Полупроводниковый диод: принцип работы, применение, классификация
Полупроводниковый диод – это электронный прибор, который изготавливается из полупроводникового материала (серое олово, графит, соединение фосфора и индия, нитрид галлия, теллурид кадмия, сульфид цинка, карбид кремния и др.), и имеет два электрических вывода.
Полупроводниковый диод состоит из из слоев полупроводников типов р и n. На их стыке образуется p-n переход. К р подключен анод, а к n катод. Существует состояние, при котором ни к аноду, ни к катоду не прикладывается напряжение, то есть полупроводниковый диод находится в состоянии покоя. В n располагаются свободные электроны, в р положительно заряженные ионы, которые называют дырками. Из-за того, что существуют частицы с разными знаками, в местах их нахождения возникает электрическое поле, и они притягиваются к друг другу.
Если полупроводниковый диод подключается с обратным напряжением, возникает очень маленький ток (который может быть измерен только в нано- или микроамперах) Из-за сильного напряжения кристаллическая структура диода легко может быть разрушена, что способствует хорошей проводимости электрического тока. При прямом подключении полупроводникового диода, между катодом и анодом должно сохраняться определенное значение напряжения, чтобы диод мог проводить электрический ток. Самыми распространенными материалам для изготовления полупроводникового диода являются германий и кремний. Пример схемы структуры кремниевого полупроводникового диода изображен на рисунке ниже.
Рисунок 1. Схема структуры кремниевого полупроводникового диода. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Полупроводниковые диоды применяются в устройствах питания, для выпрямления низкочастотного переменного тока, для деактивирования маломощных высокочастотных сигналов и для иных целей в промышленной электронике. Диоды классифицируются по:
- Назначению на генераторные, выпрямительные, импульсные, умножительные, параметрические, настроечные, смесительные, переключательные, детекторные.
- Конструкции на туннельные, лавинные, лавинно-пролетные, диоды Шотки, стабилитроны, фотодиоды и другие.
- Частотному диапазону на высокочастотные, низкочастотные и сверхвысокочастотные.
- Размеру перехода на точечные, микросплавные, плоскостные.
Исследование полупроводникового диода и его основные параметры
Исследование полупроводникового диода заключается в получении вольтамперной характеристики.
Вольтамперная характеристика диода – это график зависимости обратного и пропускного тока, который проходит через диод, от напряжения
Уравнение вольтамперной характеристики выглядит следующим образом:
Рисунок 2. Уравнение. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
где, U - напряжение на р-n переходе; Io - обратный ток; Фt - температурный потенциал электрона.
Пример графика вольтамперной характеристики изображен на рисунке ниже.
Рисунок 3. График. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Вольтамперная характеристики реального диода (сплошная линия) находится ниже области прямых напряжений, что связано с падением части приложенного напряжения на объемном сопротивлении диода. В области обратных напряжений данным падением можно пренебречь. Когда достигается критическое значение обратным напряжением, электрический ток диода начинается резко возрастать, это явление получило название - пробой диода. Различают всего два вида пробоев: тепловой и электрический. В обоих случаях резкий рост электрического тока связан с увеличением числа носителей заряда в переходе. Электрический пробой может быть двух видов - лавинный туннельный.
К основным параметрам полупроводникового диода, которые также необходимо определять в процессе его исследования, относятся:
- Пробивное напряжение.
- Диапазон частот полупроводникового диода.
- Постоянный обратный ток диода, представляющий собой постоянный ток, который протекает в обратном направлении при заданном обратном напряжении.
- Постоянное обратное напряжение, представляющее собой значение постоянного напряжения, которое прилагается к диоду в обратном напряжении.
- Постоянный прямой ток диода, представляющий собой значение постоянного тока, который протекает через диод в прямом направлении.
- Постоянное прямое напряжение, представляющее собой прямое напряжение на диоде при установленном постоянном прямом токе.
Заданная надежность полупроводникового диода характеризуется максимально допустимыми параметрами, к которым относятся дифференциальное сопротивление, максимально допустимая рассеиваемая мощность, максимально допустимый постоянный прямой ток, максимально допустимое постоянное обратное напряжение, минимальная и максимальная температура окружающей среды работы диода. Данные параметры тоже определяются в процессе исследования диода.
Максимальная рассеиваемая мощность рассчитывается по формуле:
Рисунок 4. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
где, Тпmax - максимальная температура перехода; То - температура окружающей среды; Rt - сопротивление диода.
Максимально допустимый ток рассчитывается по формуле:
$Iпрmax = Рmax / Uпр$
где Uпр - постоянное прямое напряжение диода.
Формула для максимально допустимого напряжения выглядит следующим образом:
$Uобрmax = 0,8Uпроб$
где, Uпроб - напряжение пробоя.
Дифференциальное сопротивление рассчитывается по формуле:
Рисунок 5. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
где, jU - приращение напряжения на диоде; jI - приращение тока через диод, вызвавший приращение напряжения.
