Анод Катод

Рис.18

пу электронно-дырочного перехода — точечные и плоскостные. Основными классификационными признаками являются тип электрического перехода и назначение диода.

На принципиальных схемах полупроводниковые диоды обычно обозначаются символом :

I

+-

Рис.17 В зависимости от типа диода к этому символу добавляются различные

элементы, но для всех диодов общим является обозначение анода и катода (рис.17), которые имеют видимую отличительную маркировку.

В зависимости от геометрических размеров р-n-перехода диоды под-

разделяют на плоскостные и точечные .

Плоскостными называют такие диоды, у которых размеры, определяющие площадь р-n-перехода значительно больше его ширины. У таких диодов площадь р-n-перехода может составлять от долей квадратного миллиметра до десятков квадратных сантиметров.

Точечные диоды имеют очень малую площадь р-n-перехода, причем линейные размеры ее меньше толщины р-n-перехода. Реальные структуры полупроводниковых диодов изображены на рис.

18 а — точечного; б — плоскостного.

Плоскостные р-n переходы обычно изготавливают методом сплавления или методом

диффузии.

Сплавной метод заключается в том что в монокристалл полупроводника, чаще германия или кремния, вплавляют электрод из металла или сплава, содержащий донорские или акцепторные примеси.

Диффузионный метод основан на диффузии примесного вещества в монокристалл при температуре близкой, но меньшей темпе-

ратуре плавления.

24

Плоскостные диоды имеют сравнительно большую величину барьерной емкости(до десятков пикофарад), что ограничивает их предельную чистоту до 10 кГц.

Промышленность выпускает плоскостные диоды в широком диапазоне токов (до тысяч ампер) и напряжений (до тысяч вольт), что позволяет их использовать как в установках малой мощности, так и в установках средней и большой мощности.

Точечные р-n-переходы образуются в месте контакта монокристалла полупроводника и острия металлической проволочки — пружинки. Для обеспечения более надежного контакта его подвергают формовке, для чего уже через собранный диод пропускают короткие импульсы тока.

В результате формовки из-за сильного местного нагрева материал острия пружинки расплавляется и диффундирует в кристалл полупроводника, образуя слой иного типа, чем полупроводник. Между этим слоем и кристаллом возникает р-п-переход полусферической формы. Благодаря малой площади р-п-перехода барьерная емкость точечных диодов очень незначительна, что позволяет использовать их на высоких и сверхвысоких частотах.

Импульсные диоды.

Диоды, предназначенные для работы в импульсных режимах, называются импульсными. Импульсные режимы — это такие режимы, когда диоды переключаются с прямого напряжения на обратное через короткие промежутки времени, порядка долей микросекунды, при этом важную роль играют здесь переходные процессы.

Рассмотрим процесс переключения такого диода при воздействии на не-

го прямоугольного импульса (рис. 19 )							участке (0 ÷t1)
	U пр				При прямом напряжении на
					происходит инжекция носителей из эмиттер-
		t1			ной области в базовую и их накопление там.
				t	При смене полярности напряжения на обрат-
					ную в первый момент величина обратного тока
					будет значительна, а обратное сопротивление
	U обр				диода резко уменьшится, так как накопленные
	i пр				в базе неосновные носители под действием
				t	изменившегося	направления	напряженности
					электрического поля начнут двигаться в сто-
			I о		рону р-п-перехода, образуя импульс обратного
I в. макс					тока. По мере перехода их в эмиттерную об-
	i обр	τобр			ласть, их количество уменьшится и через не-
					которое время	обратный ток	достигнет нор-

	Рис.19	мального установившегося значения, а сопро-
		тивление диода в обратном направлении вос-
		25

становится до нормальной величины. Процесс уменьшения накопленного заряда в базе называется рассасыванием, а время, в течение которого обратный ток изменяется от максимального значения до установившегося называется

временем восстановления (tвос. ). Время восстановления — один из важнейших параметров импульсных диодов. Чем он меньше, тем диод лучше. Для улучшения свойств импульсных диодов исходный полупроводник выбирают с малым временем жизни носителей заряда (для более интенсивного процесса рекомбинации в базе), а сам р-п переход делают с малой площадью, чтобы снизить величину барьерной емкости перехода Сб.

Туннельные диоды.

Туннельным диодом называется полупроводниковый прибор, выполненный на основе вырожденного полупроводника с такой высокой концентрацией примесей, что уровень Ферми выходит за пределы запрещенной зоны. Р-п-переходы на базе таких материалов имеют очень малую толщину и очень высокий градиент напряженности электрического поля и в них при обратном напряжении и небольшом прямом возникает туннельный эффект, а вольт-амперная характеристика имеет участок с отрицательным сопротивлением. Работа туннельного диода иллюстрируется диаграммами на рис.20.

В равновесном состоянии системы уровень Ферми постоянен для обеих областей полупроводникового диода, поэтому другие энергетические уровни искривляются настолько сильно, что нижняя граница дна зоны проводимости области n-типа оказывается ниже верхней границы потолка валентной зоны области p-типа, и так как переход очень узкий, то носители заряда могут переходить из одной области в другую без изменения своей энергии, просачиваться сквозь потенциальный барьер (туннелировать)(Рис.

20б). В состоянии равновесия потоки носителей из одной области в другую одинаковы, поэтому результирующий ток равен нулю. Под воздействием внешнего поля энергетическая диаграмма изменится. При подключении прямого напряжения уровень Ферми и положение энергетических зон сместится относительно равновесного состояния в сторону уменьшения потенциального барьера и при этом степень перекрытия между потолком валентной зоны материала p-типа и дном зоны проводимости материала n-типа уменьшится. При этом в зоне проводимости материала n-типа уровни, заполненные электронами (ниже уровня Ферми) окажутся против незаполненных уровней в валентной зоне материала p-типа, что приведет к появлению тока, обусловленного большим количеством электронов, переходящих из области п в область р. Максимальное значение этого тока будет тогда, когда уровень Ферми материала п-типа и потолок валентной зоны материала р-типа будут совпадать (рис.20 в). При дальнейшем увеличении прямого напряжения туннельное перемещение электронов из п-областей в р-область начнет убывать (рис.

20 г), так как количество их уменьшается по мере уменьшения степени перекрытия между дном

26

Рис.20

зоны проводимости материала п-типа и потолком валентной зоны материала р-типа. В точке, где эти уровни совпадают, прямой ток р-п-перехода достигнет минимального значения (рис.20а), а затем, когда туннельные переходы электронов станут невозможны (рис.20д), носители заряда будут преодолевать потенциальный барьер за счет диффузии и прямой ток начнет возрастать, как у обычных диодов.

При подаче на туннельный диод обратного напряжения, потенциальный барьер возрастает и электрическая диаграмма будет иметь вид, показанный на (рис.20е). Так как количество электронов с энергией выше уровня Ферми незначительно, то обратный ток р-п перехода в этом случае будет возрастать

27

в основном за счет электронов, туннелирующих из области р в область п, причем, поскольку концентрация электронов в глубине валентной зоны р области велика, то даже небольшое увеличение обратного напряжения и связанное с этим незначительное смещение энергетических уровней, приведет к существенному росту обратного тока.

Рассмотренные процессы позволяют сделать вывод, что туннельные диоды одинаково хорошо проводят ток при любой полярности приложенного напряжения, т.е. они не обладают вентильными свойствами. Более того обратный ток у них во много раз больше обратного тока других диодов. Это свойство используется в другом типе полупроводникового прибора — обра-

щенном диоде.

Обращенный диод.

Обращенный диод представляет собой разновидность туннельного диода у которого концентрация примесей подобрана таким образом, что в урав-

				новешенном состоянии при отсутст-
P	n			вии внешнего напряжения потолок
				валентной зоны материала р-типа
		EF
				совпадает с дном зоны проводимо-
				сти материала п-типа (рис. 21). В
Рис.21				этом случае туннельный эффект бу-
				дет иметь место только при малых
				значениях обратного напряжения и

вольт-амперная характеристика такого прибора будет аналогична обратной ветви вольт-амперной характеристики туннельного диода (рис.22). При пря-

мом напряжении на р-п-переходе прямой ток
связан с диффузией носителей через пони-
зившийся потенциальный барьер и вольт-
амперная характеристика его аналогична пря-
мой ветви вольт-амперной характеристики
обыкновенного диода (рис22).
Таким образом, этот диод оказывает ма-
лое сопротивление току, проходящему в об-
ратном направлении и сравнительно высокое
прямому току. Поэтому используются они то-	Рис.22
гда, когда необходимо выпрямлять очень сла-

бые электрические сигналы величиной в малые доли вольта. При этом включается он в обратном направлении, что предопределило и название такого диода.

28

Все что нужно знать о вакуумном диоде

Содержание

• Что представляет собой устройство
• Формы основных элементов диода
• Принцип функционирования диода вакуумного типа
• Важная характеристика диодного элемента – ВАХ
• Где используются такие изделия
• Заключение

Собирая различные электрические приборы в своей домашней лаборатории, многие люди не только экономят деньги на приобретении новой техники, но и чинят вышедшие из строя электроизделия. Для полноценной работы многих приборов требуются диоды, которые сегодня представлены самыми разнообразными экземплярами. В сегодняшней статье речь пойдет о таком элементе, которые довольно часто встречается в электрических схемах – вакуумный диод.

Чтобы правильно использовать такую детальку, необходимо знать ее устройство, а также какая схема и принцип работы для нее характерны. Обо всем этом вы узнаете из этой статьи.

Что представляет собой устройство

Современный диод вакуумного типа представляет собой баллон, выполненный из металлокерамики или стекла, лишенный воздуха. Их этого баллона выкачивают воздух до давления, находящегося на уровне 10-6 — 10-7 мм рт. ст. Отсюда и название данного элемента электросхем.

Строение диод вакуумного типа

Внутри такой баллон размещены два электрода. Одним из них является катод. Он имеет вид металлического вертикального цилиндра, который покрыт слоем оксида щелочно-земельных металлов (кальция, стронция, бария). Благодаря такому напылению данный элемент получил название оксидный катод.

Обратите внимание! При его нагревании с поверхности происходит значительно большее испускание электродов, чем с обычного металлического элемента аналогичного вида.

Катод внутри содержит изолированный проводник, нагреваемый переменным или постоянным током. При нагревании, катод испускает электроны, которые движутся и достигают второго элемента вакуумного диода – анода.
Анод имеет вид овального или круглого цилиндра. Он с катодом имеет общую ось. Схема диода вакуумного типа имеет следующий вид.

Схема диода вакуумного типа

Кроме вакуумного диода существует еще такое понятие, как электровакуумный диод.
Под собой электровакуумный диод подразумевает двухэлектродную вакуумную электронную лампу. Ее строение аналогично диоду вакуумного типа. По сути это одно и тоже. Здесь катод представляет собой W-образную или прямую нить. Он, в процессе работы такой лампы, нагревается до определенной температуры. В результате нагрева возникает термоэлектронная эмиссия. В ходе подачи на анод отрицательного напряжения относительно катода, электроны возвращаются обратно на катод. Когда на анод подается положительное напряжение, часть из эмитированных электронов начинает двигаться в нему. В результате возникает ток.
В результате своей работы вакуумные диоды и их аналоги способны на выпрямление приложенного к ним напряжения. Таким основным своей свойством обладают вакуумные выпрямители, поэтому они используются в качестве детекторов сигналов высокой частоты и выпрямления переменного тока.
Такое устройство характерно для всех изделий подобного типа. При этом данное устройство и определяет основные характеристики изделия, а также то, какое применение оно будет иметь.

Обратите внимание! Частотный диапазон для диода вакуумного типа несколько ограничен и не превышает 500 МГц. При этом интегрированные в волноводы дисковые диоды, способны на детектирование частоты до 10 ГГц.

Формы основных элементов диода

Форма катода и анода

Катод, входящий в состав диода вакуумного типа, зачастую имеет вид латинских букв W или V. Такая форма используется для увеличения длины изделия. В тоже время анод будет более выгодным, если станет изготавливаться в виде коробки, лишенной боковых граней. В сечении анод имеет форму прямоугольника с закругленными углами.

Такая форма анода определяется необходимостью для того, чтобы он во всех направлениях по возможности находился на одинаковом расстоянии от нагреваемого катода. По этой причиной наиболее выгодной формой для обоих элементов является эллиптическая.
Чтобы снизить степень нагрева анода в его устройстве часто фигурируют ребра (крылышки). Благодаря их наличию, анод имеет более качественное отведение тепла.
И катод и анод в баллоне крепятся при помощи специальных держателей. Для большего удобства в эксплуатации, внизу лампы устанавливается цоколь, состоящий из изоляционного материала. Он оснащен металлическими ножками-штырьками. Эти штырьки обеспечивают контакт лампы при включении ее в гнезда ламповой панели.
Вот такое устройство имеет электровакуумная лампы или диод вакуумного типа.

Принцип функционирования диода вакуумного типа

Чтобы схема, в которую входит выпрямитель вакуумного типа, работала как надо, следует понимать принцип работы такой детали.

Принцип работы диода

Принцип работы вакуумных диодов представляет собой следующую картину:

• в ходе разогрева катода, электроны с его поверхности начнут отделяться;
• их отделение происходит за счет формирования термоэлектронной эмиссии;
• освобожденные с поверхности электроны начинают препятствовать вылету других электронов. В следствии этого вокруг поверхности катода образуется облако электронов;
• часть электронов этого облака, обладающие наименьшими скоростями, опускается обратно на поверхность катода;
• в ситуации, когда задается определенная температура, облако электронов стабилизируется. Это означает, что с катода вылетает столько же электронов, сколько потом на него опускается;
• при наличии нулевого напряжения, например, при ситуации короткого замыкания анода на катоде, в лампе начинает течь ток электронов по направлению от катода к аноду. В данной ситуации наиболее быстрые электроны способны преодолеть имеющуюся потенциальную яму, из-за чего они и притягиваются к аноду. Отсечка тока происходит в той ситуации, когда на анод подается отрицательное запирающее напряжение. Это напряжение должно иметь один вольт или ниже.
• в ситуации подачи положительного напряжения на анод, в диоде формируется ускоряющее поле, которое способствует возрастанию на аноде тока. Когда ток на этом элементе достигает значений, которые близки в пределу эмиссии катода, происходит замедление роста тока и его стабилизация. Т.е. наблюдается эффект «насыщения».

Вот по такому принципу работают диоды вакуумного типа.

Важная характеристика диодного элемента – ВАХ

Все диоды, в не зависимости от того, вакуумные оны или нет, обладают таким параметром, как вольт амперная характеристика или сокращенно ВАХ.

ВАХ вакуумного диода

Чтобы разобраться, что же это за вольт амперная характеристика, рассмотрим график на примере происходящих в лампе процессов.
В самом начале, когда на аноде отсутствует напряжения, вокруг катода в следствие его нагрева формируется электронное облако. Когда на аноде возникает положительное небольшое напряжение, самые быстрые электроны, входящие в электронное облако катода, начинают устремляться к аноду. В результате можно регистрировать анодный ток небольшой величины. В ситуации, когда анодное напряжение будет продолжать увеличиваться, из электронного облака все большее число электронов будут перетекать к аноду в плоть до полного «рассасывания» катодного электронного облака. Это состояние соответствует точке В на графике, приведенном выше. Такое напряжение означает, что всех вылетающие из катода электроны будут немедленно притягиваться к аноду.
Обратите внимание! Дальнейшее нарастание анодного тока при сохранении величины накала не происходит. Чтобы добиться увеличение данного показателя необходимо использовать дополнительные электроны. А они здесь отсутствуют. Для этого увеличения показателя можно повысить накал катода, но такой способ не используется поскольку приводит к уменьшению срока службы катодного элемента.
Таким образом вся эмиссия катода при конкретной температуре накала будет исчерпана. В результате анод достиг ситуации «насыщения током».
Все эти процессы, поэтапно, отращены на вольт амперной характеристики, приведенной выше. Такой параметр, как вольт амперную характеристику в высшей точке, можно рассматривать как предел возможностей диода.
Как видим принцип работы изделия неотделим от ВАХ. При этом последняя является его отражением.

Где используются такие изделия

Применение электровакуумных ламп определяется их основными возможностями или свойствами, а именно способностью пропускать ток только в одном направлении. Это связано с тем, что в диоде движение электронов возможно только от катода к аноду. Иногда такое свойство диодных выпрямителей называется односторонней проводимостью. Благодаря такому свойству, вакуумные диоды применяются в качестве преобразователя постоянного тока в переменный (его выпрямления). Такие способности данного рода изделий обеспечили им обширное применение в радиоаппаратуре.

Обратите внимание! Использование диода вакуумного типа позволит решить проблему питания радиоаппаратуры от промышленной сети переменного тока.

Схема, по которой можно использовать диода в качестве выпрямителя для переменного тока, довольно проста.

Схема диода, работающего как выпрямитель

В данной ситуации между анодом и катодом следует включить источник переменного тока. Вверху графика отражено напряжение источника переменного тока. Здесь имеется периодическое его изменение с определенной частотой по типу синусоиды. С такой же чистотой меняется напряжение на аноде по отношению к катоду. Часть времени анод будет положительным (верхняя часть графика), а часть – отрицательным (нижняя часть графика).
При положительных полупериода на аноде будет положительное напряжение. В такой ситуации ток будет течь, а при противоположном значении полупериода – он будет отсутствовать. В результате получаться импульсы, равные по частоте переменному току.

Заключение

Зная особенности функционирования диодов вакуумного типа, можно максимально полно использовать их особенности в работе радиоэлектронных приборов. Помните, что каждый вид диодов имеет свои особенности и способен оптимально работать в определенных условиях. Учет всех параметров его работы, а также ВАХ, позволит выжать из изделия максимум без нарушения принципов его функционирования.

Анод, катод, применение диодов

Устройство, которое блокирует ток в одном направлении, позволяя току течь в другом направлении, называется диодом . Диоды можно использовать по-разному. Например, устройство, в котором используются батареи, часто содержит диод, который защищает устройство, если вы вставляете батареи обратной стороной. Диод просто блокирует выход любого тока из батареи, если он перевернут, это защищает чувствительную электронику устройства.

Диод — это простейшее полупроводниковое устройство, и поэтому это отличная отправная точка для понимания того, как работают полупроводники.

Во-первых, прежде чем описывать принцип работы диода, важно понять основные компоненты диодов.

Схема диодов

 

Существует два типа примесей:

• N-типа — При легировании N-типа в кремний в небольших количествах добавляют фосфор или мышьяк. Фосфор и мышьяк имеют по пять внешних электронов, поэтому они оказываются не на своем месте, когда попадают в решетку кремния. Пятому электрону не с чем связываться, поэтому он может свободно перемещаться. Требуется лишь очень небольшое количество примеси, чтобы создать достаточно свободных электронов, чтобы позволить электрическому току течь через кремний. Кремний N-типа является хорошим проводником. Электроны имеют отрицательный заряд, отсюда и название N-типа.

• P-тип — При легировании P-типа легирующей примесью является бор или галлий. Бор и галлий имеют только по три внешних электрона. При смешивании с решеткой кремния они образуют «дыры» в решетке, где кремниевому электрону не с чем связываться. Отсутствие электрона создает эффект положительного заряда, отсюда и название P-типа. Отверстия могут проводить ток. Дырка с радостью принимает электрон от соседа, перемещая дырку по пространству. Кремний P-типа является хорошим проводником.

Незначительное количество легирования N-типа или P-типа превращает кристалл кремния из хорошего изолятора в жизнеспособный проводник, отсюда и название «полупроводник».

Кремний N-типа и P-типа сам по себе не так уж удивителен; но когда вы соединяете их вместе, вы получаете очень интересное поведение на стыке. Вот что происходит в диодах.

Диоды — простейшее полупроводниковое устройство. Диод позволяет току течь в одном направлении, но не в другом.

Когда вы соединяете кремний N-типа и P-типа вместе, вы получаете очень интересное явление, которое придает диоду его уникальные свойства.

Несмотря на то, что кремний N-типа сам по себе является проводником, а кремний P-типа сам по себе является проводником, комбинация, показанная на схеме, не проводит электричество. Отрицательные электроны в кремнии N-типа притягиваются к положительной клемме батареи. Положительные отверстия кремния P-типа притягиваются к отрицательной клемме батареи. Ток через переход не течет, потому что дырки и электроны движутся в неправильном направлении.

 

Если перевернуть батарею, диод прекрасно проводит электричество. Свободные электроны в кремнии N-типа отталкиваются от отрицательного полюса батареи. Отверстия в кремнии P-типа отталкиваются положительным полюсом. На стыке между кремнием N-типа и P-типа встречаются дырки и свободные электроны. Электроны заполняют дырки. Эти дырки и свободные электроны перестают существовать, и их место занимают новые дырки и электроны. Эффект заключается в том, что ток течет через переход.

Когда обратное смещение , идеальный диод блокировал бы весь ток. Настоящий диод пропускает примерно 10 микроампер — немного, но все же не идеально. И если вы приложите достаточное обратное напряжение (V), соединение сломается и пропустит ток. Обычно напряжение пробоя намного больше напряжения, чем когда-либо увидит схема, поэтому оно не имеет значения.

Когда f или с прямым смещением, для включения диода требуется небольшое напряжение. В кремнии это напряжение составляет около 0,7 вольта. Это напряжение необходимо для запуска процесса объединения дырок и электронов на стыке.

Смотреть для получения дополнительной информации о диодах

стабилитрон — Значение анодных и катодных терминов в диодах

спросил 4 года, 1 месяц назад

Изменено 4 года, 1 месяц назад

Просмотрено 283 раза

\$\начало группы\$

В обычном диоде с кремниевым переходом положительная сторона является анодом, а отрицательная — катодом.

Но когда кто-то использует стабилитрон, работающий при обратном смещении, возникает проблема с тем, что представляет собой анод и катод.

В стабилитроне, нормально работающем в прямом направлении, анод положительный, а катод отрицательный. Но когда диод работает в обратном смещении, что представляет собой анод и катод?

Описывают ли анод и катод полярность клеммы, что означает, что теперь старый анод будет новым катодом, поскольку полярность изменилась, или эти термины означают фактические физические клеммы диода, поэтому теперь анод будет отрицательным ?

• диоды
• стабилитрон

\$\конечная группа\$

4

\$\начало группы\$

Кремниевый диод (любого типа) в основном представляет собой две легированные области кремния (за исключением PIN-диодов, которые имеют собственную область ).