Диоды
Приставка «ди» в слове «диод» означает «два», она указывает, что в приборе имеются две основные «детали», два тесно примыкающих один к другому полупроводниковых кристалла: один с р-проводимостью (это зона р), другой — с n-проводимостью (это зона n). Фактически же полупроводниковый диод — это один кристалл, в одну часть которого введена донорная примесь (зона n), в другую — акцепторная (зона р). К зонам (областям) тем или иным способом присоединены проводники (выводы диода), с помощью которых он соединяется с внешним миром, включается в электрическую цепь. Вывод диода связанный с областью p называют анодом, а вывод связанный с областью n катодом. Разновидностей полупроводниковых диодов тьма. Делятся они по классам, признакам, по назначению и пр. Бывают диоды из различных полупроводниковых материалов, предназначенные для низких или высоких частот, для выполнения различных функций и отличающиеся друг от друга по конструкции. В зависимости от структуры различают точечные и плоскостные диоды.
У точечных диодов линейные размеры, определяющие площадь p-n-перехода, такие же, как толщина перехода, или меньше ее. У плоскостных диодов эти размеры значительно больше толщины перехода.
Устройство точечного диода
Плоскостные диоды в зависимости от площади перехода обладают емкостью в десятки пикофарад и, соответственно, их применяют на частотах не выше десятков килогерц, а допустимый ток бывает до сотен ампер.
Плоскостные германиевые диоды, изготовленные
сплавным (а) и диффузионным методом(б).
Точечные диоды имеют малую емкость перехода (обычно менее 1 пФ) и поэтому применяются на любых частотах, вплоть до СВЧ. Но они могут пропускать токи не более единиц или десятков миллиампер.
Принцип работы диода.
Осуществим обратное включение — «плюс» батареи подключим к зоне n, «минус» — к зоне р. Свободные заряды мгновенно оттянутся от границы, электроны отойдут к «плюсу», дырки — к «минусу» и в итоге pn-переход превратится в зону без свободных зарядов, в чистый изолятор. А значит, произойдет разрыв цепи, ток в ней прекратится. Правда, небольшой обратный ток через диод все же будет идти. Зарядов этих сравнительно мало, и обратный ток во много раз меньше прямого. Неприятно то, что ток этот зависит от температуры — при нагревании полупроводника число неосновных носителей увеличивается и обратный ток растет.
Принципиальная схема опыта.
|
Обратная проводимость диода. |
Прямая проводимость диода. |
Лампочка как видим не горит. Теперь сменим полярность напряжения на диоде, «плюсом» к зоне р и «минусом» к зоне n, то свободные заряды — электроны и дырки — хлынут к границе, устремятся к р-переходу. Здесь они будут нейтрализовать друг друга, к границе будут подходить новые заряды, и в цепи диода установится постоянный ток. Это так называемое прямое включение диода — заряды интенсивно движутся через него, в цепи протекает сравнительно большой прямой ток. Лампочка загорелась.
Прямая и обратная проводимость диода.
Существует одно обязательное условие для нормальной работы любого полупроводникового диода. Напряжение источника питания должно превышать некоторый порог (величину потенциала внутреннего смещения p-n перехода). Для выпрямительных диодов он как правило - меньше 1 вольта, для германиевых высокочастотных диодов порядка 0,1 вольта. Если диод подключить обратно и постепенно повышать напряжение источника питания, в некоторый момент обязательно наступит обратный электрический пробой p-n перехода. Диод начнет пропускать ток и в обратном направлении, а переход окажется испорченным. Если подключить диод к регулируемому источнику напряжения, то он будет вести себя как показано на рисунке, где представлена вольтамперная характеристика диода. Из нее, в частности, следует, что в прямом включении (т. е. анодом к плюсу источника), после превышения некоторого напряжения, прямой ток через диод (Iпр) растет неограниченно и будет лимитироваться только мощностью источника.
В обратном же включении (катодом к плюсу), ток через диод (Iоб) пренебрежимо мал и составляет несколько микро или даже наноампер для обычных маломощных диодов, или до единиц миллиампер для мощных выпрямительных. Причем для германиевых диодов обратный ток намного выше, чем для кремниевых, отчего их сейчас практически и не применяют. Этот ток сильно зависит от температуры и может возрасти на несколько порядков (от нано до микроампер) при повышении температуры от -50 до +50 °С, поэтому на графике его величина показана очень приблизительно. Далее мы увидим, что существуют и диоды, для которых пробой в обратном включении является рабочим режимом - они называются стабилитронами.
Параметры и характеристики диодов.
Диоды различают по назначению, используемым материалам, типам р-n переходов, конструктивному исполнению, мощности и другим признакам. Широко распространены выпрямительные, импульсные диоды, стабилитроны, туннельные диоды, варикапы, диоды Шотки, тринисторы, фото и светодиоды, симисторы.
Выпрямительные диоды
Применяются в основном, для преобразования переменного тока в постоянный.
Параметры выпрямительных диодов характеризуют электрические и эксплуатационные свойства и подразделяются на статические и динамические. Статические параметры свойственны диодам, работающим при постоянном напряжении; к ним относятся прямой (выпрямленный) ток Iпр, наибольшее допустимое обратное напряжение Uобр, падение напряжения на диоде при номинальном значении прямого тока Unр, обратное сопротивление Rобр, максимально допустимая мощность, рассеиваемая диодом Рmax, рабочий диапазон температур и др. Динамические параметры отражают реакцию диодов на малые приращения тока (напряжения), а также частотные свойства прибора. Ими являются дифференциальное сопротивление где
емкость диода Сд и граничная частота fгр, на которой выпрямленный ток уменьшается в
Выпрямительные диоды малой мощности (до 1 Вт) подразделяют на плоскостные и точечные.
В практике часто требуется получать выпрямленное напряжение, величина которого превышает допустимое обратное напряжение конкретного типа диодов. В этом случае диоды соединяют последовательно. Но поскольку обратные сопротивления диодов имеют значительный разброс, то для равномерного распределения обратных напряжений параллельно каждому диоду необходимо включать резистор, сопротивление которого меньше наименьшего нз обратных сопротивлений диодов. В случаях, когда требуется используется следующий тип.
Диоды средней мощности на токи до 10 А и напряжения до 600 В.
Относятся к плоскостным, так как имеют относительно большую площадь р-п перехода. Кремниевые и германиевые диоды допускают плотность тока в 10 и 2х10 А на 1 м поверхности р-п перехода. Внешне они часто похожи на диоды малой мощности. Отличие заключается в том, что на корпусе имеется не проволочный электрод, а стержень с резьбой, предназначенный для установки диода на металлический радиатор.
Выпрямительные диоды большой мощности на токи до 2000 А.
Применяются в качестве вентилей в мощных выпрямительных установках. Для мощных диодов применяются легированные германий с удельным сопротивлением порядка 0,15—0,2 Ом*м или кремний с сопротивлением 0,5 Ом*м. Площадь пластин выбирают с учетом допустимой плотности тока через р-п переход.
Работа выпрямительного моста
Заменим источник питания постоянного тока, на источник переменного тока, близкого напряжения. Лампочка будет гореть, но более тускло, с небольшим мерцанием. Как мы говорили ранее, переменный ток частотой 50 гц. плавно меняет свое направление 50 раз в секунду. Диод пропустит полуволны направленные в его прямом направлении, и обрежет направленные в обратном.
Таким образом на лампочке окажется выпрямленное напряжение, (пульсирующее) с меньшей частотой (в два раза). Конечное напряжение будет ниже номинального. Описанный процесс выпрямления переменного тока называется однополупериодным.
Для более качественного выпрямления переменного тока применяется так называемая, мостовая схема, из четырех диодов в однофазной цепи. Если на вход диодного моста «~»подать переменный ток, полярность которого меняется с определённой частотой (например, с частотой 50 герц, как в электросети), то на выходе (выводы «+» и «-»мы получим ток строго одной полярности. Правда, этот ток будет иметь пульсации.
Частота их будет вдвое больше, чем частота переменного тока, который подаётся на вход диодного моста. Чтобы «убрать» пульсации необходимо применить фильтр - электролитический конденсатор (большой ёмкости).
Если взглянуть на принципиальные схемы блоков питания, как трансформаторных, так и импульсных, то после моста всегда стоит полярный конденсатор, который сглаживает пульсации тока.
Импульсные диоды
Большая группа диодов, предназначенная для применения в импульсных режимах работы, используется в электронных схемах модуляции и демодуляции входных сигналов систем автоматического регулирования, в информационно-преобразовательных блоках вычислительных устройств, в радиотехнических устройствах. Одно из важнейших требований к ним — надежная работа в цепях с высокой частотой, например до 500 МГц. Импульсные диоды обладают высоким быстродействием, т. е. малым временем восстановления высокого обратного сопротивления при изменении полярности приложенного напряжения с прямой на обратную.
Стабилитрон
Разновидность диодов, предназначенных для стабилизации напряжения.
Стабилитрон - от латинского stabilis (устойчивый, неизменный), это кремниевый полупроводниковый диод, областью стабилизации которого является обратная ветвь вольтамперной характеристики (ВАХ) стабилитрона. Принцип стабилизации заключается в том, что в полупроводниковом кристалле (как правило, кремниевом), сильно легированном примесями в обеих областях, с тонким и резко выраженным р-n переходом, быстро развивается и устанавливается электрический пробой, при котором значительное увеличение обратного тока (тока пробоя) происходит при сравнительно низком и примерно постоянном обратном напряжении (для каждого типа прибора). В р-n переходе небольшой толщины при воздействии обратного напряжения возникает сильное электрическое поле с высокой напряженностью (порядка 1,5*10 В/м), которое становится причиной электрического пробоя р-п перехода.
Стабилитрон работает только в цепях постоянного тока. Напряжение на стабилитрон подают в обратной полярности, то есть на анод стабилитрона будет подан минус "-". При таком включении стабилитрона через него протекает обратный ток I обр от выпрямителя. Напряжение с выхода выпрямителя может изменяться, будет изменяться и обратный ток, а напряжение на стабилитроне и на нагрузке останется неизменным, то есть стабильным. Напомним, стабилитрон работает на обратной ветви ВАХ (Вольт-амперной характеристики). Промышленность выпускает стабилитроны малой, средней и большой мощности: малой н средней на напряжение от 3 до 180 В в цепях мощностью менее 10 Вт, большой мощности (10—50 Вт) на напряжение до 400 В.
На рисунке приведена электрическая схема включения стабилитрона VD1 в цепь постоянного тока, где Rб - резистор (балластный) токоограничивающий. Стабилитрон VD1 включен в обратном направлении его анод (А) подключен к отрицательному потенциалу, катод (К) - к положительному потенциалу.
Разновидность стабилитрона - стабистор. Это кремниевый полупроводниковый стабилитрон, у которого областью стабилизации является ветвь ВАХ в диапазоне изменения прямого тока от минимального до максимального значений, напряжение Uст на стабисторе остается с определенной степенью точности неизменным. При этом, стабистор обозначается как обычный кремниевый стабилитрон.
Для упрощения сборки конструкций, современные производители придумали регуляторы со стабилизацией заданного значения напряжения для разных типов источников питания. Немного можно почитать здесь.
Данные по маркировке и параметрам элементов можно найти в разделе "Справочник"
Читаем далее по теме
