью, подверженной поломке от механических и термических ударов.

В-третьих, это высокая скорость включения и выключения светодиодов. Это преимущество также связано с «холодным» режимом работы светодиодов: им не нужно преодолевать тепловую инерцию при переключении из выключенного состояния во включенное или наоборот. По этой причине светодиоды используются для передачи цифровой (вкл. / Выкл.) Информации в виде световых импульсов, проводимых в пустом пространстве или по оптоволоконному кабелю, с очень высокой скоростью (миллионы импульсов в секунду).

Светодиоды

превосходно подходят для монохроматических осветительных систем, таких как светофоры и автомобильные задние фонари.Лампы накаливания ужасны в этом приложении, поскольку они требуют фильтрации, что снижает эффективность. Светодиоды не требуют фильтрации.

Недостатки светодиодов

Одним из основных недостатков использования светодиодов в качестве источников освещения является их монохроматическое (одноцветное) излучение. Никто не хочет читать книгу при свете красного, зеленого или синего светодиода. Однако при использовании в комбинации цвета светодиодов могут быть смешаны для более широкого спектра свечения. Новый источник света широкого спектра — белый светодиод.В то время как маленькие белые панели индикаторов доступны уже много лет, устройства уровня освещенности все еще находятся в стадии разработки.

Эффективность и срок службы светодиодов и различного освещения

Эффективность освещения

Тип лампы КПД люмен / ватт Срок службы ноты
Белый светодиод 35 100 000 дорого
Белый светодиод, будущее 100 100 000 Цель НИОКР
Лампа накаливания 12 1000 недорого
Галоген 15-17 2000 высококачественный свет
Компактный люминесцентный 50–100 10 000 рентабельно
Пары натрия, LP 70-200 20 000 открытый
Пары ртути 13-48 18 000 открытый

Белый светодиод — это синий светодиод, возбуждающий люминофор, излучающий желтый свет.Синий плюс желтый соответствует белому свету. Природа люминофора определяет характеристики света. Красный люминофор может быть добавлен для улучшения качества смеси желтого и синего за счет эффективности. В таблице выше сравниваются светодиоды с белой подсветкой с ожидаемыми в будущем устройствами и другими обычными лампами. Эффективность измеряется в люменах светоотдачи на ватт входной мощности. Если устройство мощностью 50 люмен / ватт можно улучшить до 100 люмен / ватт, белые светодиоды будут сравнимы по эффективности с компактными люминесцентными лампами.

История светодиодов

светодиода в целом были основным объектом исследований и разработок с 1960-х годов. Из-за этого нецелесообразно охватывать все геометрические формы, химические составы и характеристики, которые были созданы за десятилетия. Первые устройства были относительно тусклыми и потребляли умеренные токи. В последующих поколениях эффективность была улучшена до такой степени, что опасно смотреть внимательно и прямо на светящийся светодиод. Это может привести к повреждению глаз, а для светодиодов требуется лишь незначительное увеличение падающего напряжения (Vf) и тока.Современные устройства высокой интенсивности достигают 180 люмен при использовании 0,7 А (82 люмен / ватт, холодный белый цвет серии Luxeon Rebel), и даже модели с более высокой интенсивностью могут использовать еще более высокие токи с соответствующим увеличением яркости. Другие разработки, такие как квантовые точки, являются предметом текущих исследований, поэтому ожидайте увидеть новые возможности для этих устройств в будущем

Лазерные диоды

Лазеры

Лазерный диод является дальнейшим развитием обычного светодиода или светодиода.Сам термин «лазер» на самом деле является аббревиатурой, несмотря на то, что он часто пишется строчными буквами. «Лазер» означает L ight A mplification by S Timulated E mission of R adiation, и относится к другому странному квантовому процессу, при котором характерный свет, излучаемый электронами, падает с высокого уровня на низкий. Энергетические состояния в материале стимулируют другие электроны в веществе совершать аналогичные «прыжки», в результате чего происходит синхронизированный выход света из материала.Эта синхронизация распространяется на фактическую фазу излучаемого света, так что все световые волны, излучаемые «лазерным» материалом, имеют не только одинаковую частоту (цвет), но и одинаковую фазу, так что они усиливают одну другой и могут путешествовать в очень плотно ограниченном недиспергирующем пучке. Вот почему лазерный свет остается так замечательно сфокусированным на больших расстояниях: каждая световая волна, исходящая от лазера, синхронизируется друг с другом.

(а) Белый свет многих длин волн.(б) Монохроматический светодиодный свет с одной длиной волны. (c) Фазово-когерентный лазерный свет.

Лампы накаливания излучают «белый» (смешанный по частоте или смешанный цвет) свет, как показано на рисунке (а) выше. Обычные светодиоды излучают монохроматический свет: одинаковой частоты (цвета), но разных фаз, что приводит к аналогичной дисперсии луча на рисунке (b). Лазерные светодиоды излучают когерентный свет : свет, который является как монохроматическим (одноцветным), так и однофазным (однофазным), что обеспечивает точное удержание луча, как показано на рисунке (c).

Лазерный свет находит широкое применение в современном мире: все, от геодезии, где прямой и не рассеивающий световой луч очень полезен для точного наведения на измерительные маркеры, до считывания и записи оптических дисков, где только узкая сфокусированная лазерный луч способен разрешать микроскопические «ямки» на поверхности диска, состоящие из двоичных единиц и нулей цифровой информации.

Некоторые лазерные диоды требуют специальных мощных «импульсных» цепей для передачи большого количества напряжения и тока короткими импульсами.Другие лазерные диоды могут работать непрерывно с меньшей мощностью. В лазере непрерывного действия лазерное воздействие происходит только в определенном диапазоне диодного тока, что требует некоторой формы схемы регулятора тока. По мере старения лазерных диодов их требования к мощности могут меняться (требуется больший ток для меньшей выходной мощности), но следует помнить, что маломощные лазерные диоды, такие как светодиоды, являются довольно долговечными устройствами с типичным сроком службы в десятки единиц. тысячи часов.

Фотодиоды

Фотодиод — это диод, оптимизированный для создания потока электронного тока в ответ на облучение ультрафиолетовым, видимым или инфракрасным светом.Кремний чаще всего используется для изготовления фотодиодов; однако можно использовать арсенид германия и галлия. Переход, через который свет попадает в полупроводник, должен быть достаточно тонким, чтобы пропускать большую часть света в активную область (область обеднения), где свет преобразуется в пары электронов и дырок.

На рисунке ниже мелкая диффузия P-типа в пластину N-типа создает PN-переход около поверхности пластины. Слой P-типа должен быть тонким, чтобы пропускать как можно больше света.Сильная диффузия N + на обратной стороне пластины контактирует с металлизацией. Верхняя металлизация может быть тонкой сеткой из металлических пальцев на верхней части пластины для больших ячеек. В небольших фотодиодах верхний контакт может быть единственным соединительным проводом, контактирующим с оголенной кремниевой крышкой P-типа.

Фотодиод: схематическое изображение и поперечное сечение.

Как работают фотодиоды?

Интенсивность света, попадающего в верхнюю часть стопки фотодиодов, экспоненциально спадает в зависимости от глубины.Тонкий верхний слой P-типа позволяет большинству фотонов проходить в обедненную область, где образуются электронно-дырочные пары. Электрическое поле в обедненной области из-за встроенного потенциала диода заставляет электроны попадать в N-слой, а дырки — в P-слой.

На самом деле электронно-дырочные пары могут образовываться в любой из полупроводниковых областей. Однако те, которые образуются в области истощения, наиболее вероятно, будут разделены на соответствующие N- и P-области. Многие электронно-дырочные пары, образующиеся в P- и N-областях, рекомбинируют.Лишь немногие делают это в области истощения. Таким образом, несколько электронно-дырочных пар в N- и P-областях и большинство в области обеднения вносят вклад в фототок , который возникает в результате падения света на фотодиод.

Работа фотодиода

Может наблюдаться напряжение на фотодиоде. Работа в этом фотоэлектрическом режиме (PV) не является линейным в большом динамическом диапазоне, хотя он чувствителен и имеет низкий уровень шума на частотах менее 100 кГц.Предпочтительным режимом работы часто является режим фототока (PC) , потому что ток линейно пропорционален световому потоку в течение нескольких десятилетий интенсивности, и может быть достигнута более высокая частотная характеристика. Режим ПК достигается с обратным смещением или нулевым смещением на фотодиоде. Усилитель тока (трансимпедансный усилитель) следует использовать с фотодиодом в режиме ПК. Линейность и режим PC достигаются до тех пор, пока диод не смещен в прямом направлении.

Фотодиоды часто требуют высокоскоростной работы, а не солнечных элементов.Скорость — это функция емкости диода, которую можно минимизировать, уменьшив площадь ячейки. Таким образом, датчик для высокоскоростной оптоволоконной линии связи будет использовать площадь не больше, чем необходимо, скажем, 1 мм2. Емкость также можно уменьшить, увеличивая толщину обедненной области в процессе производства или увеличивая обратное смещение на диоде.

Различные типы PIN-диодов

PIN-диод PIN-диод или PIN-диод — это фотодиод с внутренним слоем между P- и N-областями, как показано на рисунке ниже.Структура P — I ntrinsic- N увеличивает расстояние между проводящими слоями P и N, уменьшая емкость, увеличивая скорость. Объем светочувствительной области также увеличивается, повышая эффективность преобразования. Полоса пропускания может увеличиваться до 10 ГГц. Фотодиоды с PIN-кодом являются предпочтительными из-за высокой чувствительности и высокой скорости при умеренной стоимости.

Фотодиод

PIN: собственная область увеличивает толщину обедненной области.

Лавинный фотодиод: Лавинный фотодиод (APD) , предназначенный для работы при высоком обратном смещении, демонстрирует эффект электронного умножителя, аналогичный фотоэлектронному умножителю. Обратное смещение может составлять от 10 вольт до почти 2000 В. Высокий уровень обратного смещения ускоряет созданные фотонами электронно-дырочные пары во внутренней области до достаточно высокой скорости, чтобы освободить дополнительные носители от столкновений с кристаллической решеткой. Таким образом, получается много электронов на фотон.Мотивация для APD состоит в том, чтобы добиться усиления внутри фотодиода для преодоления шума во внешних усилителях. В некоторой степени это работает. Однако APD создает собственный шум. На высокой скорости APD превосходит комбинацию усилителей с PIN-диодами, но не для низкоскоростных приложений. APD дороги, примерно столько же, сколько фотоэлектронный умножитель. Таким образом, они могут конкурировать только с фотодиодами с PIN-кодом для нишевых приложений. Одно из таких приложений — подсчет одиночных фотонов применительно к ядерной физике.

Солнечные батареи

Фотодиод, оптимизированный для эффективной подачи энергии на нагрузку, — это фотоэлемент . Он работает в фотоэлектрическом режиме (PV), потому что он смещен в прямом направлении напряжением, возникающим на сопротивлении нагрузки.

Монокристаллические солнечные элементы

Монокристаллические солнечные элементы производятся по технологии, аналогичной обработке полупроводников. Это включает выращивание монокристаллической були из расплавленного кремния высокой чистоты (P-типа), хотя и не такой высокой чистоты, как для полупроводников.Були распиливают алмазной пилой или проволочной пилой на вафли. Концы були должны быть выброшены или переработаны, а силикон теряется в пропиле пилы. Поскольку современные ячейки почти квадратные, кремний теряется при возведении були в квадрат. Клетки могут быть вытравлены для текстуры (придания шероховатости) поверхности, чтобы помочь улавливать свет внутри клетки. При производстве квадратных пластин 10 или 15 см теряется значительная часть кремния. В наши дни (2007 г.) производители солнечных элементов обычно закупают пластины на этом этапе у поставщика полупроводниковой промышленности.

Компоненты солнечных батарей

Пластины P-типа загружаются встык в лодочки из плавленого кварца, открывая только внешнюю поверхность для легирующей примеси N-типа в диффузионной печи. В процессе диффузии наверху ячейки образуется тонкий слой n-типа. Распространение также сокращает края ячейки спереди назад. Чтобы раскоротить клетку, необходимо удалить периферию путем плазменного травления. Серебряная или алюминиевая паста нанесена на заднюю часть ячейки, а серебряная сетка — на передней. Они спекаются в печи для обеспечения хорошего электрического контакта.(Рисунок ниже)

Ячейки соединены последовательно металлическими лентами. Для зарядки 12-вольтовых батарей 36 ячеек с напряжением приблизительно 0,5 В ламинируются в вакууме между стеклом и металлической полимерной задней панелью. Стекло может иметь текстурированную поверхность, способствующую улавливанию света.

Кремниевый солнечный элемент

Конечные коммерческие высокоэффективные (21,5%) монокристаллические кремниевые солнечные элементы имеют все контакты на задней стороне элемента. Активная площадь ячейки увеличивается за счет перемещения верхних (-) контактных проводников к задней части ячейки.Верхние (-) контакты обычно подключаются к кремнию N-типа в верхней части ячейки. На рисунке ниже (-) контакты соединены с диффузорами N + на дне, чередующимися с (+) контактами. Текстурированная верхняя поверхность помогает улавливать свет внутри ячейки. [VSW]

Высокоэффективный солнечный элемент со всеми контактами сзади. Взято из рисунка 1 [VSW]

Различные виды солнечных батарей

Элементы из мультикристаллического кремния начинаются с заливки расплавленного кремния в прямоугольную форму.Когда кремний охлаждается, он кристаллизуется в несколько больших (от миллиметров до сантиметров) беспорядочно ориентированных кристаллов вместо одного. Остальная часть процесса такая же, как и для монокристаллических ячеек. На готовых ячейках видны линии, разделяющие отдельные кристаллы, как если бы ячейки были треснутыми. Высокая эффективность не так высока, как у монокристаллических ячеек, из-за потерь на границах кристаллических зерен. Поверхность ячейки нельзя придать шероховатости травлением из-за случайной ориентации кристаллов. Однако антибликовое покрытие повышает эффективность.Эти ячейки конкурентоспособны во всем, кроме космического применения.

Трехслойный элемент : Солнечный элемент с наивысшей эффективностью представляет собой набор из трех элементов, настроенных на поглощение различных частей солнечного спектра. Хотя три ячейки могут быть установлены друг на друга, монолитная монокристаллическая структура из 20 полупроводниковых слоев более компактна. При КПД 32% в настоящее время (2007 г.) он предпочтительнее кремния для космического применения. Высокая стоимость не позволяет найти множество приложений, связанных с землей, кроме концентраторов на основе линз или зеркал.

В результате интенсивных исследований недавно была разработана версия, улучшенная для земных концентраторов на 400–1000 солнц и КПД 40,7%. Для этого требуется либо большая недорогая линза Френеля, либо отражатель и небольшая площадь дорогого полупроводника. Эта комбинация считается конкурентоспособной с недорогими кремниевыми элементами для солнечных электростанций. [RRK] [LZy]

Создание трехслойных солнечных элементов

Металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы (MOCVD) осаждает слои на германиевой подложке P-типа.Верхние слои фосфида галлия-индия (GaInP) N- и P-типа, имеющие ширину запрещенной зоны 1,85 эВ, поглощают ультрафиолетовый и видимый свет. Эти длины волн имеют достаточно энергии, чтобы превышать ширину запрещенной зоны.

Более длинные волны (более низкая энергия) не обладают достаточной энергией для создания электронно-дырочных пар и перехода к следующему слою. Слои арсенида галлия с шириной запрещенной зоны 1,42 эВ поглощают ближний инфракрасный свет.

Наконец, слой германия и подложка поглощают дальнее инфракрасное излучение. Серия из трех ячеек производит напряжение, которое является суммой напряжений трех ячеек.Напряжение, развиваемое каждым материалом, на 0,4 В меньше, чем энергия запрещенной зоны, указанная в таблице ниже. Например, для GaInP: 1,8 эВ / э — 0,4 В = 1,4 В. Для всех трех напряжение составляет 1,4 В + 1,0 В + 0,3 В = 2,7 В. [BRB]

Высокоэффективный трехслойный солнечный элемент.

Слой Ширина запрещенной зоны Светопоглощенный
Галлий фосфид индия 1,8 эВ УФ, видимый
Арсенид галлия 1.4 эВ в ближнем инфракрасном диапазоне
Германий 0,7 эВ дальняя инфракрасная область

Кристаллические солнечные батареи имеют долгий срок службы. Многие массивы имеют гарантию 25 лет и считаются работоспособными в течение 40 лет. Они не подвержены начальной деградации по сравнению с аморфным кремнием.

Как монокристаллические, так и мультикристаллические солнечные элементы основаны на кремниевых пластинах. Кремний является как подложкой, так и активными слоями устройства.Потребляется много кремния. Этот вид элементов существует уже несколько десятилетий и занимает около 86% рынка солнечной электроэнергии. Для получения дополнительной информации о кристаллических солнечных элементах см. Honsberg. [CHS]

Аморфный кремний тонкопленочные солнечные элементы используют крошечные количества активного сырья, кремния. Примерно половину стоимости обычных кристаллических солнечных элементов составляет кремний для солнечных элементов. Процесс нанесения тонких пленок снижает эту стоимость.

Обратной стороной является то, что эффективность примерно вдвое ниже, чем у обычных кристаллических ячеек.Кроме того, под воздействием солнечного света КПД снижается на 15-35%. Ячейка с КПД 7% скоро вырастет до КПД 5%. Ячейки из тонкопленочного аморфного кремния работают лучше, чем кристаллические элементы при тусклом свете. Они находят хорошее применение в калькуляторах на солнечных батареях.

Солнечные элементы на основе не кремния составляют около 7% рынка. Это тонкопленочные поликристаллические изделия. Различные составные полупроводники являются предметом исследований и разработок. Некоторые несиликоновые продукты находятся в производстве. Как правило, эффективность лучше, чем у аморфного кремния, но не так хорошо, как у кристаллического кремния.

Теллурид кадмия в виде тонкой поликристаллической пленки на металле или стекле может иметь более высокую эффективность, чем тонкие пленки из аморфного кремния. При нанесении на металл этот слой является отрицательным контактом с тонкой пленкой теллурида кадмия. Прозрачный сульфид кадмия P-типа поверх теллурида кадмия служит буферным слоем. Положительный верхний контакт представляет собой прозрачный, электропроводный оксид олова, легированный фтором. Эти слои могут быть нанесены на жертвенную фольгу вместо стекла в процессе, описанном в следующем параграфе.Жертвенная фольга удаляется после того, как ячейка прикреплена к постоянной подложке.

Солнечный элемент из теллурида кадмия на стекле или металле.

Создание солнечного элемента из теллурида кадмия

Процесс нанесения теллурида кадмия на стекло начинается с нанесения прозрачного, электропроводящего оксида олова N-типа на стеклянную подложку. Следующий слой — теллурид кадмия Р-типа; тем не менее, можно использовать N-тип или внутренний. Эти два слоя составляют NP-переход.Слой теллурида свинца P + (тяжелый P-тип) помогает установить контакт с низким сопротивлением. Металлический слой обеспечивает окончательный контакт с теллуридом свинца. Эти слои могут быть нанесены путем вакуумного осаждения, химического осаждения из паровой фазы (CVD), трафаретной печати, электроосаждения или химического осаждения из паровой фазы при атмосферном давлении (APCVD) в гелии. [KWM]

Разновидностью теллурида кадмия является теллурид кадмия ртути. Более низкое объемное сопротивление и меньшее контактное сопротивление повышает эффективность по сравнению с теллуридом кадмия.

Фотоэлемент из диселенида кадмия, индия, галлия (CIGS)

Диселенид кадмия, индия, галлия: наиболее многообещающий тонкопленочный солнечный элемент в настоящее время (2007 г.) производится на рулоне гибкого полиимида — кадмия, индия и галлия (CIGS) шириной десять дюймов. Его эффективность составляет 10%. Хотя ячейки из кристаллического кремния коммерческого класса превзошли этот показатель десятилетия назад, CIGS должен быть конкурентоспособным по стоимости. Процессы осаждения происходят при достаточно низкой температуре, чтобы использовать полиимидный полимер в качестве подложки вместо металла или стекла.(Рисунок выше) CIGS производится методом рулонного производства, что должно снизить затраты. Ячейки GIGS также могут быть произведены с помощью низкозатратного электрохимического процесса. [EET]

ОБЗОР:

  • Большинство солнечных элементов представляют собой монокристаллические или мультикристаллические кремниевые элементы из-за их хорошей эффективности и умеренной стоимости.
  • Остальной рынок составляют менее эффективные тонкие пленки из различных аморфных или поликристаллических материалов.
  • В таблице ниже сравниваются выбранные солнечные элементы.

Свойства солнечного элемента

Тип солнечного элемента Максимальный КПД Практическая эффективность Ноты
Селен поликристаллический 0,7%– 1883, Чарльз Фриттс
Кремний, монокристалл– 4% 1950-е годы, первый кремниевый солнечный элемент
Кремний, монокристалл PERL, наземный, космический 25%– солнечных машин, стоимость = 100 коммерческих
Кремний, монокристалл, наземный коммерческий 24% 14-17% 5-10 долларов за пиковый ватт
Cypress Semiconductor, Sunpower, монокристалл кремния 21.5% 19% все контакты на задней панели ячейки
Галлий фосфид индия / арсенид галлия / германий, монокристалл, многослойный– 32% Предпочтительнее по площади.
Расширенная наземная версия выше.– 40,7% Использует оптический концентратор.
Кремний мультикристаллический 18,5% 15,5%–
Тонкие пленки,–––
Кремний аморфный 13% 5-7% Разлагается на солнце.Подходит для использования в помещении для калькуляторов или в пасмурную погоду.
теллурид кадмия поликристаллический 16%– стеклянная или металлическая подложка
Диселенид арсенида меди, поликристаллический, индия 18% 10% 10-дюймовое гибкое полимерное полотно. [NTH]
Органический полимер, 100% пластик 4,5%– НИОКР

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

Активные компоненты — Restarters Wiki

На этой странице рассказывается об активных компонентах: диодах и выпрямителях, транзисторах и интегральных схемах, а также о том, как их идентифицировать и понимать их общие виды отказов, а также как их тестировать.

Сводка

Основными «тяжеловесами» электронных компонентов, которые выполняют реальную работу, являются диоды и выпрямители, транзисторы и интегральные схемы (ИС). Мы узнаем, как их идентифицировать, что они делают, как иногда терпят неудачу и как их проверять.

Вы можете прочитать эту страницу отдельно, если хотите, но, если вы еще не знакомы с основами теории электричества и электроники, вы, как вы понимаете, извлеките из нее больше пользы, если сначала прочтете «Электрические цепи, вольты, амперы, ватты и омы».

Диоды и выпрямители

Диоды — это 2 оконечных устройства. Самые распространенные типы просто позволяют току течь в одном направлении, но не в другом. Они очень часто используются в источниках питания для преобразования входной сети переменного тока (переменный ток — непрерывно меняющийся по направлению) в постоянный ток (постоянный ток — который является однонаправленным) в соответствии с требованиями электронного оборудования. В этом приложении они известны как выпрямительные диоды и могут использоваться для обработки значительного количества энергии.Диоды Шоттки — это особый тип диодов, используемых, в частности, в современных импульсных источниках питания, в которых не используется трансформатор с железным сердечником.

Вы можете преобразовать переменный ток в постоянный с помощью одного выпрямительного диода, который просто блокирует отрицательные полупериоды, но чаще всего 4 диода будут использоваться в так называемой схеме мостового выпрямителя, которая направляет как положительные, так и отрицательные полупериоды в нагрузка в том же направлении. Эти 4 диода могут тогда поставляться в одном корпусе с 4 выводами.

Выпрямитель диодного моста в работе.

Сигнальные диоды в принципе точно такие же, но используются в схемах, где потребляемая мощность обычно очень мала. Они являются ключевым элементом в радиоприемнике с кристаллами, используемым для извлечения звука из радиосигнала, а также находят применение в логических схемах и во многих других местах.

Стабилитроны — еще один специализированный тип, который блокирует обратный ток только до четко определенного напряжения. Они используются в некоторых источниках питания для получения опорного напряжения, относительно которого устанавливается выходное напряжение.

Светодиоды

(светоизлучающие диоды) представляют собой специализированный тип, в котором энергия электронов, проходящих через них, преобразуется непосредственно в видимый или инфракрасный свет.

Идентификатор

Диоды имеют 2 вывода, как и резисторы, но обычно имеют окрашенную полосу вокруг одного конца. Это конец, из которого вытекает положительный ток. Очень распространенный тип выпрямительного диода имеет обозначение 1N400n или более мощный вариант 1N540n, где «n» — это цифра, указывающая максимальное напряжение, для которого он может использоваться.Муфта из 4 из них или мостовой выпрямитель в одном четырехполюсном корпусе часто можно увидеть рядом с сетевым трансформатором с железным сердечником или рядом с входом сети.

Сигнальные диоды и стабилитроны часто поставляются в очень маленьком стеклянном корпусе.

Светодиоды

легко узнать по прозрачной или цветной прозрачной упаковке. Иногда (например, в игрушках) светодиод имеет кремниевый чип, встроенный в корпус, чтобы он мигал или мигал, или чтобы исключить необходимость во внешнем резисторе.Иногда два или более светодиода объединяются в один корпус, чтобы дать несколько цветов.

Диагностика и ремонт

Очень многие цифровые измерительные приборы, даже самые дешевые, имеют функцию проверки диодов. Подключите красный измерительный провод к концу диода с окрашенной полосой, а черный провод — к другому концу. Большинство диодов должны давать показание около 0,7 В, за исключением диодов Шоттки, для которых оно будет больше похоже на 0,4 В. Все, что намного ближе к нулю, или низкое показание с перевернутыми выводами указывает на то, что диод вышел из строя.С другой стороны, светодиод будет давать гораздо более высокие показания от 1,8 В до 4 В, что во многих случаях выходит за пределы диапазона тестового счетчика.

Светодиоды редко выходят из строя, если не используются серьезно. Их можно проверить, подключив их к батарее на 3–9 В последовательно с резистором между 330 Ом и 1 кОм. Отрицательный вывод часто обозначается плоской стороной на стороне упаковки.

Транзисторы

Транзисторы имеют 3 подключения. Они используются для усиления слабого сигнала или для включения и выключения тока.В этом разделе мы также рассмотрим тиристоры и симисторы, которые связаны между собой.

Есть 2 типа транзисторов:

  • Биполярные или Переходные транзисторы . Эти 3 клеммы известны как эмиттер , основание и коллектор . Ток течет от эмиттера к коллектору, но может только пропорционально гораздо меньшему току, который вы подаете в базу.
  • Полевые транзисторы (полевые транзисторы).В них 3 вывода известны как исток , затвор и сток . Ток течет от истока к стоку, но контролируется напряжением, которое вы прикладываете к затвору.

Каждый тип поставляется в двух дополнительных вариантах или полярностей : биполярные транзисторы либо NPN, либо PNP, а полевые транзисторы являются либо N-канальными, либо P-канальными. Направление тока и напряжения в двух вариантах меняется на противоположное.

Кроме того, полевые транзисторы бывают нескольких типов, например, режим повышения или истощения и режим перехода (jFET) в сравнении с полевым транзистором с изолированным затвором.

Тиристор — это, по сути, транзисторы PNP и NPN, объединенные в один, и действует как защелкивающийся переключатель. Симистор выполняет ту же работу, но предназначен для работы от переменного тока. Диммерные переключатели содержат симистор.

Идентификатор

Транзисторы

и их собратья довольно легко узнать как почти единственные компоненты, имеющие всего 3 ножки.

Практически все маркируются своим кодом типа, который не следует путать с кодом даты изготовления или другой маркировкой. Поиск кода типа с помощью поисковой системы в Интернете и просмотр таблицы данных — это единственное визуальное средство различения биполярных и полевых транзисторов и определения их полярности или идентификации тиристора или симистора и идентификации 3 выводов.

Очень распространенное семейство регуляторов напряжения отличается от транзистора только визуально по номеру типа. Обычно это 78 или 79, необязательно буква, за которой следуют 2 цифры, например 78L05. Это интегральные схемы, о которых мы поговорим позже.

Диагностика и ремонт

Многие цифровые измерительные приборы, даже некоторые из самых дешевых, имеют функцию проверки транзисторов для биполярных транзисторов, часто обозначаемую h FE , и с отдельными гнездами или положениями переключателей для PNP и NPN.Найдите эмиттер, базу и коллектор и вставьте их в соответствующие отверстия тестового гнезда. Можно ожидать значений от 20 до 500.

В качестве альтернативы, если в вашем измерительном приборе есть только устройство для проверки диодов, биполярный транзистор можно проверить как два диода. Подключите положительный измерительный провод к базе, а отрицательный — к эмиттеру и коллектору по очереди. Оба должны дать показание около 0,7 В для транзистора NPN или индикацию выхода за пределы диапазона для PNP.Теперь подключите отрицательный измерительный провод к базе. На этот раз вы должны получить 0,7 В для PNP или вне диапазона для NPN. В случае старых германиевых транзисторов от старинного радиоприемника ожидайте показание около 0,3 В вместо 0,7 В. Если какое-либо из показаний намного ниже ожидаемого, или вы получаете что-то, кроме диапазона с измерительными выводами между эмиттером и коллектором (при этом не касаясь базы), то транзистор мертв.

При замене транзистора очень важно установить замену точно так же, как оригинал.

Аудиоусилитель часто использует в выходном каскаде комплементарную пару транзисторов PNP и NPN. Иногда они вызывают короткое замыкание между эмиттером и коллектором, что приводит к перегоранию предохранителя. При замене транзисторов обязательно очистите радиатор и замените теплопроводящую пасту или изолирующую шайбу. При замене дополнительной пары будьте очень осторожны, чтобы не спутать их.

Полевые транзисторы обычно более надежны, но простой тест состоит в том, чтобы по очереди подключить измерительный прибор между затвором, истоком и стоком.Должно быть указано бесконечное сопротивление, за исключением jFET, где он будет вести себя как диод.

Интегральные схемы

Методы изготовления множества электронных компонентов и их соединений на кремниевом кристалле для формирования «интегральной схемы» или ИС были впервые разработаны в 1960-х годах. Они лежат в основе всей современной революции в области электроники и информационных технологий и принесли ключевым игрокам Нобелевскую премию по физике в 2000 году.

Существует множество тысяч различных типов интегральных схем (или ИС), начиная от простейших типов, некоторые из которых были доступны в течение 30-40 лет, до новейших и наиболее сложных, содержащих миллиарды элементов схем. .

Идентификатор

Некоторые микросхемы имеют всего 2 или 3 соединения. Самыми распространенными в этом классе являются регуляторы напряжения, внешне очень похожие на силовые транзисторы. Как правило, на них напечатано обозначение типа, состоящее из 2 цифр «78» или «79», необязательно буквы, а затем еще 2 цифр, обозначающих напряжение, например 78M05. 78 типов производят положительное регулируемое напряжение, а 79 типов — отрицательное.

Большинство микросхем имеют от 8 до многих сотен соединений (обычно называемых контактами), обычно в черном пластиковом корпусе.Паз на одном конце корпуса или точка в углу указывает, какой контакт 1 (остальные контакты пронумерованы по порядку). На всех микросхемах сверху напечатано обозначение типа.

Более простые и распространенные ИС поставляются в корпусе с двойным расположением выводов (DIL) с рядом выводов с каждой стороны на расстоянии 0,1 дюйма. В современном оборудовании очень мелкое расстояние между выводами используется в корпусах для поверхностного монтажа для всех более сложные ИС и даже многие более простые.

Диагностика и ремонт

ИС

могут быть необратимо повреждены статическим электричеством.Хотя они обычно содержат защиту от статического электричества до определенного уровня, следует принимать меры предосторожности от статического электричества для более дорогих и сложных типов, таких как те, которые используются в компьютерах, особенно в условиях низкой влажности или если нейлоновые ковры или одежда могут создавать статическое электричество. Эти меры предосторожности включают частое заземление путем прикосновения к батарее отопления или прибора заземленным металлическим корпусом, а также использование антистатического браслета и коврика.

Большинство микросхем надежны, но отказы могут быть результатом неисправности в другом месте цепи, неправильного подключения батареи или источника питания, статического электричества, удара молнии поблизости или ядерного взрыва (но в последнем случае у вас будет другие вещи, о которых нужно беспокоиться).ИС усилителя мощности звука может выйти из строя из-за перегрузки или короткого замыкания на выходе.

Регуляторы напряжения и другие устройства с малым числом выводов легко заменяются другими того же типа.

Микросхемы DIL можно снимать и заменять с небольшой осторожностью и терпением, используя припойную присоску и / или припой для отпайки контактов. Следите за любыми признаками того, что медные дорожки печатной схемы поднимаются с платы, а затем трескаются из-за воздействия слишком большого количества тепла. Это может существенно усложнить ремонт.

Замена микросхем поверхностного монтажа намного сложнее и обычно требует профессионального оборудования и значительных навыков, хотя это может быть возможно в некоторых случаях, когда плотность выводов не слишком высока.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *