Опишите устройство полупроводникового диода. Полупроводниковый диод: устройство, принцип работы и применение

Что такое полупроводниковый диод. Как устроен p-n-переход. Каковы основные характеристики полупроводникового диода. Какие типы полупроводниковых диодов существуют. Где применяются полупроводниковые диоды в современной электронике.

Что такое полупроводниковый диод и как он устроен

Полупроводниковый диод — это электронный компонент, пропускающий электрический ток преимущественно в одном направлении. Он состоит из полупроводникового кристалла, в котором сформирован p-n-переход — граница между областями с различными типами проводимости.

Основные части полупроводникового диода:

• Анод — электрод, подключенный к p-области
• Катод — электрод, подключенный к n-области
• p-n-переход — область на стыке p- и n-областей

Как работает p-n-переход в диоде? При подаче прямого напряжения (плюс на анод, минус на катод) потенциальный барьер на переходе уменьшается, и ток свободно проходит через диод. При обратном включении барьер увеличивается, препятствуя протеканию тока.

Принцип работы полупроводникового диода

Принцип работы полупроводникового диода основан на свойствах p-n-перехода:

1. При прямом включении диода (анод «+», катод «-«) основные носители заряда (электроны и дырки) движутся навстречу друг другу через p-n-переход. Это приводит к возникновению значительного прямого тока.
2. При обратном включении (анод «-«, катод «+») основные носители отводятся от p-n-перехода, увеличивая его обедненную область. Ток через диод практически не течет.

Таким образом, диод обладает односторонней проводимостью — хорошо проводит ток в прямом направлении и очень плохо в обратном. Это свойство называется выпрямляющим действием диода.

Основные характеристики полупроводниковых диодов

Ключевые параметры, характеризующие работу полупроводникового диода:

• Максимально допустимый прямой ток
• Максимальное обратное напряжение
• Прямое падение напряжения
• Обратный ток утечки
• Емкость p-n-перехода
• Время восстановления обратного сопротивления

Какая характеристика полупроводникового диода наиболее важна? Это вольт-амперная характеристика (ВАХ), отражающая зависимость тока через диод от приложенного напряжения. ВАХ наглядно демонстрирует выпрямляющие свойства диода.

Типы полупроводниковых диодов

Существует множество разновидностей полупроводниковых диодов, различающихся по конструкции и назначению:

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

Каждый тип диодов имеет свои особенности конструкции и характеристик, определяющие область их применения.

Применение полупроводниковых диодов

Где используются полупроводниковые диоды в современной электронике? Основные области применения:

• Выпрямление переменного тока в источниках питания
• Детектирование сигналов в радиоприемниках
• Защита от обратного тока и перенапряжений
• Стабилизация напряжения
• Модуляция сигналов
• Генерация и усиление СВЧ-колебаний
• Преобразование электрической энергии в световую (светодиоды)

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

Технологии производства полупроводниковых диодов

Как изготавливают современные полупроводниковые диоды? Основные технологические процессы включают:

1. Выращивание монокристалла полупроводника (обычно кремния)
2. Нарезка пластин из кристалла
3. Формирование p-n-перехода методом диффузии или ионной имплантации
4. Создание контактных площадок и металлизация
5. Разделение пластины на отдельные кристаллы (чипы)
6. Монтаж кристаллов в корпус
7. Герметизация корпуса

Современные технологии позволяют массово производить миниатюрные и высокоэффективные диоды с точно заданными характеристиками.

Перспективы развития полупроводниковых диодов

Какие тенденции наблюдаются в развитии полупроводниковых диодов? Основные направления:

• Уменьшение размеров и повышение степени интеграции
• Улучшение быстродействия и частотных характеристик
• Снижение прямого падения напряжения
• Увеличение рабочих токов и напряжений
• Повышение температурной стабильности
• Освоение новых полупроводниковых материалов (GaN, SiC)

Развитие технологий производства полупроводниковых диодов позволяет создавать все более совершенные электронные устройства, отвечающие растущим требованиям современной техники.

Свойства p-n-перехода. Полупроводниковый диод. Принцип действия транзистора.

Основные ссылки

CSS adjustments for Marinelli theme

Объединение учителей Санкт-Петербурга

Форма поиска

Поиск

Вы здесь

Главная » Свойства p-n-перехода. Полупроводниковый диод….

Свойства  p—n-перехода.
Примесные полупроводники
Донорная примесь: основные носители заряда — свободные электроны. Остается положительный ион примеси.  Акцепторная примесь: основные носители заряда—дырки. Остается отрицательный ион примеси. В месте контактадонорного и акцепторного полупроводников возникает электронно-дырочный переход (p-n-переход).
Свойства р-п-перехода 1. Образуется запирающий слой, образованный зарядами ионов примеси: d=10-7 м,  Dj = 0.4—0,8 В.
2.  Направление внешнего поля (источника) совпадает с направлением контактного поля. Тока основных носителей заряда нет. Существует слабый токнеосновных носителей заряда. Такое включение называется обратным.
3. Прямое включение. Существует ток основных носителей заряда. p-n-переход пропускает электрический ток только в одном направлении (свойство односторонней проводимости).
Полупроводниковый диод Схематическое изображение. Направление стрелки указывает направление тока.
Устройство диода.
Вольтамперная характеристика полупроводникового диода. /, 2 — участок приближенно прямолинеен -экспонента; 3 — пробой диода 0,3— обратный ток; 0,1— ток меняется нелинейно.  Обратный ток обусловлен наличием неосновных носителей заряда.
Применение полупроводникового диода Выпрямитель тока
Принцип действия транзистора
Условное обозначение Направление стрелки — направление тока На всех рисунках —  p-n-p— транзисторы.
Устройство биполярного транзистора. Основные применения: элемент усилетеля тока, напряжения или мощности; электронный ключ (например, в генераторе электромагнитных колебаний).
Переход эмиттер — база включается в прямом направлении, а база — коллектор — в обратном. Через эмиттерный переход идет большое количество основных носителей заряда.  База очень тонкая. Концентрация основных носителей заряда в базе небольная. Поэтому рекомбинация электронов и дырок небольшая. Ток базы маленький. Заряды, пришедшие из эмиттера, по отношению к базе являютсянеосновными, поэтому они свободно проходят через коллекторный переход. До 95% дырок, попадающих из эмиттера в базу, проходят в коллектор. Т.е.  Iэ ≈ Iб. При изменении Iэ с помощью источника переменного напря­жения одновременно почти во столько же раз изменяется Iк.  Т.к. сопротивление коллекторного перехода во много раз превышает сопротивление эмиттерного, то при практически равных токах, напряжение на эмиттере много меньше напряжения на коллекторе.

Теги: 

конспект

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода

Что такое идеальный диод?

Основная задача обычного выпрямительного диода –

проводить электрический ток в одном направлении, и не пропускать его в обратном. Следовательно, идеальный диод должен быть очень хорошим проводником с нулевым сопротивлением при прямом подключении напряжения (плюс — к аноду, минус — к катоду), и абсолютным изолятором с бесконечным сопротивлением при обратном.

Вот так это выглядит на графике:

Такая модель диода используется в случаях, когда важна только логическая функция прибора. Например, в цифровой электронике.

ВАХ реального полупроводникового диода

Однако на практике, в силу своей полупроводниковой структуры, настоящий диод обладает рядом недостатков и ограничений по сравнению с идеальным диодом. Это можно увидеть на графике, приведенном ниже.

V

_ϒ(гамма) — напряжение порога проводимости

При прямом включении напряжение на диоде должно достигнуть определенного порогового значения — V

ϒ. Это напряжение, при котором PN-переход в полупроводнике открывается достаточно, чтобы диод начал хорошо проводить ток. До того как напряжение между анодом и катодом достигнет этого значения, диод является очень плохим проводником. V_ϒ у кремниевых приборов примерно 0.7V, у германиевых – около 0.3V.

I

_{D_MAX} — максимальный ток через диод при прямом включении

При прямом включении полупроводниковый диод способен выдержать ограниченную силу тока I_{D_MAX}. Когда ток через прибор превышает этот предел, диод перегревается. В результате разрушается кристаллическая структура полупроводника, и прибор становится непригодным. Величина данной силы тока сильно колеблется в зависимости от разных типов диодов и их производителей.

I

_OP – обратный ток утечки

При обратном включении диод не является абсолютным изолятором и имеет конечное сопротивление, хоть и очень высокое. Это служит причиной образования тока утечки или обратного тока I_OP. Ток утечки у германиевых приборов достигает до 200 µА, у кремниевых до нескольких десятков nА. Самые последние высококачественные кремниевые диоды с предельно низким обратным током имеют этот показатель около 0.5 nA.

PIV(Peak Inverse Voltage) — Напряжение пробоя

При обратном включении диод способен выдерживать ограниченное напряжение – напряжение пробоя PIV. Если внешняя разность потенциалов превышает это значение, диод резко понижает свое сопротивление и превращается в проводник. Такой эффект нежелательный, так как диод должен быть хорошим проводником только при прямом включении. Величина напряжения пробоя колеблется в зависимости от разных типов диодов и их производителей.

Паразитическая емкость PN-перехода

Даже если на диод подать напряжение значительно выше V_ϒ, он не начнет мгновенно проводить ток. Причиной этому является паразитическая емкость PN перехода, на наполнение которой требуется определенное время. Это сказывается на частотных характеристиках прибора.

Приближенные модели диодов

В большинстве случаев, для расчетов в электронных схемах, не используют точную модель диода со всеми его характеристиками. Нелинейность этой функции слишком усложняет задачу. Предпочитают использовать, так называемые, приближенные модели.

Приближенная модель диода «идеальный диод + V

_ϒ»

Самой простой и часто используемой является приближенная модель первого уровня. Она состоит из идеального диода и, добавленного к нему, напряжения порога проводимости V_ϒ.

Приближенная модель диода «идеальный диод + V

_ϒ + r_D»

Иногда используют чуть более сложную и точную приближенную модель второго уровня. В этом случае добавляют к модели первого уровня внутреннее сопротивление диода, преобразовав его функцию из экспоненты в линейную.

Полупроводниковый диод Определение и значение

• Лучшие определения
• Викторина
• Подробнее о полупроводниковом диоде

Сохраните это слово!

---

Диод, изготовленный из полупроводниковых компонентов, обычно кремния. Катод, который отрицательно заряжен и имеет избыток электронов, расположен рядом с анодом, который имеет положительный заряд, несущий избыток дырок. На этом стыке образуется обедненная область, в которой нет ни дырок, ни электронов. Положительное напряжение на аноде делает область обеднения небольшой, и протекает ток; отрицательное напряжение на аноде делает область истощения большой, предотвращая протекание тока.

ТЕСТ

МОЖЕТЕ ЛИ ВЫ ОТВЕЧАТЬ НА ЭТИ ОБЫЧНЫЕ ГРАММАТИЧЕСКИЕ СПОРЫ?

Есть грамматические дебаты, которые никогда не умирают; и те, которые выделены в вопросах этой викторины, наверняка снова всех разозлят. Знаете ли вы, как отвечать на вопросы, которые вызывают самые ожесточенные споры по грамматике?

Вопрос 1 из 7

Какое предложение верно?

Слова рядом полупроводниковый диод

полуклассический, точка с запятой, полукома, полупроводник, полупроводник, полупроводниковый диод, полупроводниковый лазер, полусознательный, полуконсервативная репликация, полукристаллический, полуцилиндр

Научный словарь American Heritage® Авторские права © 2011. Опубликовано издательством Houghton Mifflin Harcourt Publishing Company. Все права защищены.

БОЛЬШЕ О ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДАХ

Что такое полупроводниковый диод

?

Полупроводниковый диод представляет собой диод, изготовленный из полупроводникового материала, чаще всего из кремния. Это похоже на дверь, через которую проходит электричество, но она открывается только в одну сторону.

А диод — это устройство для управления электрическими токами, чтобы они протекали только в нужном направлении (так, как хочет инженер). Полупроводник — это материал, через который электричество может проходить, но не так хорошо, как через более прочный проводник, такой как медь.

В настоящее время используются полупроводниковые диоды . Люди часто используют слово диод , когда говорят о полупроводниковом диоде .

Почему

полупроводниковые диоды важны?

Если вы читаете это, спасибо полупроводниковому диоду .

Полупроводниковые диоды используются во всех видах современной электроники, включая процессоры в телефонах и компьютерах. Эта концепция была впервые открыта немецким физиком Фердинандом Брауном в 1874 году, но не получила распространения до появления радио в начале 1900-х годов. Первыми коммерческими полупроводниковыми диодами были устройства, известные как 9Кристаллические детекторы 0037 , запатентованные в 1906 году американским инженером-электриком Гринлифом У. Пикардом, который продавал их для радиоприложений. В наиболее распространенном типе детектора кристаллов использовалась тонкая упругая металлическая проволока, отсюда и его популярное название: детектор кошачьих усов .

Среди простейших полупроводниковых устройств известны как p-n переход диоды . Чаще всего они сделаны из кремния, хотя также используется германий. Кремний не очень хорошо проводит электричество сам по себе, но его проводимость можно улучшить, добавив другие элементы. В зависимости от того, что вы добавляете к кремнию, он может стать либо так называемым материалом р-типа, который имеет положительный заряд, либо материалом n-типа, который имеет отрицательный заряд. Для создания диода используется материал p-типа и материал n-типа. P-тип — это анод , а n-типа катод .

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

Еще одним основным типом диода является термоэмиссионный диод . Возможно, вы знаете их лучше как вакуумные лампы . В вакуумных лампах используются стеклянные трубки для создания вакуума вокруг крошечной проволоки, которая нагревает катод и высвобождает электроны. Затем анод притягивает электроны, что означает, что ток течет в этом направлении. Хотя этот тип диода был широко распространен в ранних электрических приложениях, сегодня он в значительной степени вытеснен полупроводниковым типом.

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

Знаете ли вы… ?

LED (как в светодиодных фонарях) означает светоизлучающий диод.

Полупроводниковые диоды настолько гибкие и мощные, что их можно заставить излучать свет, и этот свет намного эффективнее, чем свет, излучаемый обычными лампочками.

Каковы реальные примеры

полупроводниковых диодов ?

Полупроводниковые диоды могут показаться сложными, но они основаны на простых принципах. Вы можете найти их в большинстве электронных устройств, которые вы используете каждый день.

Роберт Холл демонстрирует первый полупроводниковый диодный лазер, делающий возможными такие популярные сегодня технологии, как дистанционное управление и лазер🖨️ pic.twitter.com/uYdbHVVNQ0

— GE Research (@GEResearch) 25 апреля 2017 г.

20 ноября 1906 года Гринлиф Уиттиер Пикард получает патент на свой кристаллический (кошачий ус) детектор для приема радиопередач. Первый тип полупроводникового диода, заложивший основу для изобретения транзистора Bell Labs 42 года спустя. #OTD #STEM #ThisDayinSTEM https://t.co/y1sRnk5jjP pic.twitter.com/CrZV7Raodg

— Bell Labs (@BellLabs) 20 ноября 2017 г.

Какие другие слова связаны с полупроводниковым диодом

?

Проверьте себя!

Верно или неверно?

Большинство диодов полупроводниковые диоды .

Что такое полупроводниковый диод? Прямая и обратная пайка диода

A p n переход известен как полупроводниковый диод . P-n-переход используется для выпрямления, так как он проводит ток только в одном направлении. Он также известен как кристалл диод так как он изготовлен из кристаллоподобного кремния или германия. Символ полупроводникового диода показан ниже.

Имеет две клеммы. Он проводит только тогда, когда он смещен в прямом направлении. Это означает, что клемма, соединенная со стрелкой, имеет более высокий потенциал, чем клемма, подключенная к полосе, как показано на рисунке выше. Когда полупроводниковый диод смещен в обратном направлении, он практически не проводит через него ток.

Вольт-амперные характеристики полупроводникового диода

Вольт-амперная или ВАХ полупроводникового диода представляет собой кривую между напряжением на переходе и током в цепи.

Схема схемы показана ниже.

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

Нулевое внешнее напряжение

Когда внешнее напряжение не подается, т. е. цепь разомкнута на ключе K, через цепь не протекает ток. Это обозначено точкой 0 на графике, показанном ниже:

Прямое смещение

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

Медленное нарастание тока в этой области связано с тем, что внешнее напряжение используется для преодоления потенциального барьера 0,3 В для Ge и 0,7 для Si PN-перехода. Однако после устранения потенциального барьера и дальнейшего увеличения внешнего питающего напряжения. PN-переход ведет себя как обычный проводник, и ток в цепи очень резко возрастает, представленный областью AB.

В этот момент ток ограничен последовательным сопротивлением R и малой величиной прямого сопротивления перехода R _ф . Кривая почти линейна. Если ток превышает номинальное значение диода, диод может быть поврежден.

Knee Voltage

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

Обратное смещение

Когда двухполюсный двухпозиционный переключатель (DPDT) переведен в положение 2, как показано на рисунке A. P-n-переход смещен в обратном направлении, поскольку полупроводник p-типа подключен к плюсовая клемма питания. При этом условии потенциальный барьер на стыке увеличивается. Следовательно, сопротивление перехода R _r становится очень высоким и ток по цепи практически не протекает.

Однако на практике в цепи протекает очень малый ток порядка микроампер. Этот ток известен как Reverse Current и связан с неосновными носителями, доступными при комнатной температуре.

Обратный ток незначительно увеличивается с увеличением напряжения питания обратного смещения. При непрерывном увеличении обратного напряжения наступает стадия, когда кинетическая энергия электронов (неосновных носителей заряда) становится настолько высокой, что они выбивают электроны из полупроводниковых связей. В точке С происходит пробой перехода и сопротивление барьерной области R _r падает внезапно.

Следовательно, обратный ток резко возрастает до большой величины. Это может навсегда разрушить соединение. Обратное напряжение, при котором происходит разрыв p-n-перехода, известно как напряжение пробоя .

Из всего вышеизложенного можно сделать следующие выводы.

• При нулевом внешнем напряжении через цепь или диод не протекает ток.
• При прямом смещении ток немного увеличивается до тех пор, пока барьерный потенциал не исчезнет.
• После напряжения колена прямой ток резко возрастает.
• Прямой ток ограничен последовательным сопротивлением R и малым значением сопротивления перехода Rf.
• Диод выходит из строя, когда прямой ток превышает номинальное значение диода.
• Обратный ток немного увеличивается с увеличением напряжения из-за неосновных носителей.