Плоскостной диод: Плоскостные диоды

Содержание

Плоскостные диоды

До того времени как были получены особо чистые материалы, в электронных устройствах использовались полупроводниковые выпрямители довольно низкого качества. Фердинанд Браун (Ferdinand Braun) изобрёл точечно-контактный диод на основе сульфида свинца, PbS в 1874 году.

Меднозакисные выпрямители использовались в качестве силовых выпрямителей вплоть до 1924 года. Здесь падение напряжения на выпрямителе в режиме прямого тока составляло 0,2 В.

Вероятно, использование Cu₂O для шкалы переменного тока на мультиметрах конструкции д’Арсонваля обусловлено его линейной графической характеристикой. Этот диод также демонстрировал неплохие светочувствительные свойства.

Выпрямители на основе трёхокиси селена использовались до того, как появились современные силовые диодные выпрямители. Вместе с меднозакисными выпрямителями они являлись поликристаллическими приборами. Фотоэлементы производились из селена.

До наступления эры современных полупроводниковых приборов, диоды использовались в качестве детекторов радиочастотных излучений, которые восстанавливали звуковую составляющую радиосигнала.

В качестве «полупроводника» применял поликристаллический минерал галенит, сульфид свинца, PbS. Детектор в штепсельной вилке с регулируемой пружинкой (Cat whisker) «зондировал» поверхность кристалла детектора до установления «чувствительной точки» на поликристаллическом минерале. (На рисунке ниже) «Чувствительная» точка на кристалле галенита обнаруживалась посредством зондирования усиком контактной пружины. По-видимому точки P- и N-типа были хаотично разбросаны по поверхности кристалла вследствие наличия естественных примесей. Реже использовался железный колчедан, кошачье золото, а также карбид кремния, SiC. Детектор другого типа, часть «окопного радио» (foxhole radio), состоял из карандашного грифеля, прикреплённого к булавке, и вся эта конструкция соприкасалась со ржавым лезвием безопасной бритвы. Здесь также требовалось найти чувствительную точку, которая впрочем часто терялась в связи с вибрацией.

Кристаллический детектор

При замене минерала легированной донорной примесью (Рисунок ниже (а)) чувствительной становится вся поверхность, поэтому необходимость в поиске чувствительной точки отпала. Устройство было усовершенствовано в 1906 году Гринлифом Пикардом. Заострённый металлический контакт создавал в полупроводнике локализованную зону дырочного типа. Металлический контакт находился в фиксированном положении, а весь диод с точечным контактом был заключён в цилиндрический корпус, что обеспечивало лучшую механическую и электрическую стабильность. (Рисунок ниже (d)) Обратите внимание, что катодная пластина на рисунке соответствует физической пластине корпуса.

Кремниевые диоды с точечным контактом были важным компонентом радаров, использовавшихся во время второй мировой войны. Они были ответственны за обнаружение гигагерцовых радиочастотных эхосигналов в приёмниках радаров. Диоды с точечным контактом использовались в течение нескольких десятилетий вплоть до изобретения современных плоскостных диодов. Даже в наши дни в связи с их низким ёмкостным сопротивлением диоды с точечным контактом используются для обнаружения сверхвысоких частот. Германиевые диоды с точечным контактом некогда были широко распространены.

Предпочтение этим диодам отдавалось в связи с тем, что падение напряжения в режиме прямого тока составляло менее 0,2 В в таких приборах как безбатарейные детекторные приёмники. Диоды с точечным контактом, хотя и были чувствительны к довольно широкой полосе частот, обладали более низкой допустимой нагрузкой по току в сравнении с плоскостными диодами.

Кремниевый диод в разрезе: (a) диод с точечным контактом, (b) плоскостной диод, © схематическое изображение, (d) внешний вид небольшого сигнального диода.

В настоящее время самыми распространёнными диодами являются кремниевые плоскостные диоды. На рисунке выше (b) всё выглядит несколько сложнее, чем в случае обычного р-п-перехода, хотя это всё тот же электронно-дырочный переход. Область отмеченная как N+ является сильнолегированной и не имеет никакого отношения к полярности. Здесь сокращается последовательное сопротивление диода. Область N- является слаболегированной, на что и указывает символ (-). Благодаря этому создаётся более высокое обратное напряжение пробоя, что очень важно для высоковольтных силовых выпрямительных диодов. Низковольтные диоды, даже низковольтные силовые выпрямители, имели бы более серьёзные прямые потери при более высоком уровне легирования. При более высоком уровне легирования создаются стабилитроны, которые характеризуются низким обратным напряжением пробоя. Вместе с тем, в этом случае также увеличивается и обратный ток утечки. Область P+ у анода представляет собой сильнолегированный полупроводник P-типа. Небольшие сигнальные диоды в стеклянном корпусе выдерживают ток от 10 до 100 мА. Силовые выпрямительные диоды в пластиковом или керамическом корпусе могут выдержать ток до нескольких тысяч ампер.

Резюме:
Диоды с точечным контактом характеризуются превосходными высокочастотными характеристиками, используются в настоящее время для обнаружения СВЧ.
Размер плоскостных диодов значительно варьируется: от небольших сигнальных диодов, до силовых выпрямителей, способных выдерживать тысячи ампер.
Уровнем легирования вблизи перехода определяется обратное напряжения пробоя. Для высоковольтных диодов необходим низкий уровень легирования. При высоком уровне легирования создаётся низкое напряжение пробоя, но увеличивается обратный ток утечки. Вследствие высокого уровня легирования для стабилитронов характерно более низкое напряжение пробоя.

ДИОДЫ

Диод является двух электродным полупроводниковым прибором. Это соответственно Анод (+) или положительный электрод и Катод (-) или отрицательный электрод. Принято говорить, что диод имеет (p) и (n) области, они соединены с выводами диода. Вместе они образуют p-n переход. Разберем подробнее, что же такое этот p-n переход. Полупроводниковый диод представляет собой очищенный кристалл кремния или германия, в котором в область (p) введена акцепторная примесь, а в область (n) введена донорная примесь. В качестве донорной примеси могут выступать ионы Мышьяка, а в качестве акцепторной примеси ионы Индия. Основное свойство диода, это возможность пропускать ток только в одну сторону.

Рассмотрим приведенный ниже рисунок:

Пример односторонней проводимости диода

На этом рисунке видно, что если диод включить Анодом к плюсу питания и Катодом к минусу питания, то диод находится в открытом состоянии и проводит ток, так как его сопротивление незначительно. Если диод включен Анодом к минусу, а Катодом к плюсу, то сопротивление диода будет очень большим, и тока в цепи практически не будет, вернее он будет, но настолько маленьким, что им можно пренебречь.

Иллюстрация прямой обратный ток диода

Подробнее можно узнать, посмотрев следующий график, Вольт-Амперную характеристику диода:

Вольт-амперная характеристика диода

В прямом включении, как мы видим из этого графика диод имеет небольшое сопротивление, и соответственно хорошо пропускает ток, а в обратном включении до определенной величины напряжения диод закрыт, имеет большое сопротивление и практически не проводит ток.

В этом легко убедиться, если есть под рукой диод и мультиметр, нужно поставить прибор в положение звуковой прозвонки, либо установив переключатель мультиметра напротив значка диода, в крайнем случае, можно попробовать прозвонить диод, установив переключатель на положение 2 КОм измерения сопротивления. Изображается на принципиальных схемах диод так, как на рисунке ниже, запомнить, где какой вывод легко: ток у нас, как известно, всегда течет от плюса к минусу, так вот треугольник в изображении диода как бы показывает своей вершиной направление тока, то есть от плюса к минусу.

Диод полупроводниковый

Соединив красный щуп мультиметра с Анодом, мы можем убедиться в том, что диод пропускает ток в прямом направлении, на экране прибора будут цифры равные ~ 800-900 или близкие к этому. Подключив щупы наоборот, черный щуп к аноду, красный к катоду мы увидим на экране единицу, что подтверждает, в обратном включении диод не пропускает ток. Рассмотренные выше диоды бывают плоскостные и точечные.

Плоскостные диоды рассчитаны на среднюю и большую мощность и используют их в основном в выпрямителях. Точечные диоды рассчитаны на незначительную мощность и применяются в детекторах радиоприемников, могут работать на высоких частотах.

Плоскостной и точечный диод

Какие бывают типы диодов ?

Схематическое изображение диодов

Фото выпрямительного диода

А) На фото изображен рассмотренный нами выше диод.

Стабилитрон изображение на схеме

Б) На этом рисунке изображён стабилитрон, (иностранное название диод Зенера), он используется при обратном включении диода. Основная цель: поддержание напряжения стабильным.

Двуханодный стабилитрон – изображение на схеме

В) Двухсторонний (или двуханодный) стабилитрон.

Плюс этого стабилитрона в том, что его можно включать вне зависимости от полярности.

Туннельный диод

Г) Туннельный диод, может использоваться в качестве усилительного элемента.

Обращенный диод

Д) Обращенный диод, применяется в высокочастотных схемах для детектирования.

Варикап

Е) Варикап, применяется как конденсатор переменной ёмкости.

Фотодиод

Ж) Фотодиод, при освещении прибора в цепи, подключенной к нему, возникает ток из-за возникновения пар электронов и дырок.

Светодиоды

З) Светодиоды, всем известные, и наверное наиболее широко применяемые приборы, после обычных выпрямительных диодов. Применяются во многих электронных устройствах для индикации и не только.

Выпрямительные диоды выпускаются также в виде диодных мостов, разберем, что это такое – это соединенные для получения постоянного (выпрямленного) тока четыре диода в одном корпусе. Подключены они по Мостовой схеме, стандартной для выпрямителей:

Схема диодного моста

Имеют четыре промаркированных вывода: два для подключения переменного тока, и плюс с минусом. На фото изображен диодный мост КЦ405:

Фото диодный мост

А теперь давайте рассмотрим подробнее область применения светодиодов. Светодиоды (вернее светодиодная лампа) выпускаются промышленностью и для освещения помещений, как экономичный и долговечный источник света, с цоколем позволяющим вкрутить их в обычный патрон для ламп накаливания.

Светодиодная лампа фото

Светодиоды существуют в разных корпусах, в том числе и SMD.

smd светодиод фото

Выпускаются и так называемые RGB светодиоды, внутри них находятся три кристалла светодиодов с разным свечением Red-Green-Blue соответственно Красный – Зеленый – Голубой, эти светодиоды имеют четыре вывода и позволяют путем смешения цветов получить видимым любой цвет.

Подключение RGB ленты

Эти светодиоды в SMD исполнении часто выпускаются в виде лент с уже установленными резисторами и позволяют подключать их напрямую к источнику питания 12 вольт. Можно для создания световых эффектов использовать специальный контроллер:

Контроллер rgb

Светодиоды при использовании не любят, когда на них подается напряжение питания выше того, на которое они рассчитаны и могут перегореть сразу или спустя какое-то время, поэтому напряжение источника питания должно быть рассчитано по формулам. Для советских светодиодов типа АЛ-307 напряжение питания должно подаваться примерно 2 вольта, на импортные 2-2,5 вольта, естественно с ограничением тока.

Для питания светодиодных лент, если не используется специальный контроллер, необходимо стабилизированное питание. Материал подготовил – AKV.

Форум по радиодеталям

Характеристики диодов, конструкции и особенности применения

Вольтамперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода представляет собой зависимости между значениями напряжения (прямого и обратного) и токами (прямого и обратного). Типовая вольтамперная характеристика диода представлена на рисунке 1.

Рисунок 1.

Стоит отметить, что ВАХ для диодов различного типа отличаются. На рисунке 2 представлены характеристики германиевого (синим цветом) и кремниевого (черным цветом) диодов.

Рисунок 2.

Рассмотрим основные составляющие ВАХ диода.

Прямая ветвь ВАХ диода. Расположена в первом квадранте системы координат. Прямая ветвь ВАХ соответствует прямому включению диода. Увеличение приложенного напряжения в прямом направлении к диоду Uпр приводит к увеличению прямого тока Iпр.

Прямая ветвь ВАХ характеризуется изломом – напряжение практически не увеличивается, при этом ток стремительно возрастает. Величина этого напряжения определяет прямое падение напряжения на диоде (около 0,5…2 В). Мощность диода (количество теплоты выделяемое при его работе) определяется произведением прямого напряжения на прямой ток. Для мощных диодов на их корпусе устанавливают дополнительные радиаторы.

Рисунок 3.

Мощность, рассеиваемая диодами, может достигать 30% полезной мощности всей установки. Для снижения прямого напряжения на диоде применяют специальные диоды Шоттки (по имени изобретателя немецкого физика Вальтера Шоттки). Падение напряжения на таких диодах составляет 0,2…0,4 В.

Обратная ветвь ВАХ диода. Расположена в третьем квадранте системы координат и соответствует обратному включению диода. Включение диода в обратном направлении приводит к протеканию через р-n переход обратного тока (до нескольких микроампер). Поэтому на диоде также выделяется определенная мощность, определяемая произведением обратного тока и обратного напряжения.

Перегиб обратной ветви ВАХ диода соответствует пробою р-n перехода (диод превращается в резистор).

Применение полупроводниковых диодов в высокочастотных схемах приводит к необходимости учитывать паразитную емкость диода (электрическая емкость подобная емкости конденсатора). Однако эта емкость нашла и практическое применение в специальных диодах – варикапах.

Рисунок 4.

Конструктивно различают следующие типы диодов: плоскостные и точечные.

Точечные диоды (рисунок 5), как правило, применяются в высокочастотных схемах. Один их электродов точечного диода является металлической иглой (содержит примесь донора или акцептора), который вплавляется в кристалл полупроводника. Поэтому р-n переход в точечных диодах имеет малую площадь и, как следствие, малую паразитную емкость. Рабочая частота точечных диодов может достигать нескольких гигагерц, однако обратное напряжение для точечных диодов не превышает 5 В.

Рисунок 5.

Плоскостные диоды (рисунок 6) применяются в схемах выпрямителей. Размеры р-n перехода плоскостных диодов может достигать 100 кв. мм., поэтому величина прямого тока намного больше, чем у точечных диодов.

Рисунок 6.

Основные сферы применения полупроводниковых диодов:

1. Преобразователи напряжения (выпрямители), преобразователи частоты.
2. Детекторные приборы (фотодиоды).
3. Устройства нелинейной обработки аналоговых сигналов.

4. Стабилизированные источники питания.
5. Схемы ограничения сигналов.
6. Индикаторы (светодиоды).

Всего комментариев: 0

Полупроводниковый диод

Проводники и изоляторы

Все вещества состоят из одного или более химических элементов, таких, как кислород, сера и т. д. Мельчайшей составной частью вещества является атом. Атомы различных элементов могут, соединяясь, образовывать молекулы вещества: например, молекула воды включает в себя два атома водорода и один атом кислорода. Таким образом, получаются различные вещества.

Атом, в свою очередь, состоит из более мелких частиц, электронов, вращающихся вокруг ядра, которое находится в центре атома и содержит один или более протонов (рис. 20.1). Отрицательно заряженные электроны притягиваются положительно заряженными протонами и непрерывно вращаются по орбитам, или оболочкам, вокруг ядра. Количество электронов в точности равно количеству протонов.

Атомы различных элементов отличаются друг от друга количеством электронов: например, у атома водорода один электрон, тогда как атом углерода имеет шесть электронов. Под действием электрического потенциала электроны, слабо связанные с ядром (так называемые свободные электроны), покидают свои орбиты и начинают упорядоченное движение, образуя поток электронов, или электрический ток. Возникает электрическая проводимость.

Рис. 20.1. Атомы состоят из отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг положительного ядра.

Рис. 20.2. Проводники, полупроводники и изоляторы.

Хороший проводник имеет большое число «несвязанных», или свободных, электронов, которые способствуют возникновению электрического тока. Хороший проводник обладает столь малым сопротивлением, что им можно пренебречь. Примерами могут служить серебро, медь или алюминий (рис. 20.2).

Изолятор — это материал, имеющий очень малое количество свободных электронов. Изоляторы препятствуют протеканию электрического тока и, следовательно, обладают очень большим сопротивлением, приближающимся к сопротивлению разомкнутой цепи. Примерами могут служить стекло, сухое дерево, резина, поливинилхлорид, слюда и полистирол.

Полупроводники

Атомы полупроводников сгруппированы в правильную структуру, называемую «кристаллической решеткой». Они не являются хорошими проводниками (откуда и их название), поскольку содержат очень мало свободных электронов. Количество свободных электронов возрастает при повышении температуры, что приводит к увеличению проводимости. Эти свободные электроны называют неосновными носителями.

Проводимость также может быть улучшена посредством добавления определенного количества примесей. Такие примеси, как атомы мышьяка, вносят в решетку дополнительные электроны, в результате чего получается полупроводник n-типа. Эти атомы называются атомами-донорами. Добавление атомов, называемых атомами-акцепторами (например, атомов алюминия) приводит к недостатку электронов, или к образованию так называемых дырок, при этом получается полупроводник p-типа (рис. 20.3). Электроны и дырки, полученные при внедрении примесей, называют основными носителями.

Рис. 20.3. Полупроводники n– и p-типа Рис. 20.4. Плоскостной диод с рп-переходом.

Плоскостной диод

Если полупроводник р-типа соединить с полупроводником n-типа (рис. 20.4), то под действием диффузии электроны из области с проводимостью n-типа начнут перетекать в область с проводимостью р-типа, чтобы заполнить дырки в этой области. Перетекание электронов продолжается до тех пор, пока по обе стороны рта-перехода не образуется нейтральная зона, или так называемый обедненный слой. Этот обедненный слой приводит к возникновению потенциального барьера, препятствующего дальнейшему движению электронов через границу раздела.

Чтобы пересечь границу раздела, электроны должны теперь обладать энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера. Источником этой энергии может служить внешняя электродвижущая сила (ЭДС). Высота потенциального барьера зависит от типа применяемого полупроводника. Например, для германия (Ge) она составляет 0,3В, адля кремния (Si) – 0,6 В.

Характеристики диода

При обратном включении диода (рис. 20.5) электроны области с проводимостью n-типа (n-области) притягиваются положительным полюсом источника напряжения смещения, а дырки р-области притягиваются отрицательным полюсом. В результате обедненный слой расширяется, и увеличившийся потенциальный барьер еще сильнее препятствует проникновению электронов через границу раздела.

При прямом включении диода (рис. 20.6) обедненный слой исчезает, и электроны получают возможность перетекать через границу раздела, т. е. ток, создаваемый основными носителями, свободно протекает через диод

Рис. 20.5. Обратное включение диода. На рис. (а) видно, что обедненный слой расширился.

Рис. 20.6. Прямое включение диода. На рис, (а) показано исчезновение обедненного слоя.

Но следует отметить, что на диоде существует постоянное падение напряжения, называемое падением напряжения при прямом включении или прямым напряжением диода (0,3 В для диодов из германия и 0,6 В для кремниевых диодов).

Характеристики плоскостного диода в случае прямого включения показаны на рис. 20.7. Заметим, что, как только напряжение смещения превысит потенциальный барьер диода, через него начинает протекать большой ток. При этом очень малое увеличение напряжения смещения приводит к сильному увеличению тока, протекающего через диод. При напряжениях ниже прямого напряжения через диод протекает малый ток утечки (несколько микроампер), которым обычно пренебрегают.

Характеристики диода в случае обратного включения показаны на рис. 20.8. При обратном включении через диод протекает очень малый ток, вызванный неосновными носителями. Величина этого обратного тока практически постоянна вплоть до достижения максимального напряжения, называемого напряжением пробоя рта-перехода или обратным пиковым напряжением. Если приложить еще большее напряжение, то наступает пробой и обратный ток резко возрастает, что приводит к разрушению диода. Поэтому при включении диода в схему следует убедиться, что обратное напряжение на нем не превысит напряжение пробоя, указанное изготовителем. Германиевые диоды имеют больший ток утечки и, следовательно, более низкое сопротивление при обратном включении, чем кремниевые диоды.

Рис. 20.7. Характеристики германиевого

и кремниевого диодов при прямом включении. Рис. 20.8. Характеристики плоскостного диода в случае обратного включения.

В этом видео рассказывается о принципах работы диода:

Читать “Электроника в вопросах и ответах” – Хабловски И. (?), Скулимовски В. – Страница 14

Каковы свойства плоскостного диода?

Свойства плоскостного (полупроводникового) диода определяются явлениями, происходящими в р-n переходе. На рис. 3.5 показана характеристика типичного плоскостного диода, представляющая зависимость постоянного тока, протекающего через диод, от постоянного напряжения, подводимого к диоду. Для малых напряжений в проводящем направлении ток равен нулю. Когда напряжение таково, что преодолевается потенциальный барьер в переходе, ток начинает возрастать, сначала незначительно, а затем почти линейно.

Напряжение, необходимое для преодоления потенциального барьера (пороговое значение), составляет около 0,2 для германиевых и 0,7 Б для кремниевых диодов. При отрицательных напряжениях, смещающих диод в обратном направлении, существует относительно небольшой обратный ток, возрастающий с ростом температуры. Этот рост особенно велик для кремниевых диодов, однако обратный ток для германиевых диодов значительно больше. Обратные токи для типовых плоскостных диодов лежат обычно в пределах от микроампер до пикоампер, в то же время токи, протекающие в прямом направлении при напряжении, не превышающем нескольких вольт, составляют от нескольких миллиампер до нескольких ампер.

Рис. 3.5. Вольт-амперная характеристика плоскостного диода

Кроме вольт-амперной характеристики параметры диода определяют также указанием сопротивления в рабочей точке. Сопротивление диода в очень большой степени зависит от выбора рабочей точки, поскольку в общем зависимость тока от напряжения нелинейна.

Сопротивление полупроводникового диода в прямом направлении обычно лежит в интервале от нескольких десятков до нескольких ом, а в обратном направлении достигает нескольких сотен килоом и более.

Сопротивление диода в рабочей точке называется статическим сопротивлением или сопротивлением по постоянному току и определяется как отношение напряжения на аноде диода к току, протекающему через диод в этой точке, R_ст = U/I. Во многих применениях, например при подведении переменного напряжения к диоду, работающему в определенной рабочей точке, важно определить сопротивление диода, указывающее ход характеристики вблизи рабочей точки. В связи с этим вводится понятие динамического сопротивления (или дифференциального), определяемого наклоном касательной к характеристике диода в рабочей точке. Наклон определяется как отношение приращений напряжения и тока вблизи этой точки.

Что такое точечный диод?

Это полупроводниковый диод, в котором вместо плоской конструкции используется конструкция, состоящая из пластины полупроводника типа n или р, образующей один электрод, и металлического проводника в виде острия, являющегося другим электродом. При сплавлении острия с пластинкой образуется микропереход. Характеристика точечного диода представлена на рис. 3.6. По сравнению с плоскостным диодом падение напряжения на точечном диоде в прямом направлении очень мало (малое сопротивление).

Ток в обратном направлении значительно меняется в зависимости от напряжения. Точечные диоды обладают малой межэлектродной емкостью и часто используются для выпрямления малых токов высокой частоты.

Рис 3.6. Вольт-амперная характеристика точечного диода

Что такое диод Шотки?

Это плоскостной полупроводниковый диод с переходом металл-полупроводник вместо р-n перехода. Проводимость диода основывается на протекании основных носителей в отличие от р-n переходов, в которых ток в проводящем направлении возникает в связи с движением неосновных носителей заряда. При использовании полупроводника n-типа основными носителями являются электроны, протекающие в слой металла. По сравнению с точечным диодом диод Шотки (рис. 3.7) имеет более крутую характеристику в области малых напряжений в прямом направлении, значительно меньший обратный ток, меньший разброс параметров, большую надежность и высокую устойчивость к ударам, а также меньшее сопротивление в прямом направлении, но несколько большую паразитную емкость.

Кроме того, диод Шотки обладает малой инерционностью, что делает его пригодным для работы в качестве переключателя и в диапазоне высоких частот. Малая инерционность является следствием того, что накопленный в переходе металл — полупроводник заряд очень мал по сравнению с зарядом, который накапливается n плоскостном диоде с р-n переходом в режиме проводимости.

Диоды Шотки часто применяют в детекторах и смесителях в диапазоне частот вплоть до 2000 ГГц.

Рис. 3.7. Вольт-амперные характеристики диода Шотки (кривая 1) и точечного диода (кривая 2)

Какая разница в свойствах плоскостного и точечного диодов?

Разница в свойствах германиевых и кремниевых плоскостных диодов и точечных диодов непосредственно вытекает из сравнения вида типичных вольт-амперных характеристик, приведенных на рис. 3.8.

Рис. 3.8. Типичные вольт-амперные характеристики германиевого (кривая 1) и кремниевого (кривая 2) плоскостных диодов, а также точечного диода (кривая 3)

Что такое идеальный диод?

Идеальным диодом называют обычно диод с характеристикой, представленной на рис. 3.9. Резкий излом характеристики, состоящей из двух прямых отрезков, наблюдается при напряжении, равном нулю. С точки зрения эквивалентной схемы такой диод представляется нулевым сопротивлением в прямом направлении и бесконечно большим сопротивлением в обратном направлении. В некоторых применениях, например при детектировании, почти идеальным считается диод с прямолинейной характеристикой, представленной пунктирной линией на рис. 3.9.

Рас. 3.9. Вольт-амперная характеристика идеального диода

Такой диод при работе в прямом направлении аналогичен постоянному сопротивлению малого значения. В эквивалентной схеме идеального диода отсутствуют паразитные емкость и индуктивность, поэтому работа такого диода не зависит от частоты.

Характеристики реальных диодов (см. рис. 3.8) отличаются от характеристики идеального диода. Они обладают большой нелинейностью и большим изменением сопротивления, особенно в диапазоне малых напряжений в прямом направлении, и не имеют резкого излома характеристики при нулевом напряжении. Кроме того, в эквивалентной схеме реального диода следует учесть емкость между электродами, а для более высоких частот и паразитную индуктивность. В некоторых применениях существенна также инерционность диода в процессе переключения из прямого на обратное направление.

Свойства реального диода зависят не только от конструкции, но и от материала полупроводника. Лучшие свойства имеют диоды, у которых в качестве полупроводника применен кремний. При одной и той же конструкции кремниевые диоды отличаются меньшим обратным током, большим обратным напряжением, большей крутизной характеристики в прямом направлении и, что особенно существенно, большей допустимой температурой перехода (примерно до 170 °C), что позволяет работать при большей рассеиваемой мощности.

Устройство плоскостных диодов

Устройство точечных диодов

Точечные диоды выполнены в виде тонкой пластинки из полупроводника n-типа. Пластинку покрывают тонким слоем металла и припаивают к металлическому основанию. В противоположную сторону пластинки упирается острие тонкой контактной пружины из вольфрамовой или стальной проволоки. Острый конец проволоки покрывают слоем индия или алюминия, который является акцепторной примесью и обеспечивает создание около острия области с p-типом проводимости.

Между этой областью и основной массой полупроводника образуется p-n-переход площадью 10-12 мкм². Диоды монтируют в стеклянном, коваровом или металлическом герметичном корпусе (ковар – магнитный сплав железа (531%) с кобальтом (18 %) и никелем (29 %), обладающий низким температурным коэффициентом расширения, близким к температурному коэффициенту расширения стекла). На концах его установлены коваровые трубки с выводами. Для улучшения вентильных свойств после сборки диоды подвергают электрической формовке путем пропускания импульсов тока. При формовке происходит частичное расплавление и диффузия атомов индия или алюминия в основной полупроводник.

Из-за малой площади контакта прямой ток точечных диодов сравнительно невелик. По той же причине у них мала и межэлектродная емкость, что позволяет применять эти диоды в области очень высоких частот (СВЧ – диоды). В основном точечные диоды используют для выпрямления.

В плоскостных диодах основным элементом является пластинка из германия или кремния, в которой методом сплавления или диффузии создан плоский по форме p-n-переход.

В плоскостных германиевых диодах, получаемых сплавным методом, в пластинку из германия с n-проводимостью вплавляют каплю индия. При нагреве индий плавится и диффундирует в основной полупроводник, образуя в нем область с p-проводимостью. На границе между p- и n-областями создается ЭДП значительно большей площади, чем в точечном диоде с гораздо большим прямым током.

В плоскостных кремниевых диодах в пластинку с n-проводимостью вплавляют алюминиевый столбик, который создает область с p-типом проводимости. Для получения в кремнии сильно легированной зоны с n-проводимостью одну из сторон пластинки перед операцией сплавления покрывают фольгой (или напыляют слой сурьмянистого золота). Такой p-n-переход может изменять свои электрические характеристики под влиянием атмосферных воздействий, влаги и загрязнений. Для защиты диода от внешней среды пластинку из полупроводника вместе с припаянными к ней выводами устанавливают в металлический корпус, который затем герметизируют. Корпус также защищает полупроводниковый элемент от механических повреждений и обеспечивает нормальную работу диода в условиях вибрации, тряски и ударов.

В верхней части корпуса монтируют стеклянный изолятор, через который проходит выводная трубка. Для лучшего отвода тепла в некоторых плоскостных диодах применяют охладители – металлические пластинки из меди или алюминия, платы или специальные радиаторы.

Выпрямительный полупроводниковый диод – диод, предназначенный для выпрямления переменного тока.

Маломощные выпрямительные диоды и диоды, предназначенные для работы в высокочастотных и импульсных цепях, имеют конструкцию, аналогичную конструкции точечных диодов.

На тяговых подстанциях и электроподвижном составе применяют мощные силовые кремниевые плоскостные диоды.

Характеристика диодов

История возникновения диода

Возникновение диода обязано ученому из Великобритании Фредерику Гутри и немецкому физику Карлу Фердинанду Брауну. В 1873 и 1874 годах они открыли принцип работы термионных диодов и принцип работы кристаллических диодов. Позже термионными диодами стали называть специализированные вакуумные лампы. В начале 1880 года Томас Эдиссон повторно задокументировал работу термионного диода, но развитие этого радиоэлектронного компонента произошло только через 9 лет, когда немецкий ученый Карл Браун показал действие выпрямителя на кристалле. В начале 20 века Гринлиф Пикард предъявил публике первый радиоприемник, в основе которого был положены свойства диода реагировать на электромагнитные колебания. Промышленный выпуск диодов термионного типа (ламповых диодов) был налажен в Британии с разрешения Джона Флеминга в 1904 году, а через 2 года американец Пикард запатентовал первый детектор из кристаллов кремния. Современную терминологию слова «диод» (от греч. «di» — два, «odos» — путь) ввел Вильям Генри Иклс в 1919 году. В СССР главную роль в развитии полупроводниковых компонентов сыграл физик Б. М. Вул.

Первое развитие получили ламповые диоды или кенотроны (электровакуумные диоды), а так же газонаполненные диоды (газотроны, стабилитроны, игнитроны). Однако основной вклад в развитие радиоэлектронных компонентов внесли полупроводниковые диоды на основе кремния и германия.

Физические основы работы диода

Открытый в 1882 году химический элемент «германий» Клеменсом Винклером в процессе изучения в электричестве позволил выявить эффект полупроводника тока. Эксперименты физиков для получения одностороннего проводника тока привели к такому результату, что если к германию присоединить акцепторную примесь (барий, алюминий, галлий или индий), способную захватывать электроны, накопленные в германии, то в результате получится электронный элемент, способный пропускать электроны только в одну сторону (от германия к акцепторной смеси). Как мы знаем, электрон – это отрицательно заряженная частица, притягивающаяся к положительной частице, однако в электронике принято обозначение перемещения тока от плюса к минусу. Таким образом, диод представляет собой смесь германия или кремния с акцепторным материалом. Германий, за счет накопленных электронов несет в себе отрицательный N заряд (N — negative), а акцепторная смесь насыщается положительными P ионами (P — positive). Процесс протекания тока из P области в N область через место «соединения» или p-n переход и есть принцип работы диода. Его особенностью является возможность протекания тока только в одном направлении, поэтому диод является однонаправленным полупроводником. Отрицательно заряженную сторону с германием принято называть «катодом», а положительно заряженную половину «анодом». На схемах диод обозначается в виде направления протекания тока в виде стрелки к отрицательно заряженной стороне.

Когда диод не подключен к источнику питания, p-n переход находится в состоянии покоя. И в результате притягивания электронов к положительным ионам происходит их дрейф через переход. Такой процесс называется «диффузией», предусматривающий притягивание электронов через переход к «дыркам» положительных ионов. Диффузионное движение из-за постоянно меняющейся концентрации ионов и электронов происходит возле перехода постоянно.

При подключении к p-n структуре внешнего источника напряжения или напряжения смещения происходит изменение условий переноса заряда через переход. Важным фактором здесь становится полярность внешнего напряжения, подключенного к аноду и катоду диода.

Прямое подключение напряжения к p-n структуре

При прямом включении диода, когда плюс источника питания подключен к p-области, а минус к n-области происходит прямое протекание тока через переход. При этом электроны, находящиеся в n-области за счет подключенного минуса источника питания будут передвигаться ближе к переходу. Собственно, с положительно заряженными частицами в p-области будет происходить то же эффект. В результате p-n переход будет заполняться электронами в «дырках» (положительных ионах). Возникнет электрическое поле, которое позволит свободным электронам преодолеть сопротивление перехода, пройти барьерную зону и p-область к положительному контакту источника питания. В данной цепи возникнет электрический ток, который называют прямым током смещения перехода. Величина этого тока будет ограничена техническими характеристиками диода.

Момент, когда создается электрическое поле в p-n переходе на положительной ветви Вольт — Амперной Характеристики диода (ВАХ) отмечен некоторым напряжением ∆Ua. Это напряжение определено не только силой тока, но и сопротивлением самого p-n перехода. Чем ниже это сопротивление, тем меньше необходимо энергии для того, чтобы открыть переход, а так же его закрыть. Отступив от темы статьи, стоит сказать, что энергия в переходе при исчезновении питания моментально не пропадает. Происходит эффект рассасывания заряда, обусловленный емкостью перехода. Чем ниже эта емкость, тем быстрее диод перейдет в «выключенное» состояние с успокоением всех переходных процессов в p-n переходе. Этот параметр очень важен в частотных диодах, о которых мы расскажем ниже. В современных диодах значения напряжения ∆Ua варьируется от 0,3 до 1,2 вольта (кремний 0,8 – 1,2В., германий 0,3 – 0,6В.) в зависимости от мощности диода. Так же его называют падением напряжения p-n перехода.

Обратное подключение напряжения к p-n структуре

При подключении к диоду питания в обратном направлении происходит увеличение сопротивление p-n перехода и барьер возрастает, вследствие того, что электронам в n-области и свободным ионам в p-области легче соединиться с зарядом источника питания. При увеличении напряжения питания происходит лавинообразный отток заряженных частиц от перехода. В результате диод переходит в закрытое состояние из-за обратного напряжения.

На обратной ветви ВАХ участок 0 – 1 обусловлен небольшим обратным напряжением. При этом увеличение обратного тока наблюдается за счет уменьшения диффузионной составляющей. Другими словами в p и n областях присутствуют неосновные носители. Даже когда диод закрыт, через барьер при малом напряжении они могут протекать из одной области в другую. Значение этого тока несоизмеримо мало по сравнению с прямым током, поскольку количество неосновных носителей в разных областях p и n минимально. Начиная с точки 1 основные носители уже не способны преодолеть барьер, а диффузионные неосновные носители полностью рассасываются в свои области переходов. Этим объясняется отсутствие роста тока при увеличении обратного напряжения. Поскольку концентрация неосновных носителей заряда зависит от температуры сплава (иначе «кристалла»), то обратный ток будет увеличиваться в зависимости от увеличения температуры кристалла. Именно поэтому его называют тепловым. Это лавинообразный процесс и он подчиняется экспотенциальному закону. Именно из-за обратных токов диоды начинают греться и их устанавливают на теплоотводы. Если значение обратного тока будет выше предусмотренного диодом, то начнется неконтролируемый процесс так называемого теплового пробоя, после которого следует электрический пробой, приводящий диод в негодность. Стабильная работа кремниевых диодов возможна при температуре 130 – 135 градусов. Разрушение кристалла германиевых диодов происходит при температуре 50 – 60 градусов.

Полная вольт – амперная характеристика диода

Вольт – амперная характеристика отображает зависимость протекающего через диод тока от величины приложенного прямого и обратного напряжения. Чем круче и ближе к оси Y прямая ветвь и ближе к оси X его обратная ветвь, тем лучше выпрямительные свойства диода. При несоизмеримо большом обратном напряжении у диода наступает электрический пробой. При этом резко возрастает обратный ток. Нормальная работа диода возможна в том случае, если приложенное к нему обратное напряжение не превышает максимально допустимое, называемое пробивным напряжением. Как мы уже писали, токи диодов зависят от температуры кристалла. На каждый градус падение напряжения на p-n переходе изменяется на 2мВ. Если температура кристалла растет вверх, то обратный ток германиевых диодов увеличивается в 2 раза, у кремниевых диодов обратный ток растет в 2,5 раза на каждые 10 градусов. При этом пробивное напряжение при увеличении температуры понижается.

Конструктивное исполнение диодов

По технологическому исполнению диоды могут быть плоскостные и точечные. P-n переход плоскостных диодов (на рисунке б – плоскостной сплавной диод) выполняется на границе двух слоев в полупроводнике. Слои имеют электропроводимость разных типов. За счет большей площади перехода плоскостные диоды могут пропускать большие токи через себя. Их недостатком является большая переходная емкость , что ограничивает применение плоскостных диодов в высокочастотной технике. Однако, есть гибридные диоды, сочетающие в себе и малую емкость, и малое переходное сопротивление, и возможность пропускать большие токи. Примером может быть отечественный диод КД213.

У точечных диодов p-n переход изготовляется в месте контакта полупроводниковой пластины с острием металлической иглы. Современные диоды производят с применением германия, кремния, фосфида и арсенида галлия.

Типы и характеристика диодов

Выпрямительные диоды

Выпрямительные диоды используются для выпрямления переменных токов на частотах, как правило, ниже 50 кГц. Конструктивное исполнение таких диодов преимущественно плоскостное. За счет этого диоды позволяют проводить через себя большие выпрямленные токи. Большей частью материалом изготовления выпрямительных диодов является кремний за счет устойчивости к температурным изменениям. Основными параметрами, определяющими характеристику диода, являются:

Uпр. – постоянное прямое напряжение на диоде при заданном постоянном прямом токе.

Uобр. – постоянное напряжение, приложенное к диоду в обратном направлении.

Iпр. – постоянный ток, протекающий через диод при подключении в прямом направлении.

Iобр. – постоянный ток, протекающий через диод, включенный в обратном направлении.

Iпр.ср. – прямой ток, усредненный за период.

Iобр.ср. – обратный ток, усредненный за период.

Rдиф. – отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока.

Кроме того, всех типов существуют ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИОДОВ, определяющие их максимальные технические возможности, к которым относятся:

Uобр.max – максимальное напряжение, приложенное при обратном включении диода.

Iпр.max – максимально допустимый постоянный прямой ток (один из важнейших параметров).

Iпр.ср.max – максимально допустимый средний прямой ток.

Iвп.ср.max – максимально допустимый средний выпрямленный ток.

К дополнительным параметрам относится интервал рабочих температур.

Выпрямительные диоды широко применены в электронной схемотехнике. На их основе нередко можно встретить диодные мосты для изменения формы тока из переменного в постоянный.

Современное развитие электроники невозможно без применения высокочастотных диодов.

Высокочастотные диоды

Данные диоды используются в широком диапазоне частот вплоть до нескольких сотен мегагерц и выше. Чаще всего их применяют для модуляции и детектирования, а так же в высокочастотных радиоцепях. В качестве высокочастотных диодов используются элементы, выполненные в точечном исполнении из-за малой емкости перехода.

Для таких диодов дополнительно важны две характеристики, это максимальная рабочая частота в МГц и емкость диода в пФ.

Импульсные диоды

Импульсные диоды предназначены для преобразования импульсных сигналов. В силовой схемотехнике мощные импульсные диоды могут работать в качестве выпрямителей. Примером может служить импульсный блок питания, где они используются во вторичной цепи после импульсного трансформатора. Так же импульсные диоды применяют в телевизионной технике (детекторах видеосигналов), в ключевых и логических устройствах. Различают двух и трех электродные импульсные диоды (спаренные). Трех электродные диоды могут быть с общим анодом или с общим катодом. Для импульсных диодов свойственны следующие дополнительные характеристики:

Uпр.и – пиковое прямое напряжение при заданном импульсе тока.

Uобр.и – соответственно, обратное напряжение в пике как однократное, так и периодически повторяющееся.

Сд – общая емкость диода при заданных напряжениях и частоте. Большой параметр Сд снижает частотные свойства диода. Так же от значения Сд напрямую зависит следующий параметр.

τ вос – время восстановления с момента окончания импульса тока в состояние заданного обратного запирающего напряжения (окончание переходных процессов рассасывания заряда в p-n переходе)

Qпк – часть накопленного заряда, вытекающего во внешнюю цепь при реверсивном изменении тока с прямого значения на обратное.

Одним из основных параметров диодов Шотки является

Iпр.и max – максимально допустимый ИМПУЛЬСНЫЙ прямой ток.

Стабилитроны и стабисторы

Данный тип диодов необходим в цепях стабилизации напряжения при изменении проходящего через диод тока. Его основными характеристиками является:

Uст — напряжение стабилизации.

Iст. max и Iст. min – максимальный и минимальный ток стабилизации.

Pmax – максимально допустимая рассеиваемая мощность.

Для стабилитронов рабочим является пробойный участок ВАХ. На рисунке он отмечен расстоянием между точками Iст.min и Iст.max. На этом участке напряжение на стабилитроне остается постоянным при существенном изменении значения тока. Для стабисторов рабочим является прямой участок ВАХ. Так же существуют двуханодные стабилитроны, включающие в себя два встречно включенных p-n перехода. Каждый из этих переходов является основным при изменении полярности его подключения.

Варикап

Специальный полупроводниковый диод. Его емкость p-n перехода изменяется в значительных пределах в зависимости от приложенного к нему обратного напряжения. В случае увеличения обратного напряжения, емкость перехода уменьшается и наоборот. Варикапы активно применяются в гетеродинах (радиоблоках, где необходима регулировка частоты). К примеру, варикап довольно часто можно встретить в FM – радиоприемниках. К основным характеристикам варикапа относятся:

Сн – измеренная емкость при заданном напряжении.

Кс – соотношение емкостей при минимальном и максимально допустимом напряжении.

Iобр – максимальный ток, протекающий через варикап в обратном напрявлении. (ток утечки).

Туннельный диод

Туннельный диод используется в высокочастотных усилителях и генераторах электрических колебаний (например телевизионных усилителях). Кроме того его применяют в различных импульсных устройствах. Его особенностью является участок А-В с отрицательным дифференциальным сопротивлением, определяющим отношение между изменением напряжения к приращению тока. К его дополнительным параметрам относятся:

Iп – прямой ток в точке максимума ВАХ, при котором приращение тока к напряжению равняется 0.

Lд – индуктивность диода, препятствующая прохождению высокочастотного сигнала.

Кш – шумовая составляющая диода.

Rп – сопротивление потерь туннельного диода.

Диод Шоттки

Популярный диод в радиотехнике за счет малого шума и высокого быстродействия. Его относят к подвиду импульсных диодов. Технологически диод Шоттки выполняется из структуры металл-полупроводник. Применение диодов с барьером Шоттки самое разнообразное, от ATX блоков питания ПК, до СВЧ устройств. Переход диода Шоттки выполнен по принципу p-i-n, где в качестве i выступает высокоомный слаболегированный полупроводник. Под действием напряжения изменяются его частотные характеристики, что позволяет использовать диод в схемах управления сигналами, например аттеньюаторах, ограничителях уровня, модуляторах. Мощные диоды Шоттки могут использоваться в качестве выпрямительных радиоэлементов частотных блоков питания.

Светодиод

Специальный тип диода, который может создавать некогенерентное излучение (испускание видимых фотонов света атомами p-n перехода). В зависимости от количества легирующего материала изменяют длину спектра. За счет этого светодиоды могут изготавливать разных цветов. Применение светодиода самое широкое: от сигнальных цепей оповещения, до бытового освещения. Кроме того, при использовании специальных материалов изготовления светодиод может излучать в инфракрасном спетре. Это свойство нашло ему применение в пультах дистанционного управления и других электронных устройствах. Современные светодиоды выполняются на большие мощности (до 10Вт.) p-n переход очень чувствителен к токовым изменениям, поэтому для его использования необходим специализированный драйвер, представляющий собой стабилизатор / регулятор тока.

Фотодиод

Часто применяется для приема инфракрасного светового спектра, а так же в цепях гальванической развязки. Кроме того, первые солнечные батареи использовали именно фотодиод. Совместно с излучающими диодами или транзисторами может организовывать единое устройство, называемое оптопарой. Работа фотодиода основана на фотогальваническом эффекте, при котором за счет разделения электронов и дырок в p-n переходе начинает появляться ЭДС. В зависимости от степени освещенности уровень вырабатываемой ЭДС в фотодиоде так же изменяется.

Переходный диод

– обзор

8.7 Инженерное приложение – Дробовой шум в

p – n Переходный диод

И процесс счета Пуассона, и процесс импульсов Пуассона можно рассматривать как частные случаи общего класса процессов, о которых идет речь. до дробовых шумовых процессов. Для произвольной формы сигнала h ( t ) и набора точек Пуассона S _i процесс дробового шума строится как

(8.58) X (t) = ∑i = 1∞h (t-Si).

В качестве примера физического происхождения такого процесса рассмотрим работу диода с переходом p – n . Когда к переходу прикладывается напряжение прямого смещения, генерируется ток. Этот ток не является постоянным, но фактически состоит из дискретных дырок из области p и электронов из области n , которые обладают достаточной энергией для преодоления потенциального барьера на переходе. Носители не пересекают перекресток стабильно детерминированным образом; скорее, каждый проход является случайным событием, которое можно смоделировать как точечный процесс Пуассона.Скорость появления этого пуассоновского процесса будет зависеть от напряжения смещения на переходе. Когда носитель пересекает переход, он производит импульс тока, который мы представляем с некоторой формой импульса h ( t ), так что общая площадь до h ( t ) равна заряду в электрон, q . Таким образом, полный ток, производимый переходным диодом p – n , может быть смоделирован как процесс дробового шума.

Для начала вычислим функцию среднего дробового шума.Однако после изучения уравнения (8.58) не сразу становится очевидным, как взять ожидаемое значение для произвольной формы импульса h ( t ). Есть несколько способов достичь цели. Один из подходов состоит в том, чтобы разделить ось времени на бесконечно малые интервалы длиной Δ t . Затем определите последовательность случайных величин Бернулли V _n так, чтобы V _n = 1, если точка возникла в интервале [ n Δ t , ( n +1) Δ t ) и V _n = 0, если в том же интервале не было ни одной точки.Поскольку интервалы считаются бесконечно малыми, вероятность наличия более одной точки в одном интервале ничтожно мала. Кроме того, исходя из исходных предположений, которые привели к процессу Пуассона, распределение V _n дается формулами

(8,59) Pr (Vn = 1) = λΔt и Pr (Vn = 0) = 1-λΔt .

Процесс дробового шума можно аппроксимировать как

(8.60) X (t) ≅∑n = 0∞Vnh (t-nΔt).

В пределе Δ t → 0 приближение становится точным.Используя это альтернативное представление процесса дробового шума, вычисление средней функции не вызывает затруднений.

(8,61) E [X (t)] ≅∑n = 0∞E [Vn] h (t-nΔt) = λ∑n = 0∞h (t-nΔt) Δt.

Обратите внимание, что в этом расчете использовался тот факт, что E [ V _n ] = λΔ t . Переход к пределу при Δ t → 0 дает

(8,62) μX (t) = λ∫0∞h (t-u) du = λ∫0th (v) dv.

Строго говоря, функция среднего дробового шума не является постоянной, и поэтому процесс не является стационарным.Однако на практике импульс тока будет ограничен по времени. Предположим, что импульс тока ч ( т ) имеет длительность т _ч . То есть для т > т _ч, ч ( т ) по существу равно нулю. Для примера переходного диода p – n длительность импульса тока – это время, которое требуется носителю, чтобы пройти через область обеднения.Для большинства устройств это число может составлять небольшую долю наносекунды. Тогда для любого t > t _h,

(8,63) μX (t) = λ∫0∞h (v) dv = λq = constant.

Например, используя тот факт, что заряд электрона составляет 1,6 × 10 ⁻¹⁹ Кл, если носители совершают переходы со средней скоростью 10 ¹⁵ в секунду (1 на фемтосекунду), то средний ток производит в диоде будет 0,16 мА.

Затем мы ищем функцию автокорреляции (или автоковариации) процесса дробового шума.Здесь также можно использовать ту же процедуру, что и для вычисления средней функции.

(8,64) RXX (t, t + τ) = E [X (t) X (t + τ)] = ∑n = 0∞∑m = 0∞E [VnVm] h (t-nΔt) h ( t + τ-mΔt) = ∑n = 0∞E [Vn2] h (t-nΔt) h (t + τ-nΔt) + ∑n = 0∞E [Vn] h (t-nΔt) ∑m ≠ n ∞E [Vm] h (t + τ-mΔt) = λ∑n = 0∞h (t-nΔt) h (t + τ-nΔt) Δt + λ2∑n = 0∞h (t-nΔt) Δt∑ m ≠ n∞h (t + τ-mΔt) Δt = ∑n = 0∞h (t-nΔt) h (t + τ-nΔt) [λΔt- (λΔt) 2] + λ2∑n = 0∞h ( t-nΔt) Δt∑m = 0∞h (t + τ-mΔt) Δt

Переходя к пределу при Δ t → 0, отметим, что член, содержащий (λΔ t ) ², пренебрежимо мал по сравнению с λΔ t .Тогда полученный предел принимает вид

(8.65) RXX (t, t + τ) = λ∫0∞h (tu) h (t + τ-u) du + λ2∫0∞h (tu) du∫0 ∞h (t + τ-u) du = λ∫0th (v) h (v + τ) dv + λ2∫0th (v) dv∫0t + τh (v) dv.

Обратите внимание, что последний член (включающий произведение интегралов) – это просто произведение средней функции, вычисленной в момент времени t , и средней функции, вычисленной в момент времени t + τ. Таким образом, имеем

(8.66) RXX (t, t + τ) = λ∫0th (v) h (v + τ) dv + μX (t) μX (t + τ),

или эквивалентно, в члены автоковариационной функции,

(8.67) CXX (t, t + τ) = λ∫0th (v) h (v + τ) dv.

Как и в случае со средней функцией, видно, что автоковариационная функция является функцией не только τ, но также t . Опять же, для достаточно большого t верхний предел в предыдущем интеграле будет намного больше, чем длительность импульса, h ( t ). Следовательно, для t > t _h ,

(8.68) CXX (t, t + τ) = CXX (τ) = λ∫0∞h (v) h (v + τ) dv,

или

(8.69) RXX (t, t + τ) = RXX (τ) = λ∫0∞h (v) h (v + τ) dv + μX2.

Мы говорим, что процесс дробового шума является асимптотически WSS. То есть после достаточно длительного ожидания функции среднего и автокорреляции будут инвариантны к временным сдвигам. В этом случае фраза «достаточно долгое время» может означать малую долю наносекунды! Таким образом, для всех практических целей это WSS. Также следует отметить, что ширина функции автоковариации составляет t _h . То есть, если ч ( т ) ограничено по времени длительностью т _ч , то C _XX (τ) равно нулю для | τ | > т _ч .Эта взаимосвязь проиллюстрирована на рисунке 8.11, предполагая, что h ( t ) является прямоугольным импульсом, и подразумевает, что любые выборки процесса дробового шума, разделенные более чем t _h , будут некоррелированными.

Рисунок 8.11. (а) прямоугольный импульс тока и (б) соответствующая автоковариационная функция.

Наконец, чтобы охарактеризовать PDF процесса дробового шума, рассмотрим приближение к процессу дробового шума, приведенное в уравнении (8.60). В любой фиксированный момент времени процесс X ( t ) можно рассматривать как линейную комбинацию большого числа независимых случайных величин Бернулли. В силу центральной предельной теоремы эту сумму можно очень хорошо аппроксимировать гауссовой случайной величиной. Поскольку процесс дробового шума является WSS (по крайней мере, в асимптотическом смысле) и является гауссовским случайным процессом, то этот процесс также является стационарным в строгом смысле. Кроме того, образцы с интервалом более т _ч являются независимыми.

Пример 8.24

Рассмотрим процесс дробового шума в переходном диоде p – n , где форма импульса имеет квадратную форму, как показано на рисунке 8.11. Средний ток равен μ _X = λ q , что предположительно является желаемым сигналом, который мы пытаемся измерить. Колебания дробового шума относительно среднего значения мы рассматриваем как нежелательное нарушение или шум. Было бы интересно измерить отношение мощности в желаемой части сигнала к мощности в шумовой части сигнала.Желаемая часть имеет среднюю по времени мощность μ _X ² = (λ q ) ², в то время как шумовая часть имеет мощность σ _X ² = C _xx (0) = λ q ²/ t _h . Отношение сигнал / шум (SNR) тогда составляет

SNR = μX2σX2 = (λq) 2λq2 / th = λth.

Мы запишем это в несколько другой форме:

SNR = λth = λq (thq) = μx (thq).

Например, если длительность импульса составляла t _h = 10 пикосекунд, отношение сигнал / шум, поскольку оно зависит от силы желаемой части сигнала, будет таким, как показано на рисунке 8.12. Следует отметить, что отношение сигнал / шум достаточно велико, пока мы не попытаемся измерить сигналы ниже микроампер.

Рисунок 8.12. Отношение сигнал / шум в процессе дробового шума для примера диода с p – n переходом.

В главе 10 мы рассмотрим случайные процессы в частотной области.Используя инструменты частотной области, которые мы разработаем в этой главе, станет очевидно, что мощность шума в процессе дробового шума распределяется по очень широкой полосе пропускания (около 100 ГГц для предыдущего примера). Обычно наше измерительное оборудование не реагирует на такой широкий частотный диапазон, поэтому величина мощности шума, которую мы фактически видим, будет намного меньше, чем представленная в Примере 8.24, и будет ограничена полосой пропускания нашего оборудования.

Пример 8.25

В этом примере мы предоставляем некоторый код MATLAB для генерации образца реализации процесса дробового шума.Мы решили использовать форму импульса тока в форме, h ( t ) = t exp (- t ²), но читатель может легко изменить это, чтобы использовать и другие формы импульса. Типичная реализация показана на рисунке 8.13. Обратите внимание, что после короткого начального переходного периода процесс переходит в установившееся состояние.

Рисунок 8.13. Типичная реализация процесса дробового шума.

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
период	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 из составных полупроводников обладают электрическими и оптическими свойствами, отсутствующими в кремнии.Эти полупроводники, особенно арсенид галлия, используются в основном для высокоскоростных и оптоэлектронных приложений.

Электронные характеристики

Полупроводниковые материалы, рассматриваемые здесь, представляют собой монокристаллы – , т.е. атомов 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 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) – , то есть , 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.

Работа диода – Energy Education

Рисунок 1.P-n-переход диода вместе с его соответствующими схематическими и реальными компонентами. ^[1] Катод и анод диода помечены так, что обычный ток течет от анода к катоду через диод.

Принцип работы диода может быть трудным для понимания, поскольку он основан на довольно продвинутой квантовой механике. Однако на простейшем уровне работу диода можно понять, взглянув на поток положительных зарядов (или «дырок») и отрицательных зарядов (электронов).Технически полупроводниковый диод упоминается как p-n переход . Эти p-n-переходы также важны для работы фотоэлементов. Для правильной работы диода требуется процесс, известный как легирование. Полупроводники могут быть легированы материалами так, чтобы в них имелся избыток легко перемещаемых электронов – обычно это называется отрицательной областью или n-типа n. Кроме того, они могут быть легированы элементами, которые создают избыток дырок, которые легко поглощают эти электроны, – обычно называемые положительной областью или p-типа .^[2] ^[3] Отрицательная и положительная области диода также являются катодом и анодом компонента соответственно (см. Рисунок 1).

Различия между этими двумя материалами и их взаимодействие на очень коротких расстояниях (менее миллиметра) приводят к образованию диода при соединении двух типов. Соединение этих двух типов создает p-n-переход, а область между двумя сторонами называется обедненной областью, поскольку электроны из области n-типа диффундируют и заполняют некоторые дыры в области p-типа.Это создает отрицательные ионы в области p-типа и оставляет положительные ионы в области n-типа (см. Рисунок 2). ^[4] Он по-разному реагирует на электрические поля в зависимости от направления электрического поля. Это приводит к полезному поведению электроники в зависимости от того, каким образом приложено напряжение (или электрическое поле), это называется смещением.

Смещение

Диод (PN переход) в электрической цепи позволяет току легче течь в одном направлении, чем в другом.Прямое смещение означает подачу напряжения на диод, позволяющее легко протекать току, в то время как обратное смещение означает подачу напряжения на диод в противоположном направлении. Напряжение с обратным смещением не вызывает протекания заметного тока. Это полезно для изменения переменного тока на постоянный. У него есть и другие применения для управления электронными сигналами.

Обратное смещение

Рис. 2. Обратносмещенный p-n-переход с черными кружками, представляющими легко перемещаемые электроны, и белыми кружками, представляющими электронно-дефицитные “дырки”.«В таком соединении с обратным смещением, как этот, электроны покидают черные кружки и движутся к внешней цепи, оставляя больше положительных ионов, в то время как электроны из внешней цепи« заполняют дыры », создавая больше отрицательных ионов.

Если на диод подается напряжение таким образом, что половина диода n-типа была подключена к положительной клемме источника напряжения, а половина p-типа была подключена к отрицательной клемме, электроны из внешней цепи создаст больше отрицательных ионов в области p-типа, «заполняя дыры», и больше положительных ионов будет создано в области n-типа, поскольку электроны смещаются к положительному выводу источника напряжения (см. рисунок 2).Следовательно, область обеднения будет увеличиваться, и напряжение между областями p-типа и n-типа также будет увеличиваться, поскольку общий заряд на каждой стороне перехода увеличивается по величине до тех пор, пока напряжение на диоде не станет равным и противодействует приложенному напряжению и не компенсирует его, прекращая ток через цепь. Этот процесс происходит почти мгновенно и практически не приводит к протеканию тока через цепь, когда напряжение подается в этом направлении через диод. Это известно как p-n-переход с обратным смещением.^[5]

Прямое смещение

Рис. 3. Частично и полностью смещенный в прямом направлении p-n переход. Обратите внимание, что для сжатия обедненной области требуется минимальное напряжение.

Когда на диод подается напряжение в противоположном направлении, область обеднения начинает сокращаться (см. Рисунок 3). В диоде с обратным смещением электроны и дырки будут отводиться от перехода, но сценарий с прямым смещением гарантирует, что электроны и дырки движутся к переходу, поскольку они отталкиваются от положительных и отрицательных выводов источника напряжения соответственно. .^[1] ^[6] При достаточно большом приложенном напряжении и дырки, и электроны преодолеют область истощения и встретятся рядом с переходом, где они могут объединиться в непрерывном процессе, замыкая цепь и позволяя течь току. .

прямое напряжение и напряжение пробоя

Существует минимальное пороговое напряжение, необходимое для преодоления области истощения, которое для большинства кремниевых диодов составляет значительные 0,7 вольт. Кроме того, напряжение обратного смещения индуцирует через диод небольшой ток, называемый током утечки, которым можно пренебречь для большинства целей.Наконец, достаточно большое обратное напряжение приведет к полному электрическому пробою диода и позволит току течь через диод в обратном направлении. ^[1]

Для получения дополнительной информации о диодах см. Все о схемах или гиперфизике.

Для дальнейшего чтения

Для получения дополнительной информации см. Соответствующие страницы ниже:

Список литературы

Что такое диод? Конструкция и работа PN-переходного диода

Конструкция диода, работа, типы, VI характеристики, преимущества и применение

Что такое диод?

«Di» = два и « Ode» = электроды i.е устройство или компонент, имеющий два электрода, а именно анод «+» (P) и катод «-» (N).

Диод – двухполюсный однонаправленный прибор силовой электроники. Полупроводниковый диод – первое изобретение в семействе устройств полупроводниковой электроники. После этого изобретается много типов диодов. Но сегодня наиболее часто используемым диодом является полупроводниковый диод.

Обычно для изготовления диодов используется кремний. Но также используется другой полупроводниковый материал, такой как германий или арсенид германия.

Диод пропускает ток только в одном направлении и блокирует ток в другом. Он предлагает низкое сопротивление (в идеале нулевое) в одном направлении и высокое сопротивление (в идеале бесконечное) в другом направлении.

Символ диода

Конструкция диода

Есть два типа полупроводникового материала; Внутренний и внешний полупроводник. Собственный полупроводник – это чистый полупроводник, в котором дырка и электроны доступны в равном количестве при комнатной температуре.В обычном полупроводнике примеси добавляются для увеличения количества дырок или количества электронов. Эти примеси бывают трехвалентными (бор, индий, алюминий) или пятивалентными (фосфор, мышьяк, сурьма).

Полупроводниковый диод состоит из двух слоев. Один слой сделан из полупроводникового слоя P-типа, а второй слой сделан из полупроводникового слоя N-типа.

Если мы добавим трехвалентные примеси в кремний или германий, появится большее количество дырок, и это будет положительный заряд.Следовательно, этот слой известен как слой P-типа.

Если мы добавим пятивалентные примеси в кремний или германий, будет присутствовать большее количество электронов, и это будет отрицательным изменением. Следовательно, этот слой известен как слой N-типа.

Диод образован путем соединения полупроводников N-типа и P-типа. Это устройство представляет собой комбинацию полупроводникового материала P-типа и N-типа, поэтому оно также известно как PN Junction Diode .

Между слоями P-типа и N-типа образуется переход.Этот переход известен как PN-переход.

Диод имеет два вывода; один вывод взят из слоя P-типа и известен как анод. Второй вывод взят из материала N-типа и известен как катод.

На рисунке ниже показана основная конструкция диода.

Работа диода

В области N-типа электроны являются основными носителями заряда, а дырки – неосновными носителями заряда. В области P-типа дырки являются основными носителями заряда, а электроны – отрицательными носителями заряда.Из-за разницы концентраций основные носители заряда диффундируют и рекомбинируют с противоположным зарядом. Делает положительный или отрицательный ион. Эти ионы собираются на стыке. И этот регион известен как область истощения.

Когда анодный вывод диода соединен с отрицательным выводом, а катод соединен с положительным выводом батареи, говорят, что диод подключен с обратным смещением.

Аналогичным образом, когда анодный вывод соединен с положительным выводом, а катод соединен с отрицательным выводом батареи, диод называется подключенным с прямым смещением.

Работа диода при обратном смещении

Диод подключен с обратным смещением. В этом состоянии свободные электроны диффундируют в области P-типа и рекомбинируют с дырками. Это создаст отрицательные ионы. Точно так же дырки диффундируют в область N-типа и рекомбинируют с электронами. Это создаст положительные ионы.

Схема подключения показана на рисунке ниже.

Когда такое напряжение прикладывается к цепи, неподвижные ионы создают область обеднения, как показано на рисунке выше.Ширина области истощения велика. Следовательно, ни дырка, ни электрон больше не пересекают переход.

Он не может создать поток электронов или дырок, даже если он находится под номинальным напряжением. Следовательно, через диод невозможно протекать ток, и он ведет себя как разомкнутый переключатель.

Здесь через цепь протекает очень небольшой ток. Этот ток известен как обратный ток насыщения или обратный ток утечки. Этот ток протекает за счет неосновных носителей заряда.Этого тока недостаточно для проведения диода.

Если мы увеличим напряжение до обратного напряжения пробоя, неосновные носители заряда получат высокую кинетическую энергию и столкнутся с атомами. В этом состоянии количество ковалентных связей разорвано и огромное количество пары электрон-дырка порождает огромное количество протекающего тока.

Из-за большого тока может выйти из строя диод. Следовательно, в общем случае диод не подключен с обратным смещением.

Работа диода в состоянии прямого смещения

Когда анод соединен с положительной клеммой батареи, а катод соединен с отрицательной клеммой батареи, анод является положительным по отношению к катоду.И говорят, что диод подключен с прямым смещением.

Теперь постепенно увеличиваем напряжение питания. Если мы увеличим небольшое напряжение, основной носитель заряда не получит достаточной энергии, чтобы пересечь область обеднения.

В условиях прямого смещения ширина обедненной области очень мала. Если мы увеличим напряжение больше, чем напряжение прямого переключения, основной носитель заряда получит достаточно энергии, чтобы пересечь область истощения.

Напряжение прямого переключения кремния равно 0.7 В, а для германия напряжение прямого переключения составляет 0,3 В.

Когда напряжение питания увеличивается больше, чем это напряжение, большинство носителей заряда протекает через цепь, и диод становится проводящим.

В этом режиме работы происходит очень небольшое падение напряжения. Это падение называется падением напряжения в открытом состоянии. Схема подключения этого режима показана на рисунке ниже.

VI-характеристики диода

VI-характеристика диода показывает соотношение между током диода и напряжением.Это график между напряжением и током, где напряжение находится по оси X, а ток – по оси Y.

Принципиальная схема для получения характеристики VI диода показана на рисунке ниже.

Характеристика разделена на две части;

Когда напряжение не подается, ток, протекающий по цепи, равен нулю. Точка «О» показывает это состояние, при котором напряжение и ток равны нулю.

Прямое смещение

Когда материал или анод P-типа соединяется с положительной клеммой батареи, а материал или катод N-типа соединяется с отрицательной клеммой батареи, тогда диод подключается в прямое смещение.

Приложенное напряжение регулируется переменным резистором. Приложенное напряжение постепенно увеличивается. Ток не будет течь, пока напряжение не увеличится. Потому что в этом состоянии напряжения недостаточно для перемещения носителя заряда из одного слоя в другой.

Для кремния напряжение переключения составляет 0,7 В, а для германия – 0,3 В. Как только напряжение повышается выше этого уровня, напряжения достаточно для перемещения носителя заряда от одного носителя к другому.А из-за прохождения заряда через диод может течь ток.

Как показано в характеристиках, часть OP является нелинейной частью. Это показывает начальный период, когда напряжение ниже напряжения прямого переключения. Здесь ток очень маленький.

Часть PQ показывает, когда напряжение больше, чем напряжение прямого переключения. И в этом состоянии ток увеличивается линейно.

В этом состоянии диод работает как замыкающий переключатель, позволяя току течь.Для идеального диода сопротивление в открытом состоянии равно нулю, и он ведет себя как чистый проводник.

Обратное смещение

При обратном смещении материал или катод N-типа соединяется с отрицательной клеммой батареи. Этот тип подключения известен как подключение с обратным смещением.

В этом состоянии напряжение постепенно увеличивается с помощью переменного резистора. Но этого напряжения недостаточно, чтобы вызвать протекание тока.

Поскольку соединение, созданное между слоями P-типа и N-типа, имеет обратное смещение, и в этом состоянии ширина обеднения велика.Следовательно, номинального напряжения недостаточно для движения носителя заряда.

Значит, через диод ток не протекает. Кривая в этом режиме – OA. Как показано на графике, из-за неосновных носителей заряда будет протекать очень небольшой ток, этого тока недостаточно для включения диода.

Когда приложенное напряжение больше, чем напряжение обратного пробоя, будет течь большой ток из-за лавинного пробоя. Эта часть обозначена на графике буквой AB.

Типы диодов

Существуют разные типы диодов, и мы очень подробно объяснили каждый тип диода в предыдущем посте. Вы можете обратиться к статье о 24 типах диодов.

Преимущества диодов

Вот некоторые преимущества диодов с PN переходом по сравнению с вакуумными диодами.

Маленький размер
Требуется меньше места
Низкий вес
Самый надежный в эксплуатации
Низкое энергопотребление
Увеличенный срок службы и эффективность
Низкое внутреннее сопротивление
Простота установки и обслуживания
Простая конструкция и strong
низкая стоимость и простота доступности

Применение диодов

Диоды используются в различных приложениях в силовой электронике.Диод представляет собой однонаправленное устройство с двумя выводами, которое позволяет пропускать ток только в одном направлении и блокирует ток в другом направлении. Благодаря этой характеристике диод используется в таких приложениях, как;

Выпрямитель
Схема умножителя напряжения
Ограничитель перенапряжения
Схема ограничителя и фиксатора
Схема защиты от обратного тока
Цифровые логические вентили
Используется в солнечных панелях для предотвращения протекания тока в обратном направлении и используется для обхода солнечной пластины.
Он также используется для модуляции и демодуляции сигналов связи.

Есть много других типов диодов, которые сделаны для нескольких типов диодов, таких как;

Фотодиод используется для преобразования энергии фотонов в электрическую.
Светоизлучающий диод используется для освещения.
Стабилитрон используется как схема регулятора напряжения.
В ВЧ цепи используется туннельный диод.
Диод переменной емкости используется для настройки.

Похожие сообщения:

Формирование PN-соединения | PVEducation

Обзор

Соединение материала n-типа с материалом p-типа заставляет избыточные электроны в материале n-типа диффундировать к стороне p-типа, а избыточные дырки из материала p-типа диффундировать к стороне n-типа.
Движение электронов в сторону p-типа обнажает остовы положительных ионов на стороне n-типа, в то время как движение дырок в сторону n-типа обнажает остовы отрицательных ионов на стороне p-типа, в результате чего возникает электронное поле на стыке и формируя область истощения.
Напряжение возникает из-за электрического поля, образованного на стыке.

Переходы

P-n формируются путем соединения полупроводниковых материалов типа n и p , как показано ниже. Поскольку область типа n имеет высокую концентрацию электронов, а область типа p – высокую концентрацию дырок, электроны диффундируют со стороны типа n на сторону типа p . Точно так же отверстия перетекают за счет диффузии со стороны типа p на сторону типа n .Если бы электроны и дырки не были заряжены, этот процесс диффузии продолжался бы до тех пор, пока концентрация электронов и дырок на обеих сторонах не станет одинаковой, как это происходит, если два газа вступают в контакт друг с другом. Однако в переходе p-n , когда электроны и дырки перемещаются на другую сторону перехода, они оставляют незащищенные заряды на узлах атомов примеси, которые закреплены в кристаллической решетке и не могут двигаться. На стороне типа n обнажены сердечники положительных ионов.На стороне типа p обнажены сердечники с отрицательными ионами. Электрическое поле E образуется между сердечниками положительных ионов в материале типа n и сердечниками отрицательных ионов в материале типа p . Эта область называется «обедненной областью», поскольку электрическое поле быстро выметает свободные носители, следовательно, эта область обеднена свободными носителями. «Встроенный» потенциал V _bi формируется на стыке за счет E . На анимации ниже показано формирование E на стыке между материалом типа n и p .

Поставщики и ресурсы беспроводной связи RF

О мире беспроводной связи RF

Веб-сайт RF Wireless World является домом для поставщиков и ресурсов радиочастотной и беспроводной связи. На сайте представлены статьи, руководства, поставщики, терминология, исходный код (VHDL, Verilog, MATLAB, Labview), тестирование и измерения, калькуляторы, новости, книги, загрузки и многое другое.

Сайт RF Wireless World охватывает ресурсы по различным темам, таким как RF, беспроводная связь, vsat, спутник, радар, волоконная оптика, микроволновая печь, wimax, wlan, zigbee, LTE, 5G NR, GSM, GPRS, GPS, WCDMA, UMTS, TDSCDMA, Bluetooth, Lightwave RF, z-wave, Интернет вещей (IoT), M2M, Ethernet и т. Д.Эти ресурсы основаны на стандартах IEEE и 3GPP. В нем также есть академический раздел, который охватывает колледжи и университеты по инженерным дисциплинам и MBA.

Статьи о системах на основе Интернета вещей

Система обнаружения падений для пожилых людей на основе Интернета вещей : В статье рассматривается архитектура системы обнаружения падений, используемой для пожилых людей. В нем упоминаются преимущества или преимущества системы обнаружения падений Интернета вещей. Читать дальше➤
Также обратитесь к другим статьям о системах на основе Интернета вещей следующим образом:
• Система очистки туалетов самолета. • Система измерения столкновений • Система отслеживания скоропортящихся продуктов и овощей • Система помощи водителю • Система умной торговли • Система мониторинга качества воды. • Система Smart Grid • Система умного освещения на базе Zigbee • Интеллектуальная система парковки на базе Zigbee. • Система умной парковки на основе LoRaWAN

RF Статьи о беспроводной связи

В этом разделе статей представлены статьи о физическом уровне (PHY), уровне MAC, стеке протоколов и сетевой архитектуре на основе WLAN, WiMAX, zigbee, GSM, GPRS, TD-SCDMA, LTE, 5G NR, VSAT, Gigabit Ethernet на основе IEEE / 3GPP и т. Д. .стандарты. Он также охватывает статьи, относящиеся к испытаниям и измерениям, по тестированию на соответствие, используемым для испытаний устройств на соответствие RF / PHY. УКАЗАТЕЛЬ СТАТЬИ ДЛЯ ССЫЛКИ >>.

Физический уровень 5G NR : Обработка физического уровня для канала 5G NR PDSCH и канала 5G NR PUSCH рассмотрена поэтапно. Это описание физического уровня 5G соответствует спецификациям физического уровня 3GPP. Читать дальше➤

Основы повторителей и типы повторителей : В нем объясняются функции различных типов ретрансляторов, используемых в беспроводных технологиях.Читать дальше➤

Основы и типы замирания : В этой статье описываются мелкомасштабные замирания, крупномасштабные замирания, медленные, быстрые и т. Д., Используемые в беспроводной связи. Читать дальше➤

Архитектура сотового телефона 5G : В этой статье рассматривается блок-схема сотового телефона 5G с внутренними модулями 5G. Архитектура сотового телефона. Читать дальше➤

Основы помех и типы помех: В этой статье рассматриваются помехи в соседнем канале, помехи в совмещенном канале, Электромагнитные помехи, ICI, ISI, световые помехи, звуковые помехи и т. Д.Читать дальше➤

5G NR Раздел

В этом разделе рассматриваются функции 5G NR (New Radio), нумерология, диапазоны, архитектура, развертывание, стек протоколов (PHY, MAC, RLC, PDCP, RRC) и т. Д. 5G NR Краткий указатель ссылок >>
• Мини-слот 5G NR • Часть полосы пропускания 5G NR • 5G NR CORESET • Форматы DCI 5G NR • 5G NR UCI • Форматы слотов 5G NR • IE 5G NR RRC • 5G NR SSB, SS, PBCH • 5G NR PRACH • 5G NR PDCCH • 5G NR PUCCH • Эталонные сигналы 5G NR • 5G NR m-последовательность • Золотая последовательность 5G NR • 5G NR Zadoff Chu Sequence • Физический уровень 5G NR • Уровень MAC 5G NR • Уровень 5G NR RLC • Уровень 5G NR PDCP

Учебные пособия по беспроводным технологиям

В этом разделе рассматриваются учебные пособия по радиочастотам и беспроводной связи.Он охватывает учебные пособия по таким темам, как сотовая связь, WLAN (11ac, 11ad), wimax, bluetooth, zigbee, zwave, LTE, DSP, GSM, GPRS, GPS, UMTS, CDMA, UWB, RFID, радар, VSAT, спутник, WLAN, волновод, антенна, фемтосота, тестирование и измерения, IoT и т. Д. См. УКАЗАТЕЛЬ Учебников >>

Учебное пособие по 5G – В этом учебном пособии по 5G также рассматриваются следующие подтемы по технологии 5G:
Учебное пособие по основам 5G Частотные диапазоны руководство по миллиметровым волнам Волновая рама 5G мм Зондирование волнового канала 5G мм 4G против 5G Испытательное оборудование 5G Сетевая архитектура 5G Сетевые интерфейсы 5G NR канальное зондирование Типы каналов 5G FDD против TDD Разделение сети 5G NR Что такое 5G NR Режимы развертывания 5G NR Что такое 5G TF

В этом руководстве по GSM рассматриваются основы GSM, сетевая архитектура, сетевые элементы, системные спецификации, приложения, Типы пакетов GSM, структура или иерархия кадров GSM, логические каналы, физические каналы, Физический уровень GSM или обработка речи, вход в сеть мобильного телефона GSM, установка вызова или процедура включения питания, MO-вызов, MT-вызов, VAMOS, AMR, MSK, модуляция GMSK, физический уровень, стек протоколов, основы работы с мобильным телефоном, Планирование RF, нисходящая линия связи PS и восходящая линия связи PS.
➤Подробнее.

LTE Tutorial , охватывающий архитектуру системы LTE, охватывающий основы LTE EUTRAN и LTE Evolved Packet Core (EPC). Он обеспечивает связь с обзором системы LTE, радиоинтерфейсом LTE, терминологией LTE, категориями LTE UE, структурой кадра LTE, физическим уровнем LTE, Стек протоколов LTE, каналы LTE (логические, транспортные, физические), пропускная способность LTE, агрегация несущих LTE, передача голоса по LTE, расширенный LTE, Поставщики LTE и LTE vs LTE продвинутые.➤Подробнее.

RF Technology Stuff

Эта страница мира беспроводной радиосвязи описывает пошаговое проектирование преобразователя частоты RF на примере преобразователя RF UP диапазона 70 МГц в диапазон C. для микрополосковой платы с использованием дискретных радиочастотных компонентов, а именно. Смесители, гетеродин, MMIC, синтезатор, опорный генератор OCXO, колодки аттенюатора. ➤Подробнее.
➤Проектирование и разработка радиочастотного трансивера ➤Конструкция RF-фильтра ➤Система VSAT ➤Типы и основы микрополосковой печати ➤ОсновыWaveguide

Секция испытаний и измерений

В этом разделе рассматриваются контрольно-измерительные ресурсы, испытательное и измерительное оборудование для тестирования ИУ на основе Стандарты WLAN, WiMAX, Zigbee, Bluetooth, GSM, UMTS, LTE.ИНДЕКС испытаний и измерений >>
➤Система PXI для T&M. ➤ Генерация и анализ сигналов ➤Измерения слоя PHY ➤Тест устройства на соответствие WiMAX ➤ Тест на соответствие Zigbee ➤ Тест на соответствие LTE UE ➤Тест на соответствие TD-SCDMA

Волоконно-оптическая технология

Оптоволоконный компонент , основные сведения, включая детектор, оптический соединитель, изолятор, циркулятор, переключатели, усилитель, фильтр, эквалайзер, мультиплексор, разъемы, демультиплексор и т. д.Эти компоненты используются в оптоволоконной связи. Оптические компоненты INDEX >>
➤Учебное пособие по оптоволоконной связи ➤APS в SDH ➤SONET основы ➤SDH Каркасная конструкция ➤SONET против SDH

Поставщики, производители радиочастотных беспроводных устройств

Сайт RF Wireless World охватывает производителей и поставщиков различных радиочастотных компонентов, систем и подсистем для ярких приложений, см. ИНДЕКС поставщиков >>.

Поставщики радиочастотных компонентов, включая радиочастотный изолятор, радиочастотный циркулятор, радиочастотный смеситель, радиочастотный усилитель, радиочастотный адаптер, радиочастотный разъем, радиочастотный модулятор, радиочастотный трансивер, PLL, VCO, синтезатор, антенну, генератор, делитель мощности, сумматор мощности, фильтр, аттенюатор, диплексор, дуплексер, микросхема резистора, микросхема конденсатора, микросхема индуктивности, ответвитель, оборудование ЭМС, программное обеспечение для проектирования радиочастот, диэлектрический материал, диод и т. д.Производители RF компонентов >>
➤Базовая станция LTE ➤RF Циркулятор ➤RF Изолятор ➤Кристаллический осциллятор

MATLAB, Labview, встроенные исходные коды

Раздел исходного кода RF Wireless World охватывает коды, связанные с языками программирования MATLAB, VHDL, VERILOG и LABVIEW. Эти коды полезны для новичков в этих языках. ИНДЕКС ИСХОДНОГО КОДА >>
➤3-8 декодер кода VHDL ➤Код MATLAB для дескремблера ➤32-битный код ALU Verilog ➤T, D, JK, SR flipflop коды labview

* Общая информация о здоровье населения *

Выполните эти пять простых действий, чтобы остановить коронавирус (COVID-19).
СДЕЛАЙТЕ ПЯТЬ
1. РУКИ: часто мойте их
2. КОЛЕНО: Откашляйтесь
3. ЛИЦО: Не трогай его
4. НОГИ: держитесь на расстоянии более 3 футов (1 м) друг от друга
5. ЧУВСТВОВАТЬ: Болен? Оставайся дома

Используйте технологию отслеживания контактов >>, соблюдайте >> рекомендации по социальному дистанцированию и установить систему видеонаблюдения >> чтобы спасти сотни жизней. Использование концепции телемедицины стало очень популярным в таким странам, как США и Китай, чтобы остановить распространение COVID-19, поскольку это заразное заболевание.

RF Беспроводные калькуляторы и преобразователи

Раздел «Калькуляторы и преобразователи» охватывает ВЧ-калькуляторы, беспроводные калькуляторы, а также преобразователи единиц измерения. Сюда входят такие беспроводные технологии, как GSM, UMTS, LTE, 5G NR и т. Д. СПРАВОЧНЫЕ КАЛЬКУЛЯТОРЫ Указатель >>.
➤ Калькулятор пропускной способности 5G NR ➤5G NR ARFCN против преобразования частоты ➤Калькулятор скорости передачи данных LoRa ➤LTE EARFCN для преобразования частоты ➤ Калькулятор антенн Яги ➤ Калькулятор времени выборки 5G NR

IoT-Интернет вещей Беспроводные технологии

Раздел IoT охватывает беспроводные технологии Интернета вещей, такие как WLAN, WiMAX, Zigbee, Z-wave, UMTS, LTE, GSM, GPRS, THREAD, EnOcean, LoRa, SIGFOX, WHDI, Ethernet, 6LoWPAN, RF4CE, Bluetooth, Bluetooth Low Power (BLE), NFC, RFID, INSTEON, X10, KNX, ANT +, Wavenis, Dash7, HomePlug и другие.Он также охватывает датчики Интернета вещей, компоненты Интернета вещей и компании Интернета вещей.
См. Главную страницу IoT >> и следующие ссылки.
➤ НИТЬ ➤EnOcean ➤Учебник по LoRa ➤Учебник по SIGFOX ➤WHDI ➤6LoWPAN ➤Zigbee RF4CE ➤NFC ➤Lonworks ➤CEBus ➤UPB

СВЯЗАННЫЕ ЗАПИСИ

RF Wireless Tutorials

Различные типы датчиков

Поделиться страницей

Перевести страницу

ECSTUFF4U для инженера-электронщика: что такое PN-переходный диод | Символ | Приложение

Диод с P-N переходом – это кремний.Диод с P-N переходом является основным элементом полупроводниковых диодов. Один из выводов легирован материалом p-типа 879, а другой – материалом N-типа. Схематический символ, показанный на рисунке, диод с P-N переходом состоит из кремния P-типа и кремниевых полупроводниковых материалов N-типа. P-N-переходный диод используется в различных приложениях, таких как ЛАЗЕР, солнечные элементы, светодиоды, разработка цифровой логики, источник питания постоянного тока и т. Д. В этой статье также описаны многие другие приложения, перечисленные ниже.

Обозначение PN-переходного диода:

Применение диода PN перехода:

Применение светодиода
Лазер
Могут также использоваться солнечные батареи
Используется в детекторе, а также в схеме демодулятора
Он используется во многих схемах или диодах, переключающих диодах, стабилитронах, фотодиодах PIN, варакторных диодах
Используется в качестве переключателей в схемах цифровой логики
Также могут использоваться фотодиоды на p-n переходе
Может использоваться как выпрямитель в блоке питания постоянного тока
Также используется схема отсечки
Может также использоваться в компьютерах, радиоприемниках, радарах в качестве схемы формирования сигнала

V-I характеристики диода с PN переходом:

Когда анод положительный по отношению к катоду, диод должен быть смещен в прямом направлении.От В _с = 0 до полного напряжения включения прямой ток диода очень мал.
Падение напряжения также называется пороговым напряжением или напряжением включения.
Для диода меньшей мощности ток в прямом направлении увеличивается сначала по экспоненте с напряжением, а затем становится почти линейным.
Когда катод положительный по отношению к аноду, диод называется обратным смещением.
В состоянии обратного смещения небольшой обратный ток называется током утечки.
Ток утечки почти не зависит от величины обратного напряжения, пока это напряжение не достигнет напряжения пробоя.
При этом обратном пробое напряжение остается почти постоянным, но обратный ток становится довольно высоким, ограничиваясь только сопротивлением внешней цепи.
Большое обратное напряжение пробоя, связанное с высоким обратным током, поэтому теряется мощность и, возможно, выходит из строя диод.
Это показывает, что необходимо избегать обратного пробоя силового диода, эксплуатируя его ниже определенного пикового обратного повторяющегося напряжения, показанного на рисунке.

Диод с P-N переходом – это кремний. Диод с P-N переходом является основным элементом полупроводниковых диодов. Один из выводов легирован материалом p-типа 879, а другой – материалом N-типа. Схематический символ, показанный на рисунке, диод с P-N переходом состоит из кремния P-типа и кремниевых полупроводниковых материалов N-типа. P-N-переходный диод используется в различных приложениях, таких как ЛАЗЕР, солнечные элементы, светодиоды, разработка цифровой логики, источник питания постоянного тока и т. Д. В этой статье также описаны многие другие приложения, перечисленные ниже.