Полупроводниковые диоды принцип действия

Полупроводниковые вентили

Принцип действия полупроводниковых диодов.

В полупроводнике типа п основными носителями электричества являются электроны, а в полупроводнике типа р — дырки.

При соединении двух пластинок кремния и германия, одна из кото­рых обладает проводимостью п, другая — р, электроны из полупровод­ника типа п будут стремиться проникнуть (диффундировать) в полупро­водник типа р (рис. 1, а), т.е. в область, где имеется недостаток электро­нов. В результате полупроводник типа п теряет часть электронов и за­ряжается положительно. На границе раздела у него образуется слой положительно заряженных ионов (рис. 1, б). Аналогично дырки будут переходить из полупроводника типа р в полупроводник типа n, вслед­ствие чего на границе раздела в полупроводнике типа р образуется слой отрицательно заряженных ионов. Благодаря такому скоплению прост­ранственных электрических зарядов разных знаков в месте соприкосно­вения двух полупроводников возникает электрическое поле, которое имеет определенную напряженность Е_пер и создает между двумя полу­проводниками некоторую разность потенциалов U_пер. Это поле препя­тствует дальнейшему переходу (диффузии) основных носителей элект­ричества из одного полупроводника в другой, т. е. образует своеобраз­ный барьер, называемый потенциальным.

Разность потенциалов Dj=U_пер на границе между слоями двух полупроводников характеризует высоту потенциального барьера; чем больше U_пер , тем труднее преодолеть потенциальный барьер основным носителям электричества. Большая часть электронов, движущихся из полупроводника типа п в полупроводник типа р, натолкнувшись на по­тенциальный барьер, тормозится и возвращается обратно в полупровод­ник типа п (рис. 1, в). То же самое происходит с дырками при их дви­жении из полупроводника типа р в полупроводник типа п (они возвра­щаются в полупроводник типа р). Только отдельные основные носите­ли, имеющие большую энергию, пробиваются через тормозящее поле в соседнюю область, образуя диффузионный ток через переход.Таким образом, на границе двух полупроводников с разным типом проводи­мости создается электронно-дырочный переход, обладающий повышенным сопротивлением для основных носителей электричества. Его элект­рическое поле всегда направлено от полупроводника типа п к полупроводнику типа р.

Если же увеличить внешнее электрическое поле и, следовательно, энергию электронов и дырок, то они смогут преодолеть потенциальный барьер.

Для неосновных носителей электричества (дырок в полупроводнике типа п и электронов в полупроводнике типа р), которые обусловлены собственной проводимостью проводника, а не примесями, электрическое поле в электронно-дырочном переходе будет уже не тормозящим, а ускоряющим. Поэтому любой электрон легко переходит из полупроводника типа р в полупроводник типа п и любая дырка так легко перемещается из полупроводника типа п в полупроводник типа р. Перемещение этих неосновных носителей под действием электрического поля электронно-дырочного перехода создает дрейфовый ток, или ток проводимости. Диффузионный ток и ток проводимости проходят через электронно-дырочный переход навстречу друг другу. При отсутствии внешнего электрического поля эти два тока взаимно уравновешиваются и общий ток через переход равен нулю.

Если полупроводник типа р соединить с отрицательным полюсом источника тока (рис. 2, а), а положительный его полюс соединить с полупроводником типа п, то электроны, находящиеся в большом количестве в полупроводнике типа п, устремятся к положительному по­люсу, а дырки, находящиеся в полупроводнике типа р, — к отрицате­льному. Движение этих носителей электричества создает кратковремен­ный ток, аналогичный току, возникающему при заряде конденсатора.

б)

Рис. 1. Возникновение потенциального барьера в месте соприкосновения полупро­водников типа п и р.

а — диффузия электронов и дырок через электронно-дырочный переход; б — возникновение двойного слоя разноименных электрических зарядов на границе раздела двух полупроводников;

в — пути прохождения основных носителей электричества через переход; 1,2— электроны и дырки соответственно с малой и большей энергией

Рис. 2. Включение электронно-дырочного перехода в обратном направлении (а) и потенциальный барьер при таком включении (б) :

1 — основные носители; 2 — неосновные носители

По мере протекания тока полупроводник типа п заряжается положи­тельно (из него уходят отрицательные электроны), а полупроводник типа р — отрицательно (из него уходят положительные дырки), вслед­ствие чего будет возрастать разность потенциалов между указанными полупроводниками. Когда разность потенциалов между ними станет рав­ной внешнему напряжению U_ВН источника тока, уход электронов и ды­рок из полупроводников типов п и р к источнику тока прекратится и система из двух рассматриваемых полупроводников будет вести себя, подобно заряженному конденсатору. При этом в электронно-дырочном переходе будет действовать суммарное напряжение

U_пер + U_ВН и потен­циальный барьер (рис, 2,б) сильно возрастет (внешнее поле, создавае­мое источником тока. будет усиливать внутреннее поле в электронно-дырочном переходе).

При таких условиях число основных носителей электричества, ко­торые могут преодолеть увеличенный потенциальный барьер, будет неве­лико и диффузионный ток I_диф. резко уменьшится. Кроме того, из-за смещения электронов к отрицательному полюсу, а дырок к положитель­ному возрастает ширина электронно-дырочного перехода (истощенного слоя), что приводит к увеличению его внутреннего сопротивления. Это способствует еще большему уменьшению диффузионного тока.

Уже при внешнем напряжении 0,5—1 В и полярности приложенного напряжения, показанной на рис. 10,б, тормозящие силы суммарного электрического поля оказываются настолько большими, что практи­чески поток основных носителей электричества исчезает, диффузион­ный ток падает до нуля и через электронно-дырочной переход протекает только ток проводимости I_пров., обусловленный неосновными носите­лями. Но так как число их во много раз меньше, чем число основных но­сителей, ток проводимости будет очень мал. Следовательно, сопротив­ление электронно-дырочного перехода будет в этом случае очень вели­ко. Напряжение, поданное на электронно-дырочный переход при подклю­чении его по схеме, показанной на рис. 10, а и б, называют запирающим, или обратным (п — плюс; р — минус). Протекающий при этом по цепи ток называют обратным током I_обр или током запирания. В общем случае I_обр = I_пров – I_диф.

При противоположном включении источника (рис. 3, а) внешнее электрическое поле будет помогать основным носителям электричест­ва диффундировать через электронно-дырочный переход, так как оно будет ослаблять действие электрического поля в этом переходе. При этом потенциальный барьер сильно уменьшится и будет равен разности напряжений U_пер — U_ВН (рис. 11, б); уменьшается также и ширина истощенного слоя. Диффузионный ток I_диф. резко возрастет и будет во много раз превышать ток проводимости I_пров. Следовательно, сопротивление электронно-дырочного перехода в этом случае резко уменьшается.

Если внешнее напряжение U_ВН будет больше напряжения U_ПЕР, то потенциальный барьер в электронно-дырочном переходе будет вообще отсутствовать и ток через переход будет ограничиваться только внутренним сопротивлением самих полупроводников и внешним сопротивлением электрической цепи, в которую они включены.

Показанное на рисунке 11, а и б включение электронно-дырочного перехода (n — минус; p — плюс ) называют прямым; ему соответствуют понятия прямой ток и прямое напряжение. В общем случае I_пр = I_диф — I_пров .

Измерение высоты потенциального барьера при подаче на него напряжения и ширины электронно-дырочного перехода часто характеризуют понятием «смещение перехода». При подаче на переход прямого напряжения он смещается в прямом направлении (ширина его уменьшается ),при подаче обратного напряжения -в обратном направлении (ширина увеличивается).

Таким образом, система из двух полупроводников с проводимостью разного типа имеет способность пропускать ток в одном направлении и препятствовать его прохождению в другом. Иначе говоря ,она обладает односторонней проводимостью, т.е. может быть использована в качестве электрического вентиля. При подаче на такой вентиль прямого напряжения он будет открыт. Сопротивление его в этом случае мало, поэтому он может пропускать большие токи при малом падении напряжения. Приподаче обратного (запирающего) напряжения сопротивление его будет велико, поэтому через вентиль будет протекать малый ток даже при больших напряжениях. В настоящее время наибольшее распространение получили два вида полупроводниковых вентилей: кремниевые и германиевые. На основе вентильных свойств р—п-перехода созданы различ­ные полупроводниковые приборы — диоды, транзисторы, динисторы, тиристоры и симисторы.

Все эти приборы отличаются друг от друга только числом р-п-пере-ходов (например, диод имеет один р-п-переход, транзистор — два) и некоторыми технологическими особенностями их производства. Их условные обозначения приведены в табл. 1.

При самостоятельной сборке различных электроприборов не обойтись баз такого изделия, как полупроводниковый диод. Это устройство применимо для работы многих приборов, которые люди собирают в домашних лабораториях.

Но для того чтобы применять такое устройство, необходимо знать некоторые его особенности: его виды (типы) и их характеристики (например, ВАХ или вольт амперная характеристика), принцип действия, и многое другое.
Обо всем этом вы узнаете из нашей статьи.

Начнем с азов

Диод представляет собой полупроводниковое двухвыводное радиоэлектронное устройство, которое обладает вольт амперной характеристикой или ВАХ. Благодаря ВАХ электрический ток по изделию может течь только по одному направлению. Это направление определяется в ситуации, когда при прямом смещении сопротивление будет практически равно нулю. При другом направлении нелинейная ВАХ, как особая характеристика изделия, не позволяет току протекать, поскольку в этом случае сопротивление будет велико.

На ВАХ основано исследование данных типов компонентов. Реферат о свойствах диодных полупроводников можно написать про ВАХ, различные виды изделий, а также о том, какой их общий принцип работы. При этом реферат будет содержать в каждом случае разную информацию, так как здесь сложно изложить суть в кратком объеме.
После того, как мы разобрались, что собой представляет диод, можно выяснить основные моменты его полупроводникового вида.
Полупроводниковый диод (диодный вентиль) представляет собой изделие, изготовленное из полупроводниковых материалов (зачастую кремния). Поскольку у него есть вольт амперная характеристика, то ток здесь может течь только в одном направлении.

Главным компонентом такого электрического элемента является кристаллическая часть, в которой есть p-n переход. Переход подключен к двум электрическими контактами. Сама вакуумная трубка имеет два электрода: нагретый катод и пластину (анод).
Такая структура, а также принцип работы, позволяет применять их для:

• улучшения различных электронных схем;
• преобразования постоянного и переменного тока;
• усовершенствования различных устройств.

Реферат может более полно описать каждый способ применения.

О важном свойстве

ВАХ полупроводникового элемента

Самым важным параметром в характеристике полупроводниковых диодных компонентов электрических систем является ВАХ. Как уже говорилось выше, под ВАХ понимается вольт амперная характеристика диода. Эта характеристика определяет зависимость тока, проходящего через p-n переход, к полярности, а также величине приложенного к нему напряжения. Данная зависимость имеет вид кривой, представленной на рисунке снизу.

Рисунок изображает ВАХ для обратного и прямого типа включения.
Эта характеристика используется для создания эффективных электрических схем, предназначенных для самых разнообразных целей.

Как работает

Принцип действия, в своей основе, содержит свойства этого электронно-дырочного перехода. Здесь свойства перехода зависят от того, какая имеется вольт амперная характеристика (ее сильная асимметрия по отношению к нулю). Любой реферат расскажет об этом. Следовательно, принцип работы предполагает два типа включения:

• прямое. Здесь диод обладает слабым электросопротивлением, в связи с чем электрический ток и может течь. Это демонстрирует рисунок, который дополняет профильный реферат;

• обратное. Ток прекращает течь при создании ситуации, когда напряжение меньше напряжения пробоя для имеющегося сопротивления. Такой рисунок тоже должен содержать любой тематический реферат.

Данный принцип действия характерен почти для всех полупроводниковых диодов, за исключением ганна.

Варианты исполнения

На сегодняшний день полупроводниковый диод может быть представлен различными видами устройств. Их классификация основана на принципе действия, материале изготовления и т.д.
Существует и классификация, которая основана на области применения. Согласно ней выделяют следующие типы диодов:

• импульсные;
• стабилитроны;
• точечные;
• сплавные;
• лазер;
• светодиоды;
• варикапы и прочие типы.

Специальный реферат о каждом виде расскажет более детально, указав особенности работы, вольт амперные характеристики, свойства и т.д. для каждого типа.

Обратите внимание! Такие диоды часто применяются как выпрямительный поликристаллический аналог мостов.

Помимо этого существует и друга классификация данной продукции, основанная на функциональном предназначении:

• выпрямительный. Такие диоды предназначены для того чтобы выпрямлять переменный ток. Здесь коэффициент выпрямления будет равен отношению прямого и обратного токов (напряжение равное);
• высокочастотный. Как правило, с ними проводят исследование, связанное с работой приборов сверхвысокой и высокой частоты. Часто применяются для детектирования, а также моделирования сверхвысокочастотных колебаний. Частота может доходить до сотен мегагерц;
• варикапы. Их принцип работы базируется на изменении свойств емкости электронно-дырочного перехода. Емкость может меняться в зависимости от обратного прикладываемого напряжения;
• туннельный. Здесь усиление туннельного эффекта p-n-перехода достигается за счет использования больших концентраций различных легирующих примесей.

Данная классификация применяется чаще всего.
Также типы диодов различаются по конструкции. Они могут быть:

По делению в зависимости от мощности, выделяют такие типы:

По параметру частоты данная продукция делится на:

Полупроводниковые диоды имеют большое количество делений по классам, мощностям, частотам и прочим параметрам, что демонстрирует их широкое применение.

Отдельный подвид

Особняком в классификации полупроводниковых типов диодов стоит ганна. Это связано с тем, что данное устройство не имеет типичного для всех перечисленных выше диодов p-n-перехода.
Диод ганна обладает дифференциальным отрицательным сопротивлением. Из-за этого ганна часто используется в роли генератора малой мощности при формировании микроволн.

Строение диода ганна

Диод ганна в своей конструкции имеет полупроводник N-типа. В этом проводнике электроны выступают в роли основных носителей заряда. На рисунке, где изображено строение диода ганна, видна активная область. Она представляет собой низколегированный слой арсенида галлия. С двух сторон активной области наращиваются специальные эпитаксиальные слои из высоколегированного GaAs. Толщина слоя составляет примерно 8-10 микрометров.

В результате активная область получается зажатой между 2-мя зонами, оснащенными омическими контактами. Это дает возможность обеспечить эффективный теплоотвод, который помогает избежать перегрева или повреждения выхода диода. На таком строении и основан эффект ганна, который применяется при формировании микроволн.
Как видим, диод ганна имеет совершенно иное строение, чем привычные нам изделия, обладающие p-n-переходом.

Достоинства продукции

Все варианты полупроводниковых диодов имеют следующие преимущества, которые сделали их постоянными составляющими многих электрических схем:

• высокие пропускные способности;
• полная взаимозаменяемость;
• невысокая стоимость, поэтому данный тип изделий может использоваться для улучшения разнообразных электрических схем. По кошельку такая модернизация уж точно не ударит;
• доступность, купить их не составит проблемы.

Обратите внимание! Найти такие диоды можно в любом радиотехническом магазине или рынке. При этом можно достать как отечественные изделия, так и зарубежную продукцию.

Что обозначает маркировка

Маркировка на диодах

Каждый полупроводниковый диодный элемент обладает определенной маркировкой. Она может отличаться в зависимости от характеристик изделия, его вида, мощности и прочих параметров.

Маркировка, которая нанесена на такого рода компоненты электрических схем, является аббревиатурой и отражает параметры устройства. К примеру, маркировка КД196В расшифровывается следующим образом:

• кремниевый диод, имеющий напряжение пробоя до 0,3 В;
• напряжение 9,6 (цифра 96);
• модель третьей разработки.

Чтобы приобрести необходимый полупроводник, нужно внимательно изучить маркировку и знать, как она расшифровывается.

Заключение

Полупроводниковые диоды обладают просто огромным разнообразием форм и видов. Каждый отдельный тип имеет свои уникальные характеристики и свойства, что позволяет использовать его в конкретной ситуации. Этот факт следует учитывать при приобретении таких компонентов электрической схемы для электроприборов, чтобы купить действительно нужный.
Надеемся, наша статья помогла вам разобраться во многих нюансах и тонкостях этой разновидности радиотехнических устройств.

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.