Каким свойством обладает диод
Диод полупроводниковый
Полупроводниковый диод — прибор, обладающий способностью хорошо пропускать через себя электрический ток одного направления и плохо — ток противоположного направления. Это свойство диода используют, например, в выпрямителях для преобразования переменного тока в постоянный.
Слово «диод» образовалось от греческой приставки «ди»— «дважды» и сокращения слова «электрод» .
Полупроводниковый диод (см. Полупроводники) представляет собой полупроводниковую пластинку с двумя областями разной проводимости: электронной (л-типа) и дырочной (р-типа) . Между ними — разделяющая граница, называемая р-п переходом.
Область л-типа называют отрицательным электродом, а область р-типа — положительным электродом полупроводникового диода. Диод хорошо пропускает ток, когда его отрицательный электрод соединен с отрицательным полюсом источника напряжения (батареи) , а положительный с положительным полюсом, т. е. когда на диод подается напряжение прямой полярности, или, короче, прямое напряжение. В этом случае электроны в л-области полупроводниковой пластинки будут двигаться к положительному полюсу батареи, т. е. к границе с р-областью, в то же время «дырки» в р-области будут двигаться к отрицательному полюсу батареи и, следовательно, к границе с «-областью. . В результате вблизи р-п перехода произойдет накопление положительных и отрицательных зарядов, и поэтому сопротивление перехода уменьшится. При напряжении противоположной (обратной) полярности, когда положительный полюс батареи соединен с п-областью, а отрицательный с р-областью, электроны в п-области и «дырки» в р-области движутся от границы р-п перехода. Вследствие этого происходит уменьшение положительных и отрицательных зарядов вблизи р-п перехода, и его сопротивление увеличивается. Это и означает, что при переменном напряжении ток через диод в одном направлении будет большей силы, чем в другом, т. е. в нагрузке появится практически ток одного направления — произойдет выпрямление переменного тока.
Наряду с выпрямительными свойствами р-п переход обладает емкостью, зависящей от значения и полярности приложенного напряжения. При прямом напряжении емкость диода больше, чем при обратном.
Один из способов изготовления диода состоит в следующем. На пластинку полупроводника, например германия, обладающего электронной проводимостью, накладывают небольшой кусочек индия и помещают в печь. При высокой температуре (около 500° С) индий вплавляется в пластинку германия, образуя в ней область дырочной проводимости. К самой пластинке германия и к затвердевшей «капле» индия припаивают два проволочных вывода электродов и прибор заключают в герметический и непрозрачный корпус, чтобы защитить р-п переход от воздействия влажности и света.
Существует много разновидностей полупроводниковых диодов, обладающих специальными свойствами. Стабилитрон — диод, у которого сопротивление в обратном направлении уменьшается с увеличением силы тока так, что дает возможность стабилизировать меняющееся напряжение. Варикап — диод, емкость р-п перехода которого зависит от приложенного к нему напряжения. Он может быть использован в качестве конденсатора, емкостью которого управляют постоянным напряжением. Фотодиод — полупроводниковый диод, в корпусе которого имеется окно для освещения р-п перехода. Под действием света изменяется сила тока в цепи, значение сопротивления диода и возникает электродвижущая сила, так что освещенный фотодиод является источником электрической энергии.
Полупроводниковые диоды применяют для выпрямления переменного тока, для детектирования слабых сигналов, например, в радиоприемниках, для выделения и обработки сигналов в различных автоматических устройствах и электронных вычислительных машинах (ЭВМ).
Без преувеличения можно утверждать, что бурное развитие радиоэлектроники началось с момента изобретения диода. Первыми на свет появились вакуумные диодные лампы.
Но их очень быстро вытеснили полупроводниковые диоды, которые оказались экономичнее, а главное – они открыли путь к миниатюризации электронных устройств. Учитывая популярность этих полупроводников, рассмотрим 6 основных типов диодов и принцип их работы.
Строение полупроводникового диода и принцип действия
Диод состоит из двух разных полупроводников: n-типа и p-типа, к которым подсоединены электроды – анод и катод. Вся эта конструкция заключена в металлический, стеклянный или в пластиковый корпус.
Благодаря тому, что полупроводники обладают разными типами проводимостей (электронная и дырочная) они при контакте образуют зону p-n перехода (Рис. 1). С одной стороны скапливаются положительный ионы, а с другой – электроны.
Рисунок 1. Распределение зарядов в n-p переходе
Если катод подсоединить к негативному полюсу источника питания, а анод к позитивному, то под действием ЭДС произойдёт рекомбинация дырок в зоне с n-проводимостью и нейтрализация электронов в зоне с p-проводимостью.
Барьер, между двумя полупроводниками разрушится и цепь замкнётся. То есть, устройство пропустит ток от катода к аноду (на самом деле электроны устремятся к плюсовой клемме). Схема процесса изображена на рисунке 2 а.
При обратном напряжении (рис. 2 б) зона p-n перехода только усилится. Ток не потечёт. Диод при таком подключении будет находиться в закрытом состоянии. На этом принципе построена работа всех выпрямительных (силовых) радиодеталей.
Рисунок 2
Выпрямительные диоды
Данный тип электронных вентилей чаще всего встречается в блоках питания различных устройств. Диодные мостики на их основе служат для преобразования синусоидального тока в постоянный.
Рисунок 3. Выпрямительный диод большой мощности
В зависимости от типов применяемых полупроводниковых материалов, степени насыщения их различными донорами и акцепторами, полупроводники могут менять свои свойства. Это позволило создавать различные типы полупроводниковых изделий с необходимыми параметрами.
Стабилитроны
Диод, который обладает высокой проводимостью при заданном напряжении, называется стабилитроном. При достижении уровня напряжения стабилитрона, он открывается и пропускает ток почти без сопротивления. Как только разница потенциалов упадёт до заданного минимума, стабилитрон закроется и отсечёт поток электронов.
Данное свойство используется для стабилизации напряжения в электронных устройствах. Отсюда и название – стабилитрон. Один из наиболее часто встречающихся стабилитронов изображён на рис. 4.
Рисунок 4. Стабилитрон
Туннельные диоды
Благодаря множеству присадок образуется узкий p-n переход, способствующий пропускать ток в обе стороны. Это свойство отличает его от других типов вентилей. На схемах радиодетали данного типа изображаются так, как показано на рис. 5.
Рисунок 5. Туннельный диод
Варикапы
Разновидность диодов с переменной ёмкостью называют варикапами. Барьерная ёмкость этих радиодеталей зависит от обратного напряжения.
Их применяют для настройки частот генераторов, управляемых напряжением. Обозначение на схемах показано на рис. 6.
Рисунок 6. Обозначения варикапов на схемах
Светодиоды
Их ещё называют СИД или LED. (рис. 7). Эти диоды, при подаче на электроды прямого напряжения, излучают холодный свет в разных спектрах. Сегодня LED-освещение активно вытесняет традиционные источники света.
Рисунок 7. Светодиод
Фотодиод
Проводимость проводников данного типа управляется световым потоком. В темноте свойства фотодиода такие же, как в обычного вентиля. Обратный ток прямо пропорционален уровню освещения, в т. ч. инфракрасного. Применяется в качестве датчика, принимающего сигналы от пульта дистанционного управления.
Рисунок 8. Фотодиод
Что такое диод
Полупроводниковый диод или просто диод представляет из себя радиоэлемент, который пропускает электрический ток только в одном направлении и блокирует его прохождение в другом направлении. По аналогии с гидравликой диод можно сравнить с обратным клапаном: устройством, которое пропускает жидкость только в одном направлении.
обратный клапан
Диод – это радиоэлемент с двумя выводами. Некоторые диоды выглядят почти также как и резисторы:
А некоторые выглядят чуточку по-другому:
Есть также и SMD исполнение диодов:
Выводы диода называются – анод и катод. Некоторые по ошибке называют их “плюс” и “минус”. Это неверно. Так говорить нельзя.
На схемах диод обозначается так
Он может пропускать электрический ток только от анода к катоду.
Из чего состоит диод
В нашем мире встречаются вещества, которые отлично проводят электрический ток. Сюда в основном можно отнести металлы, например, серебро, медь, алюминий, золото и так далее. Такие вещества называют проводниками. Есть вещества, которые ну очень плохо проводят электрический ток – фарфор, пластмассы, стекло и так далее. Их называют диэлектриками или изоляторами. Между проводниками и диэлектриками находятся полупроводники. Это в основном германий и кремний.
После того, как германий или кремний смешивают с мельчайшей долей мышьяка или индия, образуется полупроводник N-типа, если смешать с мышьяком; или полупроводник P-типа, если смешать с индием.
Теперь если эти два полупроводника P и N -типа приварить вместе, на их стыке образуется PN-переход. Это и есть строение диода. То есть диод состоит из PN-перехода.
строение диода
Полупроводник P-типа в диоде является анодом, а полупроводник N-типа – катодом.
Давайе вскроем советский диод Д226 и посмотрим, что у него внутри, сточив часть корпуса на наждачном круге.
.JPG "диод Д226")
диод Д226
Вот это и есть тот самый PN-переход
PN-переход диода
Как определить анод и катод диода
1) на некоторых диодах катод обозначают полоской, отличающейся от цвета корпуса
.jpg)
.jpg)
2) можно проверить диод с помощью мультиметра и узнать, где у него катод, а где анод. Заодно проверить его работоспособность. Этот способ железный ;-). Как проверить диод с помощью мультиметра можно узнать в этой статье.
Где находится анод, а где катод очень легко запомнить, если вспомнить воронку для наливания жидкостей в узкие горлышки бутылок. Воронка очень похожа на схему диода. Наливаем в воронку, и жидкость у нас очень хорошо бежит, а если ее перевернуть, то попробуй налей-ка через узкое горлышко воронки ;-).
Диод в цепи постоянного тока
Как мы уже говорили, диод пропускает электрический ток только в одном направлении. Для того, чтобы это показать, давайте соберем простую схему.
прямое включение диода
Так как наша лампа накаливания на 12 Вольт, следовательно, на блоке питания тоже выставляем значение в 12 В и собираем всю электрическую цепь по схеме выше. В результате, лампочка у нас прекрасно горит. Это говорит о том, что через диод проходит электрический ток. В этом случае говорят, что диод включен в прямом направлении.
диод в прямом включении
Давайте теперь поменяем выводы диода. В результате, схема примет такой вид.
обратное включение диода
Как вы видите, лампочка не горит, так как диод не пропускает электрический ток, то есть блокирует его прохождение, хотя источник питания и выдает свои честные 12 Вольт.
обратное включение диода
Какой вывод можно из этого сделать? Диод проводит постоянный ток только в одном направлении.
Диод в цепи переменного тока
Кто забыл, что такое переменный ток, читаем эту статью. Итак, для того, чтобы рассмотреть работу диода в цепи переменного тока, давайте составим схему. Здесь мы видим генератор частоты G, диод и два клеммника Х1 и Х2, с которых мы будем снимать сигнал с помощью осциллографа.
Мой генератор частоты выглядит вот так.
генератор частот
Осциллограмму будем снимать с помощью цифрового осциллографа
.JPG)
Генератор выдает переменное синусоидальное напряжение.
синусоидальный сигнал
Что же будет после диода? Цепляемся к клеммам X1 и X2 и видим вот такую осциллограмму.
переменное напряжение после диода
Диод вырезал нижнюю часть синусоиды, оставив только верхнюю часть.
А что будет, если мы поменяем выводы диода? Схема примет такой вид.
переменый ток после диода
Что же получим на клеммах Х1 и Х2 ? Смотрим на осциллограмму.
переменный ток после диода
Ничего себе! Диод срезал только положительную часть синусоиды!
Характеристики диода
Давайте рассмотрим характеристику диода КД411АМ. Ищем его характеристики в интернете, вбивая в поиск “даташит КД411АМ”
Для объяснения параметров диода, нам также потребуется его ВАХ
1) Обратное максимальное напряжение Uобр – это такое напряжение диода, которое он выдерживает при подключении в обратном направлении, при этом через него будет протекать ток Iобр – сила тока при обратном подключении диода. При превышении обратного напряжения в диоде возникает так называемый лавинный пробой, в результате этого резко возрастает ток, что может привести к полному тепловому разрушению диода. В нашем исследуемом диоде это напряжение равняется 700 Вольт.
2) Максимальный прямой ток Iпр – это максимальный ток, который может течь через диод в прямом направлении. В нашем случае это 2 Ампера.
3) Максимальная частота Fd , которую нельзя превышать. В нашем случае максимальная частота диода будет 30 кГц. Если частота будет больше, то наш диод будет работать неправильно.
Виды диодов
Стабилитроны
Стабилитроны представляют из себя те же самые диоды. Даже из названия понятно, чтоб стабилитроны что-то стабилизируют. А стабилизируют они напряжение. Но чтобы стабилитрон выполнял стабилизацию, требуется одно условие. Они должны подключатся противоположно, чем диоды. Анод на минус, а катод на плюс. Странно не правда ли? Но почему так? Давайте разберемся. В Вольт амперной характеристике (ВАХ) диода используется положительная ветвь – прямое направление, а вот в стабилитроне другая часть ветки ВАХ – обратное направление.
Снизу на графике мы видим стабилитрон на 5 Вольт. Сколько бы у нас не изменялась сила тока, мы все равно будем получать 5 Вольт ;-). Круто, не правда ли? Но есть и подводные камни. Сила тока не должны быть больше, чем в описании на диод, иначе он выйдет из строя от высокой температуры – Закон Джоуля-Ленца. Главный параметр стабилитрона – это напряжение стабилизации (Uст). Измеряется в Вольтах. На графике вы видите стабилитрон с напряжением стабилизации 5 Вольт. Также есть диапазон силы тока, при котором будет работать стабилитрон – это минимальный и максимальный ток (Imin, Imax). Измеряется в Амперах.
Выглядят стабилитроны точно также, как и обычные диоды:
На схемах обозначаются вот так:
Светодиоды
Светодиоды – особый класс диодов, которые излучают видимый и невидимый свет. Невидимый свет – это свет в инфракрасном или ультрафиолетовом диапазоне. Но для промышленности все таки большую роль играют светодиоды с видимым светом. Они используются для индикации, оформления вывесок, светящихся баннеров, зданий а также для освещения. Светодиоды имеют такие же параметры, как и любые другие диоды, но обычно их максимальный ток значительно ниже.
Предельное обратное напряжение (Uобр) может достигать 10 Вольт. Максимальный ток (Imax) будет ограничиваться для простых светодиодов порядка 50 мА. Для осветительных больше. Поэтому при подключении обычного диода нужно вместе с ним последовательно подключать резистор. Резистор можно рассчитать по нехитрой формуле, но в идеале лучше использовать переменный резистор, подобрать нужное свечение, замерять номинал переменного резистора и поставить туда постоянный резистор с таким же номиналом.
Лампы освещения из светодиодов потребляют копейки электроэнергии и стоят дешево.
Очень большим спросом пользуются светодиодные ленты, состоящие из множества SMD светодиодов. Смотрятся очень красиво.
На схемах светодиоды обозначаются так:
Не забываем, что светодиоды делятся на индикаторные и осветительные. Индикаторные светодиоды обладают слабым свечением и используются для индикации каких-либо процессов, происходящих в электронной цепи. Для них характерно слабое свечение и малый ток потребления
Ну и осветительные светодиоды – это те, которые используются в ваших китайских фонариках, а также в LED-лампах
Светодиод – это токовый прибор, то есть для его нормальной работы требуется номинальный ток, а не напряжение. При номинальном токе на светодиоде падает некоторое напряжение, которое зависит от типа светодиода (номинальной мощности, цвета, температуры). Ниже табличка, показывающая какое падение напряжения бывает на светодиодах разных цветов свечения при номинальном токе:
Как проверить светодиод можно узнать из этой статьи.
Тиристоры
Тиристоры представляют собой диоды, проводимость которых управляется с помощью третьего вывода – управляющего электрода (УЭ). Основное применение тиристоров – это управление мощной нагрузкой с помощью слабого сигнала, подаваемого на управляющий электрод. Выглядят тиристоры примерно как диоды или транзисторы. У тиристоров параметров столько, что не хватит статьи для их описания. Главный параметр – Iос,ср. – среднее значение тока, которое должно протекать через тиристор в прямом направлении без вреда для его здоровья. Немаловажным параметром является напряжение открытия тиристор – (Uу), которое подается на управляющий электрод и при котором тиристор полностью открывается.
а вот так примерно выглядят силовые тиристоры, то есть тиристоры, которые работают с большой силой тока:
На схемах триодные тиристоры выглядят вот таким образом:
Существуют также разновидности тиристоров – динисторы и симисторы. У динисторов нет управляющего электрода и он выглядит, как обычный диод. Динисторы начинают пропускать через себя электрический ток в прямом включении, когда напряжение на нем превысит какое-то значение. Симисторы – это те же самые триодные тиристоры, но при включении пропускают через себя электрический ток в двух направлениях, поэтому они используются в цепях с переменным током.
Диодный мост и диодные сборки
Производители также несколько диодов заталкивают в один корпус и соединяют их между собой в определенной последовательности. Таким образом получаются диодные сборки. Диодные мосты – одна из разновидностей диодных сборок.
На схемах диодный мост обозначается вот так:
Существуют также и другие виды диодов, такие как варикапы, диод Ганна, диод Шоттки и тд. Для того, чтобы их всех описать, нам не хватит и вечности.
Очень интересное видео про диод
Похожие статьи по теме “диод”
Как работает стабилитрон
Диод Шоттки
Диодный мост
Как проверить диод и светодиод мультиметром
Как проверить тиристор
Схема для проверки тиристоров
Диоды очень широко применяются в электронике. Практически они являются неотъемлемой частью почти любого электронного устройства. Потому любому человеку полезно примерно представлять как функционирует диод. Для общего развития.
Диоды
Чтобы объяснить принцип по которому работает диод нужно пользоваться некоторыми понятиями и определениями. Это не значит что нужно понимать эти определения досконально. Потому как все определения постоянно, на протяжении времени, дополняются. А то и вовсе полностью изменяются. Все обозначения применяются только для простоты объяснения. Не стоит думать, что кто-то, более умный чем вы, понимает что такое электроны. А также знает, как они ведут себя в полупроводниках. Самое главное, понимать как можно практически использовать характеристики полупроводников в различных условиях.
Пояснение работы кремниевого диода
При изготовлении диодов применяются полупроводниковые материалы. Например, такой полупроводник как кремний. Работа диода основана на понятии движения свободных носителей зарядов. Однако, считается что чистый кремний не имеет свободных носителей. И это не практично при изготовлении диодов. Потому, для диодов применяют кремний с добавками. В единый кристалл кремния добавляют примеси. То есть легируют кремний. С одной стороны диода, кремний легирован донорной примесью. То есть это отдающая сторона — донор. Эта область обладает проводимостью n-типа. От английского слова negative — отрицательная (минус). Считается что на n-стороне находятся свободные электроны. Эта область имеет малое удельное сопротивление электрическому току.
С другой стороны диод легирован акцепторной примесью. То есть это принимающая сторона — акцептор. Эта область обладает проводимостью p-типа. От английского слова positive — положительная (плюс). Считается что на p-стороне находятся свободные места для электронов (дырки). Эта область также обладает малым сопротивлением электрическому току. На границе p-n-перехода происходит явление рекомбинации. В переводе с латыни означает «соединение». Другими словами, исчезновение пары свободных носителей противоположного заряда в среде с выделением энергии.
Устройство диода
Считается что электроны n-стороны стремятся занять дырки с p-стороны. А дырки наоборот стремятся перетечь на n-сторону. Для того чтобы их место заняли электроны. При этом возникает диффузный ток. Другими словами, электроны и дырки хаотично перетекают в противоположные стороны. Соединяются друг с другом. И свободные носители исчезают.
Обедненная область полупроводникового диода
В итоге, посередине диода образуется обедненная область. То есть в этой области нет ни свободных электронов, ни дырок. Или, по крайней мере, их очень мало. Все свободные носители уже заняли свои места. Причем, граница p-стороны имеет слабый отрицательный заряд. А граница n-стороны положительный. Потому как электроны и дырки перенесли свои заряды на противоположную сторону.
В результате изменения знаков зарядов на границе образуется электрическое поле. Это поле вызывает дрейфовый ток. Он протекает в сторону противоположную диффузному. Через некоторое время между двумя противоположными течениями устанавливается равновесие. Дальнейшее перемещение электронов и дырок прекращается. На границе областей образуется потенциальный барьер. На этом узком участке большое удельное сопротивление электрическому току.
Принцип работы диода
Для того чтобы преодолеть этот барьер нужно приложить к нему определенное напряжение. Для кремниевого диода оно составляет примерно 0,7 вольта. При приложении такого напряжения к потенциальному барьеру, равновесие нарушится. И движение электронов и дырок возобновится. Однако, многое зависит от того, как именно подключить контакты источника питания к выводам диода.
Обратное подключение диода
Подключим к диоду источник постоянного тока. То есть к p-стороне подключим минусовой контакт источника тока. А к n-стороне плюсовой контакт этого же источника. Источник питания обязательно подключается через нагрузку. Чтобы не было короткого замыкания.
Считается что частицы с разными зарядами взаимно притягиваются. А с одинаковыми отталкиваются. Потому можно применить нижеуказанные сравнения. Отрицательно заряженные электроны со стороны катода, как-бы притягиваются положительными зарядами источника питания. С другой стороны, со стороны анода, отрицательные заряды источника питания как бы притягивают положительно заряженные дырки. Свободных носителей заряда, в средней зоне диода, остается незначительное количество. В результате, ширина потенциального барьера в данном случае увеличивается. Удельное сопротивление этого узкого участка растет. Этот участок практически превращается в диэлектрик. То есть, протекание тока через него почти невозможно. Это состояние называется обратным смещением диода. Или же обратное включение диода.
Обратное подключение диода
Прямое подключение диода
Подключим источник постоянного тока к противоположным выводам диода. То есть плюс источника тока присоединить к p-стороне диода. Минус источника питания к n-стороне. Ситуация изменится. Предположим, что источник тока имеет напряжение достаточное для того, чтобы преодолеть потенциальный барьер. После этого электроны и дырки будут как бы притягиваться к питающим клеммам источника тока. На противоположные стороны диода. Когда электроны пересекают барьер, то теряют энергию и заменяют дырки в акцепторной области. Дырки напротив перемещаются в донорную область и там замещаются электронами. Свободных носителей много. Обедненной области нет. Потенциальный барьер практически исчезает. Сопротивление пограничного участка становится очень маленьким. Ток повышается. Данное явление называется прямым смещением диода. Или же прямое включение диода.
Прямое подключение диода
Давайте будем изменять входное напряжение и посмотрим как это скажется на диоде. При напряжении обратного подключения через диод будет течь электрический ток небольшой силы. В условиях прямого подключения до 0,7 вольта, мы также будем наблюдать только незначительный электрический ток. Но сразу же после повышения напряжения до значений достаточных для преодоления потенциального барьера мы увидим резкое увеличение тока.
Если приложить к диоду очень высокое напряжение при обратном подключении, то это повредит обычные диоды. При повреждении диоды ведут себя различно. К примеру, они могут начать хорошо проводить ток в обоих направлениях. Или же почти перестают проводить ток в обе стороны. Иногда, при определенных обстоятельствах, поврежденные диоды могут даже самовосстанавливаться .
Диод — анод (плюс) и катод (минус)
Диод — полупроводниковый прибор с односторонней проводимостью. То есть, диод работает как клапан одностороннего действия для электрического тока. Это позволяет использовать диоды разными интересными способами. Например, в выпрямительном мосте, для выпрямления переменного тока. Выпрямительный диодный мост — это устройство из четырех диодов. Диоды располагаются в схеме определенным образом.
Диодный выпрямительный мост — положительный полупериод
С одной стороны к диодному мосту подключается источник переменного тока. С другой стороны к нему подключается нагрузка, требующая питания током постоянным. Как известно, переменный ток частотой 50 Герц 100 раз в секунду меняет свое направление течения. Во время положительного полупериода он течет в одном направлении. И в это время проходимость в цепи будет такой как показано на схеме. Ток будет проходить по двум диодам находящимся в положении прямого смещения. Два других диода будут находиться в состоянии обратного смещения.
Диодный выпрямительный мост — отрицательный полупериод
Во время отрицательного полупериода произойдет обратное. Таким образом мы получим ток такого же направления на выходе. В результате, через нагрузку в любом случае ток будет течь только в одном направлении. То есть мы получим выпрямленный пульсирующи