Устройство полупроводникового диода, p-n переход.
Возвращаемся к рубрике «Основы электроники» и в этой статье мы разберем очень важное, основополагающее понятие, а именно p-n переход. И, конечно, же разберем работу устройства, сердцем которого является уже упомянутый p-n переход, то есть полупроводникового диода.
И первым делом мы подробно рассмотрим устройство p-n перехода и химические процессы, протекающие в нем, которые, собственно, и определяют то, как он работает. Основными понятиями, которыми мы будем сегодня оперировать являются «электроны» и «дырки». И если с электроном все понятно, то на физическом смысле дырок стоит остановиться поподробнее.
Полупроводниковые материалы, которые являются основой p-n перехода, характеризуются тем, что они объединяют в себе как свойства проводников, так и свойства диэлектриков. В кристаллической структуре проводников есть много свободных носителей заряда, которые под воздействием электрического поля начинают перемещаться, что и обуславливает способность проводника проводить ток.
В диэлектриках связь частиц с атомами очень сильная, поэтому свободные носители заряда отсутствуют (все частицы жестко закреплены на своем месте в кристаллической решетке). Поэтому диэлектрики не пропускают электрический ток.
В полупроводниках же все не так однозначно. В целом, для того, чтобы электрон покинул свое место, то есть высвободился от атома ему необходим определенный уровень внутренней энергии. Эта энергия может появиться, например, в результате повышения температуры. И величина этой внутренней энергии для полупроводников намного меньше, чем для диэлектриков. В этом и состоит ключевой момент!
При низкой температуре большинство электронов полупроводника «сидят» на своих местах, и поэтому проводимость тока очень низкая. А, соответственно, с ростом температуры способность полупроводника проводить ток улучшается.
С этим процессом разобрались: итак, с ростом температуры в полупроводнике число свободных электронов увеличивается.
Во время разрыва связи электрона с ядром атома в электронной оболочке атома появляется свободное место.
Атом при этом получает положительный заряд, ведь изначально заряд был нейтральным, а электрон, имеющий отрицательный заряд, атом покинул. Но свободное место не долго остается пустым, так как на него переходит электрон из соседнего атома. И этот процесс повторяется снова и снова. Таким образом, происходит перемещение положительного заряда. И вот именно этот условный(!) положительный заряд и называют дыркой:
Такой механизм проводимости называется собственной проводимостью полупроводника. Но на практике, в частности в транзисторах и диодах, применяются полупроводники с примесями, поскольку примесная проводимость значительно превышает собственную.
Примеси разделяют на:
- донорные, то есть отдающие
- акцепторные, принимающие
Разберем классический пример — кремний и мышьяк. У кремния на внешней оболочке атома 4 электрона (валентные электроны). У мышьяка таких электронов 5. Атом мышьяка отдает 4 из своих электронов на образование связей с 4-мя электронами атома кремния.
При этом один из 5-ти валентных электронов не участвует в образовании связей.
У мышьяка энергия отрыва этого 5-го электрона от атома достаточно невелика. Настолько, что уже при небольшой температуре атомы мышьяка теряют свои незанятые в связях с кремнием электроны. Но при этом, поскольку в соседних атомах нет свободных мест, то дырок не возникает, и «дырочная» проводимость практически отсутствует. Так мы получили полупроводник с электронной проводимостью, то есть полупроводник n-типа.
Если же мы возьмем в качестве примеси 3-х валентный элемент (3 электрона на внешней оболочке атома), то в случае с добавлением примеси к кремнию (4 электрона), одно место останется свободным. На это место «придет» электрон соседнего атома и так далее, то есть возникнет процесс перемещения дырки. Так мы получим полупроводник p-типа.
Вот мы разобрались и с этим, двигаемся непосредственно к рассмотрению p-n перехода.
Итак, p-n переход (электронно-дырочный переход) — это область, в которой соприкасаются два полупроводника, имеющие разный тип проводимости (p-тип и n-тип):
Причем обе области электрически нейтральны.
Только одна из них содержит свободно перемещающиеся дырки, а вторая — электроны.
При соприкосновении полупроводников разного типа возникает диффузионный ток. Это связано с тем, что свободные носители (электроны и дырки) стремятся перейти из той области, где их много, в ту область, где их мало. При прохождении через переход частицы рекомбинируют друг с другом. В результате этого вблизи границы перехода образуются избыточные заряды:
На рисунке изображены только свободные носители заряда в каждой из областей.
Давайте чуть подробнее разберем этот процесс. Один из электронов переходит из области n-типа и «занимает» свободное место, то есть дырку в области p-типа. На первоначальном месте этого электрона в области n-типа появляется дырка (ведь электрона там больше нет). И в итоге получается, что в p-области вблизи перехода скапливаются электроны, а в n-области наоборот дырки. Не забываем, что дырка — это не реально существующая частица, а условный(!) положительный заряд.
Но этот процесс не продолжается бесконечно по одной простой причине. Из-за того, что на границе формируются два новых слоя, возникает дополнительное электрическое поле, которое они порождают. Под действием этого поля возникает так называемый дрейфовый ток, направленный противоположно диффузионному току. И при определенной концентрации частиц около границы перехода между этими токами возникает равновесие и процесс останавливается:
Строго говоря, p-n переход — это именно область, в которой практически отсутствуют свободные носители заряда (обедненная область). Для того, чтобы выйти из этого положения равновесия, мы можем приложить к переходу внешнее напряжения. Различают прямое и обратное смещение.
При прямом смещении положительный потенциал подается на область p-типа, а отрицательный, соответственно, на область n-типа:
В этом случае внешнее электрическое поле (от источника напряжения) направлено противоположно тому полю, которое существует внутри перехода. В результате диффузионный ток начинает преобладать над дрейфовым, поскольку такое внешнее поле приводит к движению дырок из p-области в n-область и электронов в обратном направлении.
Вот так и возникает прямой ток, направление которого противоположно движению электронов. Обратное же смещение выглядит так:
Такое подключение приводит лишь к увеличению областей, в которых отсутствуют свободные носители заряда. Действительно, под действием электрического поля при обратном смещении свободные электроны и дырки будут удаляться от границы слоев.
В результате диффузионный ток будет максимально уменьшен и преобладать будет ток дрейфовый. В таком случае протекающий ток называют обратным (его величина очень мала по сравнению с прямым током).
Полупроводниковое устройство, внутри которого сформирован один такой p-n переход, и называют диодом. А его выводы (электроды) получили названия анод и катод. На принципиальных электрических схемах полупроводниковый диод обозначается следующим образом:
Ключевой характеристикой диода является вольт-амперная характеристика (ВАХ). Она представляет из себя зависимость протекающего через диод тока от приложенного к нему напряжения:
Как видите, здесь все в точности соответствует тому, что мы обсудили при разборе p-n перехода.
Правая ветвь графика относится к прямому смещению перехода. При увеличении напряжения увеличивается и протекающий прямой ток. Обратите внимание, что при прямом включении напряжение должно достигнуть определенного значения для того, чтобы диод стал хорошо пропускать ток. Если напряжение меньше этого значения (пусть и создает прямое смещение), то способность диода пропускать ток будет низкой.
При обратном смещении (левая ветвь характеристики) ток достигает некоторого значения и перестает увеличиваться. Это процесс протекания незначительного обратного тока. Если продолжать увеличивать напряжение, то произойдет пробой p-n перехода (про ситуацию пробоя мы еще обязательно поговорим в статье, посвященной стабилитронам).
Таким образом, можно сказать, что диод пропускает ток в одном направлении и препятствует протеканию тока в обратном направлении.
И на этом, пожалуй, закончим, сегодня мы по итогу рассмотрели все основные процессы, протекающие в p-n переходе и полупроводниковом диоде.
Совсем скоро, буквально в одной из следующих статей, разберем основные примеры использования диодов. Будем рады видеть вас на нашем сайте снова!
принцип работы, схема и т.д.
Стабилитрон — специальный диод, который способен работать в условиях обратного смещения в зоне пробоя без какого-либо ущерба для себя.
Схема стабилитронаОбратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.
Принцип действия стабилитрона
График напряжение-ток для стабилитрона похож на график напряжение-ток для P-N перехода обычного диода.
Когда стабилитрон имеет прямое смещение, то, также, как и в любом обычном диоде, ток, проходящий через него, возрастает при увеличении подаваемого напряжения. Когда же стабилитрон имеет обратное смещение, то ток бывает минимальным до того момента, пока подаваемое напряжение не достигнет значения напряжения пробоя для данного диода. Когда такое напряжение достигается, то происходит значительное увеличение протекающего тока.
Однако, в отличие от обычного диода, стабилитрон предназначен для работы в условиях обратного смещения в зоне пробоя.
Напряжение стабилитрона
Необходимое напряжение стабилитрона — это то напряжение, при котором происходит пробой. В процессе изготовления стабилитрона, к основным исходным материалам добавляют определенное количество других материалов, присадок, так что во время работы данного прибора пробой происходит при совершенно конкретном значении напряжения.
Если подаваемое на стабилитрон напряжение превышает установленное для него напряжение пробоя на достаточно большую величину, то тепло, которое сопровождает прохождение через стабилитрон чрезмерного тока, может вызывать серьезные повреждения. Для того, чтобы предотвратить подобные неприятности, цепи со стабилитроном обычно имеют установленный последовательно резистор, который должен ограничивать величину тока, протекающего через стабилитрон. Если выбрано правильное значение сопротивления, то ток в цепи не будет превышать максимальное значение тока для стабилитрона.
Если же подаваемое напряжение меньше, того, на которое рассчитан стабилитрон, то сопротивление протеканию тока будет значительным и этот диод будет оставаться в основном в разомкнутом состоянии, однако, когда подаваемое напряжение станет равно или превысит расчетное напряжение стабилитрона, то сопротивление тока окажется преодоленным, и ток потечет через стабилитрон и по цепи.
При различных значениях напряжения выше напряжения стабилитрона, изменение внутреннего сопротивления возникает в результате изменений обедненной области прибора. В результате этого падение напряжения на стабилитроне будет относительно постоянным. Падение напряжения должно поддерживаться на уровне, близком к значению напряжения стабилитрона. Остальное напряжение источника электропитания понижается на последовательно подключенном резисторе.
Поскольку напряжение на стабилитроне значительно превышает напряжения стабилитрона, то цепь, которую мы только что описали, может быть использована для обеспечения подачи регулируемого напряжения на нагрузку.
Светодиоды диод с простым P-N переходом, испускающий свет, когда через него проходит ток
Туннельный диод диод, характеристики которого отличаются от характеристик обычного диода
Фотодиод светочувствительный диод, который использует энергию света для создания напряжения
Тетрод диод с четырьмя элементами: катод, анод, управляющая сетка и сетка-экран
Триод электронная лампа с тремя элементами: катод, анод и управляющая сетка
Основные сведения о диодах для начинающих (Краткое руководство, 2023 г.)
Привет. Надеюсь, у тебя хорошая жизнь. В этом посте я поделюсь с вами всем, что знаю об основах диода. На мой взгляд, это очень особенный компонент в изучении электроники, так как он является частью почти каждой электронной схемы, и при этом очень прост для понимания.
Прежде чем начать лекцию, позвольте мне сказать вам кое-что. Мне нравится начинать лекцию с интересного вопроса, связанного с темой. Ответ кроется в теме лекции. Это занятие делает всю лекцию веселой и интересной. Студенты остаются сосредоточенными и пытаются узнать все, чтобы найти правильный ответ.
Вы также можете придумать свои вопросы, я начну с вопроса, как переменное напряжение преобразуется в постоянное? В конце концов, если мы ответим на этот вопрос, у нас все хорошо, и я доволен.
Нет больше болтовни, давайте начнем искать ответ на вопрос, как переменный ток преобразуется в постоянный?
Содержание
Что такое диод?
Как и другие электронные устройства, т. е. резисторы и конденсаторы, диод представляет собой полупроводниковое устройство с двумя выводами, способное проводить электрический ток только в одном направлении.
Почти каждый источник в Интернете дает одно и то же определение. Я определяю это очень просто: это просто переключатель, управляемый напряжением.
Причина, по которой я называю его переключателем, управляемым напряжением, заключается в том, что напряжение на его клеммах определяет состояния включения/выключения. Если напряжение положительное, в случае идеального диода диод включается. В случае кремниевого диода он включается, если напряжение становится больше или равным 0,7 В. И для всех неположительных напряжений диод остается выключенным.
Оба определения верны и передают одну и ту же концепцию. Точнее говоря, способность диода проводить электрический ток только в одном направлении делает его идеальным переключателем. Эта возможность также делает его основным строительным блоком линейного источника питания.
В линейном источнике питания интересно посмотреть, как диод пропускает положительную часть волны переменного тока и блокирует отрицательную часть. (Подсказка к нашему вопросу, если вы его хорошо помните)
Думаю, вы поняли основное определение диода.
Электрическое обозначение диода
Электрические обозначения электронных устройств играют очень важную роль при создании принципиальных схем.
Как и другие электронные устройства, диод имеет свой уникальный электрический символ.
Ниже приведен электрический символ диода с p-n-переходом.
Первым шагом в изучении основ диодов является определение символа диода и его запоминание. Есть много типов диодов. Каждый тип имеет свой собственный символ, но основной дизайн остается прежним. Вы разберетесь с ними по ходу лекции.
Вы видите, что две клеммы четко обозначены на приведенной выше схеме символов. Выводы называются анодом и катодом. Анод является положительным, а катод — отрицательным выводом.
Здесь возникает вопрос, как мы можем идентифицировать выводы в физическом диоде? Давайте найдем ответ в следующем разделе.
Физический диод
Мы узнали об определении диода. Теперь нам действительно нужно взглянуть на его реальный внешний вид. Чтобы мы могли идентифицировать его на различных электронных платах или просто использовать в наших собственных электронных проектах.
Ниже приведено изображение диода в сочетании с его электрическим символом.
Видишь ли, это как маленький черный цилиндр. Обратите внимание на серую линию. Серая линия всегда представляет катодный вывод. Это будет быстрый трюк для вас, чтобы идентифицировать клемму катода.
Указанный выше диод сквозной. Он используется в двухсторонних печатных платах или макетных платах для прототипирования. Кроме того, существует диод для поверхностного монтажа. Чтобы определить его катод, здесь применима та же стратегия, т. е. ищите серую линию.
Но что, если там нет серой линии?
Ответ: с помощью мультиметра. Теперь, как использовать мультиметр для определения клемм диода? Ну, у меня есть ответ и на это тоже. Но такой дополнительной информацией я делюсь только на своих частных коуч-классах .
Двигаемся дальше. Думаю, было бы здорово, если бы вы сами смогли идентифицировать диод на следующем рисунке. Можете ли вы сказать, где его катодный вывод?
Надеюсь, вы получили правильные ответы.
Теперь мы узнали, как выглядит диод физически.
Следующая интересная вещь, которую нужно узнать, это то, как мы можем использовать это в наших схемах. Чтобы использовать его в схеме, сначала мы должны узнать, как мы можем включить его. Каковы условия для его правильного включения и использования в наших схемах.
Ответ прямо здесь, в следующем разделе.
Прямое и обратное смещение диода
При подаче положительного напряжения на анод и отрицательного напряжения на катод. Вы увидите, как через нее начнет течь ток. И эта конкретная операция называется прямым смещением диода. Ток, который течет в условиях прямого смещения, называется прямым током диода.
Аналогично, если вы подаете отрицательное напряжение на анод и положительное на катод, вы смещаете диод в обратном направлении. А ток, следующий через диод при обратном смещении, является током утечки. Вы знаете, этот ток утечки слишком мал, но иногда мы учитываем его, а иногда пренебрегаем им.
В области прямого смещения диод можно рассматривать как замкнутый переключатель.
В то время как в области обратного смещения он действует как открытый переключатель. Во многих схемах он используется в качестве переключателя из-за очень низких потерь мощности, надежности и стоимости.
Поговорим немного заранее.
Диод будет находиться в прямом смещении, если суммарное напряжение на клеммах положительное. то есть это прямое смещение, даже катод -10, а анод -5В.
Таким образом, чтобы использовать диод в цепи, вы должны сделать его прямым смещением, чтобы передать сигнал на остальную часть схемы.
Мы добрались до этого места, изучая основы работы с диодами. Вы делаете очень хорошо. Теперь давайте посмотрим на соотношение напряжения прямого смещения и прямого тока диода в следующем разделе.
Кривая VI диода
График VI диода показывает зависимость между напряжением на диоде и прямым током через него. Это очень важная кривая для понимания. Как и у транзистора, у диода есть своя кривая VI.
Ниже приведен график VI (источник: Sparkfun) диода.
Посмотрите на нее, и я объясню все об этом
По сути, это называется кривая VI, потому что по оси X у вас есть напряжение, а по оси Y у вас есть ток. Зеленая область — это область прямого смещения. Вы можете видеть, что после VF (напряжение колена) прямой ток диода увеличился. Это означает, что диод включен и работает нормально. Напряжение колена различается для кремниевых (0,7 В) и германиевых (0,3 В) диодов.
Розовая область — область обратного смещения. Вы можете видеть небольшой ток утечки в обратной области, но он слишком мал. В этом состоянии диод действует как разомкнутый переключатель, обеспечивающий разомкнутую цепь. Будьте осторожны, когда вы находитесь в обратной области. Не подавайте обратное напряжение больше, чем VBR (напряжение в области пробоя). Если вы сделаете это, вы сожжете свой диод.
Теперь вы узнали, как использовать диод в цепи. Другое дело, как подобрать диод по требованиям вашей схемы. Чтобы ответить на этот вопрос, вы должны выбрать диод, способный работать с номинальным напряжением, током и мощностью цепи.
Напряжение, ток и мощность диода
Для правильной работы любого устройства необходимо знать его номинальные ток, напряжение и мощность. Эти рейтинги говорят нам о минимальном и максимальном количестве указанных параметров, которые должны быть применены к определенному устройству.
Номинальный ток диода говорит нам о минимальном и максимальном токе, который он может поддерживать. И такое же определение распространяется на остальные параметры.
Таблица данных является единственным источником, где можно найти эти номиналы для любого диода. Спецификации составляются производителями, чтобы каждый мог использовать их для идеальной реализации своих проектов, не повреждая устройства. Чтение таблицы данных очень важно, и иногда люди не понимают, как искать в ней конкретную информацию. Я помогу тебе с этой проблемой
Я возьму в качестве примера 1N4001 и покажу вам, как прочитать эти параметры из его таблицы данных.
- Сначала вы загружаете техническое описание вашего диода.
- Перейти к разделу: «Максимальные номинальные и электрические характеристики». Совсем не обязательно быть в точности таким. Но я думаю, вы поняли идею.
Техническое описание диода
Ниже приводится техническое описание 1N4001. Вы можете увидеть номиналы напряжения и тока в нем?
В первой строке указано пиковое обратное напряжение. Это напряжение на диоде, когда он выключен (обратное смещение). Не подавайте напряжение больше этого, вы можете сжечь его.
Вторая строка содержит ту же информацию, но в терминологии RMS. Среднеквадратичное значение обратного напряжения такое же, как напряжение блокировки постоянного тока. Пятая строка содержит информацию о максимальном прямом токе, с которым может безопасно работать диод. Чтобы ограничить этот прямой ток, перед диодом помещается последовательный резистор.
Вы можете задаться вопросом о номинальной мощности, верно? Мы можем просто умножить ток и напряжение, чтобы получить требуемую номинальную мощность.
В настоящее время номинальная мощность 1N4001 составляет 50 Вт (50 В x 1 А).
В шестой строке виден пиковый обратный ток. Здесь вы сами видите, что это слишком низко, как я уже говорил вам ранее. Всегда обращайтесь к техническому описанию вашего устройства. Не подавайте напряжение без надлежащей информации, есть вероятность, что вы можете повредить свое устройство.
Тестирование диода
Тестирование диода означает проверку его исправности. Простой способ сделать это с помощью мультиметра.
Следующее видео объясняет пошаговый подход к проверке диода с помощью мультиметра.
Типы диодов
На рынке представлено множество различных типов диодов. Работа диодов почти такая же, но их свойства меняются. Некоторые диоды быстрее. Некоторые обладают большей мощностью. Ниже приведен список всех различных диодов.
- Стабилитрон: пропускает ток не только от анода к катоду, но и в обратном направлении. Он используется в регулировании напряжения.
- Диод P-N перехода
- Туннельный диод: очень быстро работает, хорошо работает в микроволновом диапазоне частот.
- Варакторный диод: действует как переменный конденсатор при обратном смещении.
- Диод Шоттки: это диод с переходом металл-полупроводник, который потребляет меньше энергии, чем диод с переходом P-N.
- Фотодиод: преобразует свет в электрический ток PIN-диод
- : подходит для аттенюаторов, быстродействующих переключателей, фотодетекторов и силовой электроники высокого напряжения.
- Лазерный диод: производит когерентное излучение.
Он используется в регулировании напряжения.Применение диодов
Несмотря на то, что диоды представляют собой простые полупроводниковые устройства с двумя выводами, они играют жизненно важную роль в современной электронике. Почти в каждой электронной схеме есть диод внутри. Некоторые из типичных применений диодов включают:
- Преобразование переменного тока в постоянный (выпрямительные цепи)
- Умножители напряжения
- Защита многих других устройств
- Ограничение и ограничение сигнала (схемы ограничителя и ограничителя)
- Сигналы микширования (схемы микшера)
1.
Цепи выпрямителяДля правильной работы каждой цепи требуется питание. И поверьте мне, почти каждая схема работает на постоянном токе. Но все мы знаем, что в наши дома приходит электроэнергия переменного тока, а не постоянного тока. Нам нужен третий человек, чтобы преобразовать грядущий переменный ток в постоянный. Этот третий человек представляет собой схему выпрямителя.
Схема выпрямителя преобразует переменный ток в постоянный, чтобы мы могли питать устройства постоянного тока, такие как наши мобильные телефоны. Эта схема выпрямителя стала возможной благодаря изобретению диодов. Это отличное применение диодов. Без схемы выпрямителя мы не смогли бы преобразовать переменный ток в постоянный.
2. Умножители напряжения
Иногда нам нужны разные уровни напряжения в одной цепи. Вместо проектирования отдельных источников питания используются схемы умножителей напряжения. Как следует из названия, умножители напряжения представляют собой комбинацию диодов и конденсаторов, которые создают высокие уровни напряжения относительно уровня опорного напряжения.
Другими словами, умножители напряжения используются для получения высоких уровней постоянного напряжения из малых уровней переменного напряжения.
3. Защита
Обеспечение защиты является одним из основных применений диода. Возьмем, к примеру, свою машину. Когда ваша батарея садится, и дружелюбный прохожий предлагает помочь с соединительными кабелями, если вы перепутаете порядок красных и черных кабелей, вы не поджарите электрическую систему вашего автомобиля, потому что диоды, расположенные рядом с батареей, блокируют ток неправильного направления.
Использование силового транзистора или двигателя постоянного тока в вашем приложении: предварительный диод играет ключевую роль в защите других компонентов схемы от обратного тока.
4. Цепи ограничителя и ограничителя
Ограничитель — это ограничительная схема, которая ограничивает выходное напряжение, а ограничитель — это схема, которая изменяет уровень постоянного тока выходного напряжения. Ограничение амплитуды сигнала требуется в некоторых приложениях, в которых компоненты не могут выдержать высокую величину напряжения.
В то время как фиксатор используется, когда нам нужно кратное входное напряжение на выходной клемме.
5. Схема смесителя
Одна из самых простых схем смесителя основана на двух диодах. Этот тип диода, известный как схема смесителя с одним сбалансированным диодом, обеспечивает подавление входных сигналов на выходе в результате того, что два входа сбалансированы.
Резюме
Лично мне очень интересно было изучить основы работы с диодами. Я помню свою первую схему блока питания, в которой диоды играли главную роль.
Хотя в то время у меня не было достаточно знаний об этом, но со временем я многому научился. И этот пост посвящен тому, что я узнал на данный момент, и буду обновлять его по мере того, как буду узнавать что-то новое об основах диодов.
- Диод представляет собой полупроводниковый прибор, пропускающий ток в одном направлении
- Существуют два режима работы диода 1) Условия прямого смещения 2) Условия обратного смещения
- При использовании диода обязательно загрузите его техническое описание и проверьте номинальные значения тока, напряжения и мощности.
- Серая полоса на физическом диоде представляет катодную клемму.
- Проверить диод можно с помощью любого цифрового мультиметра.
Спасибо и удачной жизни.
Другие полезные посты
- Изучение основ транзисторов [Краткое и простое пошаговое руководство]
Основы твердотельных устройств
Диод, говоря простым языком, представляет собой полупроводник, который имеет два электрода и пропускает электрический ток только в одном направлении. Идеальный диод не имеет импеданса для тока в одном направлении и бесконечного импеданса в другом. Типичный твердотельный диод имеет очень низкое прямое сопротивление (что приводит к падению напряжения от 0,5 до 1,5 В) и обратный ток в несколько миллиампер при блокировке нескольких сотен вольт, как показано на рис. 1.9.0003
Что вызывает протекание тока?
Типичный полупроводниковый диод состоит из так называемых материалов N-типа и P-типа. Эти материалы создаются путем изменения их кристаллической структуры; другими словами, некоторые атомы внутри их кристалла заменены атомами другого элемента.
Материал N-типа создается путем добавления атомов из элемента, который имеет больше электронов во внешней оболочке, чем кристалл. Это обеспечивает больше свободных электронов, и, поскольку они имеют отрицательный заряд, материал называется N-типом («N» для отрицательного).
Та же процедура используется для создания материала P-типа, за исключением того, что к кристаллу добавляются атомы элемента, имеющего меньше электронов во внешней оболочке. Это приводит к пустым отверстиям в кристаллической структуре, которые представляют собой положительные заряды; отсюда и название P-типа («P» для положительного).
Когда на диод подается напряжение, отверстия в материале P-типа заполняются свободными электронами из материала N-типа; таким образом, ток течет от отрицательного потенциала к положительному потенциалу. (Обратите внимание, что в электронной теории ток течет от отрицательного к положительному, тогда как обычный ток течет от положительного к отрицательному.)
Это очень упрощенное объяснение; тем не менее, это обеспечивает обоснование однонаправленного течения тока.
Какой конец какой?
Когда к диоду применяется правильная полярность, это называется прямым смещением и приводит к прямому току. Когда вы применяете противоположную полярность, это называется обратным смещением, и это приводит к обратному току, который очень близок к нулю.
Как показано на рис. 2, символ диода состоит из двух частей: прямая линия, обозначающая катод, и треугольник, обозначающий анод. Как мы обсуждали ранее, электроны текут от катода к аноду.
Производители по-разному обозначают расположение анода и катода. Один метод имеет символ диода на поверхности диода; другой использует полосу вокруг диода, указывающую на катод; в третьем способе конец катода физически больше, чем конец анода; и в четвертом способе конец катода скошен.
Если вы не уверены в полярности, для проверки можно использовать омметр. Полярность омметра обычно обозначается маркировкой на его лицевой стороне (+ или -) или цветовой маркировкой (красный — положительный, черный — отрицательный).
Чтобы найти полярность (прямое и обратное смещение) диода, вы помещаете диод в одном направлении между известными полярностями омметра и снимаете показания сопротивления; затем измените направление диода и сделайте еще одно показание. Низкое значение сопротивления указывает на прямое смещение, а высокое значение сопротивления указывает на обратное смещение. Поскольку полярность омметра известна, конец диода, подключенный к отрицательному выводу во время прямого смещения, должен быть катодом; а конец, подключенный к положительному проводу, должен быть анодом.
Проверка диодов
Хотя диоды очень надежны, они, конечно же, не являются неразрушимыми. Что может их повредить? Все, от высокого напряжения до неправильного подключения и перегрева. Таким образом, вам, возможно, придется проверить состояние диода во время устранения неполадок неработающего полупроводникового оборудования.
Открытые и шорты — две наиболее распространенные проблемные зоны.
Вот как интерпретировать показания омметра для определения состояния диода.
Обрыв диода. При снятии двух наборов показаний сопротивления, один с измерительными проводами, подключенными плюс к аноду, минус к катоду, а другой с минусом к аноду, плюс к катоду, в обоих случаях получают высокие показания сопротивления.
Закороченный диод. При снятии двух наборов показаний сопротивления, один с измерительными проводами, подключенными плюс к аноду, минус к катоду, а другой с минусом к аноду, плюс к катоду, в обоих случаях получают показания низкого сопротивления.
Хороший диод. При снятии двух наборов показаний сопротивления, один с измерительными проводами, соединенными плюсом с анодом, минусом с катодом, а другой с минусом с анодом, плюсом с катодом, первое соединение обеспечивает низкое значение сопротивления, а второе второе соединение обеспечивает высокое показание сопротивления.
Если диод открыт или закорочен, его необходимо заменить.
Емкость диода и снижение номинальных характеристик
Величина тока, при котором диод может работать, не повреждая себя, ограничивается двумя факторами: размером его радиатора, который помогает рассеивать тепло, и материалом, из которого он изготовлен, P-типа, N-типа (PN) повышение температуры перехода.
Большинство диодов рассчитаны на работу при 25°C или при комнатной температуре. Это отражение повышения температуры PN-перехода диода. Если температура окружающей среды повышается, диод не может рассеивать столько тепла, и тогда его номинальные характеристики должны быть снижены. Это означает, что максимальный рабочий ток диода должен быть уменьшен. Производители предлагают таблицы снижения номинальных характеристик, чтобы помочь вам найти эти пределы.
Производители полупроводникового оборудования обычно устанавливают радиаторы, позволяющие внутренним диодам работать при максимальном рабочем токе или близком к нему. При модернизации или устранении неполадок вы можете установить радиатор, чтобы предотвратить частое повреждение диода. Опять же, эту информацию можно получить у производителей полупроводникового оборудования.
Типичное применение диодов
Диоды обычно используются в выпрямителях, затворах, модуляторах и детекторах. Давайте поговорим о выпрямителях здесь.
