Как ток течет через диод: Куда течет ток или где же этот чертов катод? / Хабр

Полупроводниковый диод

Проводники и изоляторы

Все вещества состоят из одного или более химических элементов, таких, как кислород, сера и т. д. Мельчайшей составной частью вещества явля­ется атом. Атомы различных элементов могут, соединяясь, образовывать молекулы вещества: например, молекула воды включает в себя два атома водорода и один атом кислорода. Таким образом, получаются различные вещества.

Атом, в свою очередь, состоит из более мелких частиц, электронов, вращающихся вокруг ядра, которое находится в центре атома и содержит один или более протонов (рис. 20.1). Отрицательно заряженные электро­ны притягиваются положительно заряженными протонами и непрерывно вращаются по орбитам, или оболочкам, вокруг ядра. Количество элек­тронов в точности равно количеству протонов.

Атомы различных элементов отличаются друг от друга количеством электронов: например, у атома водорода один электрон, тогда как атом углерода имеет шесть электронов. Под действием электрического потен­циала электроны, слабо связанные с ядром (так называемые свободные электроны), покидают свои орбиты и начинают упорядоченное движение, образуя поток электронов, или электрический ток. Возникает электри­ческая проводимость.

Рис. 20.1. Атомы состоят из отрицательно заряженных электронов, вращаю­щихся вокруг положительного ядра.

Рис. 20.2. Проводники, полупроводники и изоляторы. 

Хороший проводник имеет большое число «несвязанных», или свобод­ных, электронов, которые способствуют возникновению электрического тока. Хороший проводник обладает столь малым сопротивлением, что им можно пренебречь. Примерами могут служить серебро, медь или алюми­ний (рис. 20.2).

Изолятор — это материал, имеющий очень малое количество свобод­ных электронов. Изоляторы препятствуют протеканию электрического тока и, следовательно, обладают очень большим сопротивлением, при­ближающимся к сопротивлению разомкнутой цепи. Примерами могут служить стекло, сухое дерево, резина, поливинилхлорид, слюда и полистирол.  

Полупроводники

Атомы полупроводников сгруппированы в правильную структуру, назы­ваемую «кристаллической решеткой». Они не являются хорошими про­водниками (откуда и их название), поскольку содержат очень мало сво­бодных электронов. Количество свободных электронов возрастает при повышении температуры, что приводит к увеличению проводимости. Эти свободные электроны называют неосновными носителями.

Проводимость также может быть улучшена посредством добавления определенного количества примесей. Такие примеси, как атомы мы­шьяка, вносят в решетку дополнительные электроны, в результате че­го получается полупроводник n-типа. Эти атомы называются атомами-донорами. Добавление атомов, называемых атомами-акцепторами (например, атомов алюминия) приводит к недостатку электронов, или к образованию так называемых дырок, при этом получается полупровод­ник p-типа (рис. 20.3). Электроны и дырки, полученные при внедрении примесей, называют основными носителями.

Рис. 20.3. Полупроводники n— и p-типа     Рис. 20.4. Плоскостной диод с рп-переходом.

Плоскостной диод

Если полупроводник р-типа соединить с полупроводником n-типа (рис. 20.4), то под действием диффузии электроны из области с прово­димостью n-типа начнут перетекать в область с проводимостью р-типа, чтобы заполнить дырки в этой области. Перетекание электронов продол­жается до тех пор, пока по обе стороны рта-перехода не образуется ней­тральная зона, или так называемый обедненный слой. Этот обедненный слой приводит к возникновению потенциального барьера, препятствую­щего дальнейшему движению электронов через границу раздела.

Чтобы пересечь границу раздела, электроны должны теперь обладать энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера. Ис­точником этой энергии может служить внешняя электродвижущая сила (ЭДС). Высота потенциального барьера зависит от типа применяемого полупроводника. Например, для германия (Ge) она составляет 0,3В, адля кремния (Si) – 0,6 В.

Характеристики диода

При обратном включении диода (рис. 20.5) электроны области с проводи­мостью n-типа (n-области) притягиваются положительным полюсом ис­точника напряжения смещения, а дырки р-области притягиваются отри­цательным полюсом. В результате обедненный слой расширяется, и уве­личившийся потенциальный барьер еще сильнее препятствует проникно­вению электронов через границу раздела.

При прямом включении диода (рис. 20.6) обедненный слой исчезает, и электроны получают возможность перетекать через границу раздела, т. е. ток, создаваемый основными носителями, свободно протекает через диод

.

Рис. 20.5. Обратное включение диода. На рис. (а) видно, что обедненный слой расширился.

Рис. 20.6. Прямое включение диода. На рис, (а) показано исчезновение обед­ненного слоя.

Но следует отметить, что на диоде существует постоянное падение напряжения, называемое падением напряжения при прямом включении или прямым напряжением диода (0,3 В для диодов из германия и 0,6 В для кремниевых диодов).

Характеристики плоскостного диода в случае прямого включения по­казаны на рис. 20.7. Заметим, что, как только напряжение смещения превысит потенциальный барьер диода, через него начинает протекать большой ток. При этом очень малое увеличение напряжения смещения приводит к сильному увеличению тока, протекающего через диод. При напряжениях ниже прямого напряжения через диод протекает малый ток утечки (несколько микроампер), которым обычно пренебрегают.

 Характеристики диода в случае обратного включения показаны на рис. 20.8. При обратном включении через диод протекает очень малый ток, вызванный неосновными носителями. Величина этого обратного тока практически постоянна вплоть до достижения максимального напряже­ния, называемого напряжением пробоя рта-перехода или обратным пико­вым напряжением. Если приложить еще большее напряжение, то насту­пает пробой и обратный ток резко возрастает, что приводит к разрушению диода. Поэтому при включении диода в схему следует убедиться, что обратное напряжение на нем не превысит напряжение пробоя, ука­занное изготовителем. Германиевые диоды имеют больший ток утечки и, следовательно, более низкое сопротивление при обратном включении, чем кремниевые диоды.

и кремниевого диодов при прямом включении.        Рис. 20.8. Характеристики плос­костного диода в случае обратного включения.

Добавить комментарий

Как работает диод? Применение диодов

Как работает полупроводниковый диод

Сегодня в «семейство» диодов входит не один десяток полупроводниковых приборов, носящих название «диод». Здесь речь пойдет лишь о некоторых приборах, с которыми тебе в первую очередь придется иметь дело. Схематично диод можно представить, как две пластинки полупроводника, одна из которых обладает электропроводностью типа р, а другая типа n. На рис. 1, а дырки, преобладающие в пластинке типа р, условно изображены кружками, а электроны, преобладающие в пластинке типа n — черными шариками таких же размеров. Эти две области — два электрода диода: анод и катод. Анодом, т. е. положительным электродом, является область типа р, а катодом, т. е. отрицательным электродом, — область типа n. На внешние поверхности пластин нанесены контактные металлические слои, к которым припаяны проволочные выводы электродов диода.

Такой полупроводниковый прибор может находиться в одном из двух состояний: открытом, когда он хорошо проводит ток, и закрытом, когда он плохо проводит ток. Если к его электродам подключить источник постоянного тока, например, гальванический элемент, но так, чтобы его положительный полюс был соединен с анодом диода, т. е. с областью типа р, а отрицательный — с катодом, т. е. с областью типа n (рис. 1, б), то диод окажется в открытом состоянии и в образовавшейся цепи пойдет ток, значение которого зависит от приложенного к нему напряжения и свойств диода/ При такой полярности подключения батареи электроны в области типа n перемещаются от минуса к плюсу, т. е. в сторону области типа р, а дырки в области типа р движутся навстречу электронам — от плюса к минусу. Встречаясь на границе областей, называемой электронно-дырочным переходом или, короче, р-n переходом, электроны как бы «впрыгивают» в дырки, в результате и те, и другие при встрече прекращают свое существование.

Рис. 1. Схематическое устройство и работа полупроводникового диода

Металлический контакт, соединенный с отрицательным полюсом элемента, может отдать области типа n практически неограниченное количество электронов, пополняя убыль электронов в этой области, а контакт, соединенный с положительным полюсом элемента, может принять из области типа р такое же количество электронов, что равнозначно введению в него соответствующего количества дырок. В этом случае сопротивление р-n перехода мало, вследствие чего через диод идет ток, называемый прямым током. Чем больше площадь р-n перехода и напряжение источника питания, тем больше этот прямой ток.

Если полюсы элемента поменять местами, как это показано на рис. 1, в, диод окажется в закрытом состоянии. В этом случае электрические заряды в диоде поведут себя иначе. Теперь, удаляясь от р-n перехода, электроны в области типа n будут перемещаться к положительному, а дырки в области типа р к отрицательному контактам диода. В результате граница областей с различными типами электропроводности как бы расширится, образуя зону, обедненную электронами и дырками (на рис. 1, в она заштрихована) и, следовательно, оказывающую току очень большое сопротивление. Однако в этой зоне небольшой обмен носителями тока между областями диода все же будет происходить. Поэтому через диод пойдет ток, но во много раз меньший, чем прямой. Этот ток называют обратным током диода. На графиках, характеризующих работу диода, прямой ток обозначают Iпр, а обратный Iобр.

А если диод включить в цепь с переменным током? Он будет открываться при положительных полупериодах на аноде, свободно пропуская ток одного направления — прямой ток Iпр и закрывания при отрицательных полупериодах на аноде, почти не пропуская ток противоположного направления обратный ток Iобр. Эти свойства диодов и используют в выпрямителях для преобразования переменного тока в ток постоянный.

Напряжение, при котором диод открывается и через него идет прямой ток, называют прямым (пишут Uпр) или пропускным, а напряжение обрат ной полярности, при котором диод закрывается и через него идет обратный ток, называют обратным (пишут Uобр) или непропускным. При прямом напряжении сопротивление диода хорошего качества не превышает нескольких десятков ом, при обратном же напряжении его сопротивление достигнет десятков, сотен килоом и даже мегаом. В этом нетрудно убедиться, если обратное сопротивление диода измерить омметром.

001

Внутреннее сопротивление открытого диода величина непостоянная и зависит от прямого напряжения, приложенного к диоду: чем больше это напряжение, тем больше прямой ток через диод, тем меньше его пропускное сопротивление. Судить о сопротивлении диода можно по падению напряжения на нем и току через него. Так, например, если через диод идет прямой ток Iпр = 100 мА (0,1 А) и при этом на нем падает напряжение 1 В, то (по закону Ома) прямое сопротивление диода будет: R = U/I = 1/0,1 = 10 Ом. В закрытом состоянии на диоде падает почти все прикладываемое к нему напряжение, обратный ток через него чрезвычайно мал, а сопротивление, следовательно, велико.

Зависимость тока через диод от значения и полярности приложенного к нему напряжения изображают в виде кривой, называемой вольт-амперной характеристикой диода. Такую характеристику ты видишь на рис. 2. Здесь по вертикальной оси вверх отложены значения прямого тока Iпр, а внизу — обратного тока Iобр. По горизонтальной оси вправо обозначены значения прямого напряжения Uпр, влево обратного напряжения Uобр.

На такой вольт-амперной характеристике различают прямую ветвь (в правой верхней части), соответствующую прямому току через диод, и обратную ветвь, соответствующую обратному току. Из нее видно, что ток Iпр диода в сотни раз больше тока Iобр

Рис. 2. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода

Так, например, уже при прямом напряжении Uпр = 0,5 В ток Iпр равен 50 мА (точка а на характеристике), при Uпр = 1 В он возрастает до 150 мА (точка б на характеристике), а при обратном напряжении Uобр = 100 В обратный ток Iобр не превышает 0,5 мА (500 мкА). Подсчитай, во сколько раз при одном и том же прямом и обратном напряжении прямой ток больше обратного.

Прямая ветвь идет круто вверх, как бы прижимаясь к вертикальной оси. Она характеризует быстрый рост прямого тока через диод с увеличением прямого напряжения. Обратная же ветвь, как видишь, идет почти параллельно горизонтальной оси, характеризуя медленный рост обратного тока. Наличие заметного обратного тока — недостаток диодов.

Примерно такие вольт-амперные характеристики имеют все германиевые диоды. Вольт-амперные характеристики кремниевых диодов чуть сдвинуты вправо. Объясняется это тем, что германиевый диод открывается и начинает проводить ток при прямом напряжении 0,1–0,2 В, а кремниевый при 0,5–0,6 В.

Прибор, на примере которого я рассказал тебе о свойствах диода, состоял из двух пластин полупроводников разной электропроводности, соединенных между собой плоскостями. Подобные диоды называют плоскостными. В действительности же плоскостной диод представляет собой одну пластину полупроводника, в объеме которой созданы две области разной электропроводности. Технология изготовления таких диодов заключается в следующем. На поверхности квадратной пластины площадью 2–4 мм2 и толщиной в несколько долей миллиметра, вырезанной из кристалла полупроводника с электронной электропроводностью, расплавляют маленький кусочек индия. Индий крепко сплавляется с пластинкой. При этом атомы индия проникают (диффундируют) в толщу пластинки, образуя в ней область с преобладанием дырочной электропроводности (рис. 3, а). Получается полупроводниковый прибор с двумя областями различного типа электропроводности, а между ними р-n переход. Контактами электродов диода служат капелька индия и металлический диск (или стержень) с выводными проводниками.

Так устроены наиболее распространенные плоскостные германиевые и кремниевые диоды. Внешний вид некоторых из них показан на рис. 3, б.

Рис. 3. Схематическое устройство (а) и внешний вид некоторых плоскостных диодов (б)

Приборы заключены в цельнометаллические корпуса со стеклянными изоляторами, что позволяет использовать их для работы в условиях повышенной влажности. Диоды, рассчитанные на значительные прямые токи, имеют винты с гайками для крепления их на монтажных панелях или шасси радиотехнических устройств.

Плоскостные диоды маркируются буквами и цифрами, например: Д226А, Д242. Буква Д в маркировке прибора означает «диод», цифры, следующие за нею, — заводской порядковый номер конструкции. Буквы, стоящие в конце обозначения диодов, указывают на разновидности групп приборов. Плоскостные диоды предназначены в основном для работы в выпрямителях переменного тока блоков питания радиоаппаратуры, поэтому их называют еще выпрямительными диодами.

Схему простейшего выпрямителя переменного тока ты видишь на рис. 4, а. На вход выпрямителя подается переменное напряжение электроосветительной сети. К выходу выпрямителя подключен резистор Rн, символизирующий нагрузку, питающуюся от выпрямителя. Функцию выпрямленного элемента выполняет диод V. Сущность работы такого выпрямителя иллюстрируют графики, помещенные на том же рисунке

Рис. 4. Схемы однополупериодного выпрямителя

При положительных полупериодах напряжения на аноде диод открывается. В эти моменты времени через диод, а значит, и через нагрузку, подключенную к выпрямителю, течет прямой ток диода Iпр. При отрицательных полупериодах напряжения на аноде диод закрывается и во всей цепи, в которую он включен, течет незначительный обратный ток диода Iобр. Диод как бы отсекает большую часть отрицательных полуволн переменного тока (на рис. 4, а показано штриховыми линиями). И вот результат: через нагрузку Rн, подключенную к сети через диод V, течет уже не переменный, а пульсирующий ток — ток одного направления, но изменяющийся по значению с частотой 50 Гц. Это и есть выпрямление переменного тока. Таким образом, диод является прибором, обладающим резко выраженной односторонней проводимостью электрического тока. И если пренебречь малым обратным током (что и делают на практике), который у исправных диодов не превышает малые доли миллиампера, можно считать, что диод является односторонним проводником тока.

Можно ли таким током питать нагрузку? Можно, он ведь выпрямленный. Но не каждую. Лампу накаливания, например, можно, если, конечно, выходное напряжение не будет превышать то напряжение, на которое лампа рассчитана. Ее нить будет накаливаться не постоянно, а импульсами, следующими с частотой 50 Гц. Из-за тепловой инертности нить не будет успевать остывать в промежутки между импульсами, поэтому никаких мерцаний света мы не заметим.

А вот приемник питать таким током нельзя. Потому что в цепях его усилителей ток тоже будет пульсировать с такой же частотой. В результате в телефонах или головке громкоговорителя на выходе приемника будет прослушиваться гул низкого тона с частотой 50 Гц, называемый фоном переменного тока. Этот недостаток можно частично устранить, если на выходе выпрямителя параллельно нагрузке подключить фильтрующий электролитический конденсатор большой емкости, как это показано на рис. 4, б. Заряжаясь от импульсов тока, конденсатор Сф в момент спадания тока или его исчезновения (между импульсами) разряжается через нагрузку Rн. Если конденсатор достаточно большой емкости, то за время между импульсами тока он не будет успевать полностью разряжаться и в нагрузке будет непрерывно поддерживаться ток. Ток, поддерживаемый за счет зарядки конденсатора, показан на рис. 4, б сплошной волнистой линией. Но и таким, несколько приглаженным током тоже нельзя питать приемник или усилитель: он будет «фонить», так как пульсации пока еще очень ощутимы.

В выпрямителе, с работой которого ты сейчас познакомился, полезно используется энергия только половины волн переменного тока. Такое выпрямление переменного тока называют однополупериодными, а выпрямители — однополупериодными выпрямителями. Однако выпрямителям, построенным по таким схемам, присущи два существенных недостатка. Первый из них заключается в том, что напряжение выпрямленного тока равно примерно напряжению сети, в то время как для питания транзисторных конструкций необходимо более низкое напряжение, а для ламповых часто более высокое напряжение. Второй недостаток — недопустимость присоединения заземления к приемнику, питаемому от такого выпрямителя. Если приемник заземлить, ток из электросети пойдет через приемник в землю — могут перегореть предохранители. Кроме того, приемник или усилитель, питаемые от такого выпрямителя и, таким образом, имеющие прямой контакт с электросетью, опасны — можно получить электрический удар.

Оба эти недостатка устранены в выпрямителе с трансформатором (рис. 5). Здесь выпрямляется не напряжение электросети, а напряжение вторичной (II) обмотки сетевого трансформатора Т. Поскольку эта обмотка изолирована от первичной сетевой обмотки I, радиоконструкция не имеет контакта с сетью и к ней можно подключать заземление.

Рис. 5 Двухполупериодный выпрямитель с сетевым трансформатором

В выпрямителе на рис. 5 четыре диода, включенные по так называемой мостовой схеме. Диоды являются плечами выпрямительного моста. Нагрузка Rн включена в диагональ 1–2 моста. В таком выпрямителе в течение каждого полупериода работают поочередно два диода противоположных плеч моста, включенных между собой последовательно, но встречно по отношению ко второй паре диодов. Следи внимательно! Когда на верхнем (по схеме) выводе вторичной обмотки положительный полупериод напряжения, ток идет через диод V2, нагрузку Rн, диод V3 к нижнему выводу обмотки II (график а). Диоды V1 и V4 в это время закрыты. В течение другого полупериода переменного напряжения, когда плюс на нижнем выводе обмотки II, ток идет через диод V4, нагрузку Rн, диод V1 к верхнему выводу обмотки (график б). В это время диоды V2 и V3 закрыты и, естественно, ток через себя не пропускают. И вот результаты: меняются знаки напряжения на выводах вторичной обмотки трансформатора, а через нагрузку выпрямителя идет ток одного направления (график в). В таком выпрямителе полезно используются оба полупериода переменного тока, поэтому подобные выпрямители называют двухполупериодными.

Эффективность работы двухполупериодного выпрямителя по сравнению с однополупериодным налицо: частота пульсаций выпрямленного тока удвоилась, «провалы» между импульсами уменьшились. Среднее значение напряжения постоянного тока на выходе такого выпрямителя равно примерно переменному напряжению, действующему во всей вторичной обмотке трансформатора. А если выпрямитель дополнить фильтром, сглаживающим пульсации выпрямленного тока, выходное напряжение увеличится в 1,4 раза, т. е. примерно на 40 %. Именно такой выпрямитель я позже буду рекомендовать тебе для питания транзисторных конструкций.

Теперь о точечном диоде

Внешний вид одного из таких приборов и его устройство (в значительно увеличенном виде) показаны на рис. 6.

Рис. 6. Схематическое устройство и внешний вид точечного диода серии Д9

Это диод серии Д9. Буква «Д» в его маркировке означает диод, а цифра 9 — порядковый заводской номер конструкции. Такой или ему подобный диод, например Д2, тебе уже знаком — я рекомендовал использовать его в твоем первом приемнике в качестве детектора.

Выпрямительным элементом диода служат тонкая и очень маленькая (площадью около 1 мм2) пластина полупроводника германия или кремния n типа и вольфрамовая проволочка, упирающаяся острым концом в пластину. Они припаяны к отрезкам посеребренной проволоки длиной примерно по 50 мм, являющимися выводами диода. Вся конструкция находится внутри стеклянной трубочки диаметром около 3 и длиной меньше 10 мм, запаянной с концов.

После сборки диод формуют — пропускают через контакт между пластиной полупроводника и острием вольфрамовой проволочки ток определенного значения. При этом под острием проволочки в кристалле полупроводника образуется небольшая область с дырочной электропроводностью. Получается электронно-дырочный переход, обладающий односторонней проводимостью тока. Пластина полупроводника является катодом, а вольфрамовая проволочка — анодом точечного диода.

Вывод анода диодов серии Д9 обозначают цветными метками на их корпусах. Электроды точечного диода серии Д2 обозначают символом диода на одном из его ленточных выводов. У точечного диода площадь соприкосновения острия проволочки с поверхностью пластины полупроводника чрезвычайно мала — не более 50 мкм2. Поэтому токи, которые точечные диоды могут выпрямлять в течение продолжительного времени, малы. Точечные диоды радиолюбители используют в основном для детектирования модулированных колебаний высокой частоты, поэтому их часто называют высокочастотными диодами.

Как для плоскостных, так и для точечных диодов существуют максимально допустимые значения прямого и обратного токов, зависящие от прямого и обратного напряжений и определяющие их выпрямительные свойства и электрическую прочность. Это их основные параметры. Плоскостной диод Д226В, например, может продолжительное время выпрямлять ток до 300 мА. Но если его включить в цепь, потребляющую ток более 300 мА, он будет нагреваться, что неизбежно приведет к тепловому пробою р-n перехода и выходу диода из строя. Диод будет пробит и в том случае, если он окажется в цепи, в которой на него будет подаваться обратное напряжение более чем 400 В.

Допустимый выпрямленный ток для точечного диода Д9А 65 мА, а допустимое обратное напряжение 10 В. Основные параметры полупроводниковых диодов указывают в их паспортах и справочных таблицах. Превышение предельных значений приводит к выходу приборов из строя.

А теперь, чтобы лучше закрепить в памяти твое представление о свойствах диодов, предлагаю провести такой опыт. В электрическую цепь, составленную из батареи 3336Л и лампочки накаливания, рассчитанной на напряжение 3,5 В и ток накала 0,28 А, включи любой плоскостной диод из серии Д226 или Д7, но так, чтобы анод диода был соединен непосредственно или через лампочку с положительным выводом батареи, а катод с отрицательным выводом (рис. 7, а). Лампочка должна гореть почти так же, как если бы диода не было в цени. Измени порядок включения электродов диода в цепь на обратный (рис. 7, б). Теперь лампочка гореть не должна. А если горит, значит, диод оказался с пробитым р-n переходом. Такой диод можно разломать, чтобы посмотреть, как он устроен, — для работы как выпрямитель он все равно непригоден. Но, надеюсь, диод был хорошим и опыт удался.

Рис. 7. Опыты с плоскостным диодом

Почему при первом включении диода в цепь лампочка горела, а при втором не горела? В первом случае диод был открыт, так как на него подавалось прямое напряжение Uпр, сопротивление диода было мало и через него протекал прямой ток Iпр, значение которого определялось нагрузкой цепи — лампочкой. Во втором случае диод был закрыт, так как к нему прикладывалось обратное напряжение Uобр, равное напряжению батареи. Сопротивление диода было очень большое, и в цепи тек лишь незначительный обратный ток Iобр, который не мог накалить нить лампочки.

В этом опыте лампочка выполняла двоякую функцию. Она, во-первых, была индикатором наличия тока в цепи, а во-вторых, ограничивала ток в цепи до 0,28 А и таким образом защищала диод от перегрузки.

См. также:

• Как работает резистор? Применение резисторов…
• Как работает конденсатор? Применение конденсаторов…
• Закон ома…
• Как работает предохранитель?..

Диодный ток: функциональность и характеристики

Ключевые выводы

● Узнайте о функциях диодов.

● Получите более полное представление о характеристиках протекания тока через диоды.

● Узнайте, как изменения смещения диодов определяют, работают ли они как изоляторы или проводники.

Смещение диода влияет на протекание тока.

По сравнению с множеством электронных компонентов, с которыми мы сталкиваемся в области электроники, диод является относительно простым компонентом. По сути, диод — это компонент, который позволяет току течь в одном направлении и блокирует его в другом направлении. Диоды позволяют току течь в одном направлении без влияния какого-либо импеданса, полностью блокируя весь поток тока в другом. Кроме того, существует четкое обозначение между этими двумя состояниями работы.

Диод

Как уже говорилось, ток, протекающий через диод, может течь только в одном направлении, и мы называем это состояние прямым смещением. Поскольку ток может течь только в одном направлении (прямое смещение), мы неофициально считаем диоды односторонними электронными вентилями. Если напряжение на диоде отрицательное, ток не течет; таким образом, идеальный диод выглядит как разомкнутая цепь.

Типичные диоды могут находиться в прямом или обратном смещении. В электронике мы определяем смещение или смещение как метод установления набора токов или напряжений в различных точках электронной схемы, чтобы установить надлежащие условия работы в электронных компонентах. Хотя это упрощенная версия ответа, в целом она верна.

Диод представляет собой электронный компонент, состоящий из полупроводникового материала P-типа и N-типа; мы называем p-n переход. Он также имеет выводы, подключенные к этим двум концам, что упрощает внедрение практически в любую электронную схему.

Функциональность диода

Мы называем вывод, прикрепленный к полупроводнику N-типа, катодом. Таким образом, катод является отрицательной стороной диода. Напротив, мы называем вывод, подключенный к полупроводнику P-типа, анодом, что делает его положительной стороной диода.

Когда мы подключаем источник напряжения к диоду так, что положительная сторона источника напряжения соединяется с анодом, а отрицательная сторона соединяется с катодом, диод действует как проводник, позволяя течь току. Когда мы подключаем напряжение к диоду в этом направлении, мы называем это прямым смещением.

Однако, если мы изменим это направление напряжения, т. е. подключим отрицательную (-) сторону к аноду, а положительную (+) сторону к катоду, ток не будет течь. В это время диод действует как изолятор. Когда мы подключаем напряжение к диоду в этом направлении, мы называем это обратным смещением.

Примечание. Хотя при прямом смещении ток течет, а при обратном — нет, существует максимальный предел уровня тока, который диод может эффективно блокировать.

Две области диода

Мы кратко обсудили две полупроводниковые области в диоде (P и N). Однако также важно различать стороны или полупроводниковые области.

Во-первых, о символе, который схематически изображает диод, катод находится справа, а анод — слева. Анодную сторону условного обозначения, как правило, рассматривают как стрелку, изображающую стандартное направление протекания тока, т. е. от положительного (+) к отрицательному (-). Следовательно, диод допускает протекание тока в направлении стрелки. А затем рассмотрите вертикальную линию на стороне катода как огромный знак минус (-), показывающий, какая сторона диода является отрицательной для прямого смещения.

Функциональность протекания тока через диод

Стандартному диоду требуется определенное прямое напряжение, прежде чем он позволит протекать току. Как правило, указанное количество напряжения, которое требуется диоду, прежде чем позволить протекать току, составляет минуту. Обычно это 0,5 вольта. Пока он не достигнет этой величины напряжения, ток не будет течь. Однако при достижении прямого напряжения ток легко протекает через диод.

Мы называем этот минимальный порог напряжения в прямом направлении прямым падением напряжения на диоде. Причина этого в том, что цепь теряет или падает это напряжение на диоде. Мы можем проверить это, используя мультиметр и измерив выводы диода, когда он находится в прямом смещении. Полученное показание будет прямым падением напряжения на диоде.

Для дополнительной иллюстрации мы можем использовать приведенную выше принципиальную схему. Когда мы используем мультиметр для измерения на клеммах лампы, напряжение будет представлять собой разницу между напряжением батареи (12 вольт) и прямым падением напряжения на диоде в цепи. Например, если прямое падение напряжения на нашем диоде составляет 0,8 вольта, а напряжение батареи точно равно 12 вольтам, то напряжение на лампе будет 11,2 вольта.

Характеристики диода

Диод имеет максимальное обратное напряжение, которое он может выдержать до того, как выйдет из строя, что позволяет протекать обратному току через диод. Мы называем это обратное напряжение пиковым обратным напряжением (PIV) или пиковым обратным напряжением. Кроме того, это важная характеристика диода с точки зрения функциональности схемы. Крайне важно, чтобы ни один диод в вашей схеме не подвергался напряжению, превышающему этот предел.

Наряду с номинальным значением PIV и прямого падения напряжения диод также получает максимальный номинальный ток. Как следует из этого рейтинга, это пиковый рабочий ток диода, и его превышение приведет к непоправимому повреждению диода и, возможно, всей схемы.

Диод как компонент является относительно простым, но он обеспечивает функциональность двух различных компонентов в одном. Широкий спектр приложений для диода включает практически бесконечный список приложений для электрических устройств. Таким образом, диод является действительно адаптивным компонентом, который дает разработчикам оптимальный контроль над тем, какую функцию диод будет играть в их схемотехнике.

Набор диодов различных форм и размеров, но все они имеют одинаковые характеристики протекания тока.

Для успешного внедрения диода в вашу конструкцию с соответствующими характеристиками протекания тока через диод необходимо использовать высококачественное программное обеспечение для проектирования и анализа печатных плат. Allegro от Cadence — одно из таких программ с множеством надежных функций для компоновки, а также тестирования и моделирования.

Если вы хотите узнать больше о том, какое решение может предложить Cadence, обратитесь к нам и нашей команде экспертов. Чтобы посмотреть видео по связанным темам или узнать, что нового в нашем наборе инструментов для проектирования и анализа, подпишитесь на наш канал YouTube.

Решения Cadence PCB — это комплексный инструмент для проектирования от начала до конца, позволяющий быстро и эффективно создавать продукты. Cadence позволяет пользователям точно сократить циклы проектирования и передать их в производство с помощью современного отраслевого стандарта IPC-2581.

Подпишитесь на LinkedIn

Посетить сайт

Больше контента от Cadence PCB Solutions

УЧИТЬ БОЛЬШЕ

Урок Видео: Диоды | Nagwa

Стенограмма видео

В этом видео мы будем искать
на компоненте электрической цепи, известном как диод. Мы будем рассматривать функцию
диода в электрической цепи, а также из чего он сделан.

Итак, давайте начнем с размышлений о
что на самом деле делает диод. Диод это электрическая цепь
компонент, пропускающий через себя ток в одном направлении, но не в противоположном
направление. Это символ цепи для
диод. И это на самом деле один из самых
дружественные символы цепи, потому что стрелка в этом символе показывает нам направление в
какой условный ток может протекать через диод. И помните, кстати,
обычный ток состоит из положительных зарядов.

Итак, например, если бы мы взяли
этот диод и соединить его последовательно с ячейкой и резистором, то в этом
ориентации ячейки, обычный ток будет течь от положительного
клемму и через диод в разрешенном направлении через резистор и
затем обратно по кругу, пока мы не завершим круг, когда доберемся до
отрицательный полюс клетки. Другими словами, тогда в этом
ориентации ячейки и диода, ток по часовой стрелке, состоящий из положительных
заряды будут установлены в цепи.

Однако, если бы мы подумали о
поток электронов, которые являются отрицательно заряженными частицами, то те будут
оттекает от отрицательного вывода ячейки против часовой стрелки через
резистор и через диод. И это действительно разрешено
направление движения отрицательно заряженных частиц. Потому что, помните, стрелка в
диод только показывает направление, в котором могут течь положительные заряды. Следовательно, отрицательные заряды могут
течь в другую сторону через диод.

Однако, если мы реверсируем
полярность ячейки так, чтобы положительный вывод был здесь, а отрицательный
терминал здесь, а затем, если мы подумаем об обычном токе, ячейка теперь
пытаясь настроить ток, который течет в этом направлении, от положительного
вывод через резистор и приходя на диод. Однако диод не позволит
Положительные заряды текут в этом направлении через него. И, следовательно, не будет
ток в этой цепи. Если мы эквивалентно подумаем о
течет отрицательный заряд, поток электронов, затем клетка пытается вытолкнуть
электроны таким образом. Однако отрицательные заряды не могут
в этом направлении через диод. И так, как мы поняли раньше,
тока в этой цепи не будет.

Так это функциональность или
поведение идеального диода. И, да, в этой цепи мы
с учетом идеальных компонентов. Но, как мы вскоре увидим, настоящие
диоды ведут себя не совсем как идеальные диоды. Так же, как, например, как реально
провода на самом деле имеют некоторое сопротивление, тогда как мы моделируем идеальные провода в нашей схеме
диаграммы, чтобы иметь нулевое сопротивление. Таким образом, реальные компоненты схемы не
ведут себя так же, как их идеальные аналоги. И диод не исключение.
это. Но давайте держаться за эту мысль
и вернуться к этому через мгновение.

Но сначала давайте подумаем о
идеальный диод, еще раз, в нашей идеальной схеме. Теперь избавимся от
резистор. А вместо этого поставить амперметр.
это положение, а также вольтметр параллельно диоду. И давайте также возьмем нашу камеру и
превратить его в источник переменного напряжения. Так что весь смысл в том, что
мы будем варьировать напряжение, выдаваемое источником переменного напряжения, и посмотрим на
напряжение на диоде в ответ на это, а также ток в
схема. И поскольку амперметр находится в
последовательно с диодом, поэтому он будет измерять ток через диод.

Теперь давайте выберем соглашение
что ток, текущий по часовой стрелке, течет в положительном
направление. И, следовательно, любой потенциал
разность, которая создает ток в направлении по часовой стрелке, является положительным потенциалом
разница. Давайте тогда настроим пару осей
с током, измеренным амперметром здесь по вертикальной оси, и потенциалом
разница 𝑉 измеряется на диоде этим вольтметром. И мы вкладываем этот потенциал
разница по горизонтальной оси. Так что теперь, в этой ориентации
ячейки, независимо от величины напряжения, выдаваемого ячейкой, мы знаем, что
клетка пытается создать ток в этом направлении. И это условно
Текущий.

Итак, ячейка пытается нажать
положительные заряды в этом направлении. Однако диод не позволяет
это. И действительно, идеальный диод
делать это независимо от величины разности потенциалов, создаваемой
клетка. Помните, мы говорили ранее, что
любое напряжение, пытающееся протолкнуть ток в направлении по часовой стрелке, является положительным
Напряжение. Ну, в данном случае наша ячейка
пытаясь подтолкнуть ток, обычный ток, в отрицательном направлении,
направление против часовой стрелки. А для идеального диода, если начать
при нулевом напряжении и увеличиваем напряжение в отрицательную сторону, что мы и увидим
заключается в том, что ток равен нулю независимо от этого отрицательного напряжения. Потому что сколько бы это ни
ячейка пытается протолкнуть условный ток в этом направлении, диод не будет
разрешить это. Итак, наш граф 𝐼–𝑉 является плоским
линия для всех отрицательных значений напряжения, потому что ток равен нулю.

Однако, если мы теперь реверсируем
полярность нашей переменной ячейки и медленно увеличиваем напряжение в этом направлении,
то мы видим, что ячейка теперь пытается установить обычный ток
течет по часовой стрелке в нашей цепи. Ну, в той ситуации, как мы
увеличить напряжение на нашем источнике переменного напряжения, вольтметр измеряет
увеличение напряжения, потому что это также напряжение на диоде. И мы ожидаем, что
ток начнет течь сразу, как только напряжение превысит
нуль. Более того, идеальный диод, когда в
правильная ориентация относительно ячейки, фактически будет действовать как закрытая
выключатель.

Итак, на данный момент единственный
Компоненты, которые у нас есть в нашей цепи, это ячейка, замкнутый переключатель, вольтметр,
и амперметр. В основном это означает, что массовый
ток может течь, потому что нет сопротивления этому току. И, следовательно, то, что мы увидим на
График зависимости тока от напряжения заключается в том, что как только напряжение становится больше нуля, мы
получить огромное значение тока. Итак, мы видели, что если
ориентация нашего диода правильна относительно нашей ячейки — другими словами, если
диод фактически пропускает ток, который ячейка пытается установить — тогда диод
в основном действует как замкнутый переключатель. Но если мы поменяем полярность
ячейка и ячейка пытается протолкнуть ток против часовой стрелки через цепь,
тогда диод фактически действует как открытый переключатель. И это фактически предотвращает любое
ток от существующих в цепи.

Таково поведение идеального
диод. И этот график показывает его 𝐼–𝑉, или
вольтамперные, характеристики. Другими словами, этот график показывает нам
что мы ожидаем увидеть, когда мы изменим разность потенциалов на диоде и
измерьте ток через этот диод. Однако, как мы упоминали ранее,
настоящие диоды ведут себя не совсем как идеальные диоды. Итак, вот 𝐼–𝑉
характеристики идеального диода еще раз. А вот и 𝐼–𝑉
характеристики реального диода, поэтому они сильно отличаются от того, что мы ожидаем.

Давайте сначала посмотрим на этот раздел
все. Мы видим, что для очень высоких
отрицательные значения напряжения, ток в отрицательном направлении действительно
существует. Другими словами, при очень высоком
отрицательное напряжение, реальный диод выйдет из строя и фактически позволит току
пройти через него в кавычках, без кавычек, в неправильном направлении. Другими словами, если мы вернемся к
нашу схему из предыдущего и настройте полярность ячейки так, чтобы она пыталась
протолкнуть ток в неправильном направлении через диод, что наш реальный диод
График 𝐼–𝑉 говорит нам о том, что если разность потенциалов на диоде велика
достаточно, то в конечном итоге будет разрешен ток в направлении против часовой стрелки
течь. И так, при очень высоком отрицательном
напряжения, диод фактически выходит из строя.

Теперь при меньшем отрицательном напряжении
значений, идеальный диод пропускал бы через цепь нулевой ток, тогда как в этом
случае у нас действительно есть очень маленький ток, проходящий через цепь. Так что даже с обратной полярностью
ячейке, есть очень крошечный ток, проходящий против часовой стрелки через реальную
схема. И диод это позволяет. Теперь давайте подумаем, что происходит
когда напряжение становится положительным. Другими словами, мы обращаем
полярность ячейки еще раз, так что ячейка пытается установить ток в
направление, в котором диод пропускает через себя ток. И, вспомните еще раз, это
ток, о котором мы говорим, является обычным током.

Ну и с идеальным диодом, что нам
ожидать увидеть, это то, что как только напряжение становится хоть немного больше
чем ноль вольт, в цепи возникает огромный ток. Потому что помните, что идеальный диод
действует как замкнутый переключатель в ситуации. Однако настоящий диод ведет себя
немного иначе. То, что мы видим, это то, что есть
определенное минимальное напряжение, которое должно быть приложено, прежде чем будет пропущен какой-либо ток
через цепь. Теперь это напряжение известно как
пороговое напряжение, которое мы будем называть 𝑉 нижним индексом 𝑡. Что для идеального диода равно
на самом деле ноль вольт, потому что все, что выше этого, и ток немедленно устанавливается
в цепи. Итак, основные отличия
между 𝐼–𝑉 характеристиками идеального диода и реального диода.

Теперь все хорошо и хорошо
думая о диодах как о компонентах схемы, которые ведут себя именно таким образом. Но мы можем задать вопрос, что
из каких материалов на самом деле сделаны диоды? Ну, диоды чаще всего делают
из полупроводниковых материалов, таких как кремний. Итак, полупроводниковый материал
материал, который не так хорошо проводит электричество, как проводник. Но это гораздо лучший проводник
чем изолятор. Другими словами, полупроводниковый
проводимость находится где-то между проводимостью изолятора и
проводник. И кремний является примером
полупроводник. Атом кремния имеет четыре электрона
в своей внешней оболочке. Это означает, что он может образовывать связи
с четырьмя другими атомами кремния.

Так, например, если бы мы рассмотрели
этот атом кремния, то мы видим, что он связан с этим, этим, этим,
и этот. И конечным результатом этого является то, что
во внешней оболочке этого кремниевого атома теперь один, два, три, четыре, пять, шесть,
семь, восемь электронов. Другими словами, полный внешний
оболочка. Четыре из этих восьми электронов приходят
от этого самого атома кремния. А остальные четыре происходят из
четыре атома кремния, с которыми он связан. Теперь кремний представляет собой
полупроводник. Потому что, если бы мы взяли это
кристалл кремния и нагреть его, то часть электронов в этих связях окажется
способен выйти на высокие энергетические уровни. И так, то, что осталось, это небольшие пробелы
где есть место для электрона. А это значит, что другие электроны
Затем можно заполнить эти пробелы. А поскольку электроны заряжены
частиц, это означает, что может существовать поток заряженных частиц — или, другими словами,
словами, ток — в кремнии.

Однако сама по себе проводимость
свойства кремния недостаточно хороши. Итак, что мы можем сделать, так это
заменить некоторые из этих атомов кремния атомами другого элемента. Одним из таких элементов является бор. Бор содержит только три электрона
в своей внешней оболочке. Итак, мы могли бы заменить один из
эти атомы кремния, скажем, этот, с атомом бора в процессе, известном как
допинг. Теперь, поскольку в этом положении мы
иметь атом бора вместо атома кремния, этот атом бора имеет на один электрон меньше
в его внешней оболочке, чтобы обеспечить связь. А это значит, что даже без
нам нужно нагреть наш кремниевый кристалл, теперь у нас есть дырка, через которую проходит электрон.
было бы, если бы этот атом был кремнием. Затем эту дыру можно занять
другие электроны, которые оставляют после себя дырки, когда перескакивают в это положение.

Теперь, поскольку бор является трехвалентным атомом,
что означает, что у него три электрона на внешней оболочке, что приводит к легированному
кристалл кремния, в котором теперь больше отверстий, чем было бы в противном случае. И эти мотыги считаются
положительно заряжены, потому что они находятся в отсутствие электрона, который
отрицательный. А так, отсутствие негатива
заряд можно рассматривать как положительный заряд. И, следовательно, этот тип допинга
Кристалл кремния известен как полупроводник p-типа или положительного типа. Однако, если бы мы
вместо кристалла кремния с пятивалентным атомом — так что это атом, содержащий
пять электронов на его внешней оболочке, а не четыре у кремния, и пример
пятивалентного атома — это фосфор — тогда мы увидим, что фосфор образует
четыре связи с атомами кремния вокруг него. Но сейчас лишнее
электрон из фосфора, который фактически получает возможность свободно перемещаться внутри
кристалл.

Это означает, что пятивалентный атом
имеет дополнительный электрон по сравнению с атомом кремния. И этот лишний электрон свободен
передвигаться. Это означает, что это отрицательно
заряженная частица, этот электрон, может двигаться и, таким образом, может быть частью тока
поток. Следовательно, это также увеличивает
проводимость нашего кристалла кремния. И кристалл, легированный
пятивалентный атом известен как полупроводник n-типа или отрицательного типа. Это связано с тем, что он обеспечивает
избыток отрицательно заряженных частиц или электронов.

Итак, мы рассмотрели p-type
полупроводники и полупроводники n-типа. Но какое это имеет отношение к
диоды? Что ж, получается, что если взять
полупроводник p-типа и полупроводник n-типа и соедините их посередине, затем
эта установка действует как диод. Другими словами, соединяя нашу ячейку
в этой ориентации позволяет течь обычному току в направлении по часовой стрелке
в нашей схеме, как мы ее нарисовали. В то время как, если бы мы переключили
полярность ячейки, затем полупроводник p-типа и полупроводник n-типа
вместе, известный как p-n переход, не позволил бы обычному вращению против часовой стрелки.
ток, который необходимо установить в цепи. Таким образом, амперметр будет измерять
ток ноль ампер. Итак, теперь, когда мы рассмотрели
функциональные возможности диода, а также из чего сделан диод, давайте немного
попрактикуйтесь, глядя на пример вопроса.

Что из перечисленного верно
описывает диод? А) Диод представляет собой электронный
компонент, который излучает свет с очень высокой эффективностью. Б) Диод представляет собой электронный
компонент с сопротивлением, которое изменяется в зависимости от количества падающего света
на него. В) Диод представляет собой электронный
компонент, который позволяет току течь только в одном направлении через него. Г) Диод представляет собой электронный
компонент, который можно использовать для усиления сигналов. E) Диод представляет собой электронный
компонент с сопротивлением, изменяющимся в зависимости от температуры окружающей среды.

Итак, в этом вопросе из
варианты от A до E, нас попросили выбрать тот, который описывает диод. Чтобы ответить на этот вопрос, может помочь
запомнить условное обозначение диода. Вот как мы рисуем диод в
принципиальная электрическая схема. И эта схема особенно
полезно для нас, потому что на этой диаграмме мы видим маленькую стрелку. И мы можем вспомнить, что эта стрелка
обозначает направление, в котором обычному току разрешено протекать через
диод. Другими словами, обычные
ток, то есть ток, состоящий из положительных зарядов, может течь в этом направлении, но
не имеет права течь в другом направлении. И это функциональность
диод. Другими словами, диод – это
электронный компонент, который позволяет току течь только в одном направлении через
Это. Следовательно, это ответ на наш
вопрос.

Очень быстро смотрит на друга
однако, мы можем видеть, что описание в варианте А состоит в том, что диод является
электронный компонент, излучающий свет с очень высокой эффективностью. Ну, этот тип компонента
на самом деле очень специфический вид диода, в частности, светоизлучающий диод или
ВЕЛ. И светодиоды действительно излучают свет
с очень высокой эффективностью. Однако это не есть хорошо
описание диода в целом, потому что не все диоды излучают свет
диоды. И, следовательно, мы не выбрали
вариант А как ответ на наш вопрос.

Вариант B говорит, что диод является
электронный компонент с сопротивлением, изменяющимся в зависимости от количества света
происшествие на нем. Ну, это больше похоже на
описание светозависимого резистора или LDR. Так вот, это не ответ на
тоже наш вопрос. Вариант D говорит, что диод
электронный компонент, который можно использовать для усиления сигналов. Ну очень похоже на
усилитель, который часто состоит из транзисторов, а также другие схемы
компоненты конечно. А так, это не похоже на
описание диода. И, наконец, вариант Е говорит о том, что
диод — это электронный компонент, сопротивление которого изменяется в зависимости от окружающей среды.
температура. Ну, этот компонент схемы
известный как термистор или иногда терморезистор. А значит, вариант Е тоже не подходит.
ответ на наш вопрос.

Итак, теперь, когда мы рассмотрели это
Например, давайте подытожим то, о чем мы говорили на этом уроке.

Во-первых, мы видели, что диоды
электронные компоненты, которые позволяют току течь через них в одном направлении, но не
в противоположном направлении. Мы также видели, что это
символ цепи для диода, который полезен, потому что стрелка показывает нам
направление, в котором обычный ток может течь через диод. Далее мы увидели, что 𝐼–𝑉
характеристики идеального диода выглядят так, тогда как характеристики реального диода выглядят
как это. Мы также видели, что полупроводники,
такие как кремний, могут быть легированы для образования p-типа, положительного типа и n-типа, или
отрицательный тип, полупроводники.

И, наконец, мы увидели, что диоды
обычно изготавливаются из кремния p-типа, таких атомов, как бор, который имеет три электрона
в его внешней оболочке замещают часть атомов кремния в кристалле, а также n-типа
кремния, где пятивалентный атом, такой как фосфор, заменит часть
кремний. И когда мы присоединяемся к p-типу
полупроводник и полупроводник n-типа вместе в виде p-n перехода,
то это отображает поведение диода.