Полупроводниковый диод применение: Применение диодов — Club155.ru

alexxlabРазное

Полупроводниковый диод: история, развитие, особенности

Содержание

  • 1 Основные термины и определения
  • 2 История развития полупроводниковой техники
    • 2.1 Первые «кристаллические» диоды
    • 2.2 Первый детектор для радио
    • 2.3 Объяснение найдено
    • 2.4 Бурное развитие полупроводниковой техники
    • 2.5 Полупроводниковые диоды Шокли
    • 2.6 Новое время

Полупроводниковый диод – это электрический прибор с одним p-n-переходом, обладающий нелинейной вольт-амперной характеристикой. В аппаратуре используется для выпрямления тока, входит в состав мостов различного толка. Полупроводниковый диод обозначается на схеме темным (реже прозрачным) треугольником с вершиной и перпендикулярной чертой при катоде (n-область).

Основные термины и определения

К полупроводниковым диодам принято относить ряд классов, по праву выделяемые в отдельные семейства. Это варикапы, стабилитроны, светодиоды и прочее. Общим становится наличие единственного p-n-перехода. Ламповые выпрямители также называют диодами. В указанном контексте и применяется эпитет полупроводниковые, чтобы отметить наличие p-n-перехода.

Электрический диод

Диоды ценятся за ярко выраженные выпрямляющие свойства. Ток проходит через p-n-переход в одном направлении, что решает большой спектр технических задач. Массово применяются выпрямительные свойства полупроводников и в интегральных схемах, включая кристаллы. Хотя в процессорах по большей части на подложке формируются транзисторы, рассматриваемые как два включённых навстречу полупроводниковых диода. Избыточность оправдывается унификацией технологического цикла.

Выпрямительные свойства полупроводниковых диодов открыты на примере сульфида меди. Об этом нетрудно прочитать в исторической справке, приведённой ниже. Вдобавок полупроводниковые диоды создаются на основе любого природного минерала, неметаллов IV, V и VI групп, различных оксидов, сплавов, части органических красителей (для светодиодов используется указанный класс веществ).

История развития полупроводниковой техники

Первые «кристаллические» диоды

Вопреки общепринятому мнению выпрямляющие свойства перехода металл-полупроводник (диод Шоттки) известны давно. В широком смысле полупроводниковая техника начала развиваться семимильными шагами после Второй мировой войны. Причины случившегося:

  1. В военное время большинство стран вело исследования в области новых технологий. К примеру, появился на свет и был немедленно засекречен транзистор. Равно как и первый операционный усилитель предполагалось использовать для привода зенитных орудий системы противовоздушной обороны. Это изобретение могло бы увидеть свет раньше, первые работы в упомянутой области проводились на заре 30-х годов XX века.
  2. Приблизительно за 10 лет до начала Второй мировой войны большинство стран оказалось в курсе грядущих событий. Не удивительно, что держали в секрете избранные сведения.
  3. Если брать в рассмотрение фашистскую Германию, её правительство по соображениям давно взлелеянной неприязни отказывалось общаться с прочими европейскими державами. Поводом стали итоги Первой мировой войны.

Применение диода

Итак, полупроводниковая техника стала развиваться в условиях недавно созданной ООН, гарантировавшей мир на земле, и принятого ею устава. Выпрямительные свойства полупроводников открыты немецким учёным Карлом Фердинандом Брауном, получившим на пару с Маркони Нобелевскую премию за развитие беспроводного телеграфа (радиосвязи) в 1909 году. К великому сожалению, нет возможности найти перевод работы “Ueber die Stromleitung durch Schwefelmetalle”, опубликованной в журнале Annalen der Physik und Chemie 1874 года за номером 153.

Двумя годами ранее, в марте 1872 года Карл получает степень доктора философии за работу в области колебаний струны. Потом остаётся в Берлинском Университете. Научный руководитель работы, Георг Квинке, получает назначение в Вюрцбург, и оба следуют туда, где внимание сосредотачивают на проводимости материалов. Опубликованы отчёты о прохождении тока сквозь расплавы солей и выпрямляющих свойствах слоёв газа с разной проводимостью. Первоначально заинтересовавшись солями свинца, Карл Браун дошёл, наконец, до сульфида меди.

23 ноября 1874 года в свет выходит работа, где обсуждаются искусственно созданные и натуральные образцы материала с точки зрения электропроводности. Избранные демонстрировали разницу в сопротивлении, зависящую от направления, составлявшую 30%. Обнаружено, что в одном из направлений проводимость образца зависит от силы текущего тока, измеренной гальванометром. Так обнаружились и нелинейные свойства материала, ныне демонстрируемые полупроводниковыми диодами. Одновременно эффект зависел от способа приложения металлических электродов, что указывало на анизотропность обнаруженных качеств.

В то время происходящее считалось необъяснимым, наблюдаемый результат противоречил известным научным фактам. Сегодня известно, что переход металл-полупроводник обладает выпрямляющими свойствами наравне с p-n-переходом. Разница в том, что на первом падение напряжения меньше. Соответственно, полупроводниковые диоды Шоттки применяют в качестве выпрямителей на выходных каскадах блоков питания. В упомянутое время Вернер Сименс обнаружил одностороннюю проводимость кристаллов селена. А Браун добавил ещё ряд материалов, среди прочего – псиломелан (руда марганца), создав первый усиковый (точечный) диод.

Первый детектор для радио

Идеям Брауна нашёл практическое применение Джагдиш Чандра Бос, собравший первый детектор для радио под частоты миллиметрового диапазона из галенита (сульфид свинца) и получивший на него патент США за номером 755840, поданный на рассмотрение 30 сентября 1901 года и одобренный в марте 1904. Бенгальский учёный доложил об изобретении в 1899 году Королевскому научному обществу Англии. Уже в декабре 1901 года прибор применили для расшифровки трансатлантической телеграфной передачи Маркони.

Вскоре появляются новые детекторы:

  • Патент № 836531, поданный 20 августа 1906 года Гринлифом Пикардом, примечателен тем, что впервые здесь упоминается о кристалле кремния (с англ. – силикон).
  • Генри Данвуди 23 марта 1906 года для целей выпрямления тока использует карбид кремния (карборунда). Материал вначале синтезирован и лишь впоследствии обнаружен на осколках упавшего метеорита.

Некоторое время кристаллический детектор использовался и даже дал направление в электронике светодиодам, но с изобретением электронных ламп полупроводники ушли на задний план. И так происходило до послевоенных лет. С началом 50-х и вхождением в обиход транзисторов, а главное – германия, полупроводниковая техника развивается семимильными шагами и поныне.

Объяснение найдено

Лишь в 1928 году Арнольд Зоммерфельд и молодой Феликс Блох (Блоховские электроны) объяснили открытие Брауна с позиций квантовой механики. В первом приближении о новом направлении науки нетрудно узнать из заметки 1931 года On the quantum mechanics of electrons in crystal lattices за авторством Грониха и Пенни из Гронингенского Университета. Русскоязычным читателям удобнее ознакомиться с одномерной моделью движения электронов в периодическом поле, которая впервые наглядно иллюстрирует природу возникновения энергетических зон в кристалле.

Показано, что функция распределения энергий не непрерывна. Присутствуют разрешённые области, разделённые запрещёнными. Сегодня о теории знает каждый ученик из школьного курса физики, но роль первопроходца целиком отдаётся Шокли, что не совсем верно. В действительности полную теорию, хорошо согласующуюся с практикой, подвёл под полупроводники Ханс Альбрехт Бете в 1942 году (несколькими годами позднее знаменитого коллеги).

Полупроводниковый прибор

Бурное развитие полупроводниковой техники

В послевоенные годы выгоды выпуска полупроводниковой техники ещё не были очевидны. На начало 50-х производством занимались две американские компании:

  1. Texas Instruments (с 1951 года – выделенное предприятие, отпочковавшееся от Объединённой геофизической службы) с 1950 году выпускает полупроводниковые транзисторы, и сегодня занимает ведущую роль в производстве электронных компонентов. Небезызвестный Джэк Килби, изобретатель интегральных микросхем, работал в упомянутой компании. На момент середины 50-х Texas Instruments занимала первое место по объёму оборота средств в сфере производства полупроводниковой техники.
  2. Ныне несуществующая компания Transitron, созданная в 1952 году Лео и Дэвидом Бакаларами, к 1955 на пару с Texas Instruments выпускала более трети всех полупроводниковых приборов, за считаные годы поднялась до вершины. Материнская для Texas Instruments компания существовала с 1930 года, работала в военное время на правительство и обладала широкой известностью. На 1961 год оборот средств Transitron составил 40 млн. долларов. И это до первого нефтяного кризиса! Дэвид числился президентом до 1984 года, через пару лет компания прекратила существование.

Упадок Transitron начался в 60-е, когда они ошибочно отказались от новых направлений. Речь идёт об интегральных микросхемах. Перспективы обрёл кремний, хотя прежде в силу известности использовался германий. Более подробно о причинах ситуации можно прочитать в топике про биполярные транзисторы.

Добавим, в полупроводниковой технике требуется столь высокая степень чистоты кремния, что на момент середины XX века производство выходило чрезвычайно дорогим. В то же время германиевые приборы показывают меньшие предельные температуры (85 градусов Цельсия) и при перегреве легко выходят из строя. Легко понять, почему Transitron, отказавшаяся вложить средства в инновации, уже с середины 60-х годов начала терпеть серьёзные убытки.

Последние силы компании оказались отняты разработкой собственного микропроцессора, не имевшего коммерческого успеха. Кстати, германий, по некоторым оценкам, вновь станет весьма перспективным элементом и полупроводником. К примеру, на его основе создаются и выпрямители. Причём не только для радиочастот, но и промышленных сетей 50 Гц 220 В, что делает их перспективными в качестве замены громоздким реле.

Полупроводниковые диоды Шокли

В 1956 году Вильям Шокли основывает в Пало Альто (штат Калифорния) собственную компанию по адресу Сауф Антонио Роуд, 391. Это первое предприятие, занимающееся полупроводниками, на месте, где теперь расположена известная Силиконовая долина. Основной продукцией стал 4-х-слойный диод, называемый в среде профессионалов транзисторным диодом или диодом Шокли.

По задумке автора приборы должны были прийти на замену обычным реле в отрасли связи. Но из-за сложности реализации идея пришлась не по зубам технологии того времени. Читатели уже догадались, что речь идёт о тиристорах с регенеративной характеристикой. Таким образом, диодом можно назвать и указанное полупроводниковое изделие. А точнее – диодом Шокли.

Состоит он из 4-х чередующихся по типу проводимости слоёв полупроводника. Крайний n-типа называется катодом, а противоположный анодом, как у обычного диода. Работа диода Шокли основана на лавинном пробое, после понижения напряжения переходы вновь запираются, и система возвращается в исходное состояние.

Новое время

Если в начале 70-х по производству полупроводниковых материалов однозначно лидировали США, на заре 80-х Япония стала наращивать темпы. Юго-Восточная Азия и Европа стали последними, кто присоединился к этой гонке. Сегодня четыре упомянутых региона примерно поровну поделили объёмы производства, и, конечно, одеяло тянет на себя Китай: за первое десятилетие XXI века удвоил объёмы выпуска. По некоторым прогнозам Пекин к 2020 году возьмёт половину от мирового производства.

Полупроводниковые диоды — ПРАКТИКА 2016 ФАКУЛЬТЕТ ФИЗИКИ

ППП‎ > ‎

Полупроводниковые диоды

Рис.1 Полупроводниковый диод в стеклянном корпусе 

Для контроля направления электрического тока необходимо применять разные радио- и электродетали. В частности, современная электроника использует с такой целью полупроводниковый диод, его применение обеспечивает ровный ток.

Полупроводниковый диод представляет собой прибор с одним p-n-переходом, обладающий односторонней проводимостью. Диоды включаются в электрическую цепь с помощью двух выводов: положительного (анода) и отрицательного (катода). Полупроводниковые диоды изготовляют из германия, кремния, селена и других веществ.


Рис.2 Схема полупроводникового кремниевого диода. Ниже приведено его символическое изображение

Рассмотрим, как создается p-n-переход при использовании в диоде германия, обладающего проводимостью n-типа за счет небольшой добавки донорной примеси. Этот переход не удается получить путем механического соединения двух полупроводников с разными типами проводимости, так ка при этом получается слишком большой зазор между полупроводниками. Толщина же p-n-перехода должна быть порядка межатомных расстояний. Поэтому в одну из поверхностей монокристалла германия с однородными примесями вплавляют индий. Вследствие диффузии атомов индия в глубь монокристалла германия у поверхности германия образуется область с проводимостью p-типа. Остальная часть образца германия, в которую атомы индия не проникли, по-прежнему имеет проводимость n-типа.

Между двумя областями с проводимостями разных типов и возникает p-n-переход (рис.3). В полупроводниковом диоде германий служит катодом, а индий — анодом. Для предотвращения вредных воздействий воздуха и света кристалл германия помещают в герметический металлический корпус.

 

Рис.3 Схема полупроводникового диода

Типы диодов по назначению

  • Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный.
  • Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов, предназначены для применения в импульсных режимах работы.
  • Детекторные диоды предназначены для детектирования сигнала
  • Смесительные диоды предназначены для преобразования высокочастотных сигналов в сигнал промежуточной частоты.
  • Переключательные диоды предназначены для применения в устройствах управления уровнем сверхвысокочастотной мощности.
  • Ограничительные диоды
    предназначены для защиты радио и бытовой аппаратуры от повышения сетевого напряжения.  

Где наиболее часто применяют диоды?

Диоды широко используются для преобразования переменного тока в постоянный. Диодный выпрямитель или диодный мост — основной компонент блоков питания практически всех электронных устройств. 

Рис.4 Диодный мост

Диодный трёхфазный выпрямитель по схеме А. Н. Ларионова на трёх параллельных полумостах применяется в автомобильных генераторах, он преобразует переменный трёхфазный ток генератора в постоянный ток бортовой сети автомобиля. Применение генератора переменного тока в сочетании с диодным выпрямителем вместо генератора постоянного тока с щёточно-коллекторным узлом позволило значительно уменьшить размеры автомобильного генератора и повысить его надёжность.

Рис.5 Трёхфазный выпрямитель Ларионова

В некоторых выпрямительных устройствах до сих пор применяются селеновые выпрямители. Это вызвано той особенностью данных выпрямителей, что при превышении предельно допустимого тока, происходит выгорание селена (участками), не приводящее (до определенной степени) ни к потере выпрямительных свойств, ни к короткому замыканию — пробою.

В высоковольтных выпрямителях применяются селеновые высоковольтные столбы из множества последовательно соединённых селеновых выпрямителей и кремниевые высоковольтные столбы из множества последовательно соединённых кремниевых диодов.

Если соединено последовательно и согласно (в одну сторону) несколько диодов, пороговое напряжение, необходимое для отпирания всех диодов, увеличивается.

{Более подробно о принципе работы полупроводниковых диодов, а также о светодиодах, вы можете узнать в разделе «Видео». }

вверх

Использование диода — символ, применение, примеры и часто задаваемые вопросы

Диод — это электронное/полупроводниковое устройство с двумя выводами. Диод используется как электрический компонент, в котором ток имеет однонаправленное течение только в том случае, если диод работает при заданном напряжении.

 

Этот компонент имеет две клеммы, одна из которых имеет высокое сопротивление, а другая — низкое.

 

У нас есть другой тип диода, который называется идеальным, потому что он имеет нулевое сопротивление только в одном направлении и бесконечное сопротивление в другом сопротивлении.

 

На этой странице мы рассмотрим примеры диодов, их использование и применение диодов.

Что такое диоды?

Диоды состоят из полупроводников, таких как кремний или германий, которые были вставлены для создания PN-связей. Полупроводники P-типа и N-типа объединяются для создания PN-перехода. Буквы P и N обозначают положительные и отрицательные значения соответственно. Полупроводники имеют положительную стоимость в виде дырок и отрицательную стоимость в виде свободных электронов.

Стрелка представляет собой диод и указывает направление, в котором может течь сила. Когда ток течет таким образом, он называется прямым смещением. Когда вы переходите на другую сторону, на стрелке появляется полоса, указывающая на то, что волна заблокирована. Реверсивные диоды с током, протекающим в неправильном месте. Фактически, обратимые диоды сначала ограничивают протекание тока, но в конечном итоге разрешают другие, если поток слишком велик в неправильном направлении.

Светодиоды представляют собой светоизлучающие диоды, предназначенные для излучения света. Когда стабилитроны с обратным смещением, они работают вместо того, чтобы разрушать себя. Варисторы представляют собой обратимые стабилитроны и могут выдерживать 1000 вольт. Варакторы работают так же, как конденсаторы, изменяющие напряжение.

Использование диодов

Диоды используются в различных приложениях. Удаляя составляющую сигнала, некоторые из них преобразуют переменный ток в постоянный ток. Они известны как выпрямители при использовании в этом положении. Они действуют как электрические выключатели и могут блокировать скачки напряжения, что делает их идеальными для хирургической защиты. Их нанимают для цифровой логики. Блок питания и удвоители напряжения также выполнены с его помощью. Датчики, а также свет на осветительных приборах и лазерах основаны на светодиодах. Варакторы используются для электронной настройки, а варисторы используются для сжатия переходных процессов в линиях переменного тока. Стабилитроны используются в качестве регуляторов напряжения, варакторы используются для электронной настройки, а варисторы используются для сжатия переходных процессов в линиях переменного тока.

Транзисторы и операционные усилители построены на основе диодов. P-n-переход является наиболее распространенным типом диодов. Один (n) объект с электронами в качестве зарядного проводника закрывает второй объект (p) с дырками (обедненными электронами областями, действующими как хорошо заряженные частицы) в качестве носителей заряда на этом типе диода. Сужающееся пространство образуется там, где они соединяются, где электроны рассеиваются, чтобы заполнить дыры на p-стороне. Это эффективно останавливает поток электронов. Когда на p-сторону этого перехода подается положительное напряжение, электроны могут легко двигаться от него, чтобы заполнить дырки, и ток течет в диод.

Площадь усадки увеличивается по мере взаимодействия отрицательного смещения (т. Е. На p-сторону подается отрицательное напряжение), что затрудняет движение электронов.

Электронная трубка из прессованного стекла или металла с двумя электродами — плохо заряженным катодом и хорошо заряженным анодом — была первым диодом. Они используются в электронных схемах, таких как радио- и телевизионные приемники, в качестве фильтров и приемников. Когда анод (или пластина) получает положительное напряжение, электроны, выпущенные из горячего катода, перемещаются к пластине, а затем обратно к катоду с внешним источником питания. Электроны не могут быть удалены с катода, когда на пластину подается неправильное напряжение, и по пластине не протекает ток. В результате электроны могут течь от катода к пластине, но не от пластины к катоду в диоде. Когда пластина подвергается воздействию переменного напряжения, ток течет только тогда, когда пластина правильная. Когда переменное напряжение регулируется или преобразуется в постоянный ток, говорят, что оно регулируется.

Символ диода

(Изображение будет загружено в ближайшее время)

 

Для чего используется диод?

Одним из наиболее важных применений диодов является использование их в качестве электронных компонентов для регулирования однонаправленного потока тока.

 

Примеры диодов

Ниже приведены примеры использования диодов в повседневной жизни:

 

Стабилитроны — используются для регулирования напряжения для защиты цепей от скачков высокого напряжения,

 

Лавинные диоды — используются для электронной настройки радио- и телеприемников.

 

Варакторные диоды используются для генерации радиочастотных колебаний

 

Туннельные диоды — Эти диоды используются в качестве радиочастотных цепей.

 

Диоды Ганна, диоды IMPATT

 

Светодиод или светоизлучающий диод для получения света при положительной форме волны напряжения.

 

PIN-диоды имеют стандартные области как P-типа, так и N-типа, но пространство между этими двумя областями представляет собой собственный полупроводник, и эти диоды не легированы.

 

Диоды переменной емкости для настройки.

Знаете ли вы?

Диод выглядит как разомкнутая цепь с отрицательным напряжением, что похоже на короткое замыкание. Поскольку диод показывает некоторую неэффективность, график между током и напряжением выглядит нелинейным.

 

Одно из невероятных и простых двухвыводных полупроводниковых устройств, такое как диод, жизненно необходимо в современной электронике.

 

Итак, мы находим применение диода в различных областях, вот некоторые из них:

Применение диода

  • Устранение напряжения: превращение переменного тока в напряжения постоянного тока

  • Тридоры рисования из снабжения

  • . Как свободный ход индуктивной энергии

Для чего используются диоды?

Ниже приведены примеры применения диода в реальной жизни:

1. Выпрямление напряжения

Мы используем диоды для преобразования мощности переменного тока в постоянный. Один или четыре диода могут преобразовывать бытовую электроэнергию 110 В в постоянный ток, образуя полуволновой (один диод) или двухполупериодный (четыре диода) выпрямитель.

 

Итак, как это происходит?

 

Диод пропускает только половину волны переменного тока. Когда эта волна напряжения заряжает конденсатор, выходное напряжение кажется устойчивым напряжением постоянного тока с небольшой формой волны напряжения.

 

Использование двухполупериодного выпрямителя делает этот процесс более эффективным, направляя импульсы переменного тока таким образом, что как положительные, так и отрицательные половины входной синусоиды воспринимаются как только положительные импульсы, конструктивно удваивая частоту входных импульсов на конденсатор. , что помогает держать его заряженным и передавать более стабильное напряжение.

 

2. Диоды и конденсаторы 

Диоды и конденсаторы могут создавать умножители переменного напряжения для создания небольшого напряжения переменного тока и умножать их для создания очень высоких выходных напряжений.

 

Выходы переменного и постоянного тока возможны при использовании правильной конфигурации конденсаторов и диодов.

 

3. Диод, используемый в качестве фонарика

Светодиодный фонарик представляет собой светящийся светодиод, который светится при наличии положительного напряжения.

 

4. Фотодиод

Фотодиод улавливает ток или свет через коллектор (например, устройство с мини-солнечной панелью) и преобразует его в небольшой ток.

Для чего используется диод?

1. Диод как средство управления током

Основная функция, для которой используется диод, заключается в управлении током и обеспечении его протекания в правильном направлении.

 

Одной из областей, в которой обнаружена способность диодов управлять током, является их хороший эффект при переключении с питания, поступающего от источника питания, на питание от батареи.

 

Когда устройство подключено к сети и заряжается, как и мобильный телефон или источник бесперебойного питания, устройство получает питание только от внешнего источника питания, а не от аккумулятора, а когда устройство подключено к сети, питание потребляет аккумулятор и перезаряжается. Как только источник питания удаляется, батарея питает устройство, так что пользователь не замечает перебоев.

 

2. Диод, используемый для демодуляции сигналов

Чаще всего диоды используются для удаления отрицательной составляющей сигнала переменного тока.

 

Поскольку отрицательная часть волны переменного тока обычно идентична положительной половине, в процессе удаления части волны теряется очень мало информации; следовательно, что приводит к более эффективной обработке сигналов.

 

Демодуляция сигналов обычно используется в радиостанциях как компонент системы фильтрации для извлечения радиосигнала из несущей волны.

Применение диодов с соединением P-N

Применение диодов с соединением P-N


Физика | Электронные устройства и схемы | Электромагнетизм | СУББОТА Связь | Основы компьютера | Карта сайта | онлайн тест | Блог

Полупроводник диоды


П-Н Развязка
Ноль уклон P-N Junction
Барьер напряжение
Истощение регион
Ширина области обеднения
P-N переходной диод
Вперед диод со смещением
Обратный смещенный диод
В-И характеристики диода
Истощение пробой области
Идеальный диод
Реальный диод
Диод емкость перехода
Диод сопротивление
Зенера диод
Лавинный диод
Фотодиод
Свет Излучающий диод
Лазер диод
Туннель диод
Шоттки диод
варактор диод
П-н Применение диодных переходов

Кремний Управляемый выпрямитель




Электроника приборы и схемы >> Полупроводники диоды >> Применение диодов с P-N переходом

А Диод с p-n переходом представляет собой двухвыводное устройство, которое позволяет электрический ток в одном направлении и блокирует электрический ток в другом направлении.

В условие прямого смещения, диод пропускает электрический ток тогда как в условиях обратного смещения диод не позволяет электрический ток.

Срок по этой характеристике диод находит число приложения, как указано ниже:

  • Исправление

преобразование чередования ток в прямой ток называется выпрямлением. p-n переход диод пропускает электрический ток, когда он смещен в прямом направлении и блокирует электрический ток при обратном смещении. Этот Действие диода с p-n переходом позволяет использовать его в качестве выпрямителя.