Большинство современных небольших электронных устройств работает от постоянного тока, но известные сейчас генераторы электричества генерируют переменный ток. Так как же из переменного тока получить постоянный? Оказывается это одна из важных для современного человечества функций решается с помощью таких устройств как диоды.

Что такое диод?

 Диод — это крошечный электронный компонент, используемый почти во всех электронных схемах для обеспечения протекания тока только в одном направлении (однонаправленное устройство). Можно сказать, что использование полупроводниковых материалов для изготовления электронных компонентов началось с диодов. До изобретения диода существовали электронные лампы, где применение обоих этих устройств аналогично, но размер, занимаемый электронной лампой, будет намного больше, чем у диодов. Конструкция электронных ламп достаточно сложна и их трудно обслуживать по сравнению с полупроводниковыми диодами. Наиболее частыми применениями диодов являются выпрямление, усиление электрического тока, электронный переключатель, преобразование электрической энергии в световую энергию и световую энергию в электрическую.

История диода

В 1940 году в Bell Labs Рассел Ол работал с кристаллом кремния, чтобы выяснить его свойства. Однажды случайно, когда кристалл кремния с трещиной подвергся воздействию солнечного света, он обнаружил поток тока через кристалл, который позже был назван диодом, что стало началом эры полупроводников.

Конструкция диода

Твердые материалы в зависимости от того насколько хорошо они проводят электрический ток обычно делятся на три типа: проводники, изоляторы и полупроводники . Проводники имеют максимальное количество свободных электронов, изоляторы имеют минимальное количество свободных электронов (незначительное, поэтому протекание тока в них вообще невозможно), тогда как полупроводники могут быть либо проводниками, либо изоляторами в зависимости от приложенного к ним потенциала. Полупроводниками, которые обычно используются в современном мире, являются кремний и германий. Но кремний в данном случае более предпочтителен поскольку он широко доступен на Земле и обеспечивает лучший тепловой диапазон.

Полупроводники подразделяются на два типа: внутренние и внешние полупроводники.

Собственные полупроводники:

Их также называют чистыми полупроводниками, в которых носители заряда (электроны и дырки) находятся в равном количестве при комнатной температуре. Таким образом, проводимость тока осуществляется как дырками, так и электронами в равной степени.

Внешние полупроводники:

Чтобы увеличить количество дырок или электронов в материале, мы выбираем внешние полупроводники, в которых к кремнию добавляются примеси (кроме кремния и германия или просто трехвалентных или пятивалентных материалов). Этот процесс добавления примесей в чистые полупроводники называется легированием.

Формирование полупроводников P и N-типа

Полупроводник N-типа

Если к Si или Ge добавить пятивалентные элементы (число валентных электронов пять), то появятся свободные электроны. Поскольку электронов (отрицательно заряженных носителей) больше они называются полупроводниками N-типа . В полупроводнике N-типа электроны являются основными носителями заряда, а дырки - неосновными носителями заряда.

Немногие пятивалентные элементы — это фосфор, мышьяк, сурьма и висмут . Поскольку они имеют избыток валентных электронов и готовы к соединению с внешней положительно заряженной частицей, эти элементы называются донорами .

Полупроводник P-типа

Аналогичным образом, если к Si или Ge добавить трехвалентные элементы, такие как бор, алюминий, индий и галлий, образуется дырка, поскольку количество валентных электронов в ней равно трем. Поскольку дырка готова принять электрон и образовать пару, ее называют акцепторами. Поскольку количество дырок во вновь образованном материале избыточно, их называют полупроводниками P-типа. В полупроводниках P-типа дырки являются основными носителями заряда, а электроны — неосновными носителями заряда.

PN-диод

Теперь, если мы объединим два типа полупроводников P-типа и N-типа вместе, образуется новое устройство, называемое диодом с PN-переходом . Поскольку соединение образуется между материалами типа P и типа N, оно называется PN-соединением (или пеерходом).

Слово «диод» можно объяснить так: «Ди» означает «два», а «ода» - слово «электрод». Поскольку вновь сформированный компонент может иметь две клеммы или электрода (один подключен к P-типу, а другой к N-типу), он называется диодом или диодом с PN-переходом или полупроводниковым диодом .

Клемма, подключенная к материалу P-типа, называется анодом, а клемма, подключенная к материалу N-типа, называется катодом.

Символическое представление диода следующее.

Стрелка указывает протекание тока через него, когда диод находится в режиме прямого смещения, черточка или черточка на кончике стрелки указывает на блокировку тока с противоположного направления.

Теория PN-перехода

Мы уже знаем, что диод изготавливается из полупроводников P- и N-типа, но нам также нужно знать, что происходит внутри него, чтобы сформировалось уникальное свойство пропускать ток только в одном направлении и что происходит в точной точке контакта изначально на его переходе.

Формирование соединения

Первоначально, когда оба материала соединяются вместе (без приложения какого-либо внешнего напряжения), избыточные электроны в N-типе и лишние дырки в P-типе будут притягиваться друг к другу и рекомбинироваться, где образуются неподвижные ионы (донорные ионы) и акцепторный ионы. Этот процесс происходит как показано на рисунке ниже. Эти неподвижные ионы сопротивляются потоку электронов или дырок через них, который теперь действует как барьер между двумя материалами (образование барьера означает, что неподвижные ионы диффундируют в области P и N. Барьер, который формируется в это время, называется областью истощения. Ширина обедненной области в этом случае зависит от концентрации легирования в материалах.

Если концентрация легирования одинакова в обоих материалах, то неподвижные ионы одинаково диффундируют как в материалы P, так и в N. Но если концентрация легирования различается, то ширина области обеднения также различается. Его диффузия происходит больше в слаболегированную область и меньше в сильнолегированную область .

Теперь давайте посмотрим на поведение диода при подаче соответствующего напряжения.

Диод в прямом смещении

Чтобы диод стал проводить ток, нам нужно сначала преодолеть барьер, образовавшийся на пути. Чтобы преодолеть барьер внутри обычного диода, к клеммам следует подать внешнее напряжение минимум +0,7 В (для кремния) и +0,3 В (для германия). Эти напряжения называются напряжением включения, или напряжением смещения, или напряжением точки останова, или напряжением срабатывания, или пороговым напряжением. Пока приложенное напряжение не станет меньше этого порого, через диод течет ток.

Если положительная клемма батареи или источника напряжения приложена к аноду или P-области диода, а отрицательная клемма - к катоду или N-области диода, говорят, что она имеет прямое смещение.

Из-за прямого смещения основные носители заряда в обеих областях отталкиваются (поскольку положительное напряжение прикладывается к области P, а отрицательное к области N) и попадают в область истощения. Следовательно, неподвижные ионы возвращают потерянные носители, становятся нейтральными и перемещаются в неистощенную область, следовательно, ширина барьера постепенно уменьшается. Когда приложенное напряжение больше или равно напряжению включения, весь барьер разрушается, и электроны и дырки теперь могут свободно перемещаться и пересекать соединение, которое затем образует замкнутую цепь и обеспечивает протекание тока. Работа диода при прямом смещении наглядно показана на следующей анимации.

Диод при прямом смещении действует как замкнутый переключатель и имеет прямое сопротивление в несколько Ом (около 20 Ом).

Диод в обратном смещении

Если отрицательная клемма источника напряжения приложена к аноду или P-области диода, а положительная клемма - к катоду или N-области диода, это называется обратным смещением.

Когда прикладывается такое напряжение, основные носители заряда в обеих областях притягиваются к источнику, так что создается большое количество неподвижных ионов, которые попадают в области P и N. Следовательно, ширина обедненной области также постепенно увеличивается, и электронам и дыркам теперь становится трудно пересекать переход, поэтому образуется разомкнутая цепь и ток не течет. Но если мы продолжим увеличивать напряжение, в какой-то точке барьер или область истощения не смогут выдержать внешнюю силу, и переход выйдет из строя, что иногда может привести к необратимому повреждению обычного диода. Чтобы преодолеть это, мы можем сильно легировать области и обеспечить безопасность диода. Это применение можно увидеть в стабилитронах.

Обратное напряжение, при котором диод проводит ток, называется напряжением пробоя. Поскольку диод в обратном смещении действует как разомкнутый переключатель , его сопротивление составляет порядка нескольких мегаом. Работа диода при обратном смещении наглядно показана на следующей анимации.

Когда обратное напряжение прикладывается к диоду, в цепи протекает небольшой ток из-за неосновных носителей заряда, который обычно называется обратным током насыщения . Эти токи также называются токами утечки , потому что даже когда диод разомкнут, в цепи существует ток, поэтому его называют утечкой.

Различные типы диодов

Существует ряд диодов, конструкция которых аналогична, но тип используемого материала различается. Например, если мы рассмотрим светоизлучающий диод, он изготовлен из материалов алюминия, галлия и арсенида, которые при возбуждении выделяют энергию в виде света. Аналогичным образом учитываются изменения свойств диода, такие как внутренняя емкость, пороговое напряжение и т. д., и на их основе проектируется конкретный диод.

Выделяют следующие типы диодов:

• Стабилитрон
• Светодиод
• Лазерный диод
• Фотодиод
• Варакторный диод (варикап)
• диод Шоттки
• Туннельный диод
• PIN-диод и т. д.

Рассмотрим эти основные типы диодов более подробно.

Стабилитрон

Области P и N в этом диоде сильно легированы, поэтому область обеднения очень узкая. В отличие от обычного диода, его напряжение пробоя очень низкое. Когда обратное напряжение больше или равно напряжению пробоя, область истощения исчезает, и через диод проходит постоянное напряжение, даже если обратное напряжение увеличивается. Следовательно, диод используется для регулирования напряжения и поддержания постоянного выходного напряжения при правильном смещении. 

Пробой стабилитрона означает, что когда обратное напряжение прикладывается к стабилитрону, на переходе создается сильное электрическое поле, которого достаточно, чтобы разорвать ковалентные связи внутри перехода и вызвать большой ток через него. Пробой Зенера возникает при очень низких напряжениях по сравнению с лавинным пробой.

Существует еще один тип пробоя, называемый лавинным пробой, который обычно наблюдается в обычном диоде, где для разрушения перехода требуется большое обратное напряжение. Его принцип работы заключается в том, что когда диод смещен в обратном направлении, через диод проходят небольшие токи утечки, когда обратное напряжение еще больше увеличивается, ток утечки также увеличивается. И если он увеличивается  достаточно быстро, чтобы разрушить несколько ковалентных связей внутри перехода, эти новые носители заряда дополнительно разрушаются и оставшиеся ковалентные связи вызывают огромные токи утечки, которые могут навсегда повредить диод.

Светоизлучающий диод (светодиод) (LED)

Его конструкция похожа на простой диод, но для генерации разных цветов используются различные комбинации полупроводников. Он работает в режиме прямого смещения. Когда происходит рекомбинация электронов и дырок, высвобождается результирующий фотон, который излучает свет. Если прямое напряжение еще больше увеличится, будет выпущено больше фотонов, и интенсивность света также увеличится, но напряжение не должно превышать свое пороговое значение, иначе светодиод повредится.

Для создания разных цветов используются комбинации AlGaAs (арсенид алюминия-галлия) — красный и инфракрасный, GaP (фосфид галлия) — желтый и зеленый, InGaN (нитрид индия-галлия) — синие и ультрафиолетовые светодиоды и т. д. В настоящее время светодиоды можно купить на AliExpress по цене около 50 рублей за 100 шт.

В случае ИК-светодиода мы можем видеть его свет через камеру.

Лазерный диод

Лазер означает усиление света путем стимулированного излучения. В данном случае PN-переход состоит из двух слоев легированного арсенида галлия, где на один конец перехода наносится высокоотражающее покрытие, а на другой конец — частично отражающее покрытие. Когда диод смещен вперед, как и светодиод, он испускает фотоны, которые поражают другие атомы, поэтому фотоны будут высвобождаться в огромных количествах. Когда фотон попадает на отражающее покрытие и снова ударяет по переходу, высвобождается еще больше фотонов, этот процесс повторяется, и образуется луч высокой интенсивности, свет излучается только в одном направлении. 

Символическое обозначение лазерного диода аналогично светодиоду. На нашем сайте мы использовали лазерный диод в проекте бесконтактного инфракрасного термометра на Arduino для подсветки области температуру которой мы хотим измерить.

Фотодиод

В фотодиоде ток через него зависит от энергии света, приложенной к PN-переходу. Он работает в обратном смещении. Как обсуждалось ранее, небольшой ток утечки течет через диод при обратном смещении, который здесь называется темновым током. Так как ток возникает из-за недостатка света (тьмы), то он так и называется. Этот диод сконструирован таким образом, что при попадании света на переход достаточно разорвать пары электронов и дырок и генерировать электроны, что увеличивает обратный ток утечки.

Варакторный диод

Его также называют варикапом или переменным конденсатором. Он работает в режиме обратного смещения. Общее определение конденсаторного разделения проводящей пластины с изолятором или диэлектриком: когда нормальный диод смещен в обратном направлении, ширина обедненной области увеличивается, поскольку обедненная область представляет собой изолятор или диэлектрик, и теперь она может действовать как конденсатор. Изменение обратного напряжения приводит к изменению разделения областей P и N, что приводит к тому, что диод работает как переменный конденсатор.

Поскольку емкость увеличивается с уменьшением расстояния между пластинами, большое обратное напряжение означает низкую емкость и наоборот.

Диод Шоттки

В этом диоде полупроводник N-типа соединен с металлом (золотом, серебром) так, что в диоде существуют электроны с высокими энергетическими уровнями. Они называются горячими носителями , поэтому этот диод также называется диодом с горячими носителями. У него нет неосновных носителей и не существует области обеднения, скорее существует металл-полупроводниковый переход. Когда этот диод смещен в прямом направлении, он действует как проводник, но заряд имеет высокие уровни энергии, которые полезны при быстром переключении, особенно в цифровых схемах. На нашем сайте вы можете посмотреть использование диода Шоттки в проекте понижающего преобразователя напряжения постоянного тока на Arduino.

Туннельный диод

Области P и N в этом диоде сильно легированы, поэтому вероятность обеднения очень мала. Он имеет область отрицательного сопротивления, которую можно использовать в качестве генератора и микроволновых усилителей. Когда этот диод сначала смещен в прямом направлении, поскольку область обеднения узкая, электроны туннелируют через нее, ток быстро увеличивается при небольшом изменении напряжения. При дальнейшем увеличении напряжения из-за избытка электронов на переходе ширина области истощения начинает увеличиваться, вызывая блокировку прямого тока (где образуется область отрицательного сопротивления). Когда прямое напряжение еще больше увеличивается, он работает как обычный диод.

PIN-диод

В этом диоде области P и N разделены собственным полупроводником. Когда диод смещен в обратном направлении он действует как конденсатор постоянного номинала. В режиме прямого смещения он действует как переменное сопротивление, которое контролируется током. Он используется в микроволновых устройствах, которые должны управляться напряжением постоянного тока.

Его символическое представление аналогично обычному диоду.

Применение диодов

• Регулируемый источник питания: практически невозможно генерировать напряжение постоянного тока, единственным доступным типом источника является напряжение переменного тока. Поскольку диоды являются однонаправленными устройствами, их можно использовать для преобразования переменного напряжения в пульсирующее постоянное, а с помощью дополнительных секций фильтрации (с использованием конденсаторов и катушек индуктивности) можно получить приблизительное напряжение постоянного тока.

• Схемы тюнера. В системах связи на стороне приемника, поскольку антенна принимает все радиочастоты, доступные в космосе, необходимо выбрать желаемую частоту. Поэтому используются схемы тюнера, которые представляют собой не что иное, как схему с переменными конденсаторами и катушками индуктивности. В этом случае можно использовать варакторный диод.

• Телевизоры, светофоры, табло. Для отображения изображения на телевизорах или на табло используются светодиоды. Поскольку светодиоды потребляют очень мало энергии, они широко используются в системах освещения, таких как светодиодные лампы.

• Регуляторы напряжения: поскольку стабилитрон имеет очень низкое напряжение пробоя, его можно использовать в качестве регулятора напряжения при обратном смещении.

• Детекторы в системах связи. Хорошо известным детектором, в котором используется диод, является детектор огибающей, который используется для обнаружения пиков модулированного сигнала.

133 просмотров