Диод что такое. Диоды: принцип работы, виды и применение в электронике — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое диод и как он работает. Какие бывают виды диодов. Где применяются диоды в электронике и электротехнике. Каковы основные характеристики и параметры диодов.

Содержание

Что такое диод и как он устроен

Диод — это полупроводниковый электронный компонент с двумя выводами, который пропускает электрический ток только в одном направлении. Его основная функция — выпрямление переменного тока и защита электрических цепей.

Диод состоит из двух областей полупроводникового материала с разным типом проводимости:

p-область с дырочной проводимостью (анод)
n-область с электронной проводимостью (катод)

На границе этих областей образуется p-n переход, который и определяет ключевые свойства диода. В зависимости от приложенного напряжения p-n переход либо пропускает ток, либо блокирует его.

Принцип работы диода

Как работает диод? Принцип действия основан на свойствах p-n перехода:

При прямом включении (анод «+», катод «-«) p-n переход открыт и пропускает ток

При обратном включении (анод «-«, катод «+») p-n переход закрыт и блокирует ток

Это позволяет использовать диод как электрический вентиль, пропускающий ток только в одном направлении. На этом свойстве основано применение диодов для выпрямления переменного тока.

Основные параметры и характеристики диодов

Ключевыми характеристиками диодов являются:

Максимальный прямой ток
Максимальное обратное напряжение
Прямое падение напряжения
Обратный ток утечки
Емкость p-n перехода
Время восстановления

Эти параметры определяют возможности применения диодов в различных электронных схемах. При выборе диода нужно учитывать его характеристики и особенности конкретной схемы.

Виды и типы диодов

Существует множество разновидностей диодов, различающихся конструкцией и свойствами:

Выпрямительные диоды — для выпрямления переменного тока

Стабилитроны — для стабилизации напряжения
Светодиоды — для генерации света
Фотодиоды — для детектирования света
Варикапы — как переменные конденсаторы
Диоды Шоттки — для высокочастотных применений
Туннельные диоды — для СВЧ-техники

Каждый тип диодов имеет свои особенности и область применения. Рассмотрим некоторые из них подробнее.

Выпрямительные диоды: принцип работы и применение

Выпрямительные диоды — самый распространенный тип диодов. Их основная функция — преобразование переменного тока в постоянный. Как это происходит?

В положительный полупериод переменного напряжения диод открыт и пропускает ток
В отрицательный полупериод диод закрыт и не пропускает ток

В результате на выходе получается пульсирующий постоянный ток. Для сглаживания пульсаций используются конденсаторы.

Выпрямительные диоды применяются в:

Блоках питания электронных устройств
Зарядных устройствах для аккумуляторов
Сварочных аппаратах
Системах электроснабжения автомобилей

Светодиоды: принцип работы и применение

Светодиоды (LED) — это полупроводниковые источники света. Принцип их работы основан на явлении электролюминесценции:

При прохождении тока через p-n переход происходит рекомбинация электронов и дырок
При рекомбинации выделяется энергия в виде фотонов (света)

Цвет излучения светодиода зависит от материала полупроводника. Современные светодиоды могут излучать свет практически любого цвета.

Основные области применения светодиодов:

Световые индикаторы в электронных устройствах
Экраны и дисплеи
Освещение (лампы, светильники)
Автомобильные фары и сигнальные огни
Подсветка в мобильных устройствах

Фотодиоды: принцип работы и применение

Фотодиоды — это полупроводниковые фотоприемники, преобразующие световой сигнал в электрический. Как работает фотодиод?

При освещении p-n перехода происходит генерация электронно-дырочных пар
Под действием электрического поля носители заряда разделяются
Возникает фототок, пропорциональный интенсивности освещения

Фотодиоды широко применяются в различных областях:

Системы автоматики и контроля
Оптические датчики и сенсоры
Оптоволоконные линии связи
Фотометрия и спектрометрия
Системы обнаружения и слежения

Диоды Шоттки: особенности и применение

Диоды Шоттки отличаются от обычных диодов тем, что вместо p-n перехода в них используется контакт металл-полупроводник. Это дает ряд преимуществ:

Меньшее прямое падение напряжения (0.2-0.4 В)
Очень малое время переключения
Низкий обратный ток утечки

Благодаря этим свойствам диоды Шоттки нашли широкое применение:

Высокочастотные выпрямители
Импульсные источники питания
Схемы защиты от переполюсовки
Быстродействующие логические схемы

Что такое диод, зачем он нужен и из чего он состоит?

Диод является одним из самых популярных электронных компонентов, который используется как в простых схемах выпрямителей, так и в сложных электронных системах. А что это такое и зачем он там нужен, спросите вы?

Итак, диод – это полупроводниковый элемент с двумя выводами, один из которых носит название анод (А), а другой катод (К). По типу исполнения различают дискретные диоды в виде отдельного элемента, который заключается в свой собственный корпус и предназначен для монтажа на печатной плате, и интегральные диоды, изготавливаемые вместе с другими элементами схемы на общей полупроводниковой подложке. У интегральных диодов имеется третий вывод. Он необходим для соединения с общей подложкой. Иногда его называют

субстратом (S), но он не играет важной роли в самом процессе функционирования диода.

Устройство диода

Диоды состоят из электронно-дырочного перехода p-n или перехода металл-полупроводник и носят название диод с p-n переходом или диод Шоттки. Зона n обогащена электронами, а зона p – дырками. Условное графическое представление диода на электрических схемах и его структура показаны на рисунке ниже.

Как правило, зоны диода n и p изготавливаются из кремния. Кроме того, существуют диоды на основе германия. Им свойственно малое прямое падение напряжения, однако они уже устарели. В диодах Шоттки зона p заменена слоем металла, что также приводит к малому прямому падению напряжения, поэтому они довольно часто используются вместо германиевых диодов с p-n переходом.

На практике кремниевые диоды с p-n переходом называют просто диодами. На электрических схемах разные типы диодов отображаются одинаково, за исключением элементов особого типа. Типы диодов различаются по техническим данным и по маркировке на корпусе.

Режимы работы диода

В процессе работы диод может находиться в области проводимости, запирания и пробоя.

Диоды, назначение которых выпрямление напряжения, называют выпрямительными. Они работают в областях проводимости и запирания попеременно. Диоды, которые работают в области пробоя, называют стабилитронами (диоды Зенера). Назначение стабилитронов – стабилизация напряжения.

Еще один, не менее важный класс диодов – варикапы. Они работают в режиме запирания и благодаря зависимости емкости запорного слоя (барьерной емкости) от приложенного напряжения могут быть использованы для настройки колебательных контуров на нужную частоту. Также существует множество других диодов, которые мы рассмотрим в других статьях.

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

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

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

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

Конструкция диодов.

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

»)).

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

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

При разогреве

, электроны отделяются от одного электрода (катода) и начинают движение к другому электроду (аноду), благодаря электрическому магнитному полю.

Если направить ток в обратную сторону (изменить полярность), то электроны практически не будут двигаться к катоду из-за отсутствия нити накаливания в аноде. Такие диоды, чаще всего применяются в выпрямителях и стабилизаторах, где присутствует высоковольтная составляющая.

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

Типы диодов:

· Смесительный диод — создан для приумножения двух высокочастотных сигналов.

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

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

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

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

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

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

· Полупроводниковые лазеры.

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

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

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

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

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

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

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

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

Что такое диод ГП и каково его назначение

Диод ГП — это термодиод на графическом процессоре компьютера (GPU).

Он отвечает за контроль температуры процессора. GPU занимается графическим рендерингом, то есть обрабатывает данные и отображает их в виде компьютерной графики. В современных видеокартах графические процессоры используются и в качестве ускорителя трехмерной графики.

Как и обычные процессоры, GPU греются во время своей работы. Чтобы контролировать их температуру, применяются термодиоды. Эти устройства способны работать в диапазоне температур от 80 до 150 градусов. Верхний предел рабочей температуры термодиода ограничивается температурой теплового пробоя электронно-дырочного перехода. В случае германиевых диодов он может достигать 200 градусов, а в случае кремниевых — 500 градусов.

Широкое применение термодиодов в качестве датчиков температуры определяется дешевизной их производства, малыми размерами и высокой надежностью. В основе работы термодиода лежит явление электронно-дырочного перехода. Если в одном кристалле диода сочетаются два и более электронно-дырочных перехода, его вольт-амперные характеристики могут изменяться в зависимости от внешних условий. Так, в термодиодах с изменением температуры меняется сопротивление перехода, что приводит к изменению напряжения.

С диодами ГП связана одна распространенная проблема — когда графический процессор испытывает большую нагрузку, термодиод быстро перегревается, что приводит к зависанию компьютера. Из такого состояния компьютер выводит только перезагрузка. Особенно часто такие случаи происходят летом, когда воздух в помещении прогревается до 27-30 градусов.

Если температура диода ГП без нагрузки составляет 70 градусов — это уже является признаком его перегрева. Когда на компьютере запускаются «тяжелые» игры, температура термодиода может доходить до 100-120 градусов, что и приводит к зависанию комьпютера. Конечно, сжечь что-нибудь в этом случае сложно — ведь компьютер оборудован системой защиты от перегрева. Но постоянный перегрев графического процессора сказывается на работе компьютера и может привести к уменьшению ресурса его электронных компонентов.

Чтобы избавиться от проблемы перегрева термодиода, в большинстве случаев достаточно почистить видеокарту от пыли, поменять термопасту на графическом процессоре и проверить исправность работы кулера.

Что такое кремниевый диод?

Кремниевый диод — это полупроводник с положительной и отрицательной полярностью, позволяющий электрическому току течь в одном направлении, ограничивая его в другом. Элемент из кремния в чистом виде действует как электроизолятор. Чтобы он мог проводить электричество, к нему добавляются незначительные количества других элементов — в процессе, известном как допинг . Они делают заряженный полупроводниковый материал, используемый для создания кремниевых диодов, которые затем часто используются в радиоприемниках, компьютерах, источниках питания переменного / постоянного тока, а также в качестве датчиков температуры и излучения, среди других приложений.

Человек с дрелью

Когда делается кремниевый диод, он имеет как положительную, так и отрицательную стороны, а также соединение между ними, известное как p – n переход . Две стороны с разным зарядом являются результатом добавления в кремний разных элементов. Положительная сторона, известная как анод и сделанная из кремния p-типа, легирована бором или галлием. Их атомная структура в сочетании с кремнием создает положительный заряд. Добавление фосфора или мышьяка создает отрицательный катод, сделанный из кремния n-типа, аналогичным образом.

Напряжение кремниевого диода имеет прямое смещение 0.7 вольт. Это означает, что для питания диода необходимо 0,7 вольт. Как только это количество энергии пройдет через него, он будет проводить электрический ток через свой p – n переход. Это также предотвратит протекание большей части тока в обратном направлении. Каждый кремниевый диод имеет максимальное напряжение, которое может быть приложено к нему в обратном направлении, прежде чем он выйдет из строя. Как правило, это напряжение не менее 50 вольт или больше.

В каком-то смысле диод можно рассматривать как электрический обратный клапан, потому что он пропускает избыточную энергию вперед, но обычно не пропускает измеримое количество обратно в обратном направлении.На самом деле через диод может протекать очень небольшая величина тока в обратном направлении, но она настолько мала, что выход из строя цепи из-за такой силы обычно случается редко.

Поскольку кремниевый диод обычно пропускает энергию только в одном направлении, его можно использовать для защиты других устройств в цепи, таких как транзисторы, от получения слишком большой мощности и перегораний. Кроме того, специально сконфигурированные кремниевые диоды, известные как стабилитроны , можно использовать для поддержания фиксированного напряжения. Они сделаны так, чтобы при необходимости намеренно отводить некоторое количество электричества назад, чтобы поддерживать его точное количество.

Что такое фотодиод? Работа, характеристики, применение

Что такое фотодиод?

Это форма легкого датчика, который преобразует световую энергию в электрическое напряжение или ток.Фотодиод — это полупроводниковый прибор с PN переходом. Между слоями p (положительный) и n (отрицательный) присутствует внутренний слой. Фотодиод принимает световую энергию в качестве входа для выработки электрического тока.

Его также называют фотодетектором, фотодатчиком или детектором света. Фотодиод работает в режиме обратного смещения, т.е. сторона p фотодиода соединена с отрицательной клеммой батареи (или источника питания), а сторона n — с положительной клеммой батареи.

Типичными материалами для фотодиодов являются кремний, германий, фосфид арсенида галлия индия и арсенид галлия индия.

Внутри фотодиода есть оптические фильтры, встроенная линза и площадь поверхности. Увеличение площади поверхности фотодиода приводит к увеличению времени отклика. Немногие фотодиоды будут похожи на светоизлучающие диоды (LED). Он имеет два терминала, как показано ниже. Меньший вывод действует как катод, а более длинный вывод действует как анод.

Символ фотодиода аналогичен символу светодиода, но стрелки на светодиодах указывают внутрь, а не наружу.На следующем изображении показан символ фотодиода.

Работа фотодиода

Обычно, когда свет используется для освещения PN-перехода, ковалентные связи ионизируются. Это порождает дырочные и электронные пары. Фототоки возникают за счет генерации электронно-дырочных пар. Электронно-дырочные пары образуются, когда фотоны с энергией более 1,1 эВ попадают в диод. Когда фотон попадает в область истощения диода, он ударяет по атому с высокой энергией. Это приводит к высвобождению электрона из структуры атома.После выхода электрона образуются свободные электроны и дырка.

В общем, электрон будет иметь отрицательный заряд, а дырки — положительный. Энергия истощения будет построена в электрическом поле. Из-за этого электрического поля электронно-дырочные пары удаляются от перехода. Следовательно, дырки перемещаются к аноду, а электроны перемещаются к катоду, создавая фототок. Интенсивность поглощения фотона и энергия фотона прямо пропорциональны друг другу.Когда энергия фотографий меньше, поглощение будет больше. Весь этот процесс известен как внутренний фотоэлектрический эффект.

Внутреннее возбуждение и внешнее возбуждение — это два метода, посредством которых происходит возбуждение фотонов. Процесс собственного возбуждения происходит, когда электрон в валентной зоне возбуждается фотоном в зону проводимости.

Также прочтите « Различные типы датчиков »

Режимы работы фотодиода

Фотодиод

работает в трех разных режимах, а именно в фотоэлектрическом режиме, в режиме фотопроводимости и в режиме лавинного диода.

Фотоэлектрический режим

Это иначе называется режимом нулевого смещения. Этот режим является предпочтительным, когда фотодиод работает с низкочастотными приложениями и сверхвысоким светом. Когда фотодиод освещается вспышкой света, возникает напряжение. Создаваемое напряжение будет в очень маленьком динамическом диапазоне и имеет нелинейную характеристику. Когда фотодиод настроен с OP-AMP в этом режиме, будет очень меньше изменений с температурой.

Фотопроводящий режим

В этом режиме фотодиод будет работать в режиме обратного смещения.Катод будет положительным, а анод — отрицательным. Когда обратное напряжение увеличивается, ширина обедненного слоя также увеличивается. Благодаря этому время отклика и емкость перехода будут уменьшены. Для сравнения, этот режим работы быстр и производит электронный шум.

Трансимпедансные усилители используются в качестве предусилителей для фотодиодов. Режимы таких усилителей поддерживают постоянное напряжение, чтобы фотодиод работал в режиме фотопроводимости .

Режим лавинного диода

В этом режиме лавинный диод работает в условиях высокого обратного смещения. Это позволяет увеличить лавинный пробой каждой фотоэлектронно-дырочной пары. Следовательно, это приводит к внутреннему усилению фотодиода. Внутреннее усиление увеличивает отклик устройства.

Подключение фотодиода к внешней цепи

Фотодиод работает в цепи обратного смещения. Анод подключен к земле цепи, а катод — к положительному напряжению питания схемы.При освещении светом ток течет от катода к аноду.

Когда фотодиоды используются с внешними цепями, они подключаются к источнику питания в цепи. Сила тока, производимого фотодиодом, будет очень небольшой. Этого значения тока будет недостаточно для управления электронным устройством. Поэтому, когда они подключены к внешнему источнику питания, он подает больший ток в схему. Итак, в качестве источника питания используется аккумулятор. Источник батареи помогает увеличить значение тока, что помогает внешним устройствам иметь лучшую производительность

V-I характеристики фотодиода

Фотодиод работает в режиме обратного смещения.Обратные напряжения отложены по оси X в вольтах, а обратные токи отложены по оси Y в микроамперах. Обратный ток не зависит от обратного напряжения. Когда нет подсветки, обратный ток будет почти нулевым. Минимальное количество присутствующего тока называется темновым током. Один раз при увеличении освещенности обратный ток также линейно увеличивается.

Применение фотодиода

В простых повседневных приложениях используются фотодиоды.Причина их использования — линейный отклик фотодиода на световое излучение. Когда на датчик попадает больше света, он производит большой ток. Увеличение тока будет отображаться на гальванометре, подключенном к цепи.
Фотодиоды помогают обеспечить электрическую изоляцию с помощью оптронов. Когда две изолированные цепи освещаются светом, используются оптопары для оптического соединения цепи. Но цепи будут электрически изолированы.По сравнению с обычными устройствами оптопары работают быстрее.
Фотодиоды применяются в электронике безопасности, например, в датчиках огня и дыма. Он также используется в телевизионных установках.
При использовании в фотоаппаратах они действуют как фотодатчики. Он используется в сцинтилляторах устройств с зарядовой связью, фотопроводниках и фотоумножителях.
также широко используются во многих медицинских приложениях, таких как инструменты для анализа образцов, детекторы для компьютерной томографии, а также используются в мониторах газов крови.

В чем разница между диодом Шоттки и PN-диодом?

В чем разница между диодом Шоттки и диодом с PN переходом?

В нормальном диоде с PN-переходом выпрямительного класса переход образуется между полупроводником P-типа и полупроводником N.
В то время как в диоде Шоттки соединение находится между полупроводником N-типа и металлической пластиной.

Диод с барьером Шоттки имеет электроны в качестве основных носителей по обе стороны от перехода.Итак, это униполярный прибор.
Таким образом, около стыка не образуется обедненный слой. Это дает очень меньшее падение напряжения на переходе.
Другими словами, прямое падение напряжения (Vf) меньше на по сравнению с обычными диодами с PN переходом.
В диоде с барьером Шоттки проводимость тока происходит только за счет движения электронов.
Нет движения отверстий в обратном направлении. Это означает, что ток утечки незначителен .

Поскольку диод Шоттки является униполярным устройством (т.е. без движения отверстий в противоположном направлении), он не имеет большого обратного тока утечки (ток, который течет от катода к аноду во время обратного смещения).
Таким образом, при рекомбинации электронов и дырок будет меньше задержек.
Следовательно, диод Шоттки может переключаться (ВКЛ / ВЫКЛ) быстрее , чем диод с PN переходом.

Когда диод Шоттки смещен вперед, электроны проводимости в слое N получают огромную энергию, чтобы пересечь переход и войти в металл.
Поскольку эти электроны погружаются в металл с огромной энергией, они обычно известны как горячие носители.
Таким образом, диод с барьером Шотти также известен как диод с горячей несущей .

Применение диода Шоттки:

Применяется в импульсных источниках питания (ИИП).
Поскольку он генерирует меньше шума, он будет использоваться в чувствительных приемниках связи, таких как радары.
Используется в схемах отсечения и зажима, а также в компьютерном стробировании.
Он используется в создании интегральных схем, предназначенных для высокоскоростных приложений цифровой логики.

Следующая таблица дает нам сводку сравнительных исследований диода Шоттки и нормального диода с PN переходом

Диод Шоттки	P-N переходной диод
Между полупроводником N-типа и металлической пластиной образуется переход.	Соединение образуется между полупроводниками P- и N-типа.
Имеет низкое прямое падение напряжения.	По сравнению с диодом Шоттки он имеет большее прямое падение напряжения.
Время обратного восстановления и потери при обратном восстановлении очень и очень меньше.	Время обратного восстановления и потери при обратном восстановлении больше.
Они используются в высокочастотных приложениях, таких как цепи SMPS.	Их можно использовать в высокочастотных приложениях.
Это униполярное устройство то есть, проводимость тока происходит только за счет движения электронов.	Это биполярное устройство. то есть, проводимость тока обусловлена движением дырок и электронов.

Подробнее:

Общие сведения об ИС регуляторов напряжения
Как использовать ИС мостового выпрямителя? Как определить терминалы?
Сравнение синхронного двигателя и трехфазного асинхронного двигателя
Идеи проекта таймера 555 — реле, светодиоды, схемы драйвера лампы
Мы что-то упустили ?… Поделитесь пожалуйста в комментариях ….