Из чего состоит диод. Полупроводниковый диод: устройство, принцип работы и применение

Что такое полупроводниковый диод. Как устроен полупроводниковый диод. Как работает полупроводниковый диод. Для чего применяются полупроводниковые диоды. Какие бывают виды полупроводниковых диодов. Каковы основные характеристики полупроводниковых диодов.

Что представляет собой полупроводниковый диод

Полупроводниковый диод — это электронный компонент с двумя выводами, обладающий односторонней проводимостью электрического тока. Он хорошо пропускает ток в прямом направлении и плохо — в обратном. Это свойство делает диод ключевым элементом для преобразования переменного тока в постоянный.

Название «диод» происходит от греческой приставки «ди» (дважды) и сокращения слова «электрод». Это указывает на наличие двух электродов у данного прибора.

Конструкция и принцип действия полупроводникового диода

В основе полупроводникового диода лежит p-n переход — граница между двумя областями полупроводника с разными типами проводимости:

• p-область с дырочной проводимостью
• n-область с электронной проводимостью

Рабочим элементом часто служит кристалл германия или кремния с добавлением примесей для создания нужного типа проводимости в каждой области.

Как работает p-n переход в диоде? При подаче прямого напряжения (плюс к p-области, минус к n-области) основные носители зарядов движутся навстречу друг другу через p-n переход. Это обеспечивает хорошую проводимость в прямом направлении.

При обратном включении основные носители удаляются от p-n перехода, его сопротивление резко возрастает. Через диод протекает лишь небольшой обратный ток.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) наглядно показывает нелинейные свойства диода:

• В прямом направлении ток быстро нарастает при небольшом напряжении (0,3-0,7 В)
• В обратном направлении ток очень мал вплоть до напряжения пробоя

Форма ВАХ зависит от материала и конструкции диода. У кремниевых диодов более резкий изгиб характеристики, чем у германиевых.

Основные параметры полупроводниковых диодов

Ключевыми параметрами, характеризующими свойства диодов, являются:

• Максимальный прямой ток
• Максимальное обратное напряжение
• Прямое падение напряжения
• Обратный ток
• Емкость p-n перехода
• Быстродействие (время восстановления обратного сопротивления)

Эти параметры определяют возможности применения диодов в различных электронных схемах.

Классификация полупроводниковых диодов

По функциональному назначению выделяют следующие основные типы диодов:

• Выпрямительные — для преобразования переменного тока в постоянный
• Импульсные — для работы в импульсных схемах
• Стабилитроны — для стабилизации напряжения
• Варикапы — диоды переменной емкости
• Светодиоды — для преобразования электрической энергии в световую
• Фотодиоды — для преобразования световой энергии в электрическую

Также диоды классифицируют по мощности, рабочим частотам, конструктивному исполнению и другим признакам.

Применение полупроводниковых диодов

Благодаря своим уникальным свойствам, полупроводниковые диоды нашли широкое применение в электронике и электротехнике:

• Выпрямление переменного тока в блоках питания
• Детектирование радиосигналов
• Защита от обратной полярности напряжения
• Ограничение уровня сигналов
• Модуляция и демодуляция сигналов
• Стабилизация напряжения
• Генерация и усиление СВЧ колебаний

Диоды используются практически во всех современных электронных устройствах — от бытовой техники до сложных промышленных систем.

Преимущества и недостатки полупроводниковых диодов

По сравнению с другими типами диодов (например, электровакуумными) полупроводниковые диоды обладают рядом важных достоинств:

• Малые габариты и вес
• Высокий КПД (нет затрат энергии на накал)
• Механическая прочность
• Длительный срок службы
• Возможность работы при высоких частотах

К недостаткам можно отнести:

• Сильную зависимость параметров от температуры
• Чувствительность к радиации
• Ограниченную мощность (для маломощных диодов)

Тем не менее, достоинства полупроводниковых диодов обеспечили их доминирующее положение в современной электронике.

Перспективы развития полупроводниковых диодов

Несмотря на длительную историю применения, полупроводниковые диоды продолжают совершенствоваться. Основные направления развития:

• Повышение быстродействия для работы на сверхвысоких частотах
• Увеличение допустимой мощности рассеяния
• Улучшение температурной стабильности параметров
• Освоение новых полупроводниковых материалов (карбид кремния, нитрид галлия)
• Создание интегральных диодных структур

Развитие технологий позволяет создавать все более совершенные диоды для применения в перспективных областях электроники и энергетики.

I.Общая информация

Полупроводниковые

диоды

Полупроводниковый диод – прибор, имеющий два вывода для включения в электрическую цепь и обладающий способностью хорошо пропускать через себя электрический ток одного направления и плохо — противоположного направления. Это свойство диода используют, например, в выпрямителях для преобразования переменного тока в постоянный (ток одного направления).

Слово «диод» образовалось от греческой приставки «ди» — «дважды» и сокращения слова «электрод».

Строение и принцип действия

Полупроводниковый диод представляет собой полупроводниковую пластинку с двумя областями разной проводимости: электронной (n— типа) и дырочной (p— типа). Между ними — разделяющая граница, называемаяp—n – переходом (область на границе двух полупроводников с различными типами электропроводности). Рабочий элемент — кристалл германия, обладающий проводимостью n–типа за счёт небольшой добавки донорной примеси.

Полупроводники стали настоящей золотой жилой техники, когда из них научились делать слоистые структуры.

Выращивая слой n-полупроводника на пластинкеp-полупроводника, мы получим двухслойный полупроводник сp—n-переходом между ними. Если к каждой половине припаять по соединительному проводу, то получится полупроводниковый диод, который действует на ток как вентиль: в одну сторону хорошо пропускает ток, а в другую сторону почти не пропускает.

П

Рисунок 1

олупроводниковые диоды изготовляют из германия, кремния, селена и других веществ.

Как возникает выпрямляющий запирающий слой? Образование слоя начинается с того, что вp-половине больше дырок, а вn-половине больше электронов. Разность плотности носителей зарядов начинается уравновешиваться через переход: дырки проникают вn-половину, электроны вp-половину. Рассмотрим, как создаетсяp-nпереход при использовании донорной примеси.

Этот переход не удастся получить путем механического соединения двух полупроводников различных типов, т.к. при этом получается слишком большой зазор между полупроводниками. Эта толщина должна быть не больше межатомных расстояний. Поэтому в одну из поверхностей образца вплавляют индий. Вследствие диффузии атомов индия в глубь монокристалла германия у поверхности германия преобразуется область с проводимостью

р-типа. Остальная часть образца германия, в который атомы индия не проникли, по-прежнему имеет проводимость n-типа. Между областями возникаетp-nпереход. В полупроводниковом диоде германий служит катодом (отрицательным электродом), а индий — анодом (положительным электродом). На рисунке 1 показано прямое (б) и обратное (в) подсоединение диода.

Процессы в зоне проводимости

Электронно-дырочный переход обладает свойством несимметричной проводимости, т. е. представляет собой нелинейное сопротивление. Работа почти всех полупроводниковых приборов, применимых в радиоэлектронике, основана на использовании свойств одного или нескольких p-n переходов.

Существенная особенность полупроводников состоит в том, что в них при наличии примесей наряду с собственной проводимостью возникает дополнительная — примеснаяпроводимость. Вp–n– переходе носители заряда образуются при введении в кристалл акцепторной илидонорнойпримеси. Изменяя концентрацию примеси, можно значительно изменять число носителей заряда того или иного знака. Благодаря этому можно создавать полупроводники с преимущественной концентрацией либо отрицательно, либо положительно заряженных носителей.

С помощью внешнего источника тока можно повысить или понизить внешний потенциальный барьер. Если к диоду приложить прямое напряжение, т.е. положительный полюс соединить сp-половиной, то внешняя электрическая сила начнёт действовать против двойного слоя, и диод пропускает ток, который быстро растёт с увеличением напряжения.

Если же изменить полярность проводников, то напряжение падает почти до нулевой отметки. Если диод подключить в цепь переменного напряжения, то он будет служить как выпрямитель, т.е. на выходе будет постоянное пульсирующее напряжение, по направлению в одну сторону (от плюса к минусу). Для того чтобы сгладить амплитуду, или как её ёщё называют «пиковое значение» пульсации тока, эффективно добавить параллельно диоду конденсатор.

Диод хорошо пропускает ток, когда его отрицательный электрод соединен с отрицательным полюсом источника напряжения (батареи), а положительный с положительным полюсом, т.е. когда на диод подается напряжение прямой полярности, или, короче, прямое напряжение. В этом случае электроны в n- области полупроводниковой пластинки будут двигаться к положительному полюсу батареи, т.е. к границе сp- областью; в то же время «дырки» вp- области будут двигаться к отрицательному полюсу батареи и, следовательно, к границе сn- областью.

В результате вблизи p-nперехода произойдет накопление положительных и отрицательных зарядов, и поэтому сопротивление перехода уменьшится. При напряжении противоположной (обратной) полярности, когда положительный полюс батареи соединен сn- областью, а отрицательный сp- областью, электроны вn- области и «дырки» вp- области движутся от границыp-n– перехода. Вследствие этого происходит уменьшение положительных и отрицательных зарядов вблизиp-nперехода, и его сопротивление увеличивается. Это и означает, что при переменном напряжении ток через диод в одном направлении будет большей силы, чем в другом, т.е. в цепи появится практически ток одного направления — произойдет выпрямление переменного тока.

Наряду с выпрямительными свойствами p-nпереход обладает емкостью, зависящей от значения и полярности приложенного напряжения. При прямом напряжении емкость диода больше, чем при обратном. С увеличением обратного напряжения емкость диода уменьшается.

Изготовление

Один из способов изготовления диода состоит в следующем. На поверхности квадратной пластинки площадью 2-4 см²и толщиной в несколько долей миллиметра, вырезанной из кристалла полупроводника сn-проводимостью, например, германия, расплавляют кусочек индия и помещают в печь. При высокой температуре (около 500⁰С) индий вплавляется в пластинку германия, образуя в ней область дырочной проводимости. К самой пластине германия и к затвердевшей «капле» индия припаивают два проволочных вывода электродов и прибор заключают в герметический и непрозрачный корпус, чтобы защититьp-nпереход от воздействия влаги и света. Индий крепко сплавляется с пластинкой. При этом атомы индия проникают (диффундируют) в толщу пластинки, образуя в ней область с преобладанием дырочной проводимости. Получается полупроводниковый прибор с двумя областями различного типа проводимости, а между ними p-n-переход. Чем тоньше пластинка полупроводника, чем меньше сопротивление диода в прямом направлении, тем больше выправленный диодом ток. Контактами диода служат капелька индия и металлический диск или стержень с выводными проводниками.

Область с электропроводностью р-типа имеет более высокую концентрацию примеси, нежели основная пластинка сравнительно высокоомного германия, и поэтому является эмиттером. К основной пластинке германия и к индию обычно припаиваются проволочки из никеля. Если за исходный материал взят высокоомный германий р-типа, то в него вплавляют сурьму и тогда получается эмиттерная область n-типа. Следует отметить, что сплавным методом получают так называемые резкие или ступенчатые р-n– переходы, в которых толщина области изменения концентрации примесей значительно меньше толщины области объемных зарядов, существующих в переходе.

После сборки транзистора для предотвращения вредных воздействий воздуха и света кристалл германия помещают в герметический корпус. Устройство и схематическое изображение полупроводникового диода:

VD

Большинство полупроводниковых диодов выполняют на основе несимметричных р-n– переходов. Низкоомную область диодов называютэмиттером, а высокоомную –базой. Для создания переходов с вентильными свойствами используютp-n-,p-i-,n-i– переходы, а также переходы металл-полупроводник. На рисунке 3 представлены структуры планарно-эпитаксиального (а) и сплавного (б) диодов.

а) б)

Структуры планарно-эпитаксиального (а) и сплавного (б) диодов.

Рисунок 3.

Общие сведения (по назначению и характеристикам)

Выпрямительные приборы довольно часто требуются в промышленности. Например выпрямители нужны для правильной работы бытовой техники (т.к. почти все электроприборы потребляют постоянное напряжение. Это телевизоры, радиоприёмники, видеомагнитофоны и т.д.). Также полупроводниковые диоды нужны для расшифровки видео, радио, фото и других сигналов в частотно-электрические сигналы, для детектирования слабых радиосигналов, например, в радиоприемниках, для выделения и обработки электрических сигналов в различных автоматических устройствах и ЭВМ. С помощью этого свойства полупроводников мы смотрим телевизор или слушаем радио.

Служат для преобразования и генерирования электрических колебаний. Диоды обладают большой надежностью, но граница их применения от –70 до 125 С. Их используют в основном для модуляции колебаний высокой частоты и для измерительных приборов. Для любого диода существуют некоторые предельно допустимые пределы прямого и обратного тока, зависящие от прямого и обратного напряжения, и определяющие его выпрямляющие и прочностные свойства.

В радиосхемах наряду с двухэлектродными лампами в настоящее время для выпрямления электрического тока все больше применяют полупроводниках диоды, так как они обладают рядом преимуществ.

_______________________________________________________________________________

В электронной лампе носители заряда электроны возникают за счет нагревания катода. В p-n переходе носители заряда образуется при введении в кристалл акцепторной или донорной примеси. Таким образом, здесь отпадает необходимость источника энергии для получения носителей заряда. В сложных схемах экономия энергии, получается за счет этого, оказывается весьма значительной. Кроме того, полупроводниковые выпрямители при тех же значениях выпрямленного тока более миниатюрны, чем ламповые.

По сравнению с электронными лампами у полупроводниковых диодов имеются существенные достоинства:

1. Малый вес и малые размеры.

2. Отсутствие затраты энергии на накал.

3. Большой срок службы (до десятков тысяч часов).

4. Большая механическая прочность (стойкость к тряске, ударам и другим видам механических перегрузок).

5. Различные устройства (выпрямители, усилители, генераторы) с полупроводниковыми приборами имеют высокий КПД, так как потери энергии в самих приборах незначительны.

Вместе с тем полупроводниковые диоды в настоящее время обладают следующими недостатками:

1. Параметры и характеристики отдельных экземпляров приборов данного типа имеют значительный разброс.

2. Свойства приборов сильно зависят от температуры.

3. Работа полупроводниковых диодов резко ухудшается под действием радиоактивного излучения.

Вольтамперная характеристика и параметры

Нелинейные свойства диода видны при рассмотрении его вольтамперной характеристики (ВАХ). В отличие от характеристики идеального р-n– перехода, описываемой соотношением

(пунктирная кривая на рис.4), характеристика реального диода (сплошная кривая на рис.4) в области прямых напряжений Uрасполагается несколько ниже из-за падения части приложенного напряжения на объемном сопротивлении базы диодаr. Токназываюттепловым током илиоб- ратным током насыщения. Это отличие от идеализированной кривой обусловлено тем, что тепловой токпри обратном включении составляет лишь часть обратного тока диода. При прямом включении существенное влияние на ход ВАХ оказывает падение напряжения на сопротивлении базы диода, которое начинает проявляться уже при токах, превышающих 2-10 мА.

Прямой ток в десятки миллиампер получается при прямом напряжении порядка десятых долей вольта. Поэтому прямое сопротивление имеет величину не выше десятков Ом. Для более мощных диодов прямой ток составляет сотни миллиампер и больше при таком же малом напряжении, а сопротивление соответственно снижается до единиц Ом и меньше. Обратный ток при обратном напряжении до сотен вольт у диодов небольшой мощности составляет лишь единицы и десятки микроампер. Это соответствует обратному сопротивлению до сотен кОм и больше.

При практическом использовании диодов выделять составляющие, которые искажают идеализированную ВАХ, сложно и нецелесообразно.

Поэтому у реальных диодов в качестве одного из основных параметров используют обратный ток , который измеряют при определенном значении обратного напряжения.

У германиевых диодов , у кремниевых. Так как значения обратного тока у диодов изменяются в широких пределах (от экземпляра к экземпляру), в паспортных данных на каждый вид диода указывается его максимально допустимое значение.

Тепловой ток и остальные составляющие обратного тока сильно зависят от температуры. Для теплового тока справедлива зависимость

(*)

где тепловой ток при температурепостоянный коэффициент (для германияпри, для кремнияпри). С помощью выражения (*) можно ориентировочно определить обратный ток при разных температурах у германиевых диодов. В кремниевых диодах в диапазоне рабочих температур доля теплового тока в полном обратном токе невелика. Для инженерных расчетов обратного тока в зависимости от температуры окружающей среды пользуются упрощенным выражением

,

где T* — приращение температуры, при котором обратный токудваивается (T*810^oCдля германия иT*67^oCдля кремния). В практике часто считают, что обратный ток германиевых диодов увеличивается в два раза, а кремниевых – в 2,5 раза при увеличении температуры на каждые 10^оС. При этом фактическое изменение обратного тока обычно занижается. Так как обратный ток в кремниевых диодах на несколько порядков меньше, чем в германиевых, им часто пренебрегают.

С учетом падения напряжения на базе диода запишем уравнение прямой ветви ВАХ диода:

где r_б– омическое сопротивление базы диода. ВАХ кремниевого и германиевого диодов:

В области обратных напряжений можно пренебречь падением напряжения в объеме полупроводника. При достижении обратным напряжением определенного критического значения ток диода начинает резко возрастать. Это явление называют пробоем диода.

Падение напряжения на диоде зависит от токаI, протекающего через него, и имеет большее значение у диодов с малым. Так как у кремниевых диодов тепловой токмал, то и начальный участок прямой ветви ВАХ значительно более пологий, чем у германиевых. При увеличении температуры прямая ветвь ВАХ становится более крутой из-за увеличенияи уменьшения сопротивления базы. Падение напряжения, соответствующее тому же значению прямого тока, при этом уменьшается, что оценивается с помощью температурного коэффициента напряжения:

.

показывает, насколько должно измениться напряжение на р-n– переходе при изменении температуры на 1^оС приI=const,=2,2 мВ/град.

Классификация

В зависимости от технологических процессов, использованных при их изготовлении:

— точечные диоды,

— сплавные,

— микросплавные,

— с диффузной базой,

— с эпитаксиальныеи др.

По функциональному назначениюдиоды делят на:

— выпрямительные

— универсальные

— импульсные

— смесительные

— детекторные

-модуляторные

— переключающие

— умножительные

— стабилитроны (опорные)

— туннельные

— параметрические

— фотодиоды

— светодиоды

— магнитодиоды

— высокочастотные

— диоды Ганна и т. д.

Существует много разновидностей полупроводниковых диодов, обладающих специальными свойствами. Стабилитрон— диод, у которого сопротивление в обратном направлении уменьшается с увеличением силы тока, так что напряжение на диоде практически не меняется.Варикап— диод, емкостьp-nперехода которого зависит от значения приложенного к нему напряжения. Он может быть использован в качестве конденсатора, емкостью которого управляют, изменяя приложенное напряжение.

Есть еще и необычные полупроводниковые диоды – это светодиоды и фотодиоды. Фотодиоды пропускают ток только при попадании на их корпус света. А светодиоды при прохождении через них тока, начинают светиться. Цвет свечения светодиодов зависит от того, к какой разновидности он принадлежит. Фотодиод— полупроводниковый диод, в корпусе которого имеется окно для освещенияp-nперехода. Под действием света изменяется сопротивление диода и, следовательно, сила тока в его цепи. Кроме того, под действием света в диоде возникает электродвижущая сила, так, что освещенный фотодиод является источником электрической энергии.

Обозначения полупроводниковых диодов состоят из шести элементов. Первый элемент – буква, указывающая, на основе какого полупроводникового материала выполнен диод. Германий или его соединения обозначают буквой Г, кремний и его соединения – буквой К, соединения галлия – А. В приборах специального назначения буквы заменяются соответствующими цифрами: германий – 1, кремний – 2, соединения галлия – 3. Второй элемент – буква, обозначающая подклассы диода: выпрямительные, импульсные, универсальные – Д, варикапы – В, туннельные и обращенные диоды – И, стабилитроны – С, сверхвысокочастотные – А. Третий элемент – цифра, определяющая назначение диода: от 101 до 399 – выпрямительные; от 401 до 499 – универсальные; от 501 до 599 — импульсные. У стабилитронов эта цифра определяет мощность рассеяния. Четвертый и пятый элементы – цифры, определяющие порядковый номер разработки (у стабилитронов эти цифры показывают номинальное напряжение стабилизации). Шестой элемент – буква, показывающая деление технологического типа на параметрические группы (приборы одного типа по значениям параметров подразделяются на группы). У стабилитронов буквы от А до Я определяют последовательность разработки, например: КД215А, ГД412А, 2Д504А, КВ101А, КС168А и т. д.

Полупроводниковые диоды подразделяются на группы в зависимости от их мощности, диапазона рабочих частот и напряжения.

По типу мощности различают выпрямительные диоды малой, средней и большой мощности.

Выпрямительные диоды малой мощности. К ним относятся диоды, поставляемые промышленностью на прямой ток до 300мА. Справочным параметром выпрямительных диодов малой мощности является допустимый выпрямительный ток (допустимой среднее значение прямого тока), который определяет в заданном диапазоне температур допустимое среднее за период значение длительно протекающих через диод импульсов прямого тока синусоидальной формы при паузах в 180 (полупериод) и частоте 50 Гц. Максимальное обратное напряжения этих диодов лежит в диапазоне от десятков до 1200В.

Выпрямительные диоды средней мощности. К этому типу относятся диоды, допустимое среднее значение прямого тока которых лежит в пределах 300мА-10мА. Большой прямой ток этих по сравнению с маломощными диодами достигается увеличением размеров кристалла, в частности рабочей площади p-n перехода. Диоды средней мощности выпускаются преимущественно кремниевыми. В связи с этим обратный ток этих диодов при сравнительно большой плоскости p-n перехода достаточно мал(несколько десятков микроампер). Теплота, выделяемая в кристалле от протекания прямого и обратного токов в диодах средней мощности, уже не может быть рассеяна корпусом прибора.

Мощные (силовые) диоды. К данному типу относятся диоды на токи от 10А и выше. Промышленность выпускает силовые диоды на токи 10,16,25,40 и т.д. и обратные напряжения до3500 В. Силовые диоды имеют градацию по частоте охватывают частотный диапазон до десятков килогерц. Мощные диоды изготовляют преимущественно из кремния. Кремниевая пластинка с p-n переходом, создаваемым диффузным методом, для таких диодов представляет собой диск диаметром 10-100мм и толщиной 0,3-0,6 мм.

Российские ученые настроили спиновый диод с помощью антиферромагнитных слоев

Физики из МФТИ численно смоделировали спиновый диод, «зажатый» между слоями различных антиферромагнетиков. Оказалось, что сопротивление и резонансную частоту такого прибора можно регулировать на этапе изготовления, поворачивая антиферромагнетики. Кроме того, диапазон частот, на которых устройство выпрямляет переменный ток, в несколько раз больше, чем у обычных спиновых диодов, а его чувствительность сравнима с чувствительностью полупроводниковых диодов. Статья опубликована в Physical Review B.

Обычные электронные приборы — диоды, триоды, транзисторы — работают только с зарядами частиц, используя их, чтобы регулировать величину и направление пропускаемого тока. Тем не менее, помимо заряда электроны обладают еще одним важным свойством, которое тоже можно использовать для создания подобных приборов, — у них есть спин. Наука, которая изучает свойства спиновых токов, называется спинтроникой. Подробнее о том, что такое спинтроника и какие у этой науки перспективы, можно прочитать в нашем материале «Магнетизм электричества».

Один из самых перспективных спинтронных приборов — спиновый диод (spin-torque diode). Грубо говоря, спиновый диод состоит из двух тонких слоев ферромагнетика, разделенных диэлектриком, а в основе работы этого устройства лежат эффекты туннельного магнетосопротивления и вращения в результате переноса спина (spin-transfer torque effect). Когда электрический ток проходит через первый ферромагнитный слой спинового диода, ток поляризуется, и спины электронов выстраиваются в нем вдоль намагниченности слоя. Если же на пути получившегося тока стоит еще один магнитный слой, его намагниченность начинает поворачиваться, поскольку электроны передают ему магнитный момент. Собственно, в этом выражается эффект переноса спина. Более подробное объяснение можно найти в рассказе Константина Звездина, одного из соавторов статьи.

С другой стороны, ферромагнитный слой можно рассматривать как эффективное препятствие для поляризованного тока. Связано это с тем, что когда спины электронов направлены противоположно намагниченности слоя, им труднее проходить через него. Получается, что сопротивление такого устройства будет зависеть от взаимной ориентации намагниченностей двух магнитных слоев. Поскольку току в спиновом диоде приходится туннелировать через слой диэлектрика, эффект называют туннельным магнетосопротивлением. Подробнее про это явление прочитать можно в данной статье (раздел «Как работает спиновый транзистор»).

Если же пропускать через спиновый диод переменный ток, намагниченность его слоев — а следовательно, и сопротивление — будет колебаться одновременно с величиной тока (с одинаковыми частотами). В результате проходящий переменный ток выпрямится, то есть превратится в постоянный (собственно, поэтому устройство и называют диодом). При этом чувствительность — отношение напряжения выходящего постоянного тока к мощности прикладываемого переменного тока — достигает величины 75400 вольт на ватт. Обычный полупроводниковый диод Шоттки имеет гораздо меньшую чувствительность (около 3800 вольт на ватт). К сожалению, пока что физикам удалось добиться такой огромной чувствительности только для частот переменного тока, не превышающих двух гигагерц. В то же время, для некоторых приложений — например, для микроволновой голографии — нужны диоды, работающие на бóльших частотах.

В данной работе группа ученых под руководством Константина Звездина описала способ, с помощью которого можно изменять на этапе изготовления угол между намагниченностями двух слоев, а также численно исследовала свойства предложенной схемы. Для этого физики предложили «зажать» спиновый диод между двумя антиферромагнитными слоями с различными температурами Нееля (температура, выше которой антиферромагнетик переходит в парамагнетик). Из-за обменного подмагничивания (exchange pinning) слои ферромагнетиков и антиферромагнетиков оказываются связаны, что позволяет управлять углом между намагниченностями ферромагнетиков. В обычном спиновом диоде закреплен только один ферромагнитный слой.

В рассмотренной физиками модели слои ферромагнетиков толщиной два и шесть нанометров были разделены нанометровым слоем оксида магния MgO, диаметр получившегося цилиндра составлял примерно 140 нанометров. Динамика системы описывается уравнением Ландау-Лифшица-Гильберта, которое исследователи численно проинтегрировали с помощью программы SpinPM, основанной на методе Рунге-Кутты четвертого порядка с переменным шагом по времени.

Для начала ученые исследовали, как угол между намагниченностями ферромагнитных слоев θ зависит от угла между полями смещения φ, который контролируется поворотом антиферромагнетиков. Оказалось, что такая зависимость действительно существует, но угол θ можно изменять только в диапазоне от 110 до 170 градусов. Также физики рассчитали для разных углов величину критического постоянного тока, при котором намагниченности обоих ферромагнитных слоев начинают осциллировать.

Затем исследователи выяснили, как зависит чувствительность диода от частоты переменного тока и величины приложенного к нему постоянного тока при фиксированном угле φ. Оказалось, что при приближении постоянного тока к критическому чувствительность резко возрастает около резонансной частоты, при этом достигая значений порядка тысячи вольт на ватт. Этот результат сравним с чувствительностью обычных полупроводниковых диодов. Кроме того, резонансную частоту можно регулировать, изменяя величину угла φ. Интересно, что для всех углов резонансные частоты лежали в диапазоне от 8,5 до 9,5 гигагерц, что превышает рабочие частоты обычных спиновых диодов.

Важно, что угол между намагниченностями слоев – а значит, и резонансную частоту – можно сравнительно легко контролировать в ходе изготовления диода. Впрочем, стоит отметить, что пока ученые рассмотрели предложенную схему только теоретически. Следующим шагом будет изготовление экспериментального образца и непосредственная проверка предсказанных свойств.

Ранее ученые из МФТИ научились закручивать магнитные вихри в спинтронных устройствах, образованных ферромагнетиком и топологическим изолятором. Кроме того, мы писали о том, как японские физики нашли антиферромагнетикам еще одно применение в спинторонике — оказалось, что в них можно возбудить спиновые волны.

Дмитрий Трунин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Диод — Энциклопедия Нового Света

Типы диодов

В электронике диод — это компонент, который позволяет электрическому току течь в одном направлении, но блокирует его в противоположном направлении. Таким образом, диод можно рассматривать как электронную версию обратного клапана. Цепи, которые требуют протекания тока только в одном направлении, обычно включают в конструкцию схемы один или несколько диодов.

Ранние диоды включали кристаллы «кошачий ус» и электронные ламповые устройства (называемые «термионными клапанами» на диалекте британского английского). Сегодня наиболее распространены диоды из полупроводниковых материалов, таких как кремний или германий.

Содержание

• 1 История
• 2 Термоэлектронные или газовые диоды
• 3 Полупроводниковые диоды
  • 3.1 Уравнение диода Шокли
• 4 типа полупроводниковых диодов
• 5 приложений
  • 5. 1 Радиодемодуляция
  • 5.2 Преобразование энергии
  • 5.3 Защита от перенапряжения
  • 5.4 Логические элементы
  • 5.5 Детекторы ионизирующего излучения
  • 5.6 Измерение температуры
  • 5.7 Устройства с зарядовой связью
• 6 Дополнительный
• 7 Примечания
• 8 Каталожные номера
• 9 кредитов

Диоды — чрезвычайно полезные устройства для различных применений. Например, они использовались для демодуляции AM-радиопередач; для выпрямителей, преобразующих переменный ток в постоянный; отводить вредные высокие напряжения от чувствительных электронных устройств; создавать логические элементы в электронных устройствах; для детекторов излучения и частиц; и для приборов измерения температуры.

крупный план, показывающий кристалл германия

История

Термоэлектронные и твердотельные диоды разрабатывались параллельно. Принцип работы термоэлектронных диодов был открыт Фредериком Гатри в 1873 году. ^[1] Принцип работы кристаллических диодов был открыт в 1874 году немецким ученым Карлом Фердинандом Брауном.

Принципы термоэлектронного диода были заново открыты Томасом Эдисоном 13 февраля 1880 г., и он получил патент в 1883 г. (патент США 307031 (PDF)), но не развил эту идею дальше. Браун запатентовал кварцевый выпрямитель в 189 г.9. Первый радиоприемник с кристаллическим диодом был построен около 1900 года Гринлифом Уиттьером Пикардом. Первый термоэлектронный диод был запатентован в Великобритании Джоном Амброузом Флемингом (научный консультант компании Marconi и бывший сотрудник Эдисона) 16 ноября 1904 г. (патент США 803684 (PDF) в ноябре 1905 г.). Пикард получил патент на кремниевый кристаллический детектор 20 ноября 1906 г. (патент США 836531 (PDF)).

Во время изобретения такие устройства были известны как выпрямители. В 1919, Уильям Генри Экклс ввел термин диод от греческих корней; di означает «два», а ode (от odos ) означает «путь».

Термоэлектронные или газообразные диоды

Символ лампового диода. Компонентами сверху вниз являются анод, катод и нагреватель.

Термоэмиссионные диоды представляют собой устройства с термоэмиссионными клапанами (также известные как вакуумные трубки), которые представляют собой устройства электродов, окруженных вакуумом внутри стеклянной оболочки, внешне похожие на лампы накаливания.

В термоэлектронных вентильных диодах ток проходит через нить накала нагревателя. Это косвенно нагревает катод, другую нить накала, обработанную смесью оксидов бария и стронция, которые являются оксидами щелочноземельных металлов; эти вещества выбраны потому, что они имеют небольшую работу выхода. (В некоторых лампах используется прямой нагрев, при котором ток нагрева проходит через сам катод.) Тепло вызывает термоэлектронную эмиссию электронов в вакуумную оболочку. В прямом направлении окружающий металлический электрод, называемый анодом, заряжен положительно, так что он электростатически притягивает испускаемые электроны. Однако электроны не так легко высвобождаются с ненагретой поверхности анода при изменении полярности напряжения, и, следовательно, любой обратный поток представляет собой очень маленький ток.

На протяжении большей части двадцатого века термоэлектронные вентильные диоды использовались в приложениях для аналоговых сигналов и в качестве выпрямителей в источниках питания. Сегодня ламповые диоды используются только в нишевых приложениях, таких как выпрямители в гитарах и ламповых усилителях Hi-Fi, а также в специализированном высоковольтном оборудовании.

Полупроводниковые диоды

Схематическое обозначение диода. Обычный ток может течь от анода к катоду, но не наоборот.

Большинство современных диодов основаны на полупроводниковых p-n переходах. В pn-диоде обычный ток течет со стороны p-типа (анод) на сторону n-типа (катод), но не в противоположном направлении. Другой тип полупроводниковых диодов, диод Шоттки, формируется за счет контакта между металлом и полупроводником, а не p-n-переходом.

Кривая вольтамперной характеристики полупроводникового диода, или ВАХ, , приписывается поведению так называемого слоя обеднения или зоны обеднения , которая существует на p-n переходе между различными полупроводниками. Когда p-n-переход впервые создается, электроны зоны проводимости (подвижные) из области, легированной азотом, диффундируют в область, легированную фосфором, где имеется большое количество дырок (места для электронов, в которых нет ни одного электрона), с которыми электроны «рекомбинировать». Когда подвижный электрон рекомбинирует с дыркой, дырка исчезает, и электрон перестает быть подвижным. Таким образом, исчезли два носителя заряда. Область вокруг p-n перехода обедняется носителями заряда и, таким образом, ведет себя как изолятор.

Однако ширина истощения не может расти без ограничений. Для каждой пары электрон-дырка, которая рекомбинирует, положительно заряженный ион примеси остается в области, легированной азотом, а отрицательно заряженный ион примеси остается в области, легированной фосфором. По мере того, как рекомбинация продолжается и создается больше ионов, в зоне истощения возникает возрастающее электрическое поле, которое замедляет, а затем, наконец, останавливает рекомбинацию. В этот момент в зоне истощения имеется «встроенный» потенциал.

Если на диод подается внешнее напряжение с той же полярностью, что и встроенный потенциал, зона истощения продолжает действовать как изолятор, предотвращая значительный электрический ток. Это явление обратного смещения . Однако, если полярность внешнего напряжения противоположна встроенному потенциалу, рекомбинация может снова начаться, что приведет к значительному электрическому току через p-n-переход. Для кремниевых диодов встроенный потенциал составляет примерно 0,6 вольта (В). Таким образом, если через диод пропустить внешний ток, на диоде будет выработано около 0,6 В, так что область, легированная P, положительна по отношению к области, легированной N, и говорят, что диод «включен». так как он имеет прямое смещение .

ВАХ диода с P-N переходом (не в масштабе).

ВАХ диода можно аппроксимировать двумя рабочими областями. Ниже определенной разности потенциалов между двумя выводами обедненный слой имеет значительную ширину, и диод можно рассматривать как разомкнутую (непроводящую) цепь. По мере увеличения разности потенциалов на каком-то этапе диод становится проводящим и пропускает заряды, и в этот момент его можно рассматривать как соединение с нулевым (или, по крайней мере, очень низким) сопротивлением. Точнее, передаточная функция логарифмическая, но настолько острая, что выглядит как угол на уменьшенном графике.

В обычном кремниевом диоде при номинальном токе падение напряжения на проводящем диоде составляет приблизительно от 0,6 до 0,7 вольт. Для других типов диодов это значение отличается: диоды Шоттки могут иметь напряжение всего 0,2 В, а светоизлучающие диоды (СИД) могут иметь напряжение 1,4 В и более (синие светодиоды могут иметь напряжение до 4,0 В).

Ссылаясь на изображение ВАХ, в области обратного смещения для нормального выпрямительного диода P-N ток через устройство очень мал (в диапазоне мкА) для всех обратных напряжений до точки, называемой пиковым обратным напряжением. (ПИВ). За пределами этой точки происходит процесс, называемый обратным пробоем, который приводит к повреждению устройства и значительному увеличению тока. Для диодов специального назначения, таких как лавинные диоды или стабилитроны, концепция PIV неприменима, поскольку они имеют преднамеренный пробой за пределами известного обратного тока, так что обратное напряжение «зажимается» до известного значения (называемого 9).0070 напряжение стабилитрона или напряжение пробоя). Однако эти устройства имеют максимальное ограничение по току и мощности в стабилитронной или лавинной области.

Уравнение диода Шокли

Уравнение идеального диода Шокли или закон диода (названный в честь соавтора транзистора Уильяма Брэдфорда Шокли) представляет собой ВАХ идеального диода при прямом или обратном смещении (или при отсутствии смещения). . Он получен в предположении, что единственными процессами, вызывающими появление тока в диоде, являются дрейф (обусловленный электрическим полем), диффузия и тепловая рекомбинация-генерация. Также предполагается, что ток рекомбинации-генерации (РГ) в области обеднения незначителен. Это означает, что уравнение Шокли не учитывает процессы, связанные с обратным пробоем и R-G с участием фотонов. Кроме того, он не описывает «выравнивание» ВАХ при высоком прямом смещении из-за внутреннего сопротивления, а также не объясняет практическое отклонение от идеала при очень низком прямом смещении из-за тока R-G в обедненной области. 9{V_{\mathrm{D}}/(nV_{\mathrm{T}})}-1\right),\,}

, где

I ток диода,

I _S — масштабный коэффициент, называемый током насыщения

В _D напряжение на диоде

В _T тепловое напряжение

n – коэффициент эмиссии

Коэффициент эмиссии n варьируется от 1 до 2 в зависимости от производственного процесса и полупроводникового материала и во многих случаях считается приблизительно равным 1 (и поэтому опускается). Тепловое напряжение В _T составляет приблизительно 25,2 мВ при комнатной температуре (приблизительно 25 °C или 298 K) и является известной константой. Это определяется:

VT = kTe, {\ displaystyle V _ {\ mathrm {T}} = {\ frac {kT} {e}},}

, где

е — величина заряда электрона (элементарный заряд)

k — постоянная Больцмана

T абсолютная температура p-n перехода

Типы полупроводниковых диодов

Диод	Стабилитрон Диод	Диод Шоттки	Туннель Диод
Светоизлучающий диод	Фотодиод	Варикап	СКР
Некоторые обозначения диодов

Существует несколько типов полупроводниковых диодов:

Обычные (p-n) диоды

Эти диоды работают, как описано выше. Обычно изготавливаются из легированного кремния или, реже, из германия. До разработки современных кремниевых силовых выпрямительных диодов использовался оксид меди, а затем селен; его низкая эффективность давала ему гораздо более высокое прямое падение напряжения (обычно 1,4–1,7 В на «ячейку», с несколькими ячейками, расположенными друг над другом для увеличения номинального пикового обратного напряжения в выпрямителях высокого напряжения), и требовал большого радиатора (часто расширение металлическая подложка диода), намного больше, чем потребовался бы кремниевый диод с такими же номиналами тока.

Диоды Шоттки

Диоды Шоттки состоят из контакта металл-полупроводник. Они имеют более низкое прямое падение напряжения, чем стандартный диод с PN-переходом. Падение их прямого напряжения при прямом токе около 1 мА находится в диапазоне от 0,15 В до 0,45 В, что делает их полезными в приложениях ограничения напряжения и предотвращения насыщения транзисторов. Их также можно использовать в качестве выпрямителей с малыми потерями, хотя их обратный ток утечки обычно намного выше, чем у выпрямителей без Шоттки. Диоды Шоттки являются устройствами с основными носителями и поэтому не страдают от проблем с хранением неосновных носителей, которые замедляют работу большинства обычных диодов. Они также, как правило, имеют намного меньшую емкость перехода, чем PN-диоды, что способствует их высокой скорости переключения и их пригодности в высокоскоростных цепях и ВЧ-устройствах, таких как смесители и детекторы.

«Золотые» диоды

В качестве примеси золото (или платина) действует как рекомбинационный центр, который способствует быстрой рекомбинации неосновных носителей заряда. Это позволяет диоду работать на сигнальных частотах за счет более высокого падения напряжения в прямом направлении. ^[2] Типичным примером является 1N914.

Диоды с отсечкой или ступенчатым восстановлением

Термин «ступенчатое восстановление» относится к форме характеристики обратного восстановления этих устройств. После прохождения прямого тока через SRD и прерывания или реверсирования тока обратная проводимость очень резко прекращается (как в ступенчатой ​​форме волны). Таким образом, SRD могут обеспечивать очень быстрые переходы напряжения за счет очень внезапного исчезновения носителей заряда.

Диоды с точечным контактом

Они работают так же, как полупроводниковые диоды, описанные выше, но имеют более простую конструкцию. Строится блок из полупроводника n-типа, и проводящий острый контакт, сделанный из какого-либо металла группы 3, помещается в контакт с полупроводником. Некоторое количество металла мигрирует в полупроводник, образуя небольшую область полупроводника p-типа вблизи контакта. Давно популярная германиевая версия 1N34 до сих пор используется в радиоприемниках в качестве детектора, а иногда и в специализированной аналоговой электронике.

Диоды с кошачьими усами или кристаллические диоды

Это диоды с точечным контактом. Диод с кошачьими усами состоит из тонкой или заостренной металлической проволоки, прижатой к полупроводниковому кристаллу, обычно галениту или куску угля. Проволока образует анод, а кристалл — катод. Усиные диоды Cat также назывались кристаллическими диодами и нашли применение в кристаллических радиоприемниках. Кошачьи усики устарели.

PIN-диоды

PIN-диод имеет центральный нелегированный, или собственный , слой , образующий структуру p-типа/собственного/n-типа. Ширина внутреннего слоя больше, чем у P и N. Они используются в качестве радио переключатели частоты, аналогичные варакторным диодам, но с более резким изменением емкости. Они также используются в качестве детекторов ионизирующего излучения большого объема и в качестве фотодетекторов. PIN-диоды также используются в силовой электронике, так как их центральный слой может выдерживать высокие напряжения. Кроме того, структуру PIN можно найти во многих силовых полупроводниковых устройствах, таких как IGBT, силовые МОП-транзисторы и тиристоры.

Варикапы или варакторы

Они используются в качестве конденсаторов, управляемых напряжением. Они важны в схемах PLL (петля фазовой автоподстройки частоты) и FLL (петля частотной автоподстройки частоты), позволяя схемам настройки, например, в телевизионных приемниках, быстро синхронизироваться, заменяя старые конструкции, которым требовалось много времени для прогрева и синхронизации. PLL быстрее, чем FLL, но склонен к целочисленной гармонической синхронизации (если кто-то пытается синхронизироваться с широкополосным сигналом). Они также позволили использовать настраиваемые генераторы для ранней дискретной настройки радиоприемников, где дешевый и стабильный кварцевый генератор с фиксированной частотой обеспечивал опорную частоту для генератора, управляемого напряжением.

Стабилитроны

Диоды, которые можно настроить для обратной проводимости. Этот эффект, называемый пробоем Зенера, возникает при точно определенном напряжении, что позволяет использовать диод в качестве прецизионного источника опорного напряжения. В практических схемах опорного напряжения стабилитрон и переключающие диоды подключаются последовательно и в противоположных направлениях, чтобы сбалансировать температурный коэффициент почти до нуля. Некоторые устройства, обозначенные как высоковольтные стабилитроны, на самом деле являются лавинными диодами. Два (эквивалентных) стабилитрона последовательно и в обратном порядке в одном корпусе составляют поглотитель переходных процессов (или Transorb, зарегистрированная торговая марка). Они названы в честь изобретателя устройства доктора Кларенса Мелвина Зенера из Университета Южного Иллинойса.

Лавинные диоды

Диоды, проводящие в обратном направлении, когда обратное напряжение смещения превышает напряжение пробоя. Они электрически очень похожи на диоды Зенера, и их часто ошибочно называют диодами Зенера, но они выходят из строя по другому механизму, лавинному эффекту . Это происходит, когда обратное электрическое поле поперек p-n перехода вызывает волну ионизации, напоминающую лавину, приводящую к большому току. Лавинные диоды рассчитаны на пробой при строго определенном обратном напряжении без разрушения. Отличие лавинного диода (имеющего обратный пробой выше примерно 6,2 В) от стабилитрона в том, что длина канала первого превышает «длину свободного пробега» электронов, поэтому на выходе между ними происходят столкновения. Единственное практическое различие состоит в том, что эти два типа имеют температурные коэффициенты противоположной полярности.

Диоды для подавления переходных напряжений (TVS)

Это лавинные диоды, разработанные специально для защиты других полупроводниковых устройств от высоковольтных переходных процессов. Их p-n переходы имеют гораздо большую площадь поперечного сечения, чем у обычных диодов, что позволяет им проводить большие токи на землю без повреждений.

Фотодиоды

Полупроводники подвержены генерации оптических носителей заряда, поэтому большинство из них упаковывается в светонепроницаемый материал. Если они упакованы в материалы, пропускающие свет, их светочувствительность можно использовать. Фотодиоды могут использоваться как солнечные элементы и в фотометрии.

Светоизлучающие диоды (СИД)

В диоде, изготовленном из полупроводника с прямой запрещенной зоной, такого как арсенид галлия, носители, пересекающие переход, испускают фотоны, рекомбинируя с основным носителем на другой стороне. В зависимости от материала могут быть получены длины волн (или цвета) от инфракрасного до ближнего ультрафиолетового. Прямой потенциал этих диодов зависит от длины волны испускаемых фотонов: 1,2 В соответствует красному цвету, 2,4 В — фиолетовому. Первые светодиоды были красного и желтого цвета, и со временем были разработаны более высокочастотные диоды. Все светодиоды монохроматические; «белые» светодиоды на самом деле представляют собой комбинацию трех светодиодов разного цвета или синего светодиода с желтым сцинтилляционным покрытием. Светодиоды также можно использовать в качестве малоэффективных фотодиодов в сигнальных приложениях. Светодиод может быть соединен с фотодиодом или фототранзистором в одном корпусе для формирования оптоизолятора.

Лазерные диоды

Когда структура, подобная светодиоду, содержится в резонаторе, образованном полировкой параллельных торцов, можно сформировать лазер. Лазерные диоды обычно используются в оптических запоминающих устройствах и для высокоскоростной оптической связи.

Esaki или туннельные диоды

В их рабочей области наблюдается отрицательное сопротивление, вызванное квантовым туннелированием, что позволяет усиливать сигналы и создавать очень простые бистабильные схемы. Эти диоды также наиболее устойчивы к ядерному излучению.

Диоды Ганна

Они аналогичны туннельным диодам тем, что сделаны из таких материалов, как GaAs или InP, которые имеют область отрицательного дифференциального сопротивления. При соответствующем смещении дипольные домены формируются и проходят через диод, что позволяет создавать высокочастотные микроволновые генераторы.

Диоды Пельтье

Используются в качестве датчиков, тепловых двигателей для термоэлектрического охлаждения. Носители заряда поглощают и излучают энергию запрещенной зоны в виде тепла.

Полевые диоды с ограничением тока

На самом деле это JFET с затвором, закороченным на исток, и функционируют как двухвыводной токоограничивающий аналог диода Зенера; они позволяют протекающему через них току повышаться до определенного значения, а затем выравниваться до определенного значения. Также называются CLD, диоды постоянного тока, транзисторы с диодным включением, или токорегулирующие диоды.

Другие области применения полупроводниковых диодов включают измерение температуры и вычисление аналоговых логарифмов (см. Приложения для операционных усилителей # Логарифмические).

Применение

Несколько типов диодов

Демодуляция радиосигнала

Первым применением диода была демодуляция радиопередач с амплитудной модуляцией (AM). Таким образом, AM-сигнал состоит из чередующихся положительных и отрицательных пиков напряжения, амплитуда или «огибающая» которых пропорциональна исходному звуковому сигналу, но среднее значение которого равно нулю. Диод (первоначально кристаллический диод) выпрямляет AM-сигнал, оставляя сигнал, средняя амплитуда которого является желаемым звуковым сигналом. Среднее значение извлекается с помощью простого фильтра и подается на аудиопреобразователь, который генерирует звук.

Преобразование энергии

Выпрямители состоят из диодов, где они используются для преобразования электричества переменного тока (AC) в электричество постоянного тока (DC). Точно так же диоды также используются в умножителях напряжения Кокрофта-Уолтона для преобразования переменного тока в очень высокое постоянное напряжение.

Защита от перенапряжения

Диоды часто используются для отведения опасного высокого напряжения от чувствительных электронных устройств. Обычно они смещены в обратном направлении (непроводящие) при нормальных обстоятельствах и становятся смещенными в прямом направлении (проводящими), когда напряжение превышает нормальное значение. Например, диоды используются в схемах шаговых двигателей и реле для быстрого обесточивания катушек без разрушительных скачков напряжения, которые в противном случае произошли бы. Многие интегральные схемы также включают диоды на соединительных контактах, чтобы предотвратить повреждение их чувствительных транзисторов внешним напряжением. Для защиты от перенапряжений при большей мощности используются специализированные диоды.

Логические элементы

Диоды можно комбинировать с другими компонентами для построения логических элементов И и ИЛИ. Это называется диодной логикой.

Детекторы ионизирующего излучения

Помимо света, упомянутого выше, полупроводниковые диоды чувствительны к более энергичному излучению. В электронике космические лучи и другие источники ионизирующего излучения вызывают шумовые импульсы, а также одиночные и множественные битовые ошибки. Этот эффект иногда используется детекторами частиц для обнаружения излучения. Одна частица излучения с энергией в тысячи или миллионы электрон-вольт генерирует множество пар носителей заряда, поскольку ее энергия откладывается в полупроводниковом материале. Если обедненный слой достаточно велик, чтобы уловить весь ливень или остановить тяжелую частицу, можно провести довольно точное измерение энергии частицы, просто измерив проводимый заряд и не используя сложности магнитного спектрометра.

Эти полупроводниковые детекторы излучения нуждаются в эффективном и равномерном сборе заряда и низком токе утечки. Их часто охлаждают жидким азотом. Для более дальнобойных (около сантиметра) частиц им нужна очень большая глубина истощения и большая площадь. Для частиц ближнего действия необходимо, чтобы любой контакт или неистощенный полупроводник хотя бы на одной поверхности был очень тонким. Напряжения обратного смещения близки к пробойным (около тысячи вольт на сантиметр). Германий и кремний являются распространенными материалами. Некоторые из этих детекторов чувствуют положение, а также энергию.

Срок службы ограничен, особенно при обнаружении тяжелых частиц из-за радиационного повреждения. Кремний и германий сильно различаются по своей способности преобразовывать гамма-лучи в электронные потоки.

Полупроводниковые детекторы для частиц высокой энергии используются в большом количестве. Из-за флуктуаций потерь энергии точное измерение выделенной энергии менее полезно.

Измерение температуры

В качестве устройства для измерения температуры можно использовать диод, поскольку прямое падение напряжения на диоде зависит от температуры. Эта температурная зависимость следует из приведенного выше уравнения идеального диода Шокли и обычно составляет около -2,2 мВ на градус Цельсия.

Устройства с зарядовой связью

Цифровые камеры и аналогичные устройства используют матрицы фотодиодов, объединенных со схемой считывания.

Дополнительные

Диоды могут также обозначаться как управляемые выпрямители , сокращенно CR на печатных платах.

Примечания

1. ↑ Нобелевская премия, Диод. Проверено 11 июня 2008 г.
2. ↑ С. М. Сзе, Современная физика полупроводниковых устройств (Wiley Interscience, ISBN 0-471-15237-4).

Ссылки

Ссылки ISBN поддерживают NWE за счет комиссионных сборов

• Нойдек, Джордж У. Река Аппер-Сэдл, Нью-Джерси: Prentice Hall, 1988. ISBN 0201122960
• Пьер, Роберт Ф. Основы полупроводников . Река Аппер-Сэдл, Нью-Джерси: Prentice Hall, 1988. ISBN 0201122952
• Сзе, С.М. Современная физика полупроводниковых устройств . Хобокен, Нью-Джерси: Wiley Interscience, 1997. ISBN 0471152374

Авторы

Энциклопедия Нового Света авторы и редакторы переписали и дополнили статью Википедии в соответствии со стандартами New World Encyclopedia . Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с надлежащим указанием авторства. Упоминание должно быть выполнено в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на авторов New World Encyclopedia , так и на самоотверженных добровольных участников Фонда Викимедиа. Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних вкладов википедистов доступна исследователям здесь:

• Диод ^{история}

История этой статьи с момента ее импорта в New World Encyclopedia :

• История «Диода»

Примечание. На использование отдельных изображений, лицензированных отдельно, могут распространяться некоторые ограничения.

Лазерный диод — принцип работы лазерного диода

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

Лазер диоды играют важную роль в нашей повседневной жизни. Они есть очень дешево и мало. Лазерные диоды самые маленькие из всех известные лазеры. Их размер составляет доли миллиметра.
Лазерные диоды также известный как полупроводниковые лазеры, переходные лазеры, переходные диодные лазеры или инжекционные лазеры. Прежде чем идти на лазер диоды, давайте сначала посмотрим на сам диод.

Что это диод с p-n переходом?

А р-н переходной диод — это полупроводниковый прибор, который позволяет течение тока только в одном направлении.

Диод p-n перехода выполнен из двух типов полупроводников материалы, а именно полупроводники p-типа и n-типа. р-тип полупроводник соединен с n-типом полупроводник для формирования p-n узел. Устройство, полученное в результате соединения Полупроводник p-типа и n-типа называется p-n переходом. диод.

Диод с p-n переходом пропускает электрический ток при прямом смещении состояние, в то время как он блокирует электрический ток в обратном смещении состояние.

Если плюсовая клемма аккумулятора подключается к полупроводник p-типа и отрицательный полюс батареи подключен к полупроводнику n-типа, говорят, что диод быть смещенным вперед.

Когда а напряжение прямого смещения прикладывается к диоду, свободные электроны начинают двигаться от отрицательной клеммы аккумулятора к положительной клемме аккумулятора аналогичным образом дырки начинают двигаться от положительный полюс аккумулятора к отрицательному полюсу батарея.

Потому что этих потоков носителей заряда (свободных электроны и дырки) в диоде с p-n переходом возникает электрический ток.

В обычные диоды с p-n переходом, электроны движутся от n-типа к p-типу будет рекомбинировать с отверстиями в p-типе полупроводник или переход. Точно так же дырки, движущиеся от p-типа в n-тип будет рекомбинировать с электронами в полупроводник или переход n-типа.

Мы известно, что энергетический уровень свободных электронов в проводимости зона высока по сравнению с дырками в валентной зоне. Поэтому свободные электроны будут высвобождать свою дополнительную энергию (безызлучательную энергии) при рекомбинации с дырками.

В в светоизлучающие диоды (LED) или лазерные диоды, рекомбинация происходит аналогичным образом. Однако свободные электроны в светодиодах или лазерных диодах выделяют энергию в форму света при рекомбинации с отверстиями.

Что это лазерный диод?

А лазерный диод — оптоэлектронный прибор, преобразующий электрическая энергия в световую энергию для получения высокой интенсивности когерентный свет. В лазерном диоде p-n переход полупроводниковый диод действует как лазерная среда или активная среда.

работа лазерного диода почти аналогична свету излучающий диод (LED). Основное отличие светодиода от лазерный диод заключается в том, что светодиод излучает некогерентный свет, тогда как лазерный диод излучает когерентный свет.

Лазер диодная конструкция

лазерный диод выполнен из двух слоев легированного арсенида галлия. Один слой легированного арсенида галлия будет давать n-тип полупроводник, тогда как другой слой легированного арсенида галлия будет производить полупроводник р-типа. В лазерных диодах селен, алюминий и кремний используются в качестве легирующих присадок.

P-N соединение

Когда слой p-типа соединяется со слоем n-типа, p-n-переход сформирован. Точка, в которой слои p-типа и n-типа соединение называется p-n переходом. p-n переход разделяет Полупроводники p-типа и n-типа.

Для в конструкции лазерных диодов выбран арсенид галлия над кремнием. В кремниевых диодах энергия выделяется при рекомбинация. Однако это высвобождение энергии не в форма света.

В арсенид-галлиевые диоды, выделение энергии происходит в виде света или фотонов. Поэтому арсенид галлия используется для конструкция лазерных диодов.

N-тип полупроводник

Добавление небольшой процент посторонних атомов в собственном полупроводник производит полупроводник n-типа или p-типа.

Если пятивалентный примеси добавляются к собственному или чистому полупроводнику, получается полупроводник n-типа. В полупроводниках n-типа свободные электроны являются основными носителями заряда, тогда как дырки являются миноритарными носителями заряда. Поэтому свободные электроны проводят большую часть электрического тока в полупроводниках n-типа.

P-тип полупроводник

Если в чистый полупроводник добавляют трехвалентные примеси, получают полупроводник р-типа. В полупроводниках p-типа дырки являются основными носителями заряда, тогда как свободные электроны являются миноритарными носителями заряда. Таким образом, отверстия несут большую часть электрического тока в полупроводниках р-типа.

Основной шаги требуется для создания когерентного пучка света в лазере диоды

Основные этапы, необходимые для получения когерентного пучка света в лазеры диоды: поглощение света, спонтанное излучение и вынужденное излучение.

Поглощение энергия

Поглощение из Энергия – это процесс поглощения энергии извне источники энергии.

В лазерные диоды, электрическая энергия или напряжение постоянного тока используются в качестве внешний источник энергии. Когда напряжение постоянного тока или электрические энергия поставляет достаточно энергии для валентности электроны или электроны валентной зоны, они разрывают связь с родительским атомом и переходит на более высокий энергетический уровень (зона проводимости). Электроны в зоне проводимости называемые свободными электронами.

Когда валентный электрон покидает валентную оболочку, пустое пространство создается в точке, из которой ушел электрон. Этот пустой пространство в валентной оболочке называется дыркой.

Таким образом, и свободные электроны, и дырки рождаются парами, потому что поглощения энергии от внешнего источника постоянного тока.

Спонтанное эмиссия

Спонтанная эмиссия это процесс естественного излучения света или фотонов, в то время как электроны переходят в более низкое энергетическое состояние.

В лазерные диоды, электроны валентной зоны или валентные электроны находятся в более низком энергетическом состоянии. Таким образом, образовавшиеся дыры после оставшихся валентных электронов также находятся в более низкой энергии государство.

Вкл. с другой стороны, электроны зоны проводимости или свободные электроны находятся в более высоком энергетическом состоянии. Простыми словами, свободные электроны обладают большей энергией, чем дырки.

свободные электроны в зоне проводимости должны потерять свои дополнительные энергию, чтобы рекомбинировать с дырками в валентной группа.

свободные электроны в зоне проводимости долго не задерживаются период. Через некоторое время свободные электроны рекомбинируют с нижними энергетическими дырами, высвобождая энергию в виде фотоны.

Стимулированный эмиссия

стимулированная эмиссия процесс, при котором возбужденные электроны или свободные электроны стимулируются к переходу в более низкое энергетическое состояние высвобождение энергии в виде света. Вынужденное излучение это искусственный процесс.

В стимулированный излучение, возбужденные электроны или свободные электроны не обязательно ждать завершения своей жизни. Перед завершение их жизни, падающие или внешние фотоны заставит свободные электроны рекомбинировать с дырками. В вынужденного излучения, каждый падающий фотон будет генерировать два фотоны.

Все фотоны, генерируемые вынужденным излучением, будут путешествовать в том же направлении. В результате узкий луч производится высокоинтенсивный лазерный свет.

Как лазерный диод работает?

Когда На лазерный диод подается постоянное напряжение, свободное электроны перемещаются через область перехода из n-типа материал к материалу р-типа. В этом процессе некоторые электроны будут напрямую взаимодействовать с валентными электронами и возбуждает их на более высокий энергетический уровень, тогда как некоторые другие электроны будут рекомбинировать с дырками в p-типе полупроводник и выделяет энергию в виде света. Этот процесс излучения называется спонтанным излучением.

фотоны, генерируемые в результате спонтанного излучения, будут перемещаться через область соединения и стимулировать возбужденный электроны (свободные электроны). В результате больше фотонов вышел. Этот процесс испускания света или фотонов называется вынужденное излучение. свет, генерируемый вынужденным излучением, будет двигаться параллельно до развязки.

два конца структуры лазерного диода оптически отражающий. Один конец полностью отражающий, тогда как другой конец частично отражающий. Полностью отражающий конец будет отражать свет полностью, тогда как частично отражающий конец будет отражают большую часть света, но допускают небольшое количество свет.

свет, генерируемый в p-n переходе, будет отражаться назад и вперед (сотни раз) между двумя отражающими поверхностями. Как В результате достигается огромное оптическое усиление.

свет, генерируемый вынужденным излучением, ускользает через частично отражающий конец лазерного диода к производят узкий луч лазерного излучения.
Все фотоны генерируемое за счет вынужденного излучения, будет перемещаться в в том же направлении. Следовательно, этот свет будет путешествовать на большие расстояния. расстояния без растекания в пространстве.

Преимущества лазерных диодов

1. Простой строительство
2. Легкий
3. Очень дешево
4. Малый размер
5. Высоко надежный по сравнению с другими типами лазеров.
6. длиннее срок службы
7. Высокий эффективность
8. Зеркала есть не требуется в полупроводниковых лазерах.
9. Низкая мощность потребление

Недостатки из лазерные диоды

1. Не подходит для приложений, где требуется высокая мощность.
2. Полупроводник лазеры сильно зависят от температуры.

Приложения лазерных диодов

1. Лазер диоды используются в лазерных указках.
2. Лазер диоды используются в оптоволоконной связи.
3. Лазер диоды используются в считывателях штрих-кодов.
4. Лазер диоды используются в лазерной печати.