Полупроводниковый диод

Полупроводниковый диод — самый простой полупроводниковый прибор, состоящий из одного PN перехода. Основная его функция — это проводить электрический ток в одном направлении, и не пропускать его в обратном. Состоит диод из двух слоев полупроводника типов N и P.

На стыке соединения P и N образуется PN-переход (PN-junction). Электрод, подключенный к P, называется анод. Электрод, подключенный к N , называется катод. Диод проводит ток в направлении от анода к катоду, и не проводит обратно.

Диод в состоянии покоя

Посмотрим, что происходит внутри PN-перехода, когда полупроводниковый диод находится в состоянии покоя. То есть тогда, когда ни к аноду, ни к катоду не подключено напряжения.

Итак, в части N имеются в наличии свободные электроны – отрицательно заряженные частицы. В части P находятся положительно заряженные ионы – дырки.

В результате, в том месте, где есть частицы с зарядами разных знаков, возникает электрическое поле, притягивающее их друг к другу.

Под действием этого поля свободные электроны из части N дрейфуют через PN переход в часть P и заполняют некоторые дырки. В итоге получается очень слабый электрический ток, измеряемый в наноамперах. В результате, плотность вещества в P части повышается и возникает диффузия (стремление вещества к равномерной концентрации), толкающая частицы обратно на сторону N.

Обратное включение диода

Теперь посмотрим, как у полупроводникового диода получается выполнять свою основную функцию – проводить ток только в одном направлении. Подключим источник питания — плюс к катоду, минус к аноду.

В соответствии с силой притяжения, возникшей между зарядами разной полярности, электроны из N начнут движение к плюсу и отдалятся от PN перехода. Аналогично, дырки из P будут притягиваться к минусу, и также отдалятся от PN перехода. В результате, плотность вещества у электродов повышается. В действие приходит диффузия и начинает толкать частицы обратно, стремясь к равномерной плотности вещества.

Как мы видим, в этом состоянии диод не проводит ток. При повышении напряжения, в PN переходе будет все меньше и меньше заряженных частиц.

Прямое включение диода

Меняем полярность источника питания — плюс к аноду, минус к катоду. В таком положении, между зарядами одинаковой полярности возникает сила отталкивания. Отрицательно заряженные электроны отдаляются от минуса и двигаются сторону pn перехода. В свою очередь, положительно заряженные дырки отталкиваются от плюса и направляются навстречу электорнам. PN переход обогащается заряженными частицами с разной полярностью, между которыми возникает электрическое поле –

внутреннее электрическое поле PN перехода. Под его действием электроны начинают дрейфовать на сторону P. Часть из них рекомбинируют с дырками (заполняют место в атомах, где не хватает электрона). Остальные электроны устремляются к плюсу батарейки. Через диод пошел ток I_D.

Чтобы не возникло путаницы, напомню, что направление тока на электрических схемах обратно направлению потока электронов.

Недостатки реального полупроводникового диода

На практике, в реальном диоде, при обратном подключении напряжения, возникает очень маленький ток, измеряемый в микро, или наноамперах ( в зависимости от модели прибора ). В следствии слишком высокого напряжения, может разрушиться кристаллическая структура полупроводника в диоде. В этом случае, прибор начнет хорошо проводить ток также и при обратном смещении. Такое напряжение называется напряжение пробоя. Процесс разрушения структуры полупроводника невосстановим, и прибор приходит в негодность.

При прямом подключении, напряжение между анодом и катодом должно достигнуть определенного значения V_ϒ, для того чтобы диод начал хорошо проводить ток. Для кремниевых приборов V

ϒ — это примерно 0.7V, а для германиевых — около 0.3V. Более подробно об этом, и других характеристиках полупроводникового выпрямительного диода пойдет речь в статье ВАХ полупроводникового диода.

Полупроводниковый диод. Принцип его работы, параметры и разновидности.

Устройство, параметры и разновидности диодов

В самом начале радиотехники первым активным элементом была электронная лампа. Но уже в двадцатые годы прошлого века появились первые приборы доступные для повторения радиолюбителями и ставшие очень популярными. Это детекторные приёмники. Более того они выпускались в промышленном масштабе, стоили недорого и обеспечивали приём двух-трёх отечественных радиостанций работавших в диапазонах средних и длинных волн.

Именно в детекторных приёмниках впервые стал использоваться простейший полупроводниковый прибор, называемый вначале детектором и лишь позже получивший современное название – диод.

Диод это прибор, состоящий всего из двух слоёв полупроводника. Это слой “p”- позитив и слой “n”- негатив. На границе двух слоёв полупроводника образуется “p-n” переход. Анодом является область “p”, а катодом зона “n”. Любой диод способен проводить ток только от анода к катоду. На принципиальных схемах он обозначается так.

Как работает полупроводниковый диод.

В полупроводнике “n” типа имеются свободные электроны, частицы со знаком минус, а в полупроводнике типа “p” наличествуют ионы с положительным зарядом, их принято называть «дырки». Подключим диод к источнику питания в обратном включении, то есть на анод подадим минус, а на катод плюс. Между зарядами разной полярности возникает притяжение и положительно заряженные ионы тянутся к минусу, а отрицательные электроны дрейфуют к плюсу источника питания. В “p-n” переходе нет носителей зарядов, и отсутствует движение электронов. Нет движения электронов – нет электрического тока. Диод закрыт.

При прямом включении диода происходит обратный процесс. В результате отталкивания однополярных зарядов все носители группируются в зоне перехода между двумя полупроводниковыми структурами. Между частицами возникает электрическое поле перехода и рекомбинация электронов и дырок. Через “p-n” переход начинает протекать электрический ток. Сам процесс носит название «электронно-дырочная проводимость». При этом диод открыт.

Возникает вполне естественный вопрос, как из одного полупроводникового материала удаётся получить структуры, обладающие различными свойствами, то есть полупроводник “n” типа и полупроводник “p” типа. Этого удаётся добиться с помощью электрохимического процесса называемого легированием, то есть внесением в полупроводник примесей других металлов, которые и обеспечивают нужный тип проводимости. В электронике используются в основном три полупроводника. Это

германий (Ge), кремний (Si) и арсенид галлия (GaAs). Наибольшее распространение получил, конечно, кремний, так как запасы его в земной коре поистине огромны, поэтому стоимость полупроводниковых приборов на основе кремния весьма невысока.

При добавлении в расплав кремния ничтожно малого количества мышьяка (As) мы получаем полупроводник “n” типа, а легируя кремний редкоземельным элементом индием (In), мы получаем полупроводник “

p” типа. Присадок для легирования полупроводниковых материалов достаточно много. Например, внедрение атомов золота в структуру полупроводника увеличивает быстродействие диодов, транзисторов и интегральных схем, а добавление небольшого числа различных примесей в кристалл арсенида галлия определяет цвет свечения светодиода.

Типы диодов и область их применения.

Семейство полупроводниковых диодов очень большое. Внешне они очень похожи за исключением некоторых групп, которые отличаются конструктивно и по ряду параметров. Наиболее распространены следующие модификации полупроводниковых диодов:

• Выпрямительные диоды. Предназначены для выпрямления переменного тока.

• Стабилитроны. Обеспечивают стабилизацию выходного напряжения.

• Диоды Шоттки. Предназначены для работы в импульсных преобразователях и стабилизаторах напряжения. Например, в блоках питания персональных компьютеров.

• Импульсные диоды отличаются очень высоким быстродействием и малым временем восстановления. Они применяются в импульсных блоках питания и в другой импульсной технике. К этой группе можно отнести и туннельные диоды.

• СВЧ диоды имеют определённые конструктивные особенности и работают в устройствах на высоких и сверхвысоких частотах.

• Диоды Ганна. Они предназначены для генерирования частот до десятков гигагерц.

• Лавинно-пролётные диоды генерируют частоты до 180 ГГц.

• Фотодиоды имеют миниатюрную линзу и управляются световым излучением. В зависимости от типа могут работать как в инфракрасном, так и в ультрафиолетовом диапазоне спектра.

• Светодиоды. Излучают видимый свет практически любой длины волны. Спектр применения очень широк. Рассматриваются как альтернатива электрическим лампам накаливания и других осветительных приборов.

• Твёрдотельный лазер так же представляет собой полупроводниковый диод. Спектр применения очень широк. От приборов военного назначения до обычных лазерных указок, которые легко купить в магазине. Его можно обнаружить в лазерных считывателях CD/DVD-плееров, а также лазерных уровнях (нивелирах), используемых в строительстве. Чтобы не говорили сторонники лазерной техники, как ни крути, лазер опасен для зрения. Так что, будьте внимательны при обращении с ним.

Также стоит отметить, что у каждого типа диодов есть и подгруппы. Так, например, среди выпрямительных есть и ультрабыстрые диоды. Могут называться как Ultra-Fast Rectifier, HyperFast Rectifier и т.п. Пример – ультрабыстрый диод с малым падением напряжения STTH6003TV/CW (аналог VS-60CPH03). Это узкоспециализированный диод, который применяется, например, в сварочных аппаратах инверторного типа. Диоды Шоттки являются быстродействующими, но не способны выдерживать больших обратных напряжений, поэтому вместо них применяются ультрабыстрые выпрямительные диоды, которые способны выдерживать большие обратные напряжения и огромные прямые токи. При этом их быстродействие сравнимо с быстродействием диодов Шоттки.

Параметры полупроводниковых диодов.

Параметров у полупроводниковых диодов достаточно много и они определяются функцией, которую те выполняют в конкретном устройстве. Например, в диодах, генерирующих СВЧ колебания, очень важным параметром является рабочая частота, а также та граничная частота, на которой происходит срыв генерации. А вот для выпрямительных диодов этот параметр совершенно не важен.

В импульсных и переключающих диодах важна скорость переключения и время восстановления, то есть скорость полного открытия и полного закрытия. В мощных силовых диодах важна рассеиваемая мощность. Для этого их монтируют на специальные радиаторы. А вот диоды, работающие в слаботочных устройствах, ни в каких радиаторах не нуждаются.

Но есть параметры, которые считаются важными для всех типов диодов, перечислим их:

• U пр. – допустимое напряжение на диоде при протекании через него тока в прямом направлении. Превышать это напряжение не стоит, так как это приведёт к его порче.

• U обр. – допустимое напряжение на диоде в закрытом состоянии. Его ещё называют напряжением пробоя. В закрытом состоянии, когда через p-n переход не протекает ток, на выводах образуется обратное напряжение. Если оно превысит допустимое значение, то это приведёт к физическому «пробою» p-n перехода. В результате диод превратиться в обычный проводник (сгорит).

  Очень чувствительны к превышению обратного напряжения диоды Шоттки, которые очень часто выходят из строя по этой причине. Обычные диоды, например, выпрямительные кремниевые более устойчивы к превышению обратного напряжения. При незначительном его превышении они переходят в режим обратимого пробоя. Если кристалл диода не успевает перегреться из-за чрезмерного выделения тепла, то изделие может работать ещё долгое время.

• I пр. – прямой ток диода. Это очень важный параметр, который стоит учитывать при замене диодов аналогами или при конструировании самодельных устройств. Величина прямого тока для разных модификаций может достигать величин десятков и сотен ампер. Особо мощные диоды устанавливают на радиатор для отвода тепла, который образуется из-за теплового действия тока. P-N переход в прямом включении также обладает небольшим сопротивлением. На небольших рабочих токах его действие не заметно, но вот при токах в единицы-десятки ампер кристалл диода ощутимо нагревается. Так, например, выпрямительный диодный мост в сварочном инверторном аппарате обязательно устанавливают на радиатор.

• I обр. – обратный ток диода. Обратный ток – это так называемый ток неосновных носителей. Он образуется, когда диод закрыт. Величина обратного тока очень мала и его в подавляющем числе случаев не учитывают.

• U стаб. – напряжение стабилизации (для стабилитронов). Подробнее об этом параметре читайте в статье про стабилитрон.

Кроме того следует иметь в виду, что все эти параметры в технической литературе печатаются и со значком “max”. Здесь указывается предельно допустимое значение данного параметра. Поэтому подбирая тип диода для вашей конструкции необходимо рассчитывать именно на максимально допустимые величины.

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

 

Полупроводниковые диоды — Пособие по электротехнике

            Полупроводниковым диодом называется электро преобразовательный полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом, имеющим два вывода.

            Структура полупроводникового диода с электронно-дырочным переходом и его условное графическое обозначение приведены на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Схема структуры полупроводникового диода (а)

и его графическое обозначение (б)

            Буквами  p  и  n  обозначены слои полупроводника с проводимостями соответственно  p-типа  и  n-типа. В контактирующих слоях полупроводника (область p—n-перехода на рис. 2.2) имеет место диффузия дырок из слоя p в слой n, причиной которой является то, что их концентрация в слое p значительно больше их концентрации в слое n. В итоге в приграничных областях слоя p и слоя n возникает так называемый обедненный слой, в котором мала концентрация подвижных носителей заряда (электронов и дырок). Обедненный слой имеет большое удельное сопротивление.

            Ионы примесей обедненного слоя не компенсированы дырками или электронами. В совокупности ионы образуют некомпенсированные объемные заряды, создающие электрическое поле с напряженностью Е. Это поле препятствует переходу дырок из слоя p в слой n и переходу электронов из слоя n в слой p. Оно создает так называемый дрейфовый поток подвижных носителей заряда, перемещающий дырки из слоя n в слой p и электроны из слоя p в слой n. Таким образом, в зависимости от полярности проходящего через диод тока, проводимость диода существенно изменяется, приводя к изменению величину проходящего тока.

            Основные характеристики полупроводникового диода представляются его вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Вольт-амперная характеристика – это зависимость тока i, протекающего через диод, от напряжения u, приложенного к диоду. Вольт-амперной характеристикой называют и график этой зависимости (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Вольт-амперная характеристика и основные параметры полупроводникового диода

Диоды обычно характеризуются следующими параметрами (рис. 2.3):

1.     обратный ток при некоторой величине обратного напряжения  I_обр, мкА;

2.     падение напряжения на диоде при некотором значении прямого тока через диод U_пр, в;

3.     емкость диода при подаче на него обратного напряжения некоторой величины С, пФ;

4.     диапазон частот, в котором возможна работа без снижения  выпрямленного тока f_гр, кГц;

5.     рабочий диапазон температур.

            Техническими условиями задаются обычно максимальные (или минимальные) значения параметров для диодов каждого типа.

            Так, например, задается максимально возможное значение обратного тока, прямого падения напряжения и емкости диода. Диапазон частот задается минимальным значением граничной частоты  f_гр. Это значит, что параметры всех диодов не превышает (а в случае частоты – не ниже) заданного техническими условиями значения. Общий вид диодов показан на рис 2.4.

Рис. 2.4. Конструкция диодов малой мощности (а) и средней мощности (б)

Полупроводниковый диод

Полупроводниковый диод — это полупроводниковый элемент, пропускающий ток только в одном направлении. Принцип работы диода основан на свойствах проводимости полупроводников, а именно на электронно-дырочном переходе.

На принципиальной электрической схеме диоды изображаются следующим образом:

 

Диоды изготавливают в основном методами сплавления и методом диффузии. Метод сплавления заключается в сплавлении пластин p и n – типов, а метод диффузии состоит во внедрении примесных атомов в полупроводниковую пластину. Благодаря этим способам изготавливаются большие площади p – n переходов – до 1000 мм2. А чем больше площадь перехода, тем больший ток можно через него пропускать.

Существуют также точечные (высокочастотные) диоды, площадь их p – n перехода меньше 0,1 мм2. Такие диоды изготавливаются с помощью соединения металлической иглы с полупроводником. Применяются точечные диоды в аппаратуре сверхвысоких частот при значении тока 10-20 мА.

Основные виды полупроводниковых диодов по функциональному назначению: выпрямительные, стабилитроны, импульсные, светодиоды, фотодиоды и т.д.

Выпрямительными называют полупроводниковые диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный. Такие диоды изготавливают методами сплавки и диффузии, для того чтобы создать большую площадь p-n перехода, так как через них протекают большие токи. Сам процесс выпрямления переменного тока заключается в свойстве диода хорошо проводить ток в одном направлении и практически не проводить его в другом.

Ниже изображена схема простейшего однополупериодного выпрямителя. Работает он следующим образом: положительный полупериод напряжения Uвх, диод V пропускает практически без изменения, и напряжение Ur практически равно Uвх. Но в момент времени, когда полупериод напряжения отрицательный, диод включен в обратном направлении и все напряжение Uвх падает на диоде, а напряжение на резисторе практически равно нулю

 

 На рисунке схематично изображен график напряжения на резисторе.

 

Стабилитронами (опорными диодами) называются полупроводниковые диоды предназначенные для стабилизации постоянного напряжения. Для стабилизации напряжения в стабилитронах используют обратную ветвь вольт-амперной характеристики в области электрического пробоя, для этого их включают в обратном направлении. При изменении тока протекающего через стабилитрон от значения Iстmin до Iстmax напряжение на нем почти не изменяется.

 

Стабилитроны стабилизируют напряжение от 3,5 В, а для стабилизации меньшего напряжения используют стабисторы. В стабисторах используют прямую ветвь вольт-амперной характеристики, поэтому их включают в прямом направлении.

Импульсным называется диод, который предназначен для работы в импульсных схемах. В прямом направлении импульсный диод хорошо проводит электрический ток. При обратном включении такого диода, обратный ток в нем резко увеличивается, а через короткий промежуток времени исчезает. Таким образом получается электрический импульс.

 

Просмотров:

Как устроены и работают полупроводниковые диоды

Диод – простейший полупроводниковый прибор. Диод представляет собой пластинку полупроводника (германий), в левой половине которого имеется акцепторная примесь, а в правой – донорная. При этом левая часть называется полупроводником типа Р, правая – типа N. Свойства полупроводникового диода, как и любого другого полупроводника, определяются границей между левой и правой частями полупроводника, т.н. Р-N переходом (рисунок 1). В отличии от тиристоров и транзисторов, диод имеет один Р-N переход. Главной отличительной особенностью диода является односторонняя проводимость электрического тока.

Рисунок 1 – Строение диода и его обозначение на электрической схеме.

Конструктивно диод представляет собой двухвыводной полупроводниковый элемент. Выводы диода обозначаются как анод и катод.

Рассмотрим физические процессы, происходящие на границе Р-N перехода в различных состояниях диода.

1. Диод в состоянии покоя (выводы диода некуда не подключены). В этом состоянии области полупроводника N и Р характеризуются наличием отрицательного и положительного заряда соответственно. Взаимодействие этих зарядов создает электрическое поле (рисунок 2).

Рисунок 2.

Как известно, разноименные заряды обладают свойством притягиваться, поэтому электроны (отрицательные носители заряда из зоны N) проникают в положительно заряженную зону Р, заполняя при этом некоторые дырки. Движение электронов – есть не что иное, как электрический ток. Величина этого тока незначительна. Однако, заряженные частицы стремятся равномерно распространиться по всему объему (проводнику), поэтому часть электронов возвращается назад в зону N.

2. Включение полупроводникового диода в обратном направлении (рисунок 3).

Рисунок 3.

При обратном включении диода (область N подключена к «+» источника питания, область Р – к «-» источника питания) ток через Р-N переход не пройдет. Это обусловлено тем, что электроны устремятся к положительному полюсу источника питания, положительные заряды (дырки) – к отрицательному полюсу источника питания. На границе Р-N перехода образуется «вакуум», в котором отсутствуют какие-либо носители заряда. Увеличение обратного напряжения источника питания приведет к еще большему увеличению зоны в области Р-N перехода без носителей заряда.

Помимо понятия «обратного напряжения» существует понятие и «обратного тока». Обратный ток – ток, протекающий через границу Р-N перехода, вызванный перемещением неосновных носителей заряда, которые двигаются, как и основные, но в обратном направлении. Величина обратного тока мала, т.к. число носителей невелико. Однако повышение температуры полупроводникового диода приводит к увеличению сила неосновных носителей заряда и увеличению обратного тока, который может привести к разрушению Р-N перехода. Для снижения температуры полупроводников применяют пассивные (радиаторы) и активные (вентиляторы) теплоотводы.

3. Включение полупроводникового диода в прямом направлении (рисунок 4).

Рисунок 4.

Прямое включение диода вызовет смещение электронов и дырок от отрицательного и положительного выводов источника к питания соответственно в сторону Р-N перехода. В результате этого смещения в области Р-N перехода образуется электрическое поле, способствующее перемещению электронов в область Р и их устремление к положительному выводу источника питания. Таким образом, через диод протекает прямой ток.

Принцип действия диода подобен механическому вентилю, поэтому диоды еще называют полупроводниковыми вентилями.

---

Всего комментариев: 0

---

Полупроводниковые диоды | Электротехника

Основой полупроводникового диода является р—n-переход, определяющий его свойства, характеристики и параметры. В зависимости от конструктивных особенностей р—n-перехода и диода в целом полупроводниковые диоды изготовляются как в дискретном, так и в интегральном исполнении. По своему назначению полупроводниковые диоды подразделяются на выпрямительные (как разновидность выпрямительных – силовые), импульсные, высокочастотные и сверхвысокочастотные, стабилитроны, трехслойные переключающие, туннельные, варикапы, фото- и светодиоды. Условные графические обозначения диодов показаны на рис. 1.10.

Рис. 1.10 Условные графические обозначения: а – выпрямительные и универсальные;
б – стабилитроны; в – двухсторонний стабилитрон; г – туннельный диод;
д – обращенные диоды; е – варикап; ж – фотодиодов; з – светодиод

В зависимости от исходного полупроводникового материала диоды подразделяются на германиевые и кремниевые. Туннельные диоды изготовляются также на основе арсенида галия GaAs и антимонида индия InSb. Германиевые диоды работают при температурах не выше +80 °С, а кремниевые – до +140 °С.

По конструктивно-технологическому признаку диоды делятся на плоскостные и точечные. Наиболее распространены плоскостные сплавные диоды, применение которых затруднительно лишь на повышенных частотах. Преимуществом точечных диодов является низкое значение емкости p-n-перехода, дающая возможность их работы на высоких сверхвысоких частотах.

Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока низкой частоты (50-100 000 Гц). В настоящее время широко применяются кремниевые выпрямительные диоды с р—n-переходом плоскостного типа, имеющие во много раз меньшие обратные токи и большие обратные напряжения по сравнению с германиевыми.

Основным элементом выпрямительного диода является полупроводниковая пластинка, в которой методом сплавления или диффузии сформован р—n-переход. Кремниевый р—n-переход образуется при сплавлении исходного кристалла кремния n-типа с бором или алюминием. Для защиты от внешних воздействий, а также для обеспечения хорошего теплоотвода полупроводниковая пластинка с р—n-переходом и двумя внешними выводами от слоев p и n заключается в корпус

Выпрямительные диоды подразделяются на диоды малой (I_{пр. ср< 0,3 А), средней (0,3 А < Iпр. ср< 10 А) и большой (Iпp.ср> 10 А) мощности. Для повышения допустимого обратного напряжения выпускаются высоковольтные столбы, в которых несколько диодов включены последовательно. Кроме того, производством серийно выпускаются выпрямительные блоки, которые содержат как последовательно, так и параллельно (для повышения прямого тока) соединенные диоды.}

Рис. 1.11 Конструкция (а) и вольтамперная характеристика (б) точечного диода

Высокочастотные диоды являются приборами универсального назначения. Они могут работать в выпрямителях переменного тока широкого диапазона частот (до нескольких сотен мегагерц), а также в модуляторах, детекторах и других нелинейных преобразователях электрических сигналов. Высокочастотные диоды содержат, как правило, точечный р—n-переход и поэтому называются точечными. Конструкция типичного представителя точечных диодов (Д106А) показана на рис. 1.11, а, а его вольтамперная характеристика – на рис. 1.11, б.

Прямая ветвь вольтамперной характеристики не отличается от соответствующей ветви характеристики плоскостного диода, чего нельзя сказать при сравнении обратных ветвей. Поскольку площадь р—n-перехода мала, то обратный ток невелик, однако участок насыщения практически не выражен и за счет токов утечки и термогенерации обратный ток равномерно возрастает. Значения постоянных прямых токов точечных диодов не превышают десятков миллиампер, а значения допустимых обратных напряжений 100 В. Малая величина статической емкости С_д между выводами точечных диодов (малая площадь перехода) позволяет использовать их в широком диапазоне частот. По частотным свойствам точечные диоды подразделяются на две подгруппы: ВЧ (f_макс ? 300 МГц) и СВЧ (f_макс ? 300 МГц). Помимо статической емкости С_д точечные диоды характеризуются теми же параметрами, что и выпрямительные.

Импульсные диоды являются разновидностью высокочастотных диодов и предназначены для использования в качестве ключевых элементов в быстродействующих импульсных схемах. Помимо высокочастотных свойств импульсные диоды должны обладать минимальной длительностью переходных процессов при включении и выключении. Изготовляются точечные и плоскостные диоды. Общая конструкция импульсных диодов, а также их вольтамперные характеристики практически такие же, как у высокочастотных.

Как и выпрямительные, импульсные диоды характеризуются статическими параметрами, а также параметрами предельного режима. Основными же являются импульсные параметры: С_д и t_восст – время восстановления запирающих свойств диода после снятия прямого напряжения.

Стабилитроны – это кремниевые плоскостные диоды, предназначенные для стабилизации уровня постоянного напряжения в схеме при изменении в некоторых пределах тока через диод. Это полупроводниковый диод, сконструированный для работы в режиме электрического пробоя. Как отмечалось в разд. 1.2, если обратное напряжение превышает значение U_{обр. пр,} то происходит лавинный пробой р—n-перехода,

при котором обратный ток резко возрастает при почти неизменном обратном напряжении. Такой участок характеристики (участок аб, см. рис. 1.8, а) используют стабилитроны, нормальным включением которых в цепь источника постоянного напряжения является обратное (см. рис. 1.8, б). Если обратный ток через стабилитрон не превышает некоторого значения I_{ст. макс}, то состояние электрического пробоя не приводит к порче диода и может воспроизводиться в течение десятков и сотен тысяч часов. В качестве исходного материала при изготовлении стабилитронов используют кремний, поскольку обратные токи кремниевых р-n-переходов невелики, а следовательно, нет условий для саморазогрева полупроводника и теплового пробоя р—n-перехода.

К основным параметрам стабилитронов относится напряжение стабилизации
U_ст – напряжение на стабилитроне при указанном номинальном токе стабилизации I_{ст. ном} (см. рис. 1.8, а). Помимо I_{ст. ном} указываются также минимальное I_{ст. мини максимальное Iст. максзначения токов на участке стабилизации. Уровень напряжения стабилизации определяется величиной пробивного напряжения Uобр. пр, зависящего, в свою очередь, от ширины р—n-перехода, а следовательно, степени легирования кремния примесью. Для получения низковольтных стабилитронов используется сильнолегированный кремний. Поэтому у стабилитронов с напряжением стабилизации <5,4 В участок стабилизации определяется обратным током туннельного характера. У низковольтных стабилитронов с ростом температуры напряжение стабилизации уменьшается, а у высоковольтных увеличивается.}

Схема на рис. 1.8, б объясняет принцип работы простейшего стабилизатора постоянного напряжения. Увеличение входного напряжения u_вх приводит к увеличению тока через стабилитрон и сопротивление R. Избыток входного напряжения выделяется на R, а напряжение u_вых остается практически неизменным.

Варикапом называется специально сконструированный полупроводниковый диод, применяемый в качестве конденсатора переменной емкости. Значение емкости варикапа определяется емкостью его р—n-перехода и изменяется при изменении приложенного к переходу (диоду) напряжения.

Как было сказано выше (см. гл. 1.2), прямосмещенный р—n-переход характеризуется, в частности, диффузионной емкостью, а обратносмещенный – барьерной. В варикапах используется барьерная емкость (выражение 1.12), отличающаяся малым температурным коэффициентом, низким уровнем собственных шумов и слабой зависимостью от частоты. Следовательно, в рабочем режиме к

варикапу прикладывается запирающее внешнее напряжение. Поскольку толщина p—n-перехода зависит от величины приложенного внешнего напряжения U, то, изменяя последнее, можно регулировать значение ёмкости. Это используется, в частности, для настройки на нужный канал в телевизорах и радиоприёмниках.

Основными параметрами варикапов являются: номинальная емкость С_ном, определяемая при номинальном напряжений смещения (U_ном= 4 В), максимальная С_макс и минимальная С_минемкости соответственно при максимальном и минимальном напряжениях смещения (или коэффициент перекрытия по емкости К_с= С_макс/С_мин), добротность Q, а также U_{обр.макс}.

Фотодиод – полупроводниковый фотоэлектрический прибор с внутренним фото-эффектом, отображающим процесс преобразования световой энергии в электрическую. Внутренний фотоэффект заключается в том, что под действием энергии светового излучения в области p—n-перехода происходит ионизация атомов основного вещества и примеси, в результате чего генерируются пары носителей заряда – электрон и дырка. Во внешней цепи, присоединенной к р—n-переходу, возникает ток, вызванный движением этих носителей (фототок).

Фотодиоды могут работать в двух режимах: вентильном (фотогенераторном) и фотодиодном (фотопреобразовательном). В отличие от вентильного, фотодиодный режим предполагает наличие внешнего источника питания (смещения).

При контакте двух полупроводников n— и р-типов на их общей границе создается контактная разность потенциалов. При отсутствии светового потока и нагрузки диффузионная составляющая тока р—n-перехода, уравновешивается дрейфовой составляющей тока, поэтому общий ток через переход равен нулю.

При освещении полупроводника в области р—n-перехода генерируются дополнительные пары носителей заряда. Поле объемного заряда р—n-перехода «разделяет» эти пары: дырки дрейфуют в р-область, а электроны – в n-область, т. е. происходит перемещение дополнительно возникших неосновных носителей. В результате плотности дрейфовых составляющих токов, определяемые равенствами (1.8), (1.9), возрастают, а следовательно, дрейфовый ток получает некоторое приращение, называемое фототоком I_ф. При этом полный дрейфовый ток представляет собой, в соответствии с выражением (1.10), тепловой ток I_o, обусловленный неосновными носителями при отсутствии освещения. Поскольку в области полупроводника p-типа накапливаются избыточные носители с положительным зарядом, а в области полупроводника n-типа – с отрицательным зарядом, то между внешними электродами появляется разность потенциалов представляющая собой фотоЭДС Е_ф. Эта ЭДС уменьшает высоту потенциального барьера, вызывая тем самым увеличение диффузионной составляющей тока. ФотоЭДС не превышает значения, численно равного ширине запрещенной зоны полупроводника. Такой режим используется, в частности, в солнечных батареях.

Светодиоды (электролюминесцентные диоды) преобразуют энергию электрического поля в нетепловое оптическое излучение, называемое электролюминесценцией. Основой светодиода является р—n-переход, смещаемый внешним источником напряжения в проводящем направлении. При таком смещении электроны из n-области полупроводника инжектируют в р-область, где они являются неосновными носителями, а дырки – во встречном направлении. В последующем происходит рекомбинация избыточных неосновных носителей с электрическими зарядами противоположного знака. Рекомбинация электрона и дырки соответствует переходу электрона из энергетического уровня Е_е в энергетическое состояние уровня Е_у с меньшим запасом энергии.

В германии и кремнии ширина запрещенной зоны сравнительно невелика и поэ-тому выделяемая при рекомбинации энергия передается в основном кристаллической решетке в виде тепла. Рекомбинационные процессы в арсениде галлия (GaAs), фосфиде галлия (GaP), карбиде кремния (SiC), имеющих большую ширину запрещенной зоны (например, для GaAs A? = 1,38 эВ), сопровождаются выделением энергии в виде квантов света, которые частично поглощаются объемом полупроводника, а частично излучаются в окружающее пространство. Поэтому внешний квантовый выход, фиксируемый зрительно, всегда меньше внутреннего.

Основными характеристиками светодиодов являются вольтамперная характеристика, а также зависимости мощности и яркости излучения от величины прямого тока. Мощность и яркость излучения во многом определяются конструкцией светодиода. Чем больший ток можно пропускать через диод при допустимом его нагреве, тем больше мощность и яркость излучения

К основным параметрам светодиода относятся мощность излучения Р, длина волны излучаемого света l и КПД. Длина световой волны, определяющая цвет свечения, зависит от разности энергий, между которыми осуществляется переход электронов.

Светодиоды применяются для индикации и вывода информации в микроэлектронных устройствах. Управляемые светодиоды (с подвижной границей светящегося поля) используются для замены стрелочных приборов как аналоги оптических индикаторов настройки радиоаппаратуры. Светодиоды с несколькими светящимися полями позволяют воспроизводить цифры от 0 до 9. Кроме того, светодиоды применяются как источники излучения в оптронах – приборах бурно развивающейся оптоэлектроники.

Туннельный диод – это полупроводниковый диод, в котором используется явление туннельного пробоя при включении в прямом направлении. Характерной особенностью туннельного диода является наличие на прямой ветви вольтамперной характеристики участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Для примера на рис. 1.12 показана прямая ветвь вольтамперной характеристики германиевого туннельного усилительного диода 1И104А (I_{пр.макс} = 1 мА – постоянный прямой ток, U_{обр.макс} = 20 мВ), предназначенного для усиления в диапазоне волн 2…10 см (это соответствует частоте более 1 ГГц).

Рис. 1.12 ВАХ туннельного диода

Общая емкость диода в точке минимума характеристики составляет 0,8…1,9 пФ. Туннельные диоды могут работать на очень высоких частотах – более 1 ГГц. Наличие участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением на вольтамперной характеристике обеспечивает возможность использования туннельных диодов в качестве усилительного элемента и в качестве основного элемента генераторов. В настоящее время туннельные диоды используются именно в этом качестве в области сверхвысоких частот.

Типы полупроводниковых диодов

Полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом, работа которого заключается в преобразования одних электрических значений в другие, называют диодом. В конструкции данного изделия предусматривается два вывода для монтажа.

Диоды полупроводниковые

На принципиальных электрических схемах полупроводниковые диоды изображаются в виде треугольника и отрезка, расположенного на одной из его вершин и находящегося параллельно противолежащей стороне.

В зависимости от разработки диода его обозначение может включать дополнительные символы. В любом случае вершина треугольника, примыкающая к осевой линии диода, указывает на направление протекания тока.

 

В той части обозначения, где располагается треугольник, находится p-область, которую ещё называют анодом или эмиттером, а со стороны, где к треугольнику примыкает отрезок, находится n-область, которую соответственно называют катодом, или базой.

Полупроводниковые диоды, назначение которых заключается в преобразовании переменного тока в постоянный ток, называются выпрямительными. Выпрямление переменного тока с использованием полупроводникового диода построено на основе его односторонней электропроводности, которая заключается в том, что диод создаёт очень малое сопротивление току, текущему в прямом направлении, и достаточно большое сопротивление обратному току.

Для того чтобы выпрямить ток большой силы не опасаясь теплового пробоя, конструкция диодов должна предусматривать значительную площадь p—n-перехода. В связи, с чем в выпрямительных полупроводниковых диодах задействуют специальные p—n-переходы соответствующие последнему слову науки и техники.

Технология создания p—n-перехода получается, за счёт ввода в полупроводник p-или n-типа примеси, которая создаёт в нем область с противоположным значением электропроводности. Примеси можно добавлять методом сплавления или диффузии.

Диоды, получаемые методом сплавления, называют «сплавными», а изготавливаемые методом диффузии «диффузионными».

Простейший выпрямитель

 

 

В ходе положительного полупериода входного напряжения U1 диод V работает в прямом направлении, его сопротивление маленькое и на нагрузке RH напряжение U2 практически равно входящему напряжению.

График напряжения на входе и выходе простейшего однополупериодного выпрямителя

При отрицательном полупериоде данного входного напряжения диод включен в направлении обратно, где его сопротивление формируется значительно больше, чем сопротивление на нагрузке, и почти все входящее напряжение падает на диоде, а напряжение на нагрузке приближается к нулю. В такой схеме для получения выпрямленного напряжения используется всего лишь один полупериод входящего напряжения, поэтому такой тип выпрямителей называется однополупериодным.

Полупроводниковые диоды, которые используются для стабилизации постоянного напряжения на нагрузке, называют стабилитронами. В стабилитронах задействован участок обратной участка вольтамперной характеристики в поле электрического пробоя.

Схема простейшего стабилизатора напряжения

 

 

В данном случае при изменении тока, проходящего через стабилитрон, от Iст. мин. до Iст. макс. напряжение на нем практически не изменяется. Если нагрузка RH включена параллельно стабилитрону, уровень напряжения на ней также будет оставаться неизменным в указанных пределах изменения тока, проходящего через стабилитрон.

График стабилитрона

 

 

Такими диодами стабилизируют уровень напряжения примерно от 3,5 В и выше. Для стабилизации постоянного напряжения до 1 вольта применяют стабисторы. У стабисторов работает не обратная, а прямая часть вольтамперной характеристики. Поэтому их подсоединяют не в обратном, как делают со стабилитронами, а в прямом направлении. Электронные компоненты, такие как стабисторы и стабилитроны, как правило, изготовляются, из кремния.

Вольтамперная характеристика стабистора

 

Плоскостные диоды обладают с высокими ёмкостными характеристиками. С увеличением частоты емкостное сопротивление понижается, что приводит к нарастанию его обратного тока. На больших частотах вследствие того в диоде есть ёмкость, величина его обратного тока может достичь значения прямого тока, и этот диод, таким образом, утратит свое основное свойство односторонней электропроводности. Для сохранения своих функциональных качеств необходимо снизить емкость диода. Это достигается с помощью всевозможных технологических и конструктивных методов, направленных на сокращения площади p—n-перехода.

В диодах, используемых в схемах, работающих с высокочастотным током, применяют изделия с точечными и микросплавными p—n-переходами. Нужный точечный p—n-переход, получается в месте контакта заостренного окончания специальной металлической иглы с полупроводником. При этом применяют способ электроформования, заключающемся в том, что через соединение проволоки и кристалла полупроводники протекают импульсы электрического тока, формирующие в месте их контакта p—n-переход. Микросплавными называются такие диоды, у которых p—n-переход создаётся при электроформовании контакта между пластинкой полупроводника и металлическим предметом с плоским торцом.

Полупроводниковый диод

Определение и значение

Если вы читаете это, поблагодарите полупроводниковый диод .

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

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

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

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

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

Полупроводниковый диод

— определение, характеристики и применение

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

Рис. 1. Обозначение полупроводникового диода

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

---

Полупроводниковый диод — Задачи для студентов

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

---

Полупроводниковый диод — внутренняя конструкция

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

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

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

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

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

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

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

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

Переходы

MS могут иметь одну из двух вольт-амперных характеристик:

• Несимметричный нелинейный
• Симметричный, линейный

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

Полупроводниковый диод — ВАХ

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

Рис. 5. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода

.

Как определить, где анод, а где катод?

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

a) С помощью омметра (диапазон 2 кОм):

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

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

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

b) Использование функции измерения VDC:

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

.

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

Типы полупроводниковых диодов

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

Эксперимент для самостоятельного выполнения

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

Необходимые товары:

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

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

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

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

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

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

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

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

Что такое полупроводниковый диод? Прямое и обратное соединение диода

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

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

Вольт-амперные характеристики полупроводникового диода

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

Схема схем показана ниже.

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

Нулевое внешнее напряжение

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

Прямое смещение

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

Медленный рост тока в этой области связан с тем, что приложенное извне напряжение используется для преодоления потенциального барьера 0.3 В для Ge и 0,7 для Si PN перехода. Однако, как только потенциальный барьер устранен, и внешнее напряжение питания увеличивается. PN-переход ведет себя как обычный проводник, и ток в цепи очень резко возрастает, что представлено областью AB.

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

Напряжение колена

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

Обратное смещение

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

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

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

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

Из всего вышеприведенного обсуждения можно сделать следующие выводы.

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

Это все о полупроводниковых диодах.

P-N переходный полупроводниковый диод — Диод

Что такое полупроводниковый диод с p-n переходом?

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

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

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

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

ниже.

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

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

Смещение полупроводниковый диод p-n переход

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

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

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

Клеммы pn переходного диода

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

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

• Клеммы диода при прямом смещении

  
  

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

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

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

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

• Клеммы диода при обратном смещении

  
  

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

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

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

Кремний и германиевые полупроводниковые диоды

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

Преимущества диода p-n перехода

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

Что такое диод? | Fluke

Диод — это полупроводниковое устройство, которое, по сути, действует как односторонний переключатель тока. Это позволяет току легко течь в одном направлении, но сильно ограничивает протекание тока в противоположном направлении.

Диоды также известны как выпрямители , потому что они преобразуют переменный ток (ac) в пульсирующий постоянный ток (dc).Диоды классифицируются в соответствии с их типом, напряжением и допустимым током.

Диоды имеют полярность, определяемую анодом (положительный вывод) и катодом (отрицательный вывод). Большинство диодов пропускают ток только тогда, когда на анод подается положительное напряжение. На этом рисунке показаны различные конфигурации диодов:

Диоды доступны в различных конфигурациях. Слева: металлический корпус, крепление на шпильке, пластиковый корпус с лентой, пластиковый корпус с фаской, стеклянный корпус.

Когда диод пропускает ток, он смещен в прямом направлении . Когда диод имеет обратное смещение , он действует как изолятор и не пропускает ток.

Странно, но факт: стрелка символа диода указывает против направления потока электронов. Причина: инженеры придумали символ, а их схемы показывают ток, текущий от положительной (+) стороны источника напряжения к отрицательной (-). То же самое соглашение используется для символов полупроводников, которые включают стрелки — стрелка указывает в разрешенном направлении «обычного» потока и против разрешенного направления потока электронов.

Испытательный диод диода цифрового мультиметра создает небольшое напряжение между измерительными выводами, достаточное для прямого смещения диодного перехода. Нормальное падение напряжения составляет от 0,5 В до 0,8 В. Смещенное в прямом направлении сопротивление хорошего диода должно находиться в диапазоне от 1000 до 10 Ом. При обратном смещении на дисплее цифрового мультиметра будет отображаться OL (что указывает на очень высокое сопротивление).

Диодам присваиваются номинальные значения тока. Если номинальное значение превышено и диод выходит из строя, он может закоротить и либо а) позволить току течь в обоих направлениях, либо б) остановить ток в любом направлении.

Ссылка: Принципы цифрового мультиметра Глена А. Мазура, American Technical Publishers.

Полупроводниковый диод — статья энциклопедии

(PD) Изображение: John R. Brews
Меза-диодная структура (вверху) и планарная диодная структура с защитным кольцом (внизу).

Полупроводниковый диод представляет собой устройство с двумя выводами, которое проводит ток только в одном направлении, состоящее из двух или более слоев, из которых по крайней мере один является полупроводником. Примером может служить диод pn , изготовленный путем соединения полупроводникового слоя типа p с полупроводниковым слоем типа n .Для обсуждения легирующих примесей и терминологии типа p- и n-. видеть легирующие примеси.

На рисунке показаны две из множества возможных структур, используемых для полупроводниковых диодов pn-, обе адаптированы для увеличения напряжения, которое устройства могут выдерживать при обратном смещении. В верхней структуре используется меза, чтобы избежать резкого искривления области p ⁺ — рядом с прилегающим слоем n-. В нижней структуре используется слегка легированное защитное кольцо p- на краю острого угла слоя p ⁺ — для распределения напряжения на большее расстояние и уменьшения электрического поля.(Верхние индексы вроде n ⁺ или n ^— относятся к более тяжелым или более легким примесным уровням легирования.)

Типы

Полупроводниковые диоды бывают самых разных типов:

• pn -диод: переходной диод pn состоит из полупроводника типа n , соединенного с полупроводником типа p .
Стабилитрон
• : Стабилитрон — это особый тип диода pn , предназначенный для работы в области обратного пробоя и часто используемый в качестве регулятора напряжения.Напряжение пробоя в этих диодах иногда называют напряжением стабилитрона . В зависимости от рассчитанного диапазона напряжений диод может выйти из строя из-за пробоя стабилитрона, туннелирования электронов или лавинного пробоя.
• Диод Шоттки: Диод Шоттки изготовлен из металла, такого как алюминий или платина, на легированной полупроводниковой подложке.
• Туннельный диод: Как и стабилитрон, туннельный диод (или диод Эсаки) состоит из сильно легированных слоев типа n- и p с очень резким переходом между двумя типами.Проводимость происходит за счет электронного туннелирования.
• Светодиод: Светодиод предназначен для преобразования электрического тока в свет.
• Фотодиод: Фотодиод является инверсией светодиода, действует как фотодетектор, преобразуя падающий свет в обнаруживаемый электрический ток.
• pin -диод: pin -диод состоит из трех слоев: внутреннего (нелегированного) слоя между слоями типа p и n .Благодаря своим характеристикам быстрого переключения он используется в микроволновых и радиочастотных приложениях.
Диод Ганна
• : Диод Ганна представляет собой устройство с переносом электронов , основанное на эффекте Ганна в полупроводниках III-V, и используется для генерации микроволновых колебаний.
• Варактор: переход pn , используемый при обратном смещении в качестве конденсатора переменного напряжения для настройки радиоприемников. Термин varactor также используется для устройств, которые ведут себя как встречные стабилитроны.

Электрические характеристики

(PD) Изображение: John R. Brews
Nonideal pn — вольт-амперные характеристики диода.

Идеальный диод имеет нулевое сопротивление для полярности прямого смещения и бесконечное сопротивление (проводит нулевой ток) для полярности обратного напряжения . Другими словами, полупроводниковый диод действует как электрический выпрямитель .

Полупроводниковый диод не идеален. Как показано на рисунке, диод не проводит заметную проводимость до тех пор, пока не будет достигнуто ненулевое напряжение излома (также называемое напряжением включения или напряжением включения ).Выше этого напряжения наклон кривой вольт-амперной характеристики не бесконечен (сопротивление в открытом состоянии не равно нулю). В обратном направлении диод проводит ненулевой ток утечки (преувеличенный меньшим масштабом на рисунке), и при достаточно большом обратном напряжении ниже напряжения пробоя ток увеличивается очень быстро с более отрицательными обратными напряжениями.

Как показано на рисунке, на и на сопротивлениях представляют собой обратные наклоны вольт-амперной характеристики в выбранной точке смещения:

, где r _D — сопротивление, а Δi _D — изменение тока, соответствующее изменению напряжения диода Δv _D при смещении v _D = V _BIAS .

Операция

Здесь рассматривается работа простого диода с переходом pn . Цель состоит в том, чтобы объяснить различные режимы смещения на рисунке. Работа описана с использованием диаграмм изгиба зон, которые показывают, как наименьшая энергия зоны проводимости и наибольшая энергия валентной зоны изменяются в зависимости от положения внутри диода при различных условиях смещения. Дополнительное обсуждение см. В статье Полупроводник.

Нулевое смещение

(PD) Изображение: Джон Р.Brews
Диаграмма изгиба ленты для pn -переходного диода при нулевом приложенном напряжении. Область истощения заштрихована.

На рисунке показана диаграмма изгиба полосы для диода pn ; то есть края зоны для зоны проводимости (верхняя линия) и валентной зоны (нижняя линия) показаны как функция положения по обе стороны от стыка между материалом типа p (левая сторона) и n Материал типа (правая сторона). Когда область типа p и область типа n одного и того же полупроводника объединены и два диодных контакта замкнуты накоротко, уровень половинной занятости Ферми (пунктирная горизонтальная прямая линия) находится на постоянном уровне. .Этот уровень обеспечивает правильное заполнение дырок и электронов в бесполевом объеме по обе стороны от перехода. (Так, например, электрону не обязательно покидать сторону n и переходить к стороне p через короткое замыкание, чтобы отрегулировать заселенность.)

Однако плоский уровень Ферми требует, чтобы полосы на стороне типа p двигались выше, чем соответствующие полосы на стороне типа n , образуя ступеньку или барьер на краях полосы, обозначенную φ _B .Этот шаг изменяет плотность электронов на стороне n-, чтобы стать фактором Больцмана exp (- φ _B / V _th ) меньшим на стороне p-, чтобы соответствовать нижнему электрону. плотность в районе р- . Здесь символ В, _th обозначает тепловое напряжение , В _th = k _B T / q ≈ 25 мВ при T = 290 кельвинов. Аналогичные соображения применимы к влиянию барьера на плотность дырок в области n-.Так получилось, что произведение плотности носителей pn :

в любом положении диода в состоянии равновесия. ^[1] Здесь p _B , n _B — плотность основного носителя на стороне p- и стороне n-.

В результате этого шага на краях зоны обедненная область около перехода становится обедненной как дырками, так и электронами, образуя изолирующую область почти без подвижных зарядов.Однако существует фиксированных, неподвижных заряда из-за ионов легирующей примеси. Практически полное отсутствие подвижного заряда в обедненном слое означает, что присутствующих подвижных зарядов недостаточно для уравновешивания неподвижного заряда, вносимого легирующими ионами: отрицательный заряд на стороне типа p из-за акцепторной примеси и как положительный заряд на сторона n за счет донорной легирующей примеси. Из-за этого заряда в этой области возникает электрическое поле, как определено уравнением Пуассона.Ширина области истощения регулируется таким образом, чтобы отрицательный заряд акцептора на стороне p точно уравновешивал положительный заряд донора на стороне n , поэтому электрическое поле за пределами области истощения с обеих сторон отсутствует.

В этой конфигурации полосы не подается напряжение и через диод не протекает ток. Чтобы пропустить ток через диод, необходимо применить прямое смещение , как описано ниже.

Прямое смещение

(PD) Изображение: Джон Р.Brews
Диаграмма изгиба полосы pn-диода при прямом смещении. Диффузия перемещает носителей через соединение. (PD) Изображение: Джон Р. Брюс
Квази-уровней Ферми и плотности носителей в прямом смещенном диоде pn-. На рисунке предполагается, что рекомбинация ограничена областями, где концентрация основных носителей заряда близка к объемным значениям, что не является точным, когда центры генерации рекомбинации в области поля играют роль.

При прямом смещении электроны инжектируются в материал p-, а дырки — в материал n-.Электроны в материале типа n называются мажоритарными носителями на этой стороне, но все, которые попадают на сторону типа p , называются неосновными носителями . Те же дескрипторы применимы к дыркам: они являются основными носителями на стороне типа p и неосновными носителями на стороне типа n .

Прямое смещение разделяет два уровня объемной половинной занятости по величине приложенного напряжения, что снижает разделение краев объемных зон типа p , чтобы быть ближе по энергии к таковым у типа n .Как показано на диаграмме, шаг по краям полосы уменьшается под действием приложенного напряжения до φ _B −v _D . (Диаграмма изгиба полосы представлена ​​в вольтах, поэтому для преобразования v _D в энергию отсутствует заряд электронов.)

При прямом смещении диффузионный ток течет (то есть ток, обусловленный градиентом концентрации) дырок со стороны p на сторону n- и электронов в направлении, противоположном направлению . n — сторона p — сторона.Градиент, управляющий этим переносом, настраивается следующим образом: в объеме, удаленном от границы раздела, неосновные носители имеют очень низкую концентрацию по сравнению с основными носителями, например, электронная плотность на стороне p (где они являются неосновными носителями) является множителем exp (- φ _B / V _th ) ниже, чем на стороне n- (где они являются основными операторами связи). С другой стороны, вблизи интерфейса приложение напряжения v _D уменьшает шаг на краях полосы и увеличивает плотность неосновных носителей на коэффициент Больцмана exp ( v _D / V _th ) над основной массой. ценности.Внутри соединения продукт pn- увеличивается выше равновесного значения до: ^[1]

Градиент, управляющий диффузией, в таком случае является разницей между большими плотностями избыточных неосновных носителей заряда на барьере и низкими плотностями в объеме, и этот градиент управляет диффузией неосновных носителей из границы раздела в объем. Количество введенных неосновных носителей уменьшается по мере их продвижения в объем за счет механизмов рекомбинации , которые приводят избыточные концентрации к объемным значениям.

Рекомбинация может происходить при прямом столкновении с основным носителем, аннигилирующем оба носителя, или через центр генерации рекомбинации , дефект, который поочередно захватывает дырки и электроны, способствуя рекомбинации. Неосновные носители имеют ограниченный срок службы , и этот срок службы, в свою очередь, ограничивает то, как далеко они могут диффундировать со стороны основных носителей на сторону неосновных носителей, так называемая длина диффузии . В светодиодах рекомбинация электронов и дырок сопровождается излучением света с длиной волны, связанной с энергетическим зазором между валентной зоной и зоной проводимости, поэтому диод преобразует часть прямого тока в свет.

Линии половинной занятости дырок и электронов не могут оставаться плоскими по всему устройству, поскольку они находятся в равновесии, а становятся квазиуровнями Ферми , которые меняются в зависимости от положения. Как показано на рисунке, электронный квазиуровень Ферми смещается с положением от равновесного уровня Ферми с половинной заселенностью в объеме n- к равновесному уровню с половинной заселенностью для дырок глубоко в объеме p-. Дырочный квазиуровень Ферми делает обратное. Два квазиуровня Ферми не совпадают, кроме глубины в объемных материалах.

На рисунке показано падение плотности основных носителей от уровней плотности основных носителей n _B , p _B в соответствующих объемных материалах до уровня с коэффициентом exp (- ( φ _B — v _D ) / V _th ) меньше на вершине барьера, которое уменьшается от равновесного значения φ _B на величину прямого смещения диода v _D . Поскольку этот барьер расположен в материале с противоположным легированием, инжектированные носители в позиции барьера теперь являются неосновными носителями.По мере того, как происходит рекомбинация, плотности неосновных носителей падают с глубиной до их равновесных значений для объемных неосновных носителей, на коэффициент exp (- φ _B / V _th ) меньше, чем их объемная плотность n _B , p _B в качестве основных носителей перед инъекцией. В этот момент квазиуровни Ферми воссоединяются с положениями объемных уровней Ферми.

Уменьшение шага на краях зоны также означает, что при прямом смещении область обеднения сужается, поскольку дырки проталкиваются в нее со стороны p и электронов со стороны n .

В простом диоде pn прямой ток увеличивается экспоненциально с напряжением прямого смещения из-за экспоненциального увеличения плотности несущих, поэтому всегда есть ток даже при очень малых значениях приложенного напряжения. Однако, если кто-то интересуется некоторым конкретным уровнем тока, для достижения этого уровня тока потребуется «излом» напряжения. Например, в текстах о схемах с кремниевыми диодами очень часто встречается выбор: В _Колено = 0.7 В. ^[2] Выше колена, конечно, ток продолжает экспоненциально возрастать. Некоторые специальные диоды, такие как некоторые варакторы, специально разработаны для поддержания низкого уровня тока до некоторого напряжения колена в прямом направлении.

Обратное смещение

(PD) Изображение: John R. Brews
Изгиб ленты для диода pn в обратном смещении (PD) Изображение: Джон Р. Брюс
квази-уровней Ферми в диоде pn- с обратным смещением.

При обратном смещении уровень заполнения дырок снова стремится оставаться на уровне объемного полупроводника p -типа, в то время как уровень заполнения электронами соответствует уровню заполнения объемного полупроводника n--типа.В этом случае края объемных зон типа p приподняты относительно объема n за счет обратного смещения v _R , так что два уровня заполнения снова разделены энергией, определяемой величиной приложенное напряжение. Как показано на диаграмме, такое поведение означает, что шаг на краях зоны увеличивается до φ _B + v _R , а область обеднения расширяется по мере того, как дырки удаляются от нее на стороне p и электроны на стороне n .

Когда применяется обратное смещение, электрическое поле в обедненной области увеличивается, отталкивая электроны и дырки дальше друг от друга, чем в случае нулевого смещения. Таким образом, любой ток, который протекает, происходит из-за очень слабого процесса генерации носителей заряда внутри обедненной области из-за дефектов генерации-рекомбинации в этой области. Этот очень небольшой ток является источником тока утечки при обратном смещении. В фотодиоде обратный ток вводится за счет создания дырок и электронов в обедненной области падающим светом, тем самым преобразуя часть падающего света в электрический ток.

Когда обратное смещение становится очень большим, достигая напряжения пробоя, процесс генерации в области истощения ускоряется, что приводит к лавинообразному состоянию , которое может вызвать разгон и разрушить диод.

Диодный закон

Величина постоянного тока идеального диода pn- определяется уравнением диода Шокли: ^[3]

с v _D постоянным напряжением на диоде и I _R обратным током насыщения , током, который течет при обратном смещении диода ( v _D большой и отрицательный).Символ В _th обозначает тепловое напряжение , В _th = k _B T / q ≈ 25 мВ при T = 290 кельвинов.

Это уравнение не моделирует поведение без сделки, такое как избыточная обратная утечка или явление пробоя. Во многих практических диодах это уравнение должно быть изменено, чтобы читать:

, где коэффициент идеальности , n вводится для моделирования более медленной скорости увеличения, чем предсказывается законом идеальных диодов.Используя это уравнение, сопротивление диода на — составляет:

показывает меньшее сопротивление, чем выше ток.

Емкость

Слой обеднения между сторонами n — и p перехода pn служит изолирующей областью, разделяющей контакты двух диодов. Таким образом, диод в обратном смещении имеет емкость обедненного слоя , иногда более расплывчато называемую емкостью перехода , аналогично конденсатору с параллельными пластинами с диэлектрической прокладкой между контактами.При обратном смещении ширина обедненного слоя увеличивается с увеличением обратного смещения v _R , и соответственно уменьшается емкость. Таким образом, переход служит конденсатором с регулируемым напряжением. В упрощенной одномерной модели емкость перехода равна:

с A площадь устройства, κ относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника, ε ₀ электрическая постоянная и w ширина обеднения (толщина области, где плотность мобильных носителей пренебрежимо мала. ).

При прямом смещении, помимо указанной выше емкости обедненного слоя, происходит инжекция и диффузия заряда неосновных носителей. Имеется диффузионная емкость , выражающая изменение заряда неосновных носителей, которое происходит при изменении прямого смещения. С точки зрения накопленного заряда неосновных носителей ток диода i _D равен:

, где Q _D — это заряд, связанный с диффузией неосновных носителей заряда, а τ _T — время прохождения , время, необходимое для прохождения неосновного заряда через область инжекции.Типичные значения времени прохождения составляют 0,1–100 нс. ^[4] На основании этого рассчитывается диффузионная емкость:

Вообще говоря, для обычных уровней тока при прямом смещении эта емкость намного превышает емкость обедненного слоя.

Переходная характеристика

(PD) Изображение: John R. Brews
Схема слабого сигнала для диода pn-, управляемая токовым сигналом, представленным как источник Norton.

Диод — это в высшей степени нелинейное устройство, но для изменений слабого сигнала его отклик можно проанализировать с помощью схемы слабого сигнала на основе смещения постоянного тока, относительно которого, как предполагается, изменяется сигнал.Эквивалентная схема показана справа для диода, управляемого источником Norton. Используя текущий закон Кирхгофа в выходном узле:

с C _D диффузионная емкость диода, C _J емкость диодного перехода (емкость обедненного слоя) и r _D сопротивление диода, все при выбранном покоящемся смещении точка или Q-точка. Выходное напряжение, обеспечиваемое этой схемой, тогда:

с ( R _S || r _D ) параллельной комбинацией R _S и r _D .Этот усилитель сопротивления демонстрирует изолирующую частоту , обозначенную f _C :

и для частот f >> f _C усиление падает с частотой, поскольку конденсаторы замыкают резистор r _D . Предположим, как и в случае включения диода, что C _D >> C _J и R _S >> r _D , найденные выше выражения для сопротивление и емкость диода обеспечивают:

, который связывает частоту излома со временем прохождения диода τ _T .

Для диодов, работающих с обратным смещением, C _D равно нулю, а термин угловая частота часто заменяется частотой среза . В любом случае, при обратном смещении сопротивление диода становится довольно большим, хотя и не бесконечным, как предполагает закон идеального диода, и предположение, что оно меньше сопротивления Нортона драйвера, может быть неточным. Емкость перехода мала и зависит от обратного смещения v _R .Тогда частота среза равна:

и изменяется в зависимости от обратного смещения, поскольку ширина w (v _R ) изолирующей области, обедненной подвижными несущими, увеличивается с увеличением обратного смещения диода, уменьшая емкость. ^[5]

Банкноты

1. ↑ ^{1,0 1,1} Джон Спаркс (1994). Полупроводниковые приборы , 2-е изд. CRC Press, стр. 78. ISBN 0748773827.
2. ↑ Естественно, это напряжение зависит от выбранного уровня тока.Это напряжение для диода с переходом pn принимается по-разному: 0,7 В и 0,5 В; см. AS Sedra and KF Smith (1998). «Глава 3: Диоды», Микроэлектронные схемы , 4-е изд. Oxford University Press, стр. 134 и Рисунок 3.8. ISBN 0195116631. .
3. ↑ Андрей Гребенников (2011). «§2.1.1: Диоды: принцип действия», Конструкция ВЧ- и СВЧ-передатчика . J Wiley & Sons, стр. 59. ISBN 047052099X.
4. ↑ Нараин Арора (2007). Mosfet-моделирование для СБИС: теория и практика . World Scientific, стр. 539. ISBN 981256862X. Жан-Пьер Колиндж, Синтия А. Колиндж (2002). Физика полупроводниковых приборов , 2-е изд. Спрингер, стр. 149. ISBN 1402070187.
5. ↑ Варактор представляет собой диод pn-, работающий в режиме обратного смещения. См., Например, В.С. Багад (2009). «§5.8.1 Варакторный диод: принцип работы», Микроволновая и радиолокационная техника , 2-е изд.Технические публикации Пуна. ISBN 8184311214.

Что такое полупроводниковый лазерный диод?

1. Световое излучение полупроводникового лазера
Полупроводниковый лазер (LD) — это устройство, которое вызывает генерацию лазера, пропуская электрический ток к полупроводнику. Механизм излучения света такой же, как у светоизлучающего диода (LED). Свет генерируется путем пропускания прямого тока к p-n переходу. При прямом смещении слой p-типа соединяется с положительным выводом, а слой n-типа соединяется с отрицательным выводом, электроны входят из слоя n-типа, а дырки — из слоя p-типа.Когда они встречаются на стыке, электрон падает в дыру, и в это время излучается свет.

2. Базовая структура полупроводниковых лазеров
Базовая структура полупроводникового лазера показана на рисунке 1. Активный слой (светоизлучающий слой), расположенный между слоями оболочки p- и n-типа (двойная гетероструктура), сформирован на подложка n-типа, и напряжение прикладывается к pn переходу от электродов. Оба края активного слоя имеют зеркальную поверхность.При приложении прямого напряжения электроны соединяются с дырками на p-n-переходе и излучают свет. Этот свет еще не лазер; он ограничен активным слоем, потому что показатель преломления слоев оболочки ниже, чем у активного слоя. Кроме того, оба конца активного слоя действуют как отражающее зеркало, где свет возвращается в активный слой. Затем свет усиливается процессом вынужденного излучения и генерируется лазерная генерация.

Фиг.1 Базовая структура полупроводникового лазера

3. Типы полупроводникового лазера
Центральная длина волны полупроводникового лазера в основном зависит от энергии запрещенной зоны активного слоя полупроводника. Однако детали лазерных спектров различаются в зависимости от типа ЛД, даже если энергии запрещенной зоны одинаковы.

(1) Полупроводниковый лазер Фабри-Перо
Этот лазер имеет простейшую конструкцию и используется во многих приложениях, включая оптические датчики для CD, DVD и BD; лазерные принтеры; и возбуждение волоконных лазеров.Он характеризуется использованием плоскости спайности лазерного кристалла для отражения света, излучаемого в активном слое, как показано на рисунке 1. Плоскость спайности кристалла чрезвычайно гладкая и может использоваться в качестве отражающего зеркала. Поскольку Fabry perot-LD не имеет механизма для выбора определенной длины волны колебаний, многократная генерация лазера происходит в пределах полосы усиления, как показано на рисунке 2. Колебания на нескольких длинах волн вызывают уширение импульса при передаче по оптическому волокну, и поэтому они не могут применяться для связи на большие расстояния.

Рис.2 Принципиальная схема полупроводникового лазера типа Фабри-Перо

(2) Полупроводниковый лазер DFB
Лазер DFB (лазер с распределенной обратной связью) имеет решетку под или над активным слоем и колеблется на одной длине волны, определяемой длиной волны Брэгга решетки. Рисунок 3 иллюстрирует схему структуры. Он демонстрирует превосходные характеристики, в том числе узкую ширину спектра и низкий уровень шума, и, следовательно, используется в качестве источника оптического сигнала при оптической связи на большие расстояния.

(3) Полупроводниковый лазер со стабилизированной длиной волны FBG
Хотя DFB-лазер обладает превосходными характеристиками, такими как генерация на одной длине волны, он является дорогостоящим из-за сложности производства. Более экономичный лазер для генерации на одной длине волны — это лазерный диод, стабилизирующий длину волны с помощью ВБР. Рисунок 4 иллюстрирует схему структуры. В этом случае резонатор лазера состоит из торцевой поверхности активного слоя с покрытием HR и ВБР с низким коэффициентом отражения. На рисунке 4 изображена только сердцевина волокна.Другой конец активного слоя и падающий конец волокна имеют просветляющее покрытие для предотвращения отражения света. Кроме того, падающий конец волокна обрабатывается до конфигурации линзы для сбора света. Поскольку ВБР, образующаяся в сердцевине волокна, отражает только определенную длину волны, возникает колебание одной длины волны.

Рис.4 Принципиальная схема полупроводникового лазера со стабилизированной длиной волны ВБР

.