Опишите устройство полупроводникового диода: Полупроводниковый диод: применение, принцип работы, типы

Принцип работы полупроводникового диода

Полупроводниковые диоды: виды,  характеристики, принцип работы

Для контроля направления электрического тока необходимо применять разные радио и электро детали.

В частности, современная электроника использует с такой целью полупроводниковый диод, его применение обеспечивает ровный ток.

Устройство

Полупроводниковый электрический диод или диодный вентиль – это устройство, которое выполнено из полупроводниковых материалов (как правило, из кремния) и работает только с односторонним потоком заряженных частиц.

Основным компонентом является кристаллическая часть, с p-n переходом, которая подключена к двум электрическими контактами.

Трубки вакуумного диода имеют два электрода: пластину (анод) и нагретый катод.

Принцип работы диодов

Диод является одной из разновидностей приборов, сконструированных на полупроводниковой основе. Обладает одним p-n переходом, а также анодным и катодным выводом.

В большинстве случаев он предназначен для модуляции, выпрямления, преобразования и иных действий с поступающими электрическими сигналами.

Принцип работы:

1. Электрический ток воздействует на катод, подогреватель начинает накаливаться, а электрод испускать электроны.
2. Между двумя электродами происходит образование электрического поля.
3. Если анод обладает положительным потенциалом, то он начинает притягивать электроны к себе, а возникшее поле является катализатором данного процесса. При этом, происходит образование эмиссионного тока.
4. Между электродами происходит образование пространственного отрицательного заряда, способного помешать движению электронов. Это происходит, если потенциал анода оказывается слишком слабым. В таком случае, частям электронов не удается преодолеть воздействие отрицательного заряда, и они начинают двигаться в обратном направлении, снова возвращаясь к катоду.
5. Все электроны, которые достигли анода и не вернулись к катоду, определяют параметры катодного тока. Поэтому данный показатель напрямую зависит от положительного анодного потенциала.
6. Поток всех электронов, которые смогли попасть на анод, имеет название анодный ток, показатели которого в диоде всегда соответствуют параметрам катодного тока. Иногда оба показателя могут быть нулевыми, это происходит в ситуациях, когда анод обладает отрицательным зарядом. В таком случае, возникшее между электродами поле не ускоряет частицы, а, наоборот, тормозит их и возвращает на катод. Диод в таком случае остается в запертом состоянии, что приводит к размыканию цепи.

//www.youtube.com/embed/NqCaJhS0HGU?feature=oembed&wmode=opaque

Устройство

Ниже приводится подробное описание устройства диода, изучение этих сведений необходимо для дальнейшего понимания принципов действия этих элементов:

1. Корпус представляет собой вакуумный баллон, который может быть изготовлен из стекла, металла или прочных керамических разновидностей материала.
2. Внутри баллона имеется 2 электрода. Первый является накаленным катодом, который предназначен для обеспечения процесса эмиссии электронов. Самый простейший по конструкции катод представляет собой нить с небольшим диаметром, которая накаливается в процессе функционирования, но на сегодняшний день более распространены электроды косвенного накала. Они представляют собой цилиндры, изготовленные из металла, и обладающие особым активным слоем, способным испускать электроны.
3. Внутри катода косвенного накала имеется специфический элемент – проволока, которая накаливается под воздействием электрического тока, она называется подогреватель.
4. Второй электрод является анодом, он необходим для приема электронов, которые были выпущены катодом. Для этого он должен обладать положительным относительно второго электрода потенциалом. В большинстве случаев анод также имеет цилиндрическую форму.
5. Оба электрода вакуумных приборов полностью идентичны эмиттеру и базе полупроводниковой разновидности элементов.
6. Для изготовления диодного кристалла чаще всего используется кремний или германий. Одна из его частей является электропроводимой по p-типу и имеет недостаток электронов, который образован искусственным методом. Противоположная сторона кристалла также имеет проводимость, но n-типа и обладает избытком электронов. Между двумя областями имеется граница, которая и называется p-n переходом.

Такие особенности внутреннего устройства наделяют диоды их главным свойством – возможностью проведения электрического тока только в одном направлении.

Назначение

Ниже приводятся основные области применения диодов, на примере которых становится понятно их основное назначение:

1. Диодные мосты представляют собой 4, 6 или 12 диодов, соединенных между собой, их количество зависит от типа схемы, которая может быть однофазной, трехфазной полумостовой или трехфазной полномостовой. Они выполняют функции выпрямителей, такой вариант чаще всего используется в автомобильных генераторах, поскольку внедрение подобных мостов, а также использование вместе с ними щеточно-коллекторных узлов, позволило в значительной степени сократить размеры данного устройства и увеличить степень его надежности.
   Если соединение выполнено последовательно и в одну сторону, то это повышает минимальные показатели напряжения, которое потребуется для отпирания всего диодного моста.
2. Диодные детекторы получаются при комбинированном использовании данных приборов с конденсаторами. Это необходимо для того, чтобы было можно выделить модуляцию с низкими частотами из различных модулированных сигналов, в том числе амплитудно-модулированной разновидности радиосигнала. Такие детекторы являются частью конструкции многих бытовых потребителей, например, телевизоров или радиоприемников.
3. Обеспечение защиты потребителей от неверной полярности при включении схемных входов от возникающих перегрузок или ключей от пробоя электродвижущей силой, возникающей при самоиндукции, которая происходит при отключении индуктивной нагрузки. Для обеспечения безопасности схем от возникающих перегрузок, применяется цепочка, состоящая из нескольких диодов, имеющих подключение к питающим шинам в обратном направлении.
   При этом, вход, которому обеспечивается защита, должен подключаться к середине этой цепочки. Во время обычного функционирования схемы, все диоды находятся в закрытом состоянии, но если ими было зафиксировано, что потенциал входа ушел за допустимые пределы напряжения, происходит активация одного из защитных элементов. Благодаря этому, данный допустимый потенциал получает ограничение в рамках допустимого питающего напряжения в сумме с прямым падением показателей напряжение на защитном приборе.
4. Переключатели, созданные на основе диодов, используются для осуществления коммутации сигналов с высокими частотами. Управление такой системой осуществляется при помощи постоянного электрического тока, разделения высоких частот и подачи управляющего сигнала, которое происходит благодаря индуктивности и конденсаторам.
5. Создание диодной искрозащиты. Используются шунт-диодные барьеры, которые обеспечивают безопасность путем ограничения напряжения в соответствующей электрической цепи. В совокупности с ними применяются токоограничительные резисторы, которые необходимы для ограничения показателей электрического тока, проходящего через сеть, и увеличения степени защиты.

Использование диодов в электронике на сегодняшний день весьма широко, поскольку фактически ни одна современная разновидность электронного оборудования не обходится без этих элементов.

Прямое включение диода

На p-n-переход диода может оказывать воздействие напряжение, подаваемое с внешних источников. Такие показатели, как величина и полярность, будут сказываться на его поведении и проводимом через него электрическом токе.

Ниже подробно рассмотрен вариант, при котором происходит подключение плюса к области p-типа, а отрицательного полюса к области n-типа. В этом случае произойдет прямое включение:

1. Под воздействием напряжения от внешнего источника, в p-n-переходе сформируется электрическое поле, при этом его направление будет противоположным относительно внутреннего диффузионного поля.
2. Напряжение поля значительно снизится, что вызовет резкое сужение запирающего слоя.
3. Под воздействием этих процессов значительное количество электронов обретет возможность свободно переходить из p-области в n-область, а также в обратном направлении.
4. Показатели тока дрейфа во время этого процесса остаются прежними, поскольку они напрямую зависят только от числа неосновных заряженных носителей, находящихся в области p-n-перехода.
5. Электроны обладают повышенным уровнем диффузии, что приводит к инжекции неосновных носителей. Иными словами, в n-области произойдет повышение количества дырок, а в p-области будет зафиксирована повышенная концентрация электронов.
6. Отсутствие равновесия и повышенное число неосновных носителей заставляет их уходить вглубь полупроводника и смешиваться с его структурой, что в итоге приводит к разрушению его свойств электронейтральности.
7. Полупроводник при этом способен восстановить свое нейтральное состояние, это происходит благодаря получению зарядов от подключенного внешнего источника, что способствует появлению прямого тока во внешней электрической цепи.

Обратное включение диода

Теперь будет рассмотрен другой способ включения, во время которого изменяется полярность внешнего источника, от которого происходит передача напряжения:

1. Главное отличие от прямого включения заключается в том, что создаваемое электрическое поле будет обладать направлением, полностью совпадающим с направлением внутреннего диффузионного поля. Соответственно, запирающий слой будет уже не сужаться, а, наоборот, расширяться.
2. Поле, находящееся в p-n-переходе, будет оказывать ускоряющий эффект на целый ряд неосновных носителей заряда, по этой причине, показатели дрейфового тока останутся без изменений. Он будет определять параметры результирующего тока, который проходит через p-n-переход.
3. По мере роста обратного напряжения, электрический ток, протекающий через переход, будет стремиться достичь максимальных показателей. Он имеет специальное название – ток насыщения.
4. В соответствии с экспоненциальным законом, с постепенным увеличением температуры будут увеличиваться и показатели тока насыщения.

Прямое и обратное напряжение

Напряжение, которое оказывает воздействие на диод, разделяют по двум критериям:

1. Прямое напряжение – это то, при котором происходит открытие диода и начинается прохождение через него прямого тока, при этом показатели сопротивления прибора являются крайне низкими.
2. Обратное напряжение – это то, которое обладает обратной полярностью и обеспечивает закрытие диода с прохождением через него обратного тока. Показатели сопротивления прибора при этом начинают резко и значительно расти.

Сопротивление p-n-перехода является постоянно меняющимся показателем, в первую очередь на него оказывает влияние прямое напряжение, подающееся непосредственно на диод. Если напряжение увеличивается, то показатели сопротивления перехода будут пропорционально уменьшаться.

Это приводит к росту параметров прямого тока, проходящего через диод. Когда данный прибор закрыт, то на него воздействует фактически все напряжение, по этой причине показатели проходящего через диод обратного тока являются незначительными, а сопротивление перехода при этом достигает пиковых параметров.

Работа диода и его вольт-амперная характеристика

Под вольт-амперной характеристикой данных приборов понимается кривая линия, которая показывает то, в какой зависимости находится электрический ток, протекающий через p-n-переход, от объемов и полярности напряжения, воздействующего на него.

Подобный график можно описать следующим образом:

1. Ось, расположенная по вертикали: верхняя область соответствует значениям прямого тока, нижняя область параметрам обратного тока.
2. Ось, расположенная по горизонтали: область, находящаяся справа, предназначена для значений прямого напряжения; область слева для параметров обратного напряжения.
3. Прямая ветвь вольт-амперной характеристики отражает пропускной электрический ток через диод. Она направлена вверх и проходит в непосредственной близости от вертикальной оси, поскольку отображает увеличение прямого электрического тока, которое происходит при увеличении соответствующего напряжения.
4. Вторая (обратная) ветвь соответствует и отображает состояние закрытого электрического тока, который также проходит через прибор. Положение у нее такое, что она проходит фактически параллельно относительно горизонтальной оси. Чем круче эта ветвь подходит к вертикали, тем выше выпрямительные возможности конкретного диода.
5. По графику можно наблюдать, что после роста прямого напряжения, протекающего через p-n-переход, происходит медленное увеличение показателей электрического тока. Однако постепенно, кривая достигает области, в которой заметен скачок, после которого происходит ускоренное нарастание его показателей. Это объясняется открытием диода и проведением тока при прямом напряжении. Для приборов, изготовленных из германия, это происходит при напряжении равном от 0,1В до 0,2В (максимальное значение 1В), а для кремниевых элементов требуется более высокий показатель от 0,5В до 0,6В (максимальное значение 1,5В).
6. Показанное увеличение показателей тока может привести к перегреву полупроводниковых молекул. Если отведение тепла, происходящее благодаря естественным процессам и работе радиаторов, будет меньше уровня его выделения, то структура молекул может быть разрушена, и этот процесс будет иметь уже необратимый характер. По этой причине, необходимо ограничивать параметры прямого тока, чтобы не допустить перегрева полупроводникового материала. Для этого, в схему добавляются специальные резисторы, имеющие последовательное подключение с диодами.
7. Исследуя обратную ветвь можно заметить, что если начинает увеличиваться обратное напряжение, которое приложено к p-n-переходу, то фактически незаметен рост параметров тока. Однако в случаях, когда напряжение достигает параметров, превосходящих допустимые нормы, может произойти внезапный скачок показателей обратного тока, что перегреет полупроводник и будет способствовать последующему пробою p-n-перехода.

Принцип работы

Понять принцип действия полупроводникового диода несложно. Все, что для этого понадобится — разбираться в базовых законах физики и знать, как происходят некоторые электрические процессы.

Изначально электроток действует на катод, что вызывает накаливание подогревательного элемента. В свою очередь, электродом испускаются электроны, а между двумя частями появляется электрическое поле.

Аноды с положительным зарядом воздействуют на электроны и притягивают их, а образованное поле выступает в качестве катализатора такой реакции. Также в этот момент формируется эмиссионный ток.

В двух электродах начинается формирование пространственно-отрицательного заряда, который может препятствовать протеканию электронов. Однако случается это лишь при снижении потенциала анода, в результате чего масса электронов не способна справиться с отрицательными элементами, что заставляет их перемещаться в обратном порядке, то есть электроны снова возвращаются к катоду.

Нередко показатели катодного тока держатся нулевой отметки — происходит это при воздействии частиц с зарядом минус. В результате образованное поле не заставляет электроны двигаться быстрее, а вызывает обратную реакцию — притормаживает их и заставляет вернуться обратно к катоду. В конечном итоге цепь размыкается, так как диод остается в запертом состоянии.

Конструкция диода

Одна из возможных конструкций диода показана ниже:

Рассмотрим одну из возможных конструкций прибора. Кристалл полупроводника 1 (например, с электронной проводимостью) размещен на металлической основе 3. На верхней части кристалла размещена примесь 2 (например индий), который обеспечивает наличие дырочной проводимости. Кристалл закрыт корпусом 4 во избежание различных механических повреждений p-n перехода.

С индиевой наплавки сделан изолированный вывод через стеклянный изолятор 5 – это анод прибора. Выводом же катода будет металлический корпус 3, которая также обеспечивает отвод тепла при работе устройства, чем защищает его от теплового пробоя и перегрева.

В свою очередь полупроводниковые элементы делят на:

• Малая мощность – ток до 0,3 А;
• Средняя – от 0,3 до 10 А;
• Мощные – от 10 А;

Схемы включения диодов

Если возникнет необходимость пропускать через полупроводники токи, которые больше их номинальных, соединяют их параллельно, что позволит пропустить больший ток, но возникает необходимость использовать индуктивные делители, для выравнивания токов элементов, схема ниже:

При больших напряжениях – соединяют последовательно. Но для таких соединений необходимо применять специальных схемы коммутации, чтоб не допустить выход элементов из строя, они показаны ниже:

Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

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 принципе работы полупроводниковых диодов.

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 n-типа — синими. Эти две области являются электродами диода анодом и катодом:

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.

Если к электродам диода подключить источник постоянного напряжения: на вывод анода «плюс» а на вывод катода «минус», то диод окажется в открытом состоянии и через него потечет ток, величина которого будет зависеть от приложенного напряжения и свойств диода.

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 или p-n переходом, они встретятся, где происходит их взаимное поглощение или рекомбинация.

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 отдавать области n-типа практически неограниченное количество электронов, пополняя убывание электронов в этой области. А контакт, соединенный с положительным полюсом источника напряжения, способен принять из области p-типа такое же количество электронов, благодаря чему восстанавливается концентрация дырок в области p-типа. Таким образом, проводимость p-n перехода станет большой и сопротивление току будет мало, а значит, через диод будет течь ток, называемый прямым током диода Iпр.

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 обратным током диода (Iобр). Как правило, на практике, обратным током p-n перехода пренебрегают, и отсюда получается вывод, что p-n переход обладает только односторонней проводимостью.

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.

Свойства p-n-перехода. Полупроводниковый диод. Принцип действия транзистора.

Свойства  p–n-перехода.
Примесные полупроводники
Донорная примесь: основные носители заряда – свободные электроны.  Остается положительный ион примеси.  Акцепторная примесь: основные носители заряда—дырки. Остается отрицательный ион примеси. В месте контактадонорного и акцепторного полупроводников возникает электронно-дырочный переход (p-n-переход).
Свойства р-п-перехода 1. Образуется запирающий слой, образованный зарядами ионов примеси: d=10-7 м,  Dj = 0.4—0,8 В.
2.  Направление внешнего поля (источника) совпадает с направлением контактного поля. Тока основных носителей заряда нет. Существует слабый токнеосновных носителей заряда. Такое включение называется обратным.
3. Прямое включение. Существует ток основных носителей заряда. p-n-переход пропускает электрический ток только в одном направлении (свойство односторонней проводимости).
Полупроводниковый диод Схематическое изображение. Направление стрелки указывает направление тока.
Устройство диода.
Вольтамперная характеристика полупроводникового диода. /, 2 — участок приближенно прямолинеен -экспонента; 3 – пробой диода 0,3– обратный ток; 0,1– ток меняется нелинейно.  Обратный ток обусловлен наличием неосновных носителей заряда.
Применение полупроводникового диода Выпрямитель тока
Принцип действия транзистора
Условное обозначение Направление стрелки – направление тока На всех рисунках –  p-n-p– транзисторы.
Устройство биполярного транзистора. Основные применения: элемент усилетеля тока, напряжения или мощности; электронный ключ (например, в генераторе электромагнитных колебаний).
Переход эмиттер – база включается в прямом направлении, а база – коллектор – в обратном. Через эмиттерный переход идет большое количество основных носителей заряда.  База очень тонкая. Концентрация основных носителей заряда в базе небольная. Поэтому рекомбинация электронов и дырок небольшая. Ток базы маленький. Заряды, пришедшие из эмиттера, по отношению к базе являютсянеосновными, поэтому они свободно проходят через коллекторный переход. До 95% дырок, попадающих из эмиттера в базу, проходят в коллектор. Т.е. Iэ ≈ Iб. При изменении Iэ с помощью источника переменного напря­жения одновременно почти во столько же раз изменяется Iк.  Т.к. сопротивление коллекторного перехода во много раз превышает сопротивление эмиттерного, то при практически равных токах, напряжение на эмиттере много меньше напряжения на коллекторе.

Вольт-амперные характеристики полупроводниковых диодов

Задание 3

Задача 3 (варианты 1-10).

По выходным характеристикам тран­зистора, включенного по схеме с общим эмиттером, определить коэф­фициент усиления h_21э, и мощность Р_к, при напряжении на коллекторе U_кэи токе базы I_б. Какое при этом надо выбрать сопротивление нагрузки R_к, если напряжение источника питания E_к? Определить также коэффициент передачи тока h_21б. Данные своего варианта взять из табл.

Таблица

Номера вариантов	Номера рисунков	Uкэ, В	Iб	Eк, В
		7,5	0,6 1,5

 

Задача 3 (варианты 11—20). Ток коллектора, включенного по схеме с общим эмиттером, равен I_к. Используя входную и выходную характеристики, определить коэффициент усиления h_21э, сопротивление нагрузки R_к и мощность на коллекторе Р_к, если дано напряжение на базе U_бэи напряжение источника питания E_к. Определить также коэффициент передачи тока h_21б. Данные для своего варианта взять из табл. 65.

 

 

Таблица 65

 

Номера вариантов	Номера рисунков	Iк	Uбэ,В	Eк,В
	73; 74 75; 76 77; 78 79; 80 81; 82 83; 84 85; 86 87; 88 89; 90 91; 92	0,2 0,3 0,2 0. 8 1,0 2,5	0,3 0,2 0,15 0,2 0,15 0.25 0,3 0,3 0,3 0,25

Задача 3 (варианты 21—30). Для транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, определить по выходным характеристикам коэффициент усиления h_21э, значение сопротивлений нагрузки R_к1 и R_к2 и мощность на коллекторе Р_к1и Р_к2для значений тока, базы I_б1и I_б2, если напряжение на коллекторе U_кэ и напряжение источника питания E_к. Данные для своего варианта взять из табл.

 

 

Таблица 66

 

Номера вариантов	Номера рисунков	Uкэ, В	Iб1	Iб2	Eк,В
			0,6 0,5	0,9

Задача 3 (варианты 41—50). По выходным характеристикам транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, определить токи коллектора I_к1 и I_к2, напряжение на коллекторе U_кэ1 и U_кэ2, коэффициент усиления h_21э, если заданы токи базы I_б1 и I_б2, сопротив­ление нагрузки R_к, и напряжение источника питания E_к. Данные для своего варианта взять из табл. .

Таблица

 

Номера вариантов	Номера рисунков	Iб1	Iб2	RK, кОм	Eк,В
		1,2 1,0	1,5 1,5	0,05 0,1 0,1 0,02 0,4 0,1 1,0 0,8

 

Задание 4

 

26. Начертите вольтамперную характеристику диода и поясните его работу в режимах пространственного заряда и насыщения.

27. Опишите процессы, происходящие в запирающем слое (p-n-переходе) по-лупроводниковых диодов при приложении к ним прямого и обратного на-пряжений. Чем объясняется наличие обратного тока в полупроводниковых диодах.

28. Опишите атомное строение вещества и состояние электронов в нем. Дайте определение работы выхода электрона.

29. Устройство, принцип действия и свойства фотосопротивлений. Приведите сравнительную характеристику фотосопротивлений и вакуумных фотоэле-ментов. Применение фотосопротивлений и их маркировка.

30. Устройство и принцип действия электронно-лучевых трубок с электричес-кой и магнитной системами управления. Практическое использование электронно-лучевых трубок. Расшифруйте смысл каждого элемента обозна-чения следующих электронно-лучевых трубок: 5ЛО38И, 8ЛО29, 23ЛО51А, 18ЛМ15В, 6ЛК1А, 35ЛК2Б.

31. Дайте определение и характеристику различных видов электронной эмиссии. Перечислите приборы, в которых используются эти виды элект-ронной эмиссии.

32. Устройство, условное обозначение и принцип действия полевого транзис-тора, их практическое применение. Расшифруйте смысл каждого элемента в обозначении: КП302, КП903, 2ПС202 А-2, КПС202В-1.

33. Устройство и принцип действия полупроводникового диода. Приведите какую либо схему электронного устройства с применением полупроводни-ковых диодов и поясните ее работу.

34. Опишите устройство и принцип действия трехфазного ртутного выпрями-теля.

35. На схеме выпрямителя покажите пути прохождения токов в цепях главных и дежурных анодов.

36. Назначение генераторов пилообразного напряжения и область их примене-ния. Начертите схему генератора на неоновой лампе, поясните его работу и постройте график изменения напряжения.

37. Начертите схему тринистора, условное обозначение. Поясните принцип действия тринистора, пользуясь его ВАХ.

38. Опишите работу трехфазного двухтактного выпрямителя Ларионова и начертите графики выпрямленного напряжения и тока. Преимущества этого выпрямителя перед другими схемами выпрямления.

39. Движение свободного электрона в электрическом и магнитном полях. В каких электронных приборах используется магнитное управление движе-нием электронов?

40. Начертите схему устройства многослойной структуры симмистора, условное обозначение. Поясните принцип действия, пользуясь ВАХ.

41. Нарисуйте структурные схемы и условные обозначения транзисторов p-n-p

и n-p-n . Объясните их устройство и принцип работы.

42. Начертите с помощью принятых условных обозначений схему фотоэлек-тронного умножителя (ФЭУ). Объясните его устройство и принцип действия. Область практического применения ФЭУ и их маркировка.

43. Назначение выпрямительных устройств, область их применения. Какие выпрямительные элементы – вентили – применяются

44. Нарисуйте схему устройства и условное обозначение кремниевого стабили-затора напряжения – стабилитрона. Опишите принцип действия, область практического применения и систему маркировки различных типов крмние-вых стабилитронов.

45. Опишите устройство и принцип действия тиратрона с холодным катодом. Область применения этих тиратронов и их преимущества перед тиратро-нами с нагреваемым катодом.

46. Нарисуйте схему однофазного двухполупериодного выпрямителя со сред-ней точкой. Опишите работу схемы с указанием на чертеже путей прохож-дения тока Напишите соотношение для подведенного и выпрямленного на-пряжений.

47. Устройство, принцип действия и особенности вакуумного и газонапол-ненного фотоэлементов, их условное обозначение. Область практического применения фотоэлементов и их маркировка.

48. Начертить схему простейшего усилительного каскада на биполярном транзисторе. Объясните принцип действия каскада и назначение элементов схемы.

49. Приведите примеры практического использования диодов. Начертите схему двухполупериодного выпрямителя со сглаживающим фильтром.

50. Начертите схему устройства полевого транзистора с « p “ типа каналом. При каких условиях возникает ток стока I_c .

51. Начертите схему устройства КМОП транзистора. Опишите его области и принцип действия.

52. Начертите схему устройства МДП транзистора. Опишите его области и принцип действия.

53. Опишите устройство и принцип действия фотодиода в режиме фотопреоб-разователя. Область применения фотодиодов, их преимущества и недос-татки по сравнению с другими фотодатчиками.

54. Нарисуйте схему уст-ройства и условное обозначение. Преимущества пентода перед тетродом. Практическое использование и маркировка пентодов.

55. Начертите схему усилительного каскада напряжения на пентоде. Опишите принцип его работы и назначение элементов схемы.

56. Опишите устройство и принцип действия электронно-лучевой трубки с электростатическим управлением. Объясните, как осуществляется горизон-тальная развертка луча в этой трубке.

57. Опишите процессы, протекающие при прохождении тока через разрежен-ные газы; виды разрядов в газе и их вольт-амперные характеристики.

58. Нарисуйте вольтамперную характеристику газотрона и поясните ее. Назна-чение ограничивающего сопротивления в анодной цепи газотрона. Почему не допускают работу газотрона с пониженным напряжением накала?

59. Опишите процесс прохождения тока в полупроводниках. Как влияет наличие примесей в полупроводнике на возникновение электронной (n) и дырочной (p) проводимостей? Опишите процесс образования запирающего слоя в электронно-дырочном переходе.

60. Начертите схему включения транзистора с ОЭ. Опишите его параметры, характеристики (статические и динамические) практическое применение.

61. Начертите схему включения транзистора с ОБ. Опишите его параметры, характеристики и применение.

62. Начертите схему устройства и условное обозначение полупроводникового диода. Начертите и поясните его вольт-амперную характеристику.

63. Опишите, как определяются параметры электронного диода по его вольт-амперной характеристике. Нарисуйте схему для снятия вольт-амперной (анодной) характеристики диода.

64. Опишите, как определяются параметры триода по семейству анодно-сеточ-

ных характеристик. Нарисуйте схему для снятия характеристик триода и

опишите порядок работы для снятия анодно-сеточных характеристик.

65. Опишите, как определяются параметры триода по семейству анодных характеристик. Нарисуйте схему для снОпишите устройство и принцип действия фотосопротивлений. Начертите и поясните световые характеристики фотосопротивлений. Применение фотосопротивлений, их преимущества и недостатки по сравнению с фотоэлементами внешнего фотоэффекта. Маркировка фотосопротивлений.

66. Нарисуйте три схемы включения p-n-pтранзистора: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Поясните особенности этих схем и область их применения.

67. Что такое семейство входных и выходных характеристик транзистора? Нарисуйте входные и выходные характеристики транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, и поясните их.

68. Нарисуйте три схемы включения n-p-nтранзистора: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Какая из этих схем включения транзистора является наиболее распространенной и почему?

69. Классификация приборов электроники по принципу действия, их сравни-тельная характеристика.

70. Опишите назначение фотоэлектронных реле и область их применения. Начертите схему фотореле с применением фотосопротивления и поясните ее работу.

71. Опишите преимущества и недостатки полупроводниковых приборов по сравнению с электровакуумными. Приведите примеры использования полу проводниковых приборов в современной технике.

72. Опишите устройство, принцип действия и свойства вакуумного и газона-полненного фотоэлементов. Начертите их условные обозначения. Приведите их световые и вольт-амперные характеристики. Поясните, что такое интегральная чувствительность фотоэлементов.

73. Опишите устройство и принцип действия точечных и плоскостных полу-проводниковых диодов. Начертите и поясните вольт-амперную характерис-тику плоскостного диода. Основные параметры полупроводникового диода и их физическая сущность. Как маркируются полупроводниковые диоды?

74. Начертите схему усилительного каскада на биполярном транзисторе с базо-вым смещением. Объясните назначение входящих в схему элементов и укажите, как подбирается величина емкости конденсатора в цепи смещения.

75. На какие две основные группы делятся электронные реле? Укажите их достоинства и недостатки.

76. Начертить стоковую характеристику полевого транзистора и пояснить, как происходит усиление напряжения.

77. Объяснить назначение всех трех областей полевого транзистора.

78. Пояснить, как зависит коэффициент усиления от введения в схему усилителя переменного напряжения цепей обратной связи ПОС иООС.

79. Объяснить принцип усиления напряжения в однотактном УПТ с непосредственной связью.

80. Объяснить принцип усиления в УПТ с преобразованием сигнала.

81. Как изменится работа схемы усилителя переменного напряжения, если сопротивление коллектора R_к будет закорочено?

82. Объяснить работу двухтактного бестрансформаторного усилителя на дискретных элементах и практическое применение.

83. Написать формулу и объяснить, как определяется коэффициент усиления в данной схеме.

84. Каким образом и для чего в схеме усилителя переменного напряжения звуковой частоты создается напряжение смещения V_см . Выполнить схему.

85. Объяснить применение усилителей низкой частоты в схемах промышленной электроники.

86. Объяснить устройство экрана электронно-лучевой трубки.

87. Для чего в электронно-лучевой трубке применяется вертикальное и горизонтальное отклонения электронного луча?

88. Объяснить устройство катода электронно-лучевой трубки.

89. Какие типы электронно-лучевых трубок используются в осциллографах? Привести примеры и дать расшифровку обозначения (маркировки) трубки.

90. Объяснить применение осциллографа. Какие процессы наблюдают на экране трубки и для каких целей?

Пояснить, как осуществляется изменение яркости ятия характеристик триода и опишите

91. фокусировка электронного луча на экране трубки.

92. Объяснить, как определить величину напряжения, тока и частоты, изображенных в виде кривых на экране осциллографа. Ответ пояснить рисунком.

93. Пояснить, как при помощи генератора пилообразного напряжения осуществляется развертка электронного луча.

94. Объяснить устройство электронно-лучевой трубки, примененной в данной схеме.

95. Объяснить различие между электронно-лучевой трубкой с электростатическим и магнитным отклонением луча.

96. Написать формулу коэффициента усиления и объяснить, как его определить для данной схемы.

97. Объяснить отличия в работе усилителя на биполярном транзисторе от аналогичного усилителя, собранного на электронной лампе-триоде.

98. Начертить выходные характеристики транзистора и пояснить, как проис-ходит усиление мощности в режиме класса А.

99. Объяснить отличия трансформаторного усилителя от усилителя на сопротивлениях.

100. Объяснить, какие электрические устройства могут быть включены на выходе усилителя как сопротивление нагрузки R_а.

101. Объяснить назначение элементов и работу схемы усилителя мощности с трансформатором на входе и выходе.

102. Объяснить, в каких электронных устройствах находят применение усилители мощности.

103. Объяснить, в какие точки схемы и какие приборы надо включить, чтобы определить по ним коэффициент усиления.

104. Начертить схему усилителя мощности на ИС и пояснить назначение всех элементов.

105. Объяснить принципиальные отличия в работе схем усилителей мощности, выполненных на дискретных элементах и на ИМС. Пояснить рисунками.

106. Объяснить возможное применение схем реле времени в электронных устройствах автоматики.

107. Написать уравнение изменения напряжения на конденсаторе С и пояснить, как по нему определить время выдержки срабатывания реле.

108. Как изменится работа схемы усилителя переменного напряжения, если будет пробит конденсатор С на входе?

109. Каким образом можно регулировать выдержку времени в схеме электрон-ного реле на биполярных транзисторах?

Объяснить процесс заряда и разряда конденсатора

110. Объяснить, как записываются числа в двоичной системе счисления, и почему эта система применяется в ЭВМ.

111. Объяснить, как происходит сложение и вычитание двоичных чисел.

112. Объяснить принцип действия логических элементов типа «И».

113. Объяснить принцип действия логических элементов типа «ИЛИ».

114. Объяснить принцип работы внешнего запоминающего устройства с магнитной записью на ленте или барабане.

115. Объяснить принцип работы двоичного счетчика на триггерах.

 

 

Методические указания к решению задачи 1.

Задача 1 относится к расчету выпрямителей переменного тока, собранных на полупроводниковых диодах. Подобные схемы широко применяются в различных электронных устройствах и приборах. При решении задач следует помнить, чтоосновными параметрами полупроводниковых диодов являются допустимый ток Iдоп, на который рассчитан данный диод, и обратное напряжение Uобр, выдерживаемое диодом без пробоя в непроводящий период.

Обычно при составлении реальной схемы выпрямителя задаются значением мощности потребителя Р₀, Вт, получающего питание от данного выпрямителя, и выпрямленным напряжением U₀, В, при котором работает потребитель постоянного тока. Отсюда нетрудно определить ток потребителя I₀=P₀/U₀. Сравнивая ток потребителя с допустимым током диода Iдоп, выбирают диоды для схем выпрямителя, следует учесть, что для однополупериодного выпрямителя ток через диод равен току потребителя, т. е. надо соблюдать условие Iдоп≥I₀. Для двухполупериодной и мостовой схем выпрямления ток через диод равен половине тока потребителя, т. е. следует соблюдать условие Iдоп≥0,5I₀. Для трехфазного выпрямителя ток через диод составляет треть тока потребителя, следовательно, необходимо, чтобы Iдоп≥1/3I₀.

Напряжение, действующее на диод в непроводящий период Ub, также зависит от той схемы выпрямления, которая применяется в конкретном случае. Так, для однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей Ub=пU₀=3,14U₀ для мостового выпрямителя

Ub=2пU₀ /2=1,57U₀, а для трехфазного выпрямителя Ub=2,lU₀. При выборе диода, следовательно, должно соблюдаться условие Uобр ≥ Ub.

Рассмотрим примеры на составление схем выпрямителей.

Пример 1.Составить схему мостового выпрямителя, использо­вав один из четырех диодов: Д218, Д222, КД202Н, Д215Б. Мощность потребителя Р₀=300 Вт, напряжение потребителя U₀ =200 В.

Решение.

1. Выписываем из табл. 1 параметры указанных диодов и записываем их в таблицу.

 

Типы диодов	Iдоп, А	Uобр, В	Типы диодов	Iдоп, А	Uобр, В
Д218 Д222	0,1 0.4		КД202Н Д215Б

 

2. Определяем ток потребителя

I₀=P₀/U₀= 300/200= 1,5 А.

Находим напряжение, действующее на диод в непроводящий период для мостовой схемы выпрямителя,

Ub=1,57U₀=l,57 * 200=314 В.

4. Выбираем диод из условия Iдоп>0,5l₀>0,5*1,5>0,75 А,
Uобр>Uв>314 В. Этим условиям удовлетворяет диод КД202Н:
Iдоп = 1,0>0,75 A; Uобр= 500>314 В.

Диоды Д218 и Д222 удовлетворяют напряжению (1000 и 600 боль­ше 314 В), но не подходят по допустимому току (0,1 и 0,4 меньше 0,75 А). Диод 215Б, наоборот, подходит па допустимому току (2>0,75 А), но не подходит по обратному напряжению (200<314 В).

5. Составляем схему мостового выпрямителя (рис. 1). В этой схе­ме каждый из диодов имеет параметры диода КД202Н; Iдоп = 1 А; Uобр = 500 В.

Пример2. Для питания постоянным током потребителя мощностью Р₀ =250 Вт при напряжении U₀ = 100 В необходимо собрать схему двухполупериодного выпрямителя, использовав стандартные диоды типа Д243Б.

Решение.

1. Выписываем из табл. 11 параметры диода: Iдоп = 2 A; Uобр = 200 В.

2. Определяем ток потребителя: I₀=P₀/U₀= 250/100 = 2,5 А.

3. Определяем напряжение, действующее на диод в непроводящий
период: Uв= 3,14U₀= 3,14*100 = 314 В.

4. Проверяем диод по параметрам Iдоп и Uобр. Для данной схемы
диод должен удовлетворять условиям Uобр≥UвиIдоп>0,5I₀. В данном

 

 

 

Рис. 1 Рис.2

случае первое условие не соблюдается (200<314), т. е. Uобр<Uв; второе выполняется (0,5I₀ = 0,5*2,5 = 1,25<2 А).

5. Составляем схему выпрямителя, чтобы выполнялось условиеUобр>Uв, необходимо два диода соединить последовательно, тогда Uобр = 200*2 = 400>314 В. Полная схема выпрямителя приведена на рис. 2.

Пример 3. Для питания постоянным током потребителя мощно­стью Ро = 300 Вт при напряжении Uo= 20 В необходимо собрать схему однополупериодного выпрямителя, использовав имеющиеся стандартные диоды Д242А.

Решение.

1. Выписываем из табл. 11 параметры диода: Iдоп = 10 А, Uобр = 100 В.

2. Определяем ток потребителя

I₀=P₀/U₀=300/20 = 15 А.

3.Определяем напряжение, действующее на диод в непроводящий период: Ub= 3,14U₀=3,14*20= 63 В.

4. Проверяем диод по параметрам Iдоп и Uобр. Для данной схемы диод должен удовлетворять условиям Uобр>Ub, Iдоп>I₀. В данном случае второе условие не соблюдается (10<15 А, т. е. Iдоп<I₀). Первое условие выполняется (100>63 В).

5. Составляем схему выпрямителя. Чтобы выполнялось условие Iдоп>I₀, надо два диода соединить параллельно, тогда Iдоп = 2*10 =20 А; 20>15 А. Полная схема выпрямителя приведена на рис. 3.

Пример 4. Для составления схемы трехфазного выпрямителя на диодах заданы диоды Д243. Выпрямитель должен питать потребитель с U₀ = 150 В. Определить допустимую мощность потребителя и пояснить порядок составления схемы выпрямителя.

Решение.

1. Выписываем из табл. 11 параметры диода: Iдоп = 5 А, Uобр = 200 В.

2. Определяем допустимую мощность потребителя. Для трехфазного

 

 

Рис. 3 Рис. 4 выпрямителя Iдоп>1/3I₀,т. е. P₀ = 3U₀Iдоп= 3*150*5= 2250 Вт.

Следовательно, для данного выпрямителя P₀ ≥225О Вт.

3. Определяем напряжение, действующее на диод в непроводящий период:

Ub=2,1U₀ =2,1*150 = 315 В.

5.Составляем схему выпрямителя. Проверяем диод по условию. В данном случае это условие не выполняется (200<315 В). Чтобы это условие выполнялось, необходимо в каждом плече выпрямителя два диода соединить последовательно, тогда Uобр=200*2=400В, 400>315В. Полная схема выпрямителя приведена на рис. 4.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода

Что такое идеальный диод?

Основная задача обычного выпрямительного диода – проводить электрический ток в одном направлении, и не пропускать его в обратном. Следовательно, идеальный диод должен быть очень хорошим проводником с нулевым сопротивлением при прямом подключении напряжения (плюс — к аноду, минус — к катоду), и абсолютным изолятором с бесконечным сопротивлением при обратном.

Вот так это выглядит на графике:

Такая модель диода используется в случаях, когда важна только логическая функция прибора. Например, в цифровой электронике.

ВАХ реального полупроводникового диода

Однако на практике, в силу своей полупроводниковой структуры, настоящий диод обладает рядом недостатков и ограничений по сравнению с идеальным диодом. Это можно увидеть на графике, приведенном ниже.

V

_ϒ(гамма) — напряжение порога проводимости

При прямом включении напряжение на диоде должно достигнуть определенного порогового значения — V_ϒ. Это напряжение, при котором PN-переход в полупроводнике открывается достаточно, чтобы диод начал хорошо проводить ток. До того как напряжение между анодом и катодом достигнет этого значения, диод является очень плохим проводником. V_ϒ у кремниевых приборов примерно 0.7V, у германиевых – около 0.3V.

I

_{D_MAX} — максимальный ток через диод при прямом включении

При прямом включении полупроводниковый диод способен выдержать ограниченную силу тока I_{D_MAX}. Когда ток через прибор превышает этот предел, диод перегревается. В результате разрушается кристаллическая структура полупроводника, и прибор становится непригодным. Величина данной силы тока сильно колеблется в зависимости от разных типов диодов и их производителей.

I

_OP – обратный ток утечки

При обратном включении диод не является абсолютным изолятором и имеет конечное сопротивление, хоть и очень высокое. Это служит причиной образования тока утечки или обратного тока I_OP. Ток утечки у германиевых приборов достигает до 200 µА, у кремниевых до нескольких десятков nА. Самые последние высококачественные кремниевые диоды с предельно низким обратным током имеют этот показатель около 0.5 nA.

PIV(Peak Inverse Voltage) — Напряжение пробоя

При обратном включении диод способен выдерживать ограниченное напряжение – напряжение пробоя PIV. Если внешняя разность потенциалов превышает это значение, диод резко понижает свое сопротивление и превращается в проводник. Такой эффект нежелательный, так как диод должен быть хорошим проводником только при прямом включении. Величина напряжения пробоя колеблется в зависимости от разных типов диодов и их производителей.

Паразитическая емкость PN-перехода

Даже если на диод подать напряжение значительно выше V_ϒ, он не начнет мгновенно проводить ток. Причиной этому является паразитическая емкость PN перехода, на наполнение которой требуется определенное время. Это сказывается на частотных характеристиках прибора.

Приближенные модели диодов

В большинстве случаев, для расчетов в электронных схемах, не используют точную модель диода со всеми его характеристиками. Нелинейность этой функции слишком усложняет задачу. Предпочитают использовать, так называемые, приближенные модели.

Приближенная модель диода «идеальный диод + V

_ϒ»

Самой простой и часто используемой является приближенная модель первого уровня. Она состоит из идеального диода и, добавленного к нему, напряжения порога проводимости V_ϒ.

Приближенная модель диода «идеальный диод + V

_ϒ + r_D»

Иногда используют чуть более сложную и точную приближенную модель второго уровня. В этом случае добавляют к модели первого уровня внутреннее сопротивление диода, преобразовав его функцию из экспоненты в линейную.

Динистор. Принцип работы и свойства.

Принцип работы и свойства динистора

Среди огромного количества всевозможных полупроводниковых приборов существует динистор.

В радиоэлектронной аппаратуре динистор встречается довольно редко, ходя его можно встретить на печатных платах широко распространённых энергосберегающих ламп, предназначенных для установки в цоколь обычной лампы. В них он используется в цепи запуска. В маломощных лампах его может и не быть.

Также динистор можно обнаружить в электронных пускорегулирующих аппаратах, предназначенных для ламп дневного света.

Динистор относится к довольно большому классу тиристоров.

Динисторы

Условное графическое обозначение динистора на схемах.

Для начала узнаем, как обозначается динистор на принципиальных схемах. Условное графическое обозначение динистора похоже на изображение диода за одним исключением. У динистора есть ещё одна перпендикулярная черта, которая, судя по всему, символизирует базовую область, которая и придаёт динистору его свойства.

Условное графическое обозначение динистора на схемах

Также стоит отметить тот факт, что изображение динистора на схеме может быть и другим. Так, например, изображение симметричного динистора на схеме может быть таким, как показано на рисунке.

Возможное обозначение симметричного динистора на схеме

Как видим, пока ещё нет какого-либо чёткого стандарта в обозначении динистора на схеме. Скорее всего, связано это с тем, что существует огромный класс приборов под названием тиристоры. К тиристорам относится динистор, тринистор (triac), симистор, симметричный динистор. На схемах все они изображаются похожим образом в виде комбинации двух диодов и дополнительных линий, обозначающих либо третий вывод (тринистор) либо базовую область (динистор).

В зарубежных технических описаниях и на схемах, динистор может иметь названия trigger diode, diac (симметричный динистор). Обозначается на принципиальных схемах буквами VD, VS, V и D.

Чем отличается динистор от полупроводникового диода?

Во-первых, стоит отметить, что у динистора три (!) p-n перехода. Напомним, что у полупроводникового диода p-n переход всего один. Наличие у динистора трёх p-n переходов придаёт динистору ряд особенных свойств.

Принцип работы динистора.

Суть работы динистора заключается в том, что при прямом включении он не пропускает ток до тех пор, пока напряжение на его выводах не достигнет определённого значения. Значение этого напряжения имеет определённую величину и не может быть изменено. Это связано с тем, что динистор является неуправляемым тиристором – у него нет третьего, управляющего, вывода.

Известно, что и обычный полупроводниковый диод также имеет напряжение открытия, но оно составляет несколько сотен милливольт (500 милливольт у кремниевых и 150 у германиевых). При прямом включении полупроводникового диода он открывается при приложении к его выводам даже небольшого напряжения.

Чтобы подробно и наглядно разобраться в принципе работы динистора обратимся к его вольт-амперной характеристике (ВАХ). Вольт-амперная характеристика хороша тем, что позволяет наглядно увидеть то, как работает полупроводниковый прибор.

На рисунке ниже вольт-амперная характеристика (англ. Current-voltage characteristics) импортного динистора DB3. Отметим, что данный динистор является симметричным и его можно впаивать в схему без соблюдения цоколёвки. Работать он будет в любом случае, вот только напряжение включения (пробоя) может чуть отличаться (до 3 вольт).

Вольт-амперная характеристика симметричного динистора

На ВАХ динистора DB3 наглядно видно, что он симметричный. Обе ветви характеристики, верхняя и нижняя, одинаковы. Это свидетельствует о том, что работа динистора DB3 не зависит от полярности приложенного напряжения.

График имеет три области, каждая из которых показывает режим работы динистора при определённых условиях.

• Красный участок на графике показывает закрытое состояние динистора. Ток через него не течёт. При этом напряжение, приложенное к электродам динистора, меньше напряжения включения V_BO – Breakover voltage.

• Синий участок показывает момент открытия динистора после того, как напряжение на его выводах достигло напряжения включения (V_BO или U_вкл.). При этом динистор начинает открываться и через него начинает протекать ток. Далее процесс стабилизируется и динистор переходит в следующее состояние.

• Зелёный участок показывает открытое состояние динистора. При этом ток, который протекает через динистор ограничен только максимальным током I_max, который указывается в описании на конкретный тип динистора. Падение напряжения на открытом динисторе невелико и колеблется в районе 1 – 2 вольт.

Получается, что динистор в своей работе похож на обычный полупроводниковый диод за одним исключением. Если пробивное напряжение или по-другому напряжение открытия для обычного диода составляет значение менее вольта (150 – 500 мВ), то для того, чтобы открыть динистор необходимо подать на его выводы напряжение включения, которое исчисляется десятками вольт. Так для импортного динистора DB3 типовое напряжение включения (V_BO) составляет 32 вольта.

Чтобы полностью закрыть динистор, необходимо уменьшить ток через него до значения меньше тока удержания. При этом динистор выключиться – перейдёт в закрытое состояние.

Если динистор несимметричный, то при обратном включении (“+” к катоду, а “-” к аноду) он ведёт себя как диод и не пропускает ток до тех пор, пока обратное напряжение не достигнет критического для данного типа динистора и он сгорит. Для симметричных, как уже говорилось, полярность включения в схему не имеет значения. Он в любом случае будет работать.

В радиолюбительских конструкциях динистор может применяться в стробоскопах, переключателях мощной нагрузки, регуляторах мощности и многих других полезных приборах.

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

 

Кафедра электроники

ЛИТЕРАТУРА

1.Аваев Н.А., Шишкин Г.Г. Электронные приборы / Под ред. Г.Г. Шиш-

кина. – М.: МАИ, 1996. – 540 с.

2.Электронные приборы / В.Н. Дулин, Н.А. Аваев, В.П. Демин и др.; Под ред. Г.Г. Шишкина. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 495 с.

3. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника / Под ред. Н.Д. Федорова. – М.: Радио и связь, 1998. – 560 с.

4. Булычев А.Л., Лямин П.М., Тулинов Е.С. Электронные приборы. – Мн.:

Выш. шк., 1999. – 415 с.

5 Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. – М.: Высш.

шк., 1987. – 477 с.

6.Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. – СПб.:

Лань, 2003. – 480 с.

7.ТкаченкоФ.А. Техническая электроника. – Мн.: ДизайнПРО, 2000. – 352 с.

8.Валенко В.С., Хандогин М.С. Электроника и микросхемотехника. –

Мн.: Беларусь, 2000. – 325 с.

9.Валенко В.С. Полупроводниковые приборы и основы схемотехники электронных устройств. – М.: Издательский дом «Додека-ХХI», 2001. – 368 с.

10.Хандогин М.С. Электронные приборы. – Мн.: БГУИР, 2005. – 188 с.

11.Дробот С.В. Практикум по курсу «Электронные приборы» для студ.

всех спец. БГУИР дневной и вечерней форм обуч. / С.В. Дробот, В.А. Мельников, В.Н. Путилин. – Мн: БГУИР, 2003. – 179 с.

12.Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. – М.: Высш. шк., 1991. – 622 с.

13.Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника. –

М.: Высш. шк., 2004. – 790 с.

14.Батушев В.А. Электронные приборы. – М.: Высш. шк., 1980. – 383 с.

15.Полупроводниковые приборы: Диоды, тиристоры, оптоэлектронные

приборы. Справочник / Под общ. ред. Н.Н. Горюнова. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 744 с.

16.Хрулев А.К., Черепанов В.П. Диоды и их зарубежные аналоги: Справочник. В 3 т. – М.: ИП РадиоСофт, 1998.

17.Галкин В.И., Булычев А.Л., Лямин П.М. Полупроводниковые приборы:

Транзисторы широкого применения: Справочник. – Мн.: Беларусь, 1995. – 383 с. 18. Иванов В.И., Аксенов А.И., Юшин А.М. Полупроводниковые оптоэлек-

тронные приборы: Справочник. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 448 с.

19. ГОСТ 2.105-95. Международный стандарт. Единая система конструкторских документов. Общие требования к текстовым документам.

20.ГОСТ 2.730-73. Обозначения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые.

21.ОСТ 11.336.919-81. Приборы полупроводниковые. Система условных обозначений.

Полупроводниковый диод

Определение и значение

Если вы читаете это, поблагодарите полупроводниковый диод .

Полупроводниковые диоды используются во всех видах современной электроники, включая процессоры в телефонах и компьютерах. Эта концепция была впервые открыта немецким физиком Фердинандом Брауном в 1874 году, но не получила широкого распространения до появления радио в начале 1900-х годов. Первыми коммерческими полупроводниковыми диодами были устройства, известные как кристаллические детекторы , запатентованные в 1906 году американским инженером-электриком Гринлифом У.Pickard, который продавал их для радиоприложений. В наиболее распространенном типе кристаллического детектора использовалась тонкая пружинящая металлическая проволока, от которой и произошло его популярное название: детектор кошачьих усов .

Среди простейших полупроводниковых устройств известны как p-n переход диоды . В большинстве случаев они сделаны из кремния, хотя также используется германий. Сам по себе кремний не очень хорошо проводит, но его проводимость можно улучшить, добавив другие элементы.В зависимости от того, что вы добавляете в кремний, он может стать либо материалом p-типа, который имеет положительный заряд, либо материалом n-типа, который имеет отрицательный заряд. Чтобы создать диод, смешивают материал p-типа и материал n-типа. P-тип – это анод , а n-тип – это катод .

На стыке, где встречаются два материала, они нейтрализуют друг друга, и область вокруг стыка не имеет заряда. Электрический ток не может пройти через него.Если вы добавите положительный электрический ток к положительному концу и отрицательный к отрицательному концу, соединение станет меньше, и электричество может течь через соединение. Но если вы перевернете это, перекресток станет больше, и ток не сможет пройти. Таким образом, электричество может проводиться только в одном направлении, и создается диод.

Еще одним основным типом диодов является термоэмиссионный диод . Возможно, вы знаете их лучше как вакуумные лампы . В вакуумных трубках используются стеклянные трубки для создания вакуума, окружающего крошечный провод, который нагревает катод и высвобождает электроны.Затем анод притягивает электроны, что означает, что ток идет в этом направлении. Хотя этот тип диодов был распространен в ранних электрических приложениях, сегодня он в значительной степени заменен полупроводниковыми.

Полупроводниковые диоды используются повсюду вокруг нас во многих, многих электронных устройствах, на которые мы полагаемся в современной жизни. Например, диоды используются в устройствах защиты от перенапряжения (которые предохраняют все виды устройств от перегрева). Эти типы диодов открываются только при слишком высоком напряжении и выпускают лишнее, чтобы защитить ваше устройство от получения слишком большого количества электроэнергии.

Полупроводниковый диод

– определение, характеристики и применение

Полупроводниковый диод – тип диода, который содержит «p-n переход» из различных легированных полупроводниковых материалов. Это двусторонний нелинейный электронный компонент, где вывод, прикрепленный к слою « p » ( + ), называется анодом, а слой « n » ( – ) катодом. Этот электронный компонент используется в основном из-за его способности заставлять электрический ток течь только в одном направлении (от анода , , катода , ) после прямого смещения вышеупомянутого «p-n перехода» с помощью положительного электрического напряжения.

Рис. 1. Обозначение полупроводникового диода

Однако в обратном направлении (обратное смещение p-n перехода с отрицательным электрическим напряжением) мы можем сказать, что в идеальном полупроводниковом диоде электрический ток не течет. Вот почему полупроводниковый диод часто называют «электрическим клапаном», который может пропускать или блокировать прохождение электрического тока.

---

Полупроводниковый диод – Задачи для студентов

Если вы студент или просто хотите научиться решать задачи с полупроводниковыми диодами, посетите этот раздел нашего веб-сайта, где вы можете найти широкий спектр электронных задач.

---

Полупроводниковый диод – внутренняя конструкция

Полупроводниковый диод состоит из двух по-разному легированных полупроводниковых кристаллов – типа «p» и «n». Вместе они образуют так называемый « pn переход» , где слой «n» (с электронодонорными легирующими добавками) имеет избыточное количество электронов, которые являются там основными носителями (у нас больше электронов (-), чем электронные дырки (+)). Однако в слое «p» (примеси акцептора электронов) основными носителями являются электронные дырки (+), а не электроны (-), поэтому у нас больше дырок, чем нужно «заполнить», чем доступных электронов.Электронная дырка – это вакансия, созданная электроном, «путешествующим» из своего исходного места в какое-либо другое место в этом кристалле. На самом деле, такой вещи, как «дыра», не существует, но отсутствие электрона как бы делает ее положительно заряженной частицей, которая притягивает отрицательные электроны, чтобы снова образовать пару (дырки тоже могут двигаться).

После их объединения начинается пропорциональное распределение электронов. Электроны, которых раньше не хватало в слое «p», переносятся туда из слоя «n», где их было слишком много.Итак, слой «n» – хороший друг для слоя «p», верно? 🙂 И здесь образуется так называемая область истощения , которая препятствует протеканию электрического тока (термодинамическое равновесие).

Рис. 2. P-N переход в состоянии термодинамического равновесия

Чтобы электрический ток проходил через «pn переход» (электрический клапан включен), необходимо приложить внешнее положительное электрическое напряжение, чтобы «подтолкнуть» и помочь большой группе электронов и отверстий собраться вместе (прямое смещение диода) .После того, как они «проталкиваются» через область истощения с достаточной силой (V _F = 0,7 В), диод начинает проводить ток, поэтому он начинает течь через него.

Рис. 3. P-N переход с прямым смещением (электрический клапан включен)

Чтобы убедиться, что электрический ток не течет (электрический клапан выключен), необходимо приложить внешнее отрицательное напряжение к полупроводниковому диоду (обратное смещение), чтобы сделать область обеднения еще больше (рисунок ниже).

Рис. 4. P-N переход с обратным смещением (электрический клапан выключен)

Со временем технологические требования росли, что привело к разработке новых типов диодов.Когда полупроводник сочетается с соответствующим металлом, мы получаем переход MS (металл-полупроводник), который также обладает свойствами выпрямления (проводимость тока в одном направлении) – он используется, например, в быстрых диодах Шоттки .

Переходы

MS могут иметь одну из двух вольт-амперных характеристик:

• Несимметричный нелинейный
• Симметричный, линейный

Свойства MS-перехода в основном зависят от состояния поверхности полупроводника и от выходной работы электронов из металла и самого полупроводника.Диод Шоттки в основном используется в системах, требующих быстрого времени переключения (решающее значение имеет малая емкость перехода C _j диода) с частотами до нескольких десятков ГГц.

Полупроводниковый диод – ВАХ

На приведенном ниже графике показана вольт-амперная характеристика полупроводникового диода . Это типичная характеристика для полупроводниковых диодов, используемых в электронике (V _F = 0,7 В).Полупроводниковый диод начинает проводить ток после превышения порогового значения прямого напряжения, указанного производителем в паспорте. Полутермические диоды в основном используются для защиты других электронных компонентов.

Рис. 5. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода

.

Как определить, где анод, а где катод?

Простой мультиметр можно использовать для определения полярности диода. Есть как минимум три способа сделать это, но я покажу здесь два самых популярных способа, которые можно сделать даже с помощью самых дешевых мультиметров (получите мультиметр Basetech BT-11):

a) С помощью омметра (диапазон 2 кОм):

Рис.6. Прямое смещение: Омметр покажет приблизительное прямое напряжение диода (около 0,7 В)

Рис. 7. Обратное смещение: Омметр показывает «1», что означает очень высокое сопротивление (электрический клапан выключен).

Вы также можете использовать функцию «проверка диодов» (символ диода на мультиметре), но результат будет таким же, как и выше, с использованием омметра.

b) Использование функции измерения VDC:

Рис. 8. Прямое смещение: мультиметр должен показывать падение напряжения примерно 0,7 В для кремниевых диодов

.

Рис.9. Обратное смещение: мультиметр покажет приблизительное полное напряжение источника питания. (Примечание : Здесь диод вставлен противоположным образом по сравнению с приведенным выше примером. На самом деле, я бы изменил полярность источника питания , потому что вы не можете размонтировать «руками» после припаянного компонента, если только вы не Разумеется, мы не хотим делать это с исправным рабочим компонентом. Я просто хотел показать вам пример, на который вы также должны обратить внимание на правильное размещение компонентов на вашей печатной или макетной плате)

Типы полупроводниковых диодов

• Выпрямительный диод – выпрямление переменного тока,
• Стабилитрон – стабилизация напряжения и тока в электронных системах,
• Светоизлучающий диод (LED) – излучает свет в инфракрасном или видимом спектре света,
• Диод переменной емкости – его емкость зависит от приложенного к нему напряжения при обратном смещении,
• Переключающий диод – используется в импульсных электронных системах, требующих очень короткого времени переключения,
• Туннельный диод – специально разработанный диод, характеризующийся областью отрицательного динамического сопротивления,
• Фотодиод – диод, который работает как фотоприемник – реагирует на световое излучение (видимое, инфракрасное или ультрафиолетовое),
• Диод Ганна – компонент, используемый в высокочастотной электронике.

Эксперимент для самостоятельного выполнения

Этот эксперимент позволит вам визуализировать принцип работы полупроводникового диода независимо от того, проводит ток или нет. Поскольку вы будете делать это сами, вам лучше запомнить этот урок.

Необходимые товары:

Мы будем использовать две принципиальные схемы, которые вы видели ранее:

Рис. 10. В этом случае светодиод должен проводить ток и он должен гореть.

Рис.11. Здесь светодиод не должен гореть – диод не проводит ток ( Примечание: Здесь диод вставлен противоположным образом по сравнению с приведенным выше примером. На самом деле, я бы изменил полярность источника питания, , потому что вы не можете размонтировать «руками» один раз припаянный компонент, если вы не демонтируете его. Конечно, мы не хотим делать это с исправным рабочим компонентом. Я просто хотел показать вам пример, что вы также должны заплатить внимание к правильному размещению компонентов на вашей печатной или макетной плате)

Ниже вы можете увидеть изображения, показывающие схему, установленную на макетной плате, и визуализацию двух противоположных положений светодиода (обратная полярность).

Рис. 12. Цепь «перенесена» на макетную плату (диод проводит ток)

Рис. 13. В этом случае, как вы можете видеть, диод не проводит ток (вставлен противоположным образом) ( Примечание: Здесь диод вставлен противоположным образом по сравнению с приведенным выше примером. На самом деле, я бы изменил полярность источника питания , потому что вы не можете отсоединить «руками» однажды припаянный компонент, если вы не удалите его из припоя.Конечно, мы не хотим делать это с исправным рабочим компонентом.Я просто хотел показать вам пример, на который вы также должны обратить внимание на правильное размещение компонентов на вашей печатной или макетной плате)

На первом снимке светодиод переведен в проводящее состояние. Потенциал напряжения на аноде был выше (+), чем на катоде (-), поэтому протекание тока было возможно. В нашем эксперименте мы использовали батарею на 9 В, поэтому ток, протекающий через диод, будет около 9 мА (рассчитано по закону Ома ).

На втором снимке диод был вставлен противоположным образом (потенциал напряжения на катоде был выше (+), чем на аноде (-)), поэтому диод вел себя как закрытый электрический клапан, который предотвращал протекание. тока – светодиод не горит.

Полупроводниковый прибор | электроника | Britannica

Полупроводниковые материалы

Твердотельные материалы обычно делятся на три класса: изоляторы, полупроводники и проводники. (При низких температурах некоторые проводники, полупроводники и изоляторы могут стать сверхпроводниками.) На рисунке 1 показаны удельные проводимости σ (и соответствующие удельные сопротивления ρ = 1 / σ), которые связаны с некоторыми важными материалами каждого из трех классов. Изоляторы, такие как плавленый кварц и стекло, имеют очень низкую проводимость, порядка от 10 ⁻¹⁸ до 10 ⁻¹⁰ сименс на сантиметр; а проводники, такие как алюминий, имеют высокую проводимость, обычно от 10 ⁴ до 10 ⁶ сименс на сантиметр.Электропроводность полупроводников находится между этими крайними значениями.

Проводимость полупроводника обычно чувствительна к температуре, освещению, магнитным полям и незначительным количествам примесных атомов. Например, добавление менее 0,01 процента примеси определенного типа может увеличить электрическую проводимость полупроводника на четыре или более порядков (, то есть в 10000 раз). Диапазоны проводимости полупроводников за счет примесных атомов для пяти распространенных полупроводников приведены на рисунке 1.

Изучение полупроводниковых материалов началось в начале 19 века. За прошедшие годы было исследовано множество полупроводников. В таблице показана часть периодической таблицы, относящаяся к полупроводникам. Элементарные полупроводники состоят из отдельных видов атомов, таких как кремний (Si), германий (Ge) и серое олово (Sn) в столбце IV и селен (Se) и теллур (Te) в столбце VI. Однако существует множество сложных полупроводников, состоящих из двух или более элементов.Например, арсенид галлия (GaAs) представляет собой бинарное соединение III-V, которое представляет собой комбинацию галлия (Ga) из колонки III и мышьяка (As) из колонки V.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Часть периодической таблицы элементов, относящихся к полупроводникам

период	столбец
	II	III	IV	V	VI
2		бор B	углерод C	азот N
3	магний мг	алюминий Al	кремний Si	фосфор P	сера S
4	цинк Zn	галлий Ga	германий Ge	мышьяк As	селен Se
5	кадмий Cd	индий В	олово Sn	сурьма Sb	теллур Te
6	ртуть Hg		свинец Pb

Тройные соединения могут быть образованы элементами из трех разных колонок, как, например, теллурид ртути и индия (HgIn ₂ Te ₄ ), соединение II-III-VI.Они также могут быть образованы элементами из двух столбцов, такими как арсенид алюминия-галлия (Al _x Ga _{1 – x} As), который представляет собой тройное соединение III-V, где как Al, так и Ga происходят из столбец III и нижний индекс x относятся к составу двух элементов от 100 процентов Al ( x = 1) до 100 процентов Ga ( x = 0). Чистый кремний является наиболее важным материалом для применения в интегральных схемах, а бинарные и тройные соединения III-V являются наиболее важными для излучения света.

До изобретения биполярного транзистора в 1947 году полупроводники использовались только как двухполюсные устройства, такие как выпрямители и фотодиоды. В начале 1950-х годов германий был основным полупроводниковым материалом. Однако он оказался непригодным для многих применений, поскольку устройства, изготовленные из этого материала, демонстрируют высокие токи утечки только при умеренно повышенных температурах. С начала 1960-х годов кремний стал практическим заменителем, фактически вытеснив германий в качестве материала для производства полупроводников.Для этого есть две основные причины: (1) кремниевые устройства демонстрируют гораздо более низкие токи утечки и (2) высококачественный диоксид кремния (SiO ₂ ), который является изолятором, легко производить. Кремниевая технология в настоящее время является самой передовой среди всех полупроводниковых технологий, а устройства на основе кремния составляют более 95 процентов всего полупроводникового оборудования, продаваемого во всем мире.

Многие сложные полупроводники обладают электрическими и оптическими свойствами, отсутствующими у кремния.Эти полупроводники, особенно арсенид галлия, используются в основном для высокоскоростных и оптоэлектронных приложений.

Электронные свойства

Полупроводниковые материалы, рассматриваемые здесь, представляют собой монокристаллы – т. Е. атомы расположены в трехмерном периодическом порядке. На рис. 2А показано упрощенное двумерное представление кристалла собственного кремния, который очень чистый и содержит пренебрежимо малое количество примесей. Каждый атом кремния в кристалле окружен четырьмя ближайшими соседями.Каждый атом имеет четыре электрона на своей внешней орбите и делит эти электроны со своими четырьмя соседями. Каждая общая электронная пара представляет собой ковалентную связь. Сила притяжения электронов обоими ядрами удерживает два атома вместе.

При низких температурах электроны связаны в своих соответствующих положениях в кристалле; следовательно, они недоступны для электропроводности. При более высоких температурах тепловая вибрация может разрушить некоторые ковалентные связи. Разрыв связи дает свободный электрон, который может участвовать в проводимости тока.Как только электрон удаляется от ковалентной связи, в этой связи возникает недостаток электронов. Этот недостаток может быть восполнен одним из соседних электронов, что приводит к смещению местоположения недостатка с одного сайта на другой. Таким образом, этот недостаток можно рассматривать как частицу, подобную электрону. Эта фиктивная частица, названная дыркой, несет положительный заряд и движется под действием приложенного электрического поля в направлении, противоположном направлению движения электрона.

Для изолированного атома электроны атома могут иметь только дискретные уровни энергии.Когда большое количество атомов объединяется, чтобы сформировать кристалл, взаимодействие между атомами заставляет дискретные уровни энергии расширяться в энергетические зоны. Когда отсутствует тепловая вибрация (, т.е. при низкой температуре), электроны в полупроводнике полностью заполняют ряд энергетических зон, оставляя остальные энергетические зоны пустыми. Полоса с самым высоким заполнением называется валентной полосой. Следующая более высокая зона – это зона проводимости, которая отделена от валентной зоны запрещенной зоной.Эта запрещенная зона, также называемая запрещенной зоной, представляет собой область, обозначающую энергии, которыми электроны в полупроводнике не могут обладать. Большинство важных полупроводников имеют ширину запрещенной зоны от 0,25 до 2,5 эВ. Ширина запрещенной зоны кремния, например, составляет 1,12 эВ, а ширина запрещенной зоны арсенида галлия – 1,42 эВ.

Как обсуждалось выше, при конечных температурах тепловые колебания разрывают некоторые связи. Когда связь разрывается, свободный электрон вместе со свободной дыркой дает , то есть , электрон обладает достаточной тепловой энергией, чтобы пересечь запрещенную зону в зону проводимости, оставляя дырку в валентной зоне.Когда к полупроводнику прикладывают электрическое поле, как электроны в зоне проводимости, так и дырки в валентной зоне получают кинетическую энергию и проводят электричество. Электропроводность материала зависит от количества носителей заряда (, т. Е. свободных электронов и свободных дырок) в единице объема и от скорости, с которой эти носители перемещаются под действием электрического поля. В собственном полупроводнике существует равное количество свободных электронов и свободных дырок.Однако электроны и дырки обладают разной подвижностью, то есть они движутся с разными скоростями в электрическом поле. Например, для собственного кремния при комнатной температуре подвижность электронов составляет 1500 квадратных сантиметров на вольт-секунду (см ² / В · с) – , т.е. электрон будет двигаться со скоростью 1500 сантиметров в секунду под действием электрического поле в один вольт на сантиметр – при подвижности дырок 500 см ² / В · с. Подвижности данного полупроводника обычно уменьшаются с повышением температуры или с увеличением концентрации примесей.

Электрическая проводимость в собственных полупроводниках довольно низкая при комнатной температуре. Чтобы добиться более высокой проводимости, можно намеренно ввести примеси (обычно до концентрации одной части на миллион атомов хозяина). Это так называемый процесс допинга. Например, когда атом кремния заменяется атомом с пятью внешними электронами, такими как мышьяк (рис. 2C), четыре электрона образуют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами кремния. Пятый электрон становится электроном проводимости, который «дарится» зоне проводимости.Кремний становится полупроводником типа n из-за добавления электрона. Атом мышьяка является донором. Точно так же на рисунке 2C показано, что, когда атом с тремя внешними электронами, такими как бор, заменяется атомом кремния, дополнительный электрон «принимается» для образования четырех ковалентных связей вокруг атома бора, и в атоме бора создается положительно заряженная дырка. валентная полоса. Это полупроводник типа p , в котором бор является акцептором.

P-N переходный полупроводниковый диод – диод

Что такое полупроводниковый диод с p-n переходом?

А диод с p-n переходом – двухполюсный или двухэлектродный полупроводниковый прибор, который пропускает электрический ток только в одном направлении в то время как блокирует электрический ток в обратном или обратном направлении направление.Если диод смещен в прямом направлении, это позволяет электрический ток. С другой стороны, если диод с обратным смещением, он блокирует прохождение электрического тока. P-N переходный полупроводниковый диод также называется p-n переходом полупроводниковый прибор.

В n-тип полупроводники, бесплатно электроны являются основными носителями заряда, тогда как в р-тип полупроводники, отверстия являются основными носителями заряда.Когда n-тип полупроводник соединен с полупроводником p-типа, p-n стык образуется. P-n переход, который образуется при соединении полупроводников p-типа и n-типа называется p-n переходным диодом.

П-П переходной диод изготовлен из полупроводниковых материалов. такие как кремний, германий и арсенид галлия.Для при разработке диодов кремний более предпочтителен, чем германий. Диоды с p-n переходом из кремния полупроводники работают при более высоких температурах по сравнению с с диодами p-n-перехода из германия полупроводники.

основной символ p-n-переходного диода при прямом смещении и Обратное смещение показано на рисунке

ниже.

В На рисунке выше стрелка диода указывает на условное направление электрического тока, когда диод смещен в прямом направлении (от положительной клеммы к отрицательная клемма).Отверстия, которые движутся от положительного клемма (анод) к отрицательной клемме (катод) условное направление тока.

Свободные электроны, движущиеся от отрицательной клеммы (катод) к положительной клемме (анод) на самом деле переносят электрический ток. Однако из-за условию мы должны предположить, что текущее направление от положительной клеммы к отрицательной.

Смещение полупроводниковый диод p-n переход

процесс подачи внешнего напряжения на p-n переход полупроводниковый диод называется подмагничивающим. Внешнее напряжение на диод с p-n переходом применяется любым из двух способов: прямое смещение или обратное смещение.

Если диод p-n-перехода смещен в прямом направлении, это позволяет электрический ток.В условиях прямого смещения Полупроводник p-типа подключается к положительной клемме батареи тогда как; полупроводник n-типа подключен к отрицательный полюс аккумуляторной батареи.

Если диод p-n перехода имеет обратное смещение, он блокирует электрический ток. В условиях обратного смещения Полупроводник p-типа подключается к отрицательной клемме батареи тогда как; полупроводник n-типа подключен к положительный полюс аккумуляторной батареи.

Клеммы pn переходного диода

Как правило, Терминал относится к точке или месту, в котором любой объект начинается или заканчивается. Например, автовокзал или конечная остановка – это место, в котором все автобусы начинаются или заканчиваются. Точно так же в диод с p-n переходом, клемма означает точку, в которой носители заряда начинается или заканчивается.

П-н переходной диод состоит из двух выводов: положительного и отрицательный.В положительный полюс, все свободные электроны закончатся, и все отверстия начнутся, тогда как на отрицательной клемме все свободные электроны начнутся, и все дырки закончатся.

• Клеммы диода при прямом смещении

  
  

В диод с прямым смещением p-n перехода (p-тип подключен к положительный терминал и n-тип подключен к отрицательному клемма), клемма анода является положительной клеммой, тогда как катодная клемма – отрицательная клемма.

Анод клемма – положительно заряженный электрод или проводник, который поставляет отверстия в p-n переход. Другими словами, анодный или анодный вывод или положительный вывод является источником положительных носителей заряда (дырок) положительный заряд носители (отверстия) начинают свой путь от анодного терминала и проходит через диод и заканчивается на катодном выводе.

Катод отрицательно заряженный электрод или проводник, который поставляет свободные электроны в p-n переход. Другими словами, катодный вывод или отрицательный вывод является источником свободного электроны, отрицательные носители заряда (свободные электроны) начинает свое путешествие с катодного терминала и проходит через диод и заканчивается на анодном выводе.

свободные электроны притягиваются к анодному выводу или положительный вывод, а отверстия притягиваются к катодный вывод или отрицательный вывод.

• Клеммы диода при обратном смещении

  
  

Если диод с обратным смещением (p-тип подключен к отрицательному клемма и n-тип, подключенный к положительной клемме), клемма анода становится отрицательной клеммой, тогда как катодная клемма становится положительной клеммой.

Анод клемма или отрицательная клемма поставляет свободные электроны на p-n переход. Другими словами, анодный вывод – это источник свободных электронов, свободные электроны начинают свой путь на отрицательном или анодном выводе и заполняет большое количество дырки в полупроводнике p-типа. Отверстия в р-образном полупроводник притягивается к отрицательному выводу.Свободные электроны с отрицательной клеммы не могут двигаться к положительной клемме, потому что широкое истощение область на p-n-переходе сопротивляется или противодействует потоку свободные электроны.

Катод клемма или положительная клемма обеспечивает отверстия для p-n соединение. Другими словами, катодный вывод является источником дыры, дыры начинают свой путь на положительном или катодном терминал и занимает позицию электронов в n-типе полупроводник.Свободные электроны в n-типе полупроводник притягивается к положительному выводу. Отверстия от положительного вывода не могут двигаться в сторону отрицательная клемма, потому что широкая область истощения на p-n переход препятствует потоку дырок.

Кремний и германиевые полупроводниковые диоды

• Для при разработке диодов кремний более предпочтителен, чем германий.
• Диоды с p-n переходом из кремниевых полупроводников работают при более высокой температуре, чем германий полупроводник диоды.
  
• Нападающий напряжение смещения для кремниевого полупроводникового диода составляет примерно 0,7 вольт, тогда как для германия полупроводниковый диод примерно 0.3 вольта.
  
• Кремний полупроводниковые диоды не пропускают электрический ток расход, если напряжение на кремниевом диоде меньше чем 0,7 вольт.
• Кремний полупроводник диоды начинают пропускать ток, если напряжение приложенный на диоде достигает 0,7 вольт.
• Германий полупроводниковые диоды не пропускают электрический ток потока, если напряжение, приложенное к германиевому диоду, равно меньше 0.3 вольта.
  
• Германий полупроводниковые диоды начинают пропускать ток, если напряжение на германиевом диоде достигает 0,3 вольт.
  
• Стоимость кремниевых полупроводников невысока по сравнению с германиевые полупроводники.

Преимущества диода p-n перехода

П-н переходный диод – самая простая форма из всех полупроводниковых устройств.Однако диоды играют важную роль во многих электронные устройства.

Что такое полупроводниковый диод? Прямое и обратное соединение диода

p n переход известен как полупроводниковый диод . Переход p n используется с целью выпрямления, так как он ведет только в одном направлении. Он также известен как кристалл , , диод , , поскольку он сделан из кремния или германия, подобного кристаллу. Обозначение полупроводникового диода показано ниже.

Имеет два терминала. Он ведет себя только тогда, когда он смещен вперед. Это означает, что клемма, соединенная со стрелкой, имеет более высокий потенциал, чем клемма, подключенная к шине, как показано на рисунке выше. Когда полупроводниковый диод имеет обратное смещение, он практически не проводит через него ток.

Вольт-амперные характеристики полупроводникового диода

Вольт-амперная или ВАХ полупроводникового диода – это кривая между напряжением на переходе и током цепи.

Схема схем показана ниже.

Резистор R включен последовательно с PN переходом, который ограничивает прямой ток диода от превышения предписанного предельного значения. Характеристики изучаются по трем направлениям: нулевое внешнее напряжение, прямое смещение и обратное смещение. Они подробно описаны ниже.

Нулевое внешнее напряжение

Когда внешнее напряжение не подается, т. Е. Цепь разомкнута на ключе K, через цепь не течет ток.Это обозначено точкой 0 на графике, представленном ниже:

Прямое смещение

Когда ключ K замкнут, а переключатель двойного хода переведен в положение 1, как показано на приведенной выше принципиальной схеме A. PN-переход смещен в прямом направлении, поскольку полупроводник p-типа подключен к положительной клемме, а n-тип – к отрицательной. терминал питания. Теперь при увеличении напряжения питания изменением переменного резистора Rh. Ток в цепи увеличивается очень медленно, и кривая является нелинейной, показанной на приведенном выше характеристическом рисунке B как OA.

Медленное нарастание тока в этой области связано с тем, что приложенное извне напряжение используется для преодоления потенциального барьера 0,3 В, для Ge и 0,7 для Si PN-перехода. Однако, как только потенциальный барьер устранен, и внешнее напряжение питания увеличивается. PN-переход ведет себя как обычный проводник, и ток в цепи очень резко возрастает, что представлено областью AB.

В этот момент ток ограничен последовательным сопротивлением R и небольшим значением прямого сопротивления перехода R _f .Кривая почти линейная. Если ток превышает номинальное значение диода, диод может быть поврежден.

Напряжение колена

Прямое напряжение (0,3 В для Ge и 0,7 В для Si-диодов), при котором ток через диод или p-n-переход начинает резко возрастать, известно как Knee Voltage .

Обратное смещение

Когда двухполюсный переключатель двойного направления (DPDT) переведен в положение 2, как показано на рисунке A. pn переход имеет обратное смещение, поскольку полупроводник p-типа подключается к отрицательной клемме, а n-тип – к положительной клемме поставка.При этом условии потенциальный барьер на переходе увеличивается. Следовательно, сопротивление перехода R _{– r} становится очень большим и ток по цепи практически не течет.

Однако на практике в цепи протекает очень небольшой ток порядка микроампер. Этот ток известен как обратный ток и возникает из-за наличия неосновных носителей заряда при комнатной температуре.

Обратный ток немного увеличивается с увеличением напряжения питания обратного смещения.Если обратное напряжение постоянно увеличивается, наступает стадия, когда кинетическая энергия электронов (неосновных носителей заряда) становится настолько высокой, что они выбивают электроны из полупроводниковых связей. В точке C происходит пробой перехода, и сопротивление области барьера R _r резко падает.

Следовательно, обратный ток сильно возрастает до большого значения. Это может навсегда разрушить соединение. Обратное напряжение, при котором происходит разрыв pn-перехода, известно как напряжение пробоя .

Из всего вышеприведенного обсуждения можно сделать следующие выводы.

• При нулевом внешнем напряжении ток через цепь или диод не протекает.
• При прямом смещении ток немного увеличивается до тех пор, пока барьерный потенциал не исчезнет.
• После напряжения колена прямой ток резко возрастает.
• Прямой ток ограничен последовательным сопротивлением R и небольшим значением сопротивления перехода Rf.
• Диод разрушается, когда прямой ток превышает номинальное значение диода.
• Обратный ток немного увеличивается с увеличением напряжения из-за неосновных носителей. Максимальное значение обратного тока для Si-диода составляет всего 1 мкА. Для Ge это около 100 мкА.
• Обратное напряжение, при котором происходит разрыв перехода, известно как напряжение пробоя .
• При обратном напряжении, при обрыве перехода диод может выйти из строя.

Это все о полупроводниковых диодах.

Как работают полупроводники | HowStuffWorks

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

Поведение полупроводникового диода не идеально, как показано на этом графике:

Когда имеет обратное смещение , идеальный диод будет блокировать весь ток. Настоящий диод пропускает около 10 микроампер – немного, но все же не идеально. А если вы приложите достаточное обратное напряжение (В), соединение разорвется и пропустит ток. Обычно напряжение пробоя намного больше напряжения, чем когда-либо увидит схема, поэтому это не имеет значения.

Когда смещен в прямом направлении , для приведения в действие диода требуется небольшое напряжение.В кремнии это напряжение составляет около 0,7 вольт. Это напряжение необходимо для запуска процесса комбинации дырка-электрон на переходе.

Другой важной технологией, связанной с диодом, является транзистор. У транзисторов и диодов много общего.

Транзисторы

Транзистор создается с использованием трех слоев , а не двух слоев, используемых в диоде. Вы можете создать сэндвич NPN или PNP. Транзистор может действовать как переключатель или усилитель.

Транзистор выглядит как два последовательно соединенных диода. Можно представить, что через транзистор не может протекать ток, потому что диоды, соединенные спиной к спине, блокируют ток в обоих направлениях. И это правда. Однако, когда вы прикладываете небольшой ток к центральному слою сэндвича , через сэндвич в целом может протекать гораздо больший ток. Это дает транзистору поведение при переключении . Небольшой ток может включать и выключать больший ток.

Кремниевый чип – это кусок кремния, который может содержать тысячи транзисторов.С транзисторами, действующими как переключатели, вы можете создавать логические вентили, а с логическими вентилями вы можете создавать микропроцессорные микросхемы.

Естественный переход от кремния к легированному кремнию, транзисторам и микросхемам – вот что сделало микропроцессоры и другие электронные устройства такими недорогими и повсеместными в современном обществе. Основные принципы удивительно просты. Чудо – это постоянное совершенствование этих принципов до такой степени, что сегодня десятки миллионов транзисторов можно без больших затрат собрать на одном кристалле.

Дополнительную информацию о полупроводниках, диодах, микросхемах и многом другом можно найти по ссылкам на следующей странице.

Первоначально опубликовано: 25 апреля 2001 г.

PN Junction Diode »Примечания к электронике

Диод с PN переходом – это основная форма полупроводникового прибора, а его технология лежит в основе многих других полупроводниковых приборов.

---

Diode Tutorial:
Типы диодов Характеристики и номиналы диодов PN переходный диод ВЕЛ PIN-диод Диод с барьером Шоттки Солнечный элемент / фотоэлектрический диод Варактор / варикап Стабилитрон

---

После резисторов и конденсаторов одним из наиболее широко используемых электронных компонентов является диод с PN переходом.

Диод с PN переходом – это основной формат полупроводниковых диодов. Он используется для многих форм выпрямления для уровней тока, больших и малых, а также для уровней высокого и низкого напряжения, и это полупроводниковое устройство находит множество применений во всех видах конструкций электронных схем.

PN-переход обладает очень полезным свойством: электроны могут течь только в одном направлении. Поскольку ток состоит из потока электронов, это означает, что ток может течь только в одном направлении через структуру, но не может течь в другом направлении через переход.

диодов с PN переходом можно получить из ряда полупроводниковых материалов – самые ранние диоды, как правило, делались из германия, но сегодня большинство из них представляют собой кремниевые диоды.

Диод прост по своей основной концепции, он сформирован из соединения материалов N-типа и P-типа, хотя на самом деле производство и теория работы более сложны.

Обозначение и полярность диодной цепи

Как и любой диод, диод с PN переходом имеет два контакта или два электрода.Отсюда и название: «ди-» означает два, а «-оде» – сокращение от электрода.

Один электрод полупроводникового прибора называется анодом, а другой – катодом. Чтобы ток протекал через переход PN-диода, он должен быть смещен в прямом направлении. В этих условиях обычный ток течет от анода к катоду, но не наоборот.

Обозначение диодной цепи и физическая ориентация диода

Полярность многих проводных диодов легко определить.«Полоса» на символе схемы соответствует катоду диода и часто отмечается белой линией по окружности самого диода. Ориентация SMD-диодов менее очевидна и обычно определяется в результате того, что диоды содержатся в таком же корпусе, что и транзисторы с тремя выводами – только два используются для SMD-диодов, но они могут быть ориентированы только в одном направлении.

Когда диод с PN-переходом смещен в прямом направлении, анод является положительным по отношению к катоду, и наоборот, при обратном смещении катод является положительным по отношению к аноду.

Полярность напряжения для работы диода с PN переходом

Это означает, что, когда диод используется в такой цепи, как выпрямитель, катод обеспечивает положительный выход – анод все еще остается более положительным, как показано на схеме ниже.

Диодный выпрямитель, показывающий полярности напряжения
Полярность на диоде для условий прямого смещения / проводимости

Эта схема показывает, как анод диода положительный по отношению к катоду, а катод подключен к выходу, который является положительным по отношению к обратной стороне линия нулевого напряжения.Таким образом сохраняется полярность напряжения в цепи.

Разработка диода PN-перехода

PN-переход – одна из самых важных структур в современной электронике. Он составляет основу большинства современных полупроводниковых технологий и был первым полупроводниковым устройством, которое использовалось.

Первым использовавшимся полупроводниковым диодом был беспроводной извещатель Cat’s Whisker, который использовался в ранних беспроводных устройствах. Он состоял из проволоки, помещенной на материал, который фактически был полупроводником.Точка, где провод встречается с полупроводником, затем формирует небольшой PN-переход, который обнаруживает радиосигналы. На самом деле это была форма диода Шоттки, но, тем не менее, самая ранняя форма PN-перехода и полупроводникового устройства.

Типичный детектор кошачьих усов 1920-х годов

Диод или PN-переход был первой формой полупроводникового устройства, которое было исследовано в начале 1940-х годов, когда были предприняты первые реальные исследования в области полупроводниковой технологии. Было обнаружено, что небольшие точечные контактные диоды могли исправлять некоторые из микроволновых частот, используемых в ранних радиолокационных системах, и в результате вскоре они нашли множество применений.

Сегодня узел PN претерпел значительное развитие. Многие разновидности диодов используются во множестве приложений. В дополнение к этому, PN-переход составляет основу большей части современной полупроводниковой технологии, где он используется в транзисторах, полевых транзисторах и многих типах интегральных схем.

PN-переход используется сегодня во многих полупроводниковых устройствах, включая полупроводниковые диоды, биполярные транзисторы, полевые транзисторы с переходом, полевые МОП-транзисторы, диакритические схемы, тиристоры и симисторы – они составляют основу огромного количества современных полупроводниковых технологий.

Примечание об изобретении диода с PN переходом:

Диод с PN переходом был изобретен почти случайно, когда Рассел Ол, работающий в Bell Labs в США, заметил некоторые особенности в образце кремния с трещиной в его структуре.

Подробнее о Изобретение диода с PN переходом.

PN Соединение

PN-переход обычно изготавливается из цельного куска полупроводника, который имеет две разные области: одна сделана для P-типа, а другая для N-типа.

Соответственно, разные области полупроводника имеют разные свойства. Полупроводник N-типа имеет избыток электронов, в то время как P-тип имеет избыток дырок.

Диод можно представить как состоящий из двух областей, находящихся в тесном контакте друг с другом.

Когда это происходит, отверстия диффундируют в область N-типа, и аналогичный процесс происходит для материала P-типа.

Когда происходит эта диффузия, поток зарядов создает электрическое поле, которое начинает препятствовать потоку дальнейшего заряда, и вскоре достигается состояние равновесия, и дальнейший поток заряда не происходит.

Там, где две области встречаются и в состоянии равновесия нет свободных дырок или электронов. Это означает, что в этом регионе нет доступных зарядных устройств. Ввиду того, что эта область обеднена носителями заряда, она известна как область обеднения.

PN-переход полупроводникового диода без приложенного смещения

Область обеднения очень тонкая – часто всего несколько тысячных долей миллиметра – но этого достаточно, чтобы предотвратить нормальное протекание тока. Однако обнаружено, что в зависимости от способа приложения напряжения к переходу наблюдаются различные эффекты.

PN-переход полупроводникового диода с прямым смещением

• Текущий поток – Если напряжение приложено так, что область типа P становится положительной, а тип N становится отрицательной, дырки притягиваются к отрицательному напряжению и им помогают перескакивать через слой истощения.

  Подобным образом электроны движутся к положительному напряжению и перепрыгивают через слой обеднения. Несмотря на то, что дырки и электроны движутся в противоположных направлениях, они несут противоположные заряды и в результате представляют собой ток, протекающий в одном направлении.

• Нет тока – Если напряжение подается на PN переход в противоположном направлении, ток не течет. Причина этого в том, что дырки притягиваются к отрицательному потенциалу, приложенному к области P-типа.

  Аналогичным образом электроны притягиваются к положительному потенциалу, приложенному к области N-типа. Другими словами, дырки и электроны притягиваются от самого перехода, и ширина обедненной области увеличивается.Соответственно, через PN-переход ток не течет.

Полупроводниковый диод PN переход с обратным смещением

Характеристики PN перехода

Хотя PN-переход обеспечивает отличное выпрямляющее действие, это не идеальный диод, имеющий бесконечное сопротивление в обратном направлении и нулевое сопротивление в прямом направлении. Для того, чтобы можно было использовать PN переход, необходимо немного знать о его свойствах и характеристиках при прямом и обратном смещении.

Глядя на характеристический график PN-перехода, можно увидеть, что в прямом направлении (с прямым смещением) можно увидеть, что очень небольшой ток течет до тех пор, пока не будет достигнуто определенное напряжение. Это представляет собой работу, которая требуется для того, чтобы носители заряда могли пересечь обедненный слой. Это напряжение варьируется от одного типа полупроводника к другому. Для германия оно составляет около 0,2 или 0,3 вольт, а для кремния – около 0,6 вольт.

Можно измерить напряжение около 0.6 В на большинстве диодов с малым током, когда они смещены в прямом направлении, поскольку большинство этих электронных компонентов являются кремниевыми. Небольшое число покажет более низкое напряжение и, вероятно, будет германием. Диоды выпрямителя мощности обычно имеют большее напряжение на них, но отчасти это связано с тем, что в кремнии есть некоторое сопротивление, а отчасти с тем, что протекают более высокие токи, и они работают дальше по кривой.

PN-диод IV характеристика

В обратном направлении идеальный диод не пропускал бы ток.На самом деле протекает небольшое количество тока, хотя оно, вероятно, будет очень маленьким и находится в области пикоампер или микроампер. На схеме он увеличен, чтобы его можно было увидеть. Хотя обычно он очень низкий, характеристики любого диода будут ухудшаться при более высоких температурах, и также обнаружено, что германий не так хорош, как кремний.

Этот обратный ток является результатом так называемых неосновных носителей. Это очень небольшое количество электронов, обнаруженных в области P-типа, или дырок в области N-типа.Ранние полупроводники имели относительно высокие уровни неосновных носителей, но теперь, когда производство полупроводниковых материалов стало намного лучше, количество неосновных носителей значительно уменьшилось, как и уровни обратных токов.

Базовый диодный переход PN используется сегодня во многих электронных компонентах всей электронной промышленности: во многих новых общих конструкциях электронных схем, ВЧ конструкциях и во многих других областях.

Даже в своей базовой форме, как диод, этот электронный компонент используется в огромных количествах, но помимо этого, PN-переход составляет основу большинства современных высокотехнологичных транзисторов, интегральных схем и других полупроводниковых устройств.