Полупроводниковый диод

Эксплуатация некоторого электрооборудования невозможна без контроля направления движения электрического тока. В электронике для достижения этой цели эффективно используют полупроводниковый диод. Применение двухполюсника позволяет преобразовывать переменный ток и постоянный в пульсирующий однонаправленный.

Внешний вид полупроводникового диода

Устройство

Полупроводниковый диод – это двухполюсный прибор, изготовленный из полупроводникового вещества, пропускающий ток в одном направлении и практически не пропускающий в другом.

Главный элемент диода – кристаллическая составляющая с p-n переходом, к которой припаивают (приваривают) металлический анод и катод. Прохождение прямого тока осуществляется при подаче на анод положительного, относительно катода, потенциала.

Обратите внимание! В направлении прямого тока происходит движение дырок. Движение электронов осуществляется в противоположном направлении.

Устройство диодов может быть точечным, плоскостным, поликристаллическим.

Устройство точечного и плоскостного п/п прибора

Дополнительная информация. Принципиальных отличий между точечными и плоскостными двухполюсными приборами не существует.

Устройство точечного диода показано на рисунке (а).

При приваривании тонкой иглы, с нанесённой на неё примесью, к пластине из полупроводника, с обусловленным видом электропроводности, происходит образование полусферического мини p-n перехода, с другим типом проводимости. Это действие получило название – формовка диода.

Изготовление плоскостного двухполюсника осуществляется методом сплавления диффузии. На рисунке (б) представлены сплавной германиевый диод, принцип его устройства. В пластине германия n-типа, при вплавлении туда капли индия при 500 градусах, образуется слой германия р-типа. Выводные контакты, припаиваемые к основной пластине германия и индия, изготавливают из никеля.

При производстве полупроводниковых пластин применяются германий, кремний, арсенид галлия и карбид. В качестве основы точечного и плоскостного двухполюсников используют полупроводниковые монокристаллические пластины с правильным по всему объему строением.

В поликристаллических двухполюсниках p-n переход образуется полупроводниковыми слоями, в состав которых входит большое количество беспорядочно ориентированных малых кристаллов, не представляющих единой монокристаллической формы. Это селеновые, титановые и медно-закисные двухполюсники.

Полупроводниковый диод – устройство

Существуют также точечные (высокочастотные) диоды, площадь их p – n перехода меньше 0,1 мм2. Такие диоды изготавливаются с помощью соединения металлической иглы с полупроводником. Применяются точечные диоды в аппаратуре сверхвысоких частот при значении тока 10-20 мА. Основные виды полупроводниковых диодов по функциональному назначению: выпрямительные, стабилитроны, импульсные, светодиоды, фотодиоды и т.д. Выпрямительными называют полупроводниковые диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный.

Будет интересно➡ Диод 1n4007: характеристики, маркировка и datasheets

Такие диоды изготавливают методами сплавки и диффузии, для того чтобы создать большую площадь p-n перехода, так как через них протекают большие токи. Сам процесс выпрямления переменного тока заключается в свойстве диода хорошо проводить ток в одном направлении и практически не проводить его в другом. Ниже изображена схема простейшего однополупериодного выпрямителя. Работает он следующим образом: положительный полупериод напряжения Uвх, диод V пропускает практически без изменения, и напряжение Ur практически равно Uвх. Но в момент времени, когда полупериод напряжения отрицательный, диод включен в обратном направлении и все напряжение Uвх падает на диоде, а напряжение на резисторе практически равно нулю.

Полупроводниковые диоды.

Основные характеристики и параметры диодов

Что такое диод — принцип работы и устройство

Чтобы прибор правильно работал, выбирать его нужно в соответствии с:

• Вольтамперной характеристикой;
• Максимально допустимым постоянным обратным напряжением;
• Максимально допустимым импульсным обратным напряжением;
• Максимально допустимым постоянным прямым током;
• Максимально допустимым импульсным прямым током;
• Номинальным постоянным прямым током;
• Прямым постоянным напряжением при номинальном токе;
• Постоянным обратным током, указываемым при максимально допустимом обратном напряжении;
• Диапазоном рабочих частот;
• Ёмкостью;
• Пробивным напряжением (для защитных диодов и стабилитронов);
• Тепловым сопротивлением корпуса при различных вариантах монтажа;
• Максимально допустимой мощностью рассеивания.

Конструкции и простейшие способы изготовления полупроводниковых диодов

Для получения простейшего точечного диода берут пластинку металла с прикреплённым к ней выводом и к ней приваривают кристалл полупроводника электронного типа проводимости. Этот кристалл называют базой диода. Затем берут металлическую иглу с присоединённым к ней выводом, изготавливаемую, например, из вольфрама, золота, бериллиевой бронзы, на которую нанесён легирующий материал, и её острый кончик упирают в кристалл базы диода так, чтобы игла была подпружинена. В качестве легирующего материала часто используют алюминий и индий. Все части будущего диода помещены в корпус, который, например, может быть маленьким стеклянным баллоном, из которого откачан воздух.

Далее осуществляют формовку, то есть местное нагревание участка между иглой и полупроводниковой пластиной для того, чтобы на небольшой площади их материалы друг в друга диффундировали. Для этого через диод в прямом и обратном направлениях пропускают короткие импульсы с силой тока около 1 А, что во много раз превышает максимальный постоянный ток изготавливаемого точечного диода. Материал акцепторной примеси, который находился на игле, и тот, из которого она состояла, диффундируют на небольшой почти полусферический участок в базу диода, образуя переход. Точечные диоды благодаря небольшой площади электронно-дырочного перехода обычно обладают малой ёмкостью, а, следовательно, могут работать на высокой частоте, не теряя свойства односторонней проводимости. Однако малая площадь перехода не позволяет пропускать через точечный диод большие прямые токи без разрушения компонента.

Полупроводниковый диод.

Для изготовления плоскостного диода берут базу диода электронного типа проводимости и кладут на неё полупроводниковую пластину, которая позже станет играть роль акцепторной примеси. Затем их нагревают примерно до 450 °C … 550 °C в вакууме, отчего материал акцепторной примеси диффундирует в базу будущего диода. Полученный электронно-дырочный переход будет обладать большой площадью и существенной ёмкостью. Основные характеристики полупроводниковых диодов перечислены в таблице ниже.

Таблица основных характеристик полупроводниковых диодов

Благодаря тому, что площадь плоскостного диода велика, через него можно пропускать весьма большой ток в прямом включении, однако наибольшая частота, на которой такой диод может сохранять работоспособность, будет низкой. В заключение нужно отметить, что существуют и многие другие конструкции, а также способы изготовления диодов.

Некоторые основные параметры полупроводниковых диодов

К основным параметрам диодов относят:

• максимально допустимый постоянный прямой ток, А;
• максимально допустимый импульсный прямой ток, А;
• максимально допустимое постоянное обратное напряжение, В;
• максимально допустимое импульсное обратное напряжение, В;
• обратный ток, протекающий через диод в обратном включении при приложенном к его выводам максимально допустимом постоянном напряжении, мкА;
• статическое сопротивление диода в прямом включении, равное отношению падения напряжения на диоде в прямом включении к силе прямого тока, Ом;
• статическое сопротивление диода в обратном включении, равное отношению величины обратного напряжения к силе обратного тока, МОм;
• динамическое сопротивление диода в прямом включении, составляющее отношение изменения падающего не диоде постоянного напряжения в прямом включении к величине изменения силы прямого тока, Ом;
• динамическое сопротивление диода в обратном включении, равное отношению изменения обратного напряжения к изменению величины обратного тока, Ом;
• полная ёмкость запертого диода, пФ;
• максимально допустимая частота протекающего по диоду переменного тока, Гц, и др.

Будет интересно➡ Что такое симистор (триак)

применяют для поддержания на неизменном уровне обратного постоянного напряжения, приложенного к запертому стабилитрону. При изучении пробоев электронно-дырочных переходов было отмечено, что при зенеровском и лавинном пробоях падающие на диодах обратные напряжения почти постоянны в широких диапазонах обратных токов. Зенеровский пробой присущ стабилитронам с низким напряжением пробоя, а лавинный пробой – стабилитронам с высоким напряжением пробоя. Так как во время указанных пробоев в электронно-дырочных переходах выделяется тепло, которое увеличивает температуру кристаллов, применяют полупроводники, обладающие высокой температурной стабильностью, при использовании которых обратный ток будет мал. С другой стороны, указанные пробои возникают при довольно низких обратных напряжениях, ввиду чего рассеиваемая мощность полупроводниковых стабилитронов не велика.

Стабилитроны изготавливают из кремния электронного типа проводимости, который легируют акцепторной примесью. Для этого в пластинку кремния обычно вплавляют алюминий, к материалам областей электронно-дырочного перехода подсоединяют выводы, всю систему помещают в корпус, который герметизируют. Корпуса стабилитронов обычно стеклянные, металлостеклянные или металлопластиковые.

Важным параметром стабилитронов выступает температурный коэффициент напряжения (ТКН) стабилизации, который отражён следующей формулой:

ТКН = (ΔUст / (ΔT • Uст)) • 100, %/град,

где ΔUст – наибольшее изменение напряжения стабилизации, В;

ΔT – наибольшее изменение температуры, град;

Uст – номинальное напряжение стабилизации при номинальном обратном токе, В.

Материал по теме: Как проверить варистор мультиметром.

Стабилитронам с лавинным пробоем характерно обладание положительным ТКН, т.е. при фиксированном обратном токе с ростом температуры полупроводникового кристалла обратное напряжение возрастает. Стабилитронам с зенеровским пробоем свойственно наличие отрицательного ТКН, т.е. при стабильном обратном токе с ростом температуры кристалла полупроводника обратное напряжение уменьшается.

Вольтамперная характеристика стабилитрона в области прямого включения не имеет отличий от других диодов, а в области обратного включения лежит участок, на котором при значительном изменении обратного тока практически постоянно обратное напряжение. Это отражено на рис. 3.3, на котором изображена вольтамперная характеристика типового стабилитрона.

Классификация диодов

Диод 1n5819: характеристики

Промышленность выпускает большое разнообразие полупроводниковых вентилей, которые могут применяться во многих отраслях хозяйствования.

Классифицировать эти устройства можно по общим признакам:

1. По материалу полупроводника, из которого они изготавливаются (кремний, германий, арсенид галлия);
2. По физическим процессам, совершающим работу (в туннельных, в фотодиодах, в светодиодах);
3. По предназначению (стабилитрон, выпрямительный, импульсный, варикап и др.);
4. По технике изготовления электрического перехода (сплавной, диффузный и др.);
5. По виду (типу) электрического перехода (точечный, плоскостной).

Классификация полупроводниковых двухполюсников

Дополнительная информация. В основном используются классификации по типу электрического перехода и по назначению диода.

Типы диодов по назначению

По функциональному назначению различают диоды:

• Выпрямительный (для преобразования переменного тока в постоянный);
• Импульсный (применяют в импульсных режимах);
• Шотки (для преобразования и обработки сверхвысокочастотных сигналов при частоте более 300 МГц);
• Детекторный СВЧ (для детектирования сверхвысокочастотных сигналов);
• Переключающий СВЧ (для управления в устройствах уровнем СВЧ мощности);
• Стабилитрон (для стабилизации напряжения);
• TVS (для подавления импульсных электрических перенапряжений, превышающих напряжение лавинного пробоя прибора);
• Стабистор (для стабилизации напряжения);
• Стабилитрон с напряжением, равняющимся ширине запрещенной зоны;
• Лавинно-пролетный (ЛПД) (для генерации сверхвысокочастотных колебаний);
• Туннельный (для генерирования колебаний);
• Обращенный (проводимость которого при обратном напряжении больше, чем при прямом);
• Варикап (применяют как элемент с управляемой электричеством ёмкостью);
• Фотодиод (для нагнетания под воздействием света заряженных неосновных носителей в базу);
• Светодиод (для излучения основных носителей заряда под воздействием электрического тока).

Типы диодов по частотному диапазону

Классификация диодов осуществляется по рабочей частоте. Двухполюсники могут быть:

1. Низкочастотными, с частотой меньше 1000 Гц;
2. Высокочастотными, с частотой больше 1000 Гц;
3. Импульсными, используемыми в цепи, где требуется высокая скорость срабатывания.

Диоды с выпрямляющим переходом металл-полупроводник отличаются меньшим, чем у двухполюсников с p-n переходом, напряжением пробоя и более высокими частотными характеристиками (Шоттки). Маломощные высокочастотные и импульсные диоды (вентили) работают на высоких частотах или в быстродействующей импульсной схеме.

Типы диодов по размеру перехода

По размеру перехода диоды делятся на:

1. плоскостные,
2. точечные.

Классификация по размеру перехода и условные обозначения

В точечных приборах применяются пластины германия или кремния с электропроводностью n-типа, толщиной 0,1 …0,6 мм и площадью 0,5 … 1,5 кв. мм. В плоскостных устройствах образование р-n перехода происходит между двумя полупроводниками с различными типами электропроводности.

Обратите внимание! Площадь перехода у разных двухполюсников находится в пределах от сотых долей квадратного миллиметра до десятков квадратных сантиметров (в силовых диодах).

Типы диодов по конструкции

По конструкции корпуса п/п диоды могут быть в штыревом, таблеточном, с корпусом под запрессовку, модульном исполнении. Штыревой корпус состоит из мощной основы со штырем и герметично закрывающейся крышки. В образовавшуюся непроницаемую полость помещают структуру полупроводника.

Обратите внимание! Различают двухполюсники прямой полярности, когда анод находится на основании, и обратной полярности, когда катод – на основании.

Штыревая конструкция с гибким (а) и с жестким выводом (б)

Корпусы фланцевой конструкции отличаются от штыревой конструкции отсутствием штыря и внешней формой основания в виде фланца. Особенности штыревой и фланцевой конструкций диодов способствуют процессу одностороннего охлаждения их структуры. Применяют эти двухполюсники для токов 320-500 А.

Таблеточный корпус приспособлен для присоединения отводов тепла и проводников тока к основанию посредством прижимного устройства. Такая конструкция позволяет осуществлять односторонний и двухсторонний тепловой отвод от структуры прибора. Используется на токах 250 А и выше.

Конструкция корпуса под запрессовку с гибким (а) и жестким (б) выводами

Корпус диода под запрессовку состоит из пустотелого цилиндра с рифлёной поверхностью и дна – основания, на котором расположена структура полупроводника. Закрытие второго торца цилиндра осуществляется проходным изолятором с гибким или жестким выводом.

Двухполюсники в корпусах под запрессовку производятся в прямой полярности, когда анод находится на основании, и в обратной полярности, когда катод находится на основании. Корпус под запрессовку предусматривает одностороннее охлаждение полупроводника, используется на ток до 25 А.

Модульные конструкции полупроводниковых двухполюсников состоят из основания с изолирующей теплопроводной прокладкой, на которой расположена одна или несколько п/п структур, и защитного корпуса с электрическими выводами. Основание устройства, обеспечивающее отвод тепла, выпускается электрически изолированным от выводов полупроводниковых структур, включенных в состав модуля. Модульные конструкции изготавливают в разных комбинациях полупроводников на токи до 160 А.

Другие типы

Селеновые выпрямители, уступающие устройствам из кремния и германия по многим показателям, обладают уникальными возможностями самовосстановления при пробое. В месте выгорания селена не происходит короткого замыкания.

Дополнительная информация. Радиационная стойкость селеновых вентилей намного выше, чем у других выпрямителей.

Медно-закисные выпрямители характеризуются низким обратным напряжением, низкой рабочей температурой, малым отношением прямого и обратного сопротивления.

Обратите внимание! В настоящее время эти вентили больше не применяются, так как на рынке появились более совершенные выпрямительные полупроводниковые приборы.

Использование

Полупроводниковый диод, двухэлектродный электронный прибор на основе полупроводникового (ПП) кристалла. Понятие «П. д.» объединяет различные приборы с разными принципами действия, имеющие разнообразное назначение. Система классификации П. д. соответствует общей системе классификации полупроводниковых приборов. В наиболее распространённом классе электропреобразовательных П. д. различают: выпрямительные диоды, импульсные диоды, стабилитроны, диоды СВЧ (в т. ч. видеодетекторы, смесительные, параметрические, усилительные и генераторные, умножительные, переключательные). Среди оптоэлектронных П. д. выделяют фотодиоды, светоизлучающие диоды и ПП квантовые генераторы.

Наиболее многочисленны П. д., действие которых основано на использовании свойств электронно-дырочного перехода (р—n-перехода). Если к р—n-переходу диода (рис. 1) приложить напряжение в прямом направлении (т. н. прямое смещение), т. е. подать на его р-область положительный потенциал, то потенциальный барьер, соответствующий переходу, понижается и начинается интенсивная инжекция дырок из р-области в n-область и электронов из n-области в р-область — течёт большой прямой ток (рис. 2). Если приложить напряжение в обратном направлении (обратное смещение), то потенциальный барьер повышается и через р—n-переход протекает лишь очень малый ток неосновных носителей заряда (обратный ток). На рис. 3 приведена эквивалентная схема такого П. д.

На резкой несимметричности вольтамперной характеристики (ВАХ) основана работа выпрямительных (силовых) диодов. Для выпрямительных устройств и др. сильноточных электрических цепей выпускаются выпрямительные П. д., имеющие допустимый выпрямленный ток Iв до 300 а и максимальное допустимое обратное напряжение U*обр от 20—30 в до 1—2 кв. П. д. аналогичного применения для слаботочных цепей имеют Iв < 0,1 а и называются универсальными.

При напряжениях, превышающих U*o6p, ток резко возрастает, и возникает необратимый (тепловой) пробой р—n-перехода, приводящий к выходу П. д. из строя. С целью повышения U*обр до нескольких десятков кв используют выпрямительные столбы, в которых несколько одинаковых выпрямительных П. д. соединены последовательно и смонтированы в общем пластмассовом корпусе. Инерционность выпрямительных диодов, обусловленная тем, что время жизни инжектированных дырок составляет > 10-5—10-4 сек, ограничивает частотный предел их применения (обычно областью частот 50—2000 гц). Использование специальных технологических приёмов (главным образом легирование германия и кремния золотом) позволило снизить время переключения до 10-7—10-10 сек и создать быстродействующие импульсные П. д., используемые, наряду с диодными матрицами, главным образом в слаботочных сигнальных цепях ЭВМ.

Будет интересно➡ Что такое светодиод

Маркировка диодов

Диод 1n4007

Система обозначений полупроводниковых диодов включает в себя код, состоящий из букв и цифр.

Маркировка приборов

Первая составляющая маркировки может быть представлена в виде цифры для приборов специального назначения или в виде буквы для приборов широкого применения.

Если в обозначении материала используется:

• Г или 1, то это германий и соединения германия;
• К или 2, это кремний и соединения кремния;
• А или 3 – арсенид галлия;
• И или 4 – фосфид индия.

Для обозначения второй цифры в маркировке используют:

• Д – в выпрямительных, импульсных;
• Ц – в выпрямительных столбах и мостах;
• В – в обозначениях варикапов;
• И – в туннельных;
• А – в СВЧ;
• С – в стабилитронах и стабисторах;
• Г– в генераторах шума;
• Л – в излучающих светодиодах.

Третий элемент характеризует основные признаки устройства, зависит от его подкласса. Например, 2Д204В – это диод кремниевый выпрямительный с постоянной и средней токовой величиной 0,3-10 А, номером разработки 04, группой В.

Конструкция диода

Одна из возможных конструкций диода показана ниже:

Рассмотрим одну из возможных конструкций прибора. Кристалл полупроводника 1 (например, с электронной проводимостью) размещен на металлической основе 3. На верхней части кристалла размещена примесь 2 (например индий), который обеспечивает наличие дырочной проводимости. Кристалл закрыт корпусом 4 во избежание различных механических повреждений p-n перехода.

С индиевой наплавки сделан изолированный вывод через стеклянный изолятор 5 – это анод прибора. Выводом же катода будет металлический корпус 3, которая также обеспечивает отвод тепла при работе устройства, чем защищает его от теплового пробоя и перегрева.

В свою очередь полупроводниковые элементы делят на:

• Малая мощность – ток до 0,3 А;
• Средняя – от 0,3 до 10 А;
• Мощные – от 10 А;

Преимущества непосредственного включения в схему

Включение полупроводниковых приборов непосредственно в схему даёт гарантированные плюсы:

1. Высококачественную обработку сигналов;
2. Полную взаимозаменяемость устройств;
3. Миниатюрность и долговечность использования;
4. Удобство при монтаже и замене;
5. Доступность приобретения и дешевизну цен.

Дополнительная информация. Можно подобрать не только отечественный, но и зарубежный аналог полупроводникового прибора.

Преимущества

Полупроводниковые диоды в случае их непосредственного включения в схему обеспечивают следующие преимущества:

• Абсолютная взаимозаменяемость различных образцов;
• Высокое качество обработки сигналов;
• Миниатюрность и долговечность;
• Удобство монтажа и замены;
• Доступность и дешевизна.

Все перечисленные достоинства превратили эти полупроводниковые детали в одни из самых ходовых и востребованных элементов, используемых при проектировании большинства образцов современной радиоаппаратуры. Удобство работы с ними также проявляется в лёгкости подбора подходящего аналога (отечественного или зарубежного).

Вольтамперные характеристики (идеальная и реальная)

ВА характеристика приводится в виде взаимосвязи тока внешней цепи p-n перехода прибора и полярности напряжения на его электродах. Это соотношение можно получить экспериментально или рассчитать на основании уравнения вольтамперной характеристики.

Идеальная характеристика

Основной задачей выпрямительного диода является проведение электрического тока в одном направлении и непропускание его в обратном. Поэтому при прямой подаче напряжения (плюс подаётся на анод, а минус – на катод) идеальный прибор должен быть отличным проводником, с сопротивлением, равным нулю. При противоположном подключении, наоборот, должен иметь огромное сопротивление, став полным изолятором.

ВАХ идеального прибора

Дополнительная информация. На практике идеальная модель применяется в цифровой электронике, потому что в этой сфере имеет значение только логическая функция устройства.

Реальная ВАХ

Реальный диод, благодаря структуре полупроводника, имеет множество минусов, в сравнении с идеальным двухполюсником.

ВАХ реального прибора

Параметры промышленных п/п элементов значительно разнятся с теми, которые для удобства принимаются за идеальные. В реальности, нелинейная ВАХ показывает большие отклонения и по значениям тока, и по крутизне преобразования. Поэтому прибор может выдержать лишь нагрузки, представленные этими предельными показателями:

• Максимальным прямым выпрямленным током;
• Током обратной утечки;
• Максимальным прямым и обратным напряжением;
• Падением потенциала на p-n переходе;
• Предельной рабочей частотой обрабатываемого сигнала.

Вольтамперная характеристика для диодных элементов – важный параметр, по которому можно определить, как будет работать прибор в электрической схеме.

Важно! Прежде, чем использовать двухполюсник по назначению, нужно изучить ВАХ этого устройства.

Распространенные неисправности

Порой полупроводниковые приборы перестают функционировать, что объясняется естественной амортизацией или завершением установленного эксплуатационного срока. Существуют и другие типы неисправностей, к которым следует отнести:

1. Пробой перехода. При таком явлении полупроводник становится обычным проводником, который не имеет установленных свойств и не удерживает электрический ток в установленном направлении. Решить проблему можно с помощью стандартного мультиметра, подающего звуковой сигнал и определяющего уровень сопротивления.
2. Обрыв перехода. Представляет собой обратный процесс, в результате которого прибор превращается в изолятор. Электрический ток в таком случае пропускается только в одном направлении. Чтобы определить место обрыва, необходимо задействовать тестер с работающими щупами. Если эти элементы недостаточно качественные, то провести точную и правильную диагностику не удастся.
3. Нарушение герметичности. Любая утечка является серьезной угрозой для нормальной работы полупроводниковых приборов.

Видео

Кофе капсульный Nescafe Dolce Gusto Капучино, 3 упаковки по 16 капсул

1305 ₽ Подробнее

Кофе в капсулах Nescafe Dolce Gusto Cappuccino, 8 порций (16 капсул)

435 ₽ Подробнее

Датчики разбития стекла