Полупроводниковый диод напряжение на котором при прямом включении мало зависит от тока называется

Стабистором называется полупроводниковый диод напряжение на котором при прямом включении мало зависит от тока

Пожалуйста, войдите или зарегистрируйтесь для публикации ответа на этот вопрос.

решение вопроса

Связанных вопросов не найдено

Обучайтесь и развивайтесь всесторонне вместе с нами, делитесь знаниями и накопленным опытом, расширяйте границы знаний и ваших умений.

• Все категории
• экономические 43,679
• гуманитарные 33,657
• юридические 17,917
• школьный раздел 612,713
• разное 16,911

Популярное на сайте:

Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.

Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.

Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.

Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.

• Обратная связь
• Правила сайта

Полупроводниковый диод напряжение на котором при прямом включении мало зависит от тока называется

Полупроводниковый диод самый простой полупроводниковый прибор, состоящий из одного PN перехода. Основная его функция — это проводить электрический ток в одном направлении, и не пропускать его в обратном. Состоит диод из двух слоев полупроводника типов N и P (Рисунок 1.2.1)

Рисунок 1.2.1 Строение диода

На стыке соединения P и N образуется PN-переход. Электрод, подключенный к P, называется анод. Электрод, подключенный к N, называется катод. Диод проводит ток в направлении от анода к катоду, и не проводит обратно.

Диод в состоянии покоя.

Диод находится в состоянии покоя, когда ни к аноду, ни к катоду не подключено напряжения (Рисунок 1.2.2).

Рисунок 1.2.2 Диод в состоянии покоя

В части N имеются в наличии свободные электроны – отрицательно заряженные частицы. В части P находятся положительно заряженные ионы – дырки. В результате, в том месте, где есть частицы с зарядами разных знаков, возникает электрическое поле, притягивающее их друг к другу.

Под действием этого поля свободные электроны из части N дрейфуют через PN переход в часть P и заполняют некоторые дырки. В итоге получается очень слабый электрический ток, измеряемый в наноамперах. В результате, плотность вещества в P части повышается и возникает диффузия (стремление вещества к равномерной концентрации), толкающая частицы обратно на сторону N.

Обратное включение диода.

Теперь рассмотрим, как у полупроводникового диода получается выполнять свою основную функцию – проводить ток только в одном направлении. Подключим источник питания — плюс к катоду, минус к аноду (рисунок 1.2.3)

Рисунок 1.2.3 Обратное включение диода

В соответствии с силой притяжения, возникшей между зарядами разной полярности, электроны из N начнут движение к плюсу и отдалятся от PN перехода. Аналогично, дырки из P будут притягиваться к минусу, и также отдалятся от PN перехода. В результате, плотность вещества у электродов повышается. В действие приходит диффузия и начинает толкать частицы обратно, стремясь к равномерной плотности вещества.

Как мы видим, в этом состоянии диод не проводит ток. При повышении напряжения, в PN переходе будет все меньше и меньше заряженных частиц.

Прямое включение диода.

Меняем полярность источника питания – плюс к аноду, минус к катоду.

Рисунок 1.2.4 Прямое включения диода

В таком положении, между зарядами одинаковой полярности возникает сила отталкивания. Отрицательно заряженные электроны отдаляются от минуса и двигаются сторону pn перехода. В свою очередь, положительно заряженные дырки отталкиваются от плюса и направляются навстречу электронам. PN переход обогащается заряженными частицами с разной полярностью, между которыми возникает электрическое поле – внутреннее электрическое поле PN перехода. Под его действием электроны начинают дрейфовать на сторону P. Часть из них рекомбинируют с дырками (заполняют место в атомах, где не хватает электрона). Остальные электроны устремляются к плюсу батарейки. Через диод пошел ток I_D.

1.2.1 Выпрямительные диоды

Выпрямительный диод — это полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный.

В основе работы выпрямительных диодов лежит свойство односторонней проводимости рn-перехода, которое заключается в том, что последний хорошо проводит ток (имеет малое сопротивление) при прямом включении и практически не проводит ток (имеет очень высокое сопротивление) при обратном включении.

Основными параметрами выпрямительных полупроводниковых диодов являются:

• прямой ток диода I_пр, который нормируется при определенном прямом напряжении (обычно U_пр=1…2В);
• максимально допустимый прямой ток I_пр.мах диода;
• максимально допустимое обратное напряжение диода U_{обр.мах}, при котором диод еще может нормально работать длительное время;
• постоянный обратной ток I_обр, протекающий через диод при обратном напряжении, равном U_{обр.мах};
• средний выпрямленный ток I_вп.ср, который может длительно проходить через диод при допустимой температуре его нагрева;
• максимально допустимая мощность P_мах, рассеиваемая диодом, при которой обеспечивается заданная надежность диода.

Для сохранения работоспособности германиевого диода его температура не должна превышать +85°С, кремниевые диоды могут работать при температуре до +150°С.

Вольт-амперная характеристика германиевого и кремниевого диода представлена на рисунке 1.2.1.1

Рисунок 1.2.1.1 Вольт-амперная характеристика германиевого и кремниевого диода: а−германиевый диод; б−кремниевый диод

Падение напряжения при пропускании прямого тока у германиевых диодов составляет U_пр=0,3…0,6В, у кремниевых диодов U_пр=0,8…1,2В.

Большие падения напряжения при прохождении прямого тока через кремниевые диоды по сравнению с прямым падение напряжения на германиевых диодах связаны с большей высотой потенциального барьера рn- переходов, сформированных в кремнии. С увеличением температуры прямое падение напряжения уменьшается, что связано с уменьшением высоты потенциального барьера. При подаче на полупроводниковый диод обратного напряжения в нем возникает незначительный обратный ток, обусловленный движением не основных носителей заряда через рn-переход. При повышении температуры рn-перехода число не основных носителей заряда увеличивается за счет перехода части электронов из валентной зоны в зону проводимости и образования пар носителей заряда электрон-дырка. Поэтому обратный ток диода возрастает. В случае приложения к диоду обратного напряжения в несколько сотен вольт внешнее электрическое поле в запирающем слое становится настолько сильным, что способно вырвать электроны из валентной зоны в зону проводимости (эффект Зенера). Обратный ток при этом резко увеличивается, что вызывает нагрев диода, дальнейшей рост тока и, наконец, тепловой пробой (разрушение) рn-перехода.

Большинство диодов может надежно работать при обратных напряжениях, не превышающих (0,7…0,8) U_проб. Допустимое обратное напряжение германиевых диодов достигает − 100…400В, а кремниевых диодов − 1000…1500В.

Выпрямительные диоды применяются для выпрямления переменного тока (преобразования переменного тока в постоянный); используются в схемах управления и коммутации для ограничения паразитных выбросов напряжений, в качестве элементов электрической развязки цепей и т.д.

1.2.2 Полупроводниковый стабилитрон

Полупроводниковый стабилитрон — это полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока и который используется для стабилизации напряжения.

В полупроводниковых стабилитронах используется свойство незначительного изменения обратного напряжения на рn-переходе при электрическом (лавинном или туннельном) пробое. Это связано с тем, что небольшое увеличение напряжения на рn-переходе в режиме электрического пробоя вызывает более интенсивную генерацию носителей заряда и значительное увеличение обратного тока.

Низковольтные стабилитроны изготовляют на основе сильнолегированного (низкоомного) материала. В этом случае образуется узкий плоскостной переход, в котором при сравнительно низких обратных напряжениях (менее 6В) возникает туннельный электрический пробой. Высоковольтные стабилитроны изготавливают на основе слаболегированного (высокоомного) материала. Поэтому их принцип действия связан с лавинным электрическим пробоем.

Основные параметры стабилитронов:

• Напряжение стабилизации U_ст (U_ст=1…1000В);
• минимальный I_ст.міn и максимальный I_ст.мах токи стабилизации (I_ст.міn»1,0…10мА, I_ст.мах»0,05…2,0А);
• максимально допустимая рассеиваемая мощность Р_мах;
• дифференциальное сопротивление на участке стабилизации

Рисунок 1.2.2.1 Условно графическое обозначение стабилитрона а) не симметричный стабилитрон б) симметричный стабилитрон

Вольт-амперная характеристика стабилитрона на рисунке 1.2.2.2

Рисунок 1.2.2.2 Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Стабилитроны используют для стабилизации напряжений источников питания, а также для фиксации уровней напряжений в различных схемах.

Существуют также двухсторонние (симметричные) стабилитроны, имеющие симметричную ВАХ относительно начала координат. Стабилитроны допускают последовательное включение, при этом результирующее стабилизирующее напряжение равно сумме напряжений стабилитронов: Uст = Uст1 + Uст2 +…

1.2.3 Туннельный диод

Туннельный диод — это полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольт-амперной характеристике при прямом напряжении участка отрицательного дифференциального сопротивления.

Туннельный диод изготовляется из германия или арсенида галлия с очень большой концентрацией примесей, т.е. с очень малым удельным сопротивлением. Такие полупроводники с малым сопротивлением называют вырожденными. Это позволяет получить очень узкий рn-переход. В таких переходах возникают условия для относительно свободного туннельного прохождения электронов через потенциальный барьер (туннельный эффект). Туннельный эффект приводит к появлению на прямой ветви ВАХ диода участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Основные параметры туннельных диодов:

• Пиковый ток I_п – прямой ток в точке максимума ВАХ;
• ток впадины I_в − прямой ток в точке минимума ВАХ;
• отношение токов туннельного диода I_п/I_в;
• напряжение пика U_п – прямое напряжение, соответствующее пиковому току;
• напряжение впадины U_в − прямое напряжение, соответствующее току впадины;

Туннельные диоды используются для генерации и усиления электромагнитных колебаний, а также в быстродействующих переключающих и импульсных схемах.

Вольт-амперная характеристика туннельного диода и его УГО представлена на рисунке 1.2.3.1

Рисунок 1.2.3.1 Вольт-амперная характеристика туннельного диода и его УГО

1.2.4 Обращенный диод

Обращенный диод — диод на основе полупроводника с критической концентрацией примесей, в котором проводимость при обратном напряжении вследствие туннельного эффекта значительно больше, чем при прямом напряжении.

Принцип действия обращенного диода основан на использовании туннельного эффекта. Но в обращенных диодах концентрацию примесей делают меньше, чем в обычных туннельных. Поэтому контактная разность потенциалов у обращенных диодов меньше, а толщина рn-перехода больше. Это приводит к тому, что под действием прямого напряжения прямой туннельный ток не создается. Прямой ток в обращенных диодах создается инжекцией не основных носителей зарядов через рn-переход, т.е. прямой ток является диффузионным. При обратном напряжении через переход протекает значительный туннельный ток, создаваемый перемещение электронов сквозь потенциальный барьер из р-области в n-область. Рабочим участком ВАХ обращенного диода является обратная ветвь. Таким образом, обращенные диоды обладают выпрямляющим эффектом, но пропускное (проводящее) направление у них соответствует обратному включению, а запирающее (непроводящее) – прямому включению.

Вольт-амперная характеристика обращенного диода и его УГО представлена на рисунке 1.2.4.1

Рисунок 1.2.4.1 Вольт-амперная характеристика обращенного диода и УГО

Обращенные диоды применяют в импульсных устройствах, а также в качестве преобразователей сигналов (смесителей и детекторов) в радиотехнических устройствах.

1.2.5 Варикапы

Варикап — это полупроводниковый диод, в котором используется зависимость емкости от величины обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью. Полупроводниковым материалом для изготовления варикапов является кремний.

Основные параметры варикапов:

• номинальная емкость С_в– емкость при заданном обратном напряжении (С_в=10…500 пФ);
• коэффициент перекрытия по емкости (отношение емкостей варикапа при двух заданных значениях обратных напряжений.)

Варикапы широко применяются в различных схемах для автоматической подстройки частоты, в параметрических усилителях.

На рисунке 1.2.5.1 представлена вольт-амперная характеристика варикапа и его УГО

Рисунок 1.2.5.1 Вольт-амперная характеристика варикапа и УГО

1.2.6 Светоизлучающие диоды

Светодиодами называются маломощные полупроводниковые источники света, основой которых является излучающий рп—переход. Свечение рn-перехода вызвано рекомбинацией носителей заряда. При подаче прямого напряжения электроны из n-области проникают в p-область, где рекомбинируют с дырками и излучают освободившуюся энергию в виде света.

Светодиоды изготавливаются из карбида кремния, арсенида или фосфида галлия. Свечение может быть весьма интенсивным и лежит в инфракрасной, красной, зеленой и синей частях спектра. Светодиод начинает испускать свет, как только подается прямое напряжение, причем с ростом тока интенсивность свечения увеличивается.

Основными параметрами светодиодов являются:

• Р_излуч – полная мощность излучения (до 100 мВт).
• U_np – постоянное прямое напряжение (порядка единиц вольт) при — const.
• I_пр. – постоянный прямой ток (до 110 мА).
• Цвет свечения.

Прямая ветвь ВАХ светодиода и его условное обозначение показаны на рисунке 1.2.6.1

Рисунок 1.2.6.1 ВАХ светодиода и его УГО

Светодиоды применяют в устройствах визуального отображения информации.

1.2.7 Фотодиоды

Фотодиод — это полупроводниковые приборы, принцип действия которых основан на внутреннем фотоэффекте, состоящем в генерации под действием света электронно-дырочных пар в рп—переходе, в результате чего увеличивается концентрация основных и неосновных носителей заряда в его объеме. Обратный ток фотодиода определяется концентрацией неосновных носителей и, следовательно, интенсивностью облучения. Вольт-амперные характеристики фотодиода (рисунок 1.2.7.1 (см. стр.28)) показывает, что каждому значению светового потока Ф соответствует определенное значение обратного тока. Такой режим работы прибора называют фотодиодным.

Фотодиод обозначается на схеме на рисунке 1.2.7.2

Рисунок 1.2.7.2 УГО фотодиода

Рисунок 1.2.7.1 Вольт-амперная характеристика фотодиода

Фотодиоды применяются в качестве датчиков освещенности.

Задание для самостоятельной работы

по теме 1.2 «Полупроводниковые диоды»

№1. Заполнить таблицу и поместить ее в чате.

Оценить работы своих одногруппников с помощью смайликов.

Основное характерное свойство диода

Полупроводниковые диоды: назначение, классификация, маркировка и обозначение в схемах

Полупроводниковый диод — это полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом и двумя выводами, в котором используется то или иное свойство электрического перехода (незначительная коррекция данного определения может понадобиться лишь для очень узкого круга приборов, например, для некоторых диодов СВЧ и прецизионных стабилитронов).

К противоположным областям выпрямляющего электрического перехода привариваются или припаиваются металлические выводы, и вся система заключается в металлический, металлокерамический, стеклянный или пластмассовый корпус. Область полупроводникового кристалла диода, имеющая более высокую концентрацию примесей (следовательно, и основных носителей заряда), называется эмиттером, а другая, с меньшей концентрацией, — базой. По аналогии с электровакуумными диодами, ту сторону диода, к которой при прямом включении подключается отрицательный полюс источника питания, часто называют катодом, а другую — анодом.

В зависимости от области применения полупроводниковые диоды делят на следующие основные группы:

• выпрямительные,
• универсальные,
• импульсные,
• сверхвысокочастотные,
• стабилитроны,
• варикапы,
• туннельные,
• обращенные,
• фотодиоды,
• светоизлучающие диоды,
• генераторы шума,
• магнитодиоды.

По конструктивному исполнению полупроводниковые диоды делятся на плоскостные и точечные, а по технологии изготовления на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные (следует понимать, что существует множество разных подвидов этих технологий). В плоскостных диодах электрический переход имеет линейные размеры значительно большие толщины самого перехода. К точечным относят диоды, у которых размеры электрического перехода, определяющие его площадь, меньше толщины области объемного заряда. Такой диод образуется, например, в месте контакта небольшой пластины полупроводника и острия металлической пружины (точечно-контактные диоды).

В технологии изготовления диодов определяющей является методика внесения примесей в полупроводник, а также способ соединения кристалла полупроводника с металлическими контактами. Существует большое количество возможных форм исполнения самых разнообразных переходов, которые обладают множеством разнообразных свойств. Эти свойства могут использоваться для создания полупроводниковых диодов различного принципа действия и конструкции. Многие из таких диодов имеют свои исторически-сложившиеся названия, которые могут характеризовать конструкцию диода, физический эффект, определяющий характеристики диода, и т.д. (лавинно-пролетные диоды, туннельные диоды, диоды Шоттки, диоды Ганна, варакторы, диоды с накоплением заряда, . ). Часто эти группы диодов отличаются областью применения и/или маркировкой.

Полупроводниковый диод напряжение на котором при прямом включении мало зависит от тока называется

1. Полупроводники
Полупроводники — это вещества, которые по своей электропроводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры, воздействия различных видов излучения, давления, изменения электрического или магнитного поля.
К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе полупроводником является Si – кремний, составляющий почти 30% земной коры.

На рис. 1 показана часть Периодической системы, где желтым цветом выделены чистые вещества, являющиеся полупроводниками. Кстати, их соединения также обладают подобными свойствами.
Si находится в 4-й группе главной подгруппы Периодической системы. Следовательно, на внешней оболочке атома Si имеются 4 электрона и до её завершения не хватает ещё 4-х. Каждый атом в кристалле чистого кремния образует ЧЕТЫРЕ ковалентных (парноэлектронных) связи с ЧЕТЫРЬМЯ соседними атомами (рис. 2). В обычных условиях ковалентные связи довольно устойчивы, но, при повышении температуры некоторые из них разрываются, и образуются свободные электроны. На месте разорванной связи образуется «пустое место» как бы несущее положительный заряд. Это «пустое место» было предложено изображать как положительную частицу, которую назвали «дыркой». Как видим, всё абсолютно логично, если не забывать, что дырки – это воображаемые (виртуальные) частицы, которых на самом деле не существует. Они значительно облегчают понимание проводимости полупроводников.
Если нет электрического поля, то движение электронов (и дырок) в полупроводнике абсолютно хаотично. При этом постоянно происходят два противоположных процесса – диссоциация, т.е. образование свободных носителей заряда (электронов и дырок —> разрыв ковалентных связей) и рекомбинация – воссоединение свободных носителей заряда (электронов и дырок —> восстановление ковалентных связей) – рис. 3.

При постоянной температуре полупроводника устанавливается динамическое равновесие, когда концентрация свободных носителей практически не меняется со временем.
Под действием внешнего электрического поля движение электронов и дырок становится упорядоченным – в полупроводнике возникает электрический ток.

Ток в полупроводниках представляет собой упорядоченное (взаимно противоположно направленное) движение электронов и дырок.

Может возникнуть вопрос: как может двигаться «пустое место» — дырка?

Простой пример весьма наглядно даёт ответ.
Пусть в ряд поставлены несколько стульев, на которых сидят люди. Затем человек (электрон) с первого стула уходит a образуется свободное (пустое) место (дырка), куда пересаживается человек (электрон), сидевший на втором стуле, пустое место (дырка) образуется во втором ряду, его занимает третий и т.д. Что мы видим? Реально пересаживались люди (электроны), но в результате и пустое место (дырка) переместилось из начала ряда в конец (рис.4).

2. Проводимость полупроводников

Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется у чистых (то есть без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

Полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки» появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью. В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация свободных электронов равняется концентрации «дырок».
Для создания полупроводниковых приборов часто используют кристаллы с примесной проводимостью. Такие кристаллы изготавливаются с помощью внесения примесей с атомами трехвалентного или пятивалентного химического элемента.

Электронные полупроводники (n-типа)

Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего отрицательный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников имеет примесную природу. В четырёхвалентный кремний Si добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например, мышьяка As). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома мышьяка нет места в насыщенных валентных связях. Электрон отрывается и превращается в свободный (рис. 5). В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются донорными.

Дырочные полупроводники (р-типа)

Термин «p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего положительный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников, кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой проводимости. В четырёхвалентный кремний Si добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента (например, индия In). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвёртым атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому связь с четвертым атомом не возникает, и образуется дырка (рис. 6). Примеси, которые добавляют в этом случае и превращают кремний в полупроводник «n-типа», называются акцепторными.

Как же получилось так, что без полупроводников немыслима современная цивилизация?

3. Рождение кристаллического детектора

Чтобы иметь представление о том, как появился полупроводниковый диод, надо обратиться к истории.
В 1899г один из сотрудников лаборатории А.С. Попова совершенно случайно обнаружил, что если вместо электромагнитного реле, которое использовалось в первом радиоприёмнике, подключить высокоомные головные телефоны, то можно отчётливо расслышать телеграфные сигналы передатчика.
На рис. 7а) показан первый радиоприёмник, а на рис. 7б) – его «осовремененная» схема:
I – антенна; II – когерер; III – заземление; IV – катушка приёмного контура; V – электромагнитное реле (звонок).

На рис. 8 показано подключение головных телефонов – V – вместо электромагнитного реле.
Прием азбуки Морзе на слух, означал, что когерер работает в режиме амплитудно-линейного детектирования без процесса встряхивания металлического порошка. Немедленно была послана телеграмма А.С. Попову за границу, который в тот момент времени был в Швейцарии, с текстом: «Открыто новое свойство когерера».
Попов возвратился в Кронштадт и в течение месяца занимался исследованием эффекта детектирования когерера. Результатом этой работы стала разработка схемы радиоприемника с использованием эффекта детектирования когерера и изготовление на ее основе реальной конструкции. Первый в мире слуховой радиоприемник был назван изобретателем «Телефонный приемник депеш» (рис. 9).
А.С. Попов не остановился на достигнутых результатах и продолжал совершенствовать конструкцию слухового детекторного радиоприемника. В 1900 году, ему удалось создать первый твердотельный детектор, пригодный для практических целей.
Детектор представлял собой кристаллический точечный диод с контактом стальных иголок и угольных шайб. Конструктивно кристаллический детектор А.С. Попова был выполнен в виде эбонитового цилиндрического корпуса с навинчивающими на его основания двумя крышками, внутри которых находились угольные диски. Между шайбами, параллельно большей оси корпуса, располагались подсжатые крышками, стальные иголки, имеющие заострение с обоих концов. На рис. 10. слева – детектор Попова, справа его упрощённая реконструкция. Кристаллический диод был успешно применен А.С. Поповым в детекторном телефонном радиоприемнике.
В 20-е годы ХХ века имел распространение упрощенный вариант кристаллического детектора конструкции А. С. Попова, в виде контактной пары «металлическая монета – кусочек угля». Следует заметить, что односторонняя электрическая проводимость некоторых минеральных кристаллов была обнаружена еще в 1874 году, тогда малоизвестным директором гимназии Томаса в городе Лейпциг, Фердинандом Брауном.
А.С. Попов первым изобрел кристаллический детектор, тем самым, опередив на 6 лет подобные конструкции американского генерала Г. Данвуди, французов К. Тиссо и Ж. Пикарда. Детектор Г. Данвуди состоял из контактной пары «карборунд-стальная пластинка». Этот детектор в сочетании с потенциометром и батареей был разработан американским изобретателем для замены электролитического детектора. В детекторах французских ученых были использованы такие контактные пары: у К. Тиссо – «кристалл свинцового блеска — стальное или серебряное острие», а у Ж. Пикарда – «кристаллы цинкит-халькопирит».
Среди кристаллических детекторов, подобного типа, широкое распространение получила конструкция Г. Данвуди, в которой контакт создавался в результате прижатия заостренного конца металлической пружины к поверхности галенового кристалла. Такое устройство действовало как выпрямитель и выделяло из поступающих электрических колебаний те импульсы, которые были вызваны в микрофоне оператором на передающей радиостанции.
Всестороннее исследование свойств, кристаллических детекторов провели в период с 1908 по 1910 годы японские ученые Китамура, Е. Иокояма и В. Ториката. Японским ученым удалось исследовать большое количество минералов, около сотни, и выбрать среди них наиболее чувствительные. Английский ученый Р. Иклз, примерно, в этот же период времени (1909-1911 г.г.), провел сравнение отдельных типов детекторов и исходя из этого разработал теорию работы детектора. Он так же один из первых построил характеристику детектирования кристаллического диода.
Итак, первые полупроводниковые диоды были созданы в 1906 году для детектирования радиосигналов. Оказалось, что контакты разнородных материалов обладают несимметричной проводимостью в зависимости от направления тока: в одну сторону – пропускают ток, в другую – нет. Следует отметить, что физические свойства и механизм проводимости полупроводников были в те времена совершенно неизвестны.

4. Детекторные радиоприёмники
Лучшими оказались контакты «гален-сталь» и «цинкит-халькопирит». В этих кристаллических детекторах приходилось вручную искать чувствительную точку, возя иголкой по кристаллу Галена и добиваясь наилучшего приёма радиосигнала.
На рис. 11 показан диод такого типа и его схематическое обозначение «острие иглы упирается в поверхность кристалла», используемое и в настоящее время.

Несмотря на указанный недостаток, кристаллические детекторы сразу получили широкое распространение, поскольку альтернативы были не слишком хорошие. Когеpеp (трубка с опилками, у которых вследствие воздействия тока высоких частот происходит нечто вроде «спекания» и падает сопротивление) существовал с самого начала радио, был, во-первых – малочувствителен, во-вторых он не позволяет принимать тональные (звуковые) сигналы, а только телеграфные.
В 20-30-е годы ХХ века широчайшее распространение получило радиолюбительство. Многие энтузиасты самостоятельно изготавливали детекторные радиоприёмники, основным элементом которых был именно кристаллический диод. А поскольку промышленные диоды были дефицитны и недоступны большинству радиолюбителей, люди сами изготавливали полупроводниковые кристаллы, искали на них «чувствительную точку» и слушали радио. Это было фантастично по тем временам!
Кристаллический диод (рис. 12) — ключевой элемент радиоприемников доламповой эры. Острие проволочки с помощью пружинной части прижимается к кристаллу сернистого свинца (галенита). Удачную точку контакта приходилось искать методом проб и ошибок.

Катушка детекторного приёмника (рис. 13) служила для настройки на волну радиостанции: контакт скользил по ее виткам, менялась индуктивность входного контура, менялась резонансная частота.

Радиопромышленность начала ХХ века развернула массовый выпуск детекторных радиоприемников (рис. 14 – 17):

Современный самодельный детекторный приёмник (рис. 18).

Демонстрационный детекторный приёмник из кабинета физики (рис. 19).

5. Как устроен и как работает полупроводниковый диод
Упрощённо диод можно представить, как две пластинки полупроводника, одна из которых обладает электропроводностью р-типа, а другая — n-типа (рис. 20, а). Дырки, преобладающие в пластинке р-типа, условно изображены белыми кружками, а электроны, преобладающие в пластинке n-типа — жёлтыми. Движение свободных носителей заряда хаотично. Две области — это два электрода полупроводникового диода:анод и катод. Анодом, т.е. «+» электродом, является область р-типа, акатодом, т.е. «—» электродом, — областьn-типа. На внешние поверхности пластин нанесены контактные металлические слои, к которым припаяны проволочные выводы электродов диода. Такой полупроводниковый прибор может находиться в одном из двух состояний: открытом, когда он хорошо проводит ток, и закрытом, когда он плохо проводит ток.

Если к его электродам подключить источник постоянного тока (например, батарейку) так, чтобы его положительный полюс был соединен с анодом диода, т.е. с областью р-типа, а отрицательный — с катодом, т.е. с областью n-типа (рис. 20, б), то диод окажется в открытом состоянии, и в образовавшейся цепи потечет ток, значение которого зависит от приложенного к нему напряжения и свойств диода. При такой полярности подключения батареи электроны в области n-типа перемещаются от минуса к плюсу, т. е. в сторону области р-типа, а дырки в области р-типа движутся навстречу электронам — от плюса к минусу. Встречаясь на границе областей, называемой электронно-дырочным переходом или, короче,р-nпереходом, электроны и дырки рекомбинируют. Металлический контакт, соединенный с отрицательным полюсом элемента, может отдать области n-типа практически неограниченное количество электронов, пополняя недостаток электронов в этой области, а контакт, соединенный с положительным полюсом элемента, может принять из области р-типа такое же количество электронов, что равнозначно введению в него соответствующего количества дырок. В этом случае сопротивление р-n перехода мало, вследствие чего через диод течет ток, называемый прямым током Iпр. Чем больше площадь р-n перехода и напряжение источника питания, тем больше Iпр.
Если полюсы элемента поменять местами, как это показано на (рис. 20, в), то диод окажется в закрытом состоянии. В этом случае электроны и дырки в диоде поведут себя иначе. Теперь, удаляясь от р-n перехода, электроны в области n-типа будут перемещаться к положительному, а дырки в области р-типа — к отрицательному контактам диода. В результате граница областей с различными типами электропроводности как бы расширится, образуя зону, обедненную электронами и дырками и, следовательно, оказывающую току очень большое сопротивление. Однако, в этой зоне небольшой обмен носителями тока между областями диода все же будет происходить. Поэтому через диод пойдет ток, но во много раз меньший, чем прямой. Этот ток называют обратным током диода Iобр.
А если диод включить в цепь с переменным током? Он будет открываться при положительных полупериодах на аноде, свободно пропуская ток одного направления — Iпр, и закрываться при отрицательных полупериодах на аноде, почти не пропуская ток противоположного направления — Iобр. Эти свойства диодов и используют в выпрямителях для преобразования переменного тока в постоянный. Напряжение, при котором диод открывается и через него идет прямой ток, называют прямымUпp или пропускным, а напряжение обратной полярности, при котором диод закрывается и через него идет обратный ток, называют обратнымUобр или непропускным. При прямом напряжении сопротивление диода хорошего качества не превышает нескольких десятков Ом, при обратном же напряжении его сопротивление достигнет десятков, сотен килоОм и даже мегаОм.
Зависимость тока через диод от значения и полярности приложенного к нему напряжения изображают в виде кривой, называемой вольт-амперной характеристикой (ВАХ) диода– рис. 21. Здесь по вертикальной оси вверх отложены значения прямого тока Iпр, а внизу — обратного тока Iобр. По горизонтальной оси вправо обозначены значения прямого напряжения Uпp, влево — обратного напряжения Uобр. На ВАХ различают прямую ветвь (в правой верхней части), соответствующую прямому току через диод, и обратную ветвь, соответствующую обратному току. Из нее видно, что ток Iпр диода в сотни раз больше тока Iобр. Так, например, уже при прямом напряжении Uпp = 0,5 В ток Iпр равен 50 мА (точка (а) на характеристике), при Uпp = 1 В он возрастает до 150 мА (точка (б) на характеристике), а при обратном напряжении Uобр = 100 В обратный ток Iобр не превышает 0,5 мА (500 мкА).
Прямая ветвь идет круто вверх, как бы прижимаясь к вертикальной оси. Она характеризует быстрый рост прямого тока через диод с увеличением прямого напряжения. Обратная же ветвь идет почти параллельно горизонтальной оси, характеризуя медленный рост обратного тока. Наличие заметного обратного тока — недостаток диодов.

6. Плоскостные диоды
Примерно такие ВАХ (рис. 21) имеют все германиевые диоды. ВАХ кремниевых диодов чуть сдвинуты вправо. Объясняется это тем, что германиевый диод открывается и начинает проводить ток при прямом напряжении 0,1-0,2 В, а кремниевый при 0,5-0,6 В. Прибор, на примере которого мы рассматривали свойства диода, состоял из двух пластин полупроводников разной электропроводности, соединенных между собой плоскими гранями. Подобные диоды называют плоскостными. В действительности же плоскостной диод представляет собой одну пластину полупроводника, в объеме которой созданы две области разной электропроводности. Технология изготовления таких диодов заключается в следующем. На поверхности квадратной пластины площадью 2-4 мм2 и толщиной в несколько долей миллиметра, вырезанной из кристалла полупроводника с электронной электропроводностью, расплавляют маленький кусочек индия. Индий крепко сплавляется с пластинкой. При этом атомы индия проникают (диффундируют) в толщу пластинки, образуя в ней область с преобладанием дырочной электропроводности (рис. 22, а). Получается полупроводниковый прибор с двумя областями различного типа электропроводности, а между ними р-n переход. Контактами электродов диода служат капелька индия и металлический диск или стержень с выводными проводниками. Так устроены плоскостные германиевые и кремниевые диоды. Внешний вид некоторых из них показан на рис. 22, б, а современное обозначение на принципиальных электрических схемах – на рис. 22, в. Приборы заключены в цельнометаллические или пластиковые корпуса со стеклянными изоляторами, что позволяет использовать их для работы в условиях повышенной влажности. Диоды, рассчитанные на значительные прямые токи, имеют винты с гайками для крепления их на монтажных панелях или шасси радиотехнических устройств. В некоторых случаях такие диоды крепят на теплоотводы (радиаторы). Плоскостные диоды маркируются буквами и цифрами, например: Д226А, Д242Б. Буква Д в маркировке прибора означает «диод», цифры, следующие за нею, заводской порядковый номер конструкции. Буквы, стоящие в конце обозначения диодов, указывают на разновидности групп приборов. Плоскостные диоды предназначены в основном для работы в выпрямителях переменного тока блоков питания радиоаппаратуры, поэтому их называют еще выпрямительными диодами.

6. Точечные диоды
Устройство в значительно увеличенном виде – на рис. 23, а и внешний вид некоторых из точечных диодов – показаны на рис. 23,б. Это диоды серий Д2, Д19 и Д18. Буква «Д» в маркировке означает диод, а цифры – порядковый заводской номер конструкции. Выпрямительным элементом диода служат тонкая и очень маленькая (площадью около 1 мм2) пластина полупроводника германия или кремния n-типа и вольфрамовая проволочка, упирающаяся острым концом в пластину. Они припаяны к отрезкам посеребренной проволоки, являющимися выводами диода. Вся конструкция находится внутри стеклянной трубочки диаметром около 3 и длиной меньше 10 мм, запаянной с концов. После сборки диод формуют — пропускают через контакт между пластиной полупроводника и острием вольфрамовой проволочки ток определенного значения. При этом под острием проволочки в кристалле полупроводника образуется небольшая область с дырочной электропроводностью. Получается p-n переход, обладающий односторонней проводимостью тока. Пластина полупроводника является катодом, а вольфрамовая проволочка — анодом точечного диода.
Вывод анода диодов серии Д9 обозначают цветными метками на их корпусах. Электроды точечного диода серии Д2 обозначают символом диода на одном из его ленточных выводов. У точечного диода площадь соприкосновения острия проволочки с поверхностью пластины полупроводника чрезвычайно мала – не более 50 мкм2. Поэтому токи, которые точечные диоды могут выпрямлять в течение продолжительного времени, малы. Точечные диоды используют, в основном, для детектирования модулированных колебаний высокой частоты, поэтому их часто называют высокочастотными диодами.
На рис. 24 показаны диоды, распаянные на печатной плате.

7. Другие типы диодов

Туннельные диоды. Знаком, напоминающим прямую скобку, обозначают катод туннельных диодов, (рис. 25,а). Их изготавливают из полупроводниковых материалов с очень большим содержанием примеси, в результате чего полупроводник превращается в полуметалл. Благодаря необычной форме ВАХ (на ней имеется участок отрицательного сопротивления) туннельные диоды используют для усиления и генерирования электрических сигналов и в переключающих устройствах. Важным достоинством этих диодов является то, что они могут работать на очень высоких частотах (до 1011 Гц).
Разновидность туннельных диодов — обращенные диоды, у которых при малом напряжении на p-n переходе проводимость в обратном направлении больше, чем в прямом. Используют такие диоды в обратном включении. В условном обозначении обращенного диода черточку-катод изображают с двумя штрихами, касающимися ее своей серединой (рис. 25,б).

Стабилитроны. Прочное место в источниках питания, особенно низковольтных, завоевали полупроводниковые стабилитроны, работающие также на обратной ветви ВАХ. Это плоскостные кремниевые диоды, изготовленные по особой технологии. При включении их в обратном направлении и определенном напряжении на p-n переходе последний «пробивается», и в дальнейшем, несмотря на увеличение тока через p-n переход, напряжение на нем остался почти неизменным. Благодари этому свойству стабилитроны широко применяют в качестве самостоятельных стабилизирующих элементов, а также источников образцовых напряжений в стабилизаторах на транзисторах. Для получения малых образцовых напряжений стабилитроны включают в прямом направлении, при этом напряжение стабилизации одного стабилитрона равно 0,7. 0,8 В. Такие же результаты получаются при включении в прямом направлении обычных кремниевых диодов.
Для стабилизации низких напряжений разработаны и широко применяются специальные полупроводниковые диоды — стабисторы. Отличие их от стабилитронов в том, что они работают на прямой ветви вольт-амперной характеристики, т. е. при включении в прямом (проводящем) направлении.
Чтобы показать на схеме стабилитрон, черточку-катод базового символа дополняют коротким штрихом, направленным в сторону символа анода (рис. 26,а). Следует отметить, что расположение штриха относительно символа анода должно быть неизменным независимо от положения условного обозначения стабилитрона на схеме. Это в полной мере относится и к символу двуханодного (двустороннего) стабилитрона (рис. 26,6), который можно включать в электрическую цепь в любом направлении (по сути, это два встречно включенных одинаковых стабилитрона).

Варикапы. Электронно-дырочный переход, к которому приложено обратное напряжение, обладает свойствами конденсатора. При этом роль диэлектрика играет сам p-n переход, в котором свободных носителей зарядов мало, а роль обкладок — прилежащие слои полупроводника с электрическими зарядами разного знака — электронами и дырками. Изменяя напряжение, приложенное к p-n переходу, можно изменять его толщину, а следовательно, и емкость между слоями полупроводника. Это явление использовано в специальных полупроводниковых приборах — варикапах [от английских слов vari(able) — переменный и cap(acitor) — конденсатор]. Их широко применяют для настройки колебательных контуров, в устройствах автоматической подстройки частоты, а также в качестве частотных модуляторов в различных генераторах.
Условное графическое обозначение варикапа (рис. 27,а) наглядно отражает его суть: дне параллельные черточки воспринимаются как символ конденсатора. Как и конденсаторы переменной емкости, варикапы часто изготовляют и виде блоков (их называют матрицами) с общим катодом и раздельными анодами. Для примера на рис. 27,6 показано обозначение матрицы из двух варикапов, а на рис. 27,в — из трех.

Тиристоры. На основе базового символа диода построены и условные обозначения тиристоров (от греческого thyra — дверь и английского (resi)stor — резистор). Это диоды, представляющие собой чередующиеся слои кремния с электропроводностью типов р и n. Таких слоев в тиристоре четыре, т. е. он имеет три р-n перехода (структура р-n-р- n). Тиристоры нашли широкое применение в различных регуляторах переменного напряжения, в релаксационных генераторах, коммутирующих устройствах и т. д.
Тиристоры с выводами только от крайних слоев структуры называют динисторами и обозначают символом диода, перечеркнутым отрезком линии, параллельной черточке-катоду (рис 28,а). Такой же прием использован и при построении обозначения симметричного динистора (рис. 28, б), проводящего ток (после включения) в обоих направлениях.
Тиристоры с дополнительным (третьим) выводом (от одного из внутрених слоен структуры) называют тринисторами. Управление по катоду в обозначении этих приборов показывают ломаной линией, присоединенной к символу катода (рис. 28,в), по аноду — линией, продолжающей одну из сторон треугольника, символизирующего анод (рис. 28,г). Условное обозначение симметричного (двунаправленного) тринистора получают из символа симметричного динистора добавлением третьего вывода (рис. 28,д).

Фотодиоды. Основной частью фотодиода является переход, работающий при обратном смещении. В его корпусе имеется окошко, через которое освещается кристалл полупроводника. В отсутствие света ток через p-nпереход очень мал — не превышает обратного тока обычного диода. При освещении кристалла обратное сопротивление перехода резко падает, ток через него растет. Чтобы показать такой полупроводниковый диод на схеме, базовый символ диода помещают в кружок, а рядом с ним (слева сверху, независимо от положения символа) изображают знак фотоэлектрического эффекта — две наклонные параллельные стрелки, направленные в сторону символа (рис. 29,а). Подобным образом нетрудно построить и условное обозначение любого другого полупроводникового прибора, изменяющего свои свойства под действием оптического излучения. В качестве примера на рис. 29,6 показано обозначение фотодинистора.

Светодиоды и светодиодные индикаторы. Полупроводниковые диоды, излучающие свет при прохождении тока через р-n переход, называют светодиодами. Включают такие диоды в прямом направлении. Условное графическое обозначение светодиода похоже на символ фотодиода и отличается от него тем, что стрелки, обозначающие оптическое излучение, помещены справа от кружка и направлены в противоположную сторону (рис. 30).

Для отображения цифр, букв и других знаков в низковольтной аппаратуре часто применяют светодиодные знаковые индикаторы, представляющие собой наборы светоизлучающих кристаллов, расположенных определенным образом и залитых прозрачной пластмассой. Условных обозначений для подобных изделий стандарты ЕСКД не предусматривают, но на практике часто используют символы, подобные показанному на рис. 31 (символ семисегментного индикатора для отображения цифр и запятой). Как видно, такое графическое обозначение наглядно отражает реальное расположение светоизлучающих элементов (сегментов) в индикаторе, хотя и не лишено недостатка: оно не несет информации о полярности включения выводов индикатора в электрическую цепь (индикаторы выпускают как с общим для всех сегментов выводом анода, так и с общим выводом катода). Однако особых затруднений это обычно не вызывает, поскольку подключение общего вывода индикатора (как, впрочем, и микросхем) оговаривают на схеме.

Оптроны. Светоизлучающие кристаллы широко используют в оптронах — специальных приборах, применяемых для связи отдельных частей электронных устройств в тех случаях, когда необходима их гальваническая развязка. На схемах оптроны изображают, как показано на рис. 31. Оптическую связь излучателя света (светодиода) с фотоприемником показывают двумя параллельными стрелками, перпендикулярными линиям-выводам оптрона. Фотоприемником в оптроне могут быть не только фотодиод (рис. 32,а), но и фоторезистор (рис. 32,6), фотодинистор (рис. 32,в).

В настоящее время электронная промышленность выпускает громадное количество различных полупроводниковых диодов и подобных им компонентов. Их применение также исключительно широко.

ССЫЛКИ:

Внешняя завершенная оболочка атома должна содержать 8 электронов.

При температуре, близкой к абсолютному нулю (-273,15°С), все полупроводники становятся диэлектриками.

Под ионизацией понимают процессы, в результате которых в веществе образуются свободные носители электрических зарядов – ионы, электроны и даже – протоны. Это может происходить в результате нагревания, механических воздействий, действия различных излучений (в том числе – света), воздействия электрическог и/или магнитного поля.

Сопротивление звуковых катушек таких телефонов составляет несколько килоОм.

Речь идёт о явлении ДИФФУЗИИ (отсюда – диффундировать) – самопроизвольном смешивании веществ, когда атомы одного вещества проникают между атомами другого. Диффузия протекает тем быстрее, чем выше температура вешества.

ЕСКД – единая система конструкторской документации

2 декабря 2012г.

НАЗАД на страницу РАДИОкомпоненты