Физика. 10 класс
§ 37-1. Электронно-дырочный переход. Полупроводниковый диод
Полупроводниковый диод. Свойство односторонней проводимости n–p-перехода используют в полупроводниковых приборах, называемых диодами. Для получения n–p-перехода берут, например, кристалл германия с донорной примесью. Такой кристалл обладает электронной проводимостью (или проводимостью n-типа ). Если в одну из поверхностей кристалла германия вплавить индий, то вследствие диффузии атомов индия в поверхностном слое германия образуется область с проводимостью p-типа . Та часть кристалла, в которую атомы индия не проникли, по-прежнему имеет проводимость n-типа . Между двумя областями с проводимостями разных типов возникает n–p-переход ( рис. 227.3 , а). В полупроводниковом диоде германий служит катодом, а индий — анодом. Схематическое обозначение диода представлено на рисунке 227.3, б.
Для защиты от внешних воздействий кристалл германия помещают в герметичный металлический или стеклянный корпус ( рис. 227.3 , в).
У полупроводниковых диодов высокий коэффициент полезного действия, они долговечны и миниатюрны по размерам. К недостаткам полупроводниковых диодов относится то, что они могут работать в ограниченном интервале температур (от ‒70 ºС до 125 ºС ).
Полупроводниковые диоды являются основными элементами выпрямителей переменного тока и детекторов электромагнитных сигналов. С помощью полупроводниковых диодов можно осуществить непосредственное превращение энергии электромагнитного излучения в электрическую энергию. Такие диоды называют фотодиодами (см. рис. 224 ).
Если к выходам фотодиода подключить, например, резистор, то в электрической цепи проходит электрический ток, возникающий в результате диффузии через n–p-переход неосновных носителей электрического заряда, которые образуются под действием излучения, падающего на фотодиод. Причём сила электрического тока, проходящего через фотодиод, линейно зависит от интенсивности падающего на него света. В данном режиме фотодиод работает как источник тока (солнечная батарея). Если фотодиод включён в обратном направлении, то он работает как фоторезистор и его можно использовать для управления током в электрической цепи. Фотодиоды применяют в измерительной технике, системах автоматики.
Светоизлучающий диод (светодиод) — это полупроводниковый прибор, преобразующий электрическую энергию непосредственно в световое излучение. Он представляет собой миниатюрный полупроводниковый диод, помещённый в прозрачный корпус (см. рис. 225 ). Используя светодиоды, изготавливают, например, светодиодные светильники (см. рис. 226 ).
1. Объясните, как образуется n–p-переход .
2. Можно ли получить n–p-переход вплавлением олова в германий? Почему?
3. Определите тип проводимости полупроводников I и II ( рис. 227.4 ), если диод включён в обратном (запирающем) направлении.
4. На рисунках 227.5, а и б изображены n–p-переходы двух диодов и направления движения основных носителей электрических зарядов. Определите, через какой из диодов проходит электрический ток. Почему?
зачем нужны полупроводниковые диоды
Полупроводниковые диоды используются для самых разных целей, все отвечавшие правы. Основные применения:
1. Выпрямление переменного (или импульсного) тока и получение в результате постоянного. Для этого используются СИЛОВЫЕ и ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ диоды (а также МОСТЫ, СТОЛБЫ, и БЛОКИ — нескольо диодов в одном корпусе) в сочетании с конденсаторными фильтрами. Используется то, что ток через них проходит практически только в одном направлении
2. Детектирование амплитудно-модулрованных или импульсных сигналов. Фактически это тоже выпрямление переменного радиочастотного или импульсного тока. В зависимости от частоты и того импульсный сигнал или синусоидальный используются ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ, ИМПУЛЬСНЫЕ, или ДЕТЕКТОРНЫЕ диоды. Используется то же свойство, что и в п. 1
3. Смешивание или перемножение сигналов, в частности детектирование частотно- и фазомодулировнных сигналов. Используется то, что диоды имеют НЕЛИНЕЙНУЮ вольт-амперную характеристику. Это СМЕСИТЕЛЬНЫЕ диоды.
4. Фиксация определённого уровня сигнала. Специальных диодов для этого почти нет, иногда выпускаются т. н. СТАБИСТОРЫ. Используется сособость проводить в одном направлении, так, чтобы сравнивать два напряжения — которое больше. Исользуется также наличия у p-n-перехода температурного потенциала.
5. Логическая операция «И» в цифровой электронике. Используется комбинация п. 1 и 4.
6. Переключающие диоды — для переключения высокочастотных сигналов.
Диоды для этих применений неспецифичны и можно использовать один тип вместо другого. Разве только силовые диоды обычно слишеом низкочастотны (имеют большую паразитную ёмкость) для других применений, а остальные перечисленные не выдрживают сколько-нибудь большой ток для силовых применений.
Кроме того существуют специальные диоды, относящиеся к этому классу, но имеющие свои имена:
Стабилитроны (для получения стабильного напряжения, используется пробой p-n перехода) . Лавинные (для генерации, используется ЛАВИННЫЙ пробой) . Светодиоды (LED) — как источники света (используется фоторекомбиация носителей) . Фотодиоды — для обнаружения и регистрации света, как видимого, так и ИК и УФ. Туннельные диоды (для усиления и генерации — используется N-образная харатеристика, падающий участок. Генераторные СВЧ-диоды Гана (вообще очень специфическое устройство) .
Кроме того формально (два вывода) к диодам относят иногда ДИНИСТОРЫ, но это неправильно, поскольку это не просто прибор с p-n-переходом а сложная 4-х или 5-и слойная структура.
Остальные ответы
чтобы переменный ток преобразовать в постоянный, в частности их используют для выпрямителей которые входят в конструкции сетевого адаптера (например зарядного устройства для мобильника)
Они нужны за тем, чтобы переменный ток преобразовывать в постоянный.
А ты где учишся и на какого?
их для много чего используют суть в том что диоды пропускают ток только в одном направлении ( при приложении прямого напряжения)
дополню остапа- простейшие детекторные приёмники. А для получения постоянного тока одного диода явно мало и даже мостовая схема из четырёх диодов даст ДВУХПОЛУПЕРИОДНЫЙ ВЫПРЯМЛЕННЫЙ ток но ни как не постоянный
Полупроводниковый диод
Полупроводнико́вый дио́д, двухэлектродный электронный прибор, изготовленный на основе полупроводникового кристалла ; разновидность полупроводникового прибора . Понятие «полупроводниковый диод» объединяет приборы с различными принципами действия, имеющие разнообразное назначение. Действие полупроводникового диода обусловлено свойствами либо электронно-дырочного перехода, либо контакта металл – полупроводник ( диоды Шоттки ), либо объёмным эффектом доменной неустойчивости однородного полупроводника (диоды с междолинным переходом электронов ).
Полупроводниковые диоды, работа которых основана на использовании р–n-перехода , получили наибольшее распространение. Если к p–n-переходу диода приложить напряжение в прямом направлении, когда положительный полюс источника питания соединяется с областью р-типа, а отрицательный – с областью n-типа, то потенциальный барьер перехода понижается и через диод протекает большой прямой ток. При подаче напряжения обратной полярности потенциальный барьер повышается и через p–n-переход протекает лишь очень малый ток неосновных носителей заряда (обратный ток). Вольт-амперная характеристика полупроводниковой структуры с p–n-переходом является несимметричной. На этом свойстве основана работа выпрямительных полупроводниковых диодов, предназначенных для преобразования переменного тока (с частотой, как правило, до 5 кГц) в постоянный ток . Частотный предел выпрямительного полупроводникового диода ограничен инерционностью, определяемой временем жизни неосновных носителей заряда. Для выпрямительных устройств и других сильноточных электрических цепей выпускают выпрямительные полупроводниковые диоды, имеющие допустимый выпрямленный ток до 300 А и максимальное допустимое обратное напряжение Uобр до нескольких киловольт. Для повышения Uобр до нескольких десятков киловольт используют выпрямительные столбы.
Легирование полупроводников примесями (в основном золотом ) позволило существенно уменьшить время жизни носителей заряда и создать быстродействующие импульсные полупроводниковые диоды (со временем переключения 10 –7 –10 –10 с), предназначенные главным образом для работы в режиме переключения электрических цепей.
При определённых обратных (т. н. пробивных) напряжениях в p–n-переходе возникает электрический пробой , приводящий к резкому возрастанию тока при практически неизменном напряжении на полупроводниковом диоде. На этом эффекте основана работа полупроводниковых стабилитронов , применяемых главным образом в стабилизаторах и ограничителях постоянного и импульсного напряжения, в качестве источника опорного напряжения и в потенциометрических устройствах.
Инерционность развития лавинного пробоя в p–n-переходе обусловливает возникновение отрицательного дифференциального сопротивления в диапазоне СВЧ, связанного со сдвигом фаз между током и напряжением в диоде. Этот принцип лежит в основе работы лавинно-пролётных диодов , применяемых для генерации СВЧ-колебаний, частотный предел которых достигает 150 ГГц. Лавинный пробой p–n-перехода сопровождается значительными флуктуациями , приводящими к большой величине шума, что используется в шумовых диодах.
Полупроводниковый переход при подаче обратного напряжения (не превышающего Uобр) ведёт себя как конденсатор, ёмкость СБ которого зависит от приложенного напряжения. Это свойство используют в варикапах , применяемых для электронной перестройки резонансных частот колебательных контуров , в параметрических СВЧ-диодах, служащих для усиления амплитуды сигнала, в умножительных СВЧ-диодах – для умножения частоты сигнала. Полупроводниковые СВЧ-диоды, служащие для детектирования и преобразования электрических сигналов в СВЧ-диапазоне (детекторные СВЧ-диоды, смесительные СВЧ-диоды и др.), обычно монтируют непосредственно в волноводных системах, что предъявляет определённые требования к конструктивному оформлению таких диодов, а также к выбору структуры и геометрии полупроводникового кристалла. В большинстве случаев они представляют собой точечные диоды с выпрямляющим контактом металл – полупроводник. Уменьшение площади p–n-перехода и использование структуры с барьером Шоттки обеспечивают малое значение ёмкости СБ таких полупроводниковых диодов. Для получения низкого сопротивления базы rб (основной источник активных потерь) обычно на исходную полупроводниковую пластинку с малым удельным сопротивлением (подложку) наносят тонкий слой высокоомного полупроводника методом эпитаксиального наращивания. Для управления уровнем мощности в линиях передачи СВЧ применяются переключательные СВЧ-диоды, работа которых основана на резком изменении их электрического сопротивления при изменении полярности подводимого напряжения, а также ограничительные диоды .
К полупроводниковым СВЧ-диодам относят также туннельные диоды и обращённые диоды , действие которых основано на туннельном эффекте , возникающем в p–n-переходе шириной не более 10 –2 мкм. Практическая безынерционность этих приборов в диапазоне СВЧ обеспечивает успешную работу туннельных диодов в быстродействующих импульсных устройствах ( мультивибраторах , триггерах и др.), в усилителях и генераторах электрических колебаний, а обращённых диодов – в качестве детекторов и смесителей СВЧ-сигнала.
Особую группу полупроводниковых диодов (не содержащих p–n-перехода) составляют диоды с междолинным переходом электронов ( диоды Ганна ), в которых благодаря особенностям зонной структуры определённого класса полупроводников (главным образом GaAs, InP) в сильном электрическом поле возникает отрицательная дифференциальная проводимость. Диоды Ганна используются для усиления и генерации СВЧ-колебаний с частотой до 100 ГГц.
Свойство фотонов и ядерных частиц образовывать электронно-дырочные пары и увеличивать тем самым обратный ток p–n-перехода при поглощении излучения в активной области полупроводникового кристалла, непосредственно примыкающей к переходу, положено в основу фотодиодов и полупроводниковых детекторов ядерных излучений. Оптимальной для данного типа диодов является p–i–n-структура, характеристики которой во многом сходны с характеристиками p–n-перехода. Излучательная рекомбинация электронов и дырок в условиях протекания через p–n-переход прямого тока, характерная для некоторых полупроводниковых структур, используется в излучающих диодах и полупроводниковых лазерах , которые также могут быть отнесены к полупроводниковым диодам. Спектр излучения определяется шириной запрещённой зоны полупроводника, а кроме того, легирующими примесями, образующими излучательные центры рекомбинации.
К полупроводниковым диодам относят также неуправляемую четырёхслойную p–n–p–n-структуру; такие приборы называются динисторами.
Для изготовления полупроводниковых диодов широко применяют планарную технологию , при этом получили распространение различные технологические методы (сплавление, диффузия , эпитаксиальное наращивание и др.). В качестве полупроводниковых материалов используют главным образом кремний и германий , полупроводники группы А Ⅲ –В Ⅴ (например, GaAs, GaP, InP) и их твёрдые растворы‚ в качестве контактных материалов – золото, алюминий , олово , никель , медь . Для защиты полупроводникового кристалла полупроводниковый диод обычно помещают в металлостеклянный, металлокерамический‚ стеклянный или пластмассовый корпус.
С развитием полупроводниковой электроники совершился переход к производству (наряду с дискретными полупроводниковыми диодами) диодных структур в полупроводниковых монолитных интегральных схемах и функциональных устройствах.
От своих электровакуумных аналогов (например, кенотрона , газоразрядного стабилитрона) полупроводниковые диоды отличаются, как правило, значительно большей надёжностью и долговечностью , меньшими габаритными размерами и массой, лучшими техническими характеристиками, меньшей стоимостью и поэтому вытесняют их в большинстве областей. Полупроводниковые диоды применяются в радиоэлектронике, электротехнике , вычислительной технике и автоматике ; используются в устройствах передачи и отображения информации и др.
Аладинский Владимир Константинович . Первая публикация: Электроника: энциклопедический словарь, 1991.
Опубликовано 23 ноября 2023 г. в 10:54 (GMT+3). Последнее обновление 23 ноября 2023 г. в 10:54 (GMT+3). Связаться с редакцией
Как работают полупроводниковые диоды? Для чего они нужны?
Диод был изобретен американским ученым Джоном Амброзом Флемингом в 1904 году.
Флеминг работал в Лаборатории Кавендиша в Кембридже (Великобритания) и исследовал электронные лампы.
В процессе своих исследований Флеминг обнаружил, что если в вакуумную лампу вставить металлический провод и нагреть его, то с одной стороны провода начинают вырываться электроны, которые движутся к другой стороне провода и создают ток.
Однако, когда Флеминг попытался вставить второй провод в лампу, он заметил, что электроны не проходят через лампу в обратном направлении. Это и стало основой для изобретения диода.
Таким образом, Флеминг считается изобретателем диода. Его изобретение стало важным прорывом в электронике и с тех пор диоды были широко применены во многих электронных устройствах и системах.
Общая информация
Диод — это полупроводниковый прибор, который позволяет пропускать электрический ток только в одном направлении. Он состоит из двух областей полупроводников, которые обычно называют p-типом и n-типом.
Устройство диода
P-тип представляет собой полупроводник, в котором большинство свободных носителей заряда — дырки, а n-тип — полупроводник, в котором большинство свободных носителей заряда — электроны.
Когда p-тип и n-тип соединяются, образуется область перехода. В этой области электроны из n-типа перемещаются в p-тип, заполняя дырки, а дырки из p-типа перемещаются в n-тип, заполняя свободные места для электронов. Таким образом, область перехода становится заряженной.
Когда к диоду приложено напряжение в направлении прямого включения (когда анод подключен к p-типу, а катод — к n-типу), электроны из n-типа смогут двигаться по направлению к аноду, заполняя дырки в p-типе, что позволяет току свободно протекать через диод.
Когда к диоду приложено напряжение в направлении обратного включения (когда анод подключен к n-типу, а катод — к p-типу), заряды в области перехода будут отталкиваться друг от друга, и электроны не смогут пройти через диод. В этом случае диод будет выступать в качестве открытого выключателя.
Таким образом, диод работает на основе свойств области перехода между p-типом и n-типом полупроводников, которые позволяют пропускать электрический ток только в одном направлении.
Разновидности
Существует множество типов диодов, каждый из которых имеет свои особенности и применения. Некоторые из наиболее распространенных типов диодов включают в себя:
- Кремниевые диоды (Si) — самые распространенные диоды, которые широко используются во всех областях электроники. Они имеют высокую надежность, низкую цену и могут работать при высоких температурах.
- Германиевые диоды (Ge) — диоды, которые имеют меньшее напряжение переноса и могут работать при более высоких температурах, чем кремниевые диоды. Они редко используются в современных устройствах, но все еще могут быть полезны в некоторых специализированных приложениях.
- Шотки-диоды — диоды, которые используются для быстрого выпрямления высокочастотных сигналов, таких как радиоволны. Они имеют более низкое напряжение переноса, чем обычные диоды, и могут работать на очень высоких частотах.
- Сверхбыстродействующие диоды (SBD) — диоды, которые могут переключаться очень быстро и могут использоваться в высокочастотных устройствах, таких как телекоммуникационные приложения.
- Диоды Шоттки с барьером Шоттки (SBDs) — это диоды, которые используются в высокочастотных устройствах и имеют более высокую эффективность и скорость, чем стандартные диоды.
- Светодиоды (LED) — диоды, которые используются для преобразования электрической энергии в световую энергию. Они находят широкое применение в освещении, индикации и дисплеях.
- Ценовые диоды — диоды, которые используются для создания эффектов затемнения в освещении и управления температурой светодиодов.
- Диоды Шоттки для выпрямления высокотоковых схем — это диоды, которые используются для выпрямления высокотоковых схем и имеют более высокое
Схематичное обозначение полупроводникового диода
На схемах диод обычно обозначается символом, который состоит из трех частей: линии, указывающей на анод диода, линии, указывающей на катод диода и треугольника, который указывает на направление протекания тока в прямом направлении.
Вот как выглядит символ диода на электрической схеме:
Линия, указывающая на анод, обычно более длинная, чем линия, указывающая на катод. Это помогает запомнить, какой конец диода является анодом, а какой — катодом.
Треугольник на символе диода указывает на направление протекания тока в прямом направлении — от анода к катоду. Когда диод пропускает ток в прямом направлении, он обычно называется «прямым диодом».
Сфера применения
Диоды используются во многих различных схемах и устройствах, благодаря их свойству пропускать электрический ток только в одном направлении. Вот несколько примеров:
- Блок питания: диоды используются в блоках питания для преобразования переменного тока в постоянный ток. В этом случае диоды используются в сочетании с другими компонентами, такими как конденсаторы и трансформаторы.
- Выпрямитель: диоды используются в схемах выпрямления для преобразования переменного тока в постоянный ток. В этом случае диоды могут использоваться в одиночном или многократном выпрямителе.
- Световые приборы: диоды используются в светодиодных лампах, светодиодных дисплеях и других световых приборах.
- Электроника: диоды используются во многих различных электронных устройствах, включая радиоприемники, телевизоры, компьютеры, телефоны и т.д. Они могут использоваться, например, в качестве детекторов сигналов, стабилизаторов напряжения, защиты от обратной полярности, а также в других цепях и устройствах.
- Солнечные батареи: диоды используются в солнечных батареях для защиты от обратной полярности и предотвращения разрядки батареи при недостаточном освещении.
Это только некоторые примеры того, где применяются диоды. Фактически, диоды широко используются в различных электронных и электротехнических устройствах, где необходимо контролировать направление потока электрического тока.
Преимущества и недостатки
У диодов есть свои преимущества и недостатки.
Преимущества диодов
- Одним из основных преимуществ диодов является их способность пропускать электрический ток только в одном направлении, что делает их полезными для выпрямления и стабилизации напряжения в различных устройствах.
- Диоды могут иметь малый размер и вес, что делает их удобными для использования в многих устройствах, включая мобильные устройства и электронные часы.
- Диоды могут работать на высоких частотах, что делает их полезными для обработки сигналов в радиосвязи и других устройствах.
- Диоды имеют низкое потребление энергии, что делает их полезными для батарейных устройств.
Недостатки диодов
- У диодов есть напряжение переноса, при котором они начинают пропускать ток в обратном направлении, что может привести к повреждению устройства. Это делает необходимым использование дополнительных компонентов для защиты от обратной полярности.
- Диоды могут иметь высокое тепловыделение, особенно в больших токах, что может привести к перегреву и повреждению устройства.
- Диоды могут иметь шумовые характеристики, что может привести к искажениям сигналов в высокочастотных устройствах.
Таким образом, диоды имеют множество преимуществ, которые делают их полезными для широкого спектра устройств. Однако, перед использованием диодов необходимо учитывать их недостатки и правильно проектировать устройства, чтобы избежать возможных проблем.
Заключение
Диоды являются важными электронными компонентами, которые нашли широкое применение в различных устройствах и системах, включая источники питания, радиосвязь, светодиоды, солнечные панели, детекторы и многие другие.
Они имеют свои преимущества и недостатки, и их выбор и использование требует внимательного подхода и учета различных факторов.
Однако, несмотря на это, диоды остаются одними из наиболее важных и полезных компонентов в электронике и имеют значительный вклад в современные технологии и инновации.
- 31.03.2023