Диод принцип работы для чайников: Принцип работы диода

Диоды. For dummies / Хабр

Введение

Диод — двухэлектродный электронный прибор, обладает различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока. Электрод диода, подключённый к положительному полюсу источника тока, когда диод открыт (то есть имеет маленькое сопротивление), называют анодом, подключённый к отрицательному полюсу — катодом. (wikipedia)

Все диоды можно разделить на две большие группы: полупроводниковые и неполупроводниковые. Здесь я буду рассматривать только первую из них.

В основе полупроводникового диода лежит такая известная штука, как p-n переход. Думаю, что большинству читателей о нем рассказывали на уроках физики в школе, а кому-то более подробно еще и в институте. Однако, на всякий случай приведу общий принцип его работы.

Два слова о зонной теории проводимости твердых тел

Прежде, чем начать разговор о p-n переходе, стоит обговорить некоторые теоретические моменты.

Считается, что электроны в атоме расположены на различном расстоянии от ядра. Соответственно, чем ближе электрон к ядру, тем сильнее связь между ними и тем большую энергию надо приложить, чтобы отправить его «в свободное плаванье». Говорят, что электроны расположены на различных энергетических уровнях. Заполнение этих уровней электронами происходит снизу вверх и на каждом из них может находиться не больше строго определенного числа электронов (атом Бора). Таким образом, если уровень заполнен, то новый электрон не может на него попасть, пока для него не освободится место. Чтобы электрон мог перейти на уровень выше, ему нужно сообщить дополнительную энергию. А если электрон «падает» вниз, то излишек энергии освобождается в виде излучения. Электроны могут занимать в атоме только сторого определенные орбиты с определенными энергиями. Орбиты эти называются разрешенными. Соответственно, запрещенными называют те орбиты (зоны), в которых электрон находиться не может.

Подробнее об этом можно почитать по ссылке на атом Бора выше, здесь же примем это как аксиому.

Самый верхний энергетический уровень называется валентным. У большинства веществ он заполнен только частично, поэтому электроны внешних подуровней других атомов всегда могут найти на нем себе место. И они действительно хаотично мигрируют от атома к атому, осуществляя таким образом связь между ними. Нижний слой, в котором могут перемещаться свободные электроны, называют зоной проводимости. Если валентная зона частично заполнена и электроны в ней могут перемещаться от атома к атому, то она совпадает с зоной проводимости. Такая картина наблюдается у проводников. У полупроводников валентная зона заполнена целиком, но разница энергий между валентным и проводящим уровнями у них мала. Поэтому электроны могут преодолевать ее просто за счет теплового движения. А у изоляторов эта разница велика, и чтобы получить пробой, нужно приложить значительную энергию.

Такова общая картина энергетического строения атома. Можно переходить непосредственно к p-n переходу.

p-n переход

Начнем с того, что полупроводники бывают n-типа и p-типа. Первые получают легированием четырехвалентного полупроводника (чаще всего кремния) пятивалентным полупроводником (например, мышьяком). Эту пятивалентную примесь называют донором. Ее атомы образуют четыре химических связи с атомами кремния, а пятый валентный электрон остается свободным и может выйти из валентной зоны в зону проводимости, если, например, незначительно повысить температуру вещества. Таким образом, в проводнике n-типа возникает избыток электронов.

Полупроводники p-типа тоже получаются путем легирования кремния, но уже трехвалентной примесью (например, бором). Эта примесь носит название

акцептора. Он может образовывать только три из четырех возможных химических связей. А оставшуюся незаполненной валентную связь принято называть дыркой. Т.е. дырка — это не реальная частица, а абстракция, принятая для более удобного описания процессов, происходящих в полупроводнике. Ее заряд полагают положительным и равным заряду электрона. Итак, в полупроводнике p-типа у нас получается избыток положительных зарядов.

В полупроводниках обоих типов кроме основных носителей заряда (электроны для n-типа, дырки для p-типа) в наибольшом количестве присутствуют неосновные носители заряда: дырки для n-области и электроны для p-области.

Если расположить рядом p- и n-полупроводники, то на границе между ними возникнет

диффузный ток. Произойдет это потому, что с одной стороны у нас чересчур много отрицательных зарядов (электронов), а с другой — положительных (дырок). Соответственно, электроны будут перетекать в приграничную область p-полупроводника. А поскольку дырка — место отсутствия электрона, то возникнет ощущение, будто дырки перемещаются в противоположную сторону — к границе n-полупроводника. Попадая в p- и n-области, электроны и дырки рекомбинируют, что приводит к снижению количества подвижных носителей заряда. На этом фоне становятся ясно видны неподвижные положительно и отрицательно заряженные ионы на границах полупроводников (от которых «ушли» рекомбинировавшие дырки и электроны). В итоге получим две узкие заряженные области на границе веществ. Это и есть p-n переход, который также называют обедненным слоем из-за малой концентрации в нем подвижных носителей заряда. Естественно, что здесь возникнет электрическое поле, направление которого препятствует дальнейшей диффузии электронов и дырок. Возникает

потенциальный барьер, преодолеть который основные носители заряда смогут только обладая достаточной для этого энергией. А вот неосновным носителям возникшее электрическое поле наоборот помогает. Соответственно, через переход потечет ток, в противоположном диффузному направлении. Этот ток называют дрейфовым. При отсутствии внешнего воздействия диффузный и дрейфовый ток уравновешивают друг друга и перетекание зарядов прекращается.

Ширина обедненной области и контактная разность потенциалов границ перехода (потенциальный барьер) являются важными характеристиками p-n перехода.

Если приложить внешнее напряжение так, чтобы его электрическое поле «поддерживало» диффузный ток, то произойдет снижение потенциального барьера и сужение обедненной области.

Соответственно, ток будет легче течь через переход. Такое подключение внешнего напряжения называют прямым смещением.

Но можно подключиться и наоборот, чтобы внешнее электрическое поле поддерживало дрейфовый ток. Однако, в этом случае ширина обедненной зоны увеличится, а потенциальный барьер возрастет. Переход «закроется». Такое подключение называют обратным смещением. Если величина приложенного напряжения превысит некоторое предельное значение, то произойдет пробой перехода, и через него потечет ток (электроны разгонятся до такой степени, что смогут проскочить через потенциальный барьер). Эта граничная величина называется напряжением пробоя.

Все, конец теории, пора перейти к ее практическому применению.

Диоды, наконец-то

Диод, по сути, одиночный p-n переход. Если он подключен с прямым смещением, то ток через него течет, а если с обратным — не течет (на самом деле, небольшой дрейфовый ток все равно остается, но этим можно пренебречь).

Этот принцип показан в условном обозначении диода: если ток направлен по стрелке треугольника, то ему ничего не мешает, а если наоборот — то он «натыкается» на вертикальную линию. Эта вертикальная линия на диодах-радиоэлементах обозначается широкой полосой у края.

Помню, когда я была глупой студенткой и впервые пришла работать в цех набивки печатных плат, то сначала ставила диоды как бог на душу положит. Только потом я узнала, что правильное расположение этого элемента играет весьма и весьма значительную роль. Но это так, лирическое отступление.

Диоды имеют нелинейную вольт-амперную характеристику.

Области применения диодов

1. Выпрямление пременного тока. Основано оно именно на свойстве диода «запираться» при обратном смещении. Диод как бы «срезает» отрицательные полуволны.
2. В качестве переменной емкости. Эти диоды называются варикапами.
   
   Здесь используется зависимость барьерной емкости перехода от обратного смещения. Чем больше его значение, тем шире обедненная область p-n перехода. Ее можно представить себе как плоский конденсатор, обкладками которого явялются границы области, а сама она выступает в качестве диэлектрика. Соответственно, чем толще «слой диэлеткрика», тем ниже барьерная емкость. Следовательно, изменяя приложенное напряжение можно электрически менять емкость варикапа.
3. Для стабилизации напряжения. Принцип работы таких диодов заключается в том, что даже при значительном увеличении внешнего падения напряжения, падение напряжения на диоде увеличится незначительно. Это справедливо и для прямого, и для обратного смещений. Однако напряжение пробоя при обратном смещении намного выше, чем прямое напряжение диода. Таким образом, если нужно поддерживать стабильным большое напряжение, то диод лучше включать обратно. А чтобы он сохранял работоспособность, несмотря на пробой, нужно использовать диод особого типа —
   стабилитрон.
   
   В прямосмещенном режиме он будет работать подобно обычному выпрямляющему диоду. А вот в обратносмещенном не будет проводить ток до тех пор, пока приложенное напряжение не достигнет так называемого напряжения стабилитрона, при котором диод сможет проводить значительный ток, а напряжение будет ограничено уровнем напряжения стабилитрона.
4. В качестве «ключа» (коммутирующего устройства). Такие диоды должны уметь очень быстро открываться и закрываться в зависимости от приложенного напряжения.
5. В качестве детекторов излучения (фотодиоды).
   
   Кванты света передают атомам в n-области дополнительную энергию, что приводит к появлению большого числа новых пар электрон-дырка. Когда они доходят до p-n перехода, то дырки уходят в p-область, а электроны скапливаются у края перехода. Таким образом, происходит возрастание дрейфового тока, а между p- и n-областями возникает разность потенциалов, называемая фотоЭДС. Величина ее тем больше, чем больше световой поток.
6. Для создания оптического излучения (светодиоды).
   
   При рекомбинации дырок и электронов (прямое смещение) происходит переход последних на более низкий энергетический уровень. «Излишек» энергии выделяется в виде кванта энергии. И в зависимости от химического состава и свойств того или иного полупроводника, он излучает волны того или иного диапазона. От состава же зависит и эффективность излучения.

Немного экзотики

Не стоит забывать о том, что p-n переход — одно из явлений микромира, где правит балом квантовая физика и становятся возможными странные вещи. Например, туннельный эффект — когда частица может пройти через потенциальный барьер, обладая меньшей энергией. Это становится возможным благодаря неопределенности соотношения между импульсом и координатами частицы (привет, Гейзенберг!). Этот эффект лежит в основе туннельных диодов.

Чтобы обеспечить возможность «просачивания» зарядов, их делают из вырожденных полупроводников (содержащих высокую концентрацию примесей). В результате получают резкий p-n переход с тонким запирающим слоем. Такие диоды маломощные и низкоинерционные, поэтому их можно применять в СВЧ-диапазоне.

Есть еще одна необычная разновидность полупроводниковых диодов — диоды Шоттки.

В них используется не традиционный p-n переход, а переход металл-полупроводник в качестве барьера Шоттки. Барьер этот возникает в том случае, когда разнятся величины работы выхода электронов из металла и полупроводника. Если n-полупроводник имеет работу выхода меньше, чем контактирующий с ним металл, то приграничный слой металла будет заряжен отрицательно, а полупроводника — положительно (электронам проще перейти из полупроводника в металл, чем наоборот). Если же у нас контакт металл/p-полупроводник, причем работа выхода для второго выше, чем для первого, то получим положительно заряженный приграничный слой металла и отрицательно заряженный слой полупроводника. В любом случае, у нас возникнет разность потенциалов, с помощью которой работы выхода из обоих контактирующих веществ сравняются. Это приведет к возникновению равновесного состояния и формированию потенциального барьера между металлом и полупроводником. И так же, как и в случае p-n перехода, к переходу металл/полупроводник можно прикладывать прямое и обратное смещение с аналогичным результатом.

Диоды Шоттки отличаются от p-n собратьев низким падением напряжения при прямом включении и меньшей электрической емкостью перехода. Таким образом, повышается их рабочая частота и понижается уровень помех.

Заключение

Само собой, здесь рассмотрены далеко не все существующие виды диодов. Но надеюсь, что по написанному выше можно составить достаточно полное суждение об этих электронных компонетах.

Источники:
ru.wikipedia.org
mda21.ru
elementy.ru
femto.com.ua

принцип работы, схемы и т.д.

Туннельный диод — это специальный диод, характеристики которого отличаются от характеристик любого обычного диода или стабилитрона.

Как обычный диод, так и стабилитрон являются очень хорошими проводниками, имея прямое смещение, но ни один из них не проводит хорошо ток в состоянии обратного смещения (исключение составляет область пробоя). Но в материале туннельного диода имеются присадки в гораздо большем объеме, нежели в обычном диоде, а его P-N переход очень узкий. Туннельный диод в силу того, что имеет большое количество присадок и очень узкий P-N переход, исключительно хорошо проводит ток в обе стороны.

Схема туннельного диода

Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

Потенциал, который необходим для того, чтобы заставить туннельный диод выступать в роли проводника, будь то в режиме прямого или обратного смещения, очень невелик, обычно этот потенциал находится в диапазоне милливольт. Именно поэтому туннельные диоды известны как приборы с низким сопротивлением. Они очень слабо противодействуют движению тока в цепи.

График напряжение-ток типичного туннельного диода

Самой уникальной особенностью туннельных диодов является их соотношение напряжение-ток, когда они имеют прямое смещение. Когда туннельный диод имеет прямое смещение (от точки А до точки В на графике) при увеличении напряжения, ток также растет до определенной величины. Как только это значение оказывается достигнутым, дальнейшее повышение напряжения при прямом смещении заставляет ток снижаться до минимального значения (от точки В до точки С). В области, которая находится на графике между максимальным и минимальным потоками тока, туннельный диод имеет отрицательное сопротивление. В этой области отрицательного сопротивления ток, идущий через туннельный диод, фактически снижается при повышении напряжения. Происходит прямо противоположное обычному соотношению напряжение ток. Однако, когда напряжение за точкой С повышается, то данный прибор демонстрирует обычное соотношение напряжения и тока.

В обычных условиях туннельные диоды работают в области своего отрицательного сопротивления. В данной области незначительное уменьшение напряжения включает этот прибор, а небольшое повышение — выключает его. В качестве такого своеобразного выключателя туннельный диод может использоваться либо как генератор, либо как высокоскоростной выключатель: специфическая особенность прибора, низкое сопротивление, позволяет почти мгновенно изменять внутреннее сопротивление. Туннельные диоды могут также использоваться в качестве усилителей, где изменения в подаваемом напряжении в сторону повышения, вызывают пропорционально более значительные изменения тока в цепи.

Светодиоды диод с простым P-N переходом, испускающий свет, когда через него проходит ток

Стабилитрон специальный диод, способный работать в условиях обратного смещения

Тетрод диод с четырьмя элементами: катод, анод, управляющая сетка и сетка-экран

Стабилитрон специальный диод, способный работать в условиях обратного смещения

Триод электронная лампа с тремя элементами: катод, анод и управляющая сетка

Что такое диод? Знать теорию PN-переходов, конструкцию и работу различных типов диодов

Что такое диод?

В общем, все электронные устройства нуждаются в источнике питания постоянного тока, но невозможно генерировать мощность постоянного тока, поэтому нам нужна альтернатива для получения некоторой мощности постоянного тока, поэтому использование диодов входит в картину для преобразования мощности переменного тока в мощность постоянного тока . Диод — это крошечный электронный компонент, используемый почти во всех электронных схемах для обеспечения протекания тока только в одном направлении (9).0003 однонаправленное устройство ). Можно сказать, что использование полупроводниковых материалов для создания электронных компонентов началось с диодов. До изобретения диода были электронные лампы, где применение обоих этих устройств аналогично, но размер, занимаемый электронной лампой, будет намного больше, чем у диодов. Конструкция вакуумных ламп немного сложна, и их сложно обслуживать по сравнению с полупроводниковыми диодами. Немногие применений диодов — это выпрямление, усиление, электронный переключатель, преобразование электрической энергии в энергию света и энергии света в электрическую энергию.

 

История диода:

В 1940 году в Bell Labs Рассел Ол работал с кристаллом кремния, чтобы выяснить его свойства. Однажды случайно, когда кремниевый кристалл с трещиной подвергся воздействию солнечного света, он обнаружил протекание тока через кристалл, который позже был назван диодом , что стало началом эры полупроводников.

 

Конструкция диода: 

Твердые материалы обычно подразделяются на три типа, а именно проводники, изоляторы и полупроводники . Проводники имеют максимальное количество свободных электронов, изоляторы имеют минимальное количество свободных электронов (незначительное, так что протекание тока вообще невозможно), тогда как полупроводники могут быть либо проводниками, либо изоляторами в зависимости от приложенного к нему потенциала. Полупроводники, которые обычно используются, это кремний и германий . Кремний предпочтительнее, потому что он в изобилии доступен на Земле и дает лучший температурный диапазон.

 

Полупроводники подразделяются на два типа: Внутренние и внешние полупроводники.

Собственные полупроводники:

Их также называют чистыми полупроводниками, в которых носители заряда (электроны и дырки) находятся в равном количестве при комнатной температуре. Таким образом, проводимость тока осуществляется как дырками, так и электронами в равной степени.

Внешние полупроводники:

Чтобы увеличить количество дырок или электронов в материале, мы выбираем внешние полупроводники, в которых к кремнию добавляются примеси (кроме кремния и германия или просто трехвалентных или пятивалентных материалов). . Этот процесс добавления примесей в чистые полупроводники называется легированием .

 

Формирование полупроводников P- и N-типа: 

Полупроводник N-типа:

Если пятивалентные элементы (количество валентных электронов равно пяти) добавляются к Si или Ge, то появляются свободные электроны. Поскольку электронов (отрицательно заряженных носителей) больше, они называются полупроводниками N-типа . В N-типе электроны полупроводника являются основными носителями заряда, а дырки — неосновными носителями заряда.

Несколько пятивалентных элементов Фосфор, Мышьяк, Сурьма и Висмут . Поскольку они имеют избыточный валентный электрон и готовы соединиться с внешней положительно заряженной частицей, эти элементы называются 9.0003 Доноры .

 

Полупроводник P-типа

Точно так же, если трехвалентные элементы, такие как бор, алюминий, индий и галлий, добавить к Si или Ge, образуется дырка, поскольку число валентных электронов в нем равно трем. Поскольку дырка готова принять электрон и образовать пару, она называется Акцепторы . Так как количество дырок во вновь образованном материале избыточно, они называются Полупроводники P-типа . В полупроводнике P-типа дырки являются основными носителями заряда, а электроны — неосновными носителями заряда.

 

Диод P-N-перехода:

Теперь, если мы соединим два типа полупроводников P-типа и N-типа вместе , то образуется новое устройство, называемое P-N-переходом 9. Так как между материалом P-типа и N-типа образуется соединение, оно называется соединением P-N.

Слово «диод» можно объяснить тем, что «Ди» означает два, а «ода» получается из электрода. Поскольку вновь сформированный компонент может иметь две клеммы или электрода (один подключен к P-типу, а другой к N-типу), он называется диодом или 9.0003 Диод с P-N переходом или полупроводниковый диод .

 

Клемма, подключенная к материалу P-типа, называется Анод , а клемма, подключенная к материалу N-типа, называется Катод .

 

Символическое представление диода выглядит следующим образом.

Стрелка указывает на протекание через него тока, когда диод находится в режиме прямого смещения, черточка или черточка на кончике стрелки указывает на блокировку тока с противоположного направления.

 

Теория соединения P-N:

Мы видели, как изготавливается диод из полупроводников P и N, но нам нужно знать, что происходит внутри него, чтобы сформировать уникальное свойство пропускать ток только в одном направлении, и что происходит в точной точке контакта первоначально на его стыке.

Формирование соединения :

Первоначально, когда оба материала соединены вместе (без приложения внешнего напряжения), избыточные электроны в N-типе и избыточные дырки в P-типе будут притягиваться друг к другу. другой и рекомбинируется, где происходит образование неподвижных ионов (донорный ион и акцепторный ион), как показано на рисунке ниже. Эти неподвижные ионы сопротивляются потоку электронов или дырок через него, который теперь действует как барьер между двумя материалами (образование барьера означает, что неподвижные ионы диффундируют в области P и N). Барьер, который сейчас образовался, называется 9.0003 Область истощения . Ширина области обеднения в этом случае зависит от концентрации легирования в материалах.

Если концентрация легирования одинакова в обоих материалах, то неподвижные ионы одинаково диффундируют в материалы P и N.

Что делать, если концентрации легирования отличаются друг от друга?

Ну, если легирование разное, ширина обедненной области тоже разная. Его диффузия больше в слабо легированную область и меньше в сильно легированную область .

Теперь давайте посмотрим на поведение диода при подаче соответствующего напряжения.

 

Диод в прямом смещении : 

Чтобы сделать диод проводящим сначала, нам нужно разрушить барьер, образованный на пути. Для преодоления барьера внутри обычного диода к клеммам должно быть приложено внешнее напряжение не менее +0,7 В (для кремния) и +0,3 В (для германия). Эти напряжения называются Напряжение включения, или напряжение смещения, или напряжение точки разрыва, или напряжение зажигания, или пороговое напряжение. Пока эти напряжения не станут очень низкими, через диод протекает ток (в идеале нулевой).

Если положительный вывод батареи или источника напряжения приложен к аноду или области P диода, а отрицательный вывод — к катоду или области N диода, говорят, что он имеет прямое смещение .

Из-за прямого смещения большинство носителей заряда в обеих областях отталкиваются (поскольку положительное напряжение прикладывается к области P, а отрицательное — к области N) и попадают в обедненную область. Следовательно, неподвижные ионы возвращаются, потерянные носители становятся нейтральными и перемещаются в неистощенную область, следовательно, ширина барьера постепенно уменьшается, когда приложенное напряжение больше или равно напряжению включения, весь барьер разрушается, и электроны и дырки теперь могут свободно перемещаться. пересечь соединение, которое затем образует замкнутую цепь и обеспечивает протекание тока. Здесь мы объяснили Диод с прямым смещением с использованием анимации ниже:

Диод с прямым смещением действует как замкнутый переключатель и имеет прямое сопротивление в несколько Ом (около 20 Ом).

 

Диод в обратном смещении :

Если отрицательный вывод источника напряжения приложен к аноду или области P диода, а положительный вывод — к катоду или области N диода, говорят, что это Обратное смещение .

При подаче такого напряжения большинство носителей заряда в обеих областях притягиваются к источнику, так что создается большое количество неподвижных ионов, которые попадают в области P и N. Следовательно, ширина области обеднения также постепенно увеличивается, что теперь затрудняет пересечение перехода электронами и дырками, поэтому образуется разомкнутая цепь и протекает ток. Но если мы продолжим увеличивать напряжение, то в точке барьер или область обеднения не сможет удержать внешнюю силу, и соединение выйдет из строя, что иногда может привести к необратимому повреждению нормального диода. Чтобы преодолеть это, мы можем сильно легировать области и сделать диод безопасным, это приложение можно увидеть в стабилитроны .

Обратное напряжение, при котором диод проводит ток, называется Напряжение пробоя .

Поскольку диод при обратном смещении действует как разомкнутый переключатель , его сопротивление порядка мегаом. Здесь мы объяснили диод с обратным смещением , используя анимацию ниже:

Обратный ток насыщения . Эти токи также называются токами утечки , потому что даже когда диод разомкнут, в цепи существует ток, поэтому он называется утечкой.

 

Различные типы диодов:

Существует ряд диодов, конструкция которых аналогична, но тип используемого материала отличается. Например, если мы рассмотрим светоизлучающий диод, он сделан из материалов алюминия, галлия и арсенида, которые при возбуждении выделяют энергию в виде света. Точно так же учитываются изменения свойств диода, таких как внутренняя емкость, пороговое напряжение и т. д., и на их основе разрабатывается конкретный диод.

Здесь мы объяснили различные типы диодов с их работой, символом и применением:

• Стабилитрон
• Светодиод
• ЛАЗЕРНЫЙ диод
• Фотодиод
• Варакторный диод
• Диод Шоттки
• Туннельный диод
• PIN-диод и т. д.

Давайте кратко рассмотрим принцип работы и конструкцию этих устройств.

 

Стабилитрон:

Области P и N в этом диоде сильно легированы, так что область обеднения очень узкая. В отличие от обычного диода его напряжение пробоя очень низкое , когда обратное напряжение больше или равно напряжению пробоя, область обеднения исчезает и через диод проходит постоянное напряжение, даже если обратное напряжение увеличивается. Поэтому диод используется для регулирования напряжения и поддержания постоянного выходного напряжения при правильном смещении. Вот один из примеров ограничения напряжения с помощью стабилитрона.

Пробой стабилитрона называется пробой стабилитрона . Это означает, что когда на стабилитрон подается обратное напряжение, в месте соединения создается сильное электрическое поле, которого достаточно, чтобы разорвать ковалентные связи в соединении и вызвать большой ток через него. Пробой стабилитрона происходит при очень низких напряжениях по сравнению с лавинным пробоем.

Существует еще один тип пробоя, называемый лавинным пробоем , который обычно наблюдается в обычном диоде, который требует большого обратного напряжения для разрыва перехода. Его принцип работы заключается в том, что когда диод смещен в обратном направлении, через диод проходят небольшие токи утечки, при дальнейшем увеличении обратного напряжения ток утечки также увеличивается, что достаточно быстро, чтобы разрушить несколько ковалентных связей в переходе, эти новые носители заряда еще больше разрушаются. оставшиеся ковалентные связи вызывают огромные токи утечки, которые могут навсегда повредить диод.

 

Светоизлучающий диод (LED):

Его конструкция аналогична простому диоду, но для получения разных цветов используются различные комбинации полупроводников. Он работает в режиме прямого смещения . Когда происходит рекомбинация электронов и дырок, высвобождается результирующий фотон, который излучает свет, если прямое напряжение еще больше увеличивается, будет высвобождаться больше фотонов, и интенсивность света также увеличивается, но напряжение не должно превышать своего порогового значения, иначе светодиод будет поврежден.

Для создания разных цветов используются комбинации AlGaAs (арсенид алюминия-галлия) – красный и инфракрасный, GaP (фосфид галлия) – желтый и зеленый, InGaN (нитрид индия-галлия) – синий и ультрафиолетовый светодиоды и т. д. Проверить просто Схема светодиода здесь.

Для ИК-светодиода мы можем видеть его свет через камеру.

 

LASER Diode:

LASER расшифровывается как усиление света за счет стимулированного излучения. Переход P-N образован двумя слоями легированного арсенида галлия, где на один конец перехода нанесено покрытие с высокой отражающей способностью, а на другой конец — покрытие с частичным отражением. Когда диод смещен в прямом направлении, подобно светодиоду, он испускает фотоны, которые поражают другие атомы, так что фотоны высвобождаются чрезмерно. свет испускается только в одном направлении. Для правильной работы лазерному диоду требуется схема драйвера.

Символическое представление ЛАЗЕРНОГО диода похоже на светодиод.

 

Фотодиод:

В фотодиоде ток через него зависит от световой энергии, подаваемой на PN-переход. Он работает в режиме обратного смещения. Как обсуждалось ранее, небольшой ток утечки протекает через диод при обратном смещении, который здесь называется темновым током . Поскольку ток возникает из-за отсутствия света (тьмы) он так и называется. Этот диод сконструирован таким образом, что при попадании света на переход достаточно разрыва электронно-дырочных пар и генерации электронов, что увеличивает обратный ток утечки. Здесь вы можете проверить фотодиод, работающий с ИК-светодиодом.

 

 

Варакторный диод:

Он также называется варикапом (переменный конденсатор). Он работает в режиме обратного смещения . Общее определение конденсаторного разделения проводящей пластины с изолятором или диэлектриком: когда обычный диод смещен в обратном направлении, ширина обедненной области увеличивается, поскольку обедненная область представляет собой изолятор или диэлектрик, и теперь она может действовать как конденсатор. С изменением обратного напряжения меняется разделение областей P и N, что приводит к тому, что диод работает как переменный конденсатор.

Поскольку емкость увеличивается с уменьшением расстояния между пластинами, большое обратное напряжение означает низкую емкость и наоборот.

 

Диод Шоттки:

Полупроводник N-типа соединен с металлом (золото, серебро), так что в диоде существуют электроны с высоким уровнем энергии, которые называются горячими носителями , поэтому этот диод также называется горячий несущий диод . Он не имеет неосновных носителей и не существует области истощения, скорее существует переход металл-полупроводник, когда этот диод смещен в прямом направлении, он ведет себя как проводник, но заряд имеет высокие уровни энергии, которые полезны для быстрого переключения , особенно в цифровых схемах. они также используются в микроволновых приложениях. Проверьте диод Шоттки в действии здесь.

 

Туннельный диод:

Области P и N в этом диоде сильно легированы, поэтому существование истощение очень узкое . Он имеет область отрицательного сопротивления, которую можно использовать в качестве генератора и микроволнового усилителя. Когда этот диод сначала смещен в прямом направлении, поскольку область обеднения узкая, электроны туннелируют через нее, ток быстро увеличивается при небольшом изменении напряжения. При дальнейшем увеличении напряжения из-за избытка электронов на стыке ширина области истощения начинает увеличиваться, вызывая блокировку прямого тока (где формируется область отрицательного сопротивления). обычный диод.

 

PIN-диод:

В этом диоде области P и N разделены собственным полупроводником. Когда диод смещен в обратном направлении, он действует как конденсатор постоянной емкости. В условиях прямого смещения он действует как переменное сопротивление, которое управляется током. Он используется в микроволновых устройствах, которые должны управляться постоянным напряжением.

Его условное обозначение аналогично обычному диоду P-N.

 

Применение диодов: 

• Регулируемый источник питания : Практически невозможно генерировать постоянное напряжение, единственным доступным типом источника является переменное напряжение. Поскольку диоды являются однонаправленными устройствами, их можно использовать для преобразования переменного напряжения в пульсирующее постоянное, а с помощью дополнительных секций фильтрации (с использованием конденсаторов и катушек индуктивности) можно получить приблизительное постоянное напряжение.

 

• Схемы тюнера : В системах связи на стороне приемника, поскольку антенна принимает все радиочастоты, доступные в космосе, необходимо выбрать желаемую частоту. Так, используются схемы тюнера, представляющие собой не что иное, как схему с переменными конденсаторами и катушками индуктивности. В этом случае можно использовать варакторный диод.

 

• Телевизоры, светофоры, табло : Для вывода изображения на телевизоры или табло используются светодиоды. Поскольку светодиод потребляет очень мало энергии, он широко используется в системах освещения, таких как светодиодные лампы.

 

• Регуляторы напряжения : Поскольку стабилитрон имеет очень низкое напряжение пробоя, его можно использовать в качестве регулятора напряжения при обратном смещении.

 

• Детекторы в системах связи : Хорошо известный детектор, в котором используется диод, представляет собой детектор огибающей, который используется для обнаружения пиков модулированного сигнала.

Туннельный диод — определение, символ и работа

Электроника приборы и схемы >> Полупроводники диоды >> Туннельный диод

Туннель определение диода

A Туннельный диод представляет собой сильно легированный p-n диод. переходной диод, в котором электрический ток уменьшается как напряжение увеличивается.

В туннельный диод, электрический ток вызван «туннелированием». Туннельный диод используется в качестве очень быстрого коммутационного устройства в компьютеры. Он также используется в высокочастотных генераторах и усилители.

Символ туннельного диода

символ цепи туннельного диода показан на рисунке ниже. В туннельном диоде p-типа полупроводник действует как анод, а n-тип полупроводник действует как катод.

Мы известно, что анод – это положительно заряженный электрод, притягивает электроны, тогда как катод является отрицательно заряженным электрод, испускающий электроны. В туннельном диоде, n-типа полупроводник излучает или производит электроны, поэтому его называют как катод. С другой стороны, полупроводник p-типа притягивает электроны, испускаемые полупроводником n-типа, поэтому Полупроводник р-типа называется анодом.

Что туннельный диод?

Туннель диоды являются одними из самых значимых твердотельных электронных устройств. которые появились в последнее десятилетие. Туннель Диод был изобретен в 1958 году Лео Эсаки.

Лев Эсаки заметил, что если полупроводниковый диод сильно легирован с примесями он будет демонстрировать отрицательное сопротивление. Отрицательный сопротивление означает, что ток через туннельный диод уменьшается когда напряжение увеличивается. В 1973 Лео Эсаки получил Нобелевская премия по физике за открытие туннелирования электронов эффект, используемый в этих диодах.

А Туннельный диод также известен как диод Эсаки, названный в честь Лео Эсаки за его работу по туннельному эффекту. Операция туннельного диода зависит от принципа квантовой механики известный как «туннелирование». В электронике туннелирование означает прямое поток электронов через небольшую обедненную область из Зона проводимости n-стороны переходит в валентную зону p-стороны.

германий Материал обычно используется для изготовления туннельных диодов. Они есть также из других типов материалов, таких как галлий арсенид, антимонид галлия и кремний.

Ширина области обеднения в туннельном диоде

область обеднения – это область в диоде с p-n переходом, где мобильные носители заряда (бесплатно электроны и дырки) отсутствуют. Область истощения действует как барьер, противостоящий поток электронов из полупроводника n-типа и дырок из полупроводника р-типа.

ширина область обеднения зависит от количества примесей добавлен. Примеси – это атомы, введенные в р-тип и Полупроводник n-типа для увеличения электропроводности.

Если а в диод с p-n переходом добавляется небольшое количество примесей (полупроводник p-типа и n-типа) широкая область обеднения сформировался. С другой стороны, при большом количестве примесей добавленный к диоду с p-n переходом, узкая область обеднения сформировался.

В туннельный диод, полупроводник p-типа и n-типа сильно легированный, что означает введение большого количества примесей в полупроводник p-типа и n-типа. Этот тяжелый допинг процесс дает чрезвычайно узкую область истощения. концентрация примесей в туннельном диоде в 1000 раз больше, чем у обычного диода с p-n переходом.

В нормальный диод с p-n переходом, ширина обеднения большая, как по сравнению с туннельным диодом. Этот широкий слой истощения или обеднение области в нормальном диоде препятствует протеканию тока. Следовательно, обедненный слой действует как барьер. Чтобы преодолеть это барьер, мы должны применить достаточное напряжение. Когда достаточно подается напряжение, электрический ток начинает течь через обычный диод с p-n переходом.

Отличие нормальный диод с p-n переходом, ширина обедненного слоя в туннельном диоде чрезвычайно узкий. Таким образом, применяя небольшой напряжения достаточно для создания электрического тока в туннельном диоде.

Туннель диоды способны оставаться стабильными в течение длительного времени чем обычные диоды с p-n переходом. Они также способны скоростных операций.

Концепция проходки тоннелей

истощение область или обедненный слой в диоде с p-n переходом положительных ионов и отрицательных ионов. Из-за этих положительных и отрицательных ионов существует встроенный потенциал или электрический поле в области истощения. Это электрическое поле в обедненная область оказывает электрическое воздействие в направлении противоположно внешнему электрическому полю (напряжению).

Другой предмет мы должны помнить, что валентная зона и проводимость зонные уровни энергии в полупроводнике n-типа слегка ниже уровней энергии валентной зоны и зоны проводимости в полупроводнике р-типа. Эта разница в уровнях энергии происходит из-за различий в энергетических уровнях легирующей примеси атомы (донорные или акцепторные атомы), используемые для образования n-типа и полупроводник р-типа.

Электрический Текущий в обычном диоде с p-n переходом

Когда а прямое напряжение смещения приложено к обычному p-n переходу диода ширина обедненной области уменьшается и при этом время высота барьера также уменьшается. Тем не менее, электроны в полупроводнике n-типа не может проникнуть через слой истощения, потому что встроенное напряжение истощения Слой препятствует потоку электронов.

Если приложенное напряжение больше, чем встроенное напряжение обедненный слой, электроны с n-стороны преодолевают противодействующая сила от обедненного слоя, а затем входит в р-сторона. Проще говоря, электроны могут проходить через барьер (слой истощения), если энергия электронов больше высоты барьера или барьерный потенциал.

Следовательно, ан обычный диод с p-n переходом производит электрический ток, только если приложенное напряжение больше, чем встроенное напряжение область истощения.

Электрический Текущий туннельный диод

In туннельный диод, валентная зона и энергия зоны проводимости уровни в полупроводнике n-типа ниже валентного энергетические уровни зоны и зоны проводимости в p-типе полупроводник. В отличие от обычного диода с p-n переходом, разница в уровнях энергии очень велика в туннельном диоде. Из-за большой разницы в энергетических уровнях зона проводимости материала n-типа перекрывается валентная зона материала р-типа.

Квант механика говорит о том, что электроны будут проникать непосредственно через слой истощения или барьер, если ширина истощения очень небольшой.

обедненный слой туннельного диода очень мал. Он находится в нанометры. Таким образом, электроны могут напрямую туннелировать через небольшая область обеднения из зоны проводимости n-стороны в валентная зона p-стороны.

В обычные диоды, ток образуется при приложенном напряжении больше, чем встроенное напряжение обедненной области. Но в туннельных диодах небольшое напряжение, меньшее встроенного напряжения обедненной области достаточно для получения электрический ток.

В туннельных диодов, электронам не нужно преодолевать встречные сила от обедненного слоя для производства электрического тока. Электроны могут напрямую туннелировать из зоны проводимости n-область в валентную зону p-области. Таким образом, электрический ток вырабатывается в туннельном диоде.

Как Туннельный диод работает?

Шаг 1: Несмещенный туннельный диод

Когда на туннельный диод не подается напряжение, говорят, что он несмещенный туннельный диод. В туннельном диоде зона проводимости материал n-типа перекрывается с валентной зоной материал p-типа из-за сильного легирования.

Потому что этого перекрытия электроны зоны проводимости на n-стороне и дырки в валентной зоне на p-стороне имеют почти одинаковую энергию уровень. Поэтому при повышении температуры часть электронов туннель из зоны проводимости n-области в валентную полоса р-области. Подобным образом дыры туннелируют из валентная зона p-области к зоне проводимости n-области.

Однако, чистый текущий поток будет равен нулю, потому что равное количество носители заряда (свободные электроны и дырки) движутся в противоположных направлениях. направления.

Шаг 2: Небольшое напряжение подается на туннельный диод

Когда а на туннельный диод подается небольшое напряжение, меньшее чем встроенное напряжение слоя истощения, нет прямого ток протекает через переход.

Однако, небольшое количество электронов в зоне проводимости n-область будет туннелировать в пустые состояния валентной зоны в p-области. Это создаст небольшой туннель прямого смещения. Текущий. Таким образом, туннельный ток начинает течь при малом приложение напряжения.

Шаг 3: Приложенное напряжение слегка увеличено

Когда напряжение, подаваемое на туннельный диод, несколько увеличено, большое количество свободных электронов на n-стороне и дырок на p-стороне генерируются. Из-за повышения напряжения, перекрытие зоны проводимости и валентной зоны повысился.

В простыми словами, энергетический уровень зоны проводимости n-стороны становится в точности равным уровню энергии валентности p-стороны группа. В результате протекает максимальный туннельный ток.

Шаг 4: Приложенное напряжение дополнительно увеличивается

Если приложенное напряжение далее увеличивается, небольшая несоосность возникает зона проводимости и валентная зона.

С зона проводимости материала n-типа и валентность полоса подоконного перекрытия из р-типа материала. Электронный туннель из зоны проводимости n-области в валентную зону р-области и вызывают небольшой ток. Таким образом, туннелирование ток начинает уменьшаться.

Шаг 5: Приложенное напряжение значительно увеличено

Если приложенное напряжение значительно увеличивается, туннелирование ток падает до нуля. В этот момент зона проводимости и валентные зоны больше не перекрываются и работает туннельный диод так же, как обычный диод с p-n переходом.

Если это приложенное напряжение больше встроенного потенциала слоя обеднения начинается регулярное прямое течение течет через туннельный диод.

часть кривой, на которой ток уменьшается по мере того, как напряжение увеличивается область отрицательного сопротивления тоннеля диод. Область отрицательного сопротивления является наиболее важной и наиболее широко используемая характеристика туннельного диода.

А Туннельный диод, работающий в области отрицательного сопротивления, может использовать в качестве усилителя или генератора.

Преимущества из туннельные диоды

• Долговечность
• Высокоскоростной операция
• Низкий уровень шума
• Низкая мощность потребление

Недостатки из туннельные диоды

• туннельные диоды нельзя производить в больших количествах
• Быть двойкой оконечное устройство, вход и выход не изолированы от друг друга.

Приложения из туннельные диоды

• туннельные диоды используются в качестве запоминающих устройств логической памяти.