Что такое диод в физике

Диод

Это электронный компонент, который пропускает электрический ток только в одну сторону – от анода к катоду. Диод также называют выпрямителем, так как он преобразует переменный ток в пульсирующий постоянный.

Из чего состоит диод

Полупроводниковый диод состоит из пластинки полупроводникового материала (кремний или германий) одна сторона пластинки – с электропроводностью р-типа, т.е. принимает электроны. Другая сторона отдает электроны и соответственно называется отдающей электроны, у нее проводимость n-типа. На внешние поверхности пластины нанесены контактные металлические слои, к которым припаяны проволочные выводы электродов диода.

Где используются диоды

1. Диодные мосты. В их составе может находиться от 4 до 12 диодов, которые последовательно соединены друг с другом. Они применяются для однофазных и трёхфазных схем, где выполняют функцию выпрямителей. В большинстве случаев такие диодные мосты устанавливаются на генераторах автомобилей. Благодаря им не только увеличивается надёжность устройства, но и уменьшаются его размеры.
2. Диодные детекторы. Они представляют собой конструкцию, которая сочетает в себе не только несколько диодов, но и конденсаторы. Благодаря этому достигается способность выделять модуляцию с низкими частотами из соответствующих сигналов. Такие детекторы часто используются при изготовлении радиоприёмников и телевизоров.
3. Диодная искрозащита. Для её создания применяются специальные диодные барьеры, которые ограничивают напряжение в имеющейся электрической цепи. Вместе с ними используются специальные токоограничительные резисторы, необходимые для контроля за величиной параметров проходящего электрического тока.
4. Переключатели на основе диодов. Эти устройства дополняются конденсаторами и коммутируют высокочастотные сигналы. При этом контроль за работой осуществляется с помощью подачи управляющего сигнала, разделения высоких частот и применения постоянного тока.

Схематическое обозначение диода

Чтобы лучше запомнить расположение Анода и Катода на схеме, представим себе следующую картину:

Принцип работы

Лучшим примером полярного устройства может послужить диод, который является односторонним “клапаном” для электрического тока. Принцип его действия аналогичен обратному клапану, используемому в водопроводе и гидравлических системах. В идеале, диод обеспечивает беспрепятственный поток для тока в одном направлении (практически не оказывая ему сопротивления), и препятствует этому потоку в обратном направлении (оказывая ему бесконечное сопротивление).

Если мы поместим диод в схему с батареей и лампочкой, то выполняемая им работа будет следующей:

Когда диод стоит в правильном направлении, разрешающем поток, лампочка горит. В противном случае диод блокирует поток электронов аналогично обрыву цепи, и лампочка гореть не будет.

Если мы используем общепринятое обозначение потока в цепи, то стрелка символа диода указывает на направление потока зарядов от положительного контакта к отрицательному:

Схематично диод можно представить как две пластинки полупроводника, одна из которых обладает электропроводностью типа p, другая – типа n. На рисунке область типа p – это анод, а область типа n – является отрицательным электродом или катодом.

Слой между типами n (negative) и p (positive) называется p-n переходом. Диод может находиться в одном из двух состояний – открытом (когда он хорошо проводит ток) и закрытом (когда он плохо проводит ток).

На некоторых диодах катод обозначают полоской, которая отличается от цвета корпуса.

Разновидности, обозначения

Сейчас в основном применяются полупроводниковые диоды. Рассмотрим подробнее некоторые их разновидности:

• Выпрямительный диод – также известен как защитный, кремниевый. Используются для преобразования переменного тока в постоянный.

• Диод Зеннера (Стабилитрон). Используют стабилитрон для стабилизации напряжения.

• Туннельный диод (диод Лео Эсаки). Используются в генераторах, усилителях.

• Светодиод (диод Генри Раунда) – при пропускании через него прямого тока, дает оптическое излучение.

• Фотодиод. Под действием света в нем появляется значительный обратный ток, и он может генерировать небольшую электродвижущую силу.

• Диод Шоттки – диод с малым падением напряжения при прямом включении. Также известен как сигнальный, германиевый. Открывается быстро, сгорает после пробоя обратным током.

• Лавинный диод – его принцип работы основан на лавинном пробое, используется для защиты цепей от перенапряжений.

Единицы измерения и маркировка

Система обозначений активных компонентов Pro Electron, введена в 1966 году. Согласно системе, диод кодируется:
Первая буква — это материал полупроводника:

• A — Germanium (германий);
• B — Silicium (кремний);

Вторая буква – это подкласс приборов:

• A — сверхвысокочастотные диоды;
• B — варикапы;
• X — умножители напряжения;
• Y — выпрямительные диоды;
• Z — стабилитроны, например:

В результате получается:

• AA-серия — германиевые сверхвысокочастотные диоды;
• BA-серия — кремниевые сверхвысокочастотные диоды;
• BY-серия — кремниевые выпрямительные диоды;
• BZ-серия — кремниевые стабилитроны.

Система обозначений кодировки диодов

1-эл. Код материала полупроводника	2-эл. Тип подкласса	3-эл. Серийный номер	4-эл. Буква модификации
A — германий	A — детекторный, смесительный диод	100 — 999 приборы общего применения	Модификации прибора
В — кремний	B — варикап	Z10. A99 приборы промышленного и специального применения
C — арсенид галлия	C — маломощный, низкочастотный транзистор
R — сульфид кадмия	D — мощный, низкочастотный транзистор
E — туннельный диод
F — маломощный, высокочастотный транзистор
G — несколько приборов в одном корпусе
H — магнитодиод
K — генераторы Холла
L — мощный, высокочастотный транзистор
M — модуляторы и умножители Холла
P — фотодиод, фототранзистор
Q — излучающие приборы
R — прибор, работающий в области пробоя
S — маломощный переключающий транзистор
T — мощный регулирующий или переключающий прибор
U — мощный переключающий транзистор
X — умножительный диод
Y — мощный выпрямительный диод
Z — стабилитрон

Цветовая маркировка диодов

Стабилитроны. Цветовая маркировка по системе JIS-C-7012 (Япония)			Диоды и стабилитроны. Цветовая маркировка по системе JEDEC (США)					Диоды. Цветовая маркировка по европейской системе PRO ELECTRON
Цвет полосы (точки)	1-й элемент	2-й элемент	1-й элемент	2-й элемент	3-й элемент	4-й элемент	5-й элемент	1-й элемент	2-й элемент	3-й элемент	4-й элемент
Золотой
Серебряный
Черный	0	0	0	0	0	—	AA	X	0
Коричневый	1	1	1	1	1	1	A	1	1
Красный	2	2	2	2	2	2	B	BA	S	2	2
Оранжевый	3	3	3	3	3	3	C	3	3
Желтый	4	4	4	4	4	4	D	T	4	4
Зеленый	5	5	5	5	5	5	E	V	5	5
Голубой	6	6	6	6	6	6	F	W	6	6
Фиолетовый	7	7	7	7	7	7	G	7	7
Серый	8	8	8	8	8	8	H	Y	8	8
Белый	9	9	9	9	9	9	I	Z	9	9
Пример обозначения
	10 В		1N66					BAT85
Двойной второй элемент указывает на запятую между цифрами
	7,5 В		1N237A
3,9 В		1N1420G

Вольт-амперная характеристика

После того, как напряжение в прямом направлении превысит небольшой порог VF диод открывается и начинает практически беспрепятственно пропускать ток, который создаётся оставшимся напряжением.

Если напряжение подаётся в обратном направлении, диод сдерживает ток вплоть до некоторого большого напряжения VDC после чего пробивается и работает также, как в прямом направлении.

Вольт амперная характеристика полупроводникового диода зависит от материала, из которого он изготовлен, прямого и дифференциального сопротивления, теплового потенциала и других параметров.

xTechx.ru

Диод — полупроводниковый элемент. Принцип работы, устройство и разновидности.

Диод (Diode -eng.) – электронный прибор, имеющий 2 электрода, основным функциональным свойством которого является низкое сопротивление при передаче тока в одну сторону и высокое при передаче в обратную.

То есть при передаче тока в одну сторону он проходит без проблем, а при передаче в другую, сопротивление многократно увеличивается, не давая току пройти без сильных потерь в мощности. При этом диод довольно сильно нагревается.

Диоды бывают электровакуумные, газоразрядные и самые распространённые – полупроводниковые. Свойства диодов, чаще всего в связках между собой, используются для преобразования переменного тока электросети в постоянный ток, для нужд полупроводниковых и других приборов.

Конструкция диодов.

Конструктивно, полупроводниковый диод состоит из небольшой пластинки полупроводниковых материалов (кремния или германия), одна сторона (часть пластинки) которой обладает электропроводимостью p-типа, то есть принимающей электроны (содержащей искусственно созданный недостаток электронов («дырочная»)), другая обладает электропроводимостью n-типа, то есть отдающей электроны (содержащей избыток электронов («электронной»)).

Слой между ними называется p-n переходом. Здесь буквы p и n — первые в латинских словах negativ e — «отрицательный», и positiv e — «положительный». Сторона p-типа, у полупроводникового прибора является анодом (положительным электродом), а область n-типа — катодом (отрицательным электродом) диода.

Электровакуумные (ламповые) диоды, представляют собой лампу с двумя электродами внутри, один из которых имеет нить накаливания, таким образом подогревая себя и создавая вокруг себя магнитное поле.

При разогреве, электроны отделяются от одного электрода (катода) и начинают движение к другому электроду (аноду), благодаря электрическому магнитному полю. Если направить ток в обратную сторону (изменить полярность), то электроны практически не будут двигаться к катоду из-за отсутствия нити накаливания в аноде. Такие диоды, чаще всего применяются в выпрямителях и стабилизаторах, где присутствует высоковольтная составляющая.

Диоды на основе германия, более чувствительны на открытие при малых токах, поэтому их чаще используют в высокоточной низковольтной технике, чем кремниевые.

Типы диодов:

• · Смесительный диод — создан для приумножения двух высокочастотных сигналов.

• · pin диод — содержит область проводимости между легированными областями. Используется в силовой электронике или как фотодетектор .

• · Лавинный диод — применяется для защиты цепей от перенапряжения . Основан на лавинном пробое обратного участка вольт-амперной характеристики.

• · Лавинно-пролётный диод — применяется для генерации колебаний в СВЧ -технике. Основан на лавинном умножении носителей заряда.

• · Магнитодиод . Диод, характеристики сопротивления которого зависят от значения индукции магнитного поля и расположения его вектора относительно плоскости p-n-перехода .

• · Диоды Ганна . Используются для преобразования и генерации частоты в СВЧ диапазоне.

• · Диод Шоттки . Имеет малое падение напряжения при прямом включении.

• · Полупроводниковые лазеры .

Применяются в лазеростроении, по принципу работы схожи с диодами, но излучают в когерентном диапазоне.

• · Фотодиоды . Запертый фотодиод открывается под действием светового излучения . Применяются в датчиках света , движения и т.д.

• · Солнечный элемент (вариация солнечных батарей ). При попадании света, происходит движение электронов от катода к аноду, что генерирует электрический ток .

• · Стабилитроны — используют обратную ветвь характеристики диода с обратимым пробоем для стабилизации напряжения .

• · Туннельные диоды , использующие квантовомеханические эффекты . Применяются как усилители , преобразователи , генераторы и пр.

• · Светодиоды (диоды Генри Раунда, LED). При переходе электронов, у таких диодов происходит излучение в видимом диапазоне света .

Для данных диодов используют прозрачные корпуса для возможности рассеивания света. Также производят диоды, которые могут давать излучение в ультрафиолетовом, инфракрасном и других требуемых диапазонах (в основном, литографической и космической сфере).

• · Варикапы(диод Джона Джеумма) Благодаря тому, что закрытый p—n-переход обладает немалой ёмкостью, ёмкость зависит от приложенного обратного напряжения . Применяются в качестве конденсаторов с переменной ёмкостью .

Полупроводниковый диод. Транзистор

Свойство p-n- перехода используют для создания полупроводниковых диодов, которые применяют для выпрямления переменного тока. Диод — полупроводниковый прибор, пропускающий электрический ток только одного направления и имеющий два вывода для включения в электрическую цепь. Полупроводниковый диод — полупроводниковый прибор с p-n- переходом. Рассмотрим работу диода, состоящего из германия.

Кристалл германия обладает проводимостью n–типа за счёт небольшой добавки донорной примеси. Для создания в нём p-n-переходов в одну из его поверхностей вплавляют индий. Вследствие диффузии атомов индия вглубь монокристалла германия у поверхности германия образуется область р-типа. Остальная часть германия по-прежнему остаётся n- типа. Между этими двумя областями возникает р-n-переход. Для предотвращения вредных воздействий воздуха и света кристалл германия помещают в герметический корпус.
Достоинствами полупроводниковых диодов являются их прочность, малые размеры и масса, длительный срок службы, высокая механическая прочность; недостатком — зависимость их параметров от температуры: они могут работать в ограниченном интервале температур (от – 70ºС до + 125ºС).
Свойства p-n-перехода можно использовать для создания усилителя электрических колебаний, называемого транзистором. Транзисторы стали применять в науке в начале 50-х годов ХХ века. Они в отличие от диодов содержат в себе два р-n- перехода. Наиболее массовый транзистор представляет собой пластинку германия, кремния или другого полупроводника, обладающего электронной или дырочной проводимостью, в объеме которой искусственно созданы две области, противоположные по электрической проводимости. Пластинка полупроводника и две области в ней образуют два р-n- перехода, каждый из которых обладает такими же электрическими свойствами, как и полупроводниковый диод. Независимо от структуры транзистора пластинку полупроводника называют базой Б, область меньшего объема – эмиттером Э, а область большего объема – коллектором К.
Транзисторы, в которых база обладает дырочной проводимостью, называют транзисторами p-n-p перехода. Для приведения в действие транзистора p-n-p- типа на коллектор подают напряжение отрицательной полярности относительно эмиттера. Напряжение на базе при этом может быть, как положительным, так и отрицательным. Т.к. дырок больше, то основной ток через переход будет составлять диффузионный поток дырок из р-области. Если на эмиттер подать небольшое прямое напряжение, то через него потечет дырочный ток, диффундирующих из р-области в n-область (базу). Но т.к. база узкая, то дырки пролетают через нее, ускоряясь полем, в коллектор. Транзистор способен распределять ток, тем самым его усиливая. Отношение изменения тока в цепи коллектора к изменению тока в цепи базы при прочих равных условиях величина постоянная, называемая интегральным коэффициентом передачи базового тока бетта. Следовательно, изменяя ток в цепи базы, возможно получить изменения в токе цепи коллектора.
Условное обозначение транзистора: Б база, К коллектор, Э эмиттер, направление стрелки показывает направление тока. На рисунках представлены p-n-p- транзисторы.

Устройство биполярного транзистора.
Основные применения: элемент усилителя тока, напряжения или мощности; электронный ключ (например, в генераторе электромагнитных колебаний).
Переход эмиттер — база включается в прямом направлении, а база — коллектор — в обратном. Какое подключение называется прямым, а какое обратным?

Через эмиттерный переход идет большое количество основных носителей заряда. Так как база очень тонкая, концентрация основных носителей заряда в базе небольшая, следовательно и рекомбинация электронов и дырок также невелика. Ток базы маленький. Заряды, пришедшие из эмиттера, по отношению к базе являются неосновными, поэтому они свободно проходят через коллекторный переход. До 95% дырок, попадающих из эмиттера в базу, проходят в коллектор. Т.е. силы тока на коллекторе и эмиттере приблизительно равны.
При изменении силы тока эмиттера с помощью источника переменного напря¬жения одновременно почти во столько же раз изменяется сила тока коллектора. Т.к. сопротивление коллекторного перехода во много раз превышает сопротивление эмиттерного, то при практически равных токах, напряжение на эмиттере много меньше напряжения на коллекторе.
Микросхемы и микропроцессоры в современных электронных устройствах не могут обойтись без транзисторов. Транзистор — это основная часть любой микросхемы. В компьютере, без которого мы сейчас не можем себе представить жизнь, микропроцессор также состоит из большого числа транзисторов. Транзисторы широко применяются в современной технике. Они также заменяют электронные лампы в электрических цепях различной аппаратуры как промышленной, так и научной. По сравнению с электронными лампами транзисторы обладают рядом преимуществ:
1. они не накаливаются,
2. потребляют значительно меньше энергии,
3. работают при низком напряжении,
4. компактны, имеют малые размеры и массу,
5. не требуют времени для нагревания.
Однако у них есть недостатки – транзисторы чувствительны к повышению температуры и к электрическим перегрузкам.

Остались вопросы по теме? Наши педагоги готовы помочь!

• Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам
• Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки
• Повысим успеваемость по школьным предметам
• Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ

Диоды твердотельные

Диоды твердотельные — широкий класс двухполюсных твердотельных приборов, объединяющим признаком к-рых является униполярность проводимости. Действие Д. т. основано на свойствах р-п-переходов или переходов металл-полупроводник (см. Шоттки барьер). По назначению выделяют неск. типов Д. т. Силовые выпрямители (вентили) НЧ-токов, макс. обратное напряжение U_обр к-рых лимитируется электрич. пробоем обратно смещённого р-n-перехода (достигает 1000 В), макс. прямой ток I_макс лимитируется необратимым (приводящим к разрушению прибора) тепловым пробоем (I~1000 А). Высокочастотные (импульсные) диоды, используемые как детекторы, смесители, генераторы гармоник и т. п., время восстановления ~1-10 нс. Для детектирования СВЧ-излучения применяют Д. т. с ~10-100 нс. Стабилизаторы напряжения (опорные диоды), распределение и концентрация легирующих примесей в к-рых подбираются так, чтобы обеспечить требуемое U_обр. За счёт пробоя осуществляется стабилизация напряжения на диоде. Осн. параметры — стабилизируемое напряжение, макс. ток через диод, дифференц. сопротивление на участке стабилизации. Варакторы, действие к-рых основано на нелинейной зависимости барьерной ёмкости р-n-перехода от напряжения смещения. Используются в параметрических усилителях, смесителях частот и др. Фотодиоды служат для регистрации световых сигналов. Работа основана на разделении электрич. полем р-n-перехода электронно-дырочных пар, генерируемых световыми квантами в окрестности р—n-перехода. В результате разделения во внеш. цепи протекает ток либо на контактах возникает фотоэдс. Осн. параметры — чувствительность, уровень шумов, квантовая эффективность (отношение электронного потока к интенсивности потока световых квантов), быстродействие. Разновидность фотодиодов — солнечные батареи. Светодиоды применяются в системах оптич. связи, индикации и освещения. Действие основано на излучат. рекомбинации электронно-дырочных пар в прямозонных полупроводниках (типа GaAs; подробнее см. Светоизлучающий диод). Разновидностью светодиодов являются инжекционные лазеры.

При классификации Д. т. по физ. принципу выделяют туннельные диоды, в к-рых толщина обеднённого слоя столь мала (~100 А), что энергетич. барьер между р— и n-областями оказывается «прозрачным» для туннелирования электронов из валентной зоны в зону проводимости и обратно. Они изготавливаются из высоколегиров. (вырожденных) полупроводников. Суперпозиция туннельного и обычного зонного механизмов проводимости обусловливает N-образную вольт-амперную характеристику (BAX) с участком отрицательного дифференциального сопротивления. Эта особенность BAX и определяет гл. область применения туннельных диодов — генерацию СВЧ-излучения небольшой мощности.

Для генерации СВЧ-излучения используют и лавинно-пролётные диоды. В них в силу спец. профиля распределения легирующих примесей узкая область с высокой напряжённостью электрич. поля (область лавинного умножения носителей) содействует с областью со слабым полем (дрейфовая область или область пролёта). При определённых фазовых соотношениях между напряжениями на этих областях возникает динамич. отрицат. сопротивление всей структуры на частотах порядка обратного времени пролёта носителей, что и приводит к усилению либо генерации колебаний.

Для усиления и генерации служат также Ганна диоды ,в к-рых р-n-переходы отсутствуют, а усиление и генерация СВЧ-излучения происходят за счёт объёмного отрицат. сопротивления, возникающего в силу особенностей междолинного распределения электронов, напр. в GaAs (см. Ганна эффект).

По технол. признаку Д. т. классифицируют на: сплавные, изготавливаемые вплавлением таблетки металла в полупроводник (расплав обогащается примесью, обеспечивающей тип проводимости, противоположный типу исходного полупроводника, на границе расплава образуется р-n-переход); диффузионные, изготавливаемые высокотемпературной диффузией примесей, напыленных на поверхность кристалла, в его толщу (варьируя температуру и длительность диффузионного процесса, можно управлять глубиной «залегания» р-n-перехода); эпитаксиальные, в к-рых р-n-переход получается в процессе эпитаксиального роста полупроводниковой плёнки на монокристалле того же вещества, но с противоположным типом примеси; точечно-контактные, где р-n-переход или шоттки-барьер образуется у контакта, напр., вольфрамового острия с полупроводником. Для изготовления Д. т. используются также ионная имплантация и радиац. легирование.

В отд. случаях название отражает структурные признаки прибора. Напр., в р—i—n-диодах между высоколегированными р— и n-областями расположен слой полупроводника с проводимостью, близкой к собственной. Они применяются как высоковольтные выпрямители, в ВЧ-схемах, быстродействующие фотодетекторы и др. В диодах Шоттки слой, обеднённый осн. носителями в приповерхностной области полупроводника, возникает в силу разницы в работах выхода полупроводника и металла. Диоды Шоттки используют гл. обр. в ВЧ- и СВЧ-схемах.

Литература по твердотельным диодам

1. Пикус Г. E., Основы теории полупроводниковых приборов, M., 1965;
2. 3и С. M., Физика полупроводниковых приборов, пер. с англ., кн. 1-2, M., 1984.

Знаете ли Вы, что только в 1990-х доплеровские измерения радиотелескопами показали скорость Маринова для CMB (космического микроволнового излучения), которую он открыл в 1974. Естественно, о Маринове никто не хотел вспоминать. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.