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:
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.
Диод является одной из разновидностей приборов, сконструированных на полупроводниковой основе. Обладает одним p-n переходом, а также анодным и катодным выводом. В большинстве случаев он предназначен для модуляции, выпрямления, преобразования и иных действий с поступающими электрическими сигналами.
Принцип работы:
- Электрический ток воздействует на катод, подогреватель начинает накаливаться, а электрод испускать электроны.
- Между двумя электродами происходит образование электрического поля.
- Если анод обладает положительным потенциалом , то он начинает притягивать электроны к себе, а возникшее поле является катализатором данного процесса. При этом, происходит образование эмиссионного тока.
- Между электродами происходит образование пространственного отрицательного заряда, способного помешать движению электронов. Это происходит, если потенциал анода оказывается слишком слабым. В таком случае, частям электронов не удается преодолеть воздействие отрицательного заряда, и они начинают двигаться в обратном направлении, снова возвращаясь к катоду.
- Все электроны , которые достигли анода и не вернулись к катоду, определяют параметры катодного тока. Поэтому данный показатель напрямую зависит от положительного анодного потенциала.
- Поток всех электронов , которые смогли попасть на анод, имеет название анодный ток, показатели которого в диоде всегда соответствуют параметрам катодного тока. Иногда оба показателя могут быть нулевыми, это происходит в ситуациях, когда анод обладает отрицательным зарядом. В таком случае, возникшее между электродами поле не ускоряет частицы, а, наоборот, тормозит их и возвращает на катод. Диод в таком случае остается в запертом состоянии, что приводит к размыканию цепи.
Устройство
Ниже приводится подробное описание устройства диода, изучение этих сведений необходимо для дальнейшего понимания принципов действия этих элементов:
- Корпус представляет собой вакуумный баллон, который может быть изготовлен из стекла, металла или прочных керамических разновидностей материала.
- Внутри баллона имеется 2 электрода. Первый является накаленным катодом, который предназначен для обеспечения процесса эмиссии электронов. Самый простейший по конструкции катод представляет собой нить с небольшим диаметром, которая накаливается в процессе функционирования, но на сегодняшний день более распространены электроды косвенного накала. Они представляют собой цилиндры, изготовленные из металла, и обладающие особым активным слоем, способным испускать электроны.
- Внутри катода косвенного накала имеется специфический элемент – проволока, которая накаливается под воздействием электрического тока, она называется подогреватель.
- Второй электрод является анодом, он необходим для приема электронов, которые были выпущены катодом. Для этого он должен обладать положительным относительно второго электрода потенциалом. В большинстве случаев анод также имеет цилиндрическую форму.
- Оба электрода вакуумных приборов полностью идентичны эмиттеру и базе полупроводниковой разновидности элементов.
- Для изготовления диодного кристалла чаще всего используется кремний или германий. Одна из его частей является электропроводимой по p-типу и имеет недостаток электронов, который образован искусственным методом. Противоположная сторона кристалла также имеет проводимость, но n-типа и обладает избытком электронов. Между двумя областями имеется граница, которая и называется p-n переходом.
Такие особенности внутреннего устройства наделяют диоды их главным свойством – возможностью проведения электрического тока только в одном направлении.
Назначение
Ниже приводятся основные области применения диодов, на примере которых становится понятно их основное назначение:
- Диодные мосты представляют собой 4, 6 или 12 диодов, соединенных между собой, их количество зависит от типа схемы, которая может быть однофазной, трехфазной полумостовой или трехфазной полномостовой. Они выполняют функции выпрямителей, такой вариант чаще всего используется в автомобильных генераторах, поскольку внедрение подобных мостов, а также использование вместе с ними щеточно-коллекторных узлов, позволило в значительной степени сократить размеры данного устройства и увеличить степень его надежности. Если соединение выполнено последовательно и в одну сторону, то это повышает минимальные показатели напряжения, которое потребуется для отпирания всего диодного моста.
- Диодные детекторы получаются при комбинированном использовании данных приборов с конденсаторами. Это необходимо для того, чтобы было можно выделить модуляцию с низкими частотами из различных модулированных сигналов, в том числе амплитудно-модулированной разновидности радиосигнала. Такие детекторы являются частью конструкции многих бытовых потребителей, например, телевизоров или радиоприемников.
- Обеспечение защиты потребителей от неверной полярности при включении схемных входов от возникающих перегрузок или ключей от пробоя электродвижущей силой, возникающей при самоиндукции, которая происходит при отключении индуктивной нагрузки. Для обеспечения безопасности схем от возникающих перегрузок, применяется цепочка, состоящая из нескольких диодов, имеющих подключение к питающим шинам в обратном направлении. При этом, вход, которому обеспечивается защита, должен подключаться к середине этой цепочки. Во время обычного функционирования схемы, все диоды находятся в закрытом состоянии, но если ими было зафиксировано, что потенциал входа ушел за допустимые пределы напряжения, происходит активация одного из защитных элементов. Благодаря этому, данный допустимый потенциал получает ограничение в рамках допустимого питающего напряжения в сумме с прямым падением показателей напряжение на защитном приборе.
- Переключатели , созданные на основе диодов, используются для осуществления коммутации сигналов с высокими частотами. Управление такой системой осуществляется при помощи постоянного электрического тока, разделения высоких частот и подачи управляющего сигнала, которое происходит благодаря индуктивности и конденсаторам.
- Создание диодной искрозащиты . Используются шунт-диодные барьеры, которые обеспечивают безопасность путем ограничения напряжения в соответствующей электрической цепи. В совокупности с ними применяются токоограничительные резисторы, которые необходимы для ограничения показателей электрического тока, проходящего через сеть, и увеличения степени защиты.
Использование диодов в электронике на сегодняшний день весьма широко, поскольку фактически ни одна современная разновидность электронного оборудования не обходится без этих элементов.
Прямое включение диода
На p-n-переход диода может оказывать воздействие напряжение, подаваемое с внешних источников. Такие показатели, как величина и полярность, будут сказываться на его поведении и проводимом через него электрическом токе.
Ниже подробно рассмотрен вариант, при котором происходит подключение плюса к области p-типа, а отрицательного полюса к области n-типа. В этом случае произойдет прямое включение:
- Под воздействием напряжения от внешнего источника, в p-n-переходе сформируется электрическое поле, при этом его направление будет противоположным относительно внутреннего диффузионного поля.
- Напряжение поля значительно снизится, что вызовет резкое сужение запирающего слоя.
- Под воздействием этих процессов значительное количество электронов обретет возможность свободно переходить из p-области в n-область, а также в обратном направлении.
- Показатели тока дрейфа во время этого процесса остаются прежними, поскольку они напрямую зависят только от числа неосновных заряженных носителей, находящихся в области p-n-перехода.
- Электроны обладают повышенным уровнем диффузии, что приводит к инжекции неосновных носителей. Иными словами, в n-области произойдет повышение количества дырок, а в p-области будет зафиксирована повышенная концентрация электронов.
- Отсутствие равновесия и повышенное число неосновных носителей заставляет их уходить вглубь полупроводника и смешиваться с его структурой, что в итоге приводит к разрушению его свойств электронейтральности.
- Полупроводник при этом способен восстановить свое нейтральное состояние, это происходит благодаря получению зарядов от подключенного внешнего источника, что способствует появлению прямого тока во внешней электрической цепи.
Обратное включение диода
Теперь будет рассмотрен другой способ включения, во время которого изменяется полярность внешнего источника, от которого происходит передача напряжения:
- Главное отличие от прямого включения заключается в том , что создаваемое электрическое поле будет обладать направлением, полностью совпадающим с направлением внутреннего диффузионного поля. Соответственно, запирающий слой будет уже не сужаться, а, наоборот, расширяться.
- Поле, находящееся в p-n-переходе , будет оказывать ускоряющий эффект на целый ряд неосновных носителей заряда, по этой причине, показатели дрейфового тока останутся без изменений. Он будет определять параметры результирующего тока, который проходит через p-n-переход.
- По мере роста обратного напряжения , электрический ток, протекающий через переход, будет стремиться достичь максимальных показателей. Он имеет специальное название – ток насыщения.
- В соответствии с экспоненциальным законом , с постепенным увеличением температуры будут увеличиваться и показатели тока насыщения.
Прямое и обратное напряжение
Напряжение, которое оказывает воздействие на диод, разделяют по двум критериям:
- Прямое напряжение – это то, при котором происходит открытие диода и начинается прохождение через него прямого тока, при этом показатели сопротивления прибора являются крайне низкими.
- Обратное напряжение – это то, которое обладает обратной полярностью и обеспечивает закрытие диода с прохождением через него обратного тока. Показатели сопротивления прибора при этом начинают резко и значительно расти.
Сопротивление p-n-перехода является постоянно меняющимся показателем, в первую очередь на него оказывает влияние прямое напряжение, подающееся непосредственно на диод. Если напряжение увеличивается, то показатели сопротивления перехода будут пропорционально уменьшаться.
Это приводит к росту параметров прямого тока, проходящего через диод. Когда данный прибор закрыт, то на него воздействует фактически все напряжение, по этой причине показатели проходящего через диод обратного тока являются незначительными, а сопротивление перехода при этом достигает пиковых параметров.
Работа диода и его вольт-амперная характеристика
Под вольт-амперной характеристикой данных приборов понимается кривая линия, которая показывает то, в какой зависимости находится электрический ток, протекающий через p-n-переход, от объемов и полярности напряжения, воздействующего на него.
Подобный график можно описать следующим образом:
- Ось, расположенная по вертикали: верхняя область соответствует значениям прямого тока, нижняя область параметрам обратного тока.
- Ось, расположенная по горизонтали: область, находящаяся справа, предназначена для значений прямого напряжения; область слева для параметров обратного напряжения.
- Прямая ветвь вольт-амперной характеристики отражает пропускной электрический ток через диод. Она направлена вверх и проходит в непосредственной близости от вертикальной оси, поскольку отображает увеличение прямого электрического тока, которое происходит при увеличении соответствующего напряжения.
- Вторая (обратная) ветвь соответствует и отображает состояние закрытого электрического тока, который также проходит через прибор. Положение у нее такое, что она проходит фактически параллельно относительно горизонтальной оси. Чем круче эта ветвь подходит к вертикали, тем выше выпрямительные возможности конкретного диода.
- По графику можно наблюдать , что после роста прямого напряжения, протекающего через p-n-переход, происходит медленное увеличение показателей электрического тока. Однако постепенно, кривая достигает области, в которой заметен скачок, после которого происходит ускоренное нарастание его показателей. Это объясняется открытием диода и проведением тока при прямом напряжении. Для приборов, изготовленных из германия, это происходит при напряжении равном от 0,1В до 0,2В (максимальное значение 1В), а для кремниевых элементов требуется более высокий показатель от 0,5В до 0,6В (максимальное значение 1,5В).
- Показанное увеличение показателей тока может привести к перегреву полупроводниковых молекул. Если отведение тепла, происходящее благодаря естественным процессам и работе радиаторов, будет меньше уровня его выделения, то структура молекул может быть разрушена, и этот процесс будет иметь уже необратимый характер. По этой причине, необходимо ограничивать параметры прямого тока, чтобы не допустить перегрева полупроводникового материала. Для этого, в схему добавляются специальные резисторы, имеющие последовательное подключение с диодами.
- Исследуя обратную ветвь можно заметить, что если начинает увеличиваться обратное напряжение, которое приложено к p-n-переходу, то фактически незаметен рост параметров тока. Однако в случаях, когда напряжение достигает параметров, превосходящих допустимые нормы, может произойти внезапный скачок показателей обратного тока, что перегреет полупроводник и будет способствовать последующему пробою p-n-перехода.
Основные неисправности диодов
Иногда приборы подобного типа выходят из строя, это может происходить из-за естественной амортизации и старения данных элементов или по иным причинам.
Всего выделяют 3 основных типа распространенных неисправностей:
- Пробой перехода приводит к тому, что диод вместо полупроводникового прибора становится по своей сути самым обычным проводником. В таком состоянии он лишается своих основных свойств и начинает пропускать электрический ток в абсолютно любом направлении. Подобная поломка легко выявляется при помощи стандартного , который начинает подавать звуковой сигнал и показывать низкий уровень сопротивления в диоде.
- При обрыве происходит обратный процесс – прибор вообще перестает пропускать электрический ток в каком-либо направлении, то есть он становится по своей сути изолятором. Для точности определения обрыва, необходимо использовать тестеры с качественными и исправными щупами, в противном случае, они могут иногда ложно диагностировать данную неисправность. У сплавных полупроводниковых разновидностей такая поломка встречается крайне редко.
- Утечка , во время которой нарушается герметичность корпуса прибора, вследствие чего он не может исправно функционировать.
Пробой p-n-перехода
Подобные пробои происходят в ситуациях, когда показатели обратного электрического тока начинают внезапно и резко расти, происходит это из-за того, что напряжение соответствующего типа достигает недопустимых высоких значений.
Обычно различается несколько видов:
- Тепловые пробои , которые вызваны резким повышением температуры и последующим перегревом.
- Электрические пробои , возникающие под воздействием тока на переход.
График вольт-амперной характеристики позволяет наглядно изучать эти процессы и разницу между ними.
Электрический пробой
Последствия, вызываемые электрическими пробоями, не носят необратимого характера, поскольку при них не происходит разрушение самого кристалла. Поэтому при постепенном понижении напряжения можно восстановить всей свойства и рабочие параметры диода.
При этом, пробои такого типа делятся на две разновидности:
- Туннельные пробои происходят при прохождении высокого напряжения через узкие переходы, что дает возможность отдельно взятым электронам проскочить через него. Обычно они возникают, если в полупроводниковых молекулах имеется большое количество разных примесей. Во время такого пробоя, обратный ток начинает резко и стремительно расти, а соответствующее напряжение находится на низком уровне.
- Лавинные разновидности пробоев возможны благодаря воздействию сильных полей, способных разогнать носителей заряда до предельного уровня из-за чего они вышибают из атомов ряд валентных электронов, которые после этого вылетают в проводимую область. Это явление носит лавинообразный характер, благодаря чему данный вид пробоев и получил такое название.
Тепловой пробой
Возникновение такого пробоя может произойти по двум основным причинам: недостаточный теплоотвод и перегрев p-n-перехода, который происходит из-за протекания через него электрического тока со слишком высокими показателями.
Повышение температурного режима в переходе и соседних областях вызывает следующие последствия:
- Рост колебания атомов , входящих в состав кристалла.
- Попадание электронов в проводимую зону.
- Резкое повышение температуры.
- Разрушение и деформация структуры кристалла.
- Полный выход из строя и поломка всего радиокомпонента.
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 (Diode -eng. ) – электронный прибор, имеющий 2 электрода , основным функциональным свойством которого является низкое сопротивление при передаче тока в одну сторону и высокое при передаче в обратную .
То есть при передаче тока в одну сторону он проходит без проблем , а при передаче в другую , сопротивление многократно увеличивается , не давая току пройти без сильных потерь в мощности. При этом диод довольно сильно нагревается .
Диоды бывают электровакуумные , газоразрядные и самые распространённые – полупроводниковые . Свойства диодов, чаще всего в связках между собой, используются для преобразования переменного тока электросети в постоянный ток, для нужд полупроводниковых и других приборов.
Конструкция диодов .
Конструктивно, полупроводниковый диод состоит из небольшой пластинки полупроводниковых материалов (кремния или германия ), одна сторона (часть пластинки) которой обладает электропроводимостью p-типа , то есть принимающей электроны (содержащей искусственно созданный недостаток электронов («дырочная »)), другая обладает электропроводимостью n-типа , то есть отдающей электроны (содержащей избыток электронов («электронной »)).
Слой между ними называется p-n переходом . Здесь буквы p и n - первые в латинских словах negative - «отрицательный », и positive - «положительный ». Сторона p-типа , у полупроводникового прибора является анодом (положительным электродом), а область n-типа - катодом (отрицательным электродом) диода.
Электровакуумные (ламповые) диоды, представляют собой лампу с двумя электродами внутри, один из которых имеет нить накаливания , таким образом подогревая себя и создавая вокруг себя магнитное поле .
При разогреве , электроны отделяются от одного электрода (катода ) и начинают движение к другому электроду (аноду ), благодаря электрическому магнитному полю . Если направить ток в обратную сторону (изменить полярность), то электроны практически не будут двигаться к катоду из-за отсутствия нити накаливания в аноде . Такие диоды, чаще всего применяются в выпрямителях и стабилизаторах , где присутствует высоковольтная составляющая.
Диоды на основе германия , более чувствительны на открытие при малых токах, поэтому их чаще используют в высокоточной низковольтной технике, чем кремниевые.
Типы диодов:
- · Смесительный диод - создан для приумножения двух высокочастотных сигналов.
- · pin диод - содержит область проводимости между легированными областями. Используется в силовой электронике или как фотодетектор .
- · Лавинный диод - применяется для защиты цепей от перенапряжения . Основан на лавинном пробое обратного участка вольт-амперной характеристики.
- · Лавинно-пролётный диод — применяется для генерации колебаний в СВЧ -технике. Основан на лавинном умножении носителей заряда.
- · Магнитодиод . Диод, характеристики сопротивления которого зависят от значения индукции магнитного поля и расположения его вектора относительно плоскости p-n-перехода .
- · Диоды Ганна . Используются для преобразования и генерации частоты в СВЧ диапазоне.
- · Диод Шоттки . Имеет малое падение напряжения при прямом включении.
- · Полупроводниковые лазеры .
Применяются в лазеростроении , по принципу работы схожи с диодами, но излучают в когерентном диапазоне .
- · Фотодиоды . Запертый фотодиод открывается под действием светового излучения . Применяются в датчиках света , движения и т.д.
- · Солнечный элемент (вариация солнечных батарей ) . При попадании света, происходит движение электронов от катода к аноду, что генерирует электрический ток .
- · Стабилитроны — используют обратную ветвь характеристики диода с обратимым пробоем для стабилизации напряжения .
- · Туннельные диоды , использующие квантовомеханические эффекты . Применяются как усилители , преобразователи , генераторы и пр.
- · (диоды Генри Раунда, LED ). При переходе электронов, у таких диодов происходит излучение в видимом диапазоне света .
Для данных диодов используют прозрачные корпуса для возможности рассеивания света. Также производят диоды, которые могут давать излучение в ультрафиолетовом , инфракрасном и других требуемых диапазонах (в основном, и космической сфере).
- · Варикапы (диод Джона Джеумма ) Благодаря тому, что закрытый p-n-переход обладает немалой ёмкостью, ёмкость зависит от приложенного обратного напряжения . Применяются в качестве конденсаторов с переменной ёмкостью .
Что не представляем своей жизни без них. Эти жужжащие ящики на наших столах собраны из множества различных «железок». Интересно отметить, что ни один из этих составных «кирпичиков» сам по себе не может похвастаться теми свойствами, которыми обладает компьютер.
А собранные вместе, они являют собой нечто совершенно уникальное!
Какой кирпич не возьми – это только кусок обожженной глины; не сразу и понятно, к какому делу его – самого по себе — можно приспособить.
Это как дом, построенный из кирпичей.
Но несколько тысяч собранных определенным образом таких кусков глины — это жилище, которое защищает от непогоды и предоставляет крышу над головой.
Разумеется, можно пользоваться компьютером (и жить в доме) и не представлять себе, как эти штуки устроены.
Но если вы хотите научиться «лечить» ваши компьютеры, то придется разбираться, как устроены их составные части.
Поэтому сегодня мы поговорим об одном из компьютерных «кирпичиков» чуть более подробно. Мы попытаемся кратко познакомиться с тем, что такое полупроводниковые диоды и зачем они нужны.
Что такое диод?
Диоды применяются в компьютерных для выпрямления переменного тока.
Выпрямительный диод – это деталь, имеющая в своем составе соединенные вместе полупроводники двух типов – p-типа (positive – положительный) и n–типа (negative – отрицательный).
При их соединении (сплавлении) образуется так называемый p-n переход. Этот переход обладает разным сопротивлением при различной полярности приложенного напряжения.
Если напряжение приложено в прямом направлении (положительная клемма источника напряжения подключена к p-полупроводнику — аноду, а отрицательная – к n-полупроводнику — катоду), то сопротивление диода невелико.
В этом случае говорят, что диод открыт. Если полярность подключения изменить на противоположную, то сопротивление диода будет очень большим. В таком случае говорят, что диод закрыт (заперт).
Когда диод открыт, то на нем падает какое-то напряжение.
Это падение напряжения создается протекающим через диод так называемым прямым током и зависит от величины этого тока.
Причем зависимость эта нелинейная .
Конкретное значение падения напряжения в зависимости от протекающего тока можно определить по вольт-амперной характеристике.
Эта характеристика обязательно приводится в полном техническом описании (data sheets, справочных листах).
Например, на распространенном диоде 1N5408, применяемом в компьютерном блоке питания, при изменении тока от 0,2 до 3 А падение напряжения изменяется от 0,6 до 0,9 В. Чем больше протекающий через диод ток, тем больше падение напряжения на нем и, соответственно, рассеиваемая на нем мощность (P = U * I). Чем большая мощность рассеивается на диоде, тем сильнее он греется.
В компьютерном при выпрямлении сетевого напряжения применяется обычно мостовая схема выпрямления – 4 диода, включенные определенным образом.
Если клемма 1 имеет положительный относительно клеммы 2 потенциал, то ток пойдет через диод VD1, нагрузку и диод VD3.
Если клемма 1 имеет отрицательный клеммы 2 потенциал, то ток потечет через диод VD2, нагрузку и диод VD4. Таким образом, ток через нагрузку хоть и меняется по величине (при переменном напряжении), но протекает всегда в одном направлении – от клеммы 3 к клемме 4.
В этом и заключается эффект выпрямления. Если бы не было диодного моста – ток по нагрузке протекал бы в разных направлениях. С мостом же он протекает в одном. Такой ток называется пульсирующим.
В курсе высшей математики доказывается, что пульсирующее напряжение содержит в себе постоянную составляющую и сумму гармоник (частот, кратных основной частоте переменного напряжения 50 Герц). Постоянная составляющая выделяется фильтром (конденсатором большой емкости), который не пропускает гармоники.
Выпрямительные диоды присутствуют и в низковольтной части блока питания. Только схема включения состоит там не из 4-х диодов, а из двух.
Внимательный читатель может спросить: «А почему это используются разные схемы включения? Нельзя ли применить диодный мост и в низковольтной части?»
Можно, но это будет не лучшее решение. В случае диодного моста ток проходит через нагрузку и два последовательно включенных диода.
В случае использования диодов 1N5408 общее падение напряжения на них может составить величину 1,8 В. Это очень немного по сравнению с сетевым напряжением 220 В.
А вот если такая схема будет применена в низковольтной части, то это падение будет весьма заметным по сравнению с напряжениями +3,3, +5 и +12 В. Применение схемы из двух диодов уменьшает потери вдвое, так как последовательно с нагрузкой включен один диод, а не два.
К тому же, ток во вторичных цепях блока питания гораздо больше (в разы), чем в первичной.
Следует отметить, для этой схемы трансформатор должен иметь две одинаковые обмотки, а не одну. Схема выпрямления из двух диодов использует оба полупериода переменного напряжения, также как и мостовая.
Если потенциал верхнего конца вторичной обмотки трансформатора (см схему) положителен по отношению к нижнему, то ток протекает через клемму 1, диод VD1, клемму 3, нагрузку, клемму 4 и среднюю точку обмотки. Диод VD2 в это время заперт.
Если потенциал нижнего конца вторичной обмотки положителен по отношению к верхнему, то ток протекает через клемму 2, диод VD2, клемму 3, нагрузку, клемму 4 и среднюю точку обмотки. Диод VD1 в это время заперт. Получается тот же пульсирующий ток, что и при мостовой схеме.
Теперь давайте покончим со скучной теорией и перейдем к самому интересному – к практике.
Для начала скажем, что перед началом проверки диодов, хорошо бы ознакомиться с тем, как работать с цифровым тестером.
Об этом рассказывается в соответствующих статьях , и .
Диод на электрических схемах изображается символически в виде треугольника (стрелочки) и палочки.
Палочка – это катод, стрелочка (она указывает направление тока, т.е. движения положительных зарядов) – анод.
Проверить диодный мост можно цифровым тестером, установив переключатель работы в положении проверки диодов (указатель переключателя диапазонов тестера должен стоять напротив символического изображения диода).
Если присоединить красный щуп тестера к аноду, а черный — к катоду отдельного диода, то диод будет открыт напряжением с тестера.
Дисплей покажет величину 0,5 – 0,6 В.
Если изменить полярность щупов, диод будет заперт.
Дисплей при этом покажет единицу в крайнем левом разряде.
Диодный мост часто имеет символическое обозначение вида напряжения на корпусе (~ переменное напряжение, +, — постоянное напряжение).
Диодный мост можно проверить, установив один щуп на одну из клемм «~», а второй – поочередно на выводы «+» и «-».
При этом один диод будет открыт, а другой закрыт.
Если поменять полярность щупов – то тот диод, который был закрыт, теперь откроется, а другой закроется.
Следует обратить внимание на то, что катод – это плюсовой вывод моста.
Если какой-то из диодов закорочен, тестер покажет нулевое (или очень небольшое напряжение).
Такой мост, естественно, непригоден для работы.
В закоротке диода можно убедиться, если тестировать диоды в режиме измерения сопротивления.
При закороченном диоде тестер покажет небольшое сопротивление в обоих направлениях.
Как уже говорилось, во вторичных цепях используется схема выпрямления из двух диодов.
Но даже на одном диоде падает достаточно большое напряжение по сравнению с выходными напряжениями +12 В, +5 В, +3,3 В.
Токи потребления могут достигать 20 А и более, и на диодах будет рассеиваться большая мощность.
Вследствие этого они будут сильно греться.
Мощность рассеяния уменьшится, если будет меньшим прямое напряжение на диоде.
Поэтому в таких случаях применяют так называемые диоды Шоттки, у которых прямое падение напряжения меньше .
Диоды Шоттки
Диод Шоттки состоит не из двух различных полупроводников, а из металла и полупроводника.
Получающийся при этом так называемый потенциальный барьер будет меньше.
В компьютерных блоках питания применяют сдвоенные диоды Шоттки в трехвыводном корпусе.
Типичным представителем такой сборки является SBL2040. Падение напряжения на каждом из ее диодов при максимальном токе не превысит (по даташиту) 0,55 В. Если проверить ее тестером (в режиме проверки диодов), то он покажет величину около 0,17 В.
Меньшая величина напряжения обусловлена тем, что через диод протекает очень небольшой ток, далекий от максимального.
В заключение скажем, что у диода есть такой параметр, как предельно допустимое обратное напряжение. Если диод заперт – к нему приложено обратное напряжение. При замене диодов надо учитывать эту величину.
Если в реальной схеме обратное напряжение превысит предельно допустимое – диод выйдет из строя!
Диод – важная «железка» в электронике. Чем бы еще мы выпрямляли напряжение?
Купить диоды для экспериментов можно
До встречи на блоге!
