Типы диодов: полный обзор видов и применений полупроводниковых приборов

Характеристика диодов

История возникновения диода

Возникновение диода обязано ученому из Великобритании Фредерику Гутри и немецкому физику Карлу Фердинанду Брауну. В 1873 и 1874 годах они открыли принцип работы термионных диодов и принцип работы кристаллических диодов. Позже термионными диодами стали называть специализированные вакуумные лампы. В начале 1880 года Томас Эдиссон повторно задокументировал работу термионного диода, но развитие этого радиоэлектронного компонента произошло только через 9 лет, когда немецкий ученый Карл Браун показал действие выпрямителя на кристалле. В начале 20 века Гринлиф Пикард предъявил публике первый радиоприемник, в основе которого был положены свойства диода реагировать на электромагнитные колебания. Промышленный выпуск диодов термионного типа (ламповых диодов) был налажен в Британии с разрешения Джона Флеминга в 1904 году, а через 2 года американец Пикард запатентовал первый детектор из кристаллов кремния. Современную терминологию слова «диод» (от греч. «di» — два, «odos» — путь) ввел Вильям Генри Иклс в 1919 году. В СССР главную роль в развитии полупроводниковых компонентов сыграл физик Б. М. Вул.

Первое развитие получили ламповые диоды или кенотроны (электровакуумные диоды), а так же газонаполненные диоды (газотроны, стабилитроны, игнитроны). Однако основной вклад в развитие радиоэлектронных компонентов внесли полупроводниковые диоды на основе кремния и германия.

Физические основы работы диода

Открытый в 1882 году химический элемент «германий» Клеменсом Винклером в процессе изучения в электричестве позволил выявить эффект полупроводника тока. Эксперименты физиков для получения одностороннего проводника тока привели к такому результату, что если к германию присоединить акцепторную примесь (барий, алюминий, галлий или индий), способную захватывать электроны, накопленные в германии, то в результате получится электронный элемент, способный пропускать электроны только в одну сторону (от германия к акцепторной смеси). Как мы знаем, электрон – это отрицательно заряженная частица, притягивающаяся к положительной частице, однако в электронике принято обозначение перемещения тока от плюса к минусу. Таким образом, диод представляет собой смесь германия или кремния с акцепторным материалом. Германий, за счет накопленных электронов несет в себе отрицательный N заряд (N — negative), а акцепторная смесь насыщается положительными P ионами (P — positive). Процесс протекания тока из P области в N область через место «соединения» или p-n переход и есть принцип работы диода. Его особенностью является возможность протекания тока только в одном направлении, поэтому диод является однонаправленным полупроводником. Отрицательно заряженную сторону с германием принято называть «катодом», а положительно заряженную половину «анодом». На схемах диод обозначается в виде направления протекания тока в виде стрелки к отрицательно заряженной стороне.

Когда диод не подключен к источнику питания, p-n переход находится в состоянии покоя. И в результате притягивания электронов к положительным ионам происходит их дрейф через переход. Такой процесс называется «диффузией», предусматривающий притягивание электронов через переход к «дыркам» положительных ионов. Диффузионное движение из-за постоянно меняющейся концентрации ионов и электронов происходит возле перехода постоянно.

При подключении к p-n структуре внешнего источника напряжения или напряжения смещения происходит изменение условий переноса заряда через переход. Важным фактором здесь становится полярность внешнего напряжения, подключенного к аноду и катоду диода.

Прямое подключение напряжения к p-n структуре

При прямом включении диода, когда плюс источника питания подключен к p-области, а минус к n-области происходит прямое протекание тока через переход. При этом электроны, находящиеся в n-области за счет подключенного минуса источника питания будут передвигаться ближе к переходу. Собственно, с положительно заряженными частицами в p-области будет происходить то же эффект. В результате p-n переход будет заполняться электронами в «дырках» (положительных ионах). Возникнет электрическое поле, которое позволит свободным электронам преодолеть сопротивление перехода, пройти барьерную зону и p-область к положительному контакту источника питания. В данной цепи возникнет электрический ток, который называют прямым током смещения перехода. Величина этого тока будет ограничена техническими характеристиками диода.

Момент, когда создается электрическое поле в p-n переходе на положительной ветви Вольт — Амперной Характеристики диода (ВАХ) отмечен некоторым напряжением ∆Ua. Это напряжение определено не только силой тока, но и сопротивлением самого p-n перехода. Чем ниже это сопротивление, тем меньше необходимо энергии для того, чтобы открыть переход, а так же его закрыть. Отступив от темы статьи, стоит сказать, что энергия в переходе при исчезновении питания моментально не пропадает. Происходит эффект рассасывания заряда, обусловленный емкостью перехода. Чем ниже эта емкость, тем быстрее диод перейдет в «выключенное» состояние с успокоением всех переходных процессов в p-n переходе. Этот параметр очень важен в частотных диодах, о которых мы расскажем ниже. В современных диодах значения напряжения ∆Ua варьируется от 0,3 до 1,2 вольта (кремний 0,8 – 1,2В., германий 0,3 – 0,6В.) в зависимости от мощности диода. Так же его называют падением напряжения p-n перехода.

Обратное подключение напряжения к p-n структуре

При подключении к диоду питания в обратном направлении происходит увеличение сопротивление p-n перехода и барьер возрастает, вследствие того, что электронам в n-области и свободным ионам в p-области легче соединиться с зарядом источника питания. При увеличении напряжения питания происходит лавинообразный отток заряженных частиц от перехода. В результате диод переходит в закрытое состояние из-за обратного напряжения.

На обратной ветви ВАХ участок 0 – 1 обусловлен небольшим обратным напряжением. При этом увеличение обратного тока наблюдается за счет уменьшения диффузионной составляющей. Другими словами в p и n областях присутствуют неосновные носители. Даже когда диод закрыт, через барьер при малом напряжении они могут протекать из одной области в другую. Значение этого тока несоизмеримо мало по сравнению с прямым током, поскольку количество неосновных носителей в разных областях p и n минимально. Начиная с точки 1 основные носители уже не способны преодолеть барьер, а диффузионные неосновные носители полностью рассасываются в свои области переходов. Этим объясняется отсутствие роста тока при увеличении обратного напряжения. Поскольку концентрация неосновных носителей заряда зависит от температуры сплава (иначе «кристалла»), то обратный ток будет увеличиваться в зависимости от увеличения температуры кристалла. Именно поэтому его называют тепловым. Это лавинообразный процесс и он подчиняется экспотенциальному закону. Именно из-за обратных токов диоды начинают греться и их устанавливают на теплоотводы. Если значение обратного тока будет выше предусмотренного диодом, то начнется неконтролируемый процесс так называемого теплового пробоя, после которого следует электрический пробой, приводящий диод в негодность. Стабильная работа кремниевых диодов возможна при температуре 130 – 135 градусов. Разрушение кристалла германиевых диодов происходит при температуре 50 – 60 градусов.

Полная вольт – амперная характеристика диода

Вольт – амперная характеристика отображает зависимость протекающего через диод тока от величины приложенного прямого и обратного напряжения. Чем круче и ближе к оси Y прямая ветвь и ближе к оси X его обратная ветвь, тем лучше выпрямительные свойства диода. При несоизмеримо большом обратном напряжении у диода наступает электрический пробой. При этом резко возрастает обратный ток. Нормальная работа диода возможна в том случае, если приложенное к нему обратное напряжение не превышает максимально допустимое, называемое пробивным напряжением. Как мы уже писали, токи диодов зависят от температуры кристалла. На каждый градус падение напряжения на p-n переходе изменяется на 2мВ. Если температура кристалла растет вверх, то обратный ток германиевых диодов увеличивается в 2 раза, у кремниевых диодов обратный ток растет в 2,5 раза на каждые 10 градусов. При этом пробивное напряжение при увеличении температуры понижается.

Конструктивное исполнение диодов

По технологическому исполнению диоды могут быть плоскостные и точечные. P-n переход плоскостных диодов (на рисунке б – плоскостной сплавной диод) выполняется на границе двух слоев в полупроводнике. Слои имеют электропроводимость разных типов. За счет большей площади перехода плоскостные диоды могут пропускать большие токи через себя. Их недостатком является большая переходная емкость , что ограничивает применение плоскостных диодов в высокочастотной технике. Однако, есть гибридные диоды, сочетающие в себе и малую емкость, и малое переходное сопротивление, и возможность пропускать большие токи. Примером может быть отечественный диод КД213.

У точечных диодов p-n переход изготовляется в месте контакта полупроводниковой пластины с острием металлической иглы. Современные диоды производят с применением германия, кремния, фосфида и арсенида галлия. 

Типы и характеристика диодов

Выпрямительные диоды

Выпрямительные диоды используются для выпрямления переменных токов на частотах, как правило, ниже 50 кГц. Конструктивное исполнение таких диодов преимущественно плоскостное. За счет этого диоды позволяют проводить через себя большие выпрямленные токи. Большей частью материалом изготовления выпрямительных диодов является кремний за счет устойчивости к температурным изменениям. Основными параметрами, определяющими характеристику диода, являются:

Uпр. – постоянное прямое напряжение на диоде при заданном постоянном прямом токе.

Uобр. – постоянное напряжение, приложенное к диоду в обратном направлении.

Iпр. – постоянный ток, протекающий через диод при подключении в прямом направлении.

Iобр. – постоянный ток, протекающий через диод, включенный в обратном направлении.

Iпр.ср. – прямой ток, усредненный за период.

Iобр.ср. – обратный ток, усредненный за период.

Rдиф. – отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока.

Кроме того, всех типов существуют ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИОДОВ, определяющие их максимальные технические возможности, к которым относятся:

Uобр.max – максимальное напряжение, приложенное при обратном включении диода.

Iпр.max – максимально допустимый постоянный прямой ток (один из важнейших параметров).

Iпр.ср.max – максимально допустимый средний прямой ток.

Iвп.ср.max – максимально допустимый средний выпрямленный ток.

К дополнительным параметрам относится интервал рабочих температур.

Выпрямительные диоды широко применены в электронной схемотехнике. На их основе нередко можно встретить диодные мосты для изменения формы тока из переменного в постоянный.

Современное развитие электроники невозможно без применения высокочастотных диодов.

Высокочастотные диоды

Данные диоды используются в широком диапазоне частот вплоть до нескольких сотен мегагерц и выше. Чаще всего их применяют для модуляции и детектирования, а так же в высокочастотных радиоцепях. В качестве высокочастотных диодов используются элементы, выполненные в точечном исполнении из-за малой емкости перехода.

Для таких диодов дополнительно важны две характеристики, это максимальная рабочая частота в МГц и емкость диода в пФ.

Импульсные диоды

Импульсные диоды предназначены для преобразования импульсных сигналов. В силовой схемотехнике мощные импульсные диоды могут работать в качестве выпрямителей. Примером может служить импульсный блок питания, где они используются во вторичной цепи после импульсного трансформатора. Так же импульсные диоды применяют в телевизионной технике (детекторах видеосигналов), в ключевых и логических устройствах. Различают двух и трех электродные импульсные диоды (спаренные). Трех электродные диоды могут быть с общим анодом или с общим катодом. Для импульсных диодов свойственны следующие дополнительные характеристики:

Uпр.и – пиковое прямое напряжение при заданном импульсе тока.

Uобр.и – соответственно, обратное напряжение в пике как однократное, так и периодически повторяющееся.

Сд – общая емкость диода при заданных напряжениях и частоте. Большой параметр Сд снижает частотные свойства диода. Так же от значения Сд напрямую зависит следующий параметр.

τ вос – время восстановления с момента окончания импульса тока в состояние заданного обратного запирающего напряжения (окончание переходных процессов рассасывания заряда в p-n переходе)

Qпк – часть накопленного заряда, вытекающего во внешнюю цепь при реверсивном изменении тока с прямого значения на обратное.

Одним из основных параметров диодов Шотки является

Iпр.и max – максимально допустимый ИМПУЛЬСНЫЙ прямой ток.

Стабилитроны и стабисторы

Данный тип диодов необходим в цепях стабилизации напряжения при изменении проходящего через диод тока. Его основными характеристиками является:

Uст — напряжение стабилизации.

Iст. max и Iст. min – максимальный и минимальный ток стабилизации.

Pmax – максимально допустимая рассеиваемая мощность.

Для стабилитронов рабочим является пробойный участок ВАХ. На рисунке он отмечен расстоянием между точками Iст.min и Iст.max. На этом участке напряжение на стабилитроне остается постоянным при существенном изменении значения тока. Для стабисторов рабочим является прямой участок ВАХ. Так же существуют двуханодные стабилитроны, включающие в себя два встречно включенных p-n перехода. Каждый из этих переходов является основным при изменении полярности его подключения.

Варикап

Специальный полупроводниковый диод. Его емкость p-n перехода изменяется в значительных пределах в зависимости от приложенного к нему обратного напряжения. В случае увеличения обратного напряжения, емкость перехода уменьшается и наоборот. Варикапы активно применяются в гетеродинах (радиоблоках, где необходима регулировка частоты). К примеру, варикап довольно часто можно встретить в FM – радиоприемниках. К основным характеристикам варикапа относятся:

Сн – измеренная емкость при заданном напряжении.

Кс – соотношение емкостей при минимальном и максимально допустимом напряжении.

Iобр – максимальный ток, протекающий через варикап в обратном напрявлении. (ток утечки).

Туннельный диод

Туннельный диод используется в высокочастотных усилителях и генераторах электрических колебаний (например телевизионных усилителях). Кроме того его применяют в различных импульсных устройствах. Его особенностью является участок А-В с отрицательным дифференциальным сопротивлением, определяющим отношение между изменением напряжения к приращению тока. К его дополнительным параметрам относятся:

Iп – прямой ток в точке максимума ВАХ, при котором приращение тока к напряжению равняется 0.

Lд – индуктивность диода, препятствующая прохождению высокочастотного сигнала.

Кш – шумовая составляющая диода.

Rп – сопротивление потерь туннельного диода.

Диод Шоттки

Популярный диод в радиотехнике за счет малого шума и высокого быстродействия. Его относят к подвиду импульсных диодов. Технологически диод Шоттки выполняется из структуры металл-полупроводник. Применение диодов с барьером Шоттки самое разнообразное, от ATX блоков питания ПК, до СВЧ устройств. Переход диода Шоттки выполнен по принципу p-i-n, где в качестве i выступает высокоомный слаболегированный полупроводник. Под действием напряжения изменяются его частотные характеристики, что позволяет использовать диод в схемах управления сигналами, например аттеньюаторах, ограничителях уровня, модуляторах. Мощные диоды Шоттки могут использоваться в качестве выпрямительных радиоэлементов частотных блоков питания.

Светодиод

Специальный тип диода, который может создавать некогенерентное излучение (испускание видимых фотонов света атомами p-n перехода). В зависимости от количества легирующего материала изменяют длину спектра. За счет этого светодиоды могут изготавливать разных цветов. Применение светодиода самое широкое: от сигнальных цепей оповещения, до бытового освещения. Кроме того, при использовании специальных материалов изготовления светодиод может излучать в инфракрасном спетре. Это свойство нашло ему применение в пультах дистанционного управления и других электронных устройствах. Современные светодиоды выполняются на большие мощности (до 10Вт.) p-n переход очень чувствителен к токовым изменениям, поэтому для его использования необходим специализированный драйвер, представляющий собой стабилизатор / регулятор тока.

Фотодиод

Часто применяется для приема инфракрасного светового спектра, а так же в цепях гальванической развязки. Кроме того, первые солнечные батареи использовали именно фотодиод. Совместно с излучающими диодами или транзисторами может организовывать единое устройство, называемое оптопарой. Работа фотодиода основана на фотогальваническом эффекте, при котором за счет разделения электронов и дырок в p-n переходе начинает появляться ЭДС. В зависимости от степени освещенности уровень вырабатываемой ЭДС в фотодиоде так же изменяется.

Как подобрать диод и чем они отличаются?

По своим типам подразделяют на:

• Полупроводниковые. Приборы с 1 электрическим выпрямляющим переходом и 2 выводами, в нем применяется определенное свойство перехода. В свою очередь, полупроводники разделяют на выпрямительные устройства большой, средней и малой мощности, импульсные и полупроводниковые стабилитроны.
• Выпрямительные с небольшой мощностью. Сюда определяют приборы с прямым током до 300 мА. Выпрямительный допустимый ток определяет среднее значение при показателе 50 Гц. Показатель обратного максимального напряжения – до 1200 В.
• Выпрямительные со средней мощностью. Со средним значением тока 300 мА – 10 мА. Больший ток тут возможен при помощи увеличения размеров кристаллов на переходе. В большей части кремниевые диоды. Небольшой обратный ток.
• Силовые. Работают в диапазоне от 10 А  и больше. Показатель обратного напряжения составляет значение 6000 В и меньше. Изготовлены они, как правило, из кремниевого материала.

Функции диодов

Полупроводники выполняют ряд функций, которые зависят от используемого типа  прибора.

Диодные мосты. Это соединенные между собой 4,6,12 диодов. Их основная функция – это выпрямительная, лучше всего применять для автомобильного генератора, потому что использование такого типа мостов  способно уменьшить габариты используемого прибора, а заодно и увеличить его надежность. При последовательном одностороннем соединении повышается минимальный показатель напряжения, нужного для того, чтобы открыть весь мост.

Диодный детектор. Это – часть конструкции большинства бытовых приборов, как, например, приемников и телевизоров. Обеспечена защита от неправильной полярности, перегрузки, ключа от пробоя  электрической силой, которая может появиться в процессе самоиндукции. Для того, чтобы защитить схемы от перегрузки, используют цепочку, которая состоит из нескольких диодов. Они подключены к шинам питания в обратном порядке. Вход с защитой подключают, как правило, на середину указанной цепочки.

Во время обычной работы схем, диоды  находятся в закрытом положении, но если они уловили, что потенциал на входе превысил допустимые показатели, то происходит активизирование защитного элемента. По причине этого допустимые потенциальные показатели ограничиваются по формату питающего допустимого напряжения вместе с прямыми падениями показателя напряжения на защитных приборах.

Диодные переключатели применяют для того, чтобы произвести коммутирование сигналов на высоких частотах. Управляют всем этим с помощью электрического постоянного тока, подачи сигнала управления, разделения высокой частоты, это происходит из-за индуктивности и конденсаторов.

Диодная искрозащита. Шунто-диодные барьеры в ней применяются для того, чтобы гарантировать безопасность, ограничив напряжение на нужной заданной электроцепи.

Также вместе с этим используют токоограничивающие резисторы, которые нужны для того, чтобы ограничить показатель электротока, проходящего по сети, и увеличить параметры защиты.

Применение диодов по типам

Зависимо от сферы применения, полупроводниковые приборы подразделяют на такие типы: выпрямительные, универсальные, сверхвысокочастотные, импульсные. Также — вирикапы, стабилитроны, обращенные тоннельные, фотодиоды, генераторы шумов, светоизлучающие, магнитодиоды.  Купить диоды вы сможете на нашем сайте, для этого вам всего лишь нужно ознакомиться с предложенным каталогом, выбрать и заказать именно то, что нужно. Наши менеджеры любезно предоставят вам детальную консультацию для того, чтобы ваша покупка была максимально удачной и полезной.

Полупроводники применяют в электронике, для выпрямления тока, для подключения к источникам с переменными токами, еще – в качестве защиты при неверном подключении, для приема сигнала.

Штырьевые диоды:

Вывод:

Таким образом, анализируя все вышесказанное, можно сделать следующие выводы. Выбирая диод, нужно ориентироваться на выдвигаемые к нему требования.  Независимо от того, для чего именно подбирается устройство, при выборе нужно обратить внимание на основные характеристики, на допустимое максимальное значение прямых токов с обратным напряжением. Если импульсный показатель прямых токов средней величины значительно превышен, то нужно именно его и учитывать, особенно – для полупроводникового диода.

Если нужно выпрямить токи на большой частоте, то нужно ориентироваться на быстрое действие прибора, у полупроводникового точечного устройства собственная емкость ниже, чем у плоскостного. По причине этого они выпрямляют ток на высокой частоте. К тому же – маломощные.  Аналогичны с небольшой разницей диоды Шоттки.

Если не имеет значения кпд и не нужен обратный ток, лучше выбрать электровакуумное устройство, выпрямляющее при небольшом напряжении.

Полупроводниковые диоды — типы, принцип работы

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.

© 2012-2020 г. Все права защищены.

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

Маркировка диодов: таблица обозначений

Стандартная конструкция полупроводникового диода выполнена в виде полупроводникового прибора. В нем имеется два вывода и один выпрямляющий электрический переход. Вся система соединена в едином корпусе из пластмассы, стекла, металла или керамики. Часть кристалла с более высокой концентрацией примесей носит название эмиттера, а область, имеющая низкую концентрацию, называется базой. Маркировка диодов и схема обозначений применяются в соответствии с их индивидуальными свойствами, конструктивными особенностями и техническими характеристиками.

Характеристики и параметры диодов

В зависимости от применяемого материала, диоды могут быть выполнены из кремния или германия. Кроме того, для их изготовления используется фосфид индия и арсенид галлия. Диоды из германия обладают более высоким коэффициентом передачи, по сравнению с кремниевыми изделиями. У них большая проводимость при сравнительно невысоком напряжении. Поэтому, они широко используются в производстве транзисторных приемников.

В соответствии с технологическими признаками и конструкциями, диоды различаются как плоскостные или точечные, импульсные, универсальные или выпрямительные. Среди них следует отметить отдельную группу, куда входят светодиоды, фотодиоды и тиристоры. Все перечисленные признаки дают возможность определить диод по внешнему виду.

Характеристики диодов определяются такими параметрами, как прямые и обратные токи и напряжения, диапазоны температур, максимальное обратное напряжение и другие значения. В зависимости от этого, производится нанесение соответствующих обозначений.

Обозначения и цветовая маркировка диодов

Современные обозначения диодов соответствуют новым стандартам. Они разделяются на группы, в зависимости от предельной частоты, при которой происходит усиление передачи тока. Поэтому, диоды бывают низкой, средней, высокой и сверхвысокой частоты. Кроме того, у них различная рассеиваемая мощность: малая, средняя и большая.

Маркировка диодов представляет собой краткое условное обозначение элемента в графическом исполнении с учетом параметров и технических особенностей проводника. Материал, из которого изготовлен полупроводник, имеет обозначение на корпусе соответствующими буквенными символами. Эти обозначения проставляются вместе с назначением, типом, электрическими свойствами прибора и его условным обозначением. Это помогает, в дальнейшем, правильно подключить диод в электронную схему устройства.

Выводы анода и катода обозначаются стрелкой или знаками плюс или минус. Цветовые коды и метки в виде точек или полосок, наносятся возле анода. Все обозначения и цветовая маркировка позволяют быстро определить тип устройства и правильно использовать его в различных схемах. Подробная расшифровка данной символики приводится в справочных таблицах, которые широко используются специалистами в области электроники.

Маркировка импортных диодов

В настоящее время широко используются SMD-диоды зарубежного производства. Конструкция элементов выполнена в виде платы, на поверхности которой закреплен чип. Слишком маленькие размеры изделия не позволяют нанести на него маркировку. На более крупных элементах обозначения присутствуют в полном или сокращенном варианте.

В электронике SMD-диоды составляют около 80% всех используемых изделий этого типа. Такое разнообразие деталей заставляет внимательнее относиться к обозначениям. Иногда они могут не совпадать с заявленными техническими характеристиками, поэтому желательно провести дополнительную проверку сомнительных элементов, если они планируются к использованию в сложных и точных схемах. Следует учитывать, что маркировка диодов этого типа может быть разной на совершенно одинаковых корпусах. Иногда присутствует только буквенная символика, без каких-либо цифр. В связи с этим рекомендуется использовать таблицы с типоразмерами диодов от разных производителей.

Для SMD-диодов чаще всего используется тип корпуса SOD123. На один из торцов может наноситься цветная полоса или тиснение, что означает катод с отрицательной полярностью для открытия р-п-перехода. Единственная надпись соответствует обозначению корпуса.

Тип корпуса не играет решающей роли при использовании диода. Одной из основных характеристик является рассеивание некоторого количества тепла с поверхности элемента. Кроме того, учитываются значения рабочего и обратного напряжения, величина максимально допустимого тока через р-п-переход, мощность рассеивания и другие параметры. Все эти данные указаны в справочниках, а маркировка лишь ускоряет поиск нужного элемента.

По внешнему виду корпуса не всегда удается определить производителя. Для поиска нужного изделия существуют специальные поисковики, в которые нужно ввести цифры и буквы в определенной последовательности. В некоторых случаях диодные сборки вообще не несут какой-либо информации, поэтому в таких случаях сможет помочь только справочник. Подобные упрощения, делающие обозначение диода очень коротким, объясняются крайне ограниченным пространством для нанесения маркировки. При использовании трафаретной или лазерной печати удается разместить 8 символов на 4 мм2.

Стоит учесть и тот факт, что одним и тем же буквенно-цифровым кодом могут обозначаться совершенно разные элементы. В таких случаях анализируется вся электрическая схема.

Иногда в маркировке указывается дата выпуска и номер партии. Подобные отметки наносятся для возможности отслеживания более современных модификаций изделий. Выпускается соответствующая корректирующая документация с номером и датой. Это позволяет более точно установить технические характеристики элементов при сборке наиболее ответственных схем. Применяя старые детали для новых чертежей, можно не получить ожидаемого результата, готовое изделие в большинстве случаев просто отказывается работать.

Маркировка диодов анод катод

Каждый диод, как и резистор, оборудован двумя выводами – анодом и катодом. Эти названия не следует путать с плюсом и минусом, которые означают совершенно другие параметры.

Тем не менее, очень часто требуется определить точное соответствие каждого диодного вывода. Существует два способа определения анода и катода:

• Катод маркируется полоской, которая заметно отличается от общего цвета корпуса.
• Второй вариант предполагает проверку диода мультиметром. В результате, не только устанавливается местонахождение анода и катода, но и проверяется работоспособность всего элемента.

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. При обратном смещении диода i.е, 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
• Ступенчатый восстанавливающий диод
• Фотодиод
• 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. Поэтому 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. Диод с точечным контактом (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, то есть 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 до тех пор, 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 режимах «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 только 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-своему, что делает их полезными для многих приложений. Некоторые общие области применения диодов:

• Корректирующее напряжение, например преобразование переменного тока в переменный постоянный ток
• Разделение сигналов от источника 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, в пределах 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 работе функциональной точки. 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 фотокамер.

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 ограничитель тока с двумя выводами. 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: В этой области одновременно доступны свободные электроны и дырки.
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 ограниченные гетероструктурные лазеры, 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 на протяжении 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 свободно 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. Кроме того, 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

Диоды специального назначения | Диоды и выпрямители

диоды Шоттки

S Диоды Шоттки сконструированы из металлического перехода к N , а не из полупроводникового перехода P-N.Диоды Шоттки, также известные как с горячими несущими диодами , характеризуются быстрым временем переключения (малым временем обратного восстановления), низким прямым падением напряжения (обычно от 0,25 до 0,4 В для перехода металл-кремний) и низкой емкостью перехода.

Условное обозначение диода Шоттки показано на рисунке ниже.

Условное обозначение диода Шоттки.

Преимущества и недостатки диодов Шоттки

Прямое падение напряжения (VF), время обратного восстановления (trr) и емкость перехода (CJ) диодов Шоттки ближе к идеалу, чем у среднего «выпрямляющего» диода.Это делает их подходящими для высокочастотных приложений. К сожалению, диоды Шоттки обычно имеют более низкие номинальные значения прямого тока (IF) и обратного напряжения (VRRM и VDC), чем выпрямительные диоды, и поэтому не подходят для приложений, требующих значительного количества энергии. Хотя они используются в источниках питания импульсных стабилизаторов низкого напряжения.

Применение диодов Шоттки

Лавинный фотодиод: Лавинный фотодиод (APD) , предназначенный для работы при высоком обратном смещении, демонстрирует эффект электронного умножителя, аналогичный фотоэлектронному умножителю. Обратное смещение может составлять от 10 вольт до почти 2000 В. Высокий уровень обратного смещения ускоряет созданные фотонами электронно-дырочные пары во внутренней области до достаточно высокой скорости, чтобы освободить дополнительные носители от столкновений с кристаллической решеткой. Таким образом, получается много электронов на фотон.Мотивация для APD состоит в том, чтобы добиться усиления внутри фотодиода для преодоления шума во внешних усилителях. В некоторой степени это работает. Однако APD создает собственный шум. На высокой скорости APD превосходит комбинацию усилителей с PIN-диодами, но не для низкоскоростных приложений. APD дороги, примерно столько же, сколько фотоэлектронный умножитель. Таким образом, они могут конкурировать только с фотодиодами с PIN-кодом для нишевых приложений. Одно из таких приложений — подсчет одиночных фотонов применительно к ядерной физике.

Солнечные элементы

Фотодиод, оптимизированный для эффективной подачи энергии на нагрузку, — это солнечный элемент . Он работает в фотоэлектрическом режиме (PV), потому что он смещен в прямом направлении напряжением, возникающим на сопротивлении нагрузки.

Монокристаллические солнечные элементы

Монокристаллические солнечные элементы производятся по технологии, аналогичной обработке полупроводников. Это включает выращивание монокристаллической були из расплавленного кремния высокой чистоты (P-типа), хотя и не такой высокой чистоты, как для полупроводников.Були распиливают алмазной пилой или проволочной пилой на вафли. Концы були должны быть выброшены или переработаны, а силикон теряется в пропиле пилы. Поскольку современные ячейки почти квадратные, кремний теряется при возведении були в квадрат. Клетки могут быть вытравлены для текстуры (придания шероховатости) поверхности, чтобы помочь улавливать свет внутри клетки. При производстве квадратных пластин 10 или 15 см теряется значительная часть кремния. В наши дни (2007 г.) производители солнечных элементов обычно закупают пластины на этом этапе у поставщика полупроводниковой промышленности.

Компоненты солнечных батарей

Пластины P-типа загружаются встык в лодочки из плавленого кварца, открывая только внешнюю поверхность для легирующей примеси N-типа в диффузионной печи. В процессе диффузии наверху ячейки образуется тонкий слой n-типа. Распространение также сокращает края ячейки спереди назад. Чтобы раскоротить клетку, необходимо удалить периферию путем плазменного травления. Серебряная или алюминиевая паста нанесена на заднюю часть ячейки, а серебряная сетка — на передней. Они спекаются в печи для обеспечения хорошего электрического контакта.(Рисунок ниже)

Ячейки соединены последовательно металлическими лентами. Для зарядки 12-вольтовых батарей 36 ячеек с напряжением примерно 0,5 В ламинируются в вакууме между стеклом и металлической полимерной задней панелью. Стекло может иметь текстурированную поверхность, которая помогает улавливать свет.

Кремниевый солнечный элемент

Конечные коммерческие высокоэффективные (21,5%) монокристаллические кремниевые солнечные элементы имеют все контакты на задней стороне элемента. Активная площадь ячейки увеличивается за счет перемещения верхних (-) контактных проводников к задней части ячейки.Верхние (-) контакты обычно подключаются к кремнию N-типа в верхней части ячейки. На рисунке ниже (-) контакты соединены с диффузорами N ⁺ на дне, чередующимися с (+) контактами. Верхняя поверхность текстурирована, чтобы помочь улавливать свет внутри ячейки. [VSW]

Высокоэффективный солнечный элемент со всеми контактами сзади. Взято из рисунка 1 [VSW]

Различные виды солнечных батарей

Элементы из мультикристаллического кремния начинаются с заливки расплавленного кремния в прямоугольную форму.Когда кремний охлаждается, он кристаллизуется в несколько больших (от миллиметров до сантиметров) беспорядочно ориентированных кристаллов вместо одного. Остальная часть процесса такая же, как и для монокристаллических ячеек. На готовых ячейках видны линии, разделяющие отдельные кристаллы, как если бы ячейки были треснутыми. Высокая эффективность не так высока, как у монокристаллических ячеек, из-за потерь на границах кристаллических зерен. Поверхность ячейки не может быть огрублена травлением из-за случайной ориентации кристаллов. Однако антибликовое покрытие повышает эффективность.Эти ячейки конкурентоспособны во всем, кроме космического применения.

Трехслойный элемент : Солнечный элемент с наивысшей эффективностью представляет собой набор из трех элементов, настроенных на поглощение различных частей солнечного спектра. Хотя три ячейки могут быть установлены друг на друга, монолитная монокристаллическая структура из 20 полупроводниковых слоев более компактна. При КПД 32% в настоящее время (2007 г.) он предпочтительнее кремния для космического применения. Высокая стоимость не позволяет найти множество приложений, связанных с землей, кроме концентраторов на основе линз или зеркал.

В результате интенсивных исследований недавно была разработана версия, улучшенная для земных концентраторов на 400–1000 солнц и КПД 40,7%. Для этого требуется либо большая недорогая линза Френеля, либо отражатель и небольшая площадь дорогого полупроводника. Эта комбинация считается конкурентоспособной с недорогими кремниевыми элементами для солнечных электростанций. [RRK] [LZy]

Создание трехслойных солнечных элементов

Металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы (MOCVD) осаждает слои поверх германиевой подложки P-типа.Верхние слои фосфида галлия-индия (GaInP) N- и P-типа, имеющие ширину запрещенной зоны 1,85 эВ, поглощают ультрафиолетовый и видимый свет. Эти длины волн имеют достаточно энергии, чтобы превышать ширину запрещенной зоны.

Более длинные волны (более низкая энергия) не обладают достаточной энергией для создания электронно-дырочных пар и перехода к следующему слою. Слои арсенида галлия с шириной запрещенной зоны 1,42 эВ поглощают ближний инфракрасный свет.

Наконец, слой германия и подложка поглощают дальнее инфракрасное излучение. Серия из трех ячеек производит напряжение, которое является суммой напряжений трех ячеек.Напряжение, развиваемое каждым материалом, на 0,4 В меньше, чем энергия запрещенной зоны, указанная в таблице ниже. Например, для GaInP: 1,8 эВ / э — 0,4 В = 1,4 В. Для всех трех напряжение составляет 1,4 В + 1,0 В + 0,3 В = 2,7 В. [BRB]

Высокоэффективный трехслойный солнечный элемент.

Кристаллические солнечные батареи имеют долгий срок службы. Многие массивы имеют гарантию 25 лет и считаются работоспособными в течение 40 лет. Они не подвержены начальной деградации по сравнению с аморфным кремнием.

Как монокристаллические, так и мультикристаллические солнечные элементы основаны на кремниевых пластинах. Кремний является как подложкой, так и активными слоями устройства.Потребляется много кремния. Этот вид элементов существует уже несколько десятилетий и занимает около 86% рынка солнечной электроэнергии. Для получения дополнительной информации о кристаллических солнечных элементах см. Honsberg. [CHS]

Аморфный кремний Тонкопленочные солнечные элементы используют крошечные количества активного сырья — кремния. Примерно половину стоимости обычных кристаллических солнечных элементов составляет кремний для солнечных элементов. Процесс нанесения тонких пленок снижает эту стоимость.

Обратной стороной является то, что эффективность примерно вдвое ниже, чем у обычных кристаллических ячеек.Кроме того, под воздействием солнечного света КПД снижается на 15-35%. Элемент с КПД 7% скоро вырастет до КПД 5%. Ячейки из тонкопленочного аморфного кремния работают лучше, чем кристаллические элементы при тусклом свете. Они находят хорошее применение в калькуляторах на солнечных батареях.

Солнечные элементы на основе не кремния составляют около 7% рынка. Это тонкопленочные поликристаллические изделия. Различные составные полупроводники являются предметом исследований и разработок. Некоторые продукты без силикона находятся в производстве. Как правило, эффективность лучше, чем у аморфного кремния, но не так хорошо, как у кристаллического кремния.

Теллурид кадмия в виде тонкой поликристаллической пленки на металле или стекле может иметь более высокую эффективность, чем тонкие пленки из аморфного кремния. При нанесении на металл этот слой является отрицательным контактом с тонкой пленкой теллурида кадмия. Прозрачный сульфид кадмия P-типа поверх теллурида кадмия служит буферным слоем. Положительный верхний контакт представляет собой прозрачный, электропроводящий оксид олова, легированный фтором. Эти слои могут быть нанесены на жертвенную фольгу вместо стекла в процессе, описанном в следующем параграфе.Жертвенная фольга удаляется после того, как ячейка прикреплена к постоянной подложке.

Солнечный элемент из теллурида кадмия на стекле или металле.

Создание солнечного элемента из теллурида кадмия

Процесс нанесения теллурида кадмия на стекло начинается с нанесения прозрачного, электропроводящего оксида олова N-типа на стеклянную подложку. Следующий слой — теллурид кадмия Р-типа; тем не менее, можно использовать N-тип или внутренний. Эти два слоя составляют NP-переход.Слой теллурида свинца P ⁺ (тяжелый P-тип) помогает установить контакт с низким сопротивлением. Металлический слой обеспечивает окончательный контакт с теллуридом свинца. Эти слои могут быть нанесены путем вакуумного осаждения, химического осаждения из паровой фазы (CVD), трафаретной печати, электроосаждения или химического осаждения из паровой фазы при атмосферном давлении (APCVD) в гелии. [KWM]

Разновидностью теллурида кадмия является теллурид кадмия ртути. Более низкое объемное сопротивление и меньшее контактное сопротивление повышает эффективность по сравнению с теллуридом кадмия.

Кадмий, индий, галлий, диселенидный солнечный элемент (CIGS)

Диселенид кадмия, индия, галлия: наиболее многообещающий тонкопленочный солнечный элемент в настоящее время (2007 г.) производится на рулоне гибкого полиимида — кадмия, индия и галлия (CIGS) шириной десять дюймов. Его эффективность составляет 10%. Хотя ячейки из кристаллического кремния коммерческого класса превзошли это десятилетие назад, CIGS должен быть конкурентоспособным по стоимости. Процессы осаждения происходят при достаточно низкой температуре, чтобы использовать полиимидный полимер в качестве подложки вместо металла или стекла.(Рисунок выше) CIGS изготавливается методом рулонного производства, что должно снизить затраты. Ячейки GIGS также могут быть произведены с помощью низкозатратного электрохимического процесса. [EET]

ОБЗОР:

• Большинство солнечных элементов представляют собой монокристаллические или мультикристаллические кремниевые элементы из-за их хорошей эффективности и умеренной стоимости.
• Остальной рынок составляют менее эффективные тонкие пленки из различных аморфных или поликристаллических материалов.
• В таблице ниже сравниваются выбранные солнечные элементы.

Свойства солнечных элементов

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ: