Что такое диод в электронике

Устраняем заблуждения относительно внутреннего диода MOSFET

Проектировщики мощных импульсных цепей на основе полупроводниковых приборов с широкой запрещенной зоной часто допускают ошибки, связанные с режимом переключения транзисторов, которые потом дорого им обходятся.

Порой нам приходится сталкиваться с неприятной для самолюбия правдой о собственных познаниях в области силовой электроники. Поэтому автору этой статьи хотелось бы попросить читателей попытаться хотя бы на время стать полностью самокритичными!

У вас неверные представления о внутреннем диоде в мощных полевых транзисторах? Вы не одиноки в этом среди множества остальных специалистов. У любого из нас есть похожие истории о том, с чего начиналась эта путаница.

MOSFET обладают весьма полезным свойством, которое заключается в том, что когда VGS = 0, транзистор все еще проводит ток в обратном направлении. Происходит это из-за образования между истоком и стоком транзистора паразитного диода, называемого также внутренним диодом (body diode). Работая с силовой электроникой, мы обнаруживаем, что MOSFET могут пропускать ток в обратном направлении через внутренний диод, а у IGBT такой возможности нет (из-за отсутствия подобного диода).

В англоязычной литературе этот эффект уже привыкли называть просто «body diode». И все было прекрасно на протяжении десятилетий, пока не появились полупроводниковые приборы с расширенной запрещенной зоной.

Благодаря измененной полупроводниковой топологии у некоторых из них нет паразитных диодов. Но они по-прежнему имеют то же самое полезное свойство, что и MOSFET: они обладают проводимостью в обратном направлении, когда VGS = 0.

В частности, этим свойством отличаются GaN-транзисторы типа E-HEMT (High Electron Mobility Transistor).

Вот после этого и возникла путаница.

Я и мои коллеги неоднократно встречались с инженерами, которые предполагают, что поскольку GaN-приборы не имеют паразитных диодов, то они не проводят ток в обратном направлении. Мы неоднократно обсуждали эту тему, беседы велись в подобном ключе:

Инженер: Таким образом, у GaN-транзисторов нет паразитного диода?

Я: Да, верно.

Инженер: Значит, они не могут проводить ток в обратном направлении при отсутствии управляющего напряжения между затвором и истоком? Поэтому мне нужно добавить в схему встречно-параллельный диод?

Я: Это не совсем так.

Инженер оставался в недоумении.

Пришло время обновить используемые в данном случае понятия, чтобы правильно ссылаться на канал обратной проводимости, понимая, почему для этого не нужны внутренние body-диоды, и даже оценить преимущества, которые обеспечивают GaN-транзисторы, не имеющие таких диодов.

 Что же на самом деле происходит

Внутри GaN E-HEMT есть так называемый вторичный канал двумерного электронного газа (2DEG), сформированный на гетероэпитаксиальной структуре AlGaN/GaN. Он обеспечивает чрезвычайно высокую плотность заряда и подвижность носителей.

Для работы в режиме обогащения затвор, по сути, обедняет 2DEG под этим электродом при нулевом или отрицательном смещении. Положительное смещение на затворе притягивает электроны в обедненную область и открывает канал 2DEG.

При прямой проводимости (первый квадрант на рисунке 1) такое поведение во многом напоминает MOSFET, но с улучшенными характеристиками переключения.

В третьем квадранте (когда VGS = 0, а VDS отрицательное) устройство ведет себя не так, как MOSFET. Проще говоря, отрицательное смещение на выводе стока создает градиент напряжения в канале полупроводникового устройства. Это, в свою очередь, приводит к тому, что обедненная область под затвором имеет отрицательный электрический потенциал относительно электрода затвора.

Другими словами, сток GaN HEMT будет вести себя как исток, а исток будет действовать как сток. Как только разность потенциалов между затвором и каналом превышает пороговое напряжение (VTH_GD), транзистор включается. Этот эффект иногда называют «самокоммутацией» (self-commutation).

Поскольку транзистор проводит ток I через резистивный канал Ron, падение напряжения D вычисляется по формуле 1:

D = VTH_GD + IRon   (1)

Если транзистор выключен с отрицательным напряжением, сток должен быть более отрицательным, прежде чем возникнет самокоммутация, а общее падение напряжения DT будет вычисляться по формуле 2:

DT= VTH_GD+ (-VGS) + IRon   (2)

Рис. 1. На диаграмме из указаний GaN Systems по применению GN001 показаны графики IR для различных значений VGS

Теперь займемся поиском истины. Стоит отметить, что закреплению ошибочного представления о канале обратной проводимости способствовали сами производители GaN-транзисторов.

Многие годы они использовали два основных подхода для объяснения характеристик своих изделий при нулевом обратном смещении VGS. Во-первых, некоторые производители просто продолжали пользоваться термином «body diode».

Они объясняли это тем, что GaN-транзисторы имеют некий магический диод с нулевым QRR (заряд обратного восстановления диода) и необычайно высоким падением напряжения.

Это не истина, но скорее удобная фикция, позволяющая разработчикам почти всегда создавать удачные схемные решения.

Во-вторых, некоторые производители публикуют подробную документацию с характеристиками своих полупроводниковых приборов, ожидая, что инженеры внимательно прочитают эти руководства, осознают возможные ошибки и способы их устранения, прежде чем рассматривать технологию. Это достойный одобрения подход, хотя он и упускает из виду тот факт, что инженеры — такие же люди, которым трудно изменить прочно укоренившиеся привычки.

Как и следовало ожидать, результатом этих подходов стала дезориентация пользователей. До сих пор специалисты технической поддержки из компании GaN Systems встречают схемы заказных проектов, где к нашим транзисторам подключают встречно-параллельные диоды.

Преимущества при отсутствии внутреннего диода

В конце концов, обратная проводимость при отсутствии внутреннего диода имеет некоторые реальные преимущества.

Во-первых, отсутствие этого диода означает отсутствие QRR (заряда для обратного восстановления диода), что делает GaN-транзистор пригодным для мощной полумостовой схемы коммутации.

Это, в свою очередь, означает отсутствие дополнительных проблем с жесткой коммутацией из-за обратного восстановления диода, что приводит к гораздо более высоким потерям на переключение.

К тому же отсутствие в GaN-транзисторах эффекта обратного восстановления позволяет использовать новые высокоэффективные схемные решения, такие как PFC (управление коэффициентом мощности) с безмостовым выходным каскадом на двух транзисторах.

Во-вторых, как видно из рисунка 2, при отсутствии этого диода нет всплеска шума при его включении. Все это упрощает разработку цепей защиты от ЭМП и повышает быстродействие схемы, что особенно полезно в компактных конструкциях, где и преобразование мощности, и обработка сигнала выполняются на одной и той же небольшой печатной плате.

Наконец, есть преимущества в ограничениях dv/dt и надежности. MOSFET имеют механизм отказа, вызываемый быстрым нарастанием напряжения на встроенном в MOSFET диоде (dv/dt). Пока этот диод находится в состоянии обратного восстановления, на нем увеличивается напряжение «сток-исток». Такое поведение может вызвать ложное включение внутреннего паразитного биполярного NPN транзистора, что в итоге разрушает структуру MOSFET.

Рис. 2. Осциллограммы сигналов переключения типичного MOSFET и E-HEMT иллюстрируют некоторые различия в поведении при включении, вызываемые встроенным диодом

В действительности, при отсутствии встроенного диода имеется только один недостаток: повышенное падение обратного напряжения (рисунок 3). В GaN E-HEMT падение обратного напряжения включает пороговое напряжение и напряжение на резистивном элементе, возникающее из сопротивления канала.

Падение напряжения в GaN E-HEMT, рассчитанном на 650 В, может достигать 3 В при протекании больших токов. Это больше чем эквивалентное падение в MOSFET.

Такое повышенное обратное напряжение может снизить эффективность типичной полумостовой схемы за счет увеличенных потерь при переключении («мертвое время»).

Правда, эти потери можно понизить, сократив длительность паузы между переключениями. Режим ускоренного переключения GaN E-HEMT обычно упрощает задачу сокращения паузы между открытым и закрытым состояниями ключей. Кроме того, есть такие корпусные решения от компании GaN Systems как GaNPx, они отличаются малой паразитной индуктивностью, что обеспечивает крутые фронты переключающих импульсов с сокращенным мертвым временем.

Рис. 3. Различия между обратной проводимостью в MOSFET и GaN-HEMT

Как правило, выигрыш в эффективности усиления при реализации GaN-схем получают от сокращения мертвого времени, что значительно перевешивает потери от повышенного обратного напряжения. Сегодня такое повышение эффективности реализовать проще, поскольку драйверы и контроллеры нового поколения все чаще поддерживают сокращение мертвого времени.

Также стоит отметить, что короткое мертвое время выгодно и по другим причинам. Например, в аудиоусилителях класса D укороченное мертвое время приводит к снижению гармонических искажений и повышению качества звука.

Есть немало учебных пособий, способных помочь тем, кто хочет избавиться от ошибочных представлений о роли встроенных диодов и намерен создавать оптимизированные по эффективности и стоимости схемы. Понимание особенностей поведения встроенного диода и четкое представление рабочих режимов GaN-устройств помогают устранить путаницу в голове, по крайней мере, до тех пор, пока очередная эволюция в сфере силовой электроники не приведет к появлению новой терминологии.

Источник: https://www.terraelectronica.ru/news/6381

Диод

Диод (англ. diode, от др.-греч. δις — два и ὁδός — путь) – устройство на основе полупроводника, обладающее различной проводимостью в зависимости от направления электрического поля.

Принцип работы:

Принцип работы основан на использовании явления p-n перехода, проводимость которого зависит от полярности приложенного напряжения. Подробнее об этом явлении можно прочитать здесь.

Функции (в зависимости от конструкции и назначения):

• Избирательное пропускание тока, в зависимости от его направления.
• Стабилизация напряжения.
• Прием световых сигналов.
• Излучение света.

Назначение:

• Преобразования переменного тока в однонаправленный пульсирующий (выпрямление тока).
• Выделение средневыпрямленного и среднеквадратичного значения тока (диодные детекторы).
• Защита устройств от неправильной полярности включения, защита входов схем от перегрузки, ключей от пробоя ЭДС самоиндукции, возникающей при выключении индуктивной нагрузки и т.п.
• Коммутация высокочастотных сигналов.
• Ограничение или стабилизация уровня напряжения.
• Детектирование наличия и уровня освещенности.
• Излучение света.

По способу монтажа:

• для поверхностного монтажа (SMD/SMT);
• для навесного монтажа (TH);
• интегральные (тонкопленочные).

По назначению:

• Выпрямительные;
• Импульсные;

Имеют малую длительность переходных процессов, предназначены для применения в импульсных режимах работы.

• Детекторные;
• Смесительные;

Предназначены для преобразования высокочастотных сигналов в сигналы разностной частоты, определяемой частотой задающего генератора.

Применяются в устройствах управления уровнем сверхвысокочастотной мощности.

• Ограничительные;
• Защитные;

Защита аппаратуры от повышения сетевого напряжения.

Используются для генерации ВЧ и СВЧ колебаний.

По конструкции:

• Диод Шоттки;
• СВЧ-диод;
• Стабилитрон (диод Зенера);
• Варикап;
• Светодиод;
• Фотодиод;
• Pin диод;
• Лавинный диод;
• Лавинно-пролетный диод;
• Диод Ганна;
• Туннельный диод;
• Обращенный диод.

По частотному диапазону:

• Низкочастотные;
• Высокочастотные;
• СВЧ.

ВАХ диода:

Для начала рассмотрим ВАХ идеального диода.

Рисунок 1 — ВАХ идеального диода.

Как видно из графика, диод проводит ток только при прямом напряжении на его выводах (т.е. плюс на аноде, минус на катоде). Ток I – это ток насыщения, т.е. максимальный обратный ток, вызванный тепловым дрейфом носителей тока в области p-n перехода, он на несколько порядков меньше прямого тока.

Для любителей формул, можно отметить, что ВАХ идеального диода описывается следующим выражением:

Где:

I – ток насыщения.

— тепловой потенциал (е – элементарный заряд электрона, k – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура).

Однако, в жизни, как известно, не все так просто и приходится постоянно напрягать свой мозг. ВАХ реального диода несколько отличается.

Рисунок 2 — ВАХ реального диода.

Первое отличие – разное напряжение открывания диода (U), в зависимости от используемого материала полупроводника. Для кремния (Si) оно составляет примерно 0.7 В; для германия (Ge) – 0.3 В.

Второе отличие – другой вид обратной ветви, наличие пробоя p-n перехода.

Обычно выделяют участки электрического (А-Б) и теплового (Б-В) пробоя. Электрический пробой по своей сути нарушает лишь электрическую изоляцию областей p-n перехода, поэтому он является обратимым. Тепловой пробой напротив, нарушает физическую целостность p-n перехода, по сути, он просто выгорает, очевидно, что тепловой пробой является необратимым и приводит в негодность элемент.

Если Вам интересны причины пробоя, то следующий абзац для Вас.

Электрический пробой возникает из-за резкого возрастания обратного тока вследствие резкого уменьшения сопротивления запирающего слоя. Внимательный читатель тут же возразит: «как же так? Ведь увеличение обратного напряжения для p-n перехода вызывает увеличение геометрических размеров запирающего слоя, а, следовательно, и его сопротивления!». А объясняется это дело достаточно просто.

Реальность всегда придумывает Нам какие-либо сложности, поэтому в полупроводниках присутствуют два явления – лавинное размножение заряда и туннельный эффект, по названиям, которых и разделяют электрический пробой на лавинный и туннельный.

И если для понимания первого эффекта достаточно прочитать про его суть, то туннельный эффект является квантовым эффектом, и для его понимания просто необходимо напрячь свой мозг.

Лавинное размножение заряда происходит за счет явления ударной ионизации, суть которого состоит в том, что электроны, ускоряясь электрическим полем, приобретают энергию, достаточную для выбивания электронов из атомов кристаллической решетки полупроводника, которые в свою очередь, также ускоряются данным полем, и происходит так называемый «лавинный» процесс отрыва электронов от атомов электрическим полем. Результатом этих процессов является резкое увеличение проводимости, а, следовательно, уменьшение сопротивления запирающего слоя практически без изменения его геометрических размеров.

Туннельный эффект (в англоязычной литературе также известен как эффект Зенера) наиболее вероятен в p-n переходах малой толщины.

Суть его в том, что электроны, имеющие полную энергию меньше, чем высота энергетического барьера, таки проникают через этот энергетический барьер, в нашем случае — барьер p-n перехода, без изменения энергии, при таких напряжениях, когда зона проводимости в n-области имеет равные энергетические уровни с валентной зоной р-области.

Этот эффект является полностью квантовым и противоречит классической механике. В качестве упрощенного объяснения можно сказать следующее. Из решения уравнения Шредингера для задачи потенциального барьера, следует ненулевой коэффициент прозрачности барьера для частиц с энергией равной или менее высоты этого барьера.

Ну а чтобы устранить возможные логические трудности, можно вспомнить о соотношении неопределенностей (соотношение Гейзенберга), которое говорит о том, что если мы уменьшаем неопределенность в координате частицы, то увеличиваем неопределенность в импульсе, и наоборот. Следовательно, Мы не можем сказать достоверно, что частица, прошедшая барьер, действительно имела в момент прохождения определенную энергию.

Также нужно отметить, что туннельный эффект носит вероятностный характер, поэтому наибольшая вероятность его возникновения в p-n переходах с большой концентрацией примесей.

Тепловой пробой:

Тепловой пробой возникает, когда выделяемое на p-n переходе количество теплоты, создаваемое обратным током, превышает отводимое. Сопротивление полупроводника уменьшается с ростом температуры, следовательно, из-за снижения сопротивления p-n перехода, через него еще более возрастает протекающий ток и происходит тепловое разрушение p-n перехода.

Влияние температуры:

Так как дрейфовые процессы в полупроводнике играют не последнюю роль, то и температура может существенно изменить ВАХ p-n перехода и соответственно параметры диода.

Рисунок 3 — Влияние температуры на ВАХ диода.

Где:

— нормальная температура окружающей среды ();

— температура эксплуатации диода.

Емкость:

Так как p-n переход является границей раздела областей с различными типами проводимости, т.е. разно полярными зарядами, то вполне очевидно, что он имеет определенную величину электрической емкости. При обратном напряжении на переходе, запирающий слой, имеющий высокое сопротивление, играет роль диэлектрика.

В общем случае емкость диода состоит из барьерной и диффузионной.

Диффузионная емкость вызвана наличием разно полярных зарядов внутри полупроводника. Проявляется эта емкость при протекании значительного прямого тока.

Где:

– протекающий прямой ток через диод;

— эффективное время жизни неосновных носителей заряда;

— тепловой потенциал.

Барьерная емкость возникает из-за наличия неосновных носителей заряда, т.е. из-за того, что ток в полупроводнике может возникать не только при движении электронов, но и при движении дырок.

Где:

— емкость p-n перехода при Т = 20 °С и Uобр. = 0 В;

— обратное напряжение на диоде;

— контактная разность потенциала p-n перехода (для Si – 0.9-1.2 В; для Ge – 0.6-0.7 В);

— коэффициент распределения примесей в полупроводнике (0.5 для ступенчатого распределения; 0.3 для линейного).

Источник: https://electronov.net/info-part/index/active-elements/diode/

Применение диодов

Диоды являются одними из самых распространенных электронных компонентов. Они присутствуют практически во всех электронных приборах, которые мы ежедневно используем – от мобильного телефона до его зарядного устройства. В этой статье рассмотрим основные типы электронных схем, в которых диоды нашли свое применение.

1. Нелинейная обработка аналоговых сигналов

В связи с тем, что диоды относятся к элементам нелинейного типа, они применяются в детекторах, логарифматорах, экстрематорах, преобразователях частоты и в других устройствах, в которых предполагается нелинейная обработка аналоговых сигналов.

В таких случаях диоды используют или как основные рабочие приборы – для обеспечения прохождения главного сигнала, или же в качестве косвенных элементов, например в цепях обратной связи.

Указанные выше устройства значительно отличаются между собой и используются для разных целей, но применяемые диоды в каждом из них занимают очень важное место.

2. Выпрямители

Устройства, которые используются для получения постоянного тока из переменного называются выпрямителями. В большинстве случаев они включают в себя три главных элемента – это силовой трансформатор, непосредственно выпрямитель (вентиль) и фильтр для сглаживания. Диоды применяют в качестве вентилей, так как по своим свойствам они отлично подходят для этих целей.

3. Стабилизаторы

Устройства, которые служат для реализации стабильности напряжения на выходе источников питания, называются стабилизаторами. Они бывают разных видов, но каждый из них предполагает применение диодов. Эти элементы могут использоваться либо в цепях, отвечающих за опорные напряжения, либо в цепях, которые служат для коммутации накопительной индуктивности.

4. Ограничители

Ограничители – это специальные устройства, используемые для того, чтобы ограничивать возможный диапазон колебания различных сигналов. В цепях такого типа широко применяются диоды, которые имеют прекрасные ограничительные свойства. В сложных устройствах могут использоваться и другие элементы, но большинство ограничителей базируются на самых обычных диодных узлах стандартного типа.

5. Устройства коммутации

Диоды нашли применение и в устройствах коммутации, которые используются для того, чтобы переключать токи или напряжения. Диодные мосты дают возможность размыкать или замыкать цепь, которая служит для передачи сигнала. В работе применяется некоторое управляющее напряжение, под воздействием которого и происходит замыкание или размыкание. Иногда управляющим может быть сам входной сигнал, такое бывает в самых простых устройствах.

6.Логические цепи

В логических цепях диоды применяются для того, чтобы обеспечить прохождение тока в нужном направлении (элементы «И», «ИЛИ»). Подобные цепи используются в схемах аналогового и аналогово-цифрового типа. Здесь перечислены только основные устройства, в которых применяются диоды, но существует и много других, менее распространенных.

Светодиоды

Светодиоды представляют собой полупроводниковые диоды, которые излучают свет при прохождении через них электрического тока. Они могут излучать разные цвета и делятся на такие типы — 3 мм, 5мм, 8мм, SMD 0603, Top type, мигающий диод, диод с резистором, Star PCB, Emitter.

В сравнении с традиционными лампами светодиоды обладают многими преимуществами – это экономичность, прочность, яркость света, долговечность, низкий нагрев в процессе работы. Что касается недостатков, то главным из них является цена, так как подобные приборы стоят достаточно дорого.

Рассмотрим различные виды светодиодных устройств, которые чаще всего применяются на практике.

1. Одиночные светодиоды

Подобные устройства широко используются в самой разной аппаратуре в качестве лампочек индикации, которые чаще всего свидетельствуют о том, включен или выключен прибор. Кроме того, они применяются для освещения различных небольших пространств, например в автомобилях.

2. 7’Segment

Технология Seven-Segment Display с использованием светодиодов применяется в электронных часах, в различных измерительных приборах и в других технических средствах, которые предполагают отображение цифровой информации на дисплее. В таких целях светодиоды используются еще с 1910 года, но они не потеряли своей актуальности и сейчас. 7’Segment позволяет отображать простейшие данные на дисплее самым простым способом и с низкими энергозатратами.

3. Матрица светодиодов

Светодиодная матрица представляет собой определенное количество светодиодов, которые размещаются на одной площадке. Главные характеристики таких устройств это яркость и размеры. Большое количество применяемых диодов позволяет добиться высоких показателей освещения. Устанавливаются подобные матрицы чаще всего в специальных плафонах, которые могут использоваться в различных местах, например в салоне автомобиля, в его бардачке или в багажнике.

4. LED телевизоры

LED телевизоры – это телевизоры, принцип работы которых основывается на использовании светодиодов. Они дают возможность добиться хорошего качества изображения и позволяют экономить на электроэнергии.

Благодаря небольшим размерам таких диодов, телевизионные экраны имеют значительно меньшую толщину, чем у традиционных моделей. Кроме того, подобные устройства характеризуются надежностью и достаточно большим сроком службы.

Все телевизоры, изготовленные по этой технологии, имеют боковую подсветку экрана и подсветку за матрицей.

Как видим, несмотря на свою простоту, диоды нашли применение в самых разнообразных технических областях, и без их использования работа многих устройств весьма проблематична. Следует заметить, что диоды находят и новые сферы применения.

Источник: http://hightolow.ru/diodeApplying.php

Введение в диоды и выпрямители

Диод – это электрическое устройство, которое позволяет току проходить через него в одном направлении с гораздо большей легкостью, чем в другом.

Наиболее распространенным типом диодов в современной схемотехнике является полупроводниковый диод, хотя существуют и другие диодные технологии. Условное обозначение полупроводниковых диодов на электрических схемах показано на рисунке ниже.

Термин «диод» обычно используется для небольших сигнальных устройств, I ≤ 1 А. Термин выпрямитель используется для мощных устройств, I > 1 А.

Условное графическое обозначение полупроводникового диода по ГОСТуЕще одно условное обозначение полупроводникового диода: стрелки показывают направление движения потока электронов

Если поместить диод в простую цепь между батареей и лампой, он либо разрешит, либо запретит протекание тока через лампу, в зависимости от полярности приложенного напряжения (рисунок ниже).

Работа диода: (a) Протекание тока допускается; диод смещен в прямом направлении. (b) Протекание тока запрещено; диод смещен в обратном направлении.

Когда полярность батареи такова, что электроны могут протекать через диод, то говорится, что на диод подано прямое смещение. И наоборот, когда батарея подключена «наоборот», и диод блокирует протекание тока, говорится, что на диод подано обратное смещение.

Диод может рассматриваться как выключатель: «замкнут» при прямом смещении и «разомкнут» при обратном смещении.

Как ни странно, направление «стрелки» на условном обозначении диода указывает в сторону, противоположную направлению потока электронов.

Это так потому, что условное обозначение было придумано инженерами, которые в основном используют традиционное обозначение тока на своих схемах, показывающее электрический ток, как поток зарядов от положительной (+) стороны источника напряжения к отрицательной (-) стороне.

Это соглашение справедливо для всех условных обозначений полупроводниковых приборов, обладающих «стрелками»: стрелка указывает в направлении, разрешенном для обычного тока, и противоположном направлению, разрешенному для потока электронов.

Поведение диода аналогично поведению гидравлического устройства, называемого обратным клапаном. Обратный клапан позволяет протекать потоку жидкости через него только в одном направлении (рисунок ниже).

Аналогия с гидравлическим обратным клапаном: (a) Поток электронов разрешен. (b) Поток электронов запрещен.

Обратные клапаны являются устройствами, управляемыми давлением: они открыты и разрешают поток, если давление через них имеет «полярность», правильную для открытия затвора (в показанной аналогии давление жидкости справа должно быть выше, чем слева).

Если давление соответствует противоположной «полярности», разница давлений через обратный клапан закроет и будет удерживать затвор так, что не будет никакого потока.

Как и обратные клапаны, диоды являются устройствами, управляемыми «давлением» (напряжением). Основная разница между прямым и обратным смещениями заключается полярности напряжения, падающего на диоде. Давайте подробнее рассмотрим показанную ранее простую схему, состоящую из батареи, диода и лампы. На этот раз изучив падения напряжения на различных компонентах (рисунок ниже).

Измерение напряжений на схеме с диодом: (a) Прямое смещение. (b) Обратное смещение.

Диод, смещенный в прямом направлении, проводит ток, и на нем падает небольшое напряжение, оставляя большую часть напряжения батареи на лампе. Если полярность батареи изменить, то на диод будет подано обратное смещение, и на нем будет падать всё напряжение батареи, не оставляя ничего для лампы.

Если мы рассмотрим диод как самостоятельный выключатель (замкнут в режиме прямого смещения и разомкнут в режиме обратного смещения), это поведение обретает смысл.

Наиболее существенная отличие от выключателя заключается в том, что в режиме пропускания тока на диоде падает гораздо большее напряжение по сравнению с обычным механическим выключателем (0,7 вольта против десятков милливольт).

Это падение напряжения при прямом смещении, демонстрируемое диодом, обусловлено действием обедненной области, образованной P-N переходом под действием приложенного напряжения. Если к полупроводниковому диоду не приложено никакое напряжение, существует тонкая обедненная область вокруг области P-N перехода, предотвращающая протекание тока (рисунок ниже (a)). Обедненная область почти лишена носителей заряда и действует как диэлектрик:

Представления диода: модель PN-перехода, условное обозначение, реальная радиодеталь

Условное обозначение диода показано на рисунке выше (b) таким образом, что анод (указывающий конец) соответствует полупроводнику P-типа на (a). Полоса катода, не указывающий конец, на (b) соответствует материалу N-типа на (a). Также отметим, что полоса на реальном компоненте (c) соответствует катоду на условном обозначении.

Если на P-N переход подается напряжение обратного смещения, это расширяет обедненную область, увеличивая сопротивление протеканию тока через диод (рисунок ниже).

Обедненная область расширяется при обратном смещении

И наоборот, если на P-N переход подано напряжение прямого смещения, обедненная область разрушается, становясь тоньше. Диод оказывает меньшее сопротивление протеканию через него тока. Для устойчивого протекания тока через диод, обедненная область в нем должна быть полностью разрушена приложенным напряжением. Для этого необходимо определенное минимальное напряжение, называемое прямым напряжением, как показано на рисунке ниже.

Увеличение прямого смещения от (a) до (b) уменьшает толщину обедненной области

Для кремниевых диодов типовое значение прямого напряжения составляет 0,7 вольта. Для германиевых диодов прямое напряжение составляет всего 0,3 вольта. На номинальное значение прямого напряжение диода влияет химический состав его P-N перехода, поэтому кремниевые и германиевые диоды обладают такими разными значениями прямого напряжения.

Прямое падение напряжения остается приблизительно постоянным в широком диапазоне токов, протекающих через диод, а это означает, что падение напряжения на диоде не похоже на падение напряжения на резисторе или даже обычном (замкнутом) выключателе.

Для наиболее упрощенного анализа схемы падение напряжения на диоде в режиме пропускания тока можно считать постоянным, равным номинальному значению и не связанным с величиной тока.

На самом деле, прямое падение напряжения является более сложным. Уравнение, приведенное ниже, описывает точный ток через диод, учитывая падение напряжения на переходе, температуру перехода и несколько физических констант. Это уравнение наиболее известно, как уравнение Шокли для диода:

\[I_D = I_S ( e{qV_D / NkT} — 1)\]

где

• ID – ток, проходящий через диод, в амперах;
• IS – ток насыщения диода, в амперах;
• e – постоянная Эйлера (~2,718281828);
• q – заряд электрона (1,6 × 10-19 кулона);
• VD – напряжение на диоде, в вольтах;
• N – коэффициент «неидеальности» или «эмиссии» (обычно равен от 1 до 2);
• k – постоянная Больцмана (1,38 × 10-23);
• T – температура перехода в Кельвинах.

Значение kT/q описывает напряжение, создаваемое внутри P-N перехода из-за воздействия температуры и называемое тепловым напряжением, или Vt, перехода. При комнатной температуре оно составляет примерно 26 милливольт. Зная это, и предполагая, что коэффициент «неидеальности» равен 1, мы можем упростить уравнение Шокли для диода и переписать его так:

\[I_D = I_S ( e{V_D / 0,026} — 1)\]

где

• ID – ток, проходящий через диод, в амперах;
• IS – ток насыщения диода, в амперах;
• e – постоянная Эйлера (~2,718281828);
• VD – напряжение на диоде, в вольтах.

Для анализа простых схем с диодами вам не нужно знать уравнение Шокли для диода. Просто знайте, что падение напряжение на диоде в режиме пропускания тока изменятеся с величиной протекающего через диод тока, но это изменение достаточно мало в широком диапазоне значений тока.

Именно поэтому многие учебники просто говорят, что падение напряжение на полупроводниковом диоде в режиме пропускания тока остается постоянным на уровне 0,7 вольта для кремниевых диодов и 0,3 вольта для германиевых диодов. Тем не менее, некоторые схемы намеренно используют свойственную P-N переходу экспоненциальную зависимость тока от напряжения и, таким образом, могут быть поняты только в контексте данного уравнения.

Кроме того, поскольку температура является одной из составляющих уравнения Шокли для диода, P-N переход с прямым смещением может быть также использован в качестве устройства, чувствительного к температуре, работа которого может быть понята только при понимании идеи этой математической связи.

Диод с обратным смещением предотвращает протекание через него тока, из-за расширенной обедненной области. В действительности, небольшой ток всё-таки может пройти и проходит через диод с обратным смещением. Данный ток называется током утечки и может быть проигнорирован в большинстве случаев.

Возможность диода выдерживать напряжения обратного смещения ограничено, как у любого диэлектрика. Если приложенное напряжение обратного смещения становится слишком большим, диод будет испытывать состояние, известное как пробой (рисунок ниже), которое обычно для диода разрушительно.

Значение максимального напряжения обратного смещения известно как максимальное обратное напряжение и может быть получено из данных, предоставляемых производителем.

Как и прямое напряжение, значение максимального обратного напряжения диода зависит от температуры; только отличие заключается в том, что максимальное обратное напряжение увеличивается с увеличением температуры и уменьшается при охлаждении диода – поведение, в точности противоположное поведению прямого напряжения.

Вольт-амперная характеристика диода, показывающая изгиб при 0,7 В прямого смещения для Si и пробой при обратном смещении.

Как правило, значение максимального обратного напряжения типового выпрямительного диода составляет не менее 50 вольт при комнатной температуре. Диоды со значениями максимального обратного напряжения в тысячи вольт также доступны.

Подведем итоги

• Диод представляет собой электрический компонент, действующий для тока, как односторонний клапан.
• Прикладывание к диоду напряжения таким образом, что диод начинает пропускать ток, называется прямым смещением.
• Прикладывание к диоду напряжения таким образом, что диод перестает пропускать ток, называется обратным смещением.
• Падение напряжение на проводящем диоде с прямым смещением называется прямым напряжением. Прямое напряжение диода лишь в незначительной степени зависит от изменений прямого тока и температуры и фиксируется с помощью химического состава P-N перехода.
• Кремниевые диоды имеют прямое напряжение около 0,7 вольт.
• Германиевые диоды имеют прямое напряжение около 0,3 вольт.
• Максимальное напряжение обратного смещения, которое диод може выдержать без «разрушения», называется максимальным обратным напряжением.

Оригинал статьи:

• Introduction to Diodes And Rectifiers

Теги

ДиодОбучениеЭлектроника

Источник: https://radioprog.ru/post/163

Полупроводниковый диод

Радиоэлектроника для начинающих

В самом начале радиотехники первым активным элементом была электронная лампа. Но уже в двадцатые годы прошлого века появились первые приборы доступные для повторения радиолюбителями и ставшие очень популярными. Это детекторные приёмники. Более того они выпускались в промышленном масштабе, стоили недорого и обеспечивали приём двух-трёх отечественных радиостанций работавших в диапазонах средних и длинных волн.

Именно в детекторных приёмниках впервые стал использоваться простейший полупроводниковый прибор, называемый вначале детектором и лишь позже получивший современное название – диод.

Диод это прибор, состоящий всего из двух слоёв полупроводника. Это слой “p”- позитив и слой “n”- негатив. На границе двух слоёв полупроводника образуется “p-n” переход. Анодом является область “p”, а катодом зона “n”. Любой диод способен проводить ток только от анода к катоду. На принципиальных схемах он обозначается так.

Как работает полупроводниковый диод

В полупроводнике “n” типа имеются свободные электроны, частицы со знаком минус, а в полупроводнике типа “p” наличествуют ионы с положительным зарядом, их принято называть «дырки». Подключим диод к источнику питания в обратном включении, то есть на анод подадим минус, а на катод плюс.

Между зарядами разной полярности возникает притяжение и положительно заряженные ионы тянутся к минусу, а отрицательные электроны дрейфуют к плюсу источника питания. В “p-n” переходе нет носителей зарядов, и отсутствует движение электронов. Нет движения электронов – нет электрического тока.

Диод закрыт.

При прямом включении диода происходит обратный процесс. В результате отталкивания однополярных зарядов все носители группируются в зоне перехода между двумя полупроводниковыми структурами. Между частицами возникает электрическое поле перехода и рекомбинация электронов и дырок. Через “p-n” переход начинает протекать электрический ток. Сам процесс носит название «электронно-дырочная проводимость». При этом диод открыт.

Возникает вполне естественный вопрос, как из одного полупроводникового материала удаётся получить структуры, обладающие различными свойствами, то есть полупроводник “n” типа и полупроводник “p” типа.

Этого удаётся добиться с помощью электрохимического процесса называемого легированием, то есть внесением в полупроводник примесей других металлов, которые и обеспечивают нужный тип проводимости. В электронике используются в основном три полупроводника. Это германий (Ge), кремний (Si) и арсенид галлия (GaAs).

Наибольшее распространение получил, конечно, кремний, так как запасы его в земной коре поистине огромны, поэтому стоимость полупроводниковых приборов на основе кремния весьма невысока.

При добавлении в расплав кремния ничтожно малого количества мышьяка (As) мы получаем полупроводник “n” типа, а легируя кремний редкоземельным элементом индием (In), мы получаем полупроводник “p” типа.

Присадок для легирования полупроводниковых материалов достаточно много.

Например, внедрение атомов золота в структуру полупроводника увеличивает быстродействие диодов, транзисторов и интегральных схем, а добавление небольшого числа различных примесей в кристалл арсенида галлия определяет цвет свечения светодиода.

Типы диодов и область их применения.

Семейство полупроводниковых диодов очень большое. Внешне они очень похожи за исключением некоторых групп, которые отличаются конструктивно и по ряду параметров. Наиболее распространены следующие модификации полупроводниковых диодов:

• Выпрямительные диоды. Предназначены для выпрямления переменного тока.
• Стабилитроны. Обеспечивают стабилизацию выходного напряжения.
• Диоды Шоттки. Предназначены для работы в импульсных преобразователях и стабилизаторах напряжения. Например, в блоках питания персональных компьютеров.
• Импульсные диоды отличаются очень высоким быстродействием и малым временем восстановления. Они применяются в импульсных блоках питания и в другой импульсной технике. К этой группе можно отнести и туннельные диоды.
• СВЧ диоды имеют определённые конструктивные особенности и работают в устройствах на высоких и сверхвысоких частотах.
• Диоды Ганна. Они предназначены для генерирования частот до десятков гигагерц.
• Лавинно-пролётные диоды генерируют частоты до 180 ГГц.
• Фотодиоды имеют миниатюрную линзу и управляются световым излучением. В зависимости от типа могут работать как в инфракрасном, так и в ультрафиолетовом диапазоне спектра.
• Светодиоды. Излучают видимый свет практически любой длины волны. Спектр применения очень широк. Рассматриваются как альтернатива электрическим лампам накаливания и других осветительных приборов.
• Твёрдотельный лазер так же представляет собой полупроводниковый диод. Спектр применения очень широк. От приборов военного назначения до обычных лазерных указок, которые легко купить в магазине. Его можно обнаружить в лазерных считывателях CD/DVD-плееров, а также лазерных уровнях (нивелирах), используемых в строительстве. Чтобы не говорили сторонники лазерной техники, как ни крути, лазер опасен для зрения. Так что, будьте внимательны при обращении с ним.

Также стоит отметить, что у каждого типа диодов есть и подгруппы. Так, например, среди выпрямительных есть и ультрабыстрые диоды. Могут называться как Ultra-Fast Rectifier, HyperFast Rectifier и т.п. Пример – ультрабыстрый диод с малым падением напряжения STTH6003TV/CW (аналог VS-60CPH03).

Это узкоспециализированный диод, который применяется, например, в сварочных аппаратах инверторного типа. Диоды Шоттки являются быстродействующими, но не способны выдерживать больших обратных напряжений, поэтому вместо них применяются ультрабыстрые выпрямительные диоды, которые способны выдерживать большие обратные напряжения и огромные прямые токи.

При этом их быстродействие сравнимо с быстродействием диодов Шоттки.

Параметры полупроводниковых диодов

Параметров у полупроводниковых диодов достаточно много и они определяются функцией, которую те выполняют в конкретном устройстве. Например, в диодах, генерирующих СВЧ колебания, очень важным параметром является рабочая частота, а также та граничная частота, на которой происходит срыв генерации. А вот для выпрямительных диодов этот параметр совершенно не важен.

В импульсных и переключающих диодах важна скорость переключения и время восстановления, то есть скорость полного открытия и полного закрытия. В мощных силовых диодах важна рассеиваемая мощность. Для этого их монтируют на специальные радиаторы. А вот диоды, работающие в слаботочных устройствах, ни в каких радиаторах не нуждаются.

Но есть параметры, которые считаются важными для всех типов диодов, перечислим их:

• U пр. – допустимое напряжение на диоде при протекании через него тока в прямом направлении. Превышать это напряжение не стоит, так как это приведёт к его порче.
• U обр. – допустимое напряжение на диоде в закрытом состоянии. Его ещё называют напряжением пробоя. В закрытом состоянии, когда через p-n переход не протекает ток, на выводах образуется обратное напряжение. Если оно превысит допустимое значение, то это приведёт к физическому «пробою» p-n перехода. В результате диод превратиться в обычный проводник (сгорит).Очень чувствительны к превышению обратного напряжения диоды Шоттки, которые очень часто выходят из строя по этой причине. Обычные диоды, например, выпрямительные кремниевые более устойчивы к превышению обратного напряжения. При незначительном его превышении они переходят в режим обратимого пробоя. Если кристалл диода не успевает перегреться из-за чрезмерного выделения тепла, то изделие может работать ещё долгое время.
• I пр. – прямой ток диода. Это очень важный параметр, который стоит учитывать при замене диодов аналогами или при конструировании самодельных устройств. Величина прямого тока для разных модификаций может достигать величин десятков и сотен ампер. Особо мощные диоды устанавливают на радиатор для отвода тепла, который образуется из-за теплового действия тока. P-N переход в прямом включении также обладает небольшим сопротивлением. На небольших рабочих токах его действие не заметно, но вот при токах в единицы-десятки ампер кристалл диода ощутимо нагревается. Так, например, выпрямительный диодный мост в сварочном инверторном аппарате обязательно устанавливают на радиатор.
• I обр. – обратный ток диода. Обратный ток – это так называемый ток неосновных носителей. Он образуется, когда диод закрыт. Величина обратного тока очень мала и его в подавляющем числе случаев не учитывают.
• U стаб. – напряжение стабилизации (для стабилитронов). Подробнее об этом параметре читайте в статье про стабилитрон.

Кроме того следует иметь в виду, что все эти параметры в технической литературе печатаются и со значком “max”. Здесь указывается предельно допустимое значение данного параметра. Поэтому подбирая тип диода для вашей конструкции необходимо рассчитывать именно на максимально допустимые величины.

» Радиоэлектроника для начинающих » Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

Источник: https://go-radio.ru/diod.html

2. Полупроводниковые диоды. Физические основы электроники. Курс лекций

2.1. Классификация

2.2. Выпрямительные диоды

2.3. Стабилитроны и стабисторы

2.4. Универсальные и импульсные диоды

2.5. Варикапы

2.1. Классификация

Классификация полупроводниковых диодов производится по следующим признакам:

• методу изготовления перехода: сплавные, диффузионные, планарные, точечные, диоды Шоттки и др.;

• материалу: германиевые, кремниевые, арсенидо-галлиевые и др.;

• физическим процессам, на использовании которых основана работа диода: туннельные, лавинно-пролетные, фотодиоды, светодиоды. диоды Ганна и др.;

• назначению: выпрямительные, универсальные, импульсные, стабилитроны, детекторные, параметрические, смесительные, СВЧ-диоды и др.

Некоторые из указанных типов диодов по назначению будут рассмотрены в настоящей главе, а другие — в соответствующих разделах.

2.2. Выпрямительные диоды

Выпрямительными обычно называют диоды, предназначенные для преобразования переменного напряжения промышленной частоты (50 или 400 Гц) в постоянное. Основой диода является обычный p-n переход. В практических случаях p-n переход диода имеет достаточную площадь для того, чтобы обеспечить большой прямой ток. Для получения больших обратных (пробивных) напряжений диод обычно выполняется из высокоомного материала.

Основными параметрами, характеризующими выпрямительные диоды, являются (рисунок 2.1):

• максимальный прямой ток Iпр max;

• падение напряжения на диоде при заданном значении прямого тока Iпр (Uпр » 0.30,7 В для германиевых диодов и Uпр » 0,81,2 В — для кремниевых);

• максимально допустимое постоянное обратное напряжение диода Uобр max ;

• обратный ток Iобр при заданном обратном напряжении Uобр (значение обратного тока германиевых диодов на два -три порядка больше, чем у кремниевых);

• барьерная емкость диода при подаче на него обратного напряжения некоторой величины;

• диапазон частот, в котором возможна работа диода без существенного снижения выпрямленного тока;

• рабочий диапазон температур (германиевые диоды работают в диапазоне -600°С, кремниевые — в диапазоне -60+150°С, что объясняется малыми обратными токами кремниевых диодов).

Рисунок 2.1

Выпрямительные диоды обычно подразделяются на диоды малой, средней и большой мощности, рассчитанные на выпрямленный ток до 0.3, от 0,3 до 10 и свыше 10 А соответственно.

Для работы на высоких напряжениях (до 1500 В) предназначены выпрямительные столбы, представляющие собой последовательно соединенные p-n переходы, конструктивно объединенные в одном корпусе. Выпускаются также выпрямительные матрицы и блоки, имеющие в одном корпусе по четыре или восемь диодов, соединенные по мостовой схеме выпрямителя и имеющие Iпр max до 1 А и Uo6p max до 600 В.

При протекании больших прямых токов Iпр и определенном падении напряжения на диоде Uпp B нем выделяется большая мощность. Для отвода данной мощности диод должен иметь большие размеры p-n перехода, корпуса и выводов. Для улучшения теплоотвода используются радиаторы или различные способы принудительного охлаждения (воздушное или даже водяное).

Среди выпрямительных диодов следует выделить особо диод с барьером Шотки. Этот диод характеризуется высоким быстродействием и малым падением напряжения (Uпp < 0,6 В). К недостаткам диода следует отнести малое пробивное напряжение и большие обратные токи.

2.3. Стабилитроны и стабисторы

Стабилитроном называется полупроводниковый диод, на обратной ветви ВАХ которого имеется участок с сильной зависимостью тока от напряжения (рисунок 2.2), т.е. с большим значением крутизны D I/D U (D I= Icт max — Iст min). Если такой участок соответствует прямой ветви ВАХ, то прибор называется стабистором.

Стабилитроны используются для создания стабилизаторов напряжения.

Напряжение стабилизации Uст равно напряжению электрического (лавинного) пробоя p-n перехода при некотором заданном токе стабилизации Iст (рисунок ). Стабилизирующие свойства характеризуются дифференциальным сопротивлением стабилитрона rд = D U/D I, которое должно быть возможно меньше.

К параметрам стабилитрона относятся: напряжение стабилизации Ucт, минимальный и максимальный токи стабилизации Iст min Iст max.

Промышленностью выпускаются стабилитроны с параметрами: Ucт от 1,5 до 180 В, токи стабилизации от 0,5 мА до 1,4 А.

Выпускаются также двуханодные стабилитроны, служащие для стабилизации разнополярных напряжений и представляющие собой встречно включенные p-n переходы.

Рисунок 2.2

2.4. Универсальные и импульсные диоды

Они применяются для преобразования высокочастотных и импульсных сигналов. В данных диодах необходимо обеспечить минимальные значения реактивных параметров, что достигается благодаря специальным конструктивно-технологическим мерам.

Одна из основных причин инерционности полупроводниковых диодов связана с диффузионной емкостью. Для уменьшения времени жизни t используется легирование материала (например, золотом), что создает много ловушечных уровней в запрещенной зоне, увеличивающих скорость рекомбинации.

Разновидностью универсальных диодов является диод с короткой базой. В таком диоде протяженность базы меньше диффузионной длины неосновных носителей.

Следовательно, диффузионная емкость будет определяться не временем жизни неосновных носителей в базе, а фактическим меньшим временем нахождения (временем пролета).

Однако осуществить уменьшение толщины базы при большой площади p-n перехода технологически очень сложно. Поэтому изготовляемые диоды с короткой базой при малой площади являются маломощными.

В настоящее время широко применяются диоды с p-i-n-структурой, в которой две сильнолегированные области p- и n-типа разделены достаточно широкой областью с проводимостью, близкой к собственной (i-область). Заряды донорных и акцепторных ионов расположены вблизи границ i-области. Распределение электрического поля в ней в идеальном случае можно считать однородным (в отличие от обычного p-n перехода).

Таким образом, i-область с низкой концентрацией носителей заряда, но обладающей диэлектрической проницаемостью можно принять за конденсатор, “обкладками” которого являются узкие (из-за большой концентрации носителей в p- и n-областях) слои зарядов доноров и акцепторов.

Барьерная емкость p-i-n диода определяется размерами i-слоя и при достаточно широкой области от приложенного постоянного напряжения практически не зависит

Особенность работы p-i-n диода состоит в том, что при прямом напряжении одновременно происходит инжекция дырок из p-области и электронов из n-области в i-область. При этом его прямое сопротивление резко падает.

При обратном напряжении происходит экстракция носителей из i-области в соседние области. Уменьшение концентрации приводит к дополнительному возрастанию сопротивления i области по сравнению с равновесным состоянием.

Поэтому для p-i-n диода характерно очень большое отношение прямого и обратного сопротивлений, что при использовании их в переключательных режимах.

В качестве высокочастотных универсальных используются структуры с Шотки и Мотта. В этих приборах процессы прямой проводимости определяются только основными носителями заряда. Таким образом, у рассматриваемых диодов отсутствует диффузионная емкость, связанная с накоплением и рассасыванием носителей заряда в базе, что и определяет их хорошие высокочастотные свойства.

Отличие барьера Мотта от барьера Шоттки состоит в том, что тонкий i-слой создан между металлом М и сильно легированным полупроводником n+, так что получается структура М-i-n. В высокоомном i-слое падает все приложенное к диоду напряжение, поэтому толщина обедненного слоя в n+-области очень мала и не зависит от напряжения. И поэтому барьерная емкость практически не зависит от напряжения и сопротивления базы.

Наибольшую рабочую частоту имеют диоды с барьером Мотта и Шоттки, которые в отличие от p-n-перехода почти не накапливают неосновных носителей заряда в базе диода при прохождении прямого тока и поэтому имеют малое время восстановления tВОСТ (около 100 пс).

Разновидностью импульсных диодов являются диоды с накоплением заряда (ДНЗ) или диоды с резким восстановлением обратного тока (сопротивления). Импульс обратного тока в этих диодах имеет почти прямоугольную форму (рисунок 4.2). При этом значение t1 может быть значительным, но t2 должно быть чрезвычайно малым для использования ДНЗ в быстродействующих импульсных устройствах.

Рисунок 2.3

Получение малой длительности t2 связано с созданием внутреннего поля в базе около обедненного слоя p-n-перехода путем неравномерного распределения примеси. Это поле является тормозящим для носителей, пришедших через обедненный слой при прямом напряжении, и поэтому препятствует уходу инжектированных носителей от границы обедненного слоя, заставляя их компактнее концентрироваться вблизи границы.

При подаче на диод обратного напряжения (как и в обычном диоде) происходит рассасывание накопленного в базе заряда, но при этом внутреннее электрическое поле уже будет способствовать дрейфу неосновных носителей к обедненному слою перехода.

В момент t1, когда концентрация избыточных носителей на границах перехода спадает до нуля, оставшийся избыточный заряд неосновных носителей в базе становится очень малым, а, следовательно, оказывается малым и время t2 спадания обратного тока до значения I0.

2.5. Варикапы

Варикапом называется полупроводниковый диод, используемый в качестве электрически управляемой емкости с достаточно высокой добротностью в диапазоне рабочих частот. В нем используется свойство p-n-перехода изменять барьерную емкость под действием внешнего напряжения (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4

Основные параметры варикапа: номинальная емкость Сн при заданном номинальным напряжением Uн (обычно 4 В), максимальное обратное напряжение Uобр max и добротность Q.

Для увеличения добротности варикапа используют барьер Шоттки; эти варикапы имеют малое сопротивление потерь, так как в качестве одного из слоев диода используется металл.

Основное применение варикапов – электрическая перестройка частоты колебательных контуров. В настоящее время существует несколько разновидностей варикапов, применяемых в различных устройствах непрерывного действия. Это параметрические диоды, предназначенные для усиления и генерации СВЧ-сигналов, и умножительные диоды, предназначенные для умножения частоты в широком диапазоне частот. Иногда в умножительных диодах используется и диффузионная емкость.

Источник: https://siblec.ru/radiotekhnika-i-elektronika/fizicheskie-osnovy-elektroniki/2-poluprovodnikovye-diody

Диоды (часть 1). 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.

https://www.youtube.com/watch?v=M5Yg0L4GHGY

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:

Источник: https://electrosam.ru/glavnaja/slabotochnye-seti/oborudovanie/diody/

Диодный мост

 Как работает диодный мост.                                                                                                         На следующем рисунке изображена принципиальная схема диодного моста. Обрати внимание, что на вход диодного моста подается переменный ток, на выходе уже получаем постоянный ток. Теперь давай разберемся как происходит преобразование переменного тока в постоянный.    

  Если ты читал мою статью “Что такое переменный ток” ты должен помнить, что переменный ток меняет свое направление с определенной частотой. Проще говоря, на входных клеммах диодного моста, плюс с минусом будут меняться местами с частотой сети (в России эта частота составляет 50 Герц), значит (+) и (–) меняются местами 50 раз в секунду.

                                                                                                                       Допустим в первом цикле на клемме “А” будет положительный потенциал (+) на клемме “Б”отрицательный (–) . Плюс от клеммы “А” может пройти только в одном направлении по красной стрелке, через диод “Д1” на выходную клемму со знаком (+)  и далее через резистор (R1)  через диод “Д3” на минус клеммы  “Б”.

                                         В следующем цикле когда плюс и минус поменяются местами, все произойдет с точностью до наоборот. Плюс с клеммы “Б” через диод “Д2” пройдет на выходную клемму со знаком (+)  и далее через резистор (R1)  через диод “Д4” на минус клеммы “А”.

Таким образом получаем на входе выпрямителя постоянный электрический ток который движется только в одном направлении от плюса к минусу (как в обычной батарейке). Этот способ преобразования переменного тока в постоянный используется во всех электронных устройствах которые питаются от электрической сети 220Вольт.

                                                                                                                                  Кроме диодных мостов собранных из отдельных диодов применяют электронные компоненты в которых для удобства монтажа выпрямительные диоды заключены в один компактный корпус. Такое устройство называют “диодная сборка”.

Диоды бывают не только выпрямительные. Есть диоды проводимость которых зависит от освещенности их называют “фотодиоды”  обозначаются они так –

Выглядеть могут так —

Светодиоды, тебе хорошо известны, они встречаются и в елочной гирлянде и в мощных прожекторах и фарах автомобилей. Н схеме они обозначаются так –

 Выглядят светодиоды так —

Как проверить диод

Проверить диод можно обычным мультиметром – как пользоваться мультиметром в этой статье, для проверки переключаем тестер в режим прозвонки. Подключаем щупы прибора к электродам диода, черный щуп к катоду

(на корпусах современных диодах катод обозначен кольцевой меткой), красный щуп подключаем к аноду (как ты уже знаешь диод пропускают напряжение только в одну сторону) сопротивление диода будет маленьким т.е. цифры на приборе будут иметь  значение большое значение.  

Переключаем щупы прибора наоборот —

                                                                             сопротивление будет очень большим практически бесконечным. Если у тебя все получится так как я написал, диод исправен, если в обоих случаях сопротивление очень большое значит “диод  в обрыве” неисправен и не пропускает напряжение вообще, если сопротивление очень маленькое значит диод пробит и пропускает напряжение в обоих направлениях.

 Как проверить диодный мост

 Если диодный мост собран из отдельных диодов, каждый диод проверяют отдельно, как было описано выше. Выпаивать каждый диод из схемы не обязательно, но лучше отключить плюсовой или минусовой вывод выпрямителя от схемы. 

 Если нужно проверить диодную сборку, где диоды находятся в одно корпусе и добраться до них невозможно, поступаем следующим образом,

 Подключаем один щуп мультимерта к плюсу диодной сборки, а вторым поочередно касаемся к выводам сборки куда подается переменный ток.

В одном направлении прибор должен показать малое сопротивление при смене щупов в обратном направлении очень большое сопротивление. После чего также проверяем выпрямитель относительно минусового выхода.

Если при измерении показания в обоих направления будут малыми или большими диодная сборка неисправна. Этот способ проверки применяют, когда проводится ремонт электроники.

 Высокочастотные диоды, импульсные, туннельные, варикапы все эти диоды широко применяются в бытовой и специальной аппаратуре. Для того, чтобы понять и разобраться, как правильно применять и где какие использовать диоды, необходимо совершенствовать свои знания изучать специальную литературу и конечно не стесняться задавать вопросы.

Источник: http://slojno.net/chto-takoe-diod/