Полупроводниковый диод применение: Полупроводниковый диод: применение, принцип работы, типы

Полупроводниковый диод. Принцип его работы, параметры и разновидности.

В самом начале радиотехники первым активным элементом была электронная лампа. Но уже в двадцатые годы прошлого века появились первые приборы доступные для повторения радиолюбителями и ставшие очень популярными. Это детекторные приёмники. Более того они выпускались в промышленном масштабе, стоили недорого и обеспечивали приём двух-трёх отечественных радиостанций работавших в диапазонах средних и длинных волн.

Именно в детекторных приёмниках впервые стал использоваться простейший полупроводниковый прибор, называемый вначале детектором и лишь позже получивший современное название – диод.

Диод это прибор, состоящий всего из двух слоёв полупроводника. Это слой “p”- позитив и слой “n”- негатив. На границе двух слоёв полупроводника образуется “p-n” переход. Анодом является область “p”, а катодом зона “n”. Любой диод способен проводить ток только от анода к катоду. На принципиальных схемах он обозначается так.

Как работает полупроводниковый диод.

В полупроводнике “n” типа имеются свободные электроны, частицы со знаком минус, а в полупроводнике типа “p” наличествуют ионы с положительным зарядом, их принято называть «дырки». Подключим диод к источнику питания в обратном включении, то есть на анод подадим минус, а на катод плюс. Между зарядами разной полярности возникает притяжение и положительно заряженные ионы тянутся к минусу, а отрицательные электроны дрейфуют к плюсу источника питания. В “p-n” переходе нет носителей зарядов, и отсутствует движение электронов. Нет движения электронов – нет электрического тока. Диод закрыт.

При прямом включении диода происходит обратный процесс. В результате отталкивания однополярных зарядов все носители группируются в зоне перехода между двумя полупроводниковыми структурами. Между частицами возникает электрическое поле перехода и рекомбинация электронов и дырок. Через “p-n” переход начинает протекать электрический ток. Сам процесс носит название «электронно-дырочная проводимость». При этом диод открыт.

Возникает вполне естественный вопрос, как из одного полупроводникового материала удаётся получить структуры, обладающие различными свойствами, то есть полупроводник «n» типа и полупроводник «p» типа.

Этого удаётся добиться с помощью электрохимического процесса называемого легированием, то есть внесением в полупроводник примесей других металлов, которые и обеспечивают нужный тип проводимости. В электронике используются в основном три полупроводника. Это германий (Ge), кремний (Si) и арсенид галлия (GaAs). Наибольшее распространение получил, конечно, кремний, так как запасы его в земной коре поистине огромны, поэтому стоимость полупроводниковых приборов на основе кремния весьма невысока.

При добавлении в расплав кремния ничтожно малого количества мышьяка (As) мы получаем полупроводник «n» типа, а легируя кремний редкоземельным элементом индием (In), мы получаем полупроводник «p» типа. Присадок для легирования полупроводниковых материалов достаточно много. Например, внедрение атомов золота в структуру полупроводника увеличивает быстродействие диодов, транзисторов и интегральных схем, а добавление небольшого числа различных примесей в кристалл арсенида галлия определяет цвет свечения светодиода.

Типы диодов и область их применения.

Семейство полупроводниковых диодов очень большое. Внешне они очень похожи за исключением некоторых групп, которые отличаются конструктивно и по ряду параметров. Наиболее распространены следующие модификации полупроводниковых диодов:

• Выпрямительные диоды. Предназначены для выпрямления переменного тока.

• Стабилитроны. Обеспечивают стабилизацию выходного напряжения.

• Диоды Шоттки. Предназначены для работы в импульсных преобразователях и стабилизаторах напряжения. Например, в блоках питания персональных компьютеров.

• Импульсные диоды отличаются очень высоким быстродействием и малым временем восстановления. Они применяются в импульсных блоках питания и в другой импульсной технике. К этой группе можно отнести и туннельные диоды.

• СВЧ диоды имеют определённые конструктивные особенности и работают в устройствах на высоких и сверхвысоких частотах.

• Диоды Ганна. Они предназначены для генерирования частот до десятков гигагерц.

• Лавинно-пролётные диоды генерируют частоты до 180 ГГц.

• Фотодиоды имеют миниатюрную линзу и управляются световым излучением. В зависимости от типа могут работать как в инфракрасном, так и в ультрафиолетовом диапазоне спектра.

• Светодиоды. Излучают видимый свет практически любой длины волны. Спектр применения очень широк. Рассматриваются как альтернатива электрическим лампам накаливания и других осветительных приборов.

• Твёрдотельный лазер так же представляет собой полупроводниковый диод. Спектр применения очень широк. От приборов военного назначения до обычных лазерных указок, которые легко купить в магазине. Его можно обнаружить в лазерных считывателях CD/DVD-плееров, а также лазерных уровнях (нивелирах), используемых в строительстве. Чтобы не говорили сторонники лазерной техники, как ни крути, лазер опасен для зрения. Так что, будьте внимательны при обращении с ним.

Также стоит отметить, что у каждого типа диодов есть и подгруппы. Так, например, среди выпрямительных есть и ультрабыстрые диоды. Могут называться как Ultra-Fast Rectifier, HyperFast Rectifier и т.п. Пример – ультрабыстрый диод с малым падением напряжения STTH6003TV/CW (аналог VS-60CPH03). Это узкоспециализированный диод, который применяется, например, в сварочных аппаратах инверторного типа. Диоды Шоттки являются быстродействующими, но не способны выдерживать больших обратных напряжений, поэтому вместо них применяются ультрабыстрые выпрямительные диоды, которые способны выдерживать большие обратные напряжения и огромные прямые токи. При этом их быстродействие сравнимо с быстродействием диодов Шоттки.

Параметры полупроводниковых диодов.

Параметров у полупроводниковых диодов достаточно много и они определяются функцией, которую те выполняют в конкретном устройстве. Например, в диодах, генерирующих СВЧ колебания, очень важным параметром является рабочая частота, а также та граничная частота, на которой происходит срыв генерации. А вот для выпрямительных диодов этот параметр совершенно не важен.

В импульсных и переключающих диодах важна скорость переключения и время восстановления, то есть скорость полного открытия и полного закрытия. В мощных силовых диодах важна рассеиваемая мощность. Для этого их монтируют на специальные радиаторы. А вот диоды, работающие в слаботочных устройствах, ни в каких радиаторах не нуждаются.

Но есть параметры, которые считаются важными для всех типов диодов, перечислим их:

• U пр. – допустимое напряжение на диоде при протекании через него тока в прямом направлении. Превышать это напряжение не стоит, так как это приведёт к его порче.

• U обр. – допустимое напряжение на диоде в закрытом состоянии. Его ещё называют напряжением пробоя. В закрытом состоянии, когда через p-n переход не протекает ток, на выводах образуется обратное напряжение. Если оно превысит допустимое значение, то это приведёт к физическому «пробою» p-n перехода. В результате диод превратиться в обычный проводник (сгорит).

  Очень чувствительны к превышению обратного напряжения диоды Шоттки, которые очень часто выходят из строя по этой причине. Обычные диоды, например, выпрямительные кремниевые более устойчивы к превышению обратного напряжения. При незначительном его превышении они переходят в режим обратимого пробоя. Если кристалл диода не успевает перегреться из-за чрезмерного выделения тепла, то изделие может работать ещё долгое время.

• I пр. – прямой ток диода. Это очень важный параметр, который стоит учитывать при замене диодов аналогами или при конструировании самодельных устройств. Величина прямого тока для разных модификаций может достигать величин десятков и сотен ампер. Особо мощные диоды устанавливают на радиатор для отвода тепла, который образуется из-за теплового действия тока. P-N переход в прямом включении также обладает небольшим сопротивлением. На небольших рабочих токах его действие не заметно, но вот при токах в единицы-десятки ампер кристалл диода ощутимо нагревается. Так, например, выпрямительный диодный мост в сварочном инверторном аппарате обязательно устанавливают на радиатор.

• I обр. – обратный ток диода. Обратный ток – это так называемый ток неосновных носителей. Он образуется, когда диод закрыт. Величина обратного тока очень мала и его в подавляющем числе случаев не учитывают.

• U стаб. – напряжение стабилизации (для стабилитронов). Подробнее об этом параметре читайте в статье про стабилитрон.

Кроме того следует иметь в виду, что все эти параметры в технической литературе печатаются и со значком «max». Здесь указывается предельно допустимое значение данного параметра. Поэтому подбирая тип диода для вашей конструкции необходимо рассчитывать именно на максимально допустимые величины.

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

• Варикап. Что это такое?

• Биполярный транзистор.

• Как обозначается полевой транзистор на схеме?

Принцип работы полупроводникового диода

Полупроводниковый диод — полупроводниковый прибор, в широком смысле — электронный прибор, изготовленный из полупроводникового материала, имеющий два электрических вывода (электрода). В более узком смысле — полупроводниковый прибор, во внутренней структуре которого сформирован один p-n-переход.

Диод — самый простейший по устройству в славном семействе полупроводниковых приборов. Если взять пластинку полупроводника, например германия, и в его левую половину ввести акцепторную примесь, а в правую донорную, то с одной стороны получится полупроводник типа P, соответственно с другой типа N. В середине кристалла получится, так называемый P-N переход, как показано на рисунке 1.

На этом же рисунке показано условное графическое обозначение диода на схемах: вывод катода (отрицательный электрод) очень похож на знак «-». Так проще запомнить.

Всего в таком кристалле две зоны с различной проводимостью, от которых выходят два вывода, поэтому полученный прибор получил название диод, поскольку приставка «ди» означает два.

В данном случае диод получился полупроводниковый, но подобные устройства были известны и раньше: например в эпоху электронных ламп был ламповый диод, называвшийся кенотрон. Сейчас такие диоды ушли в историю, хотя приверженцы «лампового» звука считают, что в ламповом усилителе даже выпрямитель анодного напряжения должен быть ламповым! 

Рисунок 1. Строение диода и обозначение диода на схеме

На стыке полупроводников с P и N проводимостями получается P-N переход (P-N junction), который является основой всех полупроводниковых приборов. Но в отличии от диода, у которого этот переход лишь один, транзисторы имеют два P-N перехода, а, например, тиристоры состоят сразу из четырех переходов.

P-N переход в состоянии покоя

Даже если P-N переход, в данном случае диод, никуда не подключен, все равно внутри него происходят интересные физические процессы, которые показаны на рисунке 2.

Рисунок 2. Диод в состоянии покоя

В области N имеется избыток электронов, она несет в себе отрицательный заряд, а в области P заряд положительный. Вместе эти заряды образуют электрическое поле. Поскольку разноименные заряды имеют свойство притягиваться, электроны из зоны N проникают в положительно заряженную зону P, заполняя собой некоторые дырки. В результате такого движения внутри полупроводника возникает, хоть и очень маленький (единицы наноампер), но все-таки ток.

В результате такого движения возрастает плотность вещества на стороне P, но до определенного предела. Частицы обычно стремятся распространяться равномерно по всему объему вещества, подобно тому, как запах духов распространяется на всю комнату (диффузия), поэтому, рано или поздно, электроны возвращаются обратно в зону N.

Если для большинства потребителей электроэнергии направление тока роли не играет, — лампочка светится, плитка греется, то для диода направление тока играет огромную роль. Основная функция диода проводить ток в одном направлении. Именно это свойство и обеспечивается P-N переходом.

Далее рассмотрим, как ведет себя диод в двух возможных случаях подключения источника тока.

Включение диода в обратном направлении

Если к полупроводниковому диоду подключить источник питания, как показано на рисунке 3, то ток через P-N переход не пройдет.

Рисунок 3. Обратное включение диода

Как видно на рисунке, к области N подключен положительный полюс источника питания, а к области P – отрицательный. В результате электроны из области N устремляются к положительному полюсу источника. В свою очередь положительные заряды (дырки) в области P притягиваются отрицательным полюсом источника питания. Поэтому в области P-N перехода, как видно на рисунке, образуется пустота, ток проводить просто нечем, нет носителей заряда.

При увеличении напряжения источника питания электроны и дырки все сильней притягиваются электрическим полем батарейки, в области же P-N перехода носителей заряда остается все меньше. Поэтому в обратном включении ток через диод не идет. В таких случаях принято говорить, что полупроводниковый диод заперт обратным напряжением.

Увеличение плотности вещества около полюсов батареи приводит к возникновению диффузии, — стремлению к равномерному распределению вещества по всему объему. Что и происходит при отключении элемента питания.

Обратный ток полупроводникового диода

Вот здесь как раз и настало время вспомнить о неосновных носителях, которые были условно забыты. Дело в том, что даже в закрытом состоянии через диод проходит незначительный ток, называемый обратным. Этот обратный ток и создается неосновными носителями, которые могут двигаться точно так же, как основные, только в обратном направлении. Естественно, что такое движение происходит при обратном напряжении. Обратный ток, как правило, невелик, что обусловлено незначительным количеством неосновных носителей.

С повышением температуры кристалла количество неосновных носителей увеличивается, что приводит к возрастанию обратного тока, что может привести к разрушению P-N перехода. Поэтому рабочие температуры для полупроводниковых приборов, — диодов, транзисторов, микросхем ограничены. Чтобы не допускать перегрева мощные диоды и транзисторы устанавливаются на теплоотводы – радиаторы.

Включение диода в прямом направлении

Показано на рисунке 4.

Рисунок 4. Прямое включение диода

Теперь изменим полярность включения источника: минус подключим к области N (катоду), а плюс к области P (аноду). При таком включении в области N электроны будут отталкиваться от минуса батареи, и двигаться в сторону P-N перехода. В области P произойдет отталкивание положительно заряженных дырок от плюсового вывода батареи. Электроны и дырки устремляются навстречу друг другу.

Заряженные частицы с разной полярностью собираются около P-N перехода, между ними возникает электрическое поле. Поэтому электроны преодолевают P-N переход и продолжают движение через зону P. При этом часть из них рекомбинирует с дырками, но большая часть устремляется к плюсу батарейки, через диод пошел ток Id.

Этот ток называется прямым током. Он ограничивается техническими данными диода, некоторым максимальным значением. Если это значение будет превышено, то возникает опасность выхода диода из строя. Следует, однако, заметить, что направление прямого тока на рисунке совпадает с общепринятым, обратным движению электронов.

Можно также сказать, что при прямом направлении включения электрическое сопротивление диода сравнительно небольшое. При обратном включении это сопротивление будет во много раз больше, ток через полупроводниковый диод не идет (незначительный обратный ток здесь в расчет не принимается). Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что диод ведет себя подобно обычному механическому вентилю: повернул в одну сторону — вода течет, повернул в другую — поток прекратился. За это свойство диод получил название полупроводникового вентиля.

Чтобы детально разобраться во всех способностях и свойствах полупроводникового диода, следует познакомиться с его вольт – амперной характеристикой. Также неплохо узнать о различных конструкциях диодов и частотных свойствах, о достоинствах и недостатках.

Ранее ЭлектроВести писали, что два больших проекта систем накопления энергии (СНЭ) на юге Техаса в США общей номинальной мощностью 200 МВт будут реализованы на основе технологий Wärtsilä. Накопители будут соединены непосредственно с системой передачи электроэнергии как самостоятельные участники рынка. Компания Wärtsilä также подписала сервисное соглашение с гарантированными на 10 лет эксплуатационными показателями.

По материалам: electrik.info.

Использование и применение диодов

В этом руководстве по диодам мы увидим некоторые из распространенных применений диодов. Как простейший полупроводниковый компонент, диод находит широкое применение в современных электронных системах. Различные электронные и электрические схемы используют этот компонент как необходимое устройство для получения требуемого результата.

Описание

Введение

Мы знаем, что диод пропускает ток только в одном направлении и, следовательно, действует как односторонний переключатель. Диод изготовлен из материалов типа P и N и имеет две клеммы, а именно анод и катод. Этим устройством можно управлять, контролируя напряжение, подаваемое на эти клеммы.

Когда напряжение, подаваемое на анод, положительно по отношению к катоду, говорят, что диод находится в прямом смещении. Если напряжение, подаваемое на диод, превышает пороговый уровень (обычно оно составляет ≈0,6 В для кремниевых диодов), то диод действует как короткое замыкание и пропускает ток.

Если полярность напряжения меняется, т. е. катод становится положительным по отношению к аноду, то говорят, что он находится в обратном смещении и действует как разомкнутая цепь. В результате ток через него не течет.

Области применения диодов включают системы связи в качестве ограничителей, ограничителей, стробов; компьютерные системы в виде логических вентилей, фиксаторов; системы электропитания в виде выпрямителей и инверторов; телевизионные системы в качестве фазовращателей, ограничителей, фиксаторов; радиолокационные схемы, такие как схемы управления усилением, параметрические усилители и т. д. Следующее описание кратко описывает различные области применения диодов.

Некоторые общие области применения диодов

Прежде чем рассматривать различные области применения диодов, давайте быстро взглянем на небольшой список распространенных областей применения диодов.

• Выпрямители
• Цепи клипера
• Зажимные цепи
• Цепи защиты от обратного тока
• В логических элементах
• Умножители напряжения

и многие другие. Теперь давайте разберемся в каждом из этих применений диодов более подробно.

Диод в качестве выпрямителя

Наиболее распространенное и важное применение диода — преобразование переменного тока в постоянный. Используя диоды, мы можем построить различные типы цепей выпрямителя. Основными типами схем этих выпрямителей являются однополупериодные, двухполупериодные с центральным отводом и мостовые выпрямители. Один или комбинация из четырех диодов используется в большинстве приложений для преобразования энергии. На рисунке ниже показана работа диода в выпрямителе.

• Во время положительного полупериода входного питания анод становится положительным по отношению к катоду. Таким образом, диод смещается в прямом направлении. Это приводит к тому, что ток течет к нагрузке. Поскольку нагрузка резистивная, напряжение на нагрузочном резисторе будет таким же, как и напряжение питания, т. е. на нагрузке появится входное синусоидальное напряжение (только положительный цикл). И ток нагрузки пропорционален приложенному напряжению.
• Во время отрицательного полупериода входной синусоидальной волны анод становится отрицательным по отношению к катоду. Таким образом, диод смещается в обратном направлении. Следовательно, ток в нагрузку не поступает. Цепь становится разомкнутой, и напряжение на нагрузке не появляется.
• И напряжение, и ток на стороне нагрузки имеют одну полярность, что означает, что выходное напряжение имеет пульсирующий постоянный ток. Часто эта схема выпрямления имеет конденсатор, который подключается к нагрузке для получения постоянных и непрерывных токов постоянного тока без каких-либо пульсаций.

Диоды в цепях ограничения

Цепи ограничения используются в FM-передатчиках, где шумовые пики ограничиваются определенным значением, чтобы удалить из них чрезмерные пики. Схема ограничителя используется для снижения напряжения выше заданного значения без нарушения оставшейся части формы входного сигнала.

В зависимости от конфигурации диодов в схеме эти машинки для стрижки делятся на два типа:

• Серия машинок для стрижки
• Шунт клипер

Кроме того, они снова классифицируются по разным типам.

На приведенном выше рисунке показаны положительные серии и шунтирующие клиперы. А с помощью этих схем ограничителя будут удалены положительные полупериоды формы сигнала входного напряжения. В ограничителе положительной серии во время положительного цикла входа диод смещен в обратном направлении, поэтому напряжение на выходе равно нулю.

Следовательно, положительный полупериод отсекается на выходе. Во время отрицательного полупериода входа диод смещен в прямом направлении, и отрицательный полупериод появляется на выходе.

В ограничителе положительного шунта диод смещен в прямом направлении во время положительного полупериода, поэтому выходное напряжение равно нулю, поскольку диод действует как замкнутый переключатель. А во время отрицательного полупериода диод смещен в обратном направлении и действует как разомкнутый переключатель, поэтому на выходе появляется полное входное напряжение. С двумя вышеупомянутыми диодными ограничителями положительный полупериод входа отсекается на выходе.

Диоды в цепях ограничения

Схема ограничения используется для смещения или изменения положительного или отрицательного пика входного сигнала до желаемого уровня. Эта схема также называется переключателем уровня или восстановителем постоянного тока. Эти фиксирующие цепи могут быть положительными или отрицательными в зависимости от конфигурации диода.

В положительной схеме фиксации отрицательные пики поднимаются вверх, так что отрицательные пики падают на нулевой уровень. В случае отрицательной схемы ограничения положительные пики фиксируются таким образом, что он толкает вниз, так что положительные пики падают на нулевой уровень.

Посмотрите на приведенную ниже диаграмму, чтобы понять применение диодов в цепях фиксации. Во время положительного полупериода входа диод смещен в обратном направлении, поэтому выходное напряжение равно сумме входного напряжения и напряжения на конденсаторе (учитывая, что конденсатор изначально заряжен). Во время отрицательного полупериода входного сигнала диод смещен в прямом направлении и ведет себя как замкнутый переключатель, поэтому конденсатор заряжается до пикового значения входного сигнала.

Диоды в логических вентилях

Диоды также могут выполнять цифровые логические операции. Низко- и высокоимпедансные состояния логического переключателя аналогичны состояниям прямого и обратного смещения диода соответственно. Таким образом, диод может выполнять логические операции, такие как И, ИЛИ и т. д. Хотя диодная логика является более ранним методом с некоторыми ограничениями, они используются в некоторых приложениях. Большинство современных логических вентилей основаны на полевых МОП-транзисторах.

На приведенном ниже рисунке показана логика вентиля ИЛИ, реализованная с использованием пары диодов и резистора.

В приведенной выше схеме входное напряжение подается на V и, управляя переключателями, мы получаем на выходе логику ИЛИ. Здесь логическая 1 означает высокое напряжение, а логический 0 означает нулевое напряжение. Когда оба переключателя находятся в разомкнутом состоянии, оба диода находятся в состоянии обратного смещения, и, следовательно, напряжение на выходе Y равно нулю. Когда любой из переключателей замкнут, диод смещается в прямом направлении, и в результате на выходе появляется высокий уровень.

Диоды в схемах умножителя напряжения

Умножитель напряжения состоит из двух или более диодных выпрямительных цепей, которые соединены каскадом для создания постоянного выходного напряжения, кратного приложенному входному напряжению. Эти схемы умножения бывают разных типов, такие как удвоитель, утроитель, учетверитель напряжения и т. Д. Используя диоды в сочетании с конденсаторами, мы получаем на выходе нечетное или даже кратное входному пиковому напряжению.

На приведенном выше рисунке показана схема однополупериодного удвоителя напряжения, у которой выходное постоянное напряжение в два раза превышает пиковое входное переменное напряжение. Во время положительного полупериода входного переменного тока диод D1 смещен в прямом направлении, а диод D2 смещен в обратном направлении. Итак, конденсатор С1 заряжается до пикового напряжения Vm входа через диод D1. Во время отрицательного полупериода входного переменного тока D1 смещен в обратном направлении, а D2 смещен в прямом направлении. Итак, конденсатор С2 начинает заряжаться через D2 и С1. Таким образом, общее напряжение на C2 равно 2 Вм.

Во время следующего положительного полупериода диод D2 смещен в обратном направлении, поэтому конденсатор C2 будет разряжаться через нагрузку. Аналогичным образом, каскадируя схемы выпрямителя, мы получим на выходе несколько значений входного напряжения.

Защита от обратной полярности диодов

Защита от обратной полярности или тока необходима для предотвращения повреждений, возникающих из-за неправильного подключения батареи или неправильной полярности источника постоянного тока. Это случайное подключение питания вызывает протекание большого тока через компоненты цепи, что может привести к их выходу из строя или, в худшем случае, к их взрыву.

Поэтому защитный или блокировочный диод подключается последовательно с положительной стороной входа, чтобы избежать проблем с обратным подключением.

На приведенном выше рисунке показана схема защиты от обратного тока, в которой диод включен последовательно с нагрузкой на положительной стороне питания батареи. При правильном подключении полярности диод смещается в прямом направлении и через него протекает ток нагрузки. Но в случае неправильного подключения диод смещается в обратном направлении и не пропускает ток в нагрузку. Следовательно, нагрузка защищена от обратной полярности.

Диоды для подавления всплесков напряжения

В случае индуктора или индуктивных нагрузок резкое отключение источника питания приводит к повышению напряжения из-за сохраненной в нем энергии магнитного поля. Эти неожиданные скачки напряжения могут привести к значительному повреждению остальных компонентов схемы.

Таким образом, диод подключается к катушке индуктивности или индуктивным нагрузкам для ограничения больших скачков напряжения. Эти диоды также называются по-разному в разных схемах, таких как демпферный диод, обратноходовой диод, подавляющий диод, диод свободного хода и так далее.

На приведенном выше рисунке обратный диод подключен к индуктивной нагрузке для подавления скачков напряжения в катушке индуктивности. Когда переключатель внезапно размыкается, в катушке индуктивности создается всплеск напряжения. Таким образом, диод свободного хода создает безопасный путь для протекания тока, чтобы разрядить напряжение, создаваемое всплеском.

Диоды в солнечных панелях

Диоды, используемые для защиты солнечных панелей, называются обходными диодами. Если солнечная панель неисправна, повреждена или затенена опавшими листьями, снегом и другими препятствиями, общая выходная мощность снижается и возникает повреждение точки перегрева, поскольку ток остальных элементов должен проходить через этот неисправный или затененный элемент и вызывает перегрев. Основная функция байпасного диода — защитить солнечные элементы от этой проблемы нагрева горячей точки.

На приведенном выше рисунке показано подключение обходных диодов в солнечных батареях. Эти диоды подключены параллельно солнечным элементам, тем самым ограничивая напряжение на неисправном солнечном элементе и пропуская ток от исправных солнечных элементов во внешнюю цепь. Таким образом, уменьшается проблема перегрева за счет ограничения тока, протекающего через неисправный солнечный элемент.

Заключение

У нас есть несколько важных применений диодов. К ним относятся выпрямители, ограничители, ограничители, умножители напряжения, логические вентили, солнечные панели, защита от обратной полярности и подавление скачков напряжения.

Полупроводниковый диод – определение, характеристики и применение

Учебное пособие по полупроводниковым диодам

Содержание

Полупроводниковый диод – тип диода, который содержит «p-n переход», изготовленный из полупроводниковых материалов, легированных различными добавками. Это двусторонний нелинейный электронный компонент, в котором клемма, присоединенная к слою « p » ( + ), называется анодом, а слой « n » (–) — катодом. Этот электронный компонент в основном используется из-за его способности пропускать электрический ток только в одном направлении (от анод до катод ) после прямого смещения вышеупомянутого «p-n перехода» с положительным электрическим напряжением.

Рис. 1. Полупроводниковый диод условное обозначение

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

Полупроводниковый диод – Задания для школьников

Если вы студент или просто хотите научиться решать задачи для полупроводниковых диодов, посетите этот раздел нашего веб-сайта, где вы найдете большое разнообразие электронных заданий .

Полупроводниковый диод — внутренняя конструкция

Полупроводниковый диод состоит из двух полупроводниковых кристаллов с различным легированием — типов «p» и «n». Вместе они образуют так называемые « p-n переход» , где «n» слой (с примесями доноров электронов) имеет избыточное количество электронов, которые являются там основными носителями (у нас больше электронов (-), чем электронов дырок (+)). Однако в слое «p» (акцептор электронов) основными носителями являются электронные дырки (+), а не электроны (-), поэтому у нас больше дырок, которые нужно «заполнить», чем доступных электронов. Электронная дыра — это вакансия, созданная электроном, «путешествующим» из своего первоначального места в какое-то другое место в этом кристалле. На самом деле «дырки» не существует, но отсутствие электрона делает ее положительно заряженной частицей, которая притягивает отрицательно заряженные электроны, чтобы снова образовать пару (дырки тоже могут двигаться).

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

Рис. 2. P-N-переход в состоянии термодинамического равновесия

Чтобы обеспечить протекание электрического тока через «p-n-переход» (электрический клапан открыт), внешнее положительное электрическое напряжение должно быть приложено для «толкания» и помощи большой группе электронов. и отверстия, чтобы встретиться вместе (прямое смещение диода). После того, как их «протолкнут» через область истощения с достаточной силой (V _F = 0,7В) диод начинает проводить ток, поэтому он начинает течь через него.

Рис. 3. P-N переход с прямым смещением (электрический вентиль включен)

Чтобы убедиться, что электрический ток не будет течь (электрический вентиль закрыт), необходимо подать внешнее отрицательное напряжение на полупроводниковый диод (обратное смещение) чтобы сделать область истощения еще больше (иллюстрация ниже).

Рис. 4. P-N переход с обратным смещением (электрический вентиль закрыт)

С течением времени технологические требования возрастали, что привело к разработке новых типов диодов. Когда полупроводник соединяется с соответствующим металлом, мы получаем МС переход (Металл-Полупроводник), обладающий также выпрямительными свойствами (проводимость тока в одном направлении) – используется, например, в быстродействующих диодах Шоттки .

МС-переходы могут иметь одну из двух ВАХ:

• Несимметричные нелинейные
• Симметричный, линейный

МС переход Свойства зависят в основном от состояния поверхности полупроводника и от разницы работы выхода электронов из металла и самого полупроводника. Диод Шоттки в основном используется в системах, требующих малое время переключения (решающее влияние оказывает малая емкость перехода C _j диода) с частотами до нескольких десятков ГГц.

Полупроводниковый диод – вольтамперная характеристика

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

Рис. 5. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода

Как определить, где анод, а где катод?

Для определения полярности диода можно использовать простой мультиметр. Есть по крайней мере три способа сделать это, но я покажу здесь два самых популярных способа, которые можно сделать даже с помощью самых дешевых мультиметров (получите мультиметр Basetech BT-11):

а) Использование омметра (диапазон 2 кОм):

Рис. 6. Прямое смещение: омметр покажет приблизительное прямое напряжение диода (около 0,7 В) Рис. 7. Обратное смещение: омметр показывает «1», что означает очень высокое сопротивление (электрический клапан закрыт)

Вы также можете использовать функцию «проверки диодов» (символ диода на мультиметре), но результат будет таким же, как и при использовании омметра.

b) Использование функции измерения напряжения постоянного тока:

Рис. 8. Прямое смещение: Мультиметр должен показывать падение напряжения приблизительно 0,7 В для кремниевых диодов Рис. 9. Обратное смещение: мультиметр покажет приблизительное полное напряжение питания. ( Примечание: Здесь диод вставлен противоположным образом по сравнению с примером выше. На самом деле я бы изменил полярность источника питания , потому что «руками» уже спаянный компонент не размонтируешь, если не выпаяешь. Конечно, мы не хотим делать это с хорошим рабочим компонентом. Я просто хотел показать вам пример, что вы также должны обратить внимание на правильное размещение компонентов на вашей печатной плате или макетной плате)

Типы полупроводниковых диодов

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

Эксперимент для самостоятельного выполнения

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

Необходимое количество:

• макетная плата (макетная плата GET, выдвижная, общее количество контактов 840 (Д x Ш x В) 172,7),
• Батарея 9В с проводами,
• один светодиодный диод (помните, что светодиоды также относятся к семейству полупроводниковых диодов!) (GET LED Wired Red Rectangular 2 x 5 mm 8 mcd),
• один резистор 1 кОм (получить резистор 1 кОм)

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

Рис. 10. В этом случае светодиод должен проводить ток, и вы должны увидеть, как он загорается Рис. 11. Здесь светодиод не должен гореть – диод не проводит ток ( Примечание: Здесь диод вставлен противоположным образом по сравнению с примером выше. В реальности я бы поменял полярность Блока питания, потому что «руками» один раз впаянный компонент не размонтируешь, разве что выпаять. Конечно, мы не хотим делать это с хорошим рабочим компонентом. Я просто хотел показать вам пример, что вы также должны обратить внимание на правильное размещение компонентов на вашей печатной плате или макетной плате)

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

Рис. 12. Схема «перенесена» на макетную плату (диод проводит ток)

Рис. 13. В этом случае, как видите, диод не проводит ток (вставлен наоборот)  ( Примечание: Здесь диод вставлен наоборот по сравнению с примером выше На самом деле я бы поменял полярность блока питания, потому что «руками» уже впаянный компонент не разобрать, если только не выпаять. мы не хотим делать это с хорошо работающим компонентом, я просто хотел показать вам пример, что вы также должны обратить внимание на правильное размещение компонентов на вашей печатной плате или макетной плате)

На первой картинке светодиод был переведен в проводящее состояние.