Диод как работает: Принцип работы полупроводникового диода

виды, как работает и область применения

Диод представляет собой простой полупроводниковый прибор, который нашел широкое применение в технике. Не каждый человек знает, что такое диод, и еще меньшее количество людей точно представляет себе принцип работы изделия.

• Устройство и принцип работы
• Основные виды
• Область применения

При этом существует большое количество разновидностей этого прибора, о которых стоит знать всем, кто интересуется радиоэлектроникой.

Устройство и принцип работы

Если понять, как работает диод, то разобраться в устройстве этого полупроводникового прибора будет довольно просто. Основу детали составляет токовый переход, соединенный с двумя контактами (положительным — анодом и отрицательным — катодом). При прямом включении напряжения открывается переход, сопротивление которого небольшое. В результате через изделие проходит ток, называемый прямым.

Если же при включении детали в схему изменить полярность, то сопротивление участка перехода резко возрастет, а показатель электротока будет стремиться к нулю.

Такое напряжение принято называть обратным.

Современные диоды имеют принципиальное отличие от первых моделей, активно используемых во время радиоламп. В полупроводниковых радиодеталях токовый переход изготавливается из кремния или германия и носит название р-n-переход. Основное различие между этими материалами заключается в показателях прямого напряжения, при которых происходит открытие.

Так как полупроводниковый кристалл может эффективно работать в любых условиях, то необходимость создания особой среды исчезла.

В ламповых устройствах для этого в колбу закачивался специальный газ либо создавался вакуум. В результате современные изделия имеют небольшие габариты, а стоимость их производства значительно снизилась.

Основные виды

Диоды принято классифицировать по нескольким параметрам. В зависимости от рабочих частот, они могут быть низко-, высокочастотными, а также способными функционировать в условиях сверхвысоких частот. Также существует деление и в соответствии с конструктивными особенностями, где можно выделить следующие виды диодов:

• Диод Шоттки — вместо привычного p-n-перехода используется металл. С одной стороны, это позволяет добиться минимальных потерь напряжения при прямом включении. Однако с другой при высоком обратном токе, изделие быстро выходит из строя.
• Стабилитрон — позволяет стабилизировать напряжение.
• Стабистор — отличается от стабилитрона меньшей зависимостью напряжения от тока.
• Диод Гана — лишен p — n -перехода, вместо которого используется особый кристалл. Используется для работы в диапазоне сверхвысоких частот.
• Варикап — представляет собой сочетание диода с конденсатором. Емкость изделия зависит от обратного напряжения в области p — n -перехода, а применяется он при создании колебательных контуров.
• Фотодиод — попадание светового потока на токовый переход приводит к созданию в нем разности потенциалов. Если замкнуть в этот момент цепь, то в ней появится ток.
• Светодиод — при достижении определенного показателя тока в p — n -переходе, устройство начинает излучать световой поток.

Область применения

Сфера использования этих деталей в современной радиотехнике высока. Сложно найти устройство, которое работает без этих деталей. Чтобы понять, для чего нужен диод, можно привести несколько примеров:

• Диодные мосты — содержат от 4 до 12 полупроводниковых устройств, которые соединяются между собой. Основной задачей диодных мостов является выпрямление тока, и они активно используются, например, при создании генераторов для автомобилей.
• Детекторы — создаются при сочетании диодов и конденсаторов. В результате появляется возможность выделить низкочастотную модуляцию из различных сигналов. Применяются при изготовлении радио- и телеприемников.
• Защитные устройства — позволяют обезопасить электрическую схему от возможных перегрузок. Несколько изделий подключаются в обратном направлении. Когда схема работает нормально, то они остаются в закрытом положении. Как только входное напряжение достигает критических показателей, устройство активируются.
• Переключатели — такие системы на основе этих изделий позволяют осуществлять коммутацию высокочастотных сигналов.
• Системы искрозащиты — создание шунт-диодного барьера позволяет ограничить показатель напряжения в электроцепи. Для увеличения степени защиты вместе с полупроводниковыми деталями используются специальные токоограничивающие резисторы.

Это лишь несколько примеров использования диодов. Они являются достаточно надежными устройствами, с помощью которых можно решать большое количество задач. Чаще всего эти радиодетали выходят из строя по причине естественного старения либо из-за перегрева.

Если произошел электрический пробой изделия, то его последствия редко являются необратимыми, так как кристалл не разрушается.

Полупроводниковый диод – устройство и принцип действия

“06” декабря 2021 г.

Принцип действия диода заключается в способности пропускать ток в определенном направлении.

Устройство диода подразумевает наличия в нем двух зон:

• анода “+”;
• катода “-“.

По физическим принципам, положенным в основу работы диодов их можно разделить на:

• полупроводниковые;
• вакуумные.

Для первого типа рабочей средой является полупроводниковый материал с различными добавками, например, кремний или германий.

В вакуумных ток возникает за счет эмиссии электронов с катода, все процессы происходят, извините за тавтологию, в вакууме. В настоящее время практически везде применяются полупроводниковые диоды.

Устройство и принцип работы будет рассмотрен на примере выпрямительного диода (есть и другие типы, но этот встречается чаще).

Обозначение полупроводникового диода (рис.1а).

Анод на схеме условно обозначается треугольником, катод – поперечной чертой, проходящей через вершину и параллельной основанию.

Само обозначение способно подсказать порядок подключения: треугольник вершиной смотрит в направлении прямого тока. Направление тока принято считать от “плюса” к “минусу”.

ВИДЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ДИОДА

Прямое.

Прямым включением считается подключение “+” к аноду (рис. 1б). При этом основными являются такие характеристики как прямые ток Iпр и напряжение Uпр.

Кстати, Uпр – это падение напряжения на диоде, оно достаточно стабильно и для большинства кремниевых исполнений составляет 0,7-1,2 В. Подробнее про это поговорим при рассмотрении вольт амперной характеристики (ВАХ).

Ток же определяется сопротивлением нагрузки и характеризуется номинальным и максимально допустимым значениями.

Первый – это рабочий, при превышении второго диод выходит из строя. Это называется “пробой”. При пробое полупроводниковый прибор утрачивает свойство односторонней проводимости и ток через него может течь в любом направлении.

Различают два вида пробоя:

• электрический;
• тепловой.

Электрический пробой обратим и при снижении тока до нормальных значений работоспособность восстанавливается.

При тепловом устройство идет “на выброс”. Электрический пробой по истечении определенного времени может перейти в тепловой. Кстати, выход диода из строя в результате теплового пробоя происходит за счет перегрева кристалла и изменения его свойств.

Обратное.

При обратном включении на анод подается “минус”, а на катод “плюс” (рис.1в).

Ток и напряжение, характеризующие этот режим работы называют обратными. В этом случае ток Iобр достаточно мал (доли миллиампер), а напряжение может изменяться в широких пределах, поскольку прикладывается оно с внешней стороны и все зависит от нас, сколько мы туда “закачаем”.

Но при достижении максимального значения обратного напряжения, определяемого характеристиками диода опять же происходит пробой.

ВОЛЬТ АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИОДА

Вольт амперная характеристика показывает зависимость ток от напряжения на выводах полупроводникового диода.

Она индивидуальная и зависит не только от назначения (технологии) прибора (выпрямительные, туннельные, Шоттки и т.д.), но и от его типа в пределах функционального назначения. Например, разные типы выпрямительных диодов будут иметь, пусть отличающиеся ВАХ.

Поэтому представленная на рис.2 характеристика предназначена исключительно для иллюстрации принципа действия диода.

Правый верхний квадрант иллюстрирует работу в прямом подключении, левый нижний – в обратном.

Обратите внимание на несколько характерных точек.

Напряжение открытия Uотк.

Это уже упоминавшиеся 07-1,2 Вольта. Пока напряжение не достигнет этой величины ток, даже в прямом включении будет мал.

После открывания значительный рост тока заметного влияния на увеличения напряжения на диоде не оказывает.

Ток пробоя Iпр.

В этой точке происходит электрический пробой и диод перестает работать в штатном режиме.

В принципе про это написано выше, так что я просто конспективно остановлюсь на этих характеристиках применительно к графику.

Напряжение пробоя Uпроб.

Обратное напряжение, вызывающее выход полупроводникового диода из строя. Обратите внимание, до достижения этого значения обратный ток увеличивается незначительно, а потом нарастает лавинообразно.

Итак, здесь рассмотрены только основные характеристики, определяющие принцип работы.

Существует еще множество других: температурные, частотные и пр., но это уже относится к области углубленного изучения вопросов применения полупроводниковых диодов для различных схемотехнических решений.

Для построения и реализации простых задач приведенной информации начинающему будет достаточно. В качестве примера давайте покажу реальную схему.

ПРОСТАЯ СХЕМА НА ПОЛУПРОВОДНИКОВОМ ДИОДЕ

Представьте, что имеется какое то устройство с питанием от батареек, например, радиоприемник. Для их экономии при наличии поблизости электрической сети хотелось бы подключать внешний блок питания.

Задача:

при отсутствии штатной возможности реализовать автоматический переход на внешний блок при его подключении и наоборот – переключение на питание от батарей при отключении адаптера.

Схема проста до смешного (рис.3).

Первоначально имеем приемник (ПР) и элемент питания (GB) – рис. 3а.

В разрыв цепи питания (А-Б) ставим диод (любой выпрямительный на напряжение не меньше 20 В и ток, например, 100 мА).

В точке Б подключаем разъем для подачи “+” с блока питания (БП), минус подключаем на общий провод “0”. Напряжение блока питания и батарей должны быть одинаковы. Получаем схему рис. 3б.

Как это работает.

При отсутствии внешнего напряжения диод находится в открытом состоянии и ток от встроенных элементов поступает на приемник. Обратите внимание, на диоде мы при этом потеряем 0,7-1,2 Вольта – кто внимательно читал статью вопросов иметь не должен.

Как правило, такая потеря на работоспособности приемника не сказывается.

При подключении внешнего блока напряжение в точке Б становится равным 9 В, так же как и в точке А. Диод закрывается, так как не обеспечивается необходимое напряжение открывания (см. ВАХ). Батареи отключаются, питание поступает с адаптера.

Отключите его – диод откроется и подключит батарею, принцип прост.

Кстати, таким образом можно реализовать автоматический переход на резервное питание любого слаботочного устройства. При пропадании сетевого напряжения блок отключится и питание пойдет от резервного источника GB.

Недостаток только один – данная схема не обеспечивает автоматическую подзарядку, если в качестве резерва используется аккумулятор.

  *  *  *

© 2014-2023 г.г. Все права защищены.
Материалы сайта имеют ознакомительный характер, могут выражать мнение автора и не подлежат использованию в качестве руководящих и нормативных документов.

Как работает обратноходовой диод?

Обратный диод — это диод, подключенный к катушке индуктивности. Он имеет обратную полярность от источника питания и используется для устранения обратного хода. Он используется в схемах, в которых индуктивные нагрузки управляются переключателями, а также в импульсных источниках питания и инверторах. У этого диода также есть много других названий, таких как демпферный диод, коммутирующий диод, диод свободного хода, супрессорный диод, фиксирующий диод или улавливающий диод.

Всплески напряжения — это быстрые кратковременные скачки напряжения в электрической цепи. Обратный ход происходит, когда происходит резкий скачок напряжения на индуктивной нагрузке, когда ток питания резко уменьшается или прерывается. Обратный ход происходит за счет электромагнитной индукции. Подобно тому, как конденсаторы сопротивляются изменениям падения напряжения, потребляя ток от источника изменения напряжения или подавая ток к нему, катушки индуктивности противодействуют изменениям тока, проходящего через них, индуцируя напряжение, пропорциональное скорости изменения тока. Размыкание переключателя на рисунке 1 приводит к коллапсу магнитного поля в индукторе, но этот процесс требует времени, поскольку индуктор сопротивляется резкому падению тока.

Рис. 1: (a) Замкнутая цепь индуктора и (b) Разомкнутая цепь индуктора.

Изменяющееся магнитное поле через катушку с проводом индуцирует ЭДС в катушке, которая, в свою очередь, вызывает протекание тока даже после размыкания переключателя. Точно так же, как требуется время для накопления энергии в катушке индуктивности, также требуется время, чтобы расходовать эту энергию. Следовательно, индуктор должен рассеивать этот ток со скоростью, соответствующей его постоянной времени. Постоянная времени катушки индуктивности ограничивает скорость изменения тока, определяемую как τ = 9.0008 L/R , где L — индуктивность в Генри, а R — сопротивление в цепи. В этом случае нас интересует, как быстро рассеивается ток после отключения катушки индуктивности.

Рис. 2: Кривая рассеяния тока дросселя.

Как показано на рис. 2, для уменьшения тока с 99 % до 37 % потребуется τ. Чтобы перейти от 99% к 13,5%, потребуется 2τ. В целом, для полной остановки потока тока после размыкания переключателя потребуется в общей сложности около 5τ. Отключение переключателя создает внезапное изменение магнитного потока через индуктор, который, в свою очередь, индуцирует напряжение на индукторе, когда он пытается рассеять ток в соответствии со своей кривой рассеяния.

С момента размыкания переключателя индуктор воспринимает открытый промежуток переключателя как очень большой резистор (~МОм), замыкающий цепь для протекания тока. Затем индуктор попытается рассеять ток, сбрасывая напряжение на сопротивлении воздушного зазора, изменив его полярность и действуя как источник, используя свою собственную энергию в виде накопленного магнитного поля. Согласно закону Ома, умножение даже самого маленького тока на большое сопротивление приведет к огромному напряжению. Чтобы достичь такого большого падения напряжения, катушка индуктивности будет использовать оставшуюся часть накопленной энергии для создания очень большого отрицательного потенциала на одной стороне резистора зазора. Индуктор делает это так, чтобы ток протекал в соответствии с кривой рассеяния, что в конечном итоге вызывает всплеск напряжения обратного хода.

Рисунок 3: Всплеск напряжения обратного хода.

Поскольку в месте размыкания переключателя нет физического резистора, между переключателем и другой клеммой, где существует большая разность потенциалов, будут возникать искры/дуги. Вся энергия дуги обычно отводится через контакты выключателя в виде тепла. Это может привести к необратимому повреждению или резкому сокращению срока службы коммутаторов. Эти переключающие устройства могут быть механическими переключателями или полупроводниковыми переключателями, такими как транзисторы. Проще говоря, обратноходовое напряжение может вызвать электрические помехи и повредить другие компоненты схемы.

Для предотвращения больших скачков напряжения обратноходовой диод подключается через катушку индуктивности с обратной полярностью к источнику питания. Когда источник питания подключен, диод будет смещен в обратном направлении и не будет присутствовать в цепи. Когда питание отключено, полярность напряжения катушки индуктивности инвертируется, и между катушкой индуктивности и диодом образуется токовая петля; диод смещается в прямом направлении.

Рис. 4. Обратный диод, подключенный параллельно катушке индуктивности.

Диод перенаправляет ток с минимальным сопротивлением и предотвращает накопление обратного напряжения, отсюда и название обратноходового диода. Обратный диод не предотвращает передачу скачка напряжения на какую-либо последующую нагрузку. Вместо этого он обеспечивает путь с низким сопротивлением, который перенаправляет ток, так что всплеск напряжения на последующей нагрузке будет намного ниже. Обратный диод заставит индуктор потреблять ток от себя в виде петли, пока вся энергия не рассеется в проводах и диоде.

• Диод (11)
• Полупроводник (19)

Как работает диод? (Часть 2 – Прямое смещение) -…

Опубликовано 10 июля 2019 г.

В нашем обсуждении p-n-перехода мы упоминали, что p-n-переход является основой для диодов. Диоды являются одним из наиболее широко используемых устройств в электронике, и они способны проводить ток в одном направлении при прямом смещении и блокировать его в другом направлении при обратном смещении. В этом уроке мы собираемся обсудить базовую структуру диода и научиться работать с ним в условиях прямого смещения.

Базовая структура диода

Полупроводниковый диод представляет собой устройство с двумя выводами, половина которого легирована как p-область, а другая половина легирована как n-область. Между p- и n-областями находятся pn-переход и обедненная область. Область p называется анодом, а область n называется катодом, и каждая из них подключена к проводящему выводу.

Прямое смещение

Смещение в основном означает подачу постоянного напряжения на электронный компонент, и, как упоминалось ранее, диод может быть смещен в прямом или обратном направлении. В условиях прямого смещения ток может проходить через p-n-переход. Но одним из требований к прямому смещению диода является то, что отрицательная сторона внешнего напряжения смещения должна быть подключена к катоду или n-области диода, а положительная сторона внешнего напряжения смещения — к аноду или p-области. Второе требование заключается в том, что внешнее напряжение смещения должно быть больше потенциала барьера. Когда эти два требования выполнены, диод смещен в прямом направлении.

Теперь, когда диод смещен в прямом направлении, отрицательная сторона внешнего напряжения смещения выталкивает основные носители в n-области, то есть свободные электроны, к pn-переходу. Он также обеспечивает непрерывный поток электронов в n-область через внешнее соединение или проводник. Движение свободных электронов здесь называется электронным током.

С помощью внешнего напряжения смещения свободные электроны теперь могут преодолеть барьерный потенциал обедненной области и перейти в р-область. Внешнее напряжение смещения обеспечивает достаточно энергии, но поскольку для преодоления барьерного потенциала требуется так много энергии, как только свободные электроны проходят через переход, они немедленно соединяются с дырками в валентной зоне и становятся валентными электронами. Затем после этого эти валентные электроны начинают двигаться к левому концу р-области, потому что они притягиваются к положительной стороне внешнего напряжения смещения. Дырки в p-области становятся путем для валентных электронов. По мере того как валентные электроны движутся влево, дырки, являющиеся основными носителями в р-области, также перемещаются вправо к переходу. Это движение дырок можно рассматривать как дырочный ток, или мы можем также думать, что дырочный ток возникает из-за того, что дырки обеспечивают путь, по которому валентные электроны могут двигаться через р-область.

Когда валентные электроны покидают р-область и проходят через внешнее соединение или проводник, они оставляют дырки в р-области. Таким образом, существует постоянное наличие дырок, движущихся к p-n-переходу. Валентные электроны также немедленно превращаются в свободные электроны, потому что, как мы обсуждали в нашем предыдущем уроке, электрону в проводнике почти не требуется энергии, чтобы перепрыгнуть из валентной зоны в зону проводимости, поскольку валентная зона и зона проводимости в проводнике перекрывается.

Влияние прямого смещения на обедненную область

Итак, что происходит с обедненной областью, когда мы смещаем диод в прямом направлении? Чем больше электронов и дырок поступает в обедненную область, тем меньше положительных и отрицательных зарядов. Поскольку область обеднения образовалась из-за двух слоев положительных и отрицательных зарядов, уменьшение числа положительных и отрицательных зарядов приводит к сужению области обеднения.

Влияние барьерного потенциала при прямом смещении

Когда диод смещен в прямом направлении, внешнее напряжение смещения обеспечивает энергией свободные электроны, чтобы они могли преодолеть барьерный потенциал. Теперь эти электроны отдают количество энергии, равное потенциалу барьера, когда они пересекают обедненную область. В результате будет падение напряжения на p-n переходе, которое обычно составляет около 0,7 В, и дополнительное падение напряжения из-за внутреннего сопротивления. Внутреннее сопротивление называется динамическим сопротивлением и обычно игнорируется, поскольку оно очень мало. Вы заметите это падение напряжения из-за барьерного потенциала, когда начнете работать с диодами.

Энергетическая диаграмма в условиях прямого смещения

С точки зрения энергетической диаграммы прямое смещение диода увеличивает плотность электронов в зоне проводимости его n-области. Мы увидим, что энергетические уровни валентной зоны и зоны проводимости в n-области повышены, позволяя свободным электронам пересекать соединение. Ключом к пониманию этого является то, что электроны хотят двигаться вниз, а дырки хотят двигаться вверх. Таким образом, подталкивая n-область сильнее, электроны могут «упасть» в валентную зону или, если они обладают достаточной энергией, могут двигаться прямо в зону проводимости материала p-типа.