Принцип работы диода. вольт-амперная характеристика. пробои p-n перехода

Назначение

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

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

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

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода.

Зависимость тока, проходящего через p-n переход, от величины и полярности приложенного к нему напряжения изображают в виде кривой, называемой вольт-амперной характеристикой диода.

На графике ниже изображена такая кривая. По вертикальной оси в верхней части обозначены значения прямого тока (Iпр), а в нижней части — обратного тока (Iобр).
По горизонтальной оси в правой части обозначены значения прямого напряжения Uпр, а в левой части – обратного напряжения (Uобр).

Вольт-амперная характеристика состоит как бы из двух ветвей: прямая ветвь, в правой верхней части, соответствует прямому (пропускному) току через диод, и обратная ветвь, в левой нижней части, соответствующая обратному (закрытому) току через диод.

Прямая ветвь идет круто вверх, прижимаясь к вертикальной оси, и характеризует быстрый рост прямого тока через диод с увеличением прямого напряжения.Обратная ветвь идет почти параллельно горизонтальной оси и характеризует медленный рост обратного тока. Чем круче к вертикальной оси прямая ветвь и чем ближе к горизонтальной обратная ветвь, тем лучше выпрямительные свойства диода. Наличие небольшого обратного тока является недостатком диодов. Из кривой вольт-амперной характеристики видно, что прямой ток диода (Iпр) в сотни раз больше обратного тока (Iобр).

При увеличении прямого напряжения через p-n переход ток вначале возрастает медленно, а затем начинается участок быстрого нарастания тока. Это объясняется тем, что германиевый диод открывается и начинает проводить ток при прямом напряжении 0,1 – 0,2В, а кремниевый при 0,5 – 0,6В.

Например. При прямом напряжении Uпр = 0,5В прямой ток Iпр равен 50mA (точка «а» на графике), а уже при напряжении Uпр = 1В ток возрастает до 150mA (точка «б» на графике).

Но такое увеличение тока приводит к нагреванию молекулы полупроводника. И если количество выделяемого тепла будет больше отводимого от кристалла естественным путем, либо с помощью специальных устройств охлаждения (радиаторы), то в молекуле проводника могут произойти необратимые изменения вплоть до разрушения кристаллической решетки. Поэтому прямой ток p-n перехода ограничивают на уровне, исключающем перегрев полупроводниковой структуры. Для этого используют ограничительный резистор, включенный последовательно с диодом.

У полупроводниковых диодов величина прямого напряжения Uпр при всех значениях рабочих токов не превышает:
для германиевых — 1В;
для кремниевых — 1,5В.

При увеличении обратного напряжения (Uобр), приложенного к p-n переходу, ток увеличивается незначительно, о чем говорит обратная ветвь вольтамперной характеристики.
Например. Возьмем диод с параметрами: Uобр max = 100В, Iобр max = 0,5 mA, где:

Uобр max – максимальное постоянное обратное напряжение, В;Iобр max – максимальный обратный ток, мкА.

При постепенном увеличении обратного напряжения до значения 100В видно, как незначительно растет обратный ток (точка «в» на графике). Но при дальнейшем увеличении напряжения, свыше максимального, на которое рассчитан p-n переход диода, происходит резкое увеличение обратного тока (пунктирная линия), нагрев кристалла полупроводника и, как следствие, наступает пробой p-n перехода.

Органические светодиоды — OLED

Основная статья: OLED

Многослойные тонкоплёночные структуры, изготовленные из органических соединений, которые эффективно излучают свет при пропускании через них электрического тока. Основное применение OLED находит при создании устройств отображения информации (дисплеев). Предполагается, что производство таких дисплеев будет гораздо дешевле, чем жидкокристаллических.

Главная проблема для OLED — время непрерывной работы, которое должно быть не меньше 15 тыс. часов. Одна из проблем, которая в настоящее время препятствует широкому распространению этой технологии, состоит в том, что «красный» OLED и «зелёный» OLED могут непрерывно работать на десятки тысяч часов дольше, чем «синий» OLED. Это визуально искажает изображение, причём время качественного показа неприемлемо для коммерчески жизнеспособного устройства. Хотя сегодня «синий» OLED все-таки добрался до отметки в 17,5 тыс. часов (2 года) непрерывной работы.

Дисплеи из органических светодиодов применяются в последних моделях сотовых телефонов, GPS-навигаторах, OLED-телевизорах, для создания приборов ночного видения.

Диоды низкочастотные (таблеточное исполнение)

Диоды Д133-400, Д133-500, Д133-800, Д143-630, Д143-800, Д143-1000, Д253-1600 предназначены для применения в цепях постоянного и переменного тока частотой до 500 Гц в электротехнических устройствах общего назначения. Диоды устойчивы к воздействию синусоидальной вибрации в диапазоне частот 1-100 Гц с ускорением 49м/с2 и одиночных ударов длительностью 50 мс с ускорением 39,2 м/с2. Анодом и катодом являются плоские основания, при этом полярность определяется с помощью символа полярности, нанесенного на корпус диода.

Диоды низкочастотные лавинные предназначены для применения в устройствах общего назначения частотой до 500 Гц. Диоды допускают воздействие вибрационных нагрузок в диапазоне частот 1-100 Гц с ускорением 49м/с2, многократных ударов длительностью 2-15 мс с ускорением 147 м/с2 и одиночных ударов длительностью 50 мс с ускорением 39,2 м/с2. Диоды ДЛ 161-200, ДЛ 171-320 имеют штыревое исполнение. Анодом диодов является медное основание, катодом — гибкий вывод. Диоды ДЛ 123-320, ДЛ133-500 имеют таблеточное исполнение. Анодом и катодом являются плоские основания, при этом полярность определяется с помощью символа полярности, нанесенного на корпус диода.

Схемы выпрямителей

В однофазных цепях используется одна из трёх схем выпрямления переменного тока, они носят такие названия:

• Однополупериодный выпрямитель, а в технической литературе можно встретить сокращенный вид «1ф1п», что обозначает «1 фаза 1 полупериод».
• Двухполупериодный выпрямитель, он же «схема Гретца», сокращенно — 2ф2п.
• Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой. Используется реже, чем предыдущая, так как требует использовать трансформатор со средней точки (отвод от середины обмоток).

Однополупериодный выпрямитель состоит из диода, последовательно включенного с нагрузкой. Здесь в нагрузку Rн поступает, как ни странно, один полупериод от питающего напряжения, вторые полпериода или обратная полуволна синусоиды через диод не проходит. Схема хороша тем, что нужен только один диод, но у неё ряд недостатков: напряжение на нагрузке снижается в 2 раза и высокий коэффициент пульсаций. Для их сглаживания нужен конденсатор неоправданно большой ёмкости, что повышает и габариты, и конечную стоимость изделия.

Схема однополупериодного выпрямителя, напряжение на её входе и выходе

Двухполупериодный выпрямитель или диодный мост состоит уже из четырёх диодов. Здесь они работают «по диагонали», то есть одну полуволну проводят левый верхний и правый нижний диод, а обратную – левый нижний и правый верхний диоды (положения указаны условно, относительно приведенной схемы). Напряжение в нагрузке равно напряжению на входе моста, но оно уже не переменное, а выпрямленное пульсирующее. Чтобы сгладить пульсации параллельно нагрузки устанавливают конденсатор (один или несколько, соединенных параллельно). При этом используются электролитические конденсаторы, из-за их большой ёмкости при относительно небольших размерах.

Схема диодного моста, напряжение на её входе и выходе

Второй вариант двухполупериодного выпрямителя — это выпрямитель со средней точкой. Здесь к средней точке трансформатора присоединяется один вывод нагрузки, а ко второму выводу нагрузки присоединяются катоды двух диодов. Напряжение на концах вторичной обмотки относительно средней точки находится в противофазе (условно на диаграмме они обозначены как Uвходное1 и Uвходное2).

Так как напряжения сдвинуты друг относительно друга на половину периода и диоды пропускают лишь по одной его полуволне, то на нагрузку попадает выпрямленное двухполупериодное напряжение Uвыходное, как в предыдущем варианте. Вы можете видеть что в первые полпериода через диод VD2 протекает ток, во вторую половину — диод закрывается и начинает протекать ток через диод VD1.

Преимущества такой схемы — меньше потерь из-за меньшего числа ключей, но недостаток весьма серьезный — нужен трансформатор со средней точкой, если в производственных масштабах это не составляет особых проблем, то для радиолюбителя может оказаться сложным найти такой. Но

Схема выпрямителя со средней точкой, напряжение на её входе и выходе

Полупроводниковый диод

Диодом называется электро преобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими p-n переходами и двумя выводами. В зависимости от основного назначения и явления используемого в p-n переходе различают несколько основных функциональных типов полупроводниковых диодов: выпрямительные, высокочастотные, импульсные, туннельные, стабилитроны, варикапы.

Основной характеристикой полупроводниковых диодов является вольт-амперная характеристика (ВАХ). Для каждого типа полупроводникового диода ВАХ имеет свой вид, но все они основываются на ВАХ плоскостного выпрямительного диода, которая имеет вид:

Масштаб по оси ординат для отрицательных значений токов выбран во много раз более крупным, чем для положительных.

Вольт-амперные характеристики диодов проходят через нуль, но достаточно заметный ток появляется лишь при пороговом напряжении (U_пор), которое для германиевых диодов равно 0,1 — 0,2 В, а у кремниевых диодов равно 0,5 — 0,6 В. В области отрицательных значений напряжения на диоде, при уже сравнительно небольших напряжениях (U_обр.) возникает обратный ток (І_обр). Этот ток создается неосновными носителями: электронами р-области и дырками n-области, переходу которых из одной области в другую способствует потенциальный барьер вблизи границы раздела. С ростом обратного напряжения увеличение тока не происходит, так как количество неосновных носителей, оказывающихся в единицу времени на границе перехода, не зависит от приложенного извне напряжения, если оно не очень велико. Обратный ток для кремниевых диодов на несколько порядков меньше, чем для германиевых. Дальнейшее увеличение обратного напряжения до напряжения пробоя (U_проб) приводит к тому что электроны из валентной зоны переходят в зону проводимости, возникает эффект Зенера. Обратный ток при этом резко увеличивается, что вызывает нагрев диода и дальнейшее увеличение тока приводит к тепловому пробою и разрушению p-n-перехода.

Способы подключения

Существует несколько стандартных вариантов подключения диода в электрическую цепь. Все они используются в определённых схемах и позволяют достичь требуемого результата.

Прямой вариант

Этот способ включения диода в электрическую цепь называют наиболее простым и часто используемым. В его основе лежит подсоединение положительного полюса к области p-типа, а отрицательного — к n-типа.

Описание работы диода при прямом подключении:

1. На устройство подаётся электрический ток, под воздействием которого образуется электрическое поле в области между двумя электродами. Его направление будет противоположным по отношению к внутреннему диффузионному полю.
2. Затем происходит резкое сужение запирающего слоя, которое получается из-за значительного снижения напряжения электрического поля.
3. Следствием этого станет способность большинства электронов свободно перемещаться из одной области (n-типа) в другую (p-типа).
4. Во время этого процесса показатели дрейфового тока не изменятся, так как они зависят только от количества заряженных частиц, находящихся в области p-n перехода.
5. Электроны способны перемещаться из n-области в p-область, что приводит к дисбалансу их концентрации. В одной из областей будет недостаток частиц, а в другой — избыток.
6. Из-за этого часть электронов перемещается вглубь полупроводника, что становится причиной разрушения его электронейтральности.
7. В этом случае полупроводник стремится к восстановлению своей нейтральности и начинает получать заряд от подключённого источника питания. Всё это приводит к образованию тока во внешней электроцепи.

https://youtube.com/watch?v=gEj2uA3j5TU

Обратный метод

Этот способ подключения диода к общей схеме используется гораздо реже. В его основе лежит изменение полярности внешнего источника питания, который участвует в процессе передачи напряжения.

Особенности функционирования диода при обратном включении:

1. После включения источника питания в области p-n перехода образуется электрическое поле. Его направление будет одинаковым с внутренним диффузионным полем.
2. Из-за этого будет происходить расширение запирающего слоя.
3. Находящееся в области p-n перехода поле будет ускорять движение электронов, но оставлять неизменными показатели дрейфующего тока.
4. Из-за всех этих действий будет постепенно нарастать обратное напряжение, которое поспособствует стремлению электрического тока к максимальным значениям.

Типы светодиодов

• Сквозные светодиоды: они доступны в различных формах и размерах, и наиболее распространенными являются светодиоды 3 мм, 5 мм и 8 мм. Эти светодиоды доступны в различных цветах, таких как красный, синий, желтый, зеленый, белый и т. Д.
• Светодиоды SMD (светодиоды для поверхностного монтажа): Светодиоды для поверхностного монтажа представляют собой специальную упаковку, которую можно легко установить на печатную плату. Светодиоды SMD обычно различаются в зависимости от их физических размеров. Например, наиболее распространенными светодиодами SMD являются 3528 и 5050.

Двухцветные светодиоды. Следующим типом светодиодов являются двухцветные светодиоды, как следует из названия, могут излучать два цвета. Двухцветные светодиоды имеют три контакта, обычно два анода и общий катод. В зависимости от конфигурации проводов, цвет будет активирован.

Светодиод RGB (красный — синий — зеленый): светодиоды RGB являются самыми любимыми и популярными среди любителей и дизайнеров. Даже компьютерные сборки очень популярны для реализации светодиодов RGB в корпусах компьютеров, материнских платах, оперативной памяти и так далее.

Светодиоды высокой мощности: Светодиод с номинальной мощностью, превышающей или равной 1 Вт, называется светодиодом высокой мощности. Это потому, что нормальные светодиоды имеют рассеиваемую мощность в несколько милливатт. Мощные светодиоды очень яркие и часто используются в фонариках, автомобильных фарах, прожекторах и так далее.

Электрический пробой.

Электрический пробой возникает в результате воздействия сильного электрического поля в p-n переходе. Такой пробой является обратимый, то есть он не приводит к повреждению перехода, и при снижении обратного напряжения свойства диода сохраняются. Например. В таком режиме работают стабилитроны – диоды, предназначенные для стабилизации напряжения.

Туннельный пробой.

Туннельный пробой происходит в результате явления туннельного эффекта, который проявляется в том, что при сильной напряженности электрического поля, действующего в p-n переходе малой толщины, некоторые электроны проникают (просачиваются) через переход из области p-типа в область n-типа без изменения своей энергии. Тонкие p-n переходы возможны только при высокой концентрации примесей в молекуле полупроводника.

В зависимости от мощности и назначения диода толщина электронно-дырочного перехода может находиться в пределах от 100 нм (нанометров) до 1 мкм (микрометр).

Для туннельного пробоя характерен резкий рост обратного тока при незначительном обратном напряжении – обычно несколько вольт. На основе этого эффекта работают туннельные диоды.

Благодаря своим свойствам туннельные диоды используются в усилителях, генераторах синусоидальных релаксационных колебаний и переключающих устройствах на частотах до сотен и тысяч мегагерц.

Лавинный пробой.

Лавинный пробой заключается в том, что под действием сильного электрического поля неосновные носители зарядов под действием тепла в p-n переходе ускоряются на столько, что способны выбить из атома один из его валентных электронов и перебросить его в зону проводимости, образовав при этом пару электрон — дырка. Образовавшиеся носители зарядов тоже начнут разгоняться и сталкиваться с другими атомами, образуя следующие пары электрон – дырка. Процесс приобретает лавинообразный характер, что приводит к резкому увеличению обратного тока при практически неизменном напряжении.

Диоды, в которых используется эффект лавинного пробоя используются в мощных выпрямительных агрегатах, применяемых в металлургической и химической промышленности, железнодорожном транспорте и в других электротехнических изделиях, в которых может возникнуть обратное напряжение выше допустимого.