Полупроводниковый диод
Полупроводниковый диод — самый простой полупроводниковый прибор, состоящий из одного PN перехода. Основная его функция — это проводить электрический ток в одном направлении, и не пропускать его в обратном. Состоит диод из двух слоев полупроводника типов N и P.
На стыке соединения P и N образуется PN-переход (PN-junction). Электрод, подключенный к P, называется анод. Электрод, подключенный к N , называется катод. Диод проводит ток в направлении от анода к катоду, и не проводит обратно.
Диод в состоянии покоя
Посмотрим, что происходит внутри PN-перехода, когда полупроводниковый диод находится в состоянии покоя. То есть тогда, когда ни к аноду, ни к катоду не подключено напряжения.
Итак, в части N имеются в наличии свободные электроны – отрицательно заряженные частицы. В части P находятся положительно заряженные ионы – дырки. В результате, в том месте, где есть частицы с зарядами разных знаков, возникает электрическое поле, притягивающее их друг к другу.
Под действием этого поля свободные электроны из части N дрейфуют через PN переход в часть P и заполняют некоторые дырки. В итоге получается очень слабый электрический ток, измеряемый в наноамперах. В результате, плотность вещества в P части повышается и возникает диффузия (стремление вещества к равномерной концентрации), толкающая частицы обратно на сторону N.
Обратное включение диода
Теперь посмотрим, как у полупроводникового диода получается выполнять свою основную функцию – проводить ток только в одном направлении. Подключим источник питания — плюс к катоду, минус к аноду.
В соответствии с силой притяжения, возникшей между зарядами разной полярности, электроны из N начнут движение к плюсу и отдалятся от PN перехода. Аналогично, дырки из P будут притягиваться к минусу, и также отдалятся от PN перехода. В результате, плотность вещества у электродов повышается. В действие приходит диффузия и начинает толкать частицы обратно, стремясь к равномерной плотности вещества.
Как мы видим, в этом состоянии диод не проводит ток. При повышении напряжения, в PN переходе будет все меньше и меньше заряженных частиц.
Прямое включение диода
Чтобы не возникло путаницы, напомню, что направление тока на электрических схемах обратно направлению потока электронов.
Недостатки реального полупроводникового диода
На практике, в реальном диоде, при обратном подключении напряжения, возникает очень маленький ток, измеряемый в микро, или наноамперах ( в зависимости от модели прибора ). В следствии слишком высокого напряжения, может разрушиться кристаллическая структура полупроводника в диоде. В этом случае, прибор начнет хорошо проводить ток также и при обратном смещении. Такое напряжение называется напряжение пробоя. Процесс разрушения структуры полупроводника невосстановим, и прибор приходит в негодность.
При прямом подключении, напряжение между анодом и катодом должно достигнуть определенного значения Vϒ, для того чтобы диод начал хорошо проводить ток. Для кремниевых приборов Vϒ — это примерно 0.7V, а для германиевых — около 0.3V. Более подробно об этом, и других характеристиках полупроводникового выпрямительного диода пойдет речь в статье ВАХ полупроводникового диода.
Как определить полярности диодов: плюс или минус
Диоды относятся к категории электронных приборов, работающих по принципу полупроводника, который особым образом реагирует на приложенное к нему напряжение. С внешним видом и схемным обозначением этого полупроводникового изделия можно ознакомиться на рисунке, размещённом ниже.
Общий вид изделия
Особенностью включения этого элемента в электронную схему является необходимость соблюдения полярности диода.
Дополнительное пояснение. Под полярностью подразумевается строго установленный порядок включения, при котором учитывается, где плюс, а где минус у данного изделия.
Эти два условных обозначения привязываются к его выводам, называемым анодом и катодом, соответственно.
Особенности функционирования
Известно, что любой полупроводниковый диод при подаче на него постоянного или переменного напряжения пропускает ток только в одном направлении. В случае обратного его включения постоянный ток не протекает, так как n-p переход будет смещён в непроводящем направлении. Из рисунка видно, что минус полупроводника располагается со стороны его катода, а плюс – с противоположного конца.
Расположение и обозначение выводов
Особенно наглядно эффект односторонней проводимости может быть подтверждён на примере полупроводниковых изделий, называемых светодиодами и работающих лишь при условии правильного включения.
На практике нередки ситуации, когда на корпусе изделия нет явных признаков, позволяющих сразу же сказать, где у него какой полюс. Именно поэтому важно знать особые приметы, по которым можно научиться различать их.
Способы определения полярности
Для определения полярности диодного изделия можно воспользоваться различными приёмами, каждый из которых подходит для определённых ситуаций и будет рассмотрен отдельно. Эти методы условно делятся на следующие группы:
- Метод визуального осмотра, позволяющий определиться с полярностью по имеющейся маркировке или характерным признакам;
- Проверка посредством мультиметра, включённого в режим прозвонки;
- Выяснение, где плюс, а где минус путём сборки несложной схемы с миниатюрной лампочкой.
Рассмотрим каждый из перечисленных подходов отдельно.
Визуальный осмотр
Этот способ позволяет расшифровать полярность по имеющимся на полупроводниковом изделии специальным меткам. У некоторых диодов это может быть точка или кольцевая полоска, смещённая в сторону анода. Некоторые образцы старой марки (КД226, например) имеют характерную заострённую с одной стороны форму, которая соответствует плюсу. С другого, совершенно плоского конца, соответственно, располагается минус.
Обратите внимание! При визуальном обследовании светодиодов, например, обнаруживается, что на одной из их ножек имеется характерный выступ.
По этому признаку обычно определяют, где у такого диода плюс, а где противоположный ему контакт.
Применение измерительного прибора
Самый простой и надёжный способ определения полярности – использование измерительного устройства типа «мультиметр», включённого в режим «Прозвонка». При измерении всегда нужно помнить, что на шнур в изоляции красного цвета от встроенной батарейки подаётся плюс, а на шнур в чёрной изоляции – минус.
После произвольного подсоединения этих «концов» к выводам диода с неизвестной полярностью нужно следить за показаниями на дисплее прибора. Если индикатор покажет напряжение порядка 0,5-0.7 Вольт – это значит, что он включён в прямом направлении, и та ножка, к которой подсоединён щуп в красной изоляции, является плюсовой.
В случае если индикатор показывает «единицу» (бесконечность), можно сказать, что диод включён в обратном направлении, и на основании этого можно будет судить о его полярности.
Дополнительная информация. Некоторые радиолюбители для проверки светодиодов используют панельку, предназначенную для измерения параметров транзисторов.
Диод в этом случае включается как один из переходов транзисторного прибора, а его полярность определяется по тому, светится он или нет.
Включение в схему
В крайнем случае, когда визуально определить расположение выводов не удаётся, а измерительного прибора под рукой не имеется, можно воспользоваться методом включения диода в несложную схему, изображённую на рисунке ниже.
Проверка с помощью лампочки
При его включении в такую цепь лампочка либо загорится (это значит, что полупроводник пропускает через себя ток), либо нет. В первом случае плюс батарейки будет подключён к положительному выводу изделия (аноду), а во втором – наоборот, к его катоду.
В заключение отметим, что способов, как определить полярность диода, существует довольно много. При этом выбор конкретного приёма ее выявления зависит от условий проведения эксперимента и возможностей пользователя.
Видео
Оцените статью:Принцип работы диода. Вольт-амперная характеристика. Пробои p-n перехода
Здравствуйте уважаемые читатели сайта sesaga.ru. В первой части статьи мы с Вами разобрались, что такое полупроводник и как возникает в нем ток. Сегодня мы продолжим начатую тему и поговорим о
Диод – это полупроводниковый прибор с одним p-n переходом, имеющий два вывода (анод и катод), и предназначенный для выпрямления, детектирования, стабилизации, модуляции, ограничения и преобразования электрических сигналов.
По своему функциональному назначению диоды подразделяются на выпрямительные, универсальные, импульсные, СВЧ-диоды, стабилитроны, варикапы, переключающие, туннельные диоды и т.д.
Теоретически мы знаем, что диод в одну сторону пропускает ток, а в другую нет. Но как, и каким образом он это делает, знают и понимают не многие.
Схематично диод можно представить в виде кристалла состоящего из двух полупроводников (областей). Одна область кристалла обладает проводимостью p-типа, а другая — проводимостью n-типа.
На рисунке дырки, преобладающие в области p-типа, условно изображены красными кружками, а электроны, преобладающие в области
Анод – положительный электрод диода, в котором основными носителями заряда являются дырки.
Катод – отрицательный электрод диода, в котором основными носителями заряда являются электроны.
На внешние поверхности областей нанесены контактные металлические слои, к которым припаяны проволочные выводы электродов диода. Такой прибор может находиться только в одном из двух состояний:
1. Открытое – когда он хорошо проводит ток;
2. Закрытое – когда он плохо проводит ток.
Прямое включение диода. Прямой ток.
При такой полярности подключения электроны из области n-типа устремятся навстречу дыркам в область p-типа, а дырки из области p-типа двинутся навстречу электронам в область n-типа. На границе раздела областей, называемой электронно-дырочным
Например. Oсновные носители заряда в области n-типа электроны, преодолевая p-n переход попадают в дырочную область p-типа, в которой они становятся неосновными. Ставшие неосновными, электроны будут поглощаться основными носителями в дырочной области – дырками. Таким же образом дырки, попадая в электронную область n-типа становятся неосновными носителями заряда в этой области, и будут также поглощаться основными носителями – электронами.
Контакт диода, соединенный с отрицательным полюсом источника постоянного напряжения будет
Обратное включение диода. Обратный ток.
Поменяем полярность источника постоянного напряжения – диод окажется в закрытом состоянии.
В этом случае электроны в области n-типа станут перемещаться к положительному полюсу источника питания, отдаляясь от p-n перехода, и дырки, в области p-типа, также будут отдаляться от p-n перехода, перемещаясь к отрицательному полюсу источника питания. В результате граница областей как бы расширится, отчего образуется зона обедненная дырками и электронами, которая будет оказывать току большое сопротивление.
Но, так как в каждой из областей диода присутствуют неосновные носители заряда, то небольшой обмен электронами и дырками между областями происходить все же будет. Поэтому через диод будет протекать ток во много раз меньший, чем прямой, и такой ток называют
Прямое и обратное напряжение диода.
Напряжение, при котором диод открывается и через него идет прямой ток называют прямым (Uпр), а напряжение обратной полярности, при котором диод закрывается и через него идет обратный ток называют обратным (Uобр).
При прямом напряжении (Uпр) сопротивление диода не превышает и нескольких десятков Ом, зато при обратном напряжении (Uобр) сопротивление возрастает до нескольких десятков, сотен и даже тысяч килоом. В этом не трудно убедиться, если измерить обратное сопротивление диода омметром.
Сопротивление p-n перехода диода величина не постоянная и зависит от прямого напряжения (Uпр), которое подается на диод. Чем больше это напряжение, тем меньшее сопротивление оказывает p-n переход, тем больший прямой ток Iпр течет через диод. В закрытом состоянии на диоде падает практически все напряжение, следовательно, обратный ток, проходящий через него мал, а сопротивление p-n перехода велико.
Например. Если включить диод в цепь переменного тока, то он будет открываться при положительных полупериодах на аноде, свободно пропуская прямой ток (Iпр), и закрываться при отрицательных полупериодах на аноде, почти не пропуская ток противоположного направления – обратный ток (Iобр). Эти свойства диодов используют для преобразования переменного тока в постоянный, и такие диоды называют выпрямительными.
Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода.
Зависимость тока, проходящего через p-n переход, от величины и полярности приложенного к нему напряжения изображают в виде кривой, называемой вольт-амперной характеристикой диода.
На графике ниже изображена такая кривая. По вертикальной оси в верхней части обозначены значения прямого тока (Iпр), а в нижней части — обратного тока (Iобр).
По горизонтальной оси в правой части обозначены значения прямого напряжения Uпр, а в левой части – обратного напряжения (Uобр).
Вольт-амперная характеристика состоит как бы из двух ветвей: прямая ветвь, в правой верхней части, соответствует прямому (пропускному) току через диод, и обратная ветвь, в левой нижней части, соответствующая обратному (закрытому) току через диод.
Прямая ветвь идет круто вверх, прижимаясь к вертикальной оси, и характеризует быстрый рост прямого тока через диод с увеличением прямого напряжения.
Обратная ветвь идет почти параллельно горизонтальной оси и характеризует медленный рост обратного тока. Чем круче к вертикальной оси прямая ветвь и чем ближе к горизонтальной обратная ветвь, тем лучше выпрямительные свойства диода. Наличие небольшого обратного тока является недостатком диодов. Из кривой вольт-амперной характеристики видно, что прямой ток диода (Iпр) в сотни раз больше обратного тока (Iобр).
При увеличении прямого напряжения через p-n переход ток вначале возрастает медленно, а затем начинается участок быстрого нарастания тока. Это объясняется тем, что германиевый диод открывается и начинает проводить ток при прямом напряжении 0,1 – 0,2В, а кремниевый при 0,5 – 0,6В.
Например. При прямом напряжении Uпр = 0,5В прямой ток Iпр равен 50mA (точка «а» на графике), а уже при напряжении Uпр = 1В ток возрастает до 150mA (точка «б» на графике).
Но такое увеличение тока приводит к нагреванию молекулы полупроводника. И если количество выделяемого тепла будет больше отводимого от кристалла естественным путем, либо с помощью специальных устройств охлаждения (радиаторы), то в молекуле проводника могут произойти необратимые изменения вплоть до разрушения кристаллической решетки. Поэтому прямой ток p-n перехода ограничивают на уровне, исключающем перегрев полупроводниковой структуры. Для этого используют ограничительный резистор, включенный последовательно с диодом.
У полупроводниковых диодов величина прямого напряжения Uпр при всех значениях рабочих токов не превышает:
для германиевых — 1В;
для кремниевых — 1,5В.
При увеличении обратного напряжения (Uобр), приложенного к p-n переходу, ток увеличивается незначительно, о чем говорит обратная ветвь вольтамперной характеристики.
Например. Возьмем диод с параметрами: Uобр max = 100В, Iобр max = 0,5 mA, где:
Uобр max – максимальное постоянное обратное напряжение, В;
Iобр max – максимальный обратный ток, мкА.
При постепенном увеличении обратного напряжения до значения 100В видно, как незначительно растет обратный ток (точка «в» на графике). Но при дальнейшем увеличении напряжения, свыше максимального, на которое рассчитан p-n переход диода, происходит резкое увеличение обратного тока (пунктирная линия), нагрев кристалла полупроводника и, как следствие, наступает пробой p-n перехода.
Пробои p-n перехода.
Пробоем p-n перехода называется явление резкого увеличения обратного тока при достижении обратным напряжением определенного критического значения. Различают электрический и тепловой пробои p-n перехода. В свою очередь, электрический пробой разделяется на туннельный и лавинный пробои.
Электрический пробой.
Электрический пробой возникает в результате воздействия сильного электрического поля в p-n переходе. Такой пробой является обратимый, то есть он не приводит к повреждению перехода, и при снижении обратного напряжения свойства диода сохраняются. Например. В таком режиме работают стабилитроны – диоды, предназначенные для стабилизации напряжения.
Туннельный пробой.
Туннельный пробой происходит в результате явления туннельного эффекта, который проявляется в том, что при сильной напряженности электрического поля, действующего в p-n переходе малой толщины, некоторые электроны проникают (просачиваются) через переход из области p-типа в область n-типа без изменения своей энергии. Тонкие p-n переходы возможны только при высокой концентрации примесей в молекуле полупроводника.
В зависимости от мощности и назначения диода толщина электронно-дырочного перехода может находиться в пределах от 100 нм (нанометров) до 1 мкм (микрометр).
Для туннельного пробоя характерен резкий рост обратного тока при незначительном обратном напряжении – обычно несколько вольт. На основе этого эффекта работают туннельные диоды.
Благодаря своим свойствам туннельные диоды используются в усилителях, генераторах синусоидальных релаксационных колебаний и переключающих устройствах на частотах до сотен и тысяч мегагерц.
Лавинный пробой.
Лавинный пробой заключается в том, что под действием сильного электрического поля неосновные носители зарядов под действием тепла в p-n переходе ускоряются на столько, что способны выбить из атома один из его валентных электронов и перебросить его в зону проводимости, образовав при этом пару электрон — дырка. Образовавшиеся носители зарядов тоже начнут разгоняться и сталкиваться с другими атомами, образуя следующие пары электрон – дырка. Процесс приобретает лавинообразный характер, что приводит к резкому увеличению обратного тока при практически неизменном напряжении.
Диоды, в которых используется эффект лавинного пробоя используются в мощных выпрямительных агрегатах, применяемых в металлургической и химической промышленности, железнодорожном транспорте и в других электротехнических изделиях, в которых может возникнуть обратное напряжение выше допустимого.
Тепловой пробой.
Тепловой пробой возникает в результате перегрева p-n перехода в момент протекания через него тока большого значения и при недостаточном теплоотводе, не обеспечивающем устойчивость теплового режима перехода.
При увеличении приложенного к p-n переходу обратного напряжения (Uобр) рассеиваемая мощность на переходе растет. Это приводит к увеличению температуры перехода и соседних с ним областей полупроводника, усиливаются колебания атомов кристалла, и ослабевает связь валентных электронов с ними. Возникает вероятность перехода электронов в зону проводимости и образования дополнительных пар электрон — дырка. При плохих условиях теплоотдачи от p-n перехода происходит лавинообразное нарастание температуры, что приводит к разрушению перехода.
На этом давайте закончим, а в следующей части рассмотрим устройство и работу выпрямительных диодов, диодного моста.
Удачи!
Источник:
1. Борисов В.Г — Юный радиолюбитель. 1985г.
2. Горюнов Н.Н. Носов Ю.Р — Полупроводниковые диоды. Параметры, методы измерений. 1968г.
7. Направление электрического потока. Диод | 1. Основы электроники | Часть1
7. Направление электрического потока. Диод
Направление электрического потока. Диод
«Приятной особенностью большого количества стандартов является то, что есть из чего выбрать»
Эндрю Таненбаум, профессор информатики
Когда Бенджамин Франклин сделал своё предположение относительно направления потока зарядов (из воска в шерсть), он создал прецедент для электрических обозначений, который существует и по сей день, несмотря на то, что все знают, что электроны являются составными частями заряда, и что при натирании они переходят из шерсти в воск, а не наоборот. Благодаря именно Франклину говорят что электроны имеют отрицательный заряд, и движется этот заряд, на самом деле, в направлении противоположном тому, которое указал Франклин. Поэтому объекты, которые он назвал «отрицательными» (имеющими недостаток заряда), фактически имеют избыток электронов.
К тому времени, когда было открыто истинное направление движения потока электронов, обозначения «положительный» и «отрицательный» уже настолько прочно укоренились в научном сообществе, что попытки изменить их даже не предпринимались, хотя, применительно к «избыточному» заряду, правильно было бы назвать электрон «положительно» заряженным . По большому счету, термины «положительный» и «отрицательный» являются человеческими изобретениями и, как таковые, не имеют абсолютного значения за пределами условного языка научных описаний. С такой же легкостью Франклин мог бы назвать избыток заряда «черным», а его недостаток — «белым», в этом случае ученые говорили бы, что электрон имеет «белый» заряд (при условии использования гипотезы Франклина).
Поскольку мы склонны связывать слово «положительный» с «избытком» а слово «отрицательный» с «недостатком», то стандартное обозначение электрического заряда нам кажется противоположным. Благодаря этому, многие инженеры решили сохранить старое понятие электричества, где «положительный» означает избыток заряда, и соответственно обозначается направление движения зарядов (тока). Такое обозначение известно как общепринятое обозначение потока:
Другие инженеры для обозначения потока зарядов выбрали фактическое направление движения электронов в цепи. Такое обозначение известно как обозначение потока электронов:
Общепринятое обозначение потока показывает нам движение заряда в соответствии со знаками + и — (технически неправильно). Применять это обозначение имеет смысл, но направление движения потока зарядов здесь не соответствует действительности. Обозначение потока электронов показывает нам фактическое направление движения электронов в цепи, но знаки + и — выглядят здесь задом наперед. А вообще, имеет ли значение, как мы определяем направление движения потока зарядов в цепи? Не имеет, если мы последовательно используем одно из обозначений. Производя анализ цепи, вы можете с равным успехом использовать любое из этих обозначений. Понятия напряжения, тока, сопротивления, непрерывности, и даже математические методы анализа, такие как законы Ома и Кирхгофа будут действовать как в одном, так и в другом случае.
Как вы можете убедиться, общепринятому обозначению потока следует большинство инженеров-электриков, и оно встречается в большинстве технических учебников. Обозначение потока электронов встречается в учебниках для начинающих и в трудах профессиональных ученых, особенно физиков твердых тел, которым важно фактическое движение электронов в веществах. Большинство исследований электрических цепей не зависит от технически точного отображения направления потока зарядов, поэтому выбор между общепринятым обозначением потока и обозначением потока электронов произволен …. почти.
Многие электрические устройства допускают прохождение через них реальных токов любого направления без каких либо различий в работе. Например, лампы накаливания излучают свет одинаково эффективно, независимо от направления тока. Они хорошо работают даже при переменном токе (AC), который с течением времени быстро меняет свое направление. Проводники и выключатели также отлично работают независимо от направления тока. Все вышеперечисленные компоненты (электрическая лампочка, выключатель и провода) называются неполярными. И наоборот, любые устройства, которые по разному реагируют на токи разных направлений, называются полярными.
Существует множество полярных устройств, применяемых в электрических схемах. Основная масса этих устройств изготавливается из так называемых полупроводниковых материалов, и подробно будет рассмотрена нами позже. Каждое из этих устройств (как и выключатели, ламы и батареи) изображается на схеме с помощью уникального символа. Как можно догадаться, символы полярных устройств в своем составе обычно сдержат стрелку для обозначения допустимого направления тока. Вот здесь-то конкуренция обозначений общепринятого потока и потока электронов имеет большое значение. Но, поскольку инженеры уже давно в качестве стандартного используют общепринятое обозначение, и они же изобретают электрические устройства и придумывают для них условные обозначения (символы), то стрелки, используемые в символах этих устройств, показывают направление общепринятого потока. Иными словами, у всех символов таких устройств есть значок стрелки, который указывает против фактического потока электронов.
Лучшим примером полярного устройства может послужить диод, который является односторонним «клапаном» для электрического тока. Принцип его действия аналогичен обратному клапану, используемому в водопроводе и гидравлических системах. В идеале, диод обеспечивает беспрепятственный поток для тока в одном направлении (практически не оказывая ему сопротивления), и препятствует этому потоку в обратном направлении (оказывая ему бесконечное сопротивление). Условное обозначение (символ) диода выглядит следующим образом:
Если мы поместим диод в схему с батареей и лампочкой, то выполняемая им работа будет следующей:
Когда диод стоит в правильном направлении, разрешающем поток, лампочка горит. В противном случае диод блокирует поток электронов аналогично обрыву цепи, и лампочка гореть не будет.
Если мы используем общепринятое обозначение потока в цепи, то стрелка символа диода указывает на направление потока зарядов от положительного контакта к отрицательному:
И наоборот, при использовании обозначения потока электронов, стрелка символа диода направлена против этого потока:
Исходя из вышеизложенного и во избежание путаницы с условными обозначениями электронных компонентов, большинство людей выбирает общепринятое обозначение потока при анализе электрических схем.
Диоды. Устройство и работа. Характеристики и особенности
Самым простым по конструкции в семействе полупроводников являются диоды, имеющие в конструкции всего два электрода, между которыми существует проводимость электрического тока в одну сторону. Такой вид проводимости в полупроводниках создается благодаря их внутреннему устройству.
Особенности устройства
Не зная конструктивных особенностей диода, нельзя понять его принципа действия. Структура диода состоит из двух слоев с проводимостью различного вида.
Диод состоит из следующих основных элементов:
- Корпус. Выполняется в виде вакуумного баллона, материалом которого может быть керамика, металл, стекло и другие прочные материалы.
- Катод. Он расположен внутри баллона, служит для образования эмиссии электронов. Наиболее простым устройством катода является тонкая нить, раскаляющаяся в процессе действия. Современные диоды оснащены косвенно накаляющимися электродами, которые выполнены в виде металлических цилиндров со свойством активного слоя, имеющего возможность испускать электроны.
- Подогреватель. Это особый элемент в виде нити, раскаляющейся от электрического тока. Подогреватель расположен внутри косвенно накаляющегося катода.
- Анод. Это второй электрод диода, служащий для приема электронов, вылетевших от катода. Анод имеет положительный потенциал, по сравнению с катодом. Форма анода чаще всего так же, как и катода, цилиндрическая. Оба электрода аналогичны эмиттеру и базе полупроводников.
- Кристалл. Его материалом изготовления является германий или кремний. Одна часть кристалла имеет р-тип с недостатком электронов. Другая часть кристалла имеет n-тип проводимости с избытком электронов. Граница, расположенная между этими двумя частями кристалла, называется р-n переходом.
Эти особенности конструкции диода позволяют ему проводить ток в одном направлении.
Принцип действия
Работа диода характеризуется его различными состояниями, и свойствами полупроводника при нахождении в этих состояниях. Рассмотрим подробнее основные виды подключений диодов, и какие процессы происходят внутри полупроводника.
Диоды в состоянии покоя
Если диод не подключен к цепи, то внутри него все равно происходят своеобразные процессы. В районе «n» есть излишек электронов, что создает отрицательный потенциал. В области «р» сконцентрирован положительный заряд. Совместно такие заряды создают электрическое поле.
Так как заряды с разными знаками притягиваются, то электроны из «n» проходят в «р», при этом заполняют дырки. В итоге таких процессов в полупроводнике появляется очень слабый ток, увеличивается плотность вещества в области «р» до определенного значения. При этом частицы расходятся по объему пространства равномерно, то есть, происходит медленная диффузия. Вследствие этого электроны возвращаются в область «n».
Для многих электрических устройств направление тока не имеет особого значения, все работает нормально. Для диода же, большое значение имеет направление протекания тока. Основной задачей диода является пропускание тока в одном направлении, чему благоприятствует переход р-n.
Обратное включение
Если диоды подсоединять к питанию по изображенной схеме, то ток не будет проходить через р-n переход. К области «n» подсоединен положительный полюс питания, а к «р» — минусовой. В итоге электроны от области «n» переходят к плюсовому полюсу питания. Дырки притягиваются минусовым полюсом. На переходе возникает пустота, носители заряда отсутствуют.
При повышении напряжения дырки и электроны осуществляют притягивание сильнее, и на переходе нет носителей заряда. При обратной схеме включения диода ток не проходит.
Повышение плотности вещества возле полюсов создает диффузию, то есть, стремление к распределению вещества по объему. Это возникает при выключении питания.
Обратный ток
Вспомним о работе неосновных переносчиков заряда. При запертом диоде, через него проходит малая величина обратного тока. Он и образуется от неосновных носителей, двигающихся в обратном направлении. Такое движение возникает при обратной полярности питания. Обратный ток обычно незначительный, так как число неосновных носителей очень мало.
При возрастании температуры кристалла их число повышается и обуславливает повышение обратного тока, что обычно приводит к повреждению перехода. Для того, чтобы ограничить температуру работы полупроводников, их корпус монтируют на теплоотводящие радиаторы охлаждения.
Прямое включение
Поменяем местами полюса питания между катодом и анодом. На стороне «n» электроны будут отходить от отрицательного полюса, и проходить к переходу. На стороне «р» дырки, имеющие положительный заряд, оттолкнутся от положительного вывода питания. Поэтому электроны и дырки начнут стремительное движение друг к другу.
Частицы с разными зарядами скапливаются возле перехода, и между ними образуется электрическое поле. Электроны проходят через р-n переход и двигаются в область «р». Часть электронов рекомбинирует с дырками, а остальные проходят к положительному полюсу питания. Возникает прямой ток диода, который имеет ограничения его свойствами. При превышении этой величины диод может выйти из строя.
При прямой схеме диода, его сопротивление незначительное, в отличие от обратной схемы. Считается, что обратно ток по диоду не проходит. В результате мы выяснили, что диоды работают по принципу вентиля: повернул ручку влево – вода течет, вправо – нет воды. Поэтому их еще называют полупроводниковыми вентилями.
Прямое и обратное напряжение
Во время открытия диода, на нем имеется прямое напряжение. Обратным напряжением считается величина во время закрытия диода и прохождения через него обратного тока. Сопротивление диода при прямом напряжении очень мало, в отличие от обратного напряжения, возрастающего до тысяч кОм. В этом можно убедиться путем измерения мультиметром.
Сопротивление полупроводникового кристалла может изменяться в зависимости от напряжения. При увеличении этого значения сопротивление снижается, и наоборот.
Если диоды использовать в работе с переменным током, то при плюсовой полуволне синуса напряжения он будет открыт, а при минусовой – закрыт. Такое свойство диодов применяют для выпрямления напряжения. Поэтому такие устройства называются выпрямителями.
Характеристика диодов
Характеристика диода выражается графиком, на котором видна зависимость тока, напряжения и его полярности. Вертикальная ось координат в верхней части определяет прямой ток, в нижней части – обратный.
Горизонтальная ось справа обозначает прямое напряжение, слева – обратное. Прямая ветка графика выражает ток пропускания диода, проходит рядом с вертикальной осью, так как выражает повышение прямого тока.
Вторая ветка графика показывает ток при закрытом диоде, и проходит параллельно горизонтальной оси. Чем круче график, тем лучше диод выпрямляет ток. После возрастания прямого напряжения, медленно повышается ток. Достигнув области скачка, его величина резко нарастает.
На обратной ветви графика видно, что при повышении обратного напряжения, величина тока практически не возрастает. Но, при достижении границ допустимых норм происходит резкий скачок обратного тока. Вследствие этого диод перегреется и выйдет из строя.
Похожие темы:
Диод. Часть 2. Немного о конструкции и принципах
Часть 1
▌Конструкция
Диод делают из полупроводников. Вообще, изначально, полупроводниковые материалы, такие как кремний или германий ток проводят довольно хреново. У них электроны крепко держатся двумя молекулами сразу и требуется довольно большая энергия чтобы их вырвать.
Если полупроводник нагреть, облучить, подать высокое напряжение, чтобы образовалось мощное поле, которое потащит электроны, то из кристаллической решетки будет вырван электрон и будет он болтаться свободно среди молекул.
А там где он был, образуется дырка. Дырка означает не скомпенсированную электроном связь, положительно заряженную область. Сдернуть электрон из ближайшего атома в соседнюю дырку куда проще, чем просто вырвать его из решетки. При этом дырка будет уже у соседнего атома, ведь электрон то надо откуда то вырвать.
По сути, дырку можно считать положительно заряженной частицей. Потому как под действием поля дырки также мотает по всему кристаллу как и электроны. Хотя они и менее подвижные, т.к. на перемещение дырки надо больше энергии чем на перемещение электрона.
Ну вот, есть у нас такой прикольный материал у которого сопротивление зависит от приложенной к нему энергии. И что дальше?
А самое веселое начинается когда в полупроводник добавляют примеси за счет которых можно либо добавить дырок, либо свободных электронов. Накидав в кристаллическую решетку атомов с тремя или с пятью свободными электронами соответственно.
Получаются проводники p и n типа. В p — есть лишние дырки (positive), а в n — лишние электроны (negative).
Осталось только слепить два таких разнопроводимых кристалла вместе, чтобы получился pn переход. И мы получили диод. Суть в чем:
Когда ток подается вот так:
Т.е. к p-кристаллу мы подаем положительный потенциал, а на n-кристалл отрицательный, то дырки и электроны поведут себя как и подобает приличным электрическим зарядам — отталкиваясь от себе подобных и притягивясь к противоположности.
В p-кристалле электроны неудержимо потянет в плюсовой провод, следовательно дырки ломанутся в центр.
А в n-кристалле электроны из минусового провода, от источника питания, ломанутся к плюсу, тоже в центр. В центре электроны из n-кристалла запрыгнут в дырки p-кристалла и поскачут дальше к минусу (это называется рекомбинация). Т.е. через диод пойдет ток. И чем больше напряжение, тем больше дырок будет сдвигать и больше будет ток. Причем зависимость эта будет не линейная, а скорей параболическая.
Окей. С этим все понятно. Берем и меняем полярность. Что произойдет? А все то же самое, только направление движения зарядов изменится.
В p-кристалле электроны побегут в центр, значит дырки утащит к минусовому проводу, где они и останутся зиять, т.к. в металле проводника пути для них нет.
А в n-кристалле усосет все свободные электроны в источник питания. И тоже останется пустота. А, как я уже говорил, полупроводник в котором нет свободных зарядов, это хреновый проводник. Почти диэлектрик. И вот, собственно, на этом месте диод и перестает проводить ток в обратном направлении.
▌Фотодиод
Но при этом свойства полупроводника в зоне откуда убежали все свободные заряды никуда не деваются. Если полупроводник облучить, то в нем таки возникнут свободные заряды и он будет проводить ток. Так работает, например, фотодиод. Помните его схему включения?
Вот диод стоит себе в обратном направлении, сопротивление у него огромное, намного больше подтягивающего резистора и на ноге при этом возникает положительный потенциал от подтяжки. Но стоит ему засветить, как его тотчас прорывает за счет того, что его кристалл чувствителен к свету и свет из него легко выбивает заряды. Но, на самом деле, у фотодиода характеристика ВАХ еще более интересна:
Если рассмотреть его поквадрантно. То на нулевом освещении (самый верхний график) он ведет себя почти как обычный диод. Чуток травит назад, совсем мало. А прямая проводимость по той же параболе. А вот при увеличении освещения начинается самое интересное. Ну, во первых, у него резко возрастает обратный ток. Чем ярче на него светим, тем сильней. Но самое интересное это квадрант D. Если посмотреть на график, то при прямом напряжении мы имеем… обратный ток.
Т.е. фотодиод является источником энергии. Генерирует обратный ток и до поры до времени сопротивляется внешнему источнику питания. В конце концов, тот конечно его перебарывает и график уходит в квадрант А.
▌Стабилитрон
Или вот, например, стабилитрон. Тоже девайс работает в обратку. Тоже, по сути, вполне себе добропорядочный диод.
Стоит себе не пропускает, ну кроме тех случаев, когда поле (А напряженность поля напрямую зависит от напряжения. Ваш К.О.) оказывается столь сильно, что вырывает из полупроводника заряды сами по себе. И тогда он начинает подтравливать ток. Но только до тех пор, пока напряжение на нем не снизится до некого предельного уровня. Уровень этот и определяет напряжение которое стабилитрон будет стабилизировать. Причем чем больше напряжение, тем больший ток через него будет стравливаться, стараясь это напряжение удержать.
Примерно как клапан ограничения давления на паровом котле. Стоит там пружина с уставкой на давление в 5 очков, и все что выше 5 очков травит наружу.
То есть любой диод может пробивать в обратном направлении, при превышении определенного потенциала. И этот пробой является обратимым. При условии что ток при нем не был настолько большим, чтобы выделить тепло достаточное для уничтожения кристалла. Поэтому на стабилитроне и нужен резистор.
А то слишком большой ток через него потечет и он сдохнет, а так получается своего рода делитель напряжения, в котором нижнее плечо автоматом подстраивается так, чтобы на выходе было напряжение на которое заточен стабилитрон.
▌Емкость диода
Вообще, если рассматривать диод более детально, то у него есть емкость (хотя чего это я, у всего в мире есть емкость, даже у индуктивности 😉 ) и более приближенная к реальности схема диода выглядит так:
Но тут есть один нюанс. У этой емкости две природы. Когда диод пропускает в одну сторону, то у него заряжается диффузионная емкость. Т.е. кристаллы диода насыщается неосновыми зарядами. Что значит неосновными?
А то, что в p-кристалле, где должно быть, по идее, полно дырок (основных зарядов), при протекании тока от души набивается хренова куча электронов, забивает все излишние дырки, да еще сверху насыпает с горкой.
В противовес, в n-кристалле, мало того, что все электроны лишние (основной заряд) усасывает полем, так еще и дополнительно вырывает из решетки, образуя дырки (неосновной заряд).
И когда напряжение резко меняют на обратное, диод то может и закроется мгновенно, но вот из насыщенных неосновными зарядами областей пока утащит все лишние электроны и дырки, которых там не должно быть, пройдет какое то время, а эти самые неосновные заряды при исходе образуют импульс обратного тока. Короткий, конечно, как иголочка.
Но если у вас частота высокая, то эти короткие импульсы вам могут помех натворить, потребление увеличить, пробить что-нибудь не то и так далее. Диффузионная емкость зависит от прямого тока. Чем больше прямой ток, тем больше неосновных зарядов насуёт в кристаллы.
Небольшое плато — это время на то, пока растащит заряды в области pn перехода. Собственно, время закрытия самого перехода. А вот потом уже идет обычный такой разряд конденсатора — это растаскивает неосновные заряды из основного тела полупроводника. И чем это тело больше, тем дольше их будет оттуда растаскивать.
А когда диод включен обратно, то возникает барьерная емкость.
Если внимательно посмотреть на обратно смещенный диод, на что это похоже?
Два проводника, между ними диэлектрик… Правильно, на конденсатор. Ну и хрен что диэлектрик у этого конденсатора это полупроводник. При определенных условиях он же диэлектрик? Диэлектрик. Значит работать будет.
А еще расстояние между проводящими областями зависит от электрического поля. Подали посильней обратное смещение — дырки и электроны вжались в края — диэлектрический слой увеличился, ослабил поле — уменьшился. А от толщины диэлектрика напрямую зависит емкость этого импровизированного конденсатора. Т.е. барьерная емкость зависит от приложенного обратного напряжения.
Ну и обе емкости зависят от конструктива. Раньше, в советской литературе, было даже четкое деление на плоскостный и точечный диод. Т.е. у плоскостного pn переход был в виде двух плоских областей, способных пропустить через себя большой ток, но обладающих большой емкостью. А у точечного диода переход представлял собой подпружиненную иголочку с покрытием, упирающуюся в кристалл полупроводника. Площадь контакта мала, емкость мала, ток тоже мизерный.
Сейчас я такого деления как то не встречаю. Видать в западной классификации диоды по конструктиву не делят.
▌Варикап
Способность диода образовывать барьерную емкость при обратном смещении и послужило идеей для варикапа. Осталось только сделать такой диод, для которого барьерная емкость была бы максимально стабильной, не зависящей от разных там погодных условий и вуаля.
Т.е. даем отрицательное постоянное смещение, а поверх него переменный сигнал, то меняя смещение можно менять емкостное сопротивление этого конденсатора для этого переменного сигнала. Такую емкость зовут барьерной. Т.к. ее величина зависит от ширины потенциального барьера.
А как это применить тут можно многое придумать. Первое что приходит в голову разные электрически управляемые фильтры или колебательные контура. Вроде такого:
▌Шоттки
Отдельно хочу сказать о диоде Шоттки. Диод Шоттки использует не pn переход двух полупроводников. А переход полупроводник-металл. Получается примерно то же самое, но с рядом особенностей, как то:
- Пониженное падение напряжения. Около 0.2 вольт, в отличии от типичных 0.7 вольт для простого диода.
- Очень низкое время обратного восстановления. Так как в нем в разы меньше скапливаются неосновные заряды, а значит диффузионная емкость очень мала.
Минусы тоже значительные.
- Самый главый минус в том, что у них намного ниже обратное напряжение чем у обычных pn диодов.
- Также есть повышенный обратный ток. Если диод запирается в обратку почти наглухо, то тут ниппель чутка сифонит и чем выше температура, тем больше. Может до единиц, а то и десяток миллиампер (!) доходить. Особенно на мощных диодах с прямыми токами в десятки ампер.
- А еще их обратный пробой не является обратимым. Пробило значит пробило. В помойку, без вариантов.
Вот как то так. Кратенько и по самым основам. Как раз под окончание сессии у студентов 😉
Диод. Часть 1 | Электроника для всех
Как то я не особо расписывал эту незатейливую детальку. Ну диод и диод. Система ниппель. Пропускает в одну сторону, не пропускает в другую, чего уж проще. В принципе да, но есть нюансы. О них, да немного о прикидочном выборе данной детальки и будет эта статья.
▌Клапан
В двух словах, в нашей канализационной электрике для сантехников диод это клапан. Вот типа вот такого:
И да, будет большим допущением считать, что клапан пропускает в одну сторону, а не пропускает в другую. На самом деле все несколько сложней. На самом деле у клапана же есть некая упругость пружины, так вот пока прямое давление не преодолеет эту пружину никакого потока не будет, даже в прямом направлении.
Для диода это справедливо в той же мере. Есть у диода такой параметр как падение напряжения. Оно для диодов Шоттки составляет около 0.2…0.4вольт, а для обычных диодов порядка 0.6…0.8 вольт.
Из этого знания следует три простых вывода.
1) Чтобы ток шел через диод напряжение на диоде должно быть выше его падения напряжения.
2) Какой бы ток через диод не шел, на нем всегда будет напряжение примерно равное его падению напряжения (собственно потому его таки зовут). Т.е. сопротивление диода нелинейно и падает с ростом тока.
3) Включая в цепь диод последовательно с нагрузкой, мы потеряем на нагрузке напряжение равное падению напряжения диода. Т.е. если вы в батарейное питание на 4.5 вольт для защиты от переполюсовки поставите диод, то потеряете от батареек 0.7 вольт, что довольно существенно. Ваше устройство перестанет работать гораздо раньше чем реально сядут батарейки. А батареи не будут высажены до конца. В этом случае лучше ставить диод Шоттки. У него падение ниже чем у простого (но есть свои приколы). А лучше вообще полевой транзистор.
До кучи пусть будет еще и график:
Это вольт-амперная характеристика диода. По которой наглядно видно, что открывается он примерно от 0.7 вольт. До этого ток практически нулевой. А потом растет по параболе вверх с ростом напряжения. У резистора ВАХ была бы прямолинейной в прямом соответствии с законом Ома. А в обратку диод не то чтобы не пропускает, но ток там совсем незначительный, доли миллиампера. Но после определенного напряжения диод резко пробивает и он начинает открываться, падение напряжения устанавливается где-то на уровне предела по обратному напряжению, а после и вовсе сгорает. Ведь рост тока, да большое падение напряжения на диоде означают большие тепловые потери (P=U*I). А диод на них не рассчитан. Вот и сгорает обычно он после пробоя. Но если ограничить ток или время воздействия, чтобы тепловая мощность не превышала расчетную, то электрический пробой является обратимым. Но это касается только обычных диодов, не Шоттки. Тех пробивает сразу и окончательно.
А вот и реальная характеристика диода Vishay 1N4001
Прямая ВАХ, показан один квадрант, рабочий. Начинается гдето с 0.6 вольт. При этом ток там мизерный. А дальше, с ростом напряжения, диод начинает резко открываться. На 0.8 вольтах ток уже 0.2А, на 1 вольте уже под 2.5А и так далее, пока не сгорит 🙂
Вот вам и ответ на вопрос почему нельзя светодиоды втыкать последовательно на источник напряжения без токоограничения. Вроде бы падения скомпенсированы, ну что им будет то? А малейшее изменение напряжения вызывает резкое изменение тока. А источники питания никогда не бывают идеальными и разброс по питанию там присутствует всегда. В том числе и от температуры и нагрузки.
И обратная ВАХ, напряжение в процентах от максимального (т.к. даташит на все семейство диодов, от 4001 до 4007 и у них разное обратное напряжение). Тут токи уже в микроамперах и ощутимо зависят от температуры.
▌Выбор диодов. Быстрые прикидки.
В первом приближении у диода нам интересные три параметра — обратное напряжение, предельный ток и падение напряжения.
Т.е. если вы делаете выпрямитель в сетевое устройство, то диод вам хорошо бы вольт на 400, а лучше на 600 пробивного обратного напряжения. Чтобы с хорошим запасом было.
С предельным током все тоже просто. Он должен быть не меньше, чем через него потечет. Лучше чтобы был запас процентов в 30.
Ну, а падение обычно нужно учитывать для малых напряжений, батарейного питания.
Открываем даташит на … пусть это будет 1N4007 (обычный рядовой диод) и ищем искомые параметры. И сразу же видим искомое, табличку предельных значений Maximum Rating или как то так:
IF(AV) прямой ток. Обозначается всегда как то так. Тут 1А. Предельный ток который этот диод тащит и не дохнет. Импульсно он протаскивает до 30А в течении 8.3мс (IFSM), скажем заряд конденсаторов через себя переживет.
Предельное обратное напряжение определяется параметрами:
VRRM — повторяющееся пиковое значение.
VRMS — действующее значение синусоидального переменного напряжения. На западе принято называть его среднеквадратичным. У нас постепенно тоже приходят к такому обозначению.
VDC — и просто обратное постоянное напряжение.
Ну, а падение смотрим по графикам в том же даташите под конкретный ток.
Есть еще диоды Шоттки, у них меньше внутренняя емкость и поэтому они во первых гораздо быстрей закрываются, что важно для импульсных преобразователей, работающих на большой частоте. А во вторых, имеют втрое ниже падение напряжение. Но, у них мало обратное пробивное напряжение. Классический диод Шоттки выглядит по даташитам примерно так:
Это 1N5819 стоящий в Pinboard II в преобразователе:
Падение напряжения можно измерить мультиметром, в режиме проверки диодов.
Он показывает падение в вольтах. И это падение обязательно надо учитывать, особенно в слаботочных цепях. Например, развязываете вы диодом какой-нибудь вывод микроконтроллера, с уходящим от него сигналом. Например, чтобы при подключении устройства в контроллер не потекло чего лишнего.
А сам контроллер (МК) должен подавать в устройство ХЗ логическую единицу. И, скажем, дает ее как 3.3 вольта. А если падение диода 0.6 вольт и у вас до Х.З. дойдет не 3.3 вольта, а меньше. А тут возникает вопрос, а воспримет ли Х.З. это как логическую единицу? Корректно ли это будет? Ну и, соответственно, решать проблемы если нет.
Светодиодов все это касается в той же мере. Только у них падение напряжения гораздо выше и зависит от цвета. Также, если хотите правильно вычислить ограничение резистора для светодиода, то измеряете его падение напряжения. Вычитаете из питания падение напряжения светодиода (или светодиодной цепи), а потом по полученному напряжению считаете по закону Ома сопротивление.
Например, имеем светодиод на с падением в 3 вольта. Его номинальный ток 10мА, а источник питания у нас 5 вольт. Итак, 5-3 = 2 вольта. Теперь на эти два вольта надо подобрать резистор, чтобы ток был 10мА. 2 / 0,01=200 ом.
Особенно важно правильно подбирать сопротивления для фонарей разных оптронов и прочих оптических датчиков. Иначе характеристики не предсказуемые.
Поэтому, кстати, нельзя включать светодиоды параллельно с общим токоограничивающим резистором. Т.к. диоды имеют разброс по характеристикам, даже если они из одной партии. А из-за малейшего отличия от соседей разница тока через один диод может быть весьма существенная. В результате один из диодов будет работать с перекалом, перегреется и сгорит. Токоограничивающий резистор ставят на каждый диод.
Во второй части этой статьи, которая уже написана, будет более детально расписаны остальные параметры и почему они образуются, исходя из полупроводниковой конструкции диода. А я пока картинки нарисую…
