Полупроводниковые диоды это: 1.2. Полупроводниковые диоды

Схема на рис. 1.8, б объясняет принцип работы простейшего стабилизатора постоянного напряжения. Увеличение входного напряжения u_вх приводит к увеличению тока через стабилитрон и сопротивление R. Избыток входного напряжения выделяется на

Варикапом называется специально сконструированный полупроводниковый диод, применяемый в качестве конденсатора переменной емкости. Значение емкости варикапа определяется емкостью его р—n-перехода и изменяется при изменении приложенного к переходу (диоду) напряжения.

Как было сказано выше (см. гл. 1.2), прямосмещенный р—n-переход характеризуется, в частности, диффузионной емкостью, а обратносмещенный – барьерной. В варикапах используется барьерная емкость (выражение 1.12), отличающаяся малым температурным коэффициентом, низким уровнем собственных шумов и слабой зависимостью от частоты. Следовательно, в рабочем режиме к

варикапу прикладывается запирающее внешнее напряжение. Поскольку толщина p—n-перехода зависит от величины приложенного внешнего напряжения U, то, изменяя последнее, можно регулировать значение ёмкости. Это используется, в частности, для настройки на нужный канал в телевизорах и радиоприёмниках.

Основными параметрами варикапов являются: номинальная емкость С_ном, определяемая при номинальном напряжений смещения (U_ном= 4 В), максимальная С_макс и минимальная С_минемкости соответственно при максимальном и минимальном напряжениях смещения (или коэффициент перекрытия по емкости К_с= С_макс/С_мин), добротность Q, а также U_{обр.макс}.

Фотодиод – полупроводниковый фотоэлектрический прибор с внутренним фото-эффектом, отображающим процесс преобразования световой энергии в электрическую. Внутренний фотоэффект заключается в том, что под действием энергии светового излучения в области p—n-перехода происходит ионизация атомов основного вещества и примеси, в результате чего генерируются пары носителей заряда

Фотодиоды могут работать в двух режимах: вентильном (фотогенераторном) и фотодиодном (фотопреобразовательном). В отличие от вентильного, фотодиодный режим предполагает наличие внешнего источника питания (смещения).

При контакте двух полупроводников n— и р-типов на их общей границе создается контактная разность потенциалов. При отсутствии светового потока и нагрузки диффузионная составляющая тока р—n-перехода, уравновешивается дрейфовой составляющей тока, поэтому общий ток через переход равен нулю.

При освещении полупроводника в области р—n-перехода генерируются дополнительные пары носителей заряда. Поле объемного заряда р—n-перехода «разделяет» эти пары: дырки дрейфуют в

Светодиоды (электролюминесцентные диоды) преобразуют энергию электрического поля в нетепловое оптическое излучение, называемое электролюминесценцией. Основой светодиода является р—n-переход, смещаемый внешним источником напряжения в проводящем направлении. При таком смещении электроны из n-области полупроводника инжектируют в р-область, где они являются неосновными носителями, а дырки – во встречном направлении. В последующем происходит рекомбинация избыточных неосновных носителей с электрическими зарядами противоположного знака. Рекомбинация электрона и дырки соответствует переходу электрона из энергетического уровня Е_е в энергетическое состояние уровня Е_у с меньшим запасом энергии.

В германии и кремнии ширина запрещенной зоны сравнительно невелика и поэ-тому выделяемая при рекомбинации энергия передается в основном кристаллической решетке в виде тепла. Рекомбинационные процессы в арсениде галлия (GaAs), фосфиде галлия (GaP), карбиде кремния (SiC), имеющих большую ширину запрещенной зоны (например, для GaAs A? = 1,38 эВ), сопровождаются выделением энергии в виде квантов света, которые частично поглощаются объемом полупроводника, а частично излучаются в окружающее пространство. Поэтому внешний квантовый выход, фиксируемый зрительно, всегда меньше внутреннего.

Основными характеристиками светодиодов являются вольтамперная характеристика, а также зависимости мощности и яркости излучения от величины прямого тока. Мощность и яркость излучения во многом определяются конструкцией светодиода. Чем больший ток можно пропускать через диод при допустимом его нагреве, тем больше мощность и яркость излучения

К основным параметрам светодиода относятся мощность излучения Р, длина волны излучаемого света l и КПД. Длина световой волны, определяющая цвет свечения, зависит от разности энергий, между которыми осуществляется переход электронов.

Светодиоды применяются для индикации и вывода информации в микроэлектронных устройствах. Управляемые светодиоды (с подвижной границей светящегося поля) используются для замены стрелочных приборов как аналоги оптических индикаторов настройки радиоаппаратуры. Светодиоды с несколькими светящимися полями позволяют воспроизводить цифры от 0 до 9. Кроме того, светодиоды применяются как источники излучения в оптронах – приборах бурно развивающейся оптоэлектроники.

Туннельный диод – это полупроводниковый диод, в котором используется явление туннельного пробоя при включении в прямом направлении. Характерной особенностью туннельного диода является наличие на прямой ветви вольтамперной характеристики участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Для примера на рис. 1.12 показана прямая ветвь вольтамперной характеристики германиевого туннельного усилительного диода 1И104А (I_{пр.макс} = 1 мА – постоянный прямой ток, U_{обр.макс} = 20 мВ), предназначенного для усиления в диапазоне волн 2…10 см (это соответствует частоте более 1 ГГц).

Рис. 1.12 ВАХ туннельного диода

Общая емкость диода в точке минимума характеристики составляет 0,8…1,9 пФ. Туннельные диоды могут работать на очень высоких частотах – более 1 ГГц. Наличие участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением на вольтамперной характеристике обеспечивает возможность использования туннельных диодов в качестве усилительного элемента и в качестве основного элемента генераторов. В настоящее время туннельные диоды используются именно в этом качестве в области сверхвысоких частот.

Полупроводниковые диоды — типы, принцип работы

электрика, сигнализация, видеонаблюдение, контроль доступа (СКУД), инженерно технические системы (ИТС)

Полупроводниковый диод — это электронный прибор, выполненный на основе полупроводникового кристалла.

Стоит заметить, что технологий изготовления диодов достаточно много, но рассмотрение принципа работы полупроводникового диода на молекулярно — электронном уровне целью данной статьи не является.

Дело в том, что для большинства практических целей достаточно знать основные параметры, назначение, общие принципы действия различных типов диодов, схемы подключения.

Области применения полупроводниковых диодов весьма разнообразны, ниже я их конспективно перечислю, а вопросы применения наиболее распространенных типов полупроводниковых диодов подробно рассмотрю на соответствующих страницах.

Выпрямительные диоды обладают высоким сопротивлением при обратном включении и низким — при прямом, то есть хорошо проводят ток только в одном направлении.

Высокочастотные и импульсные диоды имеют схожий принцип действия с предыдущим типом полупроводниковых приборов, однако, за счет малой собственной емкости могут работать на высоких частотах, что, собственно, следует из их названия.

Стабилитроны — при определенных значениях обратного напряжения обратный ток стабилитрона резко увеличивается, что позволяет использовать их как стабилизатор напряжения.

Светодиоды (LED диоды) преобразуют электрическую энергию в световую, широко используются как индикаторы и осветительные устройства (см., например, светодиодная лента).

Фотодиоды преобразуют оптическое излучение в электрический заряд. Могут использоваться как источники электроэнергии (солнечные батареи), кроме того, совместно со светодиодами применяются в пультах дистанционного управления, а также могут обеспечивать гальваническую развязку в электронных схемах.

Варикапы обладают зависимостью своей емкости от приложенного напряжения. Являются своего рода электронно управляемыми конденсаторами переменной емкости.

© 2012-2021 г. Все права защищены.

Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

виды, как работает и область применения

Диод представляет собой простой полупроводниковый прибор, который нашел широкое применение в технике. Не каждый человек знает, что такое диод, и еще меньшее количество людей точно представляет себе принцип работы изделия.

При этом существует большое количество разновидностей этого прибора, о которых стоит знать всем, кто интересуется радиоэлектроникой.

Устройство и принцип работы

Если понять, как работает диод, то разобраться в устройстве этого полупроводникового прибора будет довольно просто. Основу детали составляет токовый переход, соединенный с двумя контактами (положительным — анодом и отрицательным — катодом). При прямом включении напряжения открывается переход, сопротивление которого небольшое. В результате через изделие проходит ток, называемый прямым.

Если же при включении детали в схему изменить полярность, то сопротивление участка перехода резко возрастет, а показатель электротока будет стремиться к нулю. Такое напряжение принято называть обратным.

Современные диоды имеют принципиальное отличие от первых моделей, активно используемых во время радиоламп. В полупроводниковых радиодеталях токовый переход изготавливается из кремния или германия и носит название р-n-переход. Основное различие между этими материалами заключается в показателях прямого напряжения, при которых происходит открытие.

Так как полупроводниковый кристалл может эффективно работать в любых условиях, то необходимость создания особой среды исчезла.

В ламповых устройствах для этого в колбу закачивался специальный газ либо создавался вакуум. В результате современные изделия имеют небольшие габариты, а стоимость их производства значительно снизилась.

Основные виды

Диоды принято классифицировать по нескольким параметрам. В зависимости от рабочих частот, они могут быть низко-, высокочастотными, а также способными функционировать в условиях сверхвысоких частот. Также существует деление и в соответствии с конструктивными особенностями, где можно выделить следующие виды диодов:

• Диод Шоттки — вместо привычного p-n-перехода используется металл. С одной стороны, это позволяет добиться минимальных потерь напряжения при прямом включении. Однако с другой при высоком обратном токе, изделие быстро выходит из строя.
• Стабилитрон — позволяет стабилизировать напряжение.
• Стабистор — отличается от стабилитрона меньшей зависимостью напряжения от тока.
• Диод Гана — лишен p — n -перехода, вместо которого используется особый кристалл. Используется для работы в диапазоне сверхвысоких частот.
• Варикап — представляет собой сочетание диода с конденсатором. Емкость изделия зависит от обратного напряжения в области p — n -перехода, а применяется он при создании колебательных контуров.
• Фотодиод — попадание светового потока на токовый переход приводит к созданию в нем разности потенциалов. Если замкнуть в этот момент цепь, то в ней появится ток.
• Светодиод — при достижении определенного показателя тока в p — n -переходе, устройство начинает излучать световой поток.

Область применения

Сфера использования этих деталей в современной радиотехнике высока. Сложно найти устройство, которое работает без этих деталей. Чтобы понять, для чего нужен диод, можно привести несколько примеров:

• Диодные мосты — содержат от 4 до 12 полупроводниковых устройств, которые соединяются между собой. Основной задачей диодных мостов является выпрямление тока, и они активно используются, например, при создании генераторов для автомобилей.
• Детекторы — создаются при сочетании диодов и конденсаторов. В результате появляется возможность выделить низкочастотную модуляцию из различных сигналов. Применяются при изготовлении радио- и телеприемников.
• Защитные устройства — позволяют обезопасить электрическую схему от возможных перегрузок. Несколько изделий подключаются в обратном направлении. Когда схема работает нормально, то они остаются в закрытом положении. Как только входное напряжение достигает критических показателей, устройство активируются.
• Переключатели — такие системы на основе этих изделий позволяют осуществлять коммутацию высокочастотных сигналов.
• Системы искрозащиты — создание шунт-диодного барьера позволяет ограничить показатель напряжения в электроцепи. Для увеличения степени защиты вместе с полупроводниковыми деталями используются специальные токоограничивающие резисторы.

Это лишь несколько примеров использования диодов. Они являются достаточно надежными устройствами, с помощью которых можно решать большое количество задач. Чаще всего эти радиодетали выходят из строя по причине естественного старения либо из-за перегрева.

Если произошел электрический пробой изделия, то его последствия редко являются необратимыми, так как кристалл не разрушается.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД

Полупроводниковый диод — двухэлектродный электронный прибор на базе полупроводникового (ПП) кристалла.

Понятие полупроводниковый диод объединяет приборы с разными принципами действия, которые имеют многофункциональное назначение. Система классификации полупроводниковых диодов соответствует общей системе классификации полупроводниковых приборов.

В наиболее широком классе электро-преобразовательных полупроводниковых диодов различают: импульсные диоды, выпрямительные диоды, стабилитроны, диоды СВЧ (видеодетекторы, параметрические, смесительные, генераторные и усилительные, умножительные, переключательные). Среди оптоэлектронных полупроводниковых диодов выделяют ПП квантовые генераторы, светоизлучающие диоды и фотодиоды.

Наиболее многочисленны полупроводниковые диоды, действие которых базируется на применении свойств электронно-дырочного перехода, другими словами р-и-перехода. Если к р-п-переходу диода приложить напряжение в прямом направлении, т. е. подать на его p-область положительный потенциал, то потенциальный барьер, который соответствует переходу, снижается и начинается интенсивный ввод дырок из /7-области в «-область и электронов из «-области в ^-область. Тем самым по диоду начинает течь большой прямой ток. Если приложить напряжение в обратном направлении, то потенциальный барьер повышается и через р-л-переход протекает очень малый ток вторичных носителей заряда (обратный ток).

На резкой несимметричности вольт-амперной характеристики (ВАХ) базируется работа выпрямительных диодов. Для выпрямительных устройств и других сильноточных электрических цепей производятся выпрямительные полупроводниковые диоды, имеющие допустимый выпрямленный ток до 300 А и максимально допустимое обратное напряжение в пределах от 20—30 В до 1—2 кВ. Полупроводниковые диоды аналогичного использования для слабо-точных цепей имеют выпрямленный ток <0,1 А и называются универсальными. При напряжениях, превышающих максимально допустимое обратное напряжение, ток резко возрастает, и появляется необратимый тепловой пробой /7-и-перехода, который приводит к выходу полупроводникового диода из строя. С целью повышения максимально допустимого обратного напряжения до нескольких десятков кВ применяют выпрямительные столбы, в которых несколько идентичных выпрямительных полупроводниковых диодов соединены последовательно и расположены в общем пластмассовом корпусе. Инерционность выпрямительных диодов ограничивает частотный предел их использования (как правило, областью частот 50—2000 Гц).

Применение специальных технологических приемов (легирование кремния и германия золотом) позволило создать быстродействующие импульсные полупроводниковые диоды, применяемые, наряду с диодными матрицами, как правило, в слаботочных сигнальных цепях ЭВМ.

При невысоких пробивных напряжениях, как правило, развивается не тепловой, а обратимый лавинный пробой р-и-перехода, т. е. резкое нарастание тока при почти постоянном напряжении, называется напряжением стабилизации. На использовании подобного пробоя базируется работа полупроводниковых стабилитронов. Стабилитроны общего назначения с напряжением стабилизации от 3—5 до 100—150 В используют в основном в стабилизаторах и ограничителях импульсного и постоянного напряжения; прецизионные стабилитроны, у которых встраиванием компенсирующих элементов достигается высокая температурная стабильность, — в качестве источников опорного и эталонного напряжений.
В предпробойной области обратный ток диода подвержен значительным флуктуациям; это свойство р-«-перехо-да применяют для создания генераторов шума. Инерционность развития лавинного пробоя в р-»-и-переходе обусловливает сдвиг фаз между напряжением и током в диоде, вызывая (при определенной схеме включения) генерирование СВЧ-колебаний. Это свойство успешно применяют в лавинно-пролетных полупроводниковых диодах, которые позволяют осуществлять генераторы с частотами до 150 ГГц. Стабилизаторы можно увидеть здесь.

Для преобразования и детектирования электрических сигналов в области СВЧ применяют смесительные полупроводниковые диоды и видеодетекторы, в большинстве которых р-«-переход расположен под точечным контактом. Это позволяет достигнуть малого значения емкости, а специфическое конструктивное оформление задает малые значения паразитных индуктивности и емкости, а также возможность монтажа диода в волноводных системах.

При подаче на р-«-переход обратного смещения, которое не превышает максимально допустимого обратного напряжения, он ведет себя как высокодобротный конденсатор, у которого емкость зависит от величины действующего на нее напряжения. Это свойство применяют в варикапах, используемых преимущественно для электронной перестройки резонансной частоты колебательных контуров, в умножительных диодах и варакторах, служащих для умножения частоты колебаний в диапазоне СВЧ, в параметрических полупроводниковых диодах, используемых для усиления СВЧ-колебаний. В этих полупроводниковых диодах стремятся уменьшить величину сопротивления, являющегося основным источником активных потерь энергии, и усилить зависимость емкости от максимально-допу-стимого обратного напряжения.

У перехода на базе вырожденного полупроводника область, которая обеднена носителями заряда, является очень тонкой (~ 10—2 мкм), и для нее становится значительным туннельный механизм перехода дырок и электронов через потенциальный барьер. На этом свойстве базируется работа туннельного диода, используемого в сверхбыстродействующих импульсных устройствах, в генераторах и усилителях колебаний СВЧ, а также обращенного диода, используемого в качестве детектора слабых сигналов и смесителя СВЧ-колебаний.

К полупроводниковым диодам относят также ПП приборы с двумя выводами, содержащие неуправляемую четырехслойную /7-«-р-«-структуру и называют динисторами, а также Ганна диоды. В полупроводниковых диодах применяют и другие разновидности ПП структур: контакт металл — полупроводник и структуру, свойства которых во многом схожи с характеристиками перехода.

Свойство /7-г-и-структуры менять свои электрические характеристики под воздействием излучения применяют в детекторах ядерных излучений и фотодиодах, устроенных таким образом, что ядерные частицы или фотоны могут поглощаться в активной области кристалла, которая непосредственно примыкает к р-«-переходу, и менять величину обратного тока последнего. Эффект излучательной рекомбинации дырок и электронов применяется в светоизлучающих диодах. К полупроводниковым диодам можно отнести также и полупроводниковые лазеры.

Большинство полупроводниковых диодов изготавливают, применяя планарноэпитаксиальную технологию, которая позволяет сразу получать до нескольких тысяч полупроводниковых диодов. В качестве полупроводниковых материалов для них используют главным образом кремний, а также германий и т. д., в качестве контактных материалов — золото, алюминий, медь. Для защиты кристалла полупроводникового диода его, как правило, помещают в металлокерамический, металлостеклянный, пластмассовый или стеклянный корпус.

Для обозначения полупроводниковых диодов используют шестизначный шифр, первая буква которого характеризует применяемый полупроводник, вторая определяет класс диода, цифры означают порядковый номер типа, а последняя буква — его группу.

От своих электровакуумных аналогов полупроводниковые диоды отличаются значительно большими долговечностью и надежностью, лучшими техническими характеристиками, меньшими габаритами, меньшей стоимостью и поэтому вытесняют их в большинстве областей использования. С развитием ПП электроники совершился переход к производству наряду с дискретными полупроводниковыми диодами диодных структур в функциональных устройствах и ПП монолитных интегральных схемах, где полупроводниковый диод неотделим от всей конструкции устройства. olil.ru

• Предыдущее: ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДЕТЕКТОР
• Следующее: ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР

Как устроены и работают полупроводниковые диоды

Рисунок 1 – Строение диода и его обозначение на электрической схеме.

Конструктивно диод представляет собой двухвыводной полупроводниковый элемент. Выводы диода обозначаются как анод и катод.

Рассмотрим физические процессы, происходящие на границе Р-N перехода в различных состояниях диода.

1. Диод в состоянии покоя (выводы диода некуда не подключены). В этом состоянии области полупроводника N и Р характеризуются наличием отрицательного и положительного заряда соответственно. Взаимодействие этих зарядов создает электрическое поле (рисунок 2).

Рисунок 2.

Как известно, разноименные заряды обладают свойством притягиваться, поэтому электроны (отрицательные носители заряда из зоны N) проникают в положительно заряженную зону Р, заполняя при этом некоторые дырки. Движение электронов – есть не что иное, как электрический ток. Величина этого тока незначительна. Однако, заряженные частицы стремятся равномерно распространиться по всему объему (проводнику), поэтому часть электронов возвращается назад в зону N.

2. Включение полупроводникового диода в обратном направлении (рисунок 3).

Рисунок 3.

При обратном включении диода (область N подключена к «+» источника питания, область Р – к «-» источника питания) ток через Р-N переход не пройдет. Это обусловлено тем, что электроны устремятся к положительному полюсу источника питания, положительные заряды (дырки) – к отрицательному полюсу источника питания. На границе Р-N перехода образуется «вакуум», в котором отсутствуют какие-либо носители заряда. Увеличение обратного напряжения источника питания приведет к еще большему увеличению зоны в области Р-N перехода без носителей заряда.

Помимо понятия «обратного напряжения» существует понятие и «обратного тока». Обратный ток – ток, протекающий через границу Р-N перехода, вызванный перемещением неосновных носителей заряда, которые двигаются, как и основные, но в обратном направлении. Величина обратного тока мала, т.к. число носителей невелико. Однако повышение температуры полупроводникового диода приводит к увеличению сила неосновных носителей заряда и увеличению обратного тока, который может привести к разрушению Р-N перехода. Для снижения температуры полупроводников применяют пассивные (радиаторы) и активные (вентиляторы) теплоотводы.

3. Включение полупроводникового диода в прямом направлении (рисунок 4).

Рисунок 4.

Прямое включение диода вызовет смещение электронов и дырок от отрицательного и положительного выводов источника к питания соответственно в сторону Р-N перехода. В результате этого смещения в области Р-N перехода образуется электрическое поле, способствующее перемещению электронов в область Р и их устремление к положительному выводу источника питания. Таким образом, через диод протекает прямой ток.

Принцип действия диода подобен механическому вентилю, поэтому диоды еще называют полупроводниковыми вентилями.

Всего комментариев: 0

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ

Полупроводниковым диодом называется прибор с одним p-n переходом и двумя выводами, позволяющими включать его во внешнюю электрическую цепь. О принципе действия и физике проходящего в этом приборе процессе будет рассказано в данном материале.

Теоретическая часть

Работа полупроводниковых диодов основана на свойствах p-n перехода, который образуется на границе раздела областей полупроводника с дырочной (p) и электронной проводимостью (n). Концентрация электронов в n – области значительно больше, чем в p-области, а дырок в p – области больше, чем в n – области. Неодинаковая плотность частиц вызывает диффузию основных носителей из областей с большей концентрацией: электронов из n – области и дырок из p – области. В результате рекомбинации на границе p — и n — областей возникает обедненный носителями слой, который называется запирающим (рис. 1, а). Ионы донорной и акцепторной примеси в области запирающего слоя создают электрическое поле с напряженностью Евн, которое препятствует дальнейшей диффузии основных носителей и создает дрейфовый ток, обусловленный неосновными носителями.

Рисунок 1. Полупроводниковый диод

При подключении источника э.д.с. к n-p переходу в зависимости от направления вектора напряженности источника ширина запирающего слоя может:

• Уменьшаться — векторы напряженности источника и запирающего слоя противоположны, что приводит к увеличению диффузного тока;
• Увеличиваться — векторы напряженности источника и запирающего слоя направлены в одну сторону, что приводит к уменьшению диффузионных токов практически до нуля и увеличению дрейфового тока.

Перечисленные свойства p-n перехода используются в полупроводниковых диодах. Полупроводниковые диоды имеют несимметричные электронно-дырочные переходы. Одна область полупроводника с более высокой концентрацией примесей (высоколегированная область) служит эмиттером, а другая с меньшей концентрацией примесей (низколегированная область) – базой.

Вывод, который подключает эмиттер к внешней электрической цепи, называется катодным, а вывод, который подключается к базе – анодным (рис. 1, б).

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в ток одного направления. Вольт — амперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода показана на рис. 2.

Рисунок 2. ВАХ полупроводникового диода

Вольт — амперная характеристика имеет прямую («1» на рис. 2) и обратную («2» на рис. 2) ветви. При включении диода в прямом направлении (прямая ветвь ВАХ) вектор напряженности внешнего источника Еист направлен противоположно вектору напряженности p-n перехода диода, положительный полюс источника подключен к аноду диода, а отрицательный полюс к катоду диода. При этом суммарный вектор напряженности уменьшается. Это приводит к уменьшению потенциального барьера в p-n переходе.

В этом режиме часть основных носителей заряда с наибольшими значениями энергии будет преодолевать понизившийся потенциальный барьер, и проходить через p-n-переход. В переходе нарушится равновесное состояние, и через него потечет диффузионный ток обусловленный инжекцией электронов из n-области в полупроводник и дырок — из p-области в n-полупроводник.

Напряжение Uпор, начиная с которого малые приращения прямого напряжения вызывают резкое увеличение тока, называют пороговым.

При включении диода в обратном направлении (обратная ветвь ВАХ) направление вектора напряженности внешнего источника Еист совпадает с вектором напряженности поля перехода: отрицательный полюс источника соединен катодом диода, а положительный полюс источника соединен с анодом диода. Такое включение диода приводит к увеличению потенциального барьера p-n перехода диода и ток через переход будет определяться неосновными носителями заряда: электронами из p-области в n-область и дырками из n-области в p-область. Этот процесс называется экстракцией неосновных носителей, а ток, протекающий через диод, называют обратным током Iобр.

При дальнейшем увеличении обратного напряжения, приложенного к диоду, при некотором значении Uобр1 в нем будет происходить резкий рост обратного тока – участок «3» на рисунке 2. Это явление называется пробоем. Различают электрический и тепловой пробой p-n перехода. Лавинный пробой – это электрический пробой перехода, вызванный лавинным размножением носителей заряда под действием сильного электрического поля. Электроны, ускорившись в поле запирающего слоя, выбивают из атомов полупроводника валентные электроны, которые, в свою очередь, успевают ускориться и выбить новые электроны, и т.д. Процесс развивается лавинообразно и сопровождается быстрым нарастанием обратного тока.

Тепловой пробой возникает из-за перегрева p-n перехода или отдельного его участка (участок «4» на рис. 2). При этом происходит интенсивная генерация пар электрон – дырка и увеличивается обратный ток, что приводит к увеличению мощности, выделяющейся в p-n переходе и дальнейшему его разогреву. Этот процесс также лавинообразный, завершается расплавлением перегретого участка перехода и выходом диода из строя.

В зависимости от соотношения линейных размеров выпрямляющего p-n перехода полупроводниковые диоды делятся на два класса: точечные и плоскостные. Точечные диоды имеют малую емкость p-n перехода и применяются для выпрямления переменного тока любых частот вплоть до СВЧ. В плоскостных диодах емкость p-n перехода составляет несколько десятков пФ.

Практическая часть

Лабораторная работа посвящена исследованию полупроводникового выпрямительного диода. Исследуемый диод FR302 закреплен на стеклотекстолитовой плате вместе с токоограничительным резистором МЛТ-2 43 Ом. Резистор предназначен для ограничения тока при снятии прямой ветви характеристики, т. к. при открытом p-n-переходе сопротивление диода мало.

Проводимость диода исследуется с помощью миллиамперметра (микроамперметра) и вольтметра, по показаниям, которых строится вольтамперная характеристика (ВАХ) диода. 

Рисунок 3. Электрическая принципиальная схема снятия прямой ветви ВАХ диода

Питание установки осуществляется от регулируемого блока питания, который дает постоянный ток напряжением от 0 до 12 В (стабилизированный выход) и постоянный ток напряжением от 0 до 36 В (нестабилизированный выход). 

Для снятия прямой ветви характеристики используется миллиамперметр и милливольтметр, т. к. в открытом состоянии падение напряжения на диоде составляет около 1 В, а ток через него достигает 200 мА.

Рисунок 4. Электрическая принципиальная схема снятия обратной ветви ВАХ диода

Для снятия обратной ветви ВАХ диода обратное напряжение на диоде доводится до 36 В. При таком напряжении обратный ток диода FR302 остается небольшим (единицы-десятки микроампер), поэтому для его измерения в цепь вместо миллиамперметра включают микроамперметр. Сильно увеличивать обратный ток диода крайне нежелательно, так как это может привести к его выходу из строя. К тому же напряжения выше 42 В опасны, и их использование нежелательно.

Материал предоставил для изучения — Denev.

   Форум

   Форум по обсуждению материала ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод — это полупроводниковый прибор с одним электронно-дырочным переходом (основная часть) и двумя выводами. Примеры внешнего вида диодов приведены на рис. 1.

Рис. 1. Полупроводниковые диоды.

По конструкции полупроводниковые диоды могут быть плоскостными и точечными. Устройство плоскостного диода показано на рис. 2. К кристаллодержателю припаивается пластинка полупроводника n-типа. Кристалложержатель – это металлическое основание плоскостного диода. Сверху в пластинку полупроводника вплавляется капля трёхвалентного металла, обычно индия. Атомы индия диффундируют (проникают) в полупроводниковую пластинку и образуют у её поверхности слой р-типа. Между слоями р- и n-типов образуется электронно-дырочный переход (ЭДП). К кристаллодержателю и индию припаиваются проводники, которые служат выводами диода. Для предохранения диода от механических повреждений, попадания света, пыли и влаги на полупроводник, его помещают в герметичный корпус.

На рис. 2 позиция 1 – это вывод р-области, позиция 2 – вывод n-области.

Рис. 2. Устройство плоскостного диода.

Точечный полупроводниковый диод состоит из пластинки полупроводника n-типа и заострённой пружинки из вольфрама или фосфористой бронзы диаметром около 0,1 мм. Через прижатую к полупроводниковой пластинке пружинку пропускают электрический ток большой силы, в результате чего металлическая пружинка сваривается с полупроводниковой пластинкой, образуя под своим остриём р-область. Между р-областью и полупроводником n-типа возникает электронно-дырочный переход.

На рис. 3 приведены условные графические обозначения (УГО) различных диодов. Острая вершина треугольника в УГО указывает на направление протекания прямого тока через диод. То есть для того, чтобы диод пропускал ток, включать его нужно так, чтобы на основание треугольника подавался «плюс» (или на прямолинейный отрезок подавался «минус»). Если включить диод в обратном направлении, то он не будет пропускать ток (потому и называется полупроводником – пропускает ток только в одном направлении). Пример включения диода показан на рис. 4. Пример применения диода можно увидеть на рис. 5.

Рис. 3. Условное графическое обозначение (УГО) диодов.

р-область диода (то есть вывод, на который в прямом направлении подаётся «плюс») носит название анод. Противоположный вод называется катод.

Рис. 4. Включение диода.

— определение, характеристики и применение

Полупроводниковый диод — тип диода, который содержит «p-n переход» из различных легированных полупроводниковых материалов. Это двусторонний нелинейный электронный компонент, где вывод, прикрепленный к слою « p » ( + ), называется анодом, а слой « n » ( — ) катодом. Этот электронный компонент используется в основном из-за его способности заставлять электрический ток течь только в одном направлении (от анода до катода ) после прямого смещения вышеупомянутого «p-n перехода» с помощью положительного электрического напряжения.

Однако в обратном направлении (обратное смещение p-n перехода с отрицательным электрическим напряжением) можно сказать, что в идеальном полупроводниковом диоде электрический ток не течет. Вот почему полупроводниковый диод часто называют «электрическим клапаном», который может пропускать или блокировать прохождение электрического тока.

Если вы студент или просто хотите научиться решать задачи с полупроводниковыми диодами, посетите этот раздел нашего веб-сайта, где вы можете найти широкий спектр электронных задач.

Полупроводниковый диод состоит из двух по-разному легированных полупроводниковых кристаллов — типа «p» и «n». Вместе они образуют так называемый « pn переход» , где слой «n» (с электронодонорными легирующими добавками) имеет избыточное количество электронов, которые являются там основными носителями (у нас больше электронов (-), чем электронные дырки (+)). Однако в слое «p» (примеси акцептора электронов) основными носителями являются электронные дырки (+), а не электроны (-), поэтому у нас больше дырок, чем доступно, чтобы «заполнить».Электронная дырка — это вакансия, созданная электроном, «путешествующим» из своего исходного места в какое-либо другое место в этом кристалле. На самом деле такой вещи, как «дыра», не существует, но отсутствие электрона делает ее как бы положительно заряженной частицей, которая притягивает отрицательные электроны, чтобы снова образовать пару (дырки тоже могут двигаться).

После их объединения начинается пропорциональное распределение электронов. Электроны, которых раньше не хватало в слое «p», переносятся туда из слоя «n», где их было слишком много.Итак, слой «n» — хороший друг для слоя «p», верно? 🙂 И здесь образуется так называемая область истощения , которая предотвращает прохождение электрического тока (термодинамическое равновесие).

Чтобы пропустить электрический ток через «pn переход» (электрический клапан включен), необходимо приложить внешнее положительное электрическое напряжение, чтобы «подтолкнуть» и помочь большой группе электронов и дырочки сходиться вместе (прямое смещение диода).После того, как они «проталкиваются» через область истощения с достаточной силой (V _F = 0,7 В), диод начинает проводить ток, поэтому он начинает течь через него.

Чтобы убедиться, что электрический ток не протекает (электрический клапан выключен), необходимо подать внешнее отрицательное напряжение на полупроводниковый диод (обратное смещение) на сделать область истощения еще больше (рисунок ниже).

Со временем технологические требования росли, что привело к разработке новых типов диодов.Когда полупроводник сочетается с соответствующим металлом, мы получаем MS переход (металл-полупроводник), который также обладает выпрямляющими свойствами (проводимость тока в одном направлении) — он используется, например, в быстрых диодах Шоттки .

MS могут иметь одну из двух вольт-амперных характеристик:

• Несимметричный нелинейный
• Симметричный, линейный

Свойства MS junction в основном зависят от состояния поверхности полупроводника и от выходной работы электронов из металла и самого полупроводника.Диод Шоттки в основном используется в системах, требующих быстрого времени переключения (решающее значение имеет малая емкость перехода C _j диода) с частотами до нескольких десятков ГГц.

На графике ниже показана вольт-амперная характеристика полупроводникового диода . Это типичная характеристика для полупроводниковых диодов, используемых в электронике (V _F = 0,7 В).Полупроводниковый диод начинает проводить ток после превышения порогового значения прямого напряжения, указанного производителем в техническом паспорте. Полутермические диоды в основном используются для защиты других электронных компонентов.

Простой мультиметр можно использовать для определения полярности диода. Есть как минимум три способа сделать это, но я покажу здесь два самых популярных способа, которые можно сделать даже с помощью самых дешевых мультиметров (получите мультиметр Basetech BT-11):

a) С помощью омметра (диапазон 2 кОм):

Вы также можете использовать функцию «проверка диода» (символ диода на мультиметре), но результат будет таким же, как и выше, с использованием омметр.

b) Использование функции измерения VDC:

• Выпрямительный диод — выпрямление переменного тока,
• Стабилитрон — стабилизация напряжения и тока в электронных системах,
• Светоизлучающий диод (LED) — излучает свет в инфракрасном или видимом спектре света,
• Диод переменной емкости — его емкость зависит от приложенного к нему напряжения при обратном смещении,
• Переключающий диод — используется в импульсных электронных системах, требующих очень короткого времени переключения,
• Туннельный диод — специально разработанный диод, характеризующийся областью отрицательного динамического сопротивления,
• Фотодиод — диод, который работает как фотоприемник — реагирует на световое излучение (видимое, инфракрасное или ультрафиолетовое),
• Диод Ганна — компонент, используемый в высокочастотной электронике.

Этот эксперимент позволит вам визуализировать принцип работы полупроводникового диода независимо от того, проводит ток или нет. Поскольку вы будете делать это сами, вам лучше запомнить этот урок.

Необходимых товаров:

Мы будем использовать две принципиальные схемы, которые вы видели ранее:

Ниже вы можете увидеть изображения, показывающие схему, установленную на макетной плате, и визуализацию двух противоположных положений светодиодного диода (обратное полярность).

На первом рисунке светодиод был переведен в проводящее состояние. Потенциал напряжения на аноде был выше (+), чем на катоде (-), поэтому протекание тока было возможно. В нашем эксперименте мы использовали батарею на 9 В, поэтому ток, протекающий через диод, будет около 9 мА (рассчитывается по закону Ома ).

На втором изображении диод был вставлен противоположным образом (потенциал напряжения на катоде был выше (+), чем на аноде (-)), поэтому диод вел себя как закрытый электрический клапан, что препятствовало протеканию. тока — светодиод не горит.

Что такое полупроводниковый диод? Прямое и обратное соединение диода

p n переход известен как полупроводниковый диод . Переход p n используется с целью выпрямления, так как он ведет только в одном направлении. Он также известен как кристалл , диод , поскольку он сделан из кремния или германия, подобного кристаллу. Обозначение полупроводникового диода показано ниже.

Имеет два терминала. Он ведет себя только тогда, когда он смещен вперед.Это означает, что клемма, соединенная со стрелкой, имеет более высокий потенциал, чем клемма, подключенная к шине, как показано на рисунке выше. Когда полупроводниковый диод имеет обратное смещение, он практически не проводит через него ток.

Вольт-амперные характеристики полупроводникового диода

Вольт-амперная или ВАХ полупроводникового диода — это кривая между напряжением на переходе и током цепи.

Схема схем показана ниже.

Резистор R включен последовательно с PN переходом, который ограничивает прямой ток диода от превышения предписанного 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 течет ток. Это обозначено точкой 0 на графике, представленном ниже:

Прямое смещение

Когда ключ K замкнут, а переключатель двойного хода переведен в положение 1, как показано на приведенной выше принципиальной схеме A.PN-переход смещен в прямом направлении, поскольку полупроводник p-типа подключен к положительному выводу, а n-тип — к отрицательному выводу 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.

Медленный рост тока в этой области вызван тем, что приложенное извне напряжение используется для преодоления потенциального барьера 0.3 В для Ge и 0,7 для Si PN перехода. Однако, как только потенциальный барьер устранен, и внешнее напряжение питания увеличивается. PN-переход ведет себя как обычный проводник, и ток в цепи очень резко возрастает, что представлено областью AB.

В этот момент ток ограничен последовательным сопротивлением R и небольшим значением прямого сопротивления перехода R _f . Кривая почти линейная. Если ток превышает номинальное значение диода, диод может быть поврежден.

Напряжение колена

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

Обратное смещение

Когда двухполюсный переключатель двойного направления (DPDT) переведен в положение 2, как показано на рисунке A. PN переход имеет обратное смещение, поскольку полупроводник p-типа подключается к отрицательной клемме, а n-тип — к положительной клемме поставка.При этом условии потенциальный барьер на переходе увеличивается. Следовательно, сопротивление перехода R _r становится очень большим и ток по цепи практически не течет.

Однако на практике в цепи протекает очень небольшой ток порядка микроампер. Этот ток известен как обратный ток и обусловлен наличием неосновных носителей заряда при комнатной температуре.

Обратный ток немного увеличивается с увеличением напряжения питания обратного смещения.Если обратное напряжение постоянно увеличивается, наступает стадия, когда кинетическая энергия электронов (неосновных носителей заряда) становится настолько высокой, что они выбивают электроны из полупроводниковых связей. В точке C происходит пробой перехода, и сопротивление области барьера R _r резко падает.

Следовательно, обратный ток сильно возрастает до большого значения. Это может навсегда разрушить соединение. Обратное напряжение, при котором происходит разрыв pn перехода, известно как напряжение пробоя .

Из всего вышеизложенного можно сделать следующие выводы.

• При нулевом внешнем напряжении ток через цепь или диод не протекает.
• 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 небольшим значением сопротивления перехода Rf.
• Диод разрушается, когда прямой ток превышает номинальное значение диода.
• Обратный ток немного увеличивается с увеличением напряжения из-за неосновных носителей. Максимальное значение обратного тока для Si-диода составляет всего 1 мкА. Для Ge это около 100 мкА.
• Обратное напряжение, при котором происходит разрыв перехода, известно как напряжение пробоя .
• При обратном напряжении, при обрыве перехода диод может выйти из строя.

Это все о полупроводниковых диодах.

Полупроводниковые диоды и их типы

Полупроводниковые диоды — Диод, сделанный из полупроводниковых компонентов, обычно кремния. Катод, который заряжен отрицательно и имеет избыток электронов, расположен рядом с анодом, который имеет положительный заряд, несущий избыток дырок.

Диод состоит из кремния или германия, имеющего некоторые примеси, которые являются пятивалентной примесью для полупроводника N-типа и трехвалентной примесью для полупроводника P-типа. Di означает два, а Ode означает электроды. Следовательно, Diode — это двухэлектродное устройство. Эти два электрода называются анодом и катодом. Поскольку это PN-переход, «P» называется анодом (имеющим дырки или заряды + Ve), а N называется катодом (имеющим электроны или заряды –Ve). Схема для диода с PN переходом представлена ​​как.

Когда диод смещен в прямом направлении, он имеет очень низкое сопротивление и, следовательно, будет иметь место проводимость, и он будет действовать как проводник.Когда диод смещен в обратном направлении, то есть когда земля соединена с анодом, а плюс источника питания соединен с катодом, он имеет очень высокое сопротивление и не будет проводить. Следовательно, он будет действовать как изолятор. Таким образом, мы можем сказать, что диод — это одностороннее устройство с двумя терминальными анодом и катодом, как показано на рисунке выше.

Стрелка показывает направление обычного тока при прямом смещении. Каждый диод имеет свою идентификацию и спецификацию. Есть разные типы диодов.

• Силовой диод
• Стабилитрон
• контактный диод
• Диод общего назначения
• Диод быстрого восстановления
• Диод Шоттки
• Шаг восстанавливающий диод
• Фото диод
• Варакторный диод
• Туннельный диод

Силовые диоды или выпрямительные диоды — жизненно важный компонент в источниках питания, где они используются для преобразования сетевого напряжения переменного тока в постоянное. Они используются в силовой электронике в качестве выпрямителей.Диоды также можно использовать для предотвращения катастрофического повреждения оборудования с батарейным питанием, когда батареи подключены с неправильной полярностью. Стабилитроны также используются в качестве регуляторов напряжения.

-контактные диоды используются в качестве переключающих диодов для частот сигналов. Штыревые диоды также используются для амплитудной модуляции.

используются в качестве преобразователей частоты с низких частот на более высокие. Диоды с быстрым восстановлением имеют низкое время восстановления, обычно менее 5 микросекунд.Они используются в цепях преобразователя постоянного тока в переменный и переменного в постоянный. Диоды Шоттки используются для источников питания сильноточных и низковольтных цепей. В цифровых схемах используются ступенчатые восстанавливающие диоды. Они также используются как мультиплексоры. Фотодиоды также производят электрический ток из света. Варакторные диоды используются для управления напряжением при настройке радио и ТВ-приемников. Туннельные диоды используются там, где требуется очень высокая скорость переключения. Таким образом, он используется в памяти высокоскоростных компьютеров.Он также используется в высокочастотных генераторах.

На рис.1 показаны следующие диоды с общим проводом на концах:

1. Три силовых выпрямителя (мостовой выпрямитель для использования с сетевым (линейным) напряжением) и два выпрямительных диода сетевого напряжения).
2. Точечный диод (в стеклянной капсуле) и диод Шоттки.
3. Кремниевый диод слабого сигнала.
4. Стабилитроны в корпусе из стекла или черной смолы.
5. Подборка светодиодов.От красного до против часовой стрелки: желтый и зеленый светодиоды, инфракрасный фотодиод, теплый белый светодиод 5 мм и синий светодиод высокой яркости 10 мм.

Как объяснялось ранее, диод — это однонаправленное полупроводниковое устройство, снабженное двумя выводами. Два вывода диода — анод или положительный вывод и катод или отрицательный вывод. В идеале диод будет пропускать ток при правильном смещении, т.е. когда его анод или положительный вывод более положительный, чем его катод или отрицательный вывод, в то время как его анод будет блокировать ток, когда он более отрицательный, чем его катод.В условных обозначениях схем, показанных на рис. 2, катод показан в виде стержня, а анод — в виде треугольника. На некоторых принципиальных схемах анод диода также может быть обозначен буквой «a», а катод — буквой «k».

Направление потока тока можно увидеть на рисунке 2, то есть обычный ток течет от анодного (положительного) вывода к катодному (отрицательному) выводу, в то время как движение электронов происходит в противоположном направлении от вывода Катод к аноду диода.

Диод — это кремниевый полупроводник, изготовленный из материалов двух типов: N-типа и P-типа. Полупроводник N-типа получается при добавлении пятивалентной примеси к чистому кристаллу Ge. Каждый пятивалентный атом образует четыре ковалентные связи с четырьмя электронами Si или Ge. Из 5 электронов пятивалентного атома четыре соединены с четырьмя электронами Ge или кремния, пятый электрон является избыточным (Extra) и слабо связан с ядром пятивалентного атома.Итак, этот электрон еще называют свободным электроном. Его можно легко возбудить из валентной зоны в зону проводимости путем приложения внешней энергии, которая может быть электрической или тепловой энергией.

Полупроводник P-типа получается при добавлении трехвалентной примеси (Ga, B) к чистому кристаллу Ge. Три валентных электрона «B» образуют три ковалентные связи с четырьмя окружающими Ge. Но четвертая связь остается незавершенной, в результате возникает дырка, которая становится вакансией для электрона.Таким образом, он примет электрон от ближайшего атома. B называется акцепторной примесью, повторяя процесс снова, и снова будет много-много дырок. Обратите внимание, что в акцепторе буква «P» означает внешний полупроводник P-типа, а также «P» для носителей заряда + Ve. В DONOR буква «N» обозначает полупроводник N-типа или заряды –Ve.

Современные кремниевые диоды обычно производятся с использованием одной из различных версий планарного процесса, который также используется для изготовления транзисторов и интегральных схем.Слоистая структура, используемая в силиконовых планарных методах, предлагает множество преимуществ, таких как предсказуемые характеристики, обратимые характеристики и надежность, и является преимуществом для массового производства. Упрощенный планарный кремниевый диод описан на рис. 3. Использование этого процесса для кремниевых диодов позволяет получить два отдельных легированных слоя кремния, которые образуют «PN переход». Нелегированные или « внутренние » молекулы кремния имеют решетчатую структуру, которая содержит четыре валентных электрона, в то время как кремний P-типа и кремний n-типа легируют путем добавления очень небольшого количества материала, который имеет молекулярную структуру с тремя валентными электронами (e .грамм. бор или алюминий). ) Пять валентных электронов (например, мышьяк или фосфор) для образования кремния P-типа или N-типа. Эти легированные версии силикона называются «внешним» силиконом. Кремний P-типа теперь имеет в своей структуре валентные электроны с дефицитом валентных электронов, которые можно рассматривать как « дырки » или избыток носителей положительного заряда, в то время как мембранные молекулы N-типа имеют пять электронов в своей валентной оболочке и, следовательно, имеют избыток электронов. , которые являются носителями отрицательного заряда.

Когда полупроводниковый материал P-типа присоединяется к полупроводниковому материалу N-типа, контактная поверхность обоих полупроводников называется PN-переходом, как показано на рисунке ниже.

PN-переход получается одним из следующих типов изготовления.

• Коронный переход
• Сплав сплава
• Диффузное соединение
• Эпитаксиальный рост Соединение
• Точечный контактный переход
• Поверхностный барьерный переход
• Перекристаллизованный переход

Когда PN-переход упакован как полупроводниковое устройство, это будет называться диодом PN-перехода или полупроводниковым диодом.Поскольку отверстия являются основным носителем в P-области, а электроны являются основным носителем в N-области.

Белый представляет отверстия, а синий — электроны. Когда PN-переход только что сформирован, некоторые дырки P-типа будут двигаться в сторону N-типа (где есть электроны), дырки диффундируют в электронах и претерпевают рекомбинацию дырочных электронов. Точно так же некоторые электроны N-типа диффундируют в некоторые дырки полупроводника P-типа и подвергаются рекомбинации электронных дырок.Весь этот процесс называется диффузией.

Таким образом, вдоль перехода между кремнием P- и N-типа образуется небольшой естественный потенциал между полупроводниковыми материалами P и N, с отрицательно заряженными электронами на стороне P-типа перехода и положительно заряженными дырками на стороне N. соединение. Этот слой антиполярных носителей заряда создан, чтобы вместить больше дырок или предотвратить свободное движение электронов.

Эта диффузия дырок и электронов через переход происходит в течение очень короткого времени.После нескольких рекомбинаций дырок и электронов в переходе на внутренних концах полупроводников P-типа и N-типа создается узкая область, называемая барьером. Этот барьер остановит дальнейшее движение зарядов. Барьер состоит из неподвижных фиксированных ионов + Ve и –Ve. Следовательно, область, состоящая из зарядов + Ve и –Ve, называется обедненным слоем, или обедненной областью, или сопротивлением, или областью пространственного заряда.

Размер обедненной области зависит от уровня легирования полупроводников P-типа и N-типа.Слой обеднения широк для сильно легированного полупроводника и узкий для слаболегированного полупроводника. Приблизительно его ширина составляет 10 ^-6 м, из-за разделения зарядов, то есть зарядов + Ve и зарядов -Ve, электрический потенциал, называемый барьерным напряжением, создается на переходе, даже если внешний источник не подключен. Напряжение барьера обозначается VB, и его значение составляет 0,3 В для германия и 0,7 В для кремния при комнатной температуре.

Следовательно, когда диод подключен к цепи, ток не течет между анодом и катодом, пока анод не станет более положительным, чем катод, по крайней мере на достаточный прямой потенциал или напряжение (VF), чтобы преодолеть естественный обратный потенциал перехода. .Это значение зависит в основном от материалов, из которых сделаны P- и N-слои диода, и от количества используемого легирования. Различные типы диодов имеют естественный обратный потенциал в диапазоне примерно от 0,1 В до 2 или 3 В. Кремниевые диоды с PN переходом имеют емкость перехода от 0,6 В до 0,7 В. Начинается, как показано на рис. 5.

По мере увеличения приложенного напряжения между анодом и катодом прямой ток сначала медленно увеличивается, когда носители заряда начинают пересекать слой затухания, а затем быстро увеличивается примерно по экспоненте.Сопротивление диода не равно нулю Ом, но очень низкое при работе в режиме «Вкл» или «Смещение в прямом направлении». Поскольку прямая проводимость увеличивается после того, как потенциал уменьшения приблизительно превышен на следующей экспоненциальной кривой, прямое сопротивление (V / I) слегка изменяется в зависимости от приложенного напряжения. Обратно смещенный диод Когда диод имеет обратное смещение (анод подключен к отрицательному напряжению, а катод подключен к положительному напряжению), положительные отверстия находятся на отрицательной стороне анода и вдали от перехода, как показано на рис. .6.

Аналогичным образом отрицательные электроны притягиваются от перехода к положительному напряжению, приложенному к катоду. Это действие оставляет больше места на стыке без каких-либо носителей заряда (положительных дырок или отрицательных электронов) по мере расширения слоя ослабления. Поскольку область перехода теперь обеднена носителями заряда, она действует как изолятор, а при приложении высоких напряжений с обратной полярностью слой ослабления сильно изменяется по мере увеличения количества носителей заряда из перехода.Диод не работает с обратным напряжением (обратное смещение), за исключением очень небольшого «обратного тока утечки» (IR), который обычно составляет менее 25 нА в кремниевых диодах. Однако, если приложенное напряжение достигает значения тока «обратного напряжения пробоя» (VRRM) в обратном направлении, диод будет разрушен, если ток каким-либо образом не ограничен. I / V характеристики диодов. Работа диодов также может быть описана с помощью специального графика, называемого «кривой характера», как описано выше. Эти графики показывают взаимосвязь между фактическими токами и напряжениями, связанными с различными клеммами устройства.Понимание этих графиков поможет вам понять, как работает устройство. Для диодов характеристическая кривая называется ВАХ, потому что она показывает взаимосвязь между приложенным напряжением между анодом и катодом и результирующим током, протекающим через диод. Общая вольт-амперная характеристика показана на рис. 7

Оси графика показывают положительные и отрицательные значения и пересекаются. Пересечение имеет нулевое значение как для тока (ось Y), так и для напряжения (ось X).Оси + I и + V (верхняя правая область графика) после области начального нулевого тока показывают, что ток увеличивается. Это прямая проводимость диода, когда анод положительный, а катод отрицательный. В начале нет токов, пока приложенное напряжение не превысит емкость прямого перехода. После этого ток хорошо растет примерно по экспоненте. Оси -V и -I показывают состояние обратного смещения (нижняя левая область графика). Здесь можно увидеть, что очень небольшой ток утечки увеличивается с увеличением обратного напряжения.Однако при достижении напряжения обратного пробоя обратный ток (-I) резко возрастает.

Простейший полупроводниковый компонент, диод, имеет поразительное количество применений, начиная с множества практичных и уникальных диодов, которые имеют решающее значение в современной электронике. Хотя это всего лишь двухконтактные полупроводниковые устройства, ключевые диоды находят множество применений в современной электронике. Известно, что диоды перемещают ток только в одном направлении.Это позволяет диоду работать как односторонний клапан, размещая сигналы там, где это необходимо, или вращая их вокруг компонентов. В то время как диоды допускают только одно направление тока, каждый тип диода работает по-разному, что делает их полезными для многих приложений. Некоторые общие области применения диодов:

• Корректирующее напряжение, например преобразование переменного тока в переменный постоянный ток
• Отделение сигналов от питания
• Опорное напряжение
• A Управление размером сигнала
• Смешивание сигналов
• Сигналы обнаружения
• Освещение
• Лазеры диоды

Экспериментальный метод был использован для исследования того, как температура (температура) влияет на надежность, стабильность и рабочие характеристики этого электронного компонента, даже как схемы, электрического / электронного оборудования или как персонального устройства.В этом исследовании я пояснил, что объем этого исследования ограничен только одним электронным компонентом, которым является диод. Эта часть подвергается воздействию температуры выше комнатной (35-65 по Цельсию) с использованием печи и последующего подключения проводов, макетов и мультиметра. Затем с помощью мультиметра были сняты выходные показания повышения температуры.

Давайте теперь кратко рассмотрим некоторые из наиболее часто используемых типов диодов.

1. Малый сигнальный диод

Это небольшое устройство с неодинаковыми характеристиками, и его приложения в основном связаны с высокочастотными и слаботочными устройствами, такими как радиоприемники и телевизоры. Также известный как пассивированный стеклом диод, он широко используется как 1N4148, поскольку он покрыт стеклом для защиты диода от загрязнения.

Внешний вид сигнального диода очень мал по сравнению с силовым диодом. Край, отмеченный черным или красным цветом, обозначает катодный вывод.Характеристики малого сигнального диода очень эффективны для приложений на высоких частотах.

Что касается функциональных частотных коэффициентов сигнального диода, допустимая нагрузка по току и мощности очень мала, от 150 мА до 500 мВт.

Сигнальный диод представляет собой полупроводниковый диод, легированный кремнием или диод, легированный германием, но свойства диода меняются в зависимости от легирующего материала. Свойства легированного кремнием диода в сигнальном диоде такие же, как и у легированного германием диода.

Кремниевый сигнальный диод имеет высокое падение напряжения от 0,6 до 0,7 В на переходе, поэтому он имеет очень высокое сопротивление, но низкое прямое сопротивление. С другой стороны, германиевый сигнальный диод имеет низкое падение напряжения от 0,2 до 0,3 В и низкое сопротивление из-за высокого прямого сопротивления. Функциональная точка не мешает малому сигнальному диоду из-за слабого сигнала.

2. Большой сигнальный диод

Эти диоды имеют большой слой PN перехода.Следовательно, переход переменного напряжения в постоянный не ограничен. Это также увеличивает прямую пропускную способность и обратное напряжение блокировки. Эти большие сигналы также мешают функциональной точке. По этой причине он не подходит для высокочастотных приложений.

Основное применение этих диодов — в устройствах для зарядки аккумуляторов, таких как инверторы. Диапазон прямого сопротивления этих диодов выражается в омах, а обратное блокирующее сопротивление — в мегаомах. Их можно использовать в электрическом оборудовании, поскольку они обладают высокими характеристиками по току и напряжению, что используется для подавления высоких пиковых напряжений.

3. Стабилитрон

Это пассивный элемент, работающий по принципу жанровой разбивки. Впервые произведен Кларенсом Дженнером в 1934 году. Он похож на обычный диод в прямом направлении, он пропускает ток в обратном направлении, когда приложенное напряжение достигает напряжения пробоя. Он предназначен для защиты других полупроводниковых устройств от импульсов переходного напряжения. Он действует как регулятор напряжения.

4. Светоизлучающий диод (LED)

Эти диоды преобразуют электрическую энергию в световую.Первое производство началось в 1968 году. Он подвергается процессу электролюминесценции, в котором дырки и электроны рекомбинируют, чтобы произвести энергию в виде света в состоянии прямого смещения.

Раньше они использовались в индукционных лампах, но теперь в более поздних приложениях они используются в управлении окружающей средой и производством. Чаще всего используется в таких приложениях, как авиационное освещение, светофоры, вспышки для фотоаппаратов.

5. Диоды постоянного тока

Также известен как токорегулирующий диод, диод постоянного тока, токоограничивающий диод или транзистор с диодным соединением.Функция диода — контролировать напряжение при определенном токе.

Он действует как двухконтактный ограничитель тока. Это служит ограничением тока для достижения высокого выходного сопротивления полевого транзистора. Символ диода постоянного тока показан ниже.

6. Диод Шоттки

В диодах этого типа переход формируется путем контакта полупроводникового материала с металлом. Благодаря этому падение прямого напряжения уменьшается в минуту.Полупроводниковый материал представляет собой кремний N-типа, который действует как анод и действует как металлический катод, его материалами являются хром, платина, вольфрам и т. Д.

Благодаря металлическому переходу эти диоды обладают высокой допустимой нагрузкой по току, что сокращает время переключения. Итак, у Шоттки больше возможностей менять приложения. Падение напряжения из-за перехода металл-полупроводник невелико, что увеличивает характеристики диода и снижает потери мощности. Поэтому они используются в высокочастотных выпрямителях.Символ диода Шоттки показан ниже.

7. Лазерный диод

Аналогичен светодиоду, который формирует активную область через переход P-N. Электрический лазерный диод представляет собой p-i-n-диод, в котором активная область находится во внутренней области. Используется в волоконно-оптической связи, считывателях штрих-кодов, лазерных указателях, считывании и записи CD / DVD / Blu-ray, лазерной печати.

1. Лазер с двойной гетероструктурой: Свободные электроны и дырки доступны одновременно в этой области.
2. Лазеры на квантовых ямах: Лазеры с более чем одной квантовой ямой называются лазерами с несколькими квантовыми ямами.
3. Квантово-каскадные лазеры: Это лазеры на гетеропереходах, которые инициируют лазерное воздействие на относительно длинных волнах.
4. Специальные гетероструктурные лазеры с ограничениями: Мы выбираем специальные гетероструктурные лазеры с ограничениями, чтобы заменить проблему тонких слоев в квантовых лазерах.
5. Лазеры с распределенным брэгговским отражателем: Это могут быть лазеры с торцевым излучением или внутренние органы.

8. Фотодиоды

В фотодиодах используются переходы между полупроводниками p- и n-типа. Полупроводник n-типа имеет намного больше подвижных электронов, в то время как материал p-типа имеет меньше подвижных положительных дырок. Когда два таких материала соединяются, электроны и дырки притягиваются к противоположным сторонам соединения, и может быть получена структура энергетических уровней, показанная на нижнем рисунке. Область вблизи перехода практически не имеет электронов или дырок и называется слоем распада.

Когда переход освещается, электроны валентной зоны возбуждаются в зону проводимости, создавая электронно-дырочные пары. Из-за сильного градиента потенциала в области перехода электроны и дырки ускоряются в противоположных направлениях, и ток течет.

Скорость отклика и чувствительность фотодиода можно увеличить за счет обратного смещения; положительная сторона батареи соединена с материалом n-типа, а отрицательная сторона — с материалом p-типа.Высокая чувствительность может быть получена за счет вставки слоя из высокоомного (внутреннего) материала между p- и n-слоями; такое устройство называется P-I-N (или штыревым) диодом. Пин-диоды имеют полезный отклик на частотах до нескольких сотен МГц

При достаточно высоком обратном смещении может происходить размножение электронов из-за вторичной эмиссии. Этот эффект используется для получения чувствительности в несколько сотен раз в лавинных фотодиодах, но за счет увеличения шума при более низких уровнях освещенности.Фотодиоды также доступны в комплекте с высокопроизводительным операционным усилителем. Эти устройства могут использоваться при очень слабом освещении и, в отличие от фотоумножителей, требуют только низкого напряжения. Линейная зависимость между выходным напряжением (и током) и уровнем освещенности может быть получена в течение нескольких десятилетий.

Кремниевые фотодиоды обычно используются и имеют максимальную чувствительность около 0,8–0,9, как показано на рис. 7.3. Фотодиоды из германия и InGaAs полезны в этой области с 1.От 1 до 1,7 м.

Кремний — это полупроводник с шириной запрещенной зоны 1,12 эВ при комнатной температуре. Это промежуток между валентной полосой и полосой пропускания. При абсолютном нуле температуры валентная зона полностью заполнена, а зона проводимости пуста. При повышении температуры электроны возбуждаются и увеличиваются за счет тепловой энергии из валентной зоны в зону проводимости. Электроны могут усиливаться до полосы пропускания частицами или фотонами с мощностью больше 1.12 эВ, что соответствует длинам волн менее 1100 нм. Электроны в зоне проводимости могут проводить ток.

Из-за градиента концентрации диффузия электронов из области N-типа в область P-типа и расширение пор из области P-типа в область N-типа создают встроенное напряжение на переходе. Взаимная диффузия электронов и дырок между областями N и P через переход приводит к области, свободной от носителей. Это область упадка.Встроенное напряжение в области затухания приводит к максимальному электрическому полю на переходе и отсутствию поля за пределами области затухания. Любое приложенное обратное смещение увеличивает встроенное напряжение и приводит к широкой области затухания. Электронно-дырочные пары, генерируемые светом, смываются дрейфом в области распада и собираются диффузией из несовершенной области. Текущее выходное событие пропорционально энергии света или излучения. Свет резко поглощается на расстоянии и пропорционален коэффициенту поглощения.Коэффициент поглощения очень высок для коротких волн в УФ-диапазоне и невелик для высоких длин волн (рис. 2). Поэтому фотоны с малой длиной волны, такие как УФ, объединяются в тонкий верхний поверхностный слой, в то время как кремний становится прозрачным для света с длинами волн более 1200 нм. Также фотоны с меньшей энергией, чем у

запрещенная зона не воспринимаются все.

Рис. 14. Глубина проникновения света в поверхность кремния для разных длин волн (1 / e).

• Выпрямители
• Цепи клиперов
• Цепи зажима
• Цепи защиты от обратного тока
• В логике Логические ворота
• Умножители напряжения

Нравится:

Нравится Загрузка …

Термоэмиссионные и полупроводниковые диоды

Диоды — это небольшие электрические устройства, которые используются для передачи электрического тока в одном направлении и для предотвращения движения встречного тока в противоположном.У них есть два вывода, каждый с электродом — один электрод заряжен положительно, а другой — отрицательно. Способность диода передавать ток только в одном направлении также называется выпрямляющим свойством. Когда диод пропускает ток в одном направлении, это называется состоянием прямого смещения; состояние обратного смещения возникает, когда диод блокирует движение тока в противоположном направлении. Однако способность диода быть однонаправленной зависит от типа диода и используемой технологии.Различные типы диодов, такие как термоэлектронные и различные типы полупроводниковых диодов, используют разные технологии для передачи тока.

Термоэлектронные диоды, также называемые вакуумными трубками, представляют собой диоды, которые закрывают электроды в стеклянном вакууме — ранние модели выглядели как миниатюрные лампочки. Нить накала нагревателя используется для передачи тепла, которое вызывает тепловую эмиссию электронов в вакууме и нагревает катод. В этом случае анод становится положительным и притягивает электроны, передавая ток в одном направлении.Поскольку анод не будет выпускать электроны даже при понижении температуры, электроны могут двигаться только в одном направлении, и процесс не может изменить направление.

Хотя термоэлектронные диоды были распространенной ранней формой диодов, большинство современных диодов являются полупроводниковыми диодами определенного типа. Такие материалы, как кремний и германий, часто используются, потому что в них нет свободных электронов, а это означает, что они не могут легко передавать электричество и, как правило, служат изоляторами. Однако путем легирования этих материалов их химические свойства могут быть изменены.При легировании кремния есть два типа примесей, которые могут быть добавлены для превращения кремния в полупроводящий материал: N-тип и P-тип.

Примесь N-типа представляет собой фосфор или мышьяк. Каждый из них имеет пять внешних электронов, тогда как кремний имеет четыре, поэтому лишнему электрону фосфора или мышьяка не с чем связываться. Вместо этого дополнительный электрон служит средством передачи энергии. Только небольшое количество фосфора или мышьяка необходимо, чтобы генерировать достаточно свободных электронов для передачи тока через кремний.Поскольку электроны несут отрицательный заряд, этот тип примеси известен как N-тип.

При легировании P-типа используется одна из двух различных примесей: бор или галлий. Каждая из этих примесей имеет только три внешних электрона, поэтому при добавлении к кремнию они образуют дырки, в которых отсутствует электрон, а также положительный заряд. Положительный заряд позволяет бору или галлию принимать соседние электроны, что, по сути, выталкивает дырку внутри решетки электронов. Наличие дырок — это то, что позволяет передавать токи и движение электронов, что делает кремний с примесью P-типа проводящим материалом.Название P-тип происходит от положительного заряда материала. Легирование как N-типа, так и P-типа превращает кремний в проводник, но не в очень прочный — поэтому легированный кремний называется полупроводником.

Кремний P-типа и N-типа используются вместе в полупроводниковых диодах. Чтобы создать диод P-N, кремниевый материал P-типа составляет анод и передает ток на катод N-типа. Из-за зарядов и свойств материалов ток не может передаваться в обратном направлении.В других типах полупроводниковых диодов для создания одного контакта используется металл, а в качестве другого контакта используется полупроводник P-типа или N-типа. При использовании в условиях обратного смещения блокирует большую часть тока. При использовании в режиме прямого смещения передается достаточно напряжения для запуска диода и может начаться передача электронов.

Основы полупроводниковых диодов | Полупроводники P-типа и N-типа, легирование

В этом руководстве мы познакомимся с полупроводниками, поскольку они являются неотъемлемой частью электроники.Прежде чем разбираться в некоторых устройствах, таких как полупроводниковые диоды, транзисторы и т. Д., Важно немного узнать об электропроводности, запрещенной зоне и основных типах полупроводников.

В этой части учебного пособия будет заложено ключевое основание для легкого изучения PN Junction, следующего на очереди.

Есть два типа полупроводниковых компонентов в электронных и электрических цепях. Это активные и пассивные компоненты.Диоды — это главные активные компоненты, а резисторы — самые пассивные компоненты электронных схем. Диоды — это, по сути, однонаправленные устройства, имеющие экспоненциальную зависимость вольт-амперных характеристик, изготовленные из полупроводниковых материалов.

Три необходимых материала, которые используются в электронике, — это изоляторы, полупроводники и проводники. Эти материалы классифицируются с точки зрения электрических явлений. Удельное электрическое сопротивление, также известное как электрическое сопротивление, является мерой того, насколько эффективно материал препятствует прохождению электрического тока через него.

Единицей качества удельного электрического сопротивления является омметр [Ом · м]. Материал с низким удельным сопротивлением указывает на эффективное движение электрического заряда по полупроводнику.

Полупроводники — это материалы, значения удельного сопротивления которых находятся между изоляторами и проводниками. Эти материалы не являются ни умными изоляторами, ни умными проводниками. У них есть только несколько свободных электронов, потому что их атомы прочно связаны в чрезвычайно кристаллической форме, называемой «кристаллической решеткой».Образцы полупроводников — кремний и германий.

Полупроводники имеют большое значение в производстве электронных схем и интегральных устройств. Электропроводность полупроводников можно легко изменить, изменяя температуру и концентрацию легирования в процессе изготовления. Способность проводить электричество в полупроводниковых материалах значительно увеличивается за счет добавления определенного количества примесей к кристаллической решетке, производящей дополнительные свободные электроны, чем дырки.

Свойства полупроводниковых материалов значительно изменяются при добавлении к ним небольших количеств примесей. Процесс изменения баланса между электронами и дырками за счет включения примесных атомов в кристаллическую решетку кремния называется легированием. Эти примесные атомы известны как легирующие примеси. В зависимости от типа используемого легирующего материала полупроводниковые кристаллы подразделяются на два типа, в частности полупроводники n-типа и полупроводники p-типа.

Элементы группы –V, такие как фосфор, сурьма и мышьяк, обычно классифицируются как примеси N-типа.Эти элементы имеют пять валентных электронов. Когда примеси N-типа легируют в кристалл кремния, четыре из пяти валентных электронов образуют четыре прочные ковалентные связи с соседними атомами кристалла, оставляя один свободный электрон.

Аналогичным образом, каждый примесный атом N-типа производит свободный электрон в зоне проводимости, который будет дрейфовать, чтобы проводить электрический ток, если к материалу приложен потенциал. Полупроводники N-типа также могут называться донорами.

Элементы III группы, такие как бор, алюминий, галлий и индий, обычно классифицируются как примеси P-типа.Эти элементы имеют три валентных электрона. Когда примеси P-типа легируют в кристалл кремния, все три валентных электрона образуют три прочные ковалентные связи с соседними атомами кристалла.

Существует нехватка электронов для образования четвертой ковалентной связи, и этот недостаток называется дырками. Точно так же каждый примесный атом P-типа создает дыру в валентной зоне, которая будет дрейфовать, чтобы проводить электрический ток, если к материалу приложен потенциал. Полупроводники P-типа также могут называться акцепторами.

НАЗАД

Характерное свойство каждого материала, которое помогает сравнивать различные материалы на основе их способности проводить электрический ток, известно как удельное электрическое сопротивление. Удельное сопротивление можно приблизительно определить, умножив сопротивление R электрического провода на площадь поперечного сечения A, разделенную на длину провода L.

Электропроводность, которая обратно пропорциональна удельному электрическому сопротивлению, одновременно характеризует материалы, насколько хорошо они позволяют электрическому току проходить через них.Разумные проводники имеют самое низкое удельное электрическое сопротивление и высокую проводимость. Удельное электрическое сопротивление сильно зависит от присутствия примесных атомов в материале и от температуры материала, то есть при комнатной температуре (20 ° C).

Для различных проводников, полупроводников и изоляторов значения удельного сопротивления линейно изменяются при изменении температуры. Изменение электрического сопротивления на градус Цельсия при изменении температуры называется температурным коэффициентом сопротивления.Этот фактор обозначается буквой «альфа» (α).

Положительный температурный коэффициент для материала означает, что его сопротивление увеличивается с повышением температуры. Чистые проводники обычно имеют положительный температурный коэффициент сопротивления. Отрицательный коэффициент для материала означает, что его сопротивление уменьшается с повышением температуры.

Полупроводниковые материалы (углерод, кремний и германий) обычно имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления.Различные материалы с их значениями удельного сопротивления и температурными коэффициентами приведены в таблице ниже.

НАЗАД

Проводники изготовлены из материалов с низким сопротивлением и имеют значения удельного сопротивления порядка микроом на метр (мкОм / м). Металлы с ужасно низким удельным электрическим сопротивлением порядка 1 Ом метра называются проводниками. Эти металлы имеют большое количество свободных электронов.

Эти свободные электроны покидают валентный слой своего родительского атома и образуют дрейф электронов, известный как электрический ток.Следовательно, металлы являются превосходными проводниками электричества.

Металлы, такие как медь, алюминий, золото и серебро, а также другие неметаллы, такие как углерод, являются древними проводящими материалами. Большинство металлических проводников являются хорошими проводниками электричества, имеют меньшие значения сопротивления и высокие значения проводимости.

В процессе теплопроводности тепло распространяется по всему телу. Во время теплопроводности этот тепловой поток можно рассматривать как потерю энергии, и эта потеря увеличивается с повышением температуры после того, как она достигает комнатной температуры i.е., 25 ° С.

НАЗАД

В отличие от проводов, изоляторы состоят из неметаллов, имеющих значения удельного сопротивления порядка 1 Ом · м. Неметаллы имеют лишь несколько свободных электронов, протекающих через него или внутри родительской атомной структуры, или совсем не имеют их, поскольку внешние электроны прочно связаны ковалентными связями между парой атомов. Поскольку электроны заряжены отрицательно, свободные электроны в валентном слое легко притягиваются положительно заряженными частицами внутри ядра.

Поскольку свободных электронов нет, при приложении положительного потенциала не будет электрического тока, протекающего через материал, придающий изолирующие свойства. Поэтому изоляторы (неметаллы) очень плохо проводят электричество.

Неметаллы, такие как стекло, пластик, резина, дерево, песок, кварц и тефлон, являются разумными примерами изоляторов. Стеклянные изоляторы используются для передачи мощности первичного напряжения. Изоляторы используются в качестве защиты тепла, звука и электричества.

НАЗАД

Полупроводники обладают электрическими свойствами между изоляторами и проводниками. Умные примеры совершенных полупроводников — кремний (Si), германий (Ge) и арсенид галлия (GaAs). Эти элементы имеют только несколько электронов в исходной атомной структуре, которые образуют кристаллическую решетку.

Кремний, основной полупроводниковый материал, содержит четыре валентных электрона внутри внешней оболочки, образующих четыре прочные ковалентные связи с четырьмя соседними атомами кремния, так что каждый атом имеет общий электрон с соседним атомом, создавая прочную ковалентную связь.Атомы кремния организованы в виде решетки, создавая им кристаллическую структуру.

Проведение электрического тока возможно с помощью кремниевого полупроводникового кристалла путем подачи внешнего потенциала на полупроводник и включения примесных легирующих добавок в полупроводниковый кристалл, создавая таким образом положительно и отрицательно заряженные дырки.

НАЗАД

У атома кремния 14 электронов; однако орбитальное расположение имеет только 4 валентных электрона, которые должны быть разделены между альтернативными атомами.Эти валентные электроны играют решающую роль в фотоэлектрическом эффекте. Большое количество атомов кремния соединяются вместе, образуя кристаллическую структуру.

В этой структуре каждый атом кремния разделяет один из четырех валентных электронов со своими соседними атомами кремния. Твердый кристалл кремния состоит из регулярного ряда элементов из пяти атомов кремния. Это регулярное и фиксированное расположение атомов кремния называется кристаллической решеткой.

НАЗАД

Примеси, такие как фосфор, мышьяк и сурьма, добавляются в кристаллическую структуру кремния, чтобы преобразовать собственный полупроводник в внешний полупроводник.Эти примесные атомы известны как пятивалентные примеси в результате того, что пять валентных электронов во внешней оболочке делят свободные электроны с соседними атомами.

Пятивалентные примесные атомы также известны как доноры, потому что пять валентных электронов в примесном атоме связываются с четырьмя валентными электронами кремния, образуя четыре ковалентные связи, оставляя один свободный электрон. Каждый примесный атом производит свободный электрон в зоне проводимости. Как только к полупроводнику N-типа приложен положительный потенциал, оставшиеся свободные электроны образуют дрейф для образования электрического тока.

Полупроводник N-типа является лучшим проводником, чем собственный полупроводниковый материал. Основными носителями заряда в полупроводниках N-типа являются электроны, а неосновными носителями заряда — дырки. Полупроводники N-типа не заряжены отрицательно, потому что отрицательный заряд атомов донорной примеси уравновешивается положительным зарядом внутри ядра.

Основной вклад в электрический ток вносят отрицательно заряженные электроны, хотя есть некоторый вклад положительно заряженных дырок из-за пары электрон-дырка.

НАЗАД

Если элемент группы 5, такой как примесь сурьмы, добавляется к кристаллу кремния, атом сурьмы строит четыре ковалентные связи с четырьмя атомами кремния, связывая валентные электроны сурьмы с валентными электронами внутри самой внешней оболочки кремния, оставляя один свободный электрон. Следовательно, примесный атом подарил структуре свободный электрон, поэтому эти примеси называются донорными атомами.

НАЗАД

Элементы группы 3, такие как бор, алюминий и индий, дополняют кристаллическую структуру кремния, имеющую только три электрона внутри самой внешней оболочки, образуют три замкнутые ковалентные связи, оставляя дыру в структуре ковалентной связи и, следовательно, дырку в валентной зоне. диаграммы уровней энергии.

Это действие оставляет большое количество положительно заряженных носителей, называемых дырками, в кристаллической структуре при недостатке электронов.Эти элементы группы 3 называются трехвалентными примесными атомами.

Наличие большого количества дырок привлекает соседние электроны, чтобы они сидели в нем. Пока электрон заполняет дырки в кристалле кремния, за электроном будут появляться новые дырки по мере того, как он удаляется от него. Вновь созданные дырки успешно притягивают электроны, создание других новых дырок приводит к их движению, создавая стандартный электрический ток в полупроводнике.

Движение дырок в кристалле кремния кажется кристаллу кремния положительным полюсом.Пока примесные атомы неизменно генерируют дырки, элементы группы 3 называются акцепторами, поскольку примесные атомы постоянно принимают свободные электроны.

Легирование элементов группы 3 в кристалле кремния приводит к полупроводнику P-типа. В этом полупроводнике P-типа дырки являются основными носителями заряда, а электроны — неосновными носителями заряда.

НАЗАД

Если к кристаллу полупроводника добавить элементы группы 3, такие как бор, галлий и индий, примесные атомы, имеющие три валентных электрона, образуют три прочные ковалентные связи с валентными электронами кристалла кремния, оставляющими одну вакансию.Эта вакансия называется дыркой и схематически представлена ​​маленьким кружком или положительным знаком из-за отсутствия отрицательного заряда.

НАЗАД

N-типа представляют собой материалы, образованные добавлением элементов 5-й группы (пятивалентные примесные атомы) к полупроводниковым кристаллам и проводящих электрический ток за счет движения электронов.

В полупроводниках N-типа

• Примесные атомы являются пятивалентными элементами.
• Примесные элементы с твердым кристаллом дают большое количество свободных электронов.
• Пятивалентные примеси также называют донорами.
• Легирование дает меньшее количество дырок по отношению к количеству свободных электронов.
• Допирование элементами группы 5 приводит к образованию положительно заряженных доноров и отрицательно заряженных свободных электронов.

Материалы P-типа — это материалы, образующиеся при добавлении элементов 3-й группы (трехвалентные примесные атомы) к твердому кристаллу.В этих полупроводниках ток в основном происходит за счет отверстий.

В полупроводниках P-типа

1. Примесные атомы являются трехвалентными элементами.
2. Трехвалентные элементы приводят к избыточному количеству дырок, которые всегда принимают электроны. Отсюда трехвалентные примеси называются акцепторами.
3. Легирование дает меньшее количество свободных электронов по сравнению с количеством дырок.
4. Допирование приводит к образованию отрицательно заряженных акцепторов и положительно заряженных дырок

И p-тип, и N-тип являются электрически нейронными сами по себе, потому что вклад электронов и дырок, необходимых для проведения электрического тока, одинаков из-за пары электрон-дырка.И бор (B), и сурьма (Sb) называются металлоидами, потому что они являются наиболее часто используемыми легирующими добавками для собственных полупроводников для улучшения свойств проводимости.

НАЗАД

СЛЕДУЮЩИЙ — РУКОВОДСТВО ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ PN

Объяснитель урока: Полупроводниковые диоды | Nagwa

В этом объяснении мы узнаем, как смоделировать полупроводниковый диод как переход между легированными полупроводниками n-типа и p-типа.

Диоды — это компоненты электрической цепи, пропускающие ток в одном направлении. но не в другом.В этом объяснении мы обсудим, как они работают в субатомный уровень.

Диоды изготовлены из полупроводников. Наиболее часто используемый полупроводник — это на основе решетки атомов кремния. В атоме кремния четыре электрона. внешняя, или валентная, оболочка, которая может образовывать связи с соседними атомы. В решетке из атомов кремния каждый электрон во внешней оболочке участвует в связывании с соседним атомом кремния. Это показано в следующая диаграмма.

Когда мы добавляем в эту решетку другой элемент, например фосфор, который имеет пять электронов в его внешней оболочке, есть «запасной» электрон, не задействованный в связи с соседним атомом кремния. Этот электрон (обозначен стрелка на диаграмме ниже) может свободно перемещаться по решетке. Эти свободные электроны заряжены отрицательно, поэтому этот тип легированных электронов полупроводник называется n-типом.

Важно помнить, что материал в целом не имеет электрический заряд: количество протонов и электронов в целом одинаково.Когда мы называем его n-типом, мы имеем в виду только то, что носители заряда свободно двигаться — в данном случае электроны — имеют отрицательный заряд.

Мы также можем легировать кремний атомом, имеющим три электрона во внешнем оболочка, как и бор. В этом случае будет вакансия. Сама вакансия не имеет заряда, но относительно электрона заряжена положительно. Другой электроны будут притягиваться к этой вакансии и иногда прыгать напротив другого атома, чтобы заполнить его.Хотя на практике именно электроны которые движутся, мы думаем о вакансии, движущейся по решетке, как разные электроны прыгают туда, чтобы заполнить его. Это означает, что носитель заряда положительно заряженный, поэтому мы называем этот вид легированного полупроводника p-типом. В На диаграмме ниже мы обозначили вакансию пунктирным кружком.

Эти легированные полупроводники обладают интересными свойствами, когда мы их соединяем. вместе. На диаграмме ниже мы видим p-тип слева и n-тип на право.Там, где они встречаются, у нас есть перекресток, который мы называем PN переход.

Для простоты мы исключили атомные ядра и связанные электроны и показаны только носители заряда: слева положительно заряженные вакансии и отрицательно заряженные электроны справа. Однако помните, что обе стороны в целом электрически нейтральны.

При таком расположении с одной стороны у нас есть вакансии, которые притягивают электроны. и много свободных электронов с другой стороны.Некоторые из электронов близки к поэтому граница будет размываться по стыку, чтобы заполнить вакансии на стороне p, как показано на следующей диаграмме.

Ранее нейтральная p-сторона теперь приобрела электрон и, следовательно, имеет отрицательный заряд. Точно так же n-сторона потеряла электрон, поэтому у нее больше протонов, чем электронов, и теперь заряжен положительно. На следующей диаграмме заполненная вакансия изображается как отрицательный заряд, а отсутствие электрон на стороне n изображен как положительный заряд.

Больше электронов вблизи границы переходят, чтобы заполнить вакансии на сторона p, как показано на схеме ниже.

Получается накопление отрицательного заряда вблизи перехода на сторона p и положительный заряд на стороне n границы. Это показано в следующая диаграмма.

Эта область, где отрицательный заряд на одной стороне и положительный заряд на другой известен как область истощения . Накопление заряда создает электрическое поле, обозначенное 𝐸 на схеме ниже, через область истощения.

Накопление отрицательного заряда рядом с переходом на p-стороне теперь действует как барьер, отталкивая дальнейшие электроны, которые могут перепрыгнуть через него.

На этом этапе давайте рассмотрим несколько примеров, относящихся к легированным полупроводники и свойства PN перехода.

Пример 1. Общие сведения о легированных полупроводниках

На схеме показана решетка атомов кремния в полупроводнике. Левая сторона решетка легирована донорными ионами.Это называется n-стороной. В правая часть решетки легирована акцепторными ионами. Эта сторона решетка называется p-стороной. Регионы по обе стороны от водораздела линии имеют одинаковый размер, а концентрация ионов одинакова с обеих сторон. Полупроводник находится в тепловом равновесии.

1. Каково отношение свободных электронов на n-стороне к вакансии на стороне р?
2. Какая разница между чистым относительным электронным зарядом в два региона?

Ответ

Часть 1

В этом примере у нас есть легированный полупроводник, у которого n-сторона находится на слева, а сторона p справа.Сторона n была легирована фосфором, который имеет пять электронов во внешней оболочке. Таким образом, каждый атом обеспечивает один «свободный» электрон. Правая сторона p легирована бором, который имеет три электрона во внешней оболочке. Таким образом, каждый атом бора вносит свой вклад одна вакансия, или носитель положительного заряда. Вопрос гласит, что два области имеют одинаковый размер и одинаковую концентрацию ионов, т. е. плотность акцепторных или донорных ионов.Это означает, что будут равные числа свободных электронов на n-стороне и вакансий на p-стороне. Соотношение Таким образом, количество свободных электронов на n-стороне по отношению к вакансиям на p-стороне равно 1.

Part 2

Теперь нам нужно рассмотреть чистый электронный заряд в каждой области. Существует распространенное заблуждение, что наличие свободных электронов делает область n-типа отрицательно заряженный. Фактически, область электрически нейтральна, так как донор атомы имеют то же количество протонов, что и электроны.То же самое и с p-сторона: ионы-акцепторы имеют меньше электронов, чем атомы кремния, но также меньше протонов. В целом оба региона электрически нейтральны. В Таким образом, разница между чистым электронным зарядом в двух регионах составляет нуль.

Пример 2: Понимание PN-перехода

В PN-переходе как свободные электроны, так и вакансии могут диффундировать через соединение, как показано на схеме.

1. К какой стороне перехода направлен чистый диффузионный ток?
2. В каком из следующих регионов сосредоточена свободные электроны наибольшие?
   1. Сторона p
   2. В середине соединения
   3. Сторона n
3. В какой из следующих областей концентрация вакансий наибольшая?
   1. Сторона n
   2. Сторона p
   3. В середине соединения
4. В какой из следующих областей сосредоточены оба свободных электроны и вакансии самые маленькие?
   1. В середине перехода
   2. На стороне p
   3. На стороне n

Ответ

Часть 1

Здесь у нас есть полупроводник с n-областью, полной свободных электронов на в слева и p-область с вакансиями справа.Свободные электроны от n-область будет распространяться через переход, чтобы заполнить вакансии в p-области. Эквивалентно можно сказать, что вакансии диффундируют из p-области в сторону n-регион. При обсуждении электрических токов принято считать, что они в направлении от положительного к отрицательному. Направление чистой диффузии Следовательно, ток направлен в n-область.

Часть 2

В этом PN-переходе распределены свободные электроны.Они в их наибольшая концентрация слева, в n-области: мы можем видеть это на диаграмме или напомним, что n-область названа так, потому что она легирована так что у него есть свободные электроны. Следовательно, ответ — C, сторона n.

Часть 3

У нас есть вакансии по всему PN-переходу, но они встречаются в самых высоких концентрация на стороне p. Следовательно, ответ — B, p-сторона.

Часть 4

Учитывая высокую концентрацию свободных электронов на n-стороне и высокую концентрация вакансий на p-стороне, электроны будут стремиться диффундировать через стыка и совмещаем с вакансиями на р-стороне.На данный момент электроны больше не «свободны». Точно так же, как только они заполнили вакансии, их больше нет. Концентрация обоих свободных электронов поэтому вакансии будут наименьшими в середине, где это происходит, поэтому ответ — буква А в середине перекрестка.

Теперь подключим PN-переход к источнику питания в электрической цепи. Пример принципиальной схемы показан ниже.

Напомним, что условный ток имеет направление от положительного к положительному. отрицательный, поэтому ток будет в этом направлении против часовой стрелки. схема.

Рассмотрим реакцию положительных и отрицательных носителей заряда в PN-переход, к которому приложена разность потенциалов.

Положительно заряженные вакансии на p-стороне перехода притягиваются к его отрицательный вывод и, следовательно, вдали от области истощения. Это позволяет больше свободных электронов с n-стороны, чтобы существовать на p-стороне обеднения область.

Аналогично отрицательно заряженные свободные электроны на n-стороне перехода притягиваются к его положительному полюсу и, следовательно, от истощения область.Это позволяет большему количеству вакансий с p-стороны существовать на n-стороне область истощения.

Итак, мы видим, что область истощения расширяется в результате приложенного разность потенциалов. Это показано на диаграмме ниже.

Более широкая область истощения действует как еще более сильный барьер, предотвращая электроны от перехода. Следовательно, в эта схема. PN-переход в этой конфигурации известен как «Обратно предвзято.

Давайте теперь поменяем полярность источника питания в цепи, как в следующая диаграмма.

В данном случае сторона p подключена к положительной клемме. а сторона n подключена к отрицательной клемме.

Как показано на следующей диаграмме, свободные электроны на n-стороне отталкиваются отрицательной клеммой, толкая их к середине соединение. Этот «толчок» преодолевает границу на стыке PN, позволяя электронам переходить на другую сторону и заполнять там вакансии.

Поскольку электроны теперь могут пересекать границу, будет ток через эту схему. Мы называем PN-переход в этой ориентации как «смещен в прямом направлении.»

Эти свойства PN-перехода делают его полезным в электрических цепях. где мы хотим пропускать ток в одном направлении, а не в другом. Они, следовательно, формируют основу компонента, известного как диод . Диод действует как вентиль в цепи: при прямом смещении ток может проходить через него, но при обратном смещении не может быть ток через него.

Пример 3: Определение PN с прямым и обратным смещением Переходы

На схеме показан переход PN в цепи. Положительно заряженная сторона область истощения перехода показана красным, а отрицательно заряженная сторона отображается синим цветом. Соединение смещено вперед или назад?

Ответ

У нас есть схема, состоящая из источника питания и PN перехода. В положительно заряженная сторона обедненной области находится слева, а отрицательно заряженная сторона находится справа.Напомним, что область положительного заряд возникает из-за того, что свободные электроны с этой стороны пересекли переход для заполнения вакансий на другой стороне. Таким образом, слева находится n-сторона, или сторона, содержащая свободные электроны.

Напомним также, что обычный ток — это поток положительного заряда, в направление от положительного вывода к отрицательному, которое по часовой стрелке в эта схема. Это означает, что поток электронов идет против часовой стрелки.Мы поэтому электроны попадают в p-сторону справа, где они совмещает с вакансиями и усиливает отрицательно заряженную сторону область истощения. Это будет действовать как барьер, отталкивая дальше электроны. Обратное происходит на p-стороне, где вакансии отталкивается положительно заряженной клеммой, укрепляя барьер с той стороны.

Этот усиленный барьер препятствует прохождению тока, поэтому соединение является обратным. пристрастный.

Если мы рассмотрим схему, содержащую PN-переход, в котором потенциал разницу можно варьировать, как изменится текущая? Мы можем видеть это в ток – напряжение, или – 𝑉, график.

Если соединение действует как переключатель, мы можем ожидать, что график будет выглядеть как один ниже. Когда соединение смещено в обратном направлении (обозначено отрицательным напряжением) и большим током при положительном.

Мы называем это «идеальным диодом».«На практике диоды не работают. в совершенстве. График – 𝑉 для Настоящий диод может быть больше похож на тот, что показан ниже.

Здесь, когда напряжение отрицательное (или PN-переход имеет обратное смещение), ток почти, но не совсем равен нулю. Существующий небольшой ток равен отрицательный, чтобы указать, что его направление противоположно прямолинейному кейс. При достаточно большом отрицательном напряжении переход разрывается. вниз и перестает препятствовать току.Напряжение, при котором это происходит, известно. как «напряжение пробоя».

Когда переход смещен в прямом направлении, настоящий диод не позволяет сразу большой ток. Существует некоторое пороговое напряжение, ниже которого ток будет быть маленьким, и выше этого порога будет большой ток.

Этот последний пример даст некоторую практику интерпретации тока-напряжения. граф для PN перехода.

Пример 4: Графики «ток – напряжение» для PN-переходов

На графике показано изменение тока через PN-переход с внешнее напряжение, приложенное к переходу.График содержит регион где ток почти равен нулю. Соответствует ли эта область PN-переход смещен в прямом или обратном направлении?

Ответ

На графике показано, что происходит с током через PN-переход, поскольку напряжение увеличивается. Когда напряжение отрицательное, есть небольшой отрицательный Текущий. Когда напряжение положительное, ток также положительный и быстро увеличивается с увеличением напряжения.

Вопрос касается области, где ток почти равен нулю. Этот относится к той части, где напряжение отрицательное, а ток также отрицательный, но очень близкий к нулю. В этом регионе PN-переход предлагает очень высокое сопротивление, так что почти нет тока. Когда полярность внешнее напряжение питания обратное, PN-переход почти не обеспечивает сопротивление и ток очень высокие. Они соответствуют соответственно чтобы соединение было обратным и прямым смещением.Итак, когда ток близка к нулю, PN-переход имеет обратное смещение.

Ключевые моменты

• Диод состоит из перехода между двумя типами легированного полупроводника: p-тип и n-тип.
• Полупроводники p-типа и n-типа электрически нейтральны.
• Область p-типа содержит вакансии, которые переносят заряд, тогда как в области n-типа заряд переносится свободными электронами.
• В переходе свободные электроны с n-стороны переходят на p-сторона для заполнения некоторых вакансий.Это приводит к истощению области рядом с перекрестком.
• Область истощения действует как барьер, предотвращающий дальнейшее проникновение электронов от пересечения перекрестка.
• При обратном смещении PN-перехода электроны заполняют вакансии и укрепить барьер в области истощения, чтобы не допустить ток.
• Когда PN-переход смещен в прямом направлении, свободные электроны могут преодолевать барьер в области истощения, чтобы ток был разрешен.

Что такое полупроводниковые диоды? (с изображением)

Полупроводниковые диоды — это твердотельные устройства, которые проводят электроны в одном направлении и используют соединенные полупроводники положительного (P) и отрицательного (N) типа. Когда материал N-типа отрицательный, доноры электронов высвобождают электроны в сторону более положительного полупроводника P-типа, что приводит к прямому смещению проводимости. Состояние обратного смещения возникает, когда материал P-типа является отрицательным, а материал N-типа — положительным.Полупроводниковые диоды очень похожи на односторонние клапаны, используемые в водяных насосах. Когда насос выключен, вода не течет обратно, потому что обратный клапан предотвращает это, но когда насос работает, вода течет, как будто клапана нет вообще.

Первые полупроводниковые диоды были газообразными, имели катод с прямым нагревом и пластину и находились внутри вакуумной трубки.Когда на катоде имеется отрицательный заряд, тепловая энергия заставляет электроны лететь через вакуум и притягиваться к положительно заряженной пластине. С положительным катодом электроны не выходят из пластины. Этот механизм сделал возможными первые выпрямители мощности, которые преобразовывали переменный ток (AC) в постоянный (DC).

Малосигнальные диоды имеют очень низкое прямое падение напряжения, что делает их полезными для обнаружения сигналов и переключения при низком напряжении.В радиочастотных приложениях германиевые полупроводники с переходом металл-полупроводник используются для обнаружения низкого уровня и других преобразований низкого уровня сигнала. Различные типы переключающих диодов с малым сигналом подразделяются на категории по нескольким факторам, включая скорость переключения и емкость перехода.

Диоды Шоттки — это полупроводниковые диоды, которые специально сконструированы из полупроводника, соединенного с металлом.Результирующее прямое падение напряжения составляет около 0,5 В постоянного тока (В постоянного тока). Диоды Шоттки используются для зажимов, которые защищают схемы от воздействия переходных напряжений более чем на 1 В постоянного тока выше положительного уровня питания постоянного тока. Это возможно, если подключить анод диода Шоттки к защищаемой сигнальной линии, одновременно подключив катод к положительной шине питания.

Настроечные диоды используют емкость обратного смещения диода.Когда напряжение обратного смещения увеличивается, емкость обычно уменьшается из-за эффекта фактического уменьшения площади поверхности перехода при повышенном обратном напряжении. Цепь постоянного тока может управлять этой регулируемой емкостью настроечного диода. Эта емкость является частью цепи переменного тока, которая может изменять свою центральную частоту, частично на основании регулируемой емкости настроечного диода, что приводит к способности диода настраивать свою схему.

Кремниевые диоды обычно имеют 0.Прямое падение напряжения 7 В постоянного тока, в то время как германиевые диоды имеют 0,3 В постоянного тока. Максимальное обратное напряжение, известное как напряжение пробоя, и максимальные прямые токи зависят от конкретной конструкции диодов. Для большинства схемотехнических нужд доступны диоды с необходимыми специальными характеристиками. Если один диод не соответствует требованиям, может быть достаточно нескольких диодов, работающих последовательно или параллельно.