Здравствуйте уважаемые читатели сайта . В первой части статьи мы с Вами разобрались, что такое полупроводник и как возникает в нем ток. Сегодня мы продолжим начатую тему и поговорим о принципе работы полупроводниковых диодов.
Диод
– это полупроводниковый прибор с одним
p-n
переходом, имеющий два вывода (анод и катод), и предназначенный для выпрямления, детектирования, стабилизации, модуляции, ограничения и преобразования электрических сигналов.
По своему функциональному назначению диоды подразделяются на выпрямительные, универсальные, импульсные, СВЧ-диоды, стабилитроны, варикапы, переключающие, туннельные диоды и т.д.
Теоретически мы знаем, что диод в одну сторону пропускает ток, а в другую нет. Но как, и каким образом он это делает, знают и понимают не многие.
Схематично диод можно представить в виде кристалла состоящего из двух полупроводников (областей). Одна область кристалла обладает проводимостью p
-типа, а другая — проводимостью
n
-типа.
На рисунке дырки
, преобладающие в области
p
-типа, условно изображены красными кружками, а
электроны
, преобладающие в области
n
-типа — синими. Эти две области являются электродами диода
анодом
и
катодом
:
Анод – положительный электрод
диода, в котором основными носителями заряда являются
дырки
.
Катод – отрицательный электрод
диода, в котором основными носителями заряда являются
электроны
.
На внешние поверхности областей нанесены контактные
металлические слои, к которым припаяны проволочные
выводы
электродов диода. Такой прибор может находиться только в одном из двух состояний:
1. Открытое
– когда он хорошо проводит ток; 2.
Закрытое
– когда он плохо проводит ток.
Прямое включение диода. Прямой ток.
Если к электродам диода подключить источник постоянного напряжения: на вывод анода «плюс
» а на вывод катода «
минус
», то диод окажется в
открытом
состоянии и через него потечет ток, величина которого будет зависеть от приложенного напряжения и свойств диода.
При такой полярности подключения электроны из области n
-типа устремятся навстречу дыркам в область
p
-типа, а дырки из области
p
-типа двинутся навстречу электронам в область
n
-типа. На границе раздела областей, называемой
электронно-дырочным или p-n переходом, они встретятся, где происходит их взаимное поглощение или рекомбинация
.
Например. Oсновные носители заряда в области n
-типа электроны, преодолевая
p-n
переход попадают в дырочную область
p
-типа, в которой они становятся
неосновными
. Ставшие неосновными, электроны будут поглощаться
основными
носителями в дырочной области –
дырками
. Таким же образом дырки, попадая в электронную область
n
-типа становятся
неосновными
носителями заряда в этой области, и будут также поглощаться
основными
носителями –
электронами
.
Контакт диода, соединенный с отрицательным
полюсом источника постоянного напряжения будет
отдавать
области
n
-типа практически неограниченное количество электронов, пополняя убывание электронов в этой области. А контакт, соединенный с
положительным
полюсом источника напряжения, способен
принять
из области
p
-типа такое же количество электронов, благодаря чему восстанавливается концентрация дырок в области
p
-типа. Таким образом, проводимость
p-n
перехода станет
большой
и сопротивление току будет
мало
, а значит, через диод будет течь ток, называемый
прямым током диода Iпр
.
Устройство
В корпус, изготовленный в виде вакуумного баллона из керамики, стекла или металла, устанавливается:
- кристалл;
- анод;
- катод;
- подогреватель.
Кристаллы производятся из кремния или германия. Анод (плюс) и катод (минус) цилиндрической формы, помещаются внутри баллона. Подогреватель – нить внутри катода, которая раскаляется при подаче электротока, нагревая его. После достижения определенного уровня температуры активный слой на катоде генерирует нужные для работы электроны.
Обратное включение диода. Обратный ток.
Поменяем полярность источника постоянного напряжения – диод окажется в закрытом
состоянии.
В этом случае электроны в области n
-типа станут перемещаться к
положительному
полюсу источника питания, отдаляясь от
p-n
перехода, и дырки, в области
p
-типа, также будут отдаляться от
p-n
перехода, перемещаясь к
отрицательному
полюсу источника питания. В результате граница областей как бы расширится, отчего образуется зона обедненная дырками и электронами, которая будет оказывать току
большое
сопротивление.
Но, так как в каждой из областей диода присутствуют неосновные
носители заряда, то небольшой обмен электронами и дырками между областями происходить все же будет. Поэтому через диод будет протекать ток во много раз меньший, чем прямой, и такой ток называют
обратным током диода (Iобр
). Как правило, на практике, обратным током
p-n
перехода пренебрегают, и отсюда получается вывод, что
p-n
переход обладает только
односторонней проводимостью
.
Видео
Кофе в капсулах Nescafe Dolce Gusto Café Au Lait, 16 шт
435 ₽ Подробнее
Кофе капсульный Nescafe Dolce Gusto Латте Макиато со вкусом карамели, 3 упаковки по 16 капсул
1305 ₽ Подробнее
Мониторы 144 гц
Прямое и обратное напряжение диода.
Напряжение, при котором диод открывается и через него идет прямой ток называют прямым
(Uпр), а напряжение обратной полярности, при котором диод закрывается и через него идет обратный ток называют
обратным
(Uобр).
При прямом напряжении (Uпр
) сопротивление диода не превышает и нескольких десятков Ом, зато при обратном напряжении (
Uобр
) сопротивление возрастает до нескольких десятков, сотен и даже тысяч килоом. В этом не трудно убедиться, если измерить обратное сопротивление диода омметром.
Сопротивление p-n
перехода диода величина не постоянная и зависит от прямого напряжения (
Uпр
), которое подается на диод. Чем
больше
это напряжение, тем
меньшее
сопротивление оказывает
p-n
переход, тем
больший
прямой ток
Iпр
течет через диод. В закрытом состоянии на диоде
падает
практически все напряжение, следовательно, обратный ток, проходящий через него
мал
, а сопротивление
p-n
перехода
велико
.
Например. Если включить диод в цепь переменного тока, то он будет открываться при положительных
полупериодах на аноде, свободно пропуская
прямой ток
(Iпр), и закрываться при
отрицательных
полупериодах на аноде, почти не пропуская ток противоположного направления –
обратный ток
(Iобр). Эти свойства диодов используют для
преобразования переменного тока в постоянный
, и такие диоды называют
выпрямительными
.
Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода.
Зависимость тока, проходящего через p-n
переход, от величины и полярности приложенного к нему напряжения изображают в виде кривой, называемой
вольт-амперной характеристикой диода.
На графике ниже изображена такая кривая. По вертикальной
оси в верхней части обозначены значения прямого тока (
Iпр
), а в нижней части — обратного тока (
Iобр
). По
горизонтальной
оси в правой части обозначены значения прямого напряжения
Uпр
, а в левой части – обратного напряжения (
Uобр
).
Вольт-амперная характеристика состоит как бы из двух ветвей: прямая ветвь
, в правой верхней части, соответствует прямому (пропускному) току через диод, и
обратная ветвь
, в левой нижней части, соответствующая обратному (закрытому) току через диод.
Прямая ветвь
идет круто вверх, прижимаясь к
вертикальной
оси, и характеризует быстрый рост прямого тока через диод с увеличением прямого напряжения.
Обратная ветвь
идет почти параллельно
горизонтальной
оси и характеризует медленный рост обратного тока. Чем круче к вертикальной оси прямая ветвь и чем ближе к горизонтальной обратная ветвь, тем лучше выпрямительные свойства диода.
Наличие небольшого обратного тока является недостатком диодов
. Из кривой вольт-амперной характеристики видно, что прямой ток диода (
Iпр
) в сотни раз больше обратного тока (
Iобр
).
При увеличении прямого напряжения через p-n
переход ток вначале возрастает медленно, а затем начинается участок быстрого нарастания тока. Это объясняется тем, что
германиевый
диод открывается и начинает проводить ток при прямом напряжении 0,1 – 0,2В, а
кремниевый
при 0,5 – 0,6В.
Например. При прямом напряжении Uпр
= 0,5В прямой ток
Iпр
равен 50mA (точка «
а
» на графике), а уже при напряжении
Uпр
= 1В ток возрастает до 150mA (точка «
б
» на графике).
Но такое увеличение тока приводит к нагреванию молекулы полупроводника. И если количество выделяемого тепла будет больше отводимого от кристалла естественным путем, либо с помощью специальных устройств охлаждения (радиаторы
), то в молекуле проводника могут произойти необратимые изменения вплоть до разрушения кристаллической решетки. Поэтому прямой ток
p-n
перехода ограничивают на уровне, исключающем перегрев полупроводниковой структуры. Для этого используют ограничительный резистор, включенный последовательно с диодом.
У полупроводниковых диодов величина прямого напряжения Uпр
при всех значениях рабочих токов не превышает: для
германиевых
— 1В; для
кремниевых
— 1,5В.
При увеличении обратного напряжения (Uобр
), приложенного к
p-n
переходу, ток увеличивается незначительно, о чем говорит обратная ветвь вольтамперной характеристики. Например. Возьмем диод с параметрами:
Uобр max
= 100В,
Iобр max
= 0,5 mA, где:
Uобр max
– максимальное постоянное обратное напряжение, В;
Iобр max
– максимальный обратный ток, мкА.
При постепенном увеличении обратного напряжения до значения 100В видно, как незначительно растет обратный ток (точка «в
» на графике). Но при дальнейшем увеличении напряжения, свыше максимального, на которое рассчитан
p-n
переход диода, происходит резкое увеличение обратного тока (пунктирная линия), нагрев кристалла полупроводника и, как следствие, наступает
пробой
p-n перехода.
Обозначение радиодеталей на электросхемах
Обозначение на схемах радиоэлементов выглядит в виде графических фигур. Так, например, резистор изображают вытянутым прямоугольником с рядом расположенной буквой «R» и порядковым номером. «R15» означает, что резистор по схеме является 15-м по счёту. Тут же прописывают величину рассеваемой мощности сопротивления.
Разбираемся с электроизмерительными приборами
Особое внимание нужно уделить обозначению на микросхемах. К примеру, можно рассмотреть микросхему КР155ЛАЗ. Первая буква «К» означает широкую область применения. Если будет стоять «Э», то это экспортное исполнение. Вторая литера «Р» определяет материал и тип корпуса. В данном случае это пластмасса. Единица – это тип детали, в примере это полупроводниковая микросхема. 55 – порядковый номер серии. Последующие буквы выражают логику И-НЕ.
С чего начать чтение схем
Начинать надо с чтения принципиальных схем. Для более эффективного обучения нужно изучение теории совмещать с практикой. Необходимо понимать все обозначения на плате. Для этого существует масса информации в интернете. Будет неплохо иметь под рукой справочный материал в книжном формате. Параллельно с усвоением теории нужно научиться паять простые схемы.
Как соединяются радиоэлементы в схеме
Для соединения радиокомпонентов используют платы. Чтобы сделать контактные дорожки, применяют специальный раствор для травления медной фольги на диэлектрическом слое печатной платы. Лишняя фольга удаляется, остаются только нужные дорожки. К их краям припаивают выводы деталей.
Дополнительная информация. Литиевые аккумуляторы, нагреваясь от паяльника, могут вздуться и разрушиться. Чтобы этого не происходило, применяют точечную сварку.
Буквенное обозначение радиоэлементов в схеме
Чтобы расшифровать буквенные обозначения деталей в схеме, нужно воспользоваться специальными таблицами, утверждённые ГОСТом. Первая буква означает устройство, вторая и третья литера уточняют конкретный вид радиокомпонента. Например, F означает разрядник или предохранитель. Полностью буквы FV дают знать, что это предохранитель.
Графическое обозначение радиоэлементов в схеме
Графика схем включает в себя условное двухмерное обозначение радиоэлементов, принятых во всём мире. Например, резистор – прямоугольник, транзистор – круг, в котором линиями показано направление тока, дроссель – растянутая пружинка и т.д.
Начинающий радиолюбитель должен иметь под рукой таблицу изображений радиодеталей. Ниже приведены примеры таблиц графических обозначений радиодеталей.
Таблица графических обозначений радиоэлементов на схеме
Таблица 2
Таблица 3
Таблица 4
Для начинающих радиолюбителей важно запастись справочной литературой, где можно найти информацию о предназначении определённого радиокомпонента и его характеристиках. Как изготовить самостоятельно печатные платы и как правильно паять схемы, можно научиться по видео урокам в сети.
Электрический пробой.
Электрический пробой возникает в результате воздействия сильного электрического поля
в
p-n
переходе. Такой пробой является
обратимый
, то есть он не приводит к повреждению перехода, и при снижении обратного напряжения свойства диода сохраняются. Например. В таком режиме работают
стабилитроны
– диоды, предназначенные для стабилизации напряжения.
Туннельный пробой.
Туннельный пробой происходит в результате явления туннельного эффекта
, который проявляется в том, что при сильной напряженности электрического поля, действующего в
p-n
переходе
малой толщины
, некоторые электроны проникают (просачиваются) через переход из области
p
-типа в область
n
-типа без
изменения
своей энергии. Тонкие
p-n
переходы возможны только при высокой концентрации
примесей
в молекуле полупроводника.
В зависимости от мощности и назначения диода толщина электронно-дырочного перехода может находиться в пределах от 100 нм
(нанометров) до
1 мкм
(микрометр).
Для туннельного пробоя характерен резкий рост обратного тока
при незначительном
обратном напряжении
– обычно несколько вольт. На основе этого эффекта работают
туннельные диоды
.
Благодаря своим свойствам туннельные диоды используются в усилителях, генераторах синусоидальных релаксационных колебаний и переключающих устройствах на частотах до сотен и тысяч мегагерц.
Лавинный пробой.
Лавинный пробой заключается в том, что под действием сильного электрического поля неосновные
носители зарядов под действием
тепла
в
p-n
переходе ускоряются на столько, что способны
выбить
из атома один из его валентных электронов и
перебросить
его в зону проводимости, образовав при этом пару
электрон — дырка
. Образовавшиеся носители зарядов тоже начнут разгоняться и сталкиваться с другими атомами, образуя следующие пары электрон – дырка. Процесс приобретает лавинообразный характер, что приводит к резкому
увеличению
обратного тока при практически
неизменном
напряжении.
Диоды, в которых используется эффект лавинного пробоя используются в мощных выпрямительных агрегатах
, применяемых в металлургической и химической промышленности, железнодорожном транспорте и в других электротехнических изделиях, в которых может возникнуть обратное напряжение выше допустимого.
Полярность светодиода как определить плюс и минус
При использовании светодиодов в создании различных схем их необходимо установить правильно. Пайка в большинстве случаев проблем не создает, определить полярность немного сложнее, если нет опыта работы с тестирующим оборудованием.
Как определить полярность тестером мультиметром
Проще всего проверить светодиод мультиметром. При подключении щипов в режиме «прозвонка» к электродам можно получить 2 результата: светодиод светится и выдает на экран число, зависящее от цвета излучения, или показывает очень большое число. При первом варианте можно сделать вывод, что источник света исправен и подключен к мультиметру правильно (плюс к плюсу, минус к минусу).
Второй метод использования мультиметра – переключение на проверку сопротивления. Если красный щуп касается плюса, черный – минуса, на экране появляется значение в пределах 1600–1800.
Внимание! Если светодиод пробит (пропускает напряжение в двух направлениях), на экране появляется цифра «1». При обрыве независимо от расположения щупов на экране появляются очень большое значение сопротивления.
Если у мультиметра есть отсек PNP, для определения полярности светодиода требуются отсеки E (эмиттер – «+») и C (коллектор – «-»). Источник света светится, если катод вставлен в «C», анод – в «E».
Если используется отсек мультиметра NPN, светодиод светиться, если ножки меняются местами.
По внешнему виду
В производстве светодиодов используются разные корпусы. Широко применяются DIP-элементы с цилиндрическим корпусом различного диаметра. Изготавливается множество SMD для поверхностного монтажа. Свехяркие источники света отличаются размерами корпусов и кристаллов. Опытный радиолюбитель определяет катод и анод по внешним признакам.
У DIP-элементов:
- длиннее ножка анода;
- силуэт в колбе меньше у анода, форма катода напоминает флажок;
- у источника с мощностью более 1 Вт на ножке анода есть маркировка «+».
Внимание! Если DIP-светодиод уже был установлен в какой-то прибор и выпаян, размеры ножек могут меняться. Плюс и минус определяется по размерам кристалла в колбе или тестированием мультиметром.
У SMD-светодиодов:
- катод обозначается срезом на корпусе;
- теплоотвод на обратной стороне корпуса располагается ближе к аноду;
- пиктограмма «П» к аноду обращена верхней полкой, верх пиктограммы «Т» обращен к катоду.
