Область применения полупроводниковых диодов

Полупроводниковый диод является специальным устройством с одним р-n переходом, а также анодным и катодным выводом, которое предназначается для всевозможного изменения электрического сигнала. В большинстве случаев элемент изготовляется из кремния, хотя иногда используются и другие полупроводниковые материалы. Среди основных компонентов прибора — кристаллическая часть с р-n переходом.

Общая информация

Следует отметить, что современные полупроводниковые диоды создаются на основе германия или селена, как и более ста лет назад. Эти материалы обладают специфической структурой, которая позволяет применять элементы для модернизации схем и электроприборов, а также проводить преобразование разных токов.

В мире существуют разные типы таких изобретений, которые отличаются материалом изготовления, принципом действия и сферами применения. Особым спросом пользуются плоскостные и поликристаллические выпрямители, представляющие собой аналоги мостов. Они взаимодействуют посредством двух контактов.

Что касается плюсов приборов, то к ним следует отнести:

1. Полную взаимозаменяемость. Вышедший из строя элемент можно заменить любым другим с такими же свойствами и принципом работы. Особых требований к выбору точно такой же модели нет.
2. Высокую пропускную способность.
3. Дешевизну и доступность. Продаются полупроводниковые диоды в каждом магазине с электротехническими товарами. Стоимость такой продукции составляет от 50 рублей. К тому же их можно изъять своими руками из схем старых устройств.

Принцип работы

Понять принцип действия полупроводникового диода несложно. Все, что для этого понадобится — разбираться в базовых законах физики и знать, как происходят некоторые электрические процессы.

Изначально электроток действует на катод, что вызывает накаливание подогревательного элемента. В свою очередь, электродом испускаются электроны, а между двумя частями появляется электрическое поле.

Аноды с положительным зарядом воздействуют на электроны и притягивают их, а образованное поле выступает в качестве катализатора такой реакции. Также в этот момент формируется эмиссионный ток.

В двух электродах начинается формирование пространственно-отрицательного заряда, который может препятствовать протеканию электронов. Однако случается это лишь при снижении потенциала анода, в результате чего масса электронов не способна справиться с отрицательными элементами, что заставляет их перемещаться в обратном порядке, то есть электроны снова возвращаются к катоду.

Нередко показатели катодного тока держатся нулевой отметки — происходит это при воздействии частиц с зарядом минус. В результате образованное поле не заставляет электроны двигаться быстрее, а вызывает обратную реакцию — притормаживает их и заставляет вернуться обратно к катоду. В конечном итоге цепь размыкается, так как диод остается в запертом состоянии.

Устройство и конструкция

Разобравшись с принципом работы полупроводникового диода, можно начать изучать его устройство и конструкцию. Эти сведения понадобятся для дальнейшего использования диода и более глубокого понимания его рабочих свойств. В основе элемента лежат такие составляющие:

1. Внешняя оболочка. В качестве корпуса используется небольшой баллон. Он полностью вакуумный и может быть стеклянным, металлическим или изготовленным из керамики.
2. Внутри конструкции находится два электрода. Первый используется в качестве катода с накалом, обеспечивающим стабильную эмиссию электронов. В самом простом исполнении он являет собой нить с минимальной толщиной, способную накаливаться по мере подачи тока. Но в настоящее время активно распространяются модели косвенного накала. В отличие от классических типов они представлены в виде небольших цилиндров со специфическим слоем, где происходит испускание электронов.
3. Что касается второго электрода, то он является анодом, принимающим электроны от катода. Элемент обладает плюсовым зарядом и цилиндрической формой. При изготовлении кристалла диода применяется кремний или германий.

Сферы применения и назначение

Сферы применения полупроводниковых диодов очень обширны. Сегодня без них тяжело представить работу большинства электрических приборов, и это неудивительно. Элементы задействуются для изготовления диодных мостов, а также следующих приспособлений:

1. Устройств для защиты приборов от неверной полярности или перегрузок.
2. Переключателей.
3. Систем диодной искрозащиты.

Что касается диодных мостов, то они представляют собой устройство из четырех, шести или двенадцати соединенных диодов (точное количество диодов определяется типом схемы, которая бывает 1-фазной, 3-фазной полумостовой или 3-фазной полномостовой). Система используется в качестве выпрямителя и зачастую устанавливается в генераторах автомобилей. Дело в том, что применение такого моста позволило существенно уменьшить устройство и сделать его более надежным.

Диодные детекторы состоят из диодов и конденсаторов, что позволяет осуществлять модуляцию с низкими частотами из разных сигналов, включая амплитудно-модулированный радиосигнал. Устройства незаменимы для функционирования различных бытовых приборов, например, телевизор или радиоприемник. Также с помощью полупроводниковых диодов можно обеспечить полноценную защиту от нарушения полярности при запуске съемных входов и перегрузках.

Задача переключателей на основе диодов заключается в коммутации высокочастотных сигналов. Для управления схемой используется постоянный электроток, разделение частот и подача сигнала к конденсаторам. Также на основе диодов создается мощная искрозащита, предотвращающая перегрузки и отклонения от допустимого предела напряжения.

Без применения диодов в современной электронике практически не обойтись. Поэтому очень полезно знать, как устроены, как работают и для чего предназначаются столь распространенные устройства.

Способы включения

На r-n переход воздействуют внешние напряжения, а также величина и полярность, которые влияют на конечные показатели электрического тока. При использовании прямого включения положительно заряженный проводник подключается к области р-типа, а отрицательный полюс к области n-типа. В таком случае события будут развиваться следующим образом:

1. Из-за подающего внешнего напряжения в переходе r-n-типа произойдет образование электрического поля, которое будет направлено в противоположную сторону от диффузионного поля внутри.
2. После этого показатели напряжения поля заметно упадут, что сузит запирающий слой.
3. Дальше большая часть электронов сможет перемещаться из одной области в другую, а затем возвращаться обратно.
4. Параметры дрейфующего тока останутся неизменными, так как на них влияет лишь количество заряженных носителей в области r-n.

При росте обратного напряжения ток будет достигать наивысших показателей и перейдет в следующую стадию — насыщение. По мере повышения температуры растут параметры тока насыщения.

Распространенные неисправности

Порой полупроводниковые приборы перестают функционировать, что объясняется естественной амортизацией или завершением установленного эксплуатационного срока. Существуют и другие типы неисправностей, к которым следует отнести:

1. Пробой перехода. При таком явлении полупроводник становится обычным проводником, который не имеет установленных свойств и не удерживает электрический ток в установленном направлении. Решить проблему можно с помощью стандартного мультиметра, подающего звуковой сигнал и определяющего уровень сопротивления.
2. Обрыв перехода. Представляет собой обратный процесс, в результате которого прибор превращается в изолятор. Электрический ток в таком случае пропускается только в одном направлении. Чтобы определить место обрыва, необходимо задействовать тестер с работающими щупами. Если эти элементы недостаточно качественные, то провести точную и правильную диагностику не удастся.
3. Нарушение герметичности. Любая утечка является серьезной угрозой для нормальной работы полупроводниковых приборов.

Типы пробоев

Существует несколько типов пробоев, которые происходят при росте показателей обратного тока. К ним относятся:

1. Тепловые пробои.
2. Электрические пробои.

Первая опасность происходит при несбалансированной работе теплоотводящего элемента или при перегреве r-n-перехода из-за воздействия чрезмерно высоких показателей тока. Проблема теплового пробоя может привести к массе неприятных последствий, включая:

1. Рост колебания атомов из состава кристалла.
2. Взаимодействие электронов с проводимой областью.
3. Стремительный рост температурных показателей.
4. Деформационные процессы в структуре кристаллов.
5. Полное повреждение радиокомпонента.

Что касается электрического пробоя, то его нельзя назвать необратимым процессом, ведь при такой неприятности кристалл остается работоспособным. Поэтому вовремя принятые меры позволят сохранить диод от разрушения, а также продлить срок его службы.

В зависимости от типа электрические пробои бывают туннельными и лавинными. В первом случае неприятность развивается из-за прохождения чрезмерно высокого напряжения через узкие переходы, в результате чего электроны свободно проскакивают сквозь пробой. Образуются такие дефекты при появлении в молекулах большого количества примесей. Явление вызывает рост обратного тока и снижение напряжения.

Что касается лавинных пробоев, то они случаются из-за воздействия сильных полей, которые разгоняют носитель до пиковых показателей, а затем вышибают из атомов массу валентных электронов. Из-за этого электроны попадают в проводимую область, теряя свои свойства. Специфическое поведение, напоминающее по характеру схождение лавины, стало называться лавинным пробоем.

Без сомнений, современные электроприборы и различные радиотехнические изобретения не могут полноценно функционировать без полупроводниковых диодов. И чтобы продлить срок службы бытовой техники с этими элементами, необходимо знать о принципе их работы, основных неисправностях и способах борьбы с ними.

Самым простым по конструкции в семействе полупроводников являются диоды, имеющие в конструкции всего два электрода, между которыми существует проводимость электрического тока в одну сторону. Такой вид проводимости в полупроводниках создается благодаря их внутреннему устройству.

Особенности устройства

Не зная конструктивных особенностей диода, нельзя понять его принципа действия. Структура диода состоит из двух слоев с проводимостью различного вида.

Диод состоит из следующих основных элементов:

• Корпус . Выполняется в виде вакуумного баллона, материалом которого может быть керамика, металл, стекло и другие прочные материалы.
• Катод . Он расположен внутри баллона, служит для образования эмиссии электронов. Наиболее простым устройством катода является тонкая нить, раскаляющаяся в процессе действия. Современные диоды оснащены косвенно накаляющимися электродами, которые выполнены в виде металлических цилиндров со свойством активного слоя, имеющего возможность испускать электроны.
• Подогреватель . Это особый элемент в виде нити, раскаляющейся от электрического тока. Подогреватель расположен внутри косвенно накаляющегося катода.
• Анод . Это второй электрод диода, служащий для приема электронов, вылетевших от катода. Анод имеет положительный потенциал, по сравнению с катодом. Форма анода чаще всего так же, как и катода, цилиндрическая. Оба электрода аналогичны эмиттеру и базе полупроводников.
• Кристалл . Его материалом изготовления является германий или кремний. Одна часть кристалла имеет р-тип с недостатком электронов. Другая часть кристалла имеет n-тип проводимости с избытком электронов. Граница, расположенная между этими двумя частями кристалла, называется р-n переходом.

Эти особенности конструкции диода позволяют ему проводить ток в одном направлении.

Принцип действия

Работа диода характеризуется его различными состояниями, и свойствами полупроводника при нахождении в этих состояниях. Рассмотрим подробнее основные виды подключений диодов, и какие процессы происходят внутри полупроводника.

Диоды в состоянии покоя

Если диод не подключен к цепи, то внутри него все равно происходят своеобразные процессы. В районе «n» есть излишек электронов, что создает отрицательный потенциал. В области «р» сконцентрирован положительный заряд. Совместно такие заряды создают электрическое поле.

Так как заряды с разными знаками притягиваются, то электроны из «n» проходят в «р», при этом заполняют дырки. В итоге таких процессов в полупроводнике появляется очень слабый ток, увеличивается плотность вещества в области «р» до определенного значения. При этом частицы расходятся по объему пространства равномерно, то есть, происходит медленная диффузия. Вследствие этого электроны возвращаются в область «n».

Для многих электрических устройств направление тока не имеет особого значения, все работает нормально. Для диода же, большое значение имеет направление протекания тока. Основной задачей диода является пропускание тока в одном направлении, чему благоприятствует переход р-n.

Обратное включение

Если диоды подсоединять к питанию по изображенной схеме, то ток не будет проходить через р-n переход. К области «n» подсоединен положительный полюс питания, а к «р» — минусовой. В итоге электроны от области «n» переходят к плюсовому полюсу питания. Дырки притягиваются минусовым полюсом. На переходе возникает пустота, носители заряда отсутствуют.

При повышении напряжения дырки и электроны осуществляют притягивание сильнее, и на переходе нет носителей заряда. При обратной схеме включения диода ток не проходит.

Повышение плотности вещества возле полюсов создает диффузию, то есть, стремление к распределению вещества по объему. Это возникает при выключении питания.

Обратный ток

Вспомним о работе неосновных переносчиков заряда. При запертом диоде, через него проходит малая величина обратного тока. Он и образуется от неосновных носителей, двигающихся в обратном направлении. Такое движение возникает при обратной полярности питания. Обратный ток обычно незначительный, так как число неосновных носителей очень мало.

При возрастании температуры кристалла их число повышается и обуславливает повышение обратного тока, что обычно приводит к повреждению перехода. Для того, чтобы ограничить температуру работы полупроводников, их корпус монтируют на теплоотводящие радиаторы охлаждения.

Прямое включение

Поменяем местами полюса питания между катодом и анодом. На стороне «n» электроны будут отходить от отрицательного полюса, и проходить к переходу. На стороне «р» дырки, имеющие положительный заряд, оттолкнутся от положительного вывода питания. Поэтому электроны и дырки начнут стремительное движение друг к другу.

Частицы с разными зарядами скапливаются возле перехода, и между ними образуется электрическое поле. Электроны проходят через р-n переход и двигаются в область «р». Часть электронов рекомбинирует с дырками, а остальные проходят к положительному полюсу питания. Возникает прямой ток диода, который имеет ограничения его свойствами. При превышении этой величины диод может выйти из строя.

При прямой схеме диода, его сопротивление незначительное, в отличие от обратной схемы. Считается, что обратно ток по диоду не проходит. В результате мы выяснили, что диоды работают по принципу вентиля: повернул ручку влево – вода течет, вправо – нет воды. Поэтому их еще называют полупроводниковыми вентилями.

Прямое и обратное напряжение

Во время открытия диода, на нем имеется прямое напряжение. Обратным напряжением считается величина во время закрытия диода и прохождения через него обратного тока. Сопротивление диода при прямом напряжении очень мало, в отличие от обратного напряжения, возрастающего до тысяч кОм. В этом можно убедиться путем измерения мультиметром.

Сопротивление полупроводникового кристалла может изменяться в зависимости от напряжения. При увеличении этого значения сопротивление снижается, и наоборот.

Если диоды использовать в работе с переменным током, то при плюсовой полуволне синуса напряжения он будет открыт, а при минусовой – закрыт. Такое свойство диодов применяют для выпрямления напряжения. Поэтому такие устройства называются выпрямителями.

Характеристика диодов

Характеристика диода выражается графиком, на котором видна зависимость тока, напряжения и его полярности. Вертикальная ось координат в верхней части определяет прямой ток, в нижней части – обратный.

Горизонтальная ось справа обозначает прямое напряжение, слева – обратное. Прямая ветка графика выражает ток пропускания диода, проходит рядом с вертикальной осью, так как выражает повышение прямого тока.

Вторая ветка графика показывает ток при закрытом диоде, и проходит параллельно горизонтальной оси. Чем круче график, тем лучше диод выпрямляет ток. После возрастания прямого напряжения, медленно повышается ток. Достигнув области скачка, его величина резко нарастает.

На обратной ветви графика видно, что при повышении обратного напряжения, величина тока практически не возрастает. Но, при достижении границ допустимых норм происходит резкий скачок обратного тока. Вследствие этого диод перегреется и выйдет из строя.

Диод представляет собой простой полупроводниковый прибор, который нашел широкое применение в технике. Не каждый человек знает, что такое диод, и еще меньшее количество людей точно представляет себе принцип работы изделия.

При этом существует большое количество разновидностей этого прибора, о которых стоит знать всем, кто интересуется радиоэлектроникой.

Устройство и принцип работы

Если понять, как работает диод, то разобраться в устройстве этого полупроводникового прибора будет довольно просто. Основу детали составляет токовый переход, соединенный с двумя контактами (положительным — анодом и отрицательным — катодом). При прямом включении напряжения открывается переход, сопротивление которого небольшое. В результате через изделие проходит ток, называемый прямым.

Если же при включении детали в схему изменить полярность, то сопротивление участка перехода резко возрастет, а показатель электротока будет стремиться к нулю. Такое напряжение принято называть обратным.

Современные диоды имеют принципиальное отличие от первых моделей, активно используемых во время радиоламп. В полупроводниковых радиодеталях токовый переход изготавливается из кремния или германия и носит название р-n-переход. Основное различие между этими материалами заключается в показателях прямого напряжения, при которых происходит открытие.

Так как полупроводниковый кристалл может эффективно работать в любых условиях, то необходимость создания особой среды исчезла.

В ламповых устройствах для этого в колбу закачивался специальный газ либо создавался вакуум. В результате современные изделия имеют небольшие габариты, а стоимость их производства значительно снизилась.

Основные виды

Диоды принято классифицировать по нескольким параметрам. В зависимости от рабочих частот, они могут быть низко-, высокочастотными, а также способными функционировать в условиях сверхвысоких частот. Также существует деление и в соответствии с конструктивными особенностями, где можно выделить следующие виды диодов:

• Диод Шоттки — вместо привычного p-n-перехода используется металл. С одной стороны, это позволяет добиться минимальных потерь напряжения при прямом включении. Однако с другой при высоком обратном токе, изделие быстро выходит из строя.
• Стабилитрон — позволяет стабилизировать напряжение.
• Стабистор — отличается от стабилитрона меньшей зависимостью напряжения от тока.
• Диод Гана — лишен p — n -перехода, вместо которого используется особый кристалл. Используется для работы в диапазоне сверхвысоких частот.
• Варикап — представляет собой сочетание диода с конденсатором. Емкость изделия зависит от обратного напряжения в области p — n -перехода, а применяется он при создании колебательных контуров.
• Фотодиод — попадание светового потока на токовый переход приводит к созданию в нем разности потенциалов. Если замкнуть в этот момент цепь, то в ней появится ток.
• Светодиод — при достижении определенного показателя тока в p — n -переходе, устройство начинает излучать световой поток.

Область применения

Сфера использования этих деталей в современной радиотехнике высока. Сложно найти устройство, которое работает без этих деталей. Чтобы понять, для чего нужен диод, можно привести несколько примеров:

• Диодные мосты — содержат от 4 до 12 полупроводниковых устройств, которые соединяются между собой. Основной задачей диодных мостов является выпрямление тока, и они активно используются, например, при создании генераторов для автомобилей.
• Детекторы — создаются при сочетании диодов и конденсаторов. В результате появляется возможность выделить низкочастотную модуляцию из различных сигналов. Применяются при изготовлении радио- и телеприемников.
• Защитные устройства — позволяют обезопасить электрическую схему от возможных перегрузок. Несколько изделий подключаются в обратном направлении. Когда схема работает нормально, то они остаются в закрытом положении. Как только входное напряжение достигает критических показателей, устройство активируются.
• Переключатели — такие системы на основе этих изделий позволяют осуществлять коммутацию высокочастотных сигналов.
• Системы искрозащиты — создание шунт-диодного барьера позволяет ограничить показатель напряжения в электроцепи. Для увеличения степени защиты вместе с полупроводниковыми деталями используются специальные токоограничивающие резисторы.

Это лишь несколько примеров использования диодов. Они являются достаточно надежными устройствами, с помощью которых можно решать большое количество задач. Чаще всего эти радиодетали выходят из строя по причине естественного старения либо из-за перегрева.

Если произошел электрический пробой изделия, то его последствия редко являются необратимыми, так как кристалл не разрушается.