Полупроводниковые диоды: типы, классификация, принцип действия, характеристики, устройство и применение

P-N-переход

Рассмотрим процессы происходящий при прохождении тока через электронно-дырочный переход. Левый слой, обозначенный буквой n, имеет электронную проводимость. Ток в нём связан с перемещением свободных электронов, которые условно обозначены кружками со знаком «минус». Правый слой, обозначенный буквой p, обладает дырочной проводимостью. Ток в этом слое связан с перемещением дырок, которые на рисунке обозначены кружками с «плюсом».

Движение электронов и дырок в режиме прямой проводимости

Движение электронов и дырок в режиме обратной проводимости.

При соприкосновении полупроводников с различными типами проводимости электроны вследствие диффузии начнут переходить в p-область, а дырки — в n-область, в результате чего пограничный слой n-области заряжается положительно, а пограничный слой p-области — отрицательно. Между областями возникает электрическое поле, которое является как бы барьеров для основных носителей тока, благодаря чему в p-n переходе образуется область с пониженной концентрацией зарядов. Электрическое поле в p-n переходе называют потенциальным барьером, а p-n переход — запирающим слоем. Если направление внешнего электрического поля противоположно направлению поля p-n перехода («+» на p-области, «-» на n-области), то потенциальный барьер уменьшается, возрастает концентрация зарядов в p-n переходе, ширина и, следовательно, сопротивление перехода уменьшается. При изменении полярности источника внешнее электрическое поле совпадает с направлением поля p-n перехода, ширина и сопротивление перехода возрастает. Следовательно, p-n переход обладает вентильными свойствами.

PN-переход

Поскольку мы знаем, что полупроводник p-типа имеет трехвалентные атомы, и каждый из них создает одну дырку, мы можем визуализировать это, как показано на рисунке ниже. Каждый обведенный кружком знак минус — это трехвалентный атом, а каждый знак плюс — это дыра в его валентной орбите.

Мы также знаем, что полупроводник n-типа имеет пятивалентные атомы, и каждый из них производит один свободный электрон, мы можем визуализировать это, как показано на следующем рисунке. Каждый обведенный кружком знак плюс — это пятивалентный атом, а каждый знак минус — это свободный электрон, который он вносит.

Производитель может изготовить один кристалл кремния с материалом p-типа на одной стороне и n-типом на другой стороне, как показано на рисунке. Граница между p-типом и n-типом называется PN-переходом.

Кристалл PN обычно известен как соединительный диод. Слово диод представляет собой сокращение двух электродов, где ди означает два.

Существует три возможных условия смещения для PN-соединения:

Электрический паяльник с регулировкой температуры
Мощность: 60/80 Вт, температура: 200’C-450’C, высококачествен…

Подробнее

Равновесие или нулевое смещение — внешнее напряжение не подается на PN-переход.
Обратное смещение — положительная клемма источника подключена к n-типу, а отрицательная клемма источника подключена к p-типу.
Прямое смещение — отрицательная клемма источника подключена к n-типу, а положительная клемма источника подключена к p-типу.

Давайте посмотрим на них один за другим.

Диод в цепи переменного тока

Кто забыл, что такое переменный ток, читаем эту статью. Итак, для того, чтобы рассмотреть работу диода в цепи переменного тока, давайте составим схему. Здесь мы видим генератор частоты G, диод и два клеммника Х1 и Х2, с которых мы будем снимать сигнал с помощью осциллографа.

Мой генератор частоты выглядит вот так.

генератор частот

Осциллограмму будем снимать с помощью цифрового осциллографа

Генератор выдает переменное синусоидальное напряжение.

синусоидальный сигнал

Что же будет после диода? Цепляемся к клеммам X1 и X2 и видим вот такую осциллограмму.

переменное напряжение после диода

Диод вырезал нижнюю часть синусоиды, оставив только верхнюю часть.

А что будет, если мы поменяем выводы диода? Схема примет такой вид.

переменый ток после диода

Что же получим на клеммах Х1 и Х2 ? Смотрим на осциллограмму.

переменный ток после диода

Ничего себе! Диод срезал только положительную часть синусоиды!

История появления

Работы, связанные с диодами, начали вести параллельно сразу два учёных — британец Фредерик Гутри и немец Карл Браун. Открытия первого были основаны на ламповых диодах, второго — на твердотельных. Однако развитие науки того времени не позволило совершить большой рывок в этом направлении, но дали новую пищу для ума.

Затем через несколько лет открытие диодов заново произвёл Томас Эдисон и в дальнейшем запатентовал изобретение. Однако по каким-то причинам, в своих работах применения ему на нашлось. Поэтому развитие диодной технологии продолжали другие учёные в разные годы.

Кстати, до начала 20 века диоды назывались выпрямителями. Затем учёный Вильям Генри Иклс применил два корня слов — di и odos. Первое с греческого переводится как «два», второе — «путь». Таким образом, слово «диод» означает «два пути».

Принцип работы

Опишем, как работает диод. В основе его работы лежат свойства движения электронов и «дырок» под действием электрического поля. Данный прибор может находиться в двух состояниях:

Открытое.
Закрытое.

Графически этот полупроводниковый элемент можно представить в виде прямоугольника, который состоит из двух частей, разделённых линией. В одной части находятся положительно заряженные частицы — ионы, которые называют «дырками». Электрод, подключённый к этой части, называется анодом. Во второй части находятся отрицательно заряженные частицы, называемые электронами. Электрод, подключённый к этой части, называют катодом.

Для того чтобы добиться открытого состояния, необходимо соединить катод с отрицательным полюсом источника тока, а анод — с положительным. При таком соединении однополярные заряды будут отталкиваться друг от друга, и на границе p — n перехода будет возникать процесс, названный электронно-дырочной проводимостью. Другими словами, через диод в направлении от анода к катоду будет протекать ток.

Для закрытия диода потребуется поменять полюса питания источника постоянного тока. В таком случае частицы с разноименными зарядами будут притягиваться друг к другу и электрический ток протекать не будет.

В случае повышения напряжения источника питания выше допустимого в закрытом диоде произойдёт пробой, и величина обратного тока многократно увеличится. Такой прибор в дальнейшем непригоден для работы.

Диод Шоттки

Диоды Шоттки имеют очень малое падение напряжения и обладают повышенным быстродействием по сравнению с обычными диодами.

Ставить вместо диода Шоттки обычный диод не рекомендуется, обычный диод может быстро выйти из строя. Обозначается на схемах такой диод так:

Устройство

Полупроводниковый диод – это двухполюсный прибор, изготовленный из полупроводникового вещества, пропускающий ток в одном направлении и практически не пропускающий в другом.

Главный элемент диода – кристаллическая составляющая с p-n переходом, к которой припаивают (приваривают) металлический анод и катод. Прохождение прямого тока осуществляется при подаче на анод положительного, относительно катода, потенциала.

Обратите внимание! В направлении прямого тока происходит движение дырок. Движение электронов осуществляется в противоположном направлении

Устройство диодов может быть точечным, плоскостным, поликристаллическим.

Устройство точечного и плоскостного п/п прибора

Дополнительная информация. Принципиальных отличий между точечными и плоскостными двухполюсными приборами не существует.

Устройство точечного диода показано на рисунке (а).

При приваривании тонкой иглы, с нанесённой на неё примесью, к пластине из полупроводника, с обусловленным видом электропроводности, происходит образование полусферического мини p-n перехода, с другим типом проводимости. Это действие получило название – формовка диода.

При производстве полупроводниковых пластин применяются германий, кремний, арсенид галлия и карбид. В качестве основы точечного и плоскостного двухполюсников используют полупроводниковые монокристаллические пластины с правильным по всему объему строением.

В поликристаллических двухполюсниках p-n переход образуется полупроводниковыми слоями, в состав которых входит большое количество беспорядочно ориентированных малых кристаллов, не представляющих единой монокристаллической формы. Это селеновые, титановые и медно-закисные двухполюсники.

Такие диоды изготавливают методами сплавки и диффузии, для того чтобы создать большую площадь p-n перехода, так как через них протекают большие токи. Сам процесс выпрямления переменного тока заключается в свойстве диода хорошо проводить ток в одном направлении и практически не проводить его в другом.

Ниже изображена схема простейшего однополупериодного выпрямителя. Работает он следующим образом: положительный полупериод напряжения Uвх, диод V пропускает практически без изменения, и напряжение Ur практически равно Uвх. Но в момент времени, когда полупериод напряжения отрицательный, диод включен в обратном направлении и все напряжение Uвх падает на диоде, а напряжение на резисторе практически равно нулю.

Полупроводниковые диоды.

Электрические параметры

У каждого типа диодов есть свои рабочие и предельно допустимые параметры, согласно которым их выбирают для работы в той или иной схеме:

Iобр – постоянный обратный ток, мкА;
Uпр – постоянное прямое напряжение, В;
Iпр max – максимально допустимый прямой ток, А;
Uобр max – максимально допустимое обратное напряжение, В;
Р max – максимально допустимая мощность, рассеиваемая на диоде;
Рабочая частота, кГц;
Рабочая температура, С.

Здесь приведены далеко не все параметры диодов, но, как правило, если надо найти замену, то этих параметров хватает.

Схема простого выпрямителя переменного тока на одном диоде

На вход выпрямителя подадим сетевое переменное напряжение, в котором положительные полупериоды выделены красным цветом, а отрицательные – синим. К выходу выпрямителя подключим нагрузку (Rн), а функцию выпрямляющего элемента будет выполнять диод (VD). При положительных полупериодах напряжения, поступающих на анод диода диод открывается. В эти моменты времени через диод, а значит, и через нагрузку (Rн), питающуюся от выпрямителя, течет прямой ток диода Iпр (на правом графике волна полупериода показана красным цветом).

При отрицательных полупериодах напряжения, поступающих на анод диода диод закрывается, и во всей цепи будет протекать незначительный обратный ток диода (Iобр). Здесь, диод как бы отсекает отрицательную полуволну переменного тока (на правом графике такая полуволна показана синей пунктирной линией).

В итоге получается, что через нагрузку (Rн), подключенную к сети через диод (VD), течет уже не переменный, поскольку этот ток протекает только в положительные полупериоды, а пульсирующий ток – ток одного направления. Это и есть выпрямление переменного тока. Но таким напряжением можно питать лишь маломощную нагрузку, питающуюся от сети переменного тока и не предъявляющую к питанию особых требований, например, лампу накаливания.

https://youtube.com/watch?v=Wx5gthJQQK8

Напряжение через лампу будет проходить только во время положительных полуволн (импульсов), поэтому лампа будет слабо мерцать с частотой 50 Гц. Однако, за счет тепловой инертности нить не будет успевать остывать в промежутках между импульсами, и поэтому мерцание будет слабо заметным. Если же запитать таким напряжением приемник или усилитель мощности, то в громкоговорителе или колонках мы будем слышать гул низкого тона с частотой 50 Гц, называемый фоном переменного тока. Это будет происходить потому, что пульсирующий ток, проходя через нагрузку, создает в ней пульсирующее напряжение, которое и является источником фона.

Этот недостаток можно частично устранить, если параллельно нагрузке подключить фильтрующий электролитический конденсатор (Cф) большой емкости. Заряжаясь импульсами тока во время положительных полупериодов, конденсатор (Cф) во время отрицательных полупериодов разряжается через нагрузку (Rн). Если конденсатор будет достаточно большой емкости, то за время между импульсами тока он не будет успевать полностью разряжаться, а значит, на нагрузке (Rн) будет непрерывно поддерживаться ток как во время положительных, так и во время отрицательных полупериодов. Ток, поддерживаемый за счет зарядки конденсатора, показан на правом графике сплошной волнистой красной линией.

Силовой выпрямительный диод.

Но и таким, несколько сглаженным током тоже нельзя питать приемник или усилитель потому, что они будут «фонить», так как уровень пульсаций (Uпульс) пока еще очень ощутим. В выпрямителе, с работой которого мы познакомились, полезно используется энергия только половины волн переменного тока, поэтому на нем теряется больше половины входного напряжения и потому такое выпрямление переменного тока называют однополупериодным, а выпрямители – однополупериодными выпрямителями. Эти недостатки устранены в выпрямителях с использованием диодного моста.

Обратное смещение

Подключение p-типа к отрицательной клемме батареи и n-типа к положительной клемме соответствует обратному смещению. На следующем рисунке показан диод с обратным смещением.

Отрицательная клемма батареи притягивает дырки, а положительная клемма батареи притягивает свободные электроны. Из-за этого дырки и свободные электроны вытекают из соединения, оставляя положительные и отрицательные ионы позади. Следовательно, область истощения становится шире.

Ширина области истощения пропорциональна обратному напряжению. По мере увеличения обратного напряжения область истощения становится шире. Область истощения перестает расти, когда ее разность потенциалов равна приложенному обратному напряжению. Когда это происходит, электроны и дыры перестают двигаться от соединения.

Использование диодов в быту

Довольно часто диоды используют в автомобильных генераторах. То, какой диод выбрать, следует решать самому. Нужно заметить, что в машинах используются комплексы из нескольких приборов, которые признаны называться диодным мостом. Нередко подобные устройства встраиваются в телевизоры и в приемники. Если использовать их вместе с конденсаторами, то можно добиться выделения частот и сигналов.

Для того чтобы защитить потребителя от электрического тока, нередко в устройства встраивается комплекс из диодов. Такая система защиты считается довольно действенной. Также нужно сказать, что блок питания чаще всего у любых приборов использует такое устройство. Таким образом, светодиодные диоды сейчас довольно распространены.

Фотодиоды

Фотодиод — это полупроводниковые приборы, принцип действия которых основан на внутреннем фотоэффекте, состоящем в генерации под действием света электронно-дырочных пар в рп-переходе, в результате чего увеличивается концентрация основных и неосновных носителей заряда в его объеме. Обратный ток фотодиода определяется концентрацией неосновных носителей и, следовательно, интенсивностью облучения. Вольт-амперные характеристики фотодиода (рисунок 1.2.7.1 (см. стр.28)) показывает, что каждому значению светового потока Ф соответствует определенное значение обратного тока. Такой режим работы прибора называют фотодиодным.

Фотодиоды применяются в качестве датчиков освещенности.

U,пр,В	0,01	0,2
Iпр,мА	1	4,5

Лабораторная работа

Тема: Односторонняя проводимость полупроводникового диода

Цель опыт: продемонстрировать принципиальное различие характеристик р-п перехода в зависимости от полярности приложенного к нему напряжения.

Оборудование: лампа 12В 21Вт -источник постоянного тока, диод — модуль с клеммами для -цифровой амперметр подключения источника питания,ключ

Полупроводниковый диод – это полупроводниковый прибор с одним р-n переходом и двумя выводами. Металлические выводы привариваются или припаиваются к противоположным областям р-n перехода ,а вся система заключается в металлический ,металлокерамический ,стеклянный или пластмассовый корпус.

Если положительный полюс источника питания подключается к p- области ,а отрицательный к n – области ,то включение перехода называют прямым. При изменении указанной полярности включение p –n .Перехода называется обратным .По аналогии с Электровакууными диодами ту сторону полупроводникового диода, к которой при прямом включении присоединяется отрицательный полюс источника питания, называют катодом, а другую – анодом.

Для демонстрации особенностей протекания электрического тока через p-n переход , или ,что одно и тоже ,через полупроводниковый диод ,соберите электрическую цепь, представленную на рис 1, Диод включается в цепь в прямом направлении .Обратите на это внимание учащихся и напомните им ,как по условному обозначению полупроводникового диода определить ,где у него анод ,а где катод. Установите выходное напряжение источника питания равным 10 В и замкните ключ

Лампа при этом начнет светится ,а амперметр покажет наличие тока в цепи. Попросите учащихся на какой из электродов диода подается положительный потенциал ,а на какой –отрицательный ,и в каком направлении протекает ток в цепи. Сделайте вывод о проводимости диода при данном подключении к источнику и объясните результат опыта на основе механизма протекания тока через p-n переход

Установите выходное напряжение источника питания равным 10 В и замкните ключ. Лампа при этом начнет светится ,а амперметр покажет наличие тока в цепи. Попросите учащихся на какой из электродов диода подается положительный потенциал ,а на какой –отрицательный ,и в каком направлении протекает ток в цепи. Сделайте вывод о проводимости диода при данном подключении к источнику и объясните результат опыта на основе механизма протекания тока через p-n переход.

Измените полярность включения диода на противоположную .Замкните ключ и продемонстрируйте, что лампа в этом случае не горит ,а амперметр показывает отсутствие тока в цепи. В место цифрового амперметра включите в цепь миллиамперметр .При этом чувствительность прибора , измеряющего ток в цепи ,увеличится в 100 раз, однако результат опыта останется прежним- ток в цепи нет. Объясните отсутствие тока в цепи на оcнове свойств p-n перехода. Сделайте общий вывод о том ,как влияет полярность подключения диода на его способность проводить электрический ток.

В заключение хочется сказать:

Свойства диода изучено.
Применение диода изучено.
Поставленная цель выполнена.

Литература

Виноградов Ю.В. «Основы электронной и полупроводниковой техники». Изд. 2-е, доп. М., «Энергия», 1972 г.
Журнал «Радио», номер 12, 1978 г.
Терещук Р.М. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства: Справочник радиолюбителя / 4-е издание, стер. — Киев: Наук. Думка 1989.
Бочаров Л.Н. Полевые транзисторы. — М.: Радио и связь, 1984.
Полупроводниковые приборы: транзисторы: Справочник / Н.Н.Горюнова. М.; Энергоатомиздат, 1985.
Справочник «Полупроводниковые приборы: диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы»; М.: Энергоатомиздат, 1987г.

ВАХ полупроводниковых диодов из разных материаллов

ВАХ полупроводниковых диодов как в прямом, так и в обратном направлениях протекания тока аппроксимируются экспоненциальными функциями. На практике совпадение расчетных (теоретических) и экспериментальных характеристик наблюдается лишь на ограниченных участках кривых, например, в области малых токов. В области прямых больших токов (напряжений) зависимость тока от напряжения практически линейна. На рисунке показаны реальные ВАХ полупроводниковых диодов.

ВАХ полупроводниковых диодов, выполненных из разных материалов и разными методами (точечные – m, плоскостные – n). Монокристаллические: германиевые – Ge, кремниевые – Si; поликристаллические: меднозакисные (купроксные) – Cu₂O; селеновые – Se.

В последние десятилетия в отечественной литературе избегают приводить внешний вид ВАХ полупроводниковых приборов. И это не случайно. Вольт-амперные характеристики не очень хорошо воспроизводимы: они отличаются даже у приборов одной партии. Кроме того, ВАХ, особенно для силовых низкочастотных полупроводниковых приборов, сильно зависят от частоты, от сопротивления нагрузки, его резистивно-емкостных и иных характеристик.

Тем не менее, свойства полупроводниковых приборов необходимо каким-то образом описывать. В этой связи в паспортах на них и справочных руководствах принято указывать параметры характерных точек на ВАХ, полученные путем статистического усреднения данных по большой выборке однотипных полупроводниковых приборов испытанных по стандартизированной методике измерений, в пределах использования которой эти данные достаточно воспроизводимы.

К наиболее важным параметрам, характеризующим избранные и наиболее практически значимые точки ВАХ, принято относить:

Прямой ток (I_пр.) — среднее значение тока через открытый диод, при котором обеспечивается надежный режим работы.
Прямое падение напряжения (U_пр.) — напряжение на диоде при прохождении прямого тока I_пр.
Обратный ток (I_обр.) — ток через диод при определенном обратном напряжении.
Максимальное обратное напряжения (U_обр.) — напряжение, соответствующее безопасной области работы, после превышения которого может произойти повреждение прибора.

Все эти сведения для выпрямительных диодов обычно приводят для области низких частот, a именно, 50 Гц. При повышенных частотах на работу полупроводниковых силовых приборов начинают заметно влиять емкости переходов, что можно наблюдать, например, на характериографе. Более того, емкости переходов изменяются в несколько раз при разном уровне приложенного напряжения, a также существенно разнятся при прямом и обратном включении. На практике c ростом частоты диоды теряют выпрямительные свойства и больше напоминают резистивноемкостную цепочку, поэтому при выборе диода для той или иной схемы необходимо учитывать его частотные характеристики.

Как следует из последнего рисунка, ВАХ различных полупроводниковых приборов заметно отличаются друг от друга. Эти различия часто используют во благо при создании полупроводниковых приборов, предназначенных для выполнения специфических функций. B частности, селеновые выпрямители не могут составить конкуренцию кремниевым или германиевым, поскольку рассчитаны на малый прямой ток и малое обратное напряжение, зато свойства их более воспроизводимы,что позволяет применять селеновые выпрямители при параллельном или последовательном их включении без использования уравнительных резисторов (обычно для создания слаботочных высоковольтных выпрямительных столбов).

Меднозакисные выпрямители в настоящее время практически не используют, однако их и сейчас можно встретить в некоторых измерительных приборах.

Наиболее широкое распространение в последнее время получили кремниевые и, в меньшей мере, германиевые полупроводниковые диоды. Кремниевые выгодно отличаются тем, что способны работать при повышенных температурах, вплоть до 100…130oС. Они имеют меньшие обратные токи, допускают работу при более высоких обратных напряжениях — до 800…1200В. Германиевые диоды имеют малое прямое падение напряжения на переходе, но работают до температур не выше 70oС. Кроме перечисленных, выпрямительные функции могут выполнять и другие полупроводниковые приборы, например на основе арсенида галлия GaAs или антимонида индия InSb.

Устройство полупроводникового диода, p-n переход