Работа диода и устройство

Диод это самый простой полупроводниковый прибор всего с одним p-n переходом, имеющий два внешних вывода анод и катод. Он используется для выпрямления, детектирования, модуляции, ограничения и различных видов преобразования электрических сигналов. По функциональному назначению диоды классифицируются на выпрямительные, универсальные, СВЧ, стабилитроны, импульсные, варикапы, варисторы, переключающие, туннельные т.д.
Радиоконструкторы на любой вкус

Наверное любой начинающий радиолюбитель знает, что диод в одну сторону пропускает ток, а в другую нет. Но как, и почему он так делает, знают, а тем более понимают не многие, даже некоторые инженеры не знают этого.

Работа диода - общие принципы внутреннего устройства

Структурно диод можно представить кристаллом полупроводника, состоящим из двух областей. Одна с проводимостью p-типа, а другая – проводимостью n-типа.


Работа диода поясняющая структурная схема

Анод это плюсовой электрод, в нем основными носителями заряда являются дырки.

Катод это минусовой электрод, в нем основными носителями заряда являются электроны.

На внешних поверхностях двух областей имеются контактные металлические слои, к которым припаяны внешние выводы. Такой полупроводниковый прибор может быть только в одном из двух состояний: открыт и закрыт

Работа диода при прямом включении

Если к выводам полупроводникового прибора подсоединить постоянное напряжение: на анод подать плюс» а на вывод катода соответственно «минус», то диод откроется и через него начнет идти ток, величина которого зависит от приложенного напряжения и внутренних свойств диода.

При прямом включении электроны из n области устремятся навстречу дыркам в p-область, а дырки из p в область n. На границе электронно-дырочного перехода, они встретятся, и осуществится их взаимное поглощение или рекомбинация.

Вывод диода, подключенный к минусу, будет посылать в область n огромное количество электронов, пополняя их убывание. А вывод, соединенный с плюсом, помогает восстанавливать концентрация дырок в области p. То есть, проводимость электронно-дырочного перехода увеличится, а сопротивление току резко уменьшится, а значит, через диод потечет ток, называемый прямым током диода Iпр.

Работа диода при обратном включении

Изменим полярность нашего подключения и посмотрим на изменения в работе подключенного полупроводникового прибора.

В этом случае электроны и дырки будут, оттеснятся от p-n перехода, а на границе электронно-дырочного перехода резко возрастает потенциальный барьер или другими словами зона обедненная носителями заряда дырками и электронами, которая будет препятствовать прохождению тока.

Но, так как в каждой из области имеется небольшое количество неосновных носителей заряда, то небольшой обмен носителями заряда между областями все же происходит, но он очень мал. Такой ток получил название обратный ток Iобр.

Работа диода прямое и обратное напряжение

Напряжение, открытия диода, когда через него течет прямой ток называют прямым Uпр, а напряжение обратной полярности, при котором он запирается и через него течет Iобр называют обратным Uобр. При Uпр внутреннее сопротивление не выше нескольких десятков Ом, зато при Uобр сопротивление резко увеличивается до сотен и даже тысяч килоом. Это легко увидеть, если измерить обратное сопротивление с помощью мультиметра.

Сопротивление электронно-дырочного перехода величина не постоянная и зависит от Uпр. Чем оно выше, тем меньше сопротивление p-n переход, тем выше Iпр идущий через полупроводник. В закрытом состоянии на нем падает почти все напряжение, поэтому, Iобр ничтожно мал, а сопротивление p-n перехода огромно.

Если мы подсоединим диод в цепь переменного тока, то он будет открыт при положительных полуволне синусоидального напряжения, пропуская прямой ток , и заперт при отрицательной полуволне, почти не пропуская Iобр. Это главное свойства диодов используют для преобразования переменного напряжения в постоянный, и такие приборы называют выпрямительными.

Работа диода и его вольт амперная характеристика (ВАХ)

Зависимость тока, проходящего через электронно-дырочный переход, от величины и полярности напряжения изображают в виде кривой, называемой ВАХ

Она состоит из двух ветвей: прямая ветвь - соответствует прямому току через диод, и обратная ветвь, соответствующая обратному току.

Прямая ветвь графика круто поднимается вверх и характеризует быстрый рост прямого тока с ростом значения прямого напряжения. Обратная ветвь, наоборот следует почти параллельно горизонтальной оси и характеризует медленный рост Iобр. Чем ближе к вертикальной оси прямая ветвь и чем ближе к горизонтальной оси обратная ветвь, тем лучше выпрямительные свойства полупроводника. Наличие Iобр является недостатком. Из кривой ВАХ видно, что Iпр во много больше Iобр.

Как мы видим из графика с увеличением прямого напряжения через электронно-дырочный переход ток сначало возрастает медленно, а затем гораздо быстрее.

Но такое резкое увеличение тока нагревает молекулы полупроводника. И если количество тепла будет выше отводимого от кристалл, то могут случится необратимые изменения и разрушение кристаллической решетки.

Поэтому необходимо использовать ограничительное сопротивление включенное последовательно.

При сильном увеличении обратного напряжения, может произойти пробой электронно-дырочного прибора. Даже существуют специальные полупроводниковые приборы называемые стабилитронами в которых применяется это свойство.

Работа диода - пробой p-n перехода

Пробой p-n перехода это явление резкого возрастания обратного тока при достижении обратным напряжением определенного критического уровня. Тепловые пробои в свою очередь делятся на электрический и тепловой, а электрический пробой бывает туннельный и лавинный.

Электрический пробой происходит в результате воздействия сильного электрического поля в переходе. Такой пробой считается обратимым, так как он не приводит к повреждению кристалла, и при снижении уровня обратного напряжения характеристики диода сохраняются.

Туннельный пробой возникает в результате туннельного эффекта, который заключается в том, что при высокой напряженности электрического поля в узком p-n переходе, отдельные электроны просачиваются через переход. Такие p-n переходы возможны только при условии высокой концентрации примесей в молекуле полупроводника.

При туннельном пробое происходит резкий рост Iобр при малом обратном напряжении. На основе этого свойства были разработаны туннельные диоды. Они применяются в усилителях, генераторах синусоидальных колебаний и в различных переключающих устройствах на высоких частотах.

Лавинный пробой происходит также под действием сильного электрического поля, когда неосновные носители зарядов под действием тепла в переходе ускоряются на столько, что выбивают из атома один из валентных электронов и выкидывают его в зону проводимости, создав при этом пару электрон – дырка. Образовавшиеся свободные носители начинают разгоняться и сталкиваться с другими атомами, выбивая другие электроны. Процесс носит лавинообразный характер, что приводит к резкому увеличению Iобр при практически неизменном уровне напряжения.

Эффект лавинного пробоя применяется в мощных выпрямительных агрегатах, используемых в металлургической и химической промышленности, а также в железнодорожном транспорте.

Тепловой пробой происходит из-за перегрева p-n перехода при протекании большого уровня тока, и при плохом теплоотводе. Это приводит к резкому возрастанию температуры перехода и соседних с ним областе, увеличивается колебания атомов структуры кристалла, исчезает связь валентных электронов. Электроны начинают уходить в в зону проводимости, идет лавинообразное повышение температуры, что приводит к разрушению кристалла и выходу из строя радиокомпонента.

Работа диода в роли выпрямителя

Описание работы выпрямительного устройства на полупроводниковых диодах

Устройство, конструкция и работа светодиода их разновидности

Светодиод это полупроводниковый источник света. Генерация света в нем осуществляется за счет энергии, выделяемой при рекомбинации носителей тока дырок или электронов, в зависимости от проводимости p-n перехода, на границе полупроводниковых материалов.

Тиристоры устройство и работа

Тиристор это полупроводниковый прибор, изготовленный на основе монокристаллического полупроводника, обладающего тремя и более p-n-переходами.

Принцип работы стабилитрона

Стабилитрон — разновидность полупроводникового диода, работающего при напряжении обратного смещении в режиме пробоя. До момента наступления пробоя через стабилитрон текут совсем незначительные токи утечки, а его сопротивление достаточно высокое. В момент пробоя ток через него резко увеличивается, а его дифференциальное сопротивление снижается до малых величин. За счет этого в режиме пробоя напряжение на стабилитроне поддерживается с неплохой точностью в большом диапазоне обратных токов.

Принцип работы варикапа

Варикап - это очередная разновидность полупроводникового диод, который способен изменять свою внутреннюю емкость прямо пропорционально уровню приложенного обратного напряжения смещения p-n перехода от единиц до сотен пикофарад.

Диод Шоттки

Это еще одна разновидность типичного полупроводникового диода, его отличительная особенность это малое падение напряжения при прямом включении. Название свое он получил в честь немецкого физика изобретателя Вальтера Шоттки. В этих диодах в роли потенциального барьера применяется переход металл-полупроводник, а не p-n переход. Допустимое обратное напряжение диодов Шоттки обычно около 1200 вольт, например CSD05120 и его аналоги, на практике они используются в низковольтных цепях при обратном напряжении до нескольких десятков вольт.