Как устроен диод: Диод — полупроводниковый элемент. Принцип работы, устройство и разновидности.

Диод — полупроводниковый элемент. Принцип работы, устройство и разновидности.

Диод (Diode -eng.) – электронный прибор, имеющий 2 электрода, основным функциональным свойством которого является низкое сопротивление при передаче тока в одну сторону и высокое при передаче в обратную.

То есть при передаче тока в одну сторону он проходит без проблем, а при передаче в другую, сопротивление многократно увеличивается, не давая току пройти без сильных потерь в мощности. При этом диод довольно сильно нагревается.

Диоды бывают электровакуумные, газоразрядные и самые распространённые – полупроводниковые. Свойства диодов, чаще всего в связках между собой, используются для преобразования переменного тока электросети в постоянный ток, для нужд полупроводниковых и других приборов.

Конструкция диодов.

Конструктивно, полупроводниковый диод состоит из небольшой пластинки полупроводниковых материалов (кремния или германия), одна сторона (часть пластинки) которой обладает электропроводимостью p-типа, то есть принимающей электроны (содержащей искусственно созданный недостаток электронов («дырочная»)), другая обладает электропроводимостью n-типа, то есть отдающей электроны (содержащей избыток электронов («электронной»)).

Слой между ними называется p-n переходом. Здесь буквы p и n — первые в латинских словах negative — «отрицательный», и positive — «положительный». Сторона p-типа, у полупроводникового прибора является анодом (положительным электродом), а область n-типа — катодом (отрицательным электродом) диода.

Электровакуумные (ламповые) диоды, представляют собой лампу с двумя электродами внутри, один из которых имеет нить накаливания, таким образом подогревая себя и создавая вокруг себя магнитное поле.

При разогреве, электроны отделяются от одного электрода (катода) и начинают движение к другому электроду (аноду), благодаря электрическому магнитному полю. Если направить ток в обратную сторону (изменить полярность), то электроны практически не будут двигаться к катоду из-за отсутствия нити накаливания в аноде. Такие диоды, чаще всего применяются в выпрямителях и стабилизаторах, где присутствует высоковольтная составляющая.

Диоды на основе германия, более чувствительны на открытие при малых токах, поэтому их чаще используют в высокоточной низковольтной технике, чем кремниевые.

Типы диодов:

• · Смесительный диод — создан для приумножения двух высокочастотных сигналов.

• · pin диод — содержит область проводимости между легированными областями. Используется в силовой электронике или как фотодетектор.

• · Лавинный диод — применяется для защиты цепей от перенапряжения. Основан на лавинном пробое обратного участка вольт-амперной характеристики.

• · Лавинно-пролётный диод — применяется для генерации колебаний в СВЧ-технике. Основан на лавинном умножении носителей заряда.

• · Магнитодиод. Диод, характеристики сопротивления которого зависят от значения индукции магнитного поля и расположения его вектора относительно плоскости p-n-перехода.

• · Диоды Ганна. Используются для преобразования и генерации частоты в СВЧ диапазоне.

• · Диод Шоттки. Имеет малое падение напряжения при прямом включении.

• · Полупроводниковые лазеры.

Применяются в лазеростроении, по принципу работы схожи с диодами, но излучают в когерентном диапазоне.

• · Фотодиоды. Запертый фотодиод открывается под действием светового излучения. Применяются в датчиках света, движения и т. д.

• · Солнечный элемент (вариация солнечных батарей). При попадании света, происходит движение электронов от катода к аноду, что генерирует электрический ток.

• · Стабилитроны — используют обратную ветвь характеристики диода с обратимым пробоем для стабилизации напряжения.

• · Туннельные диоды, использующие квантовомеханические эффекты. Применяются как усилители, преобразователи, генераторы и пр.

• · Светодиоды (диоды Генри Раунда, LED). При переходе электронов, у таких диодов происходит излучение в видимом диапазоне света.

Для данных диодов используют прозрачные корпуса для возможности рассеивания света. Также производят диоды, которые могут давать излучение в ультрафиолетовом, инфракрасном и других требуемых диапазонах (в основном, литографической и космической сфере).

• · Варикапы (диод Джона Джеумма) Благодаря тому, что закрытый p—n-переход обладает немалой ёмкостью, ёмкость зависит от приложенного обратного напряжения. Применяются в качестве конденсаторов с переменной ёмкостью.

Как устроен туннельный диод: характеристики, принцип работы, маркировка

Обновлена: 24 Ноября 2022
4467
2

Поделиться с друзьями

Туннельный диод обладает особыми характеристиками, отличающими его от обычных диодов и стабилитронов. Если диоды и стабилитроны хорошо пропускают ток только в одну сторону (в обратную – только в области пробоя), то туннельный диод способен хорошо проводить ток в обе стороны. Это свойство обеспечивают особенности устройства туннельного диода: очень узкий p-n переход и значительное количество присадок. Содержание статьи История создания туннельного диода Принцип работы туннельных диодов Характеристики туннельных диодов Маркировка и обозначение туннельных диодов на схемах Область применения туннельных диодов Преимущества и недостатки туннельных диодов Как проверить туннельный диод История создания туннельного диода Эта деталь была предложена в 1956 году японским ученым Л. Есаки. Для ее изготовления использовался германий или арсенид галлия с большим количеством присадок, обладающих низким удельным сопротивлением. Арсенид галлия оказался более перспективным материалом. При производстве туннельных диодов используются: доноры – олово, сера, теллур, свинец, селен, а также акцепторы – кадмий и цинк. Применяются германиевые полупроводники, в которых: доноры – мышьяк и фосфор, а акцепторы – алюминий и галлий. Примеси вводят в состав диода путем вплавления или диффузии. Особенности и принцип действия туннельного диода Туннельные диоды с чрезвычайно малым сопротивлением относят к группе вырожденных. Для них характерны: электронно-дырочный переход – в десятки раз тоньше, по сравнению с обычными диодными устройствами; потенциальный барьер – в 2 раза выше относительно стандартных полупроводниковых деталей; наличие напряженности поля даже при отключении питающего напряжения – 106 В/см. Уникальные свойства туннельного диода проявляются в его вольтамперной характеристике (ВАХ) при прямом смещении в полупроводнике. На схеме видно, что на отрезке А ток растет с увеличением напряжения. На участке В полупроводник проявляет отрицательное сопротивление (туннельный эффект), приводящее к тому, что при росте вольтовой характеристики ток снижается. На отрезке С прибор снова обеспечивает прямую зависимость между током и напряжением. Туннельные диоды предназначены для работы как раз на отрезке, для которого характерно отрицательное сопротивление. Небольшое повышение напряжения выключает его, а снижение – включает. Основные параметры туннельных диодов При выборе этого полупроводника учитывают: ток пика – максимальный ток прямого направления; пиковое напряжение, характерное для тока пика; минимальный ток (ток впадины) и характерное для него напряжение; напряжение скачка – максимальный перепад напряжений; емкость – емкость между выводами полупроводника при определенной вольтовой характеристике смещения. Маркировка туннельных диодов и их обозначение на схеме В обозначении диодов присутствует несколько позиций (обычно 5). Первой идет буква или цифра. Цифры 1, 2, 3 обозначают, что диод предназначен для военного применения (имеет более широкий температурный рабочий интервал, по сравнению со стандартными полупроводниками). На первой позиции может стоять буква, указывающая на материал, используемый при изготовлении детали: Г – германий, А – арсенид галлия. Вторая позиция показывает класс полупроводника, Д – обозначает «диод». На третьей позиции отображают характеристики мощности или частоты. Четвертая – двух- или трехзначный серийный номер. В конце обозначения производитель предоставляет дополнительную информацию. Цветовая маркировка диодовОбозначение туннельного диода на схемах Области применения Параметры туннельного диода обеспечивают его использование в следующих областях: в качестве высокоскоростного выключателя; в роли усилителя, в котором повышение напряжения вызывает более значительный рост тока, по сравнению со стандартными диодными устройствами; для получения и усиления электромагнитных колебаний; в радиоэлектронных переключающих и импульсных устройствах различного назначения, для которых актуально высокое быстродействие. Преимущества и недостатки Плюсы туннельных диодов: особая вольтамперная характеристика в определенном интервале напряжений; уникальное быстродействие, малая инерционность; устойчивость к ионизирующему излучению; сниженное потребление электроэнергии от источника электропитания. Все туннельные диоды имеют компактные размеры. Часто они представляют собой изделия в герметичных корпусах цилиндрической формы диаметром 3-4 мм, высотой 2 мм и массой менее 1 грамма. Существенным недостатком полупроводников этого типа является значительное старение, которое приводит к изменению их свойств, а следовательно, к нарушению нормальной функциональности устройства. «Туннельники» могут утратить прежние параметры не только из-за превышенных рабочих режимов, но даже из-за длительного хранения, после чего они превращаются в «обращенные» полупроводники. Такое обстоятельство часто становится причиной некорректного функционирования промышленных осциллографов. Существуют и «обращенные» полупроводники промышленного изготовления. От туннельных они отличаются меньшей концентрацией примесей, хотя общий принцип функционирования у них одинаковый. Как проверить туннельный диод на работоспособность О работоспособности туннельного диода можно судить по характеру изменения тока при повышении/понижении напряжения, прилагаемого к детали. Для этой цели собирают несложную схему. Источником тока в этой схеме выступает гальванический элемент, имеющий ток разряда 50 мА. Для проведения измерений берем миллиамперметр, у которого ток полного отклонения должен быть не меньше, чем ток проверяемого туннельного диода. Движок переменного резистора R1 выставляют в крайнее правое положение. Диод присоединяют к зажимам З1 и З2. Движком уменьшают сопротивление резистора. Если деталь работоспособна, то ток, показываемый миллиамперметром, быстро возрастает, а затем, достигнув максимального значения, идет на резкое снижение и достигает минимума. Дальнейшее снижение сопротивления приводит к росту тока до первого максимального значения. Доводить величину тока до значения превышающего первый максимум, не рекомендуется. Была ли статья полезна? Да Нет Оцените статью Что вам не понравилось? Другие материалы по теме Анатолий Мельник Специалист в области радиоэлектроники и электронных компонентов. Консультант по подбору деталей в компании РадиоЭлемент.

Знакомство с диодами – что это такое и как это работает

Если вы знакомы с конденсаторами и резисторами, то вы знаете, что диод – это, по сути, простейший полупроводник, способный выполнять множество функций, поэтому они также бывают разных форм. Сегодня мы рассмотрим все, что вам нужно знать о диодах.

Однако, прежде чем мы сможем сразу перейти к нашей основной теме дня, давайте рассмотрим основные понятия, которые вы должны знать, что поможет вам лучше понять диоды:

• Напряжение : Разница электрического потенциала между двумя точками.
• Резистор : Пассивный двухконтактный электрический компонент, реализующий электрическое сопротивление как элемент цепи.
• Конденсатор : пассивный компонент, накапливающий электрическую энергию в электрическом поле.
• Транзистор : Полупроводниковое устройство с тремя выводами для усиления или переключения электронных сигналов и электропитания.

Если вам нужна дополнительная информация об этих концепциях, загляните в эти блоги, чтобы узнать:

• Введение в электронные компоненты: что такое конденсатор?
• Что такое транзистор? Типы, применение, принцип работы
• Введение в измерительный прибор: что такое мультиметр?
• Что происходит в электрической цепи: напряжение и ток.
• Резисторы: Подтягивающие и подтягивающие резисторы.
• Электронная схема: делители напряжения

---

С указанным указанием давайте посмотрим на то, что будет рассмотрено в этом блоге:

• Обзор диодов
• Варианты диодов
• Диодные символы и расчеты
• Diode
• Диодные проекты

---

9.

6. Диоды

Что такое диод?

Диод — это полупроводниковый прибор с двумя выводами, пропускающий ток только в одном направлении. В основном он имеет незначительное сопротивление на одном конце и высокое сопротивление на другом, чтобы предотвратить протекание тока в обоих направлениях. Таким образом, диод подобен вентилю в электрической цепи.

Ref: Wikipedia

Конструкция диода

На самом деле существует много типов диодов, но здесь мы будем говорить о конструкции базового полупроводникового диода.

Ref: Wikibooks

Как мы уже упоминали, диод — это полупроводник, поэтому он сделан либо из кремния, либо из герани. На изображении выше вы также можете видеть, что диод имеет две клеммы: анод и катод, P-переход и N-переход. В то время как область обеднения предназначена для протекания электронов.

Как работает диод?

Работа диода зависит от взаимодействия между P- и N-переходами. В нормальном сценарии P имеет высокую концентрацию дырок и низкую концентрацию свободных электронов, в то время как N имеет более низкую концентрацию дырок и более высокую концентрацию свободных электронов, электроны будут двигаться к P и позволят току течь только через P .

Приведенное выше объяснение применимо только к тому, что обычно происходит, теперь давайте рассмотрим некоторые из особых сценариев:

Прямой смещенный диод

Ref: electric4u

Это может произойти, когда положительный вывод источника подключен к P-переходу, а отрицательный вывод источника подключен к N-переходу диода при медленном увеличении напряжения от нуля.

В начале не будет протекать ток из-за потенциального барьера. Однако, если внешнее напряжение, приложенное к диоду, больше, чем прямой потенциальный барьер, диод будет действовать как короткозамкнутый путь, и только тогда ток будет ограничен внешними резисторами.

Диод обратного смещения

Ref: electric4u

Это происходит, когда источник напряжения подключен к отрицательной клемме P-перехода, а источник напряжения подключен к положительной клемме N-перехода.

Как вы уже заметили, это имеет эффект, противоположный прямому смещению диода. Из-за электростатического притяжения дырки в P-переходе будут смещены дальше от области истощения, оставив в этой области больше непокрытых отрицательных ионов. Когда это происходит, поток тока будет заблокирован, и ток не будет течь по цепи.

Несмещенный диод

Ссылка: electric4u

Когда P- и N-переход соприкасаются друг с другом, дырки начинают распространяться от P-перехода к N-переходу и наоборот. Это связано с разницей в концентрации дырок, как упоминалось ранее. В конце концов электроны рекомбинируют в обедненной области, и диффузии зарядов больше не будет.

---

Варианты диода

Как мы знаем, на рынке существует очень много вариантов диодов. Но сегодня мы будем говорить только о трех распространенных типах, чтобы было легче понять.

Стабилитрон

Ссылка: Википедия

Стабилитроны представляют собой специальные сильнолегированные полупроводниковые диоды, которые позволяют току течь в противоположном направлении при достаточном напряжении, в отличие от обычных диодов. Он специально разработан для пробоя напряжения неразрушающим способом. Благодаря сильнолегированному полупроводниковому материалу обедненная область может быть очень тонкой, что увеличивает напряженность электрического поля.

Конструкция:

Ref: узнать об электронике

Выпрямительный диод

Ref: 911electronic

Выпрямительные диоды представляют собой двухпроводные полупроводники, которые, как и другие диоды, пропускают ток только в одном направлении. Они сделаны из кремния и способны преобразовывать переменный ток (AC) в постоянный ток (DC). Этот процесс называется выпрямлением.

Конструкция:

Ref: узнайте об электронике

Популярные выпрямительные диоды:

Код: Electronicsclub

Диод Шоттки

Ref: electronics express

Диоды Шоттки представляют собой металлические полупроводниковые диоды, также известные как диоды с барьером Шоттки (SBD). Хотя они очень похожи на выпрямительные диоды, но SBC обычно больше и в них не используется полупроводниковый переход PN.

Конструкция:

Ref: инструменты

Другие варианты диодов:

• Сигнальные диоды
• Лазерные диоды
• Светодиоды
• Фотодиоды
• Тестовые диоды

---

Символы диода и расчеты

Узнав немного больше о вариантах диода и его справочной информации, давайте посмотрим на символы и расчеты.

Обозначение базовой схемы

Ссылка: globalspec

Вот как будет выглядеть и представлено на принципиальной схеме типичное условное обозначение диода с P-N переходом, а вот схематические обозначения других диодов для справки:

Ссылка: Springerlink

Diode Current Equation

Уравнение тока Didoe показывает зависимость между током, протекающим через диод, в зависимости от приложенного к нему напряжения.

Ref: electric4u

Где,

• I = ток, протекающий через диод
• I ₀ = темновой ток насыщения (относится к плотности тока утечки, протекающего через диод в отсутствие света)
• q = заряд
• В = напряжение, подаваемое через диод
• η = экспоненциальный идеальный множитель (рассматривается как 1, если это гераниевые диоды, 2, если кремниевые диоды)
• T = абсолютная температура (в Кельвинах)
• Постоянная Больцмана:

Ref: electric4u

Если это условие с прямым смещением , то уравнение тока диода будет:

Схемы выпрямителей

Ссылка: компоненты101

Как мы упоминали в разделе о выпрямительных диодах, наиболее распространенное использование диодов — это выпрямление переменного тока в постоянное, построение цепей выпрямителей. Они используются в полуволновых и полноволновых выпрямителях. В типичных приложениях преобразования энергии используется один или комбинация из четырех диодов.

Защита от обратного тока

Ref: electronicshub

В случае, если пользователь изменил полярность питания постоянного тока или неправильно подключил батарею, когда через цепь протекает большой ток, защитный диод может быть подключен последовательно, чтобы предотвратить обратное проблема с сетевым подключением.

---

Диодные проекты

После изучения всей теоретической части диодов, теперь мы можем, наконец, перейти к некоторым забавным проектам, которые вы можете сделать с диодами!

Сделайте солнечную панель из диодов!

Ref: Instructables

Заинтересованы в создании собственной солнечной панели? В этом проекте показано, как можно построить диод с диодом 1N4148, проводящим ток под действием света! Хотя это всего лишь экспериментальный прототип, вы можете приступить к его усовершенствованию и использовать свои солнечные батареи по-настоящему!

Что вам понадобится :

• Много кремниевых диодов
• Макетная плата
• Вольтметр
• Провода
• Фонарик или свет для проверки

Нажмите здесь, если зеленая энергия вас взволновала!

Лазерная ручка для выжигания по дереву

Ref: Instructables

Хотите поэкспериментировать с чем-то опасным? Вы сможете построить свою лазерную ручку для выжигания по дереву, используя только мощный лазерный диод и механический карандаш! Не забывайте надевать защитные очки во время экспериментов!

Что вам понадобится :

• Высокомощный лазерный диод с оптоволоконным соединением
• Механический карандаш.
• Радиатор и немного термопасты
• 2 батарейки типа AA или D или «чистый» блок питания
• Защита для глаз от лазера (очень важно!)

Похоже на то, что вам нравится? Проверьте этот проект здесь!

---

Сводка

И это все на диодах! Узнали ли вы что-то новое о диодах сейчас? Мы надеемся, что с этими знаниями вы сможете экспериментировать и использовать диоды в своих будущих проектах!

Теги: открытое оборудование, полупроводник

Что такое диод и как он работает?

Диод представляет собой электронный компонент, который позволяет электрическому току проходить только в одном направлении через две его клеммы (анод и катод).

В идеале можно считать, что он имеет нулевое сопротивление в первом случае и бесконечное сопротивление во втором случае.

Содержание

1. Полупроводниковый диод
   • Символ диода
2. Как работает диод
3. Типы диодов
   • Gunn diode
   • Varicap or varactor diode
   • LED diode
   • Laser diode
   • Zener diode
   • Schottky diode
   • Shockley diode
4. Applications and uses of diodes
   • Wave bridge rectifier
     • Graetz Bridge

Несколько раз мы обсуждали различные типы диодов и их применение, но мы не определяли подробно, как работают эти электронные компоненты или какие другие типы существуют помимо светодиодов.

Полупроводниковый диод

Хотя существует несколько типов диодов, этим термином обычно называют полупроводниковый диод, наиболее распространенный. Другим типом могут быть термоэлектронные диоды, работа которых основана на вакуумных вентилях и генерации электронов в одной клемме посредством эффекта джоуля, но мы не будем здесь подробно останавливаться на них.

Мы сосредоточимся на изучении твердотельных (полупроводниковых) диодов, поскольку они являются технологической основой светодиодного освещения. Тем не менее, мы не будем подробно описывать научные основы этой технологии, чтобы облегчить чтение.

Этот тип диода в основном представляет собой соединение двух полупроводниковых материалов с особыми характеристиками (p-n переход) . Один из материалов (n-типа) представляет собой отрицательно заряженную область (электроны). Другой (р-тип) заряжен положительно (дырки).

Символ диода

Электрический символ диода представляет собой равносторонний треугольник с линией, проходящей через одну его вершину одинаковой длины и параллельной противоположной стороне. Его форма похожа на стрелу.

Электронный символ диода

Интересно, что направление, в котором указывает символ, является противоположным направлением, в котором движется ток.

Соединение этих двух областей определяет поведение диода. Кроме того, именно в каждой из этих областей подключена каждая клемма устройства.

Как работает диод

Как мы только что видели, принцип работы этого устройства определяет его работу. Вообще говоря, можно сказать, что диод ведет себя двояко:

• Подобно короткому замыканию, пропускающему электричество (прямая поляризация).
• В качестве разомкнутой цепи, препятствующей прохождению тока (обратная поляризация).

Различные типы диодов могут демонстрировать уникальное поведение в зависимости от применяемой поляризации, что позволяет использовать их в самых разных приложениях, как мы увидим ниже.

Типы диодов

Существует множество различных диодов, которые имеют особые характеристики в зависимости от их внешнего вида, материалов, примесей и т. д. Эти диоды используются в очень специфических приложениях.

Некоторые из наиболее распространенных и которые мы обсудим более подробно: лазерный диод, Ганн, варикап и, конечно же, светодиод.

Диод Ганна

Применяются в высокочастотной электронике и характеризуются отрицательным сопротивлением при определенных условиях. Диоды Ганна используются в конструкции генераторов СВЧ.

В зависимости от используемых материалов могут быть достигнуты частоты колебаний выше 10 ГГц, а с диодами из нитрида галлия — до 3 ТГц.

Варикап или варакторный диод

Они сконструированы таким образом, что при обратной полярности они ведут себя как переменный конденсатор, емкость которого зависит от приложенного напряжения.

Они используются в настраиваемых цепях, где изменения емкости необходимы.

Светодиодный диод

Они отличаются тем, что рекомбинаций носителей заряда генерируют фотоны , элементарные частицы, образующие свет.

Как мы уже упоминали в других случаях, существуют различные типы светодиодов, которые составляют основу современных систем освещения.

Лазерный диод

Подобно светодиодам, этот тип диода является наиболее распространенным способом генерации лазера. Они применяются во многих областях, таких как: оптоволоконная связь, указатели, принтеры или считыватели штрих-кода, и многие другие.

Стабилитрон

Стабилитрон предназначен для работы с обратной поляризацией. Вместо того, чтобы отключать ток, как обычный диод, он начинает проводить ток в обратном направлении, когда достигается определенное напряжение. Точку, в которой это напряжение стабилизируется, часто называют напряжением Зенера.

Этот тип полупроводникового диода является основной частью регуляторов постоянного напряжения.

Диод Шоттки

Диод Шоттки назван в честь немецкого физика Вальтера Х. Шоттки. Его главная особенность заключается в том, что он может очень быстро переключаться из состояния отсечки в состояние проводимости.

Используется в интегральных схемах, где требуются высокие скорости переключения.

Диод Шокли

Диод Шокли отличается от предыдущих тем, что содержит четыре чередующихся слоя полупроводников P и N вместо двух. Они используются в цифровых приложениях, таких как счетчики и схемы таймеров.

У него даже есть статуя в Маунтин-Вью (Калифорния) перед зданием, где раньше располагались Shockley Semiconductor Laboratories.

Применение и использование диодов

Как мы видели, в зависимости от типа диода, применение очень разнообразно, они используются в освещении, радиодемодуляторах, устройствах защиты от перенапряжений или логических элементах (основное электронное устройство в конструкции микросхем) , но один из наиболее распространенных — в источниках питания, где они действуют как волновые выпрямители.

Мостовой волновой выпрямитель

Наиболее распространенными мостовыми выпрямителями являются двухполупериодные и двухполупериодные мостовые выпрямители.

Top

Диод	Максимальный ток	Maximum Reverse Current
1N4001	1A	50V
1N4002	1A	100V
1N4007	1A	1000V
1N5401	3A