Как устроен туннельный диод: характеристики, принцип работы, маркировка
Обновлена: 24 Ноября 2022 5680 2
Поделиться с друзьями
Туннельный диод обладает особыми характеристиками, отличающими его от обычных диодов и стабилитронов. Если диоды и стабилитроны хорошо пропускают ток только в одну сторону (в обратную – только в области пробоя), то туннельный диод способен хорошо проводить ток в обе стороны. Это свойство обеспечивают особенности устройства туннельного диода: очень узкий p-n переход и значительное количество присадок. Содержание статьи
История создания туннельного диода
Эта деталь была предложена в 1956 году японским ученым Л. Арсенид галлия оказался более перспективным материалом. При производстве туннельных диодов используются: доноры – олово, сера, теллур, свинец, селен, а также акцепторы – кадмий и цинк. Применяются германиевые полупроводники, в которых: доноры – мышьяк и фосфор, а акцепторы – алюминий и галлий. Примеси вводят в состав диода путем вплавления или диффузии. Особенности и принцип действия туннельного диодаТуннельные диоды с чрезвычайно малым сопротивлением относят к группе вырожденных. Для них характерны:
Уникальные свойства туннельного диода проявляются в его вольтамперной характеристике (ВАХ) при прямом смещении в полупроводнике. На схеме видно, что на отрезке А ток растет с увеличением напряжения. На участке В полупроводник проявляет отрицательное сопротивление (туннельный эффект), приводящее к тому, что при росте вольтовой характеристики ток снижается. На отрезке С прибор снова обеспечивает прямую зависимость между током и напряжением. Туннельные диоды предназначены для работы как раз на отрезке, для которого характерно отрицательное сопротивление. Небольшое повышение напряжения выключает его, а снижение – включает. Основные параметры туннельных диодов
Маркировка туннельных диодов и их обозначение на схемеВ обозначении диодов присутствует несколько позиций (обычно 5). Первой идет буква или цифра. Цифры 1, 2, 3 обозначают, что диод предназначен для военного применения (имеет более широкий температурный рабочий интервал, по сравнению со стандартными полупроводниками). На первой позиции может стоять буква, указывающая на материал, используемый при изготовлении детали: Г – германий, А – арсенид галлия. Вторая позиция показывает класс полупроводника, Д – обозначает «диод». На третьей позиции отображают характеристики мощности или частоты. Четвертая – двух- или трехзначный серийный номер. В конце обозначения производитель предоставляет дополнительную информацию. Цветовая маркировка диодовОбозначение туннельного диода на схемахОбласти примененияПараметры туннельного диода обеспечивают его использование в следующих областях:
Преимущества и недостаткиПлюсы туннельных диодов:
Все туннельные диоды имеют компактные размеры. Часто они представляют собой изделия в герметичных корпусах цилиндрической формы диаметром 3-4 мм, высотой 2 мм и массой менее 1 грамма.
Существенным недостатком полупроводников этого типа является значительное старение, которое приводит к изменению их свойств, а следовательно, к нарушению нормальной функциональности устройства. «Туннельники» могут утратить прежние параметры не только из-за превышенных рабочих режимов, но даже из-за длительного хранения, после чего они превращаются в «обращенные» полупроводники. Такое обстоятельство часто становится причиной некорректного функционирования промышленных осциллографов. Существуют и «обращенные» полупроводники промышленного изготовления. От туннельных они отличаются меньшей концентрацией примесей, хотя общий принцип функционирования у них одинаковый. Как проверить туннельный диод на работоспособностьО работоспособности туннельного диода можно судить по характеру изменения тока при повышении/понижении напряжения, прилагаемого к детали. Для этой цели собирают несложную схему. Источником тока в этой схеме выступает гальванический элемент, имеющий ток разряда 50 мА. Для проведения измерений берем миллиамперметр, у которого ток полного отклонения должен быть не меньше, чем ток проверяемого туннельного диода. Движок переменного резистора R1 выставляют в крайнее правое положение. Диод присоединяют к зажимам З1 и З2. Движком уменьшают сопротивление резистора. Если деталь работоспособна, то ток, показываемый миллиамперметром, быстро возрастает, а затем, достигнув максимального значения, идет на резкое снижение и достигает минимума. Была ли статья полезна?Да Нет Оцените статью Что вам не понравилось? Другие материалы по темеАнатолий Мельник Специалист в области радиоэлектроники и электронных компонентов. Консультант по подбору деталей в компании РадиоЭлемент. |
Есаки. Для ее изготовления использовался германий или арсенид галлия с большим количеством присадок, обладающих низким удельным сопротивлением.
Дальнейшее снижение сопротивления приводит к росту тока до первого максимального значения. Доводить величину тока до значения превышающего первый максимум, не рекомендуется.Диод Шоттки. Устройство, принцип работы и основные характеристики.
Aveal
Приветствую всех на сайте MicroTechnics снова, и сегодня мы продолжим курс «Основы электроники». Героем статьи станет еще один электронный компонент, а именно диод Шоттки. В недавних статьях мы рассматривали принцип работы и применение диодов и стабилитронов:
- Устройство полупроводникового диода, p-n переход.
- Стабилитрон. Принцип работы, вольт-амперная характеристика.
И вот настало время диода Шоттки.
Основной отличительной особенностью этого элемента является малое падение напряжения при прямом включении (относительно обычного выпрямительного диода). Давайте разберемся, с чем же в данном случае связано это явление.
Сердцем диода Шоттки является не p-n переход, который образуется при соприкосновении двух полупроводников с разными типами проводимости, а так называемый
Так вот, барьер Шоттки — это переход между металлом и полупроводником. В обычном диоде у нас используется переход между полупроводниками p-типа и n-типа, а здесь уже совсем другая история — металл + полупроводник.
Для функционирования барьера Шоттки необходимо, чтобы работы выхода использующихся металла и полупроводника были различными.
{-\phi / kT}
Здесь нам важно заметить, что поскольку \phi_{М} > \phi_{П}, то, напротив, j_{М} < j_{П}. В результате этого при контакте металла и полупроводника в пограничной области буду скапливаться заряды:
Иными словами, из-за того, что работа выхода из полупроводника меньше, то электронам проще перейти из него в металл, чем наоборот, в обратном направлении. Но как и для p-n перехода этот процесс не будет протекать бесконечно. Эти заряды создадут дополнительное электрическое поле в граничной области, и в результате под действием этого поля токи термоэлектронной эмиссии выравняются.
Как видите, в целом, процессы, протекающие в барьере Шоттки, по своей сути очень похожи на то, что происходит в p-n переходе при контакте двух полупроводников. При подключении внешнего напряжения возникает дополнительное поле, которое смещает баланс токов в пограничной области.
Несмотря на некую схожесть процессов ключевым отличием является то, что в диоде Шоттки протекание тока как при прямом смещении, так и при обратном, связано исключительно с перемещением основных носителей заряда.
То есть по сравнению с p-n переходом отсутствует диффузионная составляющая тока, которая связана с инжекцией неосновных носителей. А это, в свою очередь, приводит ко второй важнейшей отличительной особенности диодов Шоттки —
Как вы помните, при прямом смещении в обычном диоде в полупроводниковых областях накапливаются неосновные носители заряда — дырки в n-области и электроны в p-области:
Так вот в момент перехода диода в закрытое состояние (при подаче обратного смещения) неосновные носители начинают перемещаться навстречу друг другу, что приводит к возникновению кратковременного импульса обратного тока. Для диодов Шоттки же этот негативный и нежелательный эффект фактически сводится на нет.
Итак, суммируем все, что мы рассмотрели, и построим вольт-амперную характеристику диода Шоттки и обычного выпрямительного диода:
А теперь резюмируем плюсы и минусы этих элементов:
- Первое преимущество — меньшее падение напряжения при прямом включении. Для диодов Шоттки оно может составлять 0.2-0.4 В, тогда как для обычных кремниевых диодов величина равна 0.6-0.7 В. А меньшее напряжение при одинаковом токе — это меньшая рассеиваемая мощность, то есть диод Шоттки будет нагреваться гораздо меньше.
- Быстродействие — бесспорный плюс, который позволяет использовать диоды Шоттки на более высоких частотах.
- Из сравнения вольт-амперных характеристик мы можем заметить, что обратный ток обычного диода имеет меньшую величину. Это уже относится к недостаткам диодов Шоттки. Причем с повышением температуры обратный ток будет увеличиваться еще больше.
- И еще один недостаток — при превышении максимально допустимого значения обратного напряжения диод Шоттки выходит из строй с вероятностью равной 100%. В то же время обычный диод может перейти в режим обратимого пробоя (лавинного или туннельного) в том случае, если для него не произошел тепловой пробой (также необратимый). И при этом максимально допустимые значения обратного напряжения для диодов Шоттки почти всегда значительно меньше, чем для обычных диодов.
Для диодов Шоттки оно может составлять 0.2-0.4 В, тогда как для обычных кремниевых диодов величина равна 0.6-0.7 В. А меньшее напряжение при одинаковом токе — это меньшая рассеиваемая мощность, то есть диод Шоттки будет нагреваться гораздо меньше.
И при этом максимально допустимые значения обратного напряжения для диодов Шоттки почти всегда значительно меньше, чем для обычных диодов.А теперь давайте проведем несколько практических экспериментов. Протестируем две аналогичные схемы на работу с сигналами высокой частоты. Только в одной схеме задействуем диод Шоттки, а в другой обычный выпрямительный диод и сравним осциллограммы сигналов на выходе.
На принципиальных схемах диод Шоттки обозначается так:
Тесты будем проводить на простой схеме однополупериодного выпрямителя:
Для эксперимента я взял диод Шоттки 10BQ015 и выпрямительный диод 1N4001. Попробуем подать на вход синусоиду с частотой 1 КГц:
Первый канал (желтый) — сигнал на входе
Второй канал (красный) — сигнал на выходе цепи с диодом Шоттки
Третий канал (синий) — сигнал на выходе цепи с обычным диодом
Результат вполне ожидаем. Диоды пропускают ток только в одном направлении, поэтому нижний полупериод входного сигнала срезается.
Пока разницы особо никакой не наблюдается. Увеличиваем частоту входного сигнала до 100 КГц:
Первый канал (желтый) — сигнал на входе
Второй канал (красный) — сигнал на выходе цепи с диодом Шоттки
Третий канал (синий) — сигнал на выходе цепи с обычным диодом
И здесь уже видим, что обычный диод с таким сигналом попросту перестает справляться. При переключении диода (из открытого состояния в закрытое) возникает нежелательный импульс обратного тока (в точности так, как мы и обсудили чуть ранее).
Итак, резюмируем. Мы рассмотрели устройство, основные характеристики и принцип работы диода Шоттки, давайте на этом и завершим сегодняшнюю статью, всем спасибо 🤝
Как работает диод? Со всеми техническими подробностями!
Диод представляет собой двухэлементный полупроводниковый прибор, содержащий анод и катод и обеспечивающий однонаправленную проводимость. Диод позволяет току течь в одном направлении, но не в другом.
Многие типы используются в таких устройствах, как выпрямители, детекторы, ограничители пиков, смесители, модуляторы, усилители, генераторы и измерительные приборы.
В схемах катод показан в виде полосы, а анод — в виде треугольника. На некоторых принципиальных схемах анод диода также может быть обозначен буквой «а», а катод буквой «к».
Чтобы понять принцип работы диода, мы должны знать, что такое полупроводник.
Материалы, пропускающие электроны, называются проводниками. Материалы, блокирующие поток электронов, называются изоляторами. Материалы, проводимость которых находится между проводниками и изоляторами, называются полупроводниками. Полупроводники — это «частичные» проводники, проводимость которых можно контролировать. Полупроводники оказались весьма полезными в области электроники.
Диоды изготавливаются из полупроводниковых материалов, в основном из кремния, с добавлением различных соединений (комбинаций более чем одного элемента) и металлов в зависимости от функции диода. Ранние типы полупроводниковых диодов изготавливались из селена и германия, но эти типы диодов были почти полностью заменены более современными конструкциями из кремния.
Кремний является наиболее распространенным материалом, используемым для создания полупроводниковых устройств. Si является основным компонентом песка, и считается, что кубическая миля морской воды содержит 15 000 тонн Si. Si прядут и выращивают в кристаллическую структуру, а затем разрезают на пластины для изготовления электронных устройств.
Атомы в пластине из чистого кремния содержат четыре электрона на внешней орбите (называемые валентными электронами). Германий — еще один полупроводниковый материал с четырьмя валентными электронами.
В структуре кристаллической решетки Si валентные электроны каждого атома Si связаны ковалентными связями с валентными электронами четырех соседних атомов Si. Чтобы сделать полезные полупроводниковые устройства, к Si добавляют такие материалы, как фосфор (P) и бор (B), чтобы изменить проводимость Si.
Кремний N-типа
Пятивалентные примеси, такие как фосфор, мышьяк, сурьма и висмут, имеют 5 валентных электронов.
Когда к Si добавляется примесь фосфора, четыре валентных электрона каждого атома фосфора замыкаются в ковалентную связь с валентными электронами четырех соседних атомов Si. Однако 5-й валентный электрон атома фосфора не находит связывающего электрона и, таким образом, остается свободным в плавании. Когда к кремний-фосфорной смеси прикладывается напряжение, свободные электроны мигрируют в сторону положительного напряжения.
Когда фосфор добавляется к Si для получения описанного выше эффекта, мы говорим, что Si легирован фосфором. Полученная смесь называется кремнием N-типа (N: кремний с отрицательным зарядом).
Пятивалентные примеси называются донорными примесями.
Кремний P-типа
Трехвалентные примеси, например, бор, алюминий, индий и галлий имеют 3 валентных электрона.
Когда бор добавляется к Si, три валентных электрона каждого атома бора замыкаются в ковалентной связи с валентными электронами трех соседних атомов Si.
Однако внутри ковалентной связи между одним атомом бора и соседним атомом Si создается вакантное пятно «дырка». Дырки считаются носителями положительного заряда.
Когда на смесь кремния и бора подается напряжение, дырка перемещается в сторону отрицательного напряжения, а ее место занимает соседний электрон.
Когда бор добавляется к Si для получения описанного выше эффекта, мы говорим, что Si легирован бором. Полученная смесь называется кремнием P-типа (P: кремний с положительным зарядом).
Трехвалентные примеси называются акцепторными примесями.
Отверстие атома бора указывает на отрицательную клемму. Электрон соседнего атома кремния направлен к положительному полюсу. Электрон от соседнего атома кремния попадает в атом бора, заполняя дырку в атоме бора и создавая «новую» дырку в атоме кремния. Кажется, что отверстие движется к отрицательной клемме!
Диод состоит из так называемого PN-перехода. Два полупроводниковых материала соединяются вместе.
Этот компонент обеспечивает чрезвычайно низкое сопротивление протеканию тока в одном направлении и чрезвычайно высокое сопротивление протеканию тока в другом. Эта характеристика позволяет использовать диод в приложениях, требующих, чтобы цепь вел себя по-разному в зависимости от направления протекающего в ней тока.
Идеальный диод пропускал бы бесконечный ток в одном направлении и совсем не пропускал бы его в другом направлении. Кроме того, диод начинал бы проводить ток при наименьшем напряжении. На практике необходимо приложить небольшое напряжение, прежде чем произойдет проводимость. Кроме того, небольшой ток утечки будет течь в обратном направлении. Этот ток утечки обычно составляет очень небольшую часть тока, который течет в прямом направлении.
Если полупроводниковый материал P-типа становится положительным по отношению к материалу N-типа на величину, превышающую его прямое пороговое напряжение (около 0,6 В, если материал — кремний, и 0,2 В, если материал — германий), диод перестанет работать.
свободно пропускают ток. Если, с другой стороны, материал P-типа сделать отрицательным по отношению к материалу N-типа, ток практически не будет течь, если приложенное напряжение не превысит максимальное (пробойное) напряжение, которое может выдержать устройство. Обратите внимание, что нормальный диод будет разрушен, если его обратное напряжение пробоя будет превышено.
Соединение с материалом P-типа называется анодом, а соединение с материалом N-типа называется катодом. Без приложенного извне потенциала электроны из материала N-типа переходят в область P-типа и заполняют некоторые из вакантных отверстий. Это действие приведет к образованию области по обе стороны от перехода, в которой нет свободных носителей заряда. Эта зона известна как область истощения.
В режиме прямого смещения диод свободно пропускает ток. В этом состоянии с обратным смещением диод пропускает незначительный ток. В свободно проводящем состоянии с прямым смещением диод действует скорее как замкнутый переключатель.
В состоянии обратного смещения диод действует как открытый ключ.
Если к материалу P-типа приложить положительное напряжение, свободные носители положительного заряда будут отталкиваться и перемещаться от положительного потенциала к соединению. Точно так же отрицательный потенциал, приложенный к материалу N-типа, заставит свободные носители отрицательного заряда двигаться от отрицательного потенциала к переходу.
Когда положительные и отрицательные носители заряда достигают соединения, они будут притягиваться друг к другу и объединяться (напомним, что разные заряды притягиваются). По мере того, как каждый отрицательный и положительный носитель заряда объединяется на стыке, новый отрицательный и положительный носитель заряда будет вводиться в полупроводниковый материал от источника напряжения. Когда эти новые носители заряда входят в полупроводниковый материал, они будут двигаться к переходу и соединяться. Таким образом устанавливается протекание тока, и оно будет продолжаться до тех пор, пока приложено напряжение.
Прежде чем диод начнет проводить ток, необходимо превысить прямое пороговое напряжение. Прямое пороговое напряжение должно быть достаточно высоким, чтобы полностью удалить обедненный слой и заставить носители заряда двигаться через переход. Для кремниевых диодов это прямое пороговое напряжение составляет приблизительно от 0,6 В до 0,7 В. Для германиевых диодов прямое пороговое напряжение составляет приблизительно от 0,2 В до 0,3 В.
На рисунке ниже показаны типичные характеристики небольших германиевых и кремниевых диодов. Стоит отметить, что диоды ограничены величиной прямого тока и обратного напряжения, которые они могут выдержать. Этот предел основан на физическом размере и конструкции диода.
В случае диода с обратным смещением материал P-типа смещен отрицательно по отношению к материалу N-типа. В этом случае отрицательный потенциал, приложенный к материалу P-типа, притягивает носители положительного заряда, уводя их от перехода.
Точно так же положительный потенциал, приложенный к материалу N-типа, оттягивает носители отрицательного заряда от соединения. Это оставляет область соединения истощенной; практически отсутствуют носители заряда. Таким образом, область перехода становится изолятором, и протекание тока подавляется. Потенциал обратного смещения может быть увеличен до обратного напряжения пробоя, на которое рассчитан конкретный диод. Как и в случае с максимальным номинальным прямым током, обратное напряжение пробоя указывается производителем. Обратное напряжение пробоя обычно намного выше, чем прямое пороговое напряжение. Типичный диод общего назначения может иметь прямое пороговое напряжение 0,6 В и обратное напряжение пробоя 200 В. Превышение последнего может привести к необратимому повреждению диода.
Функция диодного модуля | Как работает диодный модуль?
Так как же работает диодный модуль или диодный блок?
Чтобы понять, как работает диодный модуль, сначала нужно понять, как на самом деле работает один диод.
Диод — это устройство, позволяющее току течь только в одном направлении. Это означает, что если вы добавите диод в электрическую цепь, ток может течь только в одном направлении.
Например, здесь ток может течь только из точки 2 в точку 1, но если он попытается течь из точки 1 в точку 2, он будет заблокирован диодом. Очень просто, правда?
Собственно говоря, и этот символ диода говорит нам о том же. Стрелка говорит, что ток может течь в одном направлении, то есть из точки 2 в точку 1, и если он попытается течь в другом направлении, он будет заблокирован. Итак, маленькая черточка здесь — это знак блока.
Символ диода
На рисунке ниже вы видите символ диода слева и сам диод справа.
Опять же, как вы видите, у нас также есть маленькая линия в верхней части фактического диода.
Это простой индикатор, чтобы вы знали, что ток будет блокирован, если он попытается течь из точки 1 в точку 2.
Но если он попытается течь из точки 2 в 1, диод пропустит ток.
Как работает этот диодный модуль?
Теперь вернемся к нашему диодному модулю. Вы видите, что у нас внутри этого модуля четыре диода.
У нас есть четыре точки или клеммы на каждой стороне этого модуля.
Между каждой из этих двух клемм имеется по одному диоду. Это означает, что у нас есть диод между клеммами 1 и 2 и три других диода для остальных клемм.
Теперь мы думаем, что у вас уже есть хорошее представление о том, как работает этот модуль.
Да, как вы уже правильно догадались, этот модуль позволяет току проходить только от клеммы 2 к 1, 4 к 3, 6 к 5 и 8 к 7.
Это просто означает, что если мы добавим этот модуль в электрическую цепь, ток будет течь только от четырех нижних клемм к четырем верхним клеммам.
А если ток попытается течь с противоположного направления, то его просто перекроют!
Как вы можете видеть, это то, что четко указано четырьмя символами диодов на модуле.
Внутри модуля диодов
Если присмотреться, то здесь также можно увидеть диоды внутри модуля. Как вы можете видеть, на каждом конце этих диодов есть линия, которая показывает, что если ток попытается течь сверху вниз, он будет заблокирован.
Таким образом, вы используете этот диодный модуль, когда вам нужно, чтобы ток протекал только в одном направлении.
Где можно заказать любой из этих диодных модулей?Это высококачественный диодный модуль производства Phoenix Contact в Германии:
Вы можете использовать эту ссылку EMG 22-DIO 4E-1N5408, чтобы заказать этот модуль онлайн.
Если у вас есть какие-либо вопросы относительно того, как использовать этот диодный модуль или о диодах в целом, не стесняйтесь задавать их в разделе комментариев.
Мы читаем каждый комментарий и отвечаем на него менее чем за 24 часа.
У вас есть друг, клиент или коллега, которым может пригодиться эта информация? Пожалуйста, поделитесь этой статьей.
The Realpars Team
Поиск для:
Генеральный директор, RealPars
Опубликовано 26 октября 2020
Генеральный директор, RealPars
Опубликовано 26 октября 2020
Shop Now
Diode Module-EMG22-Dio 4e
В этом сообщении блога вы узнаете о том, что помогло мне получить работу по программированию ПЛК без опыта. Это мой личный опыт как человека, который искал работу в этой сфере, и как работодателя, который просматривает резюме и проводит собеседования с кандидатами для различных проектов. Итак, приступим!
Клапаны, резервуары и насосы являются неотъемлемыми компонентами многих промышленных и коммерческих систем. Надлежащее техническое обслуживание этих элементов имеет решающее значение для обеспечения эффективности и продления срока службы системы в целом.
