Какие диоды бывают: Страница не найдена

Содержание

Интересное о LED » Какие бывают светодиоды?

Все светодиоды можно классифицировать по определенным признакам – назначению, мощности, цветности и т.д. Предлагаем рассмотреть каждую классификацию в отдельности.

По типу применения

Все светодиоды по типу применения можно разделить на 2 большие группы – индикаторные и осветительные, а также лазерные.

Индикаторные. Используются в качестве индикаторов, которые встраиваются в габаритные огни автомобилей, светофоры, LED-ленты, гирлянды, электронные устройства и т.д. Эти светодиоды подразделяются на такие виды: DIP, «Пиранья», Strow Hat, SMD.
Осветительные. Их применяют для создания светодиодных светильников разного типа – для улиц, жилых и общественных помещений. Например, модель LeDron 9073-A создана для эксплуатации в сухих помещениях. Из осветительных диодов можно назвать: SMD LED, COB, Filament LED.
Лазерные. Это малая группа светодиодов, которые нельзя отнести ни к осветительным, ни к индикаторным. По конструкции это полупроводниковые элементы, обработанные особым образом так, чтобы генерировать сверхузкий луч света. Используются в устройствах для нанесения точной разметки, лазерных указках, компьютерных мышах и т.д.

Каких цветов бывают светодиоды?

Различие диодов по цветам излучения – первое, что приходит на ум. Действительно, это самая заметная разница между полупроводниковыми элементами. Цвет свечения будет зависеть от длины волны излучения.

Самый распространенный цвет свечения светодиодов – белый. В зависимости от цветовой температуры (измеряется в Кельвинах) он может быть нейтральным, теплым или холодным. Также встречаются зеленый оттенок свечения светодиодов, синий, красный, желтый, оранжевый и белый.

Это все касалось только монохромных оттенков свечения. Но есть и формат RGB, когда светодиодное устройство (например, RGB LED лента) может воспроизводить разноцветный спектр излучения. Фактически это достигается установкой монохромных диодов вместе. Это полупроводниковые кристаллы с красным излучением (R – “red”), зеленым (G – “green”) и синим (B – “blue”).

При подключении контроллера к осветительному прибору начинается воспроизведение свечения кристаллов в заданном порядке, что и создает светодинамический эффект многоцветного излучения.

Какой мощности бывают светодиоды?

Еще одна характеристика, по которой различают полупроводниковые элементы – мощность. Мощность диода, как правило, напрямую связана с его яркостью – чем мощнее элемент, тем более яркий поток света он создает. При этом он будет и потреблять больше электроэнергии, и требовать более эффективного отвода тепла в корпусе осветительного прибора.

Светодиоды с самой малой мощностью – индикаторные, а также диоды поверхностной установки (SMD). В среднем, показатель их мощности равен 0,06-0,2 Ватт. К мощным моделям будут относиться брендовые полупроводниковые кристаллы (таких производителей, как CREE, Osram и других). Показатель их мощности будет достигать значения в 2,6 Ватт.

На какое напряжение бывают светодиоды?

Как такового понятия напряжения у светодиодов нет. Фактически определяется лишь величина напряжения на выходе диода после прохождение через него номинального тока, а через эту величину определяется напряжение на самом кристалле.

Зависит это напряжение от цвета излучения LED-элемента. К примеру, для красных и желтых диодов напряжение будет варьироваться от 1,8 до 2,4 вольт, а для белых, синих и зеленых будет доходить до 3 вольт.

Какой формы и размеров бывают диоды?

Также LED-элементы можно разделять по формам и размерам. Они могут иметь различную форму:

Цилиндрическую;
Квадратную;
Прямоугольную.

Размеры будут определяться в миллиметрах. Для цилиндрических диодов указываются размеры высоты и диаметра, для квадратных и прямоугольных – размеры сторон. Например, распространенный ЧИП-светодиод SMD 3528 имеет размеры сторон 3,5 x 2,8 мм.

Все светодиоды имеют свое предназначение и могут использоваться в разных сферах – в конструкциях светильников для жилых помещений (к примеру, в модели LeDron SCOPE B), в светодиодных лентах разного назначения, в прожекторной подсветке и т.д.

Чтобы подробнее узнать про конструкцию светодиодов, их составные части и устройство, советуем прочитать статью «Как делают светодиоды».

Какие бывают светодиоды: обзор основных типов и характеристик

Светодиодные осветительные приборы набирают популярность с каждым годом и уже почти полностью вытеснили с рынка лампы накаливания, галогенные и люминесцентные лампы. Спрос, как известно, рождает предложение: производители неустанно работают над расширением возможностей светодиодов и LED-технологий, стремясь обогнать конкурентов и представить потребителю уникальный, невиданный ранее продукт. Однако, для того, чтобы оценить их старания по-достоинству, обывателю стоит немного углубиться в эту тему: узнать, какие бывают светодиоды и разобраться в их базовых характеристиках. Мы рекомендуем каждому не пренебрегать этими знаниями, ведь грамотно подобранная и организованная иллюминация способна вывести освещение и световой декор на совершенно новый уровень. Кроме того, светодиоды используются для индикации в электроприборах, автомобильных фарах и т.д.

Специально для вас в этой статьем мы собрали информацию об основных типах светодиодов, используемых в продуктах LED-освещения и индикации и их применении на практике. После прочтения, вы сможете не только выбрать нужную лампочку или люстру, но и даже собрать светодиодный светильник своими руками.

Применение светодиодов

Любой светодиод — это полупроводниковый диод, “упакованный” в оптическую оболочку (линзу), который излучает свет при контакте с электротоком. В зависимости от типа полупроводника и линзы световые диоды излучают свет разной мощности, направленности и в широком цветовом спектре.

В зависимости от общих характеристик и способа применения наиболее широкая классификация светодиодов включает два вида:

индикаторные;
осветительные.

Первые используются, преимущественно, для световой индикации работы технического оборудования, подсветки приборных панелей, дисплеев, рекламных вывесок, производства новогодних гирлянд, световых табло. Этот тип светодиодов характеризуется относительно небольшими мощностью и яркостью.

Вторые обладают высокой интенсивностью светового излучения и, соответственно названию, используются для производства осветительных приборов, инструментов интерьерной подсветки, автомобильных фар, фонарей и фонариков и т.п.

Помимо прочего, стоит сказать, что излучение светодиодов не ограничивается видимой областью спектра. Так, существуют ультрафиолетовые светодиоды, которые получили широкое распространение в самых различных устройствах: от ультрафиолетовых принтеров до медицинского и криминалистического оборудования.

Кроме того, световые диоды используются в сельском хозяйстве в качестве искусственного света для эффективного круглогодичного выращивания растений.

Разбираемся в маркировке светодиодов

Ассортимент LED-кристаллов включает определенные виды светодиодов, обозначенные определенной маркировкой:

DIP;
Super Flux “Piranha”;
SMD;
COB;
Filament LED.

Давайте рассмотрим каждый подробнее.

1. DIP

Распространенное название — индикаторные световые диоды для выводного монтажа. Представляют собой светоизлучающие кристаллы “упакованы” в выпуклый корпус-линзу. Обладают малой силой свечения и используются в качестве индикаторов. Для освещения малоэффективны. Считаются устаревшим.

2. SMD

Яркие светодиоды, являющиеся противоположностью DIP. Именно такие элементы используют для производства большинства видов светодиодной продукции для освещения и подсветки. Например, светодиодных лент.

Они не просто представлены в широком цветовом спектре, но могут сочетать в себе несколько оттенков. По этому признаку разделяют:

Монохромные SMD-кристаллы с одним цветом свечения;
Многоцветные (RGB) модели. Оснащены тремя три кристаллами (R – красный, G – зеленый, B – синий), для многоцветного освещения. Продукция с такими диодами может регулироваться с помощью пульта управления.

3. Super Flux “Piranha” или “Пиранья”.

Представляют собой сверхъяркие диоды в прямоугольном корпусе с четырьмя выводами для надежного крепления на плате. Необычный корпус обеспечивает улучшенные рассеивающие свойства. Подходит для рекламной и автомобильной подсветки.

4. COB

Данная маркировка светодиода расшифровуется как Chip On Board или чип на плате. Представляет собой ряд кристаллов SMD, размещенных на широкой плате и покрытых люминофором. Особенность данного типа — широкий угол рассеивания светового потока — не менее 180 градусов. Используется, в основном, для общего потолочного освещения.

5. Straw Hat.

Необычный декоративный вид диода, в народе именуемый как “светодиодная лампа накаливания”. Вместо нити накаливания, на электродах закреплены трубчатые платы со светодиодами, напоминающие эти самые нити.

Характеристики светодиодов

Надеемся, что смогли помочь определиться с тем, какие виды светодиодов (типы светодиодов) вам необходимы. Однако, это еще не все. Для того, чтобы правильно выбрать световой элемент, необходимо разобраться в его характеристиках. В их число входит:

величина тока потребления;
напряжение и цвет;
рассеиваемая мощность.
угол свечения;
температура свечения;
размер диода;
срок деградации.

Ниже мы рассмотрим каждую характеристику светодиодов подробнее.

1. Величина тока потребления светодиода

Величина тока одного светодиода, в подавляющем большинстве случаев, равна 20мА. Ток потребления светодиодного прибора определяется количеством светодиодов в нем. Для нормальной и долговечной работы диода необходимо обеспечивать стабильность величины поступающего тока. Для этого в конструкции приборов предполагаются стабилизаторы и резисторы.

2. Номинальное напряжение и цвет.

Должно соответствовать величине тока, иначе диод будет излучать слабое свечение или вовсе перегорит. Интересно то, что напряжение напрямую зависит от материала, из которого изготовлен полупроводник, а значит — его цвета. Таким образом, по размеру напряжения можно определить цветовой спектр светодиода, а по цвету — размер напряжения.

При выборе, опирайтесь на данную таблицу:

ИК — 1,1-1,6 V
Красный — 1,5-2,6 V
Оранжевый — 1,7-2,8 V
Желтый — 1,7-2,5 V
Зеленый — 1,7-4,0 V
Голубой — 3,2 — 4,5 V
Белый — 2,7 — 4,3 V

Такими показателями руководствуется любая марка светодиодов на рынке.

3. Рассеиваемая мощность.

Важная характеристика, по которой можно определить, например, какой блок питания нужно выбрать для определенного количества элементов. Измеряется в мВт. Для того, чтобы рассчитать нужную мощность диодной лампочки для замены лампы накаливания, нужно разделить величину мощности лампы накаливания на 8.

4. Угол свечения.

Зависит от вида леддиода: у осветительных светодиодов угол свечения больше, у индикаторных — меньше. Чем меньше угол, тем более направленный свет излучает прибор.

5. Температура свечения.

Характеристика, в которой должен разбираться каждый. Например, для выбора лампочки.

Теплые оттенки — 2700-3000К,
Нейтральные оттенки — 3500-4000К,
Холодные оттенки (лампы дневного света) — 5700-7000К.

Эти цифры, как правило, указаны прямо на упаковке осветительного прибора.

6. Размер диода.

Здесь все и так понятно. Для каждого устройства размеры светодиода подбираются индивидуально.

7. Срок деградации.

“Жизненный” период светодиодов, который может не соответствовать заявленному в силу нестабильной работы неправильной эксплуатации.

Радио для всех — 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

Условные обозначения диодов

Ток в полупроводниках

Диоды сверхвысокочастотные: Переключательные диоды — Club155.ru

Переключательные диоды предназначены для применения в устройствах коммутации СВЧ сигналов (в защитных устройствах, в устройствах переключения типа “прием/передача”, в сканируемых антенных решетках и т.п.). Работа таких диодов основана на изменении их полного сопротивления на частоте сигнала в зависимости от величины и полярности напряжения смещения. Переключательные диоды бывают двух типов — резонансные и структуры \(p\)‑\(i\)‑\(n\) (см. диоды структуры p-i-n).

В резонансных диодах используется возможность получения последовательного или параллельного резонанса контура, составленного из реактивностей диода. Параметры схемы подбирают таким образом, чтобы при прямом смещении возникал резонанс параллельного контура, характеризующийся большим сопротивлением. При обратном смещении наступает резонанс последовательного контура и сопротивление диода резко падает. Такие диоды позволяют коммутировать СВЧ сигнал мощностью до 1 кВт в импульсном режиме и до 10 Вт в непрерывном режиме с временем переключения не более 20 нс.

Для повышения уровня коммутируемой мощности требуется увеличивать площадь перехода, что приводит к росту его емкости. Увеличение площади перехода при незначительной емкости достигается в \(p\)-\(i\)-\(n\)-диодах. Основой любого \(p\)-\(i\)-\(n\)-диода является многослойная полупроводниковая структура, наиболее простой вид которой показан на рис. 2.8-4.

Рис. 2.8-4. Структура p-i-n-диода

Высокоомная внутренняя \(i\)-область имеет обычно толщину от единиц до сотен микрон, концентрация носителей заряда в ней составляет примерно 10¹³ см^‑3. Если источник внешнего постоянного напряжения подключен положительным полюсом к слою \(p\), а отрицательным — к \(n\), то в \(i\)-слое увеличивается концентрация электронов и дырок из-за инжекции дырок из \(p\)‑области и аккумуляции электронов из \(n\)-области. При этом концентрация инжектированных носителей составляет 10¹⁶…10¹⁷ см^-3. Через структуру протекает постоянный ток прямого направления. Обычно плотность тока составляет около 10 А/см². При обратном смещении количество носителей в \(i\)-слое падает относительно начального значения (10¹³ см^-3) еще примерно на порядок. Таким образом, количество носителей в \(i\)-слое при переходе от режима прямого тока к режиму обратного смещения меняется на четыре порядка. Примерно также меняется проводимость \(i\)‑слоя.

Вольт-амперная характеристика \(p\)-\(i\)-\(n\)-диода, снятая на постоянном токе, качественно не отличается от вольт-амперной характеристики \(p\)-\(n\)-диода (рис. 2.8‑5). Главной отличительной особенностью \(p\)-\(i\)-\(n\)-диода является то, что он представляет собой инерционную нелинейность. Механизм воздействия на диод напряжения СВЧ радикально отличается от воздействия постоянного напряжения или напряжения сравнительно низких частот.

Рис. 2.8-5. Статическая вольт-амперная характеристика p-i-n-диода и воздействие на него СВЧ сигнала

При воздействии на диод прямого постоянного тока в \(i\)-слое появляется накопленный заряд. При параллельном включении диода в передающую линию в нем протекает ток СВЧ. Влияние этого тока на накопленный заряд, т.е. на проводимость диода, много слабее, чем постоянного тока. Это объясняется тем, что изменение заряда, происходящее в положительный полупериод тока СВЧ, много меньше накопленного заряда. При отрицательных полупериодах СВЧ колебаний, когда ток через диод должен был бы отсутствовать (рис. 2.8‑5), изменение накопленного заряда и соответственно проводимости диода также оказывается незначительным.

Разница в воздействии на проводимость диода постоянного и СВЧ токов возрастает с увеличением времени жизни носителей заряда и повышением частоты колебаний СВЧ. При нулевом или отрицательном смещении низкая проводимость диода, ввиду его инерционности, сохраняется при сравнительно больших напряжениях СВЧ. Короткие положительные импульсы напряжения продолжительностью менее половины периода СВЧ колебаний (рис. 2.8‑5) недостаточны для изменения проводимости диода. Таким образом, для СВЧ колебаний, как в режиме прямого тока, так и в режиме обратного смещения, \(p\)‑\(i\)‑\(n\)‑диод может в первом приближении рассматриваться как стационарный линейный двухполюсник.

Мощность коммутируемого \(p\)‑\(i\)‑\(n\)‑диодами сигнала может достигать сотен киловатт в импульсе. Однако время переключения у этих диодов больше, чем у резонансных переключательных диодов, поскольку в основу их работы положены инерционные процессы инжекции и рассасывания носителей зарядов. При значительном увеличении СВЧ тока или снижении частоты колебаний в \(p\)-\(i\)-\(n\)-диодах может наблюдаться изменение проводимости диода под влиянием СВЧ сигналов, а также эффекты детектирования. Эти явления, с одной стороны, снижают значение коммутируемой мощности, а с другой стороны — полезны при построении полупроводниковых ограничителей СВЧ.

К основным параметрам переключательных диодов относятся: потери запирания (\(L_з\)) и потери пропускания (\(L_{пр}\)), связанные с ними параметр качества (\(K\)) и критическая частота диода (\(f_{кр}\)), время прямого и обратного восстановления, накопленный заряд и др.

Потери запирания (\(L_з\)) и потери пропускания (\(L_{пр}\)). Для любого переключательного диода характерны два основных режима работы. Первый режим — это такое состояние диода, когда коммутируемый им сигнал соответствующей мощности и частоты свободно проходит через коммутируемую цепь (режим пропускания). Второй режим заключается в блокировании диодом коммутируемой цепи на частоте коммутируемого сигнала (режим запирания). Коммутация осуществляется путем изменения сопротивления диода на рабочей частоте. Режиму запирания соответствует малое сопротивление, а режиму пропускания — высокое сопротивление. Для описания основных свойств диодного коммутатора в обоих режимах используется величина, равная отношению мощности СВЧ сигнала, подводимого к коммутационному устройству, к мощности проходящей через это устройство. Такое отношение, выражаемое обычно в децибелах, для режима запирания называется потерями запирания (\(L_з\)), а для режима пропускания — потерями пропускания (\(L_{пр}\)). Зная потери можно легко определить мощность, рассеиваемую на диоде в том или ином режиме работы:

\(P_{рас} = \cfrac{2 P_{пад}}{L} \left( \sqrt{L} -1 \right)\) .

Очевидно, что в режиме запирания рассеиваемая мощность выше и не должна превышать значения максимально допустимого для конкретного используемого в схеме диода.

Качество диода (\(K\)).2\) .

Обычно в системе параметров переключательного диода содержатся: критическая частота, емкость и СВЧ сопротивление при определенном значении прямого тока. Активное сопротивление диода при отрицательном смещении может быть найдено исходя из приведенных выше формул.

< Предыдущая		Следующая >

какие бывают типы и разновидности диодов в лампочки, мелкие и сверхмалые светодиоды для ламп и светодоидных светильников > Свет и светильники

Узнайте, что такое подсветка для унитаза, как она работает и устанавливается. Читайте, чем полезен датчик движения, какими возможностями он обладает. Запомните, как выбирать подходящий прибор и в каких странах их чаще всего производят….

12 03 2021 0:11:55

Выясняем, почему может мигать лампочка при включенном и выключенном свете. Как найти причину, по которой моргает энергосберегающая или светодиодная лампа. Как исправить мигающие источники света….

08 03 2021 18:50:34

Узнайте, что такое подсветка WLED, каковы ее преимущества и чем она отличается от альтернативных видов конструкции. Выясните, какие изменения такая технология вносит в цветопередачу, уточните остальные преимущества, возможности и особенности….

01 03 2021 21:53:30

Узнайте, отчего иногда появляется ощутимый гул при работе светодиодных ламп. Читайте, какие причины его вызывают, как их обнаружить и устранить. Запомните наиболее распространенные источники, чтобы при необходимости не тратить время на бесполезные поиски….

18 02 2021 15:27:11

Читайте здесь, какие лампы ближнего света стоят на Ниве Шевроле, на что обратить внимание при выборе им замены, как правильно выполнить их переустановку и какие другие возможные неполадки могут стать причиной выходя из строя фар….

14 02 2021 19:42:23

Читайте здесь, какие характеристики имеют светодиоды Cree Q5, какие основные особенности имеют ультра-яркие их модификации High Brightness, каковы главные плюсы и минусы светодиодов Q5, какие аналоги существуют и как отличить оригинал от подделки….

06 02 2021 9:52:53

Читайте, в чем состоят особенности конструкции светодиодов мощностью 3 ватта. Узнайте, его технические характеристики, специфические качества элементов и схему подключения светильников….

01 02 2021 16:52:33

Узнайте, что такое лазерный диод, как он устроен, принцип действия и разновидности. Читайте, какими особенностями обладают элементы с разной длиной волны и цветом луча. Уточните для себя специфику подключения и необходимость использования дополнительных устройств….

29 01 2021 9:36:40

Читайте здесь, что такое светодиодная подсветка из светодиодной ленты и какими главными параметрами она характеризуется. Как сделать светодиодную подсветку своими руками. Основные правила и схемы подключения для одноцветных и RGB-лент. В каких случаях нужен радиатор и что использовать в качестве его основы….

27 01 2021 14:20:22

Узнайте, какие лампы используются для ближнего света в фарах Мицубиси Лансер 10. Сохраните для себя списки популярных и эффективных моделей подобных светильников. Читайте, как производится замена ближнего света на Лансере 10, какие предохранители отвечают за эти лампы, и где их можно найти….

11 01 2021 10:56:16

Узнайте, что такое энергосберегающие лампы, какие виды предлагаются в магазинах, чем они отличаются друг от друга. Читайте, как выбрать лампочку по мощности, размерам, цоколю, мощности потока света, производителю. Почему компактные люминесцентные и светодиодные лампы лучше, чем лампочки накаливания….

20 12 2020 10:28:38

Читайте здесь, что такое линзы для светодиодов, каков их принцип действия и назначения, какие виды увеличительных стекол применятся сегодня для лед-светильников, какие их модели устанавливаются на автомобильную оптику, чего изготавливаются и как собрать оптическую систему на их основе своими руками….

20 11 2020 0:33:17

Читайте здесь, что такое галогеновые лампы, чем они отличаются от обычных лампочек накаливания, какое у них устройство, принцип работы, плюсы и минусы, а также какие их виды существуют для домашнего применения и каковы их главные особенности….

16 11 2020 23:53:51

Читайте, какие светодиодные ленты предлагает рынок, какая Led лента лучшая для дома. Узнайте, как расшифровать маркировку и выбрать изделие по напряжению, мощности, световой отдаче, цвету. Как подобрать драйвер для приобретенной ленты. Как определить длину отрезка, если блок питания уже куплен….

13 11 2020 17:30:37

Читайте, какие светодиодные ленты доступны на рынке, чем они отличаются друг от друга. Узнайте устройство светодиодной ленты на 12 вольт, Критерии выбора и способы подключения к сети. Как рассчитать мощность блока питания, когда требуется включение в схему контроллера и усилителей….

01 11 2020 11:12:46

Узнайте, чем 3014 SMD отличаются от других чипов, используемых для изготовления модулей для освещения и подсветки. Узнайте, как подключать к питанию ленты и отдельные светодиоды. Как рассчитать параметры сопротивления и других элементов схемы. Как проверить работоспособность 3014 SMD в домашних условиях….

29 10 2020 4:31:31

1.Полупроводниковые диоды, классификация и их краткая характеристика.

Полупроводниковыйдиод— прибор с одним p-n-переходом и двумя выводами, в котором используются свойства перехода. Диоды бывают точечными и плоскостные.В точечном диоде используется пластинка германия или кремния; с пластинкой соприкасается заостренная стальная проволочка. и создается большой ток (несколько ампер), Точеные диоды используют в основном для выпрямления.

Выпрямительный диод − полупроводниковый диод, предназначенный для впрямления переменного тока. Для уменьшения разогрева мощных диодов прямым током принимают специальные меры для их охлаждения: монтаж на радиаторах, обдув и т. д.Для получения более высокого обратного напряжения диоды можно включать последовательно. Стабилитрон – полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока и который служит для стабилизации напряжения. Он представляет собой кремниевый диодПри этом напряжение на диоде незначительно зависит от протекающего тока. Важным параметром стабилитрона является температурный коэффициент напряжения ТКU , который показывает, на сколько процентов изменится напряжение стабилизации при изменении температуры полупроводника на 1С. Стабилизацию постоянного напряжения можно получить с помощью диода, включенного в прямом направлении. Кремниевые диоды, предназначенные для этой цели, называют стабисторами. Туннельный диод — полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольт-амперных характеристиках при прямом напряжении участка с отрицательной дифференциальной электрической проводимостью. Материалом для туннельных диодов служит сильнолегированный германий или арсенид галлия. Обращённый диод –– диод на основе полупроводника с критической концентрацией примесей, в котором электрическая проводимость при обратном напряжении вследствие туннельного эффекта значительно больше, чем при прямом напряжении. Обращённые диоды представляют собой разновидность туннельных диодов. Варикап — полупроводниковый диод, в котором используется зависимость ёмкости p-n-перехода от обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой ёмкостью. Варикапы применяют в системах дистанционного управления и автоматической подстройки частоты и в параметрических усилителях с малым уровнем собственных шумов .Фотодиоды, полупроводниковые фотоэлементы и светодиоды. В этих трёх типах диодов используется эффект взаимодействия оптического излучения (видимого, инфракрасного или ультрафиолетового) с носителями заряда (электронами и дырками) в запирающем слое p-n-перехода возникает видимое или инфракрасное излучение.

Магнитодиод — полупроводниковый диод, в котором используется изменение вольт-амперной характеристики под действием магнитного поля.В качестве магнитодиодов используют выпрямительные диоды на основе германия или кремния с увеличенной толщиной полупроводникового материала. Тензодиод — полупроводниковый диод, в котором используется изменение вольт-амперной характеристики под действинм механических деформаций.В качестве тензодиодов обычно применяют туннельные диоды, у которых отдельные участки вольт-амперной характеристики существенно зависят от деформации рабочего тела диода.

Технические характеристики светодиодов SMD 3528, 5050, 5630, 5730, параметры и типы

Рассмотрим технические характеристики светодиодов с потребительской точки зрения, не будем рассматривать ненужные параметры, которые особо не влияют не эксплуатацию. Посмотрим только на важные характеристики, ведь в основном нас интересует, какое напряжение на него подать, и что бы он светил ярче и дольше.

Среди множества типов диодов, наибольшую популярность получили SMD 3528, SMD 5050, SMD 5630, SMD 5730. По цифровому обозначению можно видеть, какой размер корпуса используется. Например, SMD3528 это размеры 3,5 мм на 2,8мм.

Содержание

1. Реальная мощность китайских ЛЕД
2. Таблица характеристик фирменных
3. Сравним размеры и яркость
4. Сравнение энергоэффективности LED диодов
5. Графики характеристик светодиода SMD 5730

Реальная мощность китайских ЛЕД

Размер кристалла у маломощных китайских, на примере SMD5630 SMD5730

90% китайской продукции, например на базаре Aliexpress, изготовлена на маломощных диодах, которые гораздо слабей фирменных. Фирменные, это производства Samsung, LG, Philips и другие. Китайцы этим активно пользуются, указывая параметры, как будто там установлены Самсунги. После покупки оказывается, что яркость и мощность ниже в 3-4 раза, чем обещал продавец.

Чтобы отличить плохой LED от хорошего, ознакомитесь со статьей «Характеристики светодиодов«. Подробно описал, как зависит мощность от размера кристалла, массы и других свойств.

	Китайские 5630, 5730 тип №1	Китайские 5630, 5730 тип №2	Китайский 5050
Мощность	0,09W	0,15W	0,1W
Яркость	7 лм	12 лм	8 люмен

Получается, что китайский 5630 (5730) на 0,15W слабее фирменного 5050 на 0,2W. Будьте бдительны при выборе товара.

Таблица характеристик фирменных

Параметр	3528	5050	5630	5730-05	5730-1
Световой поток, Лм	5	15	40	40	100
Мощность	0,06 Вт	0,2 Вт	0,5 Вт	0,5 Вт	1 Вт
Температура	до + 65	до + 65	до + 80	до + 80	до + 80
Ток, ампер	0,02	0,06	0,15	0,15	0,300
Напряжение, Вольт	3,3	3,3	3,3	3,4	3,4
Габариты, мм	3,5 x 2,8	5 x 5	5,3 x 3	4,8 x 3	4,8 x 3

В таблице указаны усредненные характеристики светодиодов белого света с самыми популярными параметрами. Лампы теплого белого и холодного белого света обычно имеют меньший световой поток. Так же при одинаковой яркости света, диод белого света дает лучшее освещение, чем другие.

В основном характеристики зависят от производителя с колебанием плюс-минус 15%. Лучшие параметры обеспечивают конечно именитые европейские, японские, китайские бренды. LED диоды неизвестных производителей конечно похуже, но еще у них никто не гарантирует заявленный срок службы. Самый плохой вариант, когда вам по низкой цене предлагают светодиоды промаркированные как фирменные, хотя неизвестно кем они сделаны. Главным образом подделку от бренда можно отличить только при помощи измерения всех параметров и сравнением с заявленными.

Бюджетные светодиоды неизвестного производителя обычно очень слабые, вместо положенных 0,5W будет всего 0,15W или 0,09W. Так делают китайцы, чтобы дешевку выдать за фирменный. Но это они компенсируют втрое большим количеством диодов. Такие диоды работают максимум 20.000 часов. Чаще всего встречаются на кукурузах и светодиодной ленте SMD 5630.

Сравним размеры и яркость

Сравнение диодов на светодиодной ленте 5050, 3528, 5630. В большой импровизированной коробке сделаем замеры освещенности каждого диода. Наглядно видно разницу в освещенности и направленность угла освещения.

Сравнение энергоэффективности LED диодов

Световой поток Люмен на Ватт:

SMD 3528 – 70 Лм/Вт;
SMD 5050 – 80 Лм/Вт;
SMD 5630 – 80 Лм/Вт;
SMD 5730-05 – 80 Лм/Вт;
SMD 5730-1 – 100 Лм/Вт;

Развитие светодиодных технологий идет в направлении увеличения количества Люмен на единицу площади. Соответствие светового на единицу мощности с изменением поколения ЛЕД диодов меняется не очень сильно. Если сравнить светодиод SMD 3528 и 5730-1, то почти при одинаковой площади светоизлучающего элемента мощность светового потока увеличилась в 22 раза, а энергопотребление в 15 раз.

Графики характеристик светодиода SMD 5730

: определение, символ и типы диодов

Что такое диод?

Хотя в реальных условиях диоды не могут добиться нулевого или бесконечного сопротивления. Вместо этого диод будет иметь незначительное сопротивление в одном направлении (для обеспечения протекания тока) и очень высокое сопротивление в обратном направлении (до предотвращает протекание тока ).По сути, диод похож на вентиль в электрической цепи.

Полупроводниковые диоды — наиболее распространенный тип диодов. Эти диоды начинают проводить электричество только при наличии определенного порогового напряжения в прямом направлении (то есть в направлении «низкого сопротивления»). Диод называется « с прямым смещением », когда ток проходит в этом направлении. При подключении к схеме в обратном направлении (то есть в направлении «высокого сопротивления») диод называется « с обратным смещением ».

Диод называется « с прямым смещением », когда ток проходит в этом направлении. При подключении к схеме в обратном направлении (то есть в направлении «высокого сопротивления») диод называется « с обратным смещением ».

Диод блокирует ток только в обратном направлении (т. Е. Когда он смещен в обратном направлении), пока обратное напряжение находится в заданном диапазоне. Выше этого диапазона происходит преодоление обратного барьера. Напряжение, при котором происходит этот пробой, называется «обратным напряжением пробоя».

Когда напряжение в цепи выше, чем напряжение обратного пробоя, диод может проводить электричество в обратном направлении (то есть в направлении «высокого сопротивления»). Вот почему на практике мы говорим, что диоды имеют высокое сопротивление в обратном направлении, а не бесконечное сопротивление.

PN переход — это простейшая форма полупроводникового диода. В идеальных условиях этот PN-переход ведет себя как короткое замыкание, когда он смещен в прямом направлении, и как разомкнутый контур, когда он смещен в обратном направлении.Название «диод» происходит от слова «диод», что означает устройство с двумя электродами. Диоды обычно используются во многих проектах в области электроники и включены во многие из лучших стартовых комплектов Arduino.

Символ диода

Символ диода показан ниже. Стрелка указывает в направлении обычного потока тока в состоянии прямого смещения. Это означает, что анод подключен к стороне p, а катод подключен к стороне n.

Мы можем создать простой диод с PN-переходом, легируя пятивалентную или донорную примесь в одной части и трехвалентную или акцепторную примесь в другой части кристаллического блока кремния или германия.

Эти легирующие примеси образуют PN переход в средней части блока. Мы также можем сформировать PN-переход, соединив полупроводник p-типа и полупроводник n-типа вместе с помощью специальной технологии изготовления. Клемма, подключенная к р-типу, является анодом. Вывод, подключенный к стороне n-типа, является катодом.

Принцип работы диода

Принцип работы диода зависит от взаимодействия полупроводников n-типа и p-типа. Полупроводник n-типа имеет много свободных электронов и очень мало дырок.Другими словами, мы можем сказать, что концентрация свободных электронов высока, а дырок очень мала в полупроводнике n-типа.

Свободные электроны в полупроводнике n-типа называются основными носителями заряда, а дырки в полупроводнике n-типа называются неосновными носителями заряда.

Полупроводник p-типа имеет высокую концентрацию дырок и низкую концентрацию свободных электронов. Дырки в полупроводнике p-типа являются основными носителями заряда, а свободные электроны в полупроводнике p-типа являются неосновными носителями заряда.

Если вы предпочитаете видео-объяснение того, что такое диод, посмотрите видео ниже:

Несмещенный диод

Теперь давайте посмотрим, что происходит, когда одна область n-типа и одна область p-типа войти в контакт. Здесь из-за разницы концентраций большинство носителей проникает из стороны в сторону. Поскольку концентрация дырок высока в области p-типа и низкая в области n-типа, дырки начинают диффундировать из области p-типа в область n-типа.

И снова концентрация свободных электронов высока в области n-типа и мала в области p-типа, и по этой причине свободные электроны начинают диффундировать из области n-типа в область p-типа.

Свободные электроны, диффундирующие в область p-типа из области n-типа, рекомбинируют с имеющимися там дырками и создают непокрытые отрицательные ионы в области p-типа. Точно так же дырки, диффундирующие в область n-типа из области p-типа, будут рекомбинировать со свободными электронами, доступными там, и создавать непокрытые положительные ионы в области n-типа.

Таким образом, вдоль линии соединения этих двух типов полупроводников появится слой отрицательных ионов на стороне p-типа и слой положительных ионов в области n-типа. Слои непокрытых положительных ионов и непокрытых отрицательных ионов образуют область в середине диода, где нет носителей заряда, поскольку все носители заряда рекомбинируются здесь, в этой области. Из-за отсутствия носителей заряда эта область называется обедненной.

После образования обедненной области диффузия носителей заряда с одной стороны на другую в диоде больше не происходит.Это связано с тем, что электрическое поле, возникающее в обедненной области, предотвращает дальнейшую миграцию носителей заряда с одной стороны на другую.

Потенциал слоя непокрытых положительных ионов на стороне n-типа будет отталкивать дырки на стороне p-типа, а потенциал слоя непокрытых отрицательных ионов на стороне p-типа будет отталкивать свободные электроны на стороне p-типа. сторона n-типа. Это означает, что на стыке создается потенциальный барьер для предотвращения дальнейшей диффузии носителей заряда.

Диод с прямым смещением

Теперь давайте посмотрим, что произойдет, если положительный вывод источника подключен к стороне p-типа, а отрицательный вывод источника подключен к стороне n-типа диода, и если мы увеличим напряжение этого источника медленно с нуля.

Вначале через диод нет тока. Это связано с тем, что, хотя к диоду приложено внешнее электрическое поле, большинство носителей заряда все еще не получают достаточного влияния внешнего поля, чтобы пересечь область обеднения.Как мы уже говорили, область обеднения действует как потенциальный барьер против основных носителей заряда.

Этот потенциальный барьер называется прямым потенциальным барьером. Большинство носителей заряда начинают пересекать прямой потенциальный барьер только тогда, когда значение внешнего приложенного напряжения на переходе превышает потенциал прямого барьера. Для кремниевых диодов потенциал прямого барьера составляет 0,7 В, а для германиевых диодов — 0,3 В.

Когда внешнее прямое напряжение на диоде становится больше, чем прямой барьерный потенциал, свободные основные носители заряда начинают пересекать барьер и вносят свой вклад в прямой ток диода.В этой ситуации диод будет вести себя как короткозамкнутый путь, и прямой ток будет ограничиваться только внешними резисторами, подключенными к диоду.

Диод с обратным смещением

Теперь посмотрим, что произойдет, если мы подключим отрицательный вывод источника напряжения к стороне p-типа, а положительный вывод источника напряжения — к стороне n-типа диода. В этом состоянии из-за электростатического притяжения отрицательного потенциала источника дырки в области p-типа будут больше смещаться от перехода, оставляя больше открытых отрицательных ионов на переходе.

Таким же образом свободные электроны в области n-типа будут больше смещаться от перехода к положительному выводу источника напряжения, оставляя в переходе больше непокрытых положительных ионов.

В результате этого явления область истощения становится шире. Это состояние диода называется состоянием обратного смещения. В этом случае основные носители не пересекают перекресток, а вместо этого удаляются от перекрестка. Таким образом, диод блокирует прохождение тока при обратном смещении.

Как мы уже говорили в начале статьи, в полупроводнике p-типа всегда есть несколько свободных электронов, а в полупроводнике n-типа есть дырки. Эти противоположные носители заряда в полупроводнике называются неосновными носителями заряда.

В состоянии обратного смещения дырки, оказавшиеся на стороне n-типа, легко пересекли бы область обеднения с обратным смещением, поскольку поле в области обеднения не присутствует, а скорее помогает неосновным носителям заряда пересекать область обеднения.

В результате через диод протекает крошечный ток от положительной стороны к отрицательной. Амплитуда этого тока очень мала, так как количество неосновных носителей заряда в диоде очень мало. Этот ток называется током обратного насыщения.

Если обратное напряжение на диоде превышает безопасное значение из-за более высокой электростатической силы и из-за более высокой кинетической энергии неосновных носителей заряда, сталкивающихся с атомами, ряд ковалентных связей разрывается, обеспечивая огромное количество свободных электронов. -отверстие пары в диоде и процесс накопительный.

Огромное количество таких генерируемых носителей заряда способствовало бы возникновению большого обратного тока в диоде. Если этот ток не ограничен внешним сопротивлением, подключенным к цепи диода, диод может навсегда выйти из строя.

Типы диодов

Типы диодов включают:

Стабилитрон
PN-переходный диод
Туннельный диод
Варакторный диод
Диод Шоттки

9010 Фотодиод 9010 Лавинный диод

Светодиод

Диоды специального назначения | Диоды и выпрямители

Диоды Шоттки

S Диоды Шоттки построены из металлического перехода к N, а не из полупроводникового перехода P-N.Также известные как диоды с горячими носителями , диоды Шоттки характеризуются быстрым временем переключения (малым временем обратного восстановления), низким прямым падением напряжения (обычно от 0,25 до 0,4 В для перехода металл-кремний) и низкой емкостью перехода.

Условное обозначение диода Шоттки показано на рисунке ниже.

Преимущества и недостатки диодов Шоттки

Прямое падение напряжения (VF), время обратного восстановления (trr) и емкость перехода (CJ) диодов Шоттки ближе к идеалу, чем у среднего «выпрямляющего» диода.Это делает их подходящими для высокочастотных приложений. К сожалению, диоды Шоттки обычно имеют более низкие номинальные значения прямого тока (IF) и обратного напряжения (VRRM и VDC), чем выпрямительные диоды, и поэтому не подходят для приложений, требующих значительного количества энергии. Хотя они используются в источниках питания импульсных стабилизаторов низкого напряжения.

Применение диодов Шоттки

находит широкое применение в высокоскоростных компьютерных схемах, где быстрое время переключения соответствует высокой скорости, а низкое прямое падение напряжения означает меньшее рассеивание мощности при проведении.

, работающие на частоте 100 кГц, не могут использовать обычные кремниевые диоды в качестве выпрямителей из-за их низкой скорости переключения. Когда сигнал, подаваемый на диод, изменяется с прямого на обратное смещение, проводимость продолжается в течение короткого времени, в то время как носители уносятся из области обеднения. Проводимость прекращается только после того, как истечет время обратного восстановления tr . Диоды Шоттки имеют более короткое время обратного восстановления.

Независимо от скорости переключения, 0.Прямое падение напряжения на кремниевых диодах 7 В приводит к снижению эффективности источников питания с низким напряжением. Это не проблема, скажем, при питании 10 В. При питании 1 В падение 0,7 В составляет значительную часть выходной мощности. Одним из решений является использование силового диода Шоттки с меньшим прямым падением.

Туннельные диоды

Туннельные диоды используют странное квантовое явление, называемое резонансным туннелированием , для обеспечения характеристик прямого смещения с отрицательным сопротивлением. Когда на туннельный диод подается небольшое прямое смещение, он начинает проводить ток.(Рисунок ниже (b)) По мере увеличения напряжения ток увеличивается и достигает пикового значения, называемого пиковым током (IP). Если напряжение увеличивается еще немного, ток фактически начинает уменьшаться с до , пока не достигнет нижней точки, называемой током впадины (IV). Если напряжение еще больше увеличивается, ток снова начинает увеличиваться, на этот раз не снижаясь в другую «долину». Схематическое обозначение туннельного диода показано на рисунке (а) ниже.

Туннельный диод (a) Условное обозначение. (b) График зависимости тока от напряжения (c) Осциллятор.

Прямые напряжения, необходимые для управления туннельным диодом до его пикового и минимального токов, известны как пиковое напряжение (VP) и минимальное напряжение (VV), соответственно. Область на графике, где ток уменьшается при увеличении приложенного напряжения (между VP и VV по горизонтальной шкале), известна как область отрицательного сопротивления .
Туннельные диоды
, также известные как диоды Esaki в честь их японского изобретателя Лео Эсаки, способны очень быстро переключаться между пиковыми и минимальными уровнями тока, «переключаясь» между высоким и низким состояниями проводимости намного быстрее, чем даже диоды Шоттки.На характеристики туннельного диода также относительно не влияют изменения температуры.

Зависимость напряжения обратного пробоя от уровня легирования. После Сзе [SGG]

Характеристики туннельных диодов

Туннельные диоды сильно легированы как в P-, так и в N-областях, что в 1000 раз превышает уровень выпрямителя. Это видно на рисунке выше. Стандартные диоды находятся слева, стабилитроны слева, а туннельные диоды — справа от пунктирной линии. Сильное легирование дает необычно тонкую обедненную область.Это создает необычно низкое напряжение обратного пробоя с высокой утечкой. Тонкая обедненная область вызывает высокую емкость. Чтобы преодолеть это, площадь перехода туннельного диода должна быть крошечной.

Прямая характеристика диода состоит из двух областей: нормальная прямая характеристика диода с экспоненциальным ростом тока сверх VF, 0,3 В для Ge, 0,7 В для Si.

Между 0 В и VF имеется дополнительный характеристический пик «отрицательного сопротивления». Это происходит из-за квантово-механического туннелирования, связанного с двойственной частицей-волновой природой электронов.Область обеднения достаточно тонкая по сравнению с эквивалентной длиной волны электрона, через которую они могут туннелировать. Им не нужно преодолевать нормальное прямое напряжение на диоде VF. Уровень энергии зоны проводимости материала N-типа перекрывает уровень валентной зоны в области P-типа. С повышением напряжения начинается туннелирование; уровни перекрываются; ток увеличивается до определенного предела. При дальнейшем увеличении тока уровни энергии перекрываются меньше; ток уменьшается с увеличением напряжения.Это часть кривой «отрицательного сопротивления».

Применение туннельных диодов

Туннельные диоды не являются хорошими выпрямителями, поскольку они имеют относительно высокий ток утечки при обратном смещении. Следовательно, они находят применение только в специальных схемах, где имеет значение их уникальный туннельный эффект. Чтобы использовать туннельный эффект, в этих диодах поддерживается напряжение смещения где-то между пиковым и минимальным уровнями напряжения, всегда с прямым смещением полярности (положительный анод и отрицательный катод).

Возможно, наиболее распространенное применение туннельного диода — в простых схемах высокочастотного генератора, как на рисунке (c) выше, где он позволяет источнику постоянного напряжения вносить мощность в LC-«резервуар», диод проводит ток, когда напряжение на нем достигает пикового (туннельного) уровня и эффективно изолирует при всех остальных напряжениях. Резисторы смещают туннельный диод на несколько десятых вольта с центром на участке отрицательного сопротивления характеристической кривой. Резонансный контур L-C может быть частью волновода для работы в микроволновом режиме.Возможны колебания до 5 ГГц.

История туннельных диодов

Когда-то туннельный диод был единственным доступным твердотельным СВЧ-усилителем. Туннельные диоды были популярны с 1960-х годов. Они были более долговечными, чем ламповые усилители бегущей волны, что является важным фактором в спутниковых передатчиках. Туннельные диоды также устойчивы к излучению из-за сильного легирования.

Сегодня различные транзисторы работают на сверхвысоких частотах. Даже туннельные диоды с малым сигналом дороги, и их трудно найти сегодня.Остается один производитель германиевых туннельных диодов и ни одного производителя кремниевых устройств. Иногда их используют в военной технике, поскольку они нечувствительны к радиации и большим перепадам температуры.

Были проведены некоторые исследования, связанные с возможной интеграцией кремниевых туннельных диодов в интегральные схемы КМОП. Считается, что они могут переключаться на частоте 100 ГГц в цифровых схемах. Единственный производитель германиевых устройств производит их по одному. Необходимо разработать пакетный процесс для кремниевых туннельных диодов, а затем интегрировать его с обычными процессами CMOS.[SZL]

Туннельный диод Esaki не следует путать с резонансно-туннельным диодом CH 2, более сложной конструкции из сложных полупроводников. RTD — это более поздняя разработка, способная работать с более высокой скоростью.

Светодиоды

Принцип излучения лучистой энергии

Диоды, как и все полупроводниковые устройства, регулируются принципами, описанными в квантовой физике. Один из этих принципов — излучение излучательной энергии определенной частоты всякий раз, когда электроны падают с более высокого энергетического уровня на более низкий энергетический уровень.

Тот же принцип работает в неоновой лампе — характерное розово-оранжевое свечение ионизированного неона из-за специфических энергетических переходов его электронов посреди электрического тока. Уникальный цвет свечения неоновой лампы обусловлен тем фактом, что неон находится внутри трубки, а не определенным количеством тока через трубку или напряжением между двумя электродами. Неоновый газ светится розовато-оранжевым светом в широком диапазоне ионизирующих напряжений и токов.Каждый химический элемент имеет свою собственную «сигнатуру» излучения лучистой энергии, когда его электроны «прыгают» между различными квантованными уровнями энергии. Например, газообразный водород при ионизации светится красным светом; пары ртути светятся синим светом. Это то, что делает возможной спектрографическую идентификацию элементов.

Излучение лучистой энергии в светодиодах

Электроны, протекающие через PN-переход, испытывают аналогичные переходы по уровню энергии и при этом излучают лучистую энергию. Частота этой лучистой энергии определяется кристаллической структурой полупроводникового материала и составляющими его элементами.Некоторые полупроводниковые переходы, состоящие из особых химических комбинаций, излучают лучистую энергию в спектре видимого света, когда электроны меняют уровни энергии. Проще говоря, эти переходы светятся при прямом смещении. Диод, специально спроектированный так, чтобы светиться как лампа, называется светодиодом или светодиодом .

Электролюминесценция

Кремниевые диоды с прямым смещением выделяют тепло, когда электрон и дырки из областей N-типа и P-типа соответственно рекомбинируют в переходе.В светодиодах с прямым смещением рекомбинация электронов и дырок в активной области на рисунке (c) ниже дает фотоны. Этот процесс известен как электролюминесценция . Чтобы испускать фотоны, потенциальный барьер, через который падают электроны, должен быть выше, чем для кремниевого диода. Падение прямого диода может достигать нескольких вольт для некоторых цветных светодиодов.

Диоды, изготовленные из комбинации элементов галлия, мышьяка и фосфора (называемые арсенид-фосфид галлия ), светятся ярко-красным светом и являются одними из наиболее распространенных производимых светодиодов.Изменяя химический состав PN-перехода, можно получить разные цвета. Ранние поколения светодиодов были красными, зелеными, желтыми, оранжевыми и инфракрасными, более поздние поколения включали синий и ультрафиолетовый, причем фиолетовый был последним цветом, добавленным к выбору. Другие цвета могут быть получены путем объединения двух или более светодиодов основного цвета (красного, зеленого и синего) в одном корпусе с использованием одной и той же оптической линзы. Это позволило использовать многоцветные светодиоды, такие как трехцветные светодиоды (коммерчески доступные в 1980-х годах), с использованием красного и зеленого (которые могут создавать желтый цвет), а затем светодиоды RGB (красный, зеленый и синий), которые покрывают весь цветовой спектр.

Схематическое обозначение светодиодов

Схематический символ светодиода представляет собой диод правильной формы внутри круга с двумя маленькими стрелками, указывающими в сторону (обозначающими излучаемый свет), как показано на рисунке (a) ниже.

Светодиод, светоизлучающий диод: (а) схематический символ. (b) Плоская сторона и короткий вывод устройства соответствуют катоду, а также внутреннему устройству катода. (c) Поперечное сечение светодиодной матрицы.

Это обозначение наличия двух маленьких стрелок, указывающих в сторону от устройства, является общим для схематических символов всех светоизлучающих полупроводниковых устройств.И наоборот, если устройство светится — активировано (это означает, что входящий свет стимулирует его), тогда на символе будут две маленькие стрелки, указывающие на . Светодиоды могут воспринимать свет. Они генерируют небольшое напряжение при воздействии света, как в небольших солнечных батареях. Это свойство может с успехом применяться в различных светочувствительных схемах.

Работа светодиода

Поскольку светодиоды состоят из других химических веществ, чем кремниевые диоды, их прямое падение напряжения будет другим.Обычно светодиоды имеют гораздо большее прямое падение напряжения, чем выпрямительные диоды, от 1,6 до более 3 вольт, в зависимости от цвета. Типичный рабочий ток для светодиода стандартного размера составляет около 20 мА. При работе светодиода от источника постоянного напряжения, превышающего прямое напряжение светодиода, необходимо включить последовательно подключенный «падающий» резистор, чтобы предотвратить повреждение светодиода полным напряжением источника. Рассмотрим пример схемы на рисунке (а) ниже с использованием источника 6 В.

Установка тока светодиода на 20 мА.(а) для источника 6 В, (б) для источника 24 В.

При падении на светодиоде 1,6 В на резисторе будет 4,4 В. Подобрать резистор для тока светодиода 20 мА так же просто, как взять его падение напряжения (4,4 В) и разделить на ток цепи (20 мА) в соответствии с законом Ома (R = E / I). Это дает нам цифру 220 Ом.

Рассчитывая рассеиваемую мощность для этого резистора 220 Ом, мы берем его падение напряжения и умножаем на его ток (P = IE), и получаем 88 мВт, что находится в пределах номинала резистора 1/8 Вт.

Более высокое напряжение батареи потребует понижающих резисторов большего номинала, а также, возможно, резисторов большей мощности. Рассмотрим пример на рисунке (b) выше для напряжения питания 24 В:

Здесь резистор сброса должен быть увеличен до размера 1,12 кОм, чтобы упасть 22,4 вольт при 20 мА, чтобы светодиод по-прежнему получал только 1,6 вольт. Это также способствует увеличению рассеиваемой мощности резистора: 448 мВт, почти половина ватта мощности! Очевидно, что резистор, рассчитанный на рассеивание мощности 1/8 Вт или даже 1/4 Вт, при использовании здесь будет перегреваться.

Падение резисторов в цепях светодиодов

Значения падающего резистора для цепей светодиодов не обязательно должны быть точными. Предположим, мы должны были использовать резистор 1 кОм вместо резистора 1,12 кОм в схеме, показанной выше. В результате будет немного больше ток в цепи и падение напряжения на светодиодах, что приведет к более яркому свету светодиода и небольшому сокращению срока службы. Падение резистора со слишком большим сопротивлением (скажем, 1,5 кОм вместо 1,12 кОм) приведет к меньшему току цепи, меньшему напряжению светодиода и более тусклому свету.Светодиоды довольно устойчивы к колебаниям подаваемой мощности, поэтому вам не нужно стремиться к совершенству в выборе размера понижающего резистора.

Несколько светодиодов в цепи

Иногда требуется несколько светодиодов, например, в освещении. Если светодиоды работают параллельно, каждый из них должен иметь свой собственный ограничивающий ток резистор, как показано на рисунке (а) ниже, чтобы обеспечить более равномерное разделение токов. Однако более эффективно использовать светодиоды последовательно (рисунок (b) ниже с одним падающим резистором. По мере увеличения количества последовательно подключенных светодиодов значение последовательного резистора должно уменьшаться до определенного значения для поддержания тока.Количество последовательно соединенных светодиодов (Vf) не может превышать мощность источника питания. Можно использовать несколько последовательностей строк, как показано на рисунке (c) ниже.

Несмотря на выравнивание токов в нескольких светодиодах, яркость устройств может не совпадать из-за различий в отдельных частях. Детали могут быть выбраны для согласования яркости для критических приложений.

Несколько светодиодов: (а) параллельно, (б) последовательно, (в) последовательно-параллельно

Кроме того, из-за своего уникального химического состава светодиоды имеют гораздо более низкие значения пикового обратного напряжения (PIV), чем обычные выпрямительные диоды.Типичный светодиод может быть рассчитан только на 5 В в режиме обратного смещения. Следовательно, при использовании переменного тока для питания светодиода, подключите защитный выпрямительный диод встречно-параллельно со светодиодом, чтобы предотвратить обратный пробой через каждый второй полупериод, как показано на рисунке (a) ниже.

Управление светодиодом с помощью AC

Противопараллельный диод на Рисунке (а) выше можно заменить встречно-параллельным светодиодом. Получившаяся пара встречно-параллельных светодиодов загорается на чередующихся полупериодах синусоидального сигнала переменного тока.Эта конфигурация потребляет 20 мА, равномерно распределяя его между светодиодами в чередующихся полупериодах переменного тока. Из-за этого разделения каждый светодиод получает только 10 мА. То же самое и с антипараллельной комбинацией светодиодов с выпрямителем. Светодиод получает только 10 мА. Если для светодиода (-ов) требовалось 20 мА, значение резистора можно было бы уменьшить вдвое.

Типовые характеристики светодиодов

Прямое падение напряжения светодиодов обратно пропорционально длине волны (λ). По мере уменьшения длины волны от инфракрасного к видимому и ультрафиолетовому цветам Vf увеличивается.Хотя эта тенденция наиболее очевидна для различных устройств от одного производителя, диапазон напряжений для светодиодов определенного цвета от разных производителей различается. Этот диапазон напряжений показан в таблице ниже.

Оптические и электрические свойства светодиодов

Светодиод λ нм (= 10 ^-9 м) V _f (начиная с) V _f (к)

инфракрасный 940 1.2 1,7

красный 660 1,5 2,4

оранжевый 602-620 2,1 2,2

желтый, зеленый 560-595 1,7 2,8

белый, синий, фиолетовый – 3 4

ультрафиолет 370 4,2 4,8

Светодиоды против ламп накаливания

Как лампы, светодиоды во многих отношениях превосходят лампы накаливания.

Прежде всего, это эффективность: светодиоды излучают намного больше световой мощности на ватт потребляемой электроэнергии, чем лампы накаливания. Это значительное преимущество, если рассматриваемая схема питается от батареи, эффективность которой приводит к увеличению срока службы батареи.

Во-вторых, светодиоды намного надежнее и имеют гораздо больший срок службы, чем лампы накаливания. Это связано с тем, что светодиоды являются «холодными» устройствами: они работают при гораздо более низких температурах, чем лампа накаливания с раскаленной добела металлической нитью накаливания, подверженной поломке от механических и термических ударов.

В-третьих, это высокая скорость включения и выключения светодиодов. Это преимущество также связано с «холодным» режимом работы светодиодов: им не нужно преодолевать тепловую инерцию при переключении из выключенного состояния во включенное или наоборот. По этой причине светодиоды используются для передачи цифровой (вкл. / Выкл.) Информации в виде световых импульсов, проводимых в пустом пространстве или по оптоволоконному кабелю, с очень высокой скоростью (миллионы импульсов в секунду).
Светодиоды
превосходны в монохроматических системах освещения, таких как светофоры и автомобильные задние фонари.Лампы накаливания ужасны в этом приложении, поскольку требуют фильтрации, снижая эффективность. Светодиоды не требуют фильтрации.

Недостатки светодиодов

Одним из основных недостатков использования светодиодов в качестве источников освещения является их монохроматическое (одноцветное) излучение. Никто не хочет читать книгу при свете красного, зеленого или синего светодиода. Однако при использовании в комбинации цвета светодиодов могут быть смешаны для более широкого спектра свечения. Новый источник света широкого спектра — белый светодиод.В то время как маленькие белые панели индикаторов доступны уже много лет, устройства уровня освещенности все еще находятся в стадии разработки.

Эффективность и срок службы светодиодов и различного освещения

Эффективность освещения

Тип лампы КПД люмен / ватт Срок службы банкнот

Белый светодиод 35 100 000 дорого

Белый светодиод, будущее 100 100 000 Цель НИОКР

Лампа накаливания 12 1000 недорого

Галоген 15-17 2000 высококачественный свет

Компактный люминесцентный 50–100 10 000 рентабельно

Пары натрия, LP 70-200 20 000 на открытом воздухе

Пары ртути 13-48 18 000 на открытом воздухе

Белый светодиод — это синий светодиод, возбуждающий люминофор, излучающий желтый свет.Синий плюс желтый соответствует белому свету. Природа люминофора определяет характеристики света. Красный люминофор может быть добавлен для улучшения качества смеси желтого и синего за счет эффективности. В таблице выше сравниваются светодиоды с белой подсветкой с ожидаемыми в будущем устройствами и другими обычными лампами. Эффективность измеряется в люменах светоотдачи на ватт входной мощности. Если устройство мощностью 50 люмен / ватт можно улучшить до 100 люмен / ватт, белые светодиоды будут сравнимы по эффективности с компактными люминесцентными лампами.

История светодиодов

светодиодов в целом были основным объектом исследований и разработок с 1960-х годов. Из-за этого нецелесообразно охватить все геометрические формы, химические составы и характеристики, которые были созданы за десятилетия. Первые устройства были относительно тусклыми и потребляли умеренные токи. В последующих поколениях эффективность была повышена до такой степени, что опасно смотреть внимательно и прямо на светящийся светодиод. Это может привести к повреждению глаз, а для светодиодов требуется лишь незначительное увеличение падающего напряжения (Vf) и тока.Современные устройства высокой интенсивности достигают 180 люмен при использовании 0,7 А (82 люмен / ватт, холодный белый цвет серии Luxeon Rebel), и даже модели с более высокой интенсивностью могут использовать еще более высокие токи с соответствующим увеличением яркости. Другие разработки, такие как квантовые точки, являются предметом текущих исследований, поэтому ожидайте увидеть новые возможности для этих устройств в будущем.

Лазерные диоды

Лазеры

Лазерный диод является дальнейшим развитием обычного светодиода или светодиода.Сам термин «лазер» на самом деле является аббревиатурой, несмотря на то, что он часто пишется строчными буквами. «Лазер» означает L ight A , усиление S с таймером E миссия R и относится к другому странному квантовому процессу, при котором характерный свет, излучаемый электронами, падает с высокого уровня на низкий. Энергетические состояния в материале стимулируют другие электроны в веществе совершать аналогичные «прыжки», в результате чего происходит синхронизированный выход света из материала.Эта синхронизация распространяется на фактическую фазу излучаемого света, так что все световые волны, излучаемые «лазерным» материалом, имеют не только одну и ту же частоту (цвет), но и одинаковую фазу, так что они усиливают одну другой и могут путешествовать в очень плотно ограниченном недиспергирующем пучке. Вот почему лазерный свет остается так замечательно сфокусированным на больших расстояниях: каждая световая волна, исходящая от лазера, синхронизируется друг с другом.

(а) Белый свет многих длин волн.(б) Монохроматический светодиодный свет с одной длиной волны. (c) Фазово-когерентный лазерный свет.

Лампы накаливания излучают «белый» (смешанный по частоте или смешанный цвет) свет, как показано на рисунке (а) выше. Обычные светодиоды излучают монохроматический свет: одинаковой частоты (цвета), но разных фаз, что приводит к аналогичной дисперсии луча на рисунке (b). Лазерные светодиоды излучают когерентный свет : свет, который является как монохроматическим (одноцветным), так и однофазным (однофазным), что обеспечивает точное удержание луча, как показано на рисунке (c).

Лазерный свет находит широкое применение в современном мире: все, от геодезии, где прямой и не рассеивающий световой луч очень полезен для точного наведения на измерительные маркеры, до считывания и записи оптических дисков, где только узкая сфокусированная лазерный луч способен разрешать микроскопические «ямки» на поверхности диска, состоящие из двоичных единиц и нулей цифровой информации.

Некоторые лазерные диоды требуют специальных мощных «импульсных» цепей для передачи большого количества напряжения и тока короткими импульсами.Другие лазерные диоды могут работать непрерывно с меньшей мощностью. В лазере непрерывного действия действие лазера происходит только в определенном диапазоне диодного тока, что требует некоторой формы схемы регулятора тока. По мере старения лазерных диодов их требования к мощности могут изменяться (требуется больший ток для меньшей выходной мощности), но следует помнить, что маломощные лазерные диоды, такие как светодиоды, являются довольно долговечными устройствами с типичным сроком службы в несколько десятков лет. тысячи часов.

Фотодиоды

Фотодиод — это диод, оптимизированный для создания потока электронного тока в ответ на облучение ультрафиолетовым, видимым или инфракрасным светом.Кремний чаще всего используется для изготовления фотодиодов; однако можно использовать арсенид германия и галлия. Переход, через который свет попадает в полупроводник, должен быть достаточно тонким, чтобы пропускать большую часть света в активную область (область истощения), где свет преобразуется в пары электронов-дырок.

На рисунке ниже мелкая диффузия P-типа в пластину N-типа создает PN-переход около поверхности пластины. Слой P-типа должен быть тонким, чтобы пропускать как можно больше света.Сильная диффузия N + на обратной стороне пластины контактирует с металлизацией. Верхняя металлизация может быть тонкой сеткой из металлических пальцев на верхней части пластины для больших ячеек. В небольших фотодиодах верхний контакт может быть единственным соединительным проводом, контактирующим с оголенной кремниевой крышкой P-типа.

Фотодиод: схематическое изображение и поперечное сечение.

Как работают фотодиоды?

Интенсивность света, попадающего в верхнюю часть стопки фотодиодов, экспоненциально спадает в зависимости от глубины.Тонкий верхний слой P-типа позволяет большинству фотонов проходить в обедненную область, где образуются электронно-дырочные пары. Электрическое поле в обедненной области из-за встроенного потенциала диода заставляет электроны попадать в N-слой, а дырки — в P-слой.

На самом деле электронно-дырочные пары могут быть образованы в любой из полупроводниковых областей. Однако те, которые образуются в области истощения, скорее всего, будут разделены на соответствующие N- и P-области. Многие электронно-дырочные пары, образующиеся в P- и N-областях, рекомбинируют.Лишь немногие делают это в области истощения. Таким образом, несколько электронно-дырочных пар в N- и P-областях и большая часть в обедненной области вносят вклад в фототок , который возникает в результате падения света на фотодиод.

Работа фотодиода

Может наблюдаться напряжение на фотодиоде. Работа в этом фотоэлектрическом режиме (PV) не является линейным в большом динамическом диапазоне, хотя он чувствителен и имеет низкий уровень шума на частотах менее 100 кГц.Предпочтительным режимом работы часто является режим фототока (PC) , потому что ток линейно пропорционален световому потоку в течение нескольких десятилетий интенсивности, и может быть получена более высокая частотная характеристика. Режим ПК достигается с обратным смещением или нулевым смещением на фотодиоде. Усилитель тока (трансимпедансный усилитель) следует использовать с фотодиодом в режиме ПК. Линейность и режим PC достигаются до тех пор, пока диод не смещен в прямом направлении.

Фотодиоды часто требуют высокоскоростной работы, а не солнечных элементов.Скорость — это функция емкости диода, которую можно минимизировать, уменьшив площадь ячейки. Таким образом, датчик для высокоскоростной оптоволоконной линии связи будет использовать площадь не больше, чем необходимо, скажем, 1 мм2. Емкость также можно уменьшить, увеличивая толщину обедненной области в процессе производства или увеличивая обратное смещение на диоде.

Различные типы PIN-диодов

ПИН-диод Пин-диод или ПИН-диод представляет собой фотодиод с внутренним слоем между P- и N-областями, как показано на рисунке ниже.Структура P — I ntrinsic- N увеличивает расстояние между проводящими слоями P и N, уменьшая емкость, увеличивая скорость. Объем светочувствительной области также увеличивается, повышая эффективность преобразования. Полоса пропускания может увеличиваться до 10 ГГц. Фотодиоды с PIN-кодом являются предпочтительными из-за высокой чувствительности и скорости при умеренной стоимости.

Фотодиод
PIN: собственная область увеличивает толщину обедненной области.

Лавинный фотодиод: Лавинный фотодиод (APD) , предназначенный для работы при высоком обратном смещении, демонстрирует эффект электронного умножителя, аналогичный фотоэлектронному умножителю. Обратное смещение может составлять от 10 вольт до почти 2000 В. Высокий уровень обратного смещения ускоряет созданные фотонами электронно-дырочные пары во внутренней области до достаточно высокой скорости, чтобы освободить дополнительные носители от столкновений с кристаллической решеткой. Таким образом, получается много электронов на фотон.Мотивация для APD состоит в том, чтобы добиться усиления внутри фотодиода для преодоления шума во внешних усилителях. В некоторой степени это работает. Однако APD создает собственный шум. На высокой скорости APD превосходит комбинацию усилителей с PIN-диодами, но не для низкоскоростных приложений. APD дороги, примерно столько же, сколько фотоэлектронный умножитель. Таким образом, они могут конкурировать только с фотодиодами с PIN-кодом для нишевых приложений. Одно из таких приложений — подсчет одиночных фотонов применительно к ядерной физике.

Солнечные элементы

Фотодиод, оптимизированный для эффективной подачи энергии на нагрузку, — это фотоэлемент . Он работает в фотоэлектрическом режиме (PV), потому что он смещен в прямом направлении напряжением, возникающим на сопротивлении нагрузки.

Монокристаллические солнечные элементы

Монокристаллические солнечные элементы производятся по технологии, аналогичной обработке полупроводников. Это включает выращивание монокристаллической були из расплавленного кремния высокой чистоты (P-типа), хотя и не такой высокой чистоты, как для полупроводников.Були распиливают алмазной пилой или проволочной пилой на вафли. Концы були должны быть выброшены или переработаны, а силикон теряется в пропиле пилы. Поскольку современные клетки почти квадратные, кремний теряется при возведении були в квадрат. Клетки можно протравить для придания текстуры (придания шероховатости) поверхности, чтобы помочь улавливать свет внутри клетки. При производстве квадратных пластин 10 или 15 см теряется значительная часть кремния. В наши дни (2007 г.) производители солнечных элементов обычно закупают пластины на этом этапе у поставщика полупроводниковой промышленности.

Компоненты солнечных батарей

Пластины P-типа загружаются встык в лодочки из плавленого кварца, открывая только внешнюю поверхность для легирующей примеси N-типа в диффузионной печи. В процессе диффузии наверху ячейки образуется тонкий слой n-типа. Распространение также сокращает края ячейки спереди назад. Чтобы раскоротить клетку, необходимо удалить периферию путем плазменного травления. Серебряная или алюминиевая паста нанесена на заднюю часть ячейки, а серебряная сетка — на передней. Они спекаются в печи для обеспечения хорошего электрического контакта.(Рисунок ниже)

Ячейки соединены последовательно металлическими лентами. Для зарядки 12-вольтовых батарей 36 ячеек с напряжением приблизительно 0,5 В ламинируются в вакууме между стеклом и металлической полимерной задней панелью. Стекло может иметь текстурированную поверхность, которая помогает улавливать свет.

Кремниевый солнечный элемент

Конечные коммерческие высокоэффективные (21,5%) монокристаллические кремниевые солнечные элементы имеют все контакты на задней стороне элемента. Активная площадь ячейки увеличивается за счет перемещения верхних (-) контактных проводников к задней части ячейки.Верхние (-) контакты обычно подключаются к кремнию N-типа в верхней части ячейки. На рисунке ниже (-) контакты соединены с диффузорами N ⁺ на дне, чередующимися с (+) контактами. Верхняя поверхность текстурирована, чтобы помочь улавливать свет внутри ячейки. [VSW]

Высокоэффективный солнечный элемент со всеми контактами на задней панели. Взято из рисунка 1 [VSW]

Различные виды солнечных батарей

Элементы из мультикристаллического кремния начинаются с заливки расплавленного кремния в прямоугольную форму.Когда кремний охлаждается, он кристаллизуется в несколько больших (от миллиметров до сантиметров) беспорядочно ориентированных кристаллов вместо одного. Остальная часть процесса такая же, как и для монокристаллических ячеек. На готовых ячейках видны линии, разделяющие отдельные кристаллы, как если бы ячейки были треснутыми. Высокая эффективность не так высока, как у монокристаллических ячеек, из-за потерь на границах кристаллических зерен. Поверхность ячейки нельзя придать шероховатости травлением из-за случайной ориентации кристаллов. Однако антибликовое покрытие повышает эффективность.Эти ячейки конкурентоспособны во всех областях, кроме космических.

Трехслойный элемент : Солнечный элемент с наивысшей эффективностью представляет собой набор из трех элементов, настроенных на поглощение различных частей солнечного спектра. Хотя три ячейки могут быть установлены друг на друга, монолитная монокристаллическая структура из 20 полупроводниковых слоев более компактна. При КПД 32% в настоящее время (2007 г.) он предпочтительнее кремния для космического применения. Высокая стоимость не позволяет найти множество приложений, связанных с землей, кроме концентраторов на основе линз или зеркал.

В результате интенсивных исследований недавно была разработана версия, улучшенная для земных концентраторов на 400–1000 солнц и КПД 40,7%. Для этого требуется либо большая недорогая линза Френеля, либо отражатель и небольшая площадь дорогого полупроводника. Эта комбинация считается конкурентоспособной с недорогими кремниевыми элементами для солнечных электростанций. [RRK] [LZy]

Создание трехслойных солнечных элементов

Металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы (MOCVD) наносит слои на германиевую подложку P-типа.Верхние слои фосфида галлия-индия (GaInP) N- и P-типа, имеющие ширину запрещенной зоны 1,85 эВ, поглощают ультрафиолетовый и видимый свет. Эти длины волн имеют достаточно энергии, чтобы превышать ширину запрещенной зоны.

Более длинные волны (более низкая энергия) не обладают достаточной энергией для создания электронно-дырочных пар и перехода к следующему слою. Слои арсенида галлия с шириной запрещенной зоны 1,42 эВ поглощают ближний инфракрасный свет.

Наконец, слой германия и подложка поглощают дальнее инфракрасное излучение. Серия из трех ячеек производит напряжение, которое является суммой напряжений трех ячеек.Напряжение, развиваемое каждым материалом, на 0,4 В меньше, чем энергия запрещенной зоны, указанная в таблице ниже. Например, для GaInP: 1,8 эВ / э — 0,4 В = 1,4 В. Для всех трех напряжение составляет 1,4 В + 1,0 В + 0,3 В = 2,7 В. [BRB]

Высокоэффективный трехслойный солнечный элемент.

Слой Ленточный зазор Светопоглощенный

Галлий фосфид индия 1,8 эВ УФ, видимый

Арсенид галлия 1.4 эВ ближний инфракрасный

Германий 0,7 эВ дальняя инфракрасная область

Кристаллические солнечные батареи имеют долгий срок службы. Многие массивы имеют гарантию 25 лет и считаются работоспособными в течение 40 лет. Они не подвержены начальной деградации по сравнению с аморфным кремнием.

Как монокристаллические, так и мультикристаллические солнечные элементы основаны на кремниевых пластинах. Кремний является как подложкой, так и активными слоями устройства.Потребляется много кремния. Этот вид элементов существует уже несколько десятилетий и занимает около 86% рынка солнечной электроэнергии. Для получения дополнительной информации о кристаллических солнечных элементах см. Honsberg. [CHS]

Аморфный кремний Тонкопленочные солнечные элементы используют небольшое количество активного сырья — кремния. Примерно половину стоимости обычных кристаллических солнечных элементов составляет кремний для солнечных элементов. Процесс нанесения тонких пленок снижает эту стоимость.

Обратной стороной является то, что эффективность примерно вдвое ниже, чем у обычных кристаллических ячеек.Кроме того, под воздействием солнечного света КПД снижается на 15-35%. Ячейка с КПД 7% скоро вырастет до КПД 5%. Ячейки из тонкопленочного аморфного кремния работают лучше, чем кристаллические элементы при тусклом свете. Они находят хорошее применение в калькуляторах на солнечных батареях.

Солнечные элементы на основе не кремния составляют около 7% рынка. Это тонкопленочные поликристаллические изделия. Различные составные полупроводники являются предметом исследований и разработок. Некоторые несиликоновые продукты находятся в производстве. Как правило, эффективность лучше, чем у аморфного кремния, но не так хорошо, как у кристаллического кремния.

Теллурид кадмия в виде тонкой поликристаллической пленки на металле или стекле может иметь более высокую эффективность, чем тонкие пленки из аморфного кремния. При нанесении на металл этот слой является отрицательным контактом с тонкой пленкой теллурида кадмия. Прозрачный сульфид кадмия P-типа поверх теллурида кадмия служит буферным слоем. Положительный верхний контакт представляет собой прозрачный, электропроводный оксид олова, легированный фтором. Эти слои могут быть нанесены на жертвенную фольгу вместо стекла в процессе, описанном в следующем параграфе.Жертвенная фольга удаляется после того, как ячейка прикреплена к постоянной подложке.

Солнечный элемент из теллурида кадмия на стекле или металле.

Создание солнечного элемента из теллурида кадмия

Процесс нанесения теллурида кадмия на стекло начинается с нанесения прозрачного, электропроводящего оксида олова N-типа на стеклянную подложку. Следующий слой — теллурид кадмия Р-типа; тем не менее, можно использовать N-тип или внутренний. Эти два слоя составляют NP-переход.Слой теллурида свинца P ⁺ (тяжелый P-тип) помогает установить контакт с низким сопротивлением. Металлический слой обеспечивает окончательный контакт с теллуридом свинца. Эти слои могут быть нанесены путем вакуумного осаждения, химического осаждения из паровой фазы (CVD), трафаретной печати, электроосаждения или химического осаждения из паровой фазы при атмосферном давлении (APCVD) в гелии. [KWM]

Разновидностью теллурида кадмия является теллурид кадмия ртути. Более низкое объемное сопротивление и меньшее контактное сопротивление повышает эффективность по сравнению с теллуридом кадмия.

Фотоэлемент на основе диселенида кадмия, индия, галлия (CIGS)

Диселенид кадмия, индия, галлия: наиболее многообещающий тонкопленочный солнечный элемент в настоящее время (2007 г.) производится на рулоне гибкого полиимида — кадмия, индия и галлия (CIGS) шириной десять дюймов. Его эффективность составляет 10%. Хотя ячейки из кристаллического кремния коммерческого класса превзошли это десятилетие назад, CIGS должен быть конкурентоспособным по стоимости. Процессы осаждения происходят при достаточно низкой температуре, чтобы использовать полиимидный полимер в качестве подложки вместо металла или стекла.(Рисунок выше) CIGS изготавливается методом рулона в рулон, что должно снизить затраты. Ячейки GIGS также могут быть произведены с помощью низкозатратного электрохимического процесса. [EET]

ОБЗОР:

Большинство солнечных элементов представляют собой монокристаллические или мультикристаллические кремниевые элементы из-за их хорошей эффективности и умеренной стоимости.

Остальной рынок составляют менее эффективные тонкие пленки из различных аморфных или поликристаллических материалов.

В таблице ниже сравниваются выбранные солнечные элементы.

Свойства солнечных элементов

Тип солнечного элемента Максимальный КПД Практическая эффективность Банкноты

Селен поликристаллический 0,7% – 1883, Чарльз Фриттс

Кремний, монокристалл – 4% 1950-е годы, первый кремниевый солнечный элемент

Кремний, монокристалл PERL, наземный, космический 25% – солнечных машин, стоимость = 100 коммерческих

Кремний, монокристалл, наземный коммерческий 24% 14-17% 5–10 долларов за пиковую мощность

Cypress Semiconductor, Sunpower, монокристалл кремния 21.5% 19% все контакты на задней части ячейки

Галлий фосфид индия / арсенид галлия / германий, монокристалл, многослойный – 32% Предпочтительно для размещения.

Расширенная наземная версия выше. – 40,7% Использует оптический концентратор.

Кремний мультикристаллический 18,5% 15,5% –

Тонкие пленки, – – –

Кремний аморфный 13% 5-7% Разлагается на солнце.Подходит для использования в помещении для калькуляторов или в пасмурную погоду.

Теллурид кадмия поликристаллический 16% – стеклянная или металлическая подложка

Диселенид арсенида меди, поликристаллический 18% 10% Гибкое полимерное полотно 10 дюймов. [NTH]

Органический полимер, 100% пластик 4,5% – НИОКР

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

Что такое диод? — Основы схемотехники

Диод — это специализированный электронный компонент, который действует как односторонний переключатель.Он проводит электрический ток только в одном направлении и ограничивает ток в противоположном направлении. Диод смещен в обратном направлении, когда он действует как изолятор, и смещен в прямом направлении, когда он пропускает ток. Диод имеет два вывода: анод и катод. Диоды используются в переключателях, модуляторах сигналов, смесителях сигналов, выпрямителях, ограничителях сигналов, регуляторах напряжения, генераторах и демодуляторах сигналов.
Диод в прямом смещении
Напряжение, приложенное к аноду, положительно по отношению к катоду.Кроме того, напряжение в диоде выше порогового напряжения, поэтому он действует как короткое замыкание и пропускает ток.
Диод с обратным смещением
Если катод положительный по отношению к аноду, диод имеет обратное смещение. Тогда он будет действовать как разомкнутый контур, в результате чего ток не будет протекать.

Для чего используются диоды?
Защита от обратного тока

Блокирующий диод используется в некоторых схемах для защиты в случае случайной проблемы с обратным подключением, например, неправильного подключения источника постоянного тока или изменения полярности.Поток тока в неправильном направлении может повредить другие компоненты схемы.
Диод для защиты от обратного тока
На рисунке выше показано, что блокирующий диод включен последовательно с нагрузкой и с положительной стороной источника питания. В случае обратного подключения ток не будет течь, потому что диод будет иметь обратное смещение. Тогда нагрузка будет защищена от обратного тока. Однако, если полярность правильная, диод будет в прямом смещении, поэтому ток нагрузки может протекать через него.

Простые регуляторы напряжения

Стабилизатор напряжения используется для понижения входного напряжения до требуемого уровня и поддерживает его неизменным, несмотря на колебания напряжения питания. Его также можно использовать для регулирования выходного напряжения. Стабилитрон обычно используется в качестве регулятора напряжения, поскольку он предназначен для работы в условиях обратного смещения. При прямом смещении он ведет себя как нормальный сигнальный диод. С другой стороны, напряжение остается постоянным в широком диапазоне токов, когда к нему прикладывается обратное напряжение.
Стабилитрон как регулятор напряжения
На рисунке выше ток в диоде ограничивается последовательным резистором, подключенным к цепи. Поскольку диод подключен к положительной клемме источника питания, он работает как обратное смещение, которое также может работать в условиях пробоя. Обычно используется диод с высокой номинальной мощностью, поскольку он может выдерживать обратное смещение, превышающее его напряжение пробоя. Ток стабилитрона всегда будет минимальным, если приложены минимальное входное напряжение и максимальный ток нагрузки.Учитывая входное напряжение и необходимое выходное напряжение, мы можем использовать стабилитрон с напряжением, примерно равным напряжению нагрузки.

Стабилизаторы напряжения

Ток, протекающий через стабилитрон, уменьшается в пользу тока нагрузки, когда нагрузочный резистор подключен параллельно стабилитрону. Величина протекающего в нем тока важна, потому что это ключ к стабилизации. Глядя на кривую вольт-амперной характеристики стабилитронов, вы заметите резкое увеличение напряжения выше напряжения пробоя, что доказывает, что он лучше всего подходит для стабилизации небольших постоянных напряжений.Ток увеличивается, а сопротивление диода уменьшается. Поэтому напряжение на стабилитроне практически одинаковое. Обычно подключается резистор, чтобы убедиться, что максимально допустимая рассеиваемая мощность не превышена.

Преобразование переменного тока в постоянный
Диоды
обычно используются для построения различных типов выпрямительных схем, таких как полуволновые, двухполупериодные, центральные и полные мостовые выпрямители. Одно из основных его применений — преобразование переменного тока в постоянный.

Во время положительного полупериода входного питания анод становится положительным по отношению к катоду. Диод будет в прямом смещении, что приведет к протеканию тока к нагрузке. Однако во время отрицательного полупериода входной синусоидальной волны анод становится отрицательным по отношению к катоду. Таким образом, диод будет иметь обратное смещение, и ток на нагрузку не будет течь. Выходное напряжение будет пульсирующим постоянным током, если и напряжение, и ток на стороне нагрузки имеют одну полярность.Нагрузка является резистивной в положительном полупериоде, и напряжение на нагрузочном резисторе будет таким же, как и напряжение питания. Ток нагрузки будет пропорционален приложенному напряжению, а входное синусоидальное напряжение будет на нагрузке.

Как работает диод?
Диод считается полупроводниковым устройством, имеющим два вывода и выполняющим функцию односторонней двери для электрического тока. Полупроводники могут быть проводниками или изоляторами. Его сопротивление можно контролировать, увеличивая или уменьшая его сопротивление, называемое легированием.Легирование — это процесс добавления примесных атомов в материал.

Есть два типа полупроводниковых материалов:

Материал N-типа — добавление мышьяка, фосфора, сурьмы, висмута и других пятивалентных элементов позволяет получить полупроводниковый материал N-типа. В нем есть лишние электроны. Его дополнительные отрицательно заряженные частицы перемещаются из отрицательно заряженной области в положительно заряженную.

Материал P-типа — добавление некоторого количества алюминия, галлия, бора, индия и других элементов позволяет получить полупроводниковый материал P-типа.Есть лишние отверстия.

Наличие дырок означает отсутствие электрона и положительный заряд. Каждый раз, когда электрон движется в дыру, он создает новую дыру позади себя, поскольку они движутся в противоположном направлении электронов. Комбинация материалов N-типа и P-типа образует соединение P-N. Вы можете увидеть обедненные области по обе стороны от диодного перехода. Эта область обеднена свободными электронами и дырками. Электроны со стороны N-типа заполняют отверстия со стороны P-типа.

Что такое зона истощения?
Область обеднения образуется, когда на диод не подается напряжение, поэтому электроны из материала N-типа заполняют отверстия в материале P-типа вдоль перехода между слоями.В этой области материал N-типа или P-типа возвращается в исходное изоляционное состояние. Электричество не может течь в область истощения, поскольку все дыры заполнены, и нет свободных электронов или пустых пространств для электричества.

Вы увидите соединение P-N, когда отверстия перемещаются с P-стороны на материал N-типа и обнажают отрицательные заряды. Затем вы увидите дырки и электроны, диффундирующие на другую сторону. После этого начинает формироваться область истощения.

Диоды с прямым смещением и диоды с обратным смещением

Диоды специального назначения
Стабилитроны

Он состоит из сильно легированного PN перехода, который проводит в обратном направлении при достижении определенного заданного напряжения.Он также позволяет току течь в прямом или обратном направлении. Он обычно используется для ограничителей перенапряжения, регулирования напряжения, опорных элементов и любых других коммутационных приложений и схем ограничителей.

Диоды Шоттки
Диоды Шоттки
имеют низкое прямое падение напряжения, но очень быстрое переключение. Между металлом и полупроводником образуется переход полупроводник-металл, который создает барьер Шоттки. Когда через диод протекает ток, на выводах диода наблюдается небольшое падение напряжения.Чем меньше падение напряжения, тем выше эффективность системы и выше скорость переключения. Наиболее распространенные применения диода Шоттки — это радиочастота, выпрямитель в некоторых силовых приложениях и смеситель.

Выпрямительные диоды

Выпрямительные диоды могут быть смещенными или несмещенными. Выпрямительный диод становится несмещенным, когда на него не подается напряжение. В это время на P-стороне находится большинство дырок носителей заряда и очень мало электронов, тогда как на N-стороне больше всего электронов и очень мало дырок.С другой стороны, он становится смещенным в прямом направлении, когда положительный вывод источника напряжения подключается к стороне P-типа, а отрицательный вывод подключается к стороне N-типа. Он будет иметь обратное смещение, когда положительный вывод источника напряжения подключен к концу N-типа, а отрицательный вывод источника подключен к концу P-типа диода. Через диод не будет тока, за исключением тока обратного насыщения, поскольку истощающий слой перехода становится шире с увеличением напряжения обратного смещения.Выпрямительные диоды обычно используются в качестве компонента в источниках питания, преобразующего переменное напряжение в постоянное.

Сигнальные диоды

Сигнальные диоды обычно используются для обнаружения сигналов. Обычно они имеют низкий максимальный ток и среднее или высокое прямое напряжение. Одно из наиболее распространенных применений сигнального диода — это основной диодный переключатель.

Германиевые диоды

Германиевые диоды имеют низкое прямое падение напряжения, обычно 0.3 вольта. Низкое прямое падение напряжения приводит к низким потерям мощности и более эффективному диоду, что делает его во многих отношениях лучше, чем кремниевый диод. Это более важно в средах с очень низким уровнем сигнала, например, при обнаружении сигналов от аудио до частот FM и в логических схемах низкого уровня. Германиевые диоды имеют больший ток утечки для германия при обратном напряжении, чем для кремния.

Соединительные диоды

Переходные диоды — одни из самых простых полупроводниковых приборов.Но в отличие от других диодов, они не ведут себя линейно по отношению к приложенному напряжению. Диоды имеют экспоненциальную зависимость тока от напряжения. Он образуется, когда полупроводник P-типа объединяется с полупроводником N-типа, создавая потенциальный барьер через диодный переход.

Три возможных условия «смещения» для стандартного переходного диода

1. Прямое смещение — потенциал напряжения связан отрицательно с материалом N-типа и положительно с материалом N-типа на диоде, что уменьшает ширину диода с PN-переходом.

2. Обратное смещение. Потенциал напряжения соединен положительно с материалом N-типа и отрицательно с материалом P-типа на диоде, что увеличивает ширину диода с PN-переходом.

3. Нулевое смещение — на диод PN-перехода не подается внешнее напряжение.

диодов | Клуб Электроники
Диоды | Клуб электроники
Сигнал | Выпрямитель | Мостовой выпрямитель | Зенер

Смотрите также: светодиоды | Блоки питания

Диоды позволяют электричеству течь только в одном направлении.Стрелка символа схемы показывает направление, в котором может течь ток. Диоды — электрическая версия вентиль и первые диоды на самом деле назывались вентилями.

Типы диодов

Обычные диоды можно разделить на два типа:

Дополнительно есть:

Подключение и пайка

Диоды должны быть подключены правильно, на схеме может быть указано , или + для анода и k или — для катода (да, это действительно k, а не c, для катода!).Катод отмечен линией, нарисованной на корпусе. Диоды обозначены своим кодом мелким шрифтом, вам может понадобиться ручная линза, чтобы прочитать его.

Сигнальные диоды могут быть повреждены нагревом при пайке, но риск невелик, если только вы используете германиевый диод (коды начинаются OA …), и в этом случае вы должны использовать радиатор (например, зажим «крокодил»), прикрепленный к проводу между соединением и корпусом диода.

Выпрямительные диоды достаточно прочные, и при их пайке не требуется специальных мер предосторожности.

Испытательные диоды

Вы можете использовать мультиметр или простой тестер. проект (батарея, резистор и светодиод), чтобы проверить, что диод проводит только в одном направлении.

Можно использовать лампу для проверки выпрямительного диода, но НЕ используйте лампу для проверки сигнальный диод, потому что большой ток, пропускаемый лампой, разрушит диод.

Падение прямого напряжения

Электричество потребляет немного энергии, проталкиваясь через диод, как человек. толкая дверь пружиной.Это означает, что есть небольшое прямое падение напряжения через проводящий диод. Для большинства диодов, сделанных из кремния, оно составляет около 0,7 В.

Прямое падение напряжения на диоде почти постоянно, независимо от тока, протекающего через диода, поэтому они имеют очень крутую характеристику (вольт-амперный график).

обратное напряжение

При подаче обратного напряжения проводит не идеальный диод, а настоящие диоды утечка очень небольшого тока (обычно несколько мкА).Это можно игнорировать в большинстве схем. потому что он будет намного меньше, чем ток, текущий в прямом направлении. Однако все диоды имеют максимальное обратное напряжение (обычно 50 В или более), и если при превышении этого значения диод выйдет из строя и будет пропускать большой ток в обратном направлении, это называется разбивка .

Диоды сигнальные (малоточные)

Сигнальные диоды обычно используются для обработки информации (электрических сигналов) в цепях, поэтому они требуются только для пропускания небольших токов до 100 мА.

Сигнальные диоды общего назначения, такие как 1N4148, изготовлены из кремния и имеют прямое падение напряжения 0,7 В.

Rapid Electronics: 1N4148

Германиевые диоды , такие как OA90, имеют меньшее прямое падение напряжения 0,2 В, что делает Их можно использовать в радиосхемах в качестве детекторов, выделяющих звуковой сигнал из слабого радиосигнала. Сейчас они используются редко, и их может быть трудно найти.

Для общего использования, где величина прямого падения напряжения менее важна, лучше подходят кремниевые диоды, потому что они менее легко повреждаются теплом при пайке, имеют меньшее сопротивление при проводке и имеют очень низкие токи утечки при приложении обратного напряжения.

Защитные диоды для реле

Сигнальные диоды также используются для защиты транзисторов и микросхем от кратковременного высокого напряжения, возникающего при обмотке реле. выключен. На схеме показано, как защитный диод подключен к катушке реле «в обратном направлении».

Зачем нужен защитный диод?

Ток, протекающий через катушку, создает магнитное поле, которое внезапно схлопывается. при отключении тока. Внезапный коллапс магнитного поля вызывает кратковременное высокое напряжение на катушке, которое может повредить транзисторы и микросхемы.Защитный диод позволяет индуцированному напряжению пропускать кратковременный ток через катушку. (и диод), поэтому магнитное поле исчезает быстро, а не мгновенно. Это предотвращает индуцированное напряжение становится достаточно высоким, чтобы вызвать повреждение транзисторов и микросхем.

Выпрямительные диоды (большой ток)

Выпрямительные диоды используются в источниках питания для преобразования переменного тока (AC). к постоянному току (DC) этот процесс называется выпрямлением. Они также используются в других схемах, где через диод должен проходить большой ток.

Все выпрямительные диоды изготовлены из кремния и поэтому имеют прямое падение напряжения 0,7 В. В таблице указаны максимальный ток и максимальное обратное напряжение для некоторых популярных выпрямительных диодов. 1N4001 подходит для большинства цепей низкого напряжения с током менее 1 А.

Rapid Electronics: 1N4001

1A

Диод Максимум
Ток Максимум
Обратный
Напряжение

1N4001 1A 50V

1N4002 1A

1N5401 3A 100V

1N5408 3A 1000V

Книги по комплектующим:

Мостовые выпрямители

Существует несколько способов подключения диодов, чтобы выпрямитель преобразовывал переменный ток в постоянный.Мостовой выпрямитель — один из них, и он доступен в специальных пакетах, содержащих четыре необходимых диода. Мостовые выпрямители рассчитаны на максимальный ток и максимальное обратное напряжение. У них есть четыре вывода или клеммы: два выхода постоянного тока помечены + и -, два входа переменного тока помечены .

На схеме показана работа мостового выпрямителя при преобразовании переменного тока в постоянный. Обратите внимание, как проводят чередующиеся пары диодов.

Rapid Electronics: мостовые выпрямители

Мостовые выпрямители различных типов

Обратите внимание, что у некоторых есть отверстие в центре для крепления к радиатору

Фотографии © Rapid Electronics

Стабилитроны
Стабилитроны
используются для поддержания постоянного напряжения.Они рассчитаны на «поломку» в надежном и неразрушающим способом, чтобы их можно было использовать в обратном направлении для поддержания фиксированного напряжения на их выводах.
Стабилитроны
можно отличить от обычных диодов по их коду и напряжению пробоя. которые напечатаны на них. Коды стабилитронов начинаются BZX … или BZY … Их напряжение пробоя обычно печатается с буквой V вместо десятичной точки, поэтому 4V7 означает, например, 4,7 В.

a = анод, k = катод

Rapid Electronics: стабилитроны

На схеме показано, как подключен стабилитрон с последовательно включенным резистором для ограничения тока.
Стабилитроны
имеют номинальное напряжение пробоя и максимальную мощность . Минимальное доступное напряжение пробоя составляет 2,4 В. Широко доступны номиналы мощности 400 мВт и 1,3 Вт.

Для получения дополнительной информации см. Страницу источников питания.

Политика конфиденциальности и файлы cookie

Этот сайт не собирает личную информацию. Если вы отправите электронное письмо, ваш адрес электронной почты и любая личная информация будет используется только для ответа на ваше сообщение, оно не будет передано никому.На этом веб-сайте отображается реклама, если вы нажмете на рекламодатель может знать, что вы пришли с этого сайта, и я могу быть вознагражден. Рекламодателям не передается никакая личная информация. Этот веб-сайт использует некоторые файлы cookie, которые классифицируются как «строго необходимые», они необходимы для работы веб-сайта и не могут быть отклонены, но они не содержат никакой личной информации. Этот веб-сайт использует службу Google AdSense, которая использует файлы cookie для показа рекламы на основе использования вами веб-сайтов. (включая этот), как объяснил Google.Чтобы узнать, как удалить файлы cookie и управлять ими в своем браузере, пожалуйста, посетите AboutCookies.org.

electronicsclub.info © Джон Хьюс 2021 г.

Диоды — конструкция, функции, типы, испытания

Диод — это полупроводниковый прибор. Диоды играют важную роль в электронных схемах. Они используются в основном в неуправляемых выпрямителях для преобразования переменного тока в фиксированное постоянное напряжение и в качестве обратных диодов для обеспечения пути прохождения тока в индуктивных нагрузках.

Строительство

Диоды могут быть изготовлены из двух полупроводниковых материалов: кремния и германия.Силовые диоды обычно изготавливаются из кремния. Кремниевые диоды могут работать при более высоких токах и температурах перехода, и они имеют большее обратное сопротивление.

Структура полупроводникового диода и его обозначение показаны на рисунке ниже. Диод имеет два вывода: анодный вывод A (P-переход) и катодный вывод K (N-переход). Когда напряжение на аноде больше положительного, чем на катоде, диод считается смещенным в прямом направлении, и он легко проводит ток с относительно низким падением напряжения.Когда напряжение на катоде больше положительного, чем на аноде, диод считается смещенным в обратном направлении и блокирует ток. Стрелка на символе диода показывает направление обычного тока, протекающего при проводящем диоде.

Диоды и символ
Функция диодов

Диоды позволяют электричеству течь только в одном направлении. Стрелка символа цепи показывает направление, в котором может течь ток. Диоды — это электрическая версия клапана, и ранние диоды на самом деле назывались клапанами.

Падение прямого напряжения

Электричество расходует немного энергии, проталкиваясь через диод, как если бы человек толкал дверь пружиной. Это означает, что на проводящем диоде имеется небольшое напряжение, оно называется прямым падением напряжения и составляет около 0,7 В для всех обычных диодов, которые сделаны из кремния. Прямое падение напряжения на диоде почти постоянно, независимо от тока, протекающего через диод, поэтому они имеют очень крутые характеристики (вольт-амперный график).

обратное напряжение

Когда применяется обратное напряжение, идеальный диод не проводит, но все настоящие диоды пропускают очень крошечный ток в несколько мкА или меньше. Этим можно пренебречь в большинстве схем, потому что он будет намного меньше, чем ток, текущий в прямом направлении. Однако все диоды имеют максимальное обратное напряжение (обычно 50 В или более), и если оно будет превышено, диод выйдет из строя и пропустит большой ток в обратном направлении, это называется пробоем .
Обычные диоды можно разделить на два типа: сигнальные диоды, пропускающие небольшие токи 100 мА или меньше, и выпрямительные диоды, которые могут пропускать большие токи. Кроме того, есть светодиоды (у которых есть своя страница) и стабилитроны (внизу этой страницы).

Подключение и пайка
Подключение диодов
Диоды должны быть подключены правильно, на схеме может быть обозначено a или + для анода и k или — для катода (да, это действительно k, а не c, для катод!).Катод отмечен линией, нарисованной на корпусе. Диоды обозначены своим кодом мелким шрифтом; вам может понадобиться увеличительное стекло, чтобы прочитать это на небольших сигнальных диодах!

Маленькие сигнальные диоды могут быть повреждены нагреванием при пайке, но риск невелик, если вы не используете германиевый диод (коды начинаются OA …), и в этом случае вы должны использовать радиатор, закрепленный на проводе между стык и корпус диода. В качестве радиатора можно использовать стандартный зажим типа «крокодил».

Выпрямительные диоды достаточно прочные, и при их пайке не требуется специальных мер предосторожности.

Испытательные диоды

Вы можете использовать мультиметр или простой тестер (аккумулятор, резистор и светодиод), чтобы проверить, проводит ли диод в одном направлении, а не в другом. Лампу можно использовать для проверки выпрямительного диода, но НЕ используйте лампу для проверки сигнального диода, потому что большой ток, пропускаемый лампой, разрушит диод!

Диоды сигнальные (малоточные)

Сигнальные диоды используются для обработки информации (электрических сигналов) в цепях, поэтому они должны пропускать только небольшие токи до 100 мА.

Сигнальные диоды общего назначения, такие как 1N4148, изготовлены из кремния и имеют прямое падение напряжения 0,7 В.

Германиевые диоды , такие как OA90, имеют более низкое прямое падение напряжения 0,2 В, что делает их пригодными для использования в радиосхемах в качестве детекторов, извлекающих звуковой сигнал из слабого радиосигнала.

Для общего использования, где величина прямого падения напряжения менее важна, лучше подходят кремниевые диоды, потому что они менее легко повреждаются нагревом при пайке, они имеют меньшее сопротивление при проводимости и очень низкие токи утечки при обратном токе. приложено напряжение.

Защитные диоды для реле

Диод Максимальный
Ток Максимум
Обратное
Напряжение

1N4001 1А 50 В

1N4002 1А 100 В

1N4007 1A 1000 В

1N5401 3A 100 В

1N5408 3A 1000 В

Сигнальные диоды также используются с реле для защиты транзисторов и интегральных схем от кратковременного высокого напряжения, возникающего при отключении катушки реле.На схеме показано, как защитный диод подключается к катушке реле, обратите внимание, что диод подключен «в обратном направлении», поэтому он обычно НЕ проводит. Проводимость возникает только тогда, когда катушка реле выключена, в этот момент ток пытается продолжать течь через катушку и безвредно отводится через диод. Без диода ток не мог бы течь, и катушка произвела бы разрушительный «всплеск» высокого напряжения, пытаясь удержать ток.

Выпрямительные диоды (большой ток)

Выпрямительные диоды используются в источниках питания для преобразования переменного тока (AC) в постоянный (DC), процесс, называемый выпрямлением.Они также используются в других схемах, где через диод должен проходить большой ток.

Все выпрямительные диоды изготовлены из кремния и поэтому имеют прямое падение напряжения 0,7 В. В таблице указаны максимальный ток и максимальное обратное напряжение для некоторых популярных выпрямительных диодов. 1N4001 подходит для большинства цепей низкого напряжения с током менее 1 А.

Диоды

5 . Диоды

Как и транзисторы, диоды изготавливаются из полупроводниковых материалов. материал.Итак, первая буква в их обозначении — это германий. диод или B для кремниевого диода. Могут быть заключены в стекло, металл. или пластиковый корпус. У них есть два вывода: катод (k) и анод (A). Самым главным свойством всех диодов является очень большое сопротивление. низкие в одном направлении и очень большие в противоположном.
Когда диод измеряется мультиметром и показывает низкое значение Ом, это не совсем сопротивление диода. Он представляет собой падение напряжения на переходе диода.Это значит мультиметр может использоваться только для определения того, не поврежден ли переход. Если показания низкие в одном направлении и очень высокие в другом направлении, диод исправен.

Когда в цепь включен диод и напряжение на аноде выше, чем катод, он действует как резистор с низким сопротивлением и ток потечет.
Если он подключен в противоположном направлении, он действует как большое значение резистор и ток не течет.
В первом случае диод называется «смещенным вперед», а в Во втором случае это «обратное смещение».»

На рис. 5.1 показано несколько разные диоды:

Рис. 5.1: Несколько различных типов диоды

Все диоды, указанные выше, представляют собой одиночные диоды, однако доступно 4 диода. в единой упаковке. Это называется МОСТОВЫЙ или МОСТОВЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ. Примеры моста показаны на схеме ниже:

Вы должны иметь возможность идентифицировать каждый из 4 выводов на мосту, чтобы его можно правильно вставить в цепь.В Вышеупомянутое устройство для поверхностного монтажа обозначено вырезом @ 45 на одной стороне. У свинцового моста одна ножка длиннее других, а верхняя часть отмечены знаками AC и знаком «+». Сильноточный мост имеет угловой разрез. выключено, а другое устройство для поверхностного монтажа имеет вырез или выемку на одном конце.

Эти устройства добавляются в схему, как показано на следующей схеме:

Четыре диода обращены в одном направлении, и это означает, что одиночный диод можно показать на принципиальной схеме:

Символы в 5.2 показано количество диодов. Есть ряд специально разработанные диоды: для сильноточных, быстродействующих, малых падение напряжения, обнаружение света и изменение емкости в зависимости от напряжения изменено. Большинство диодов изготовлено из кремния, так как они выдерживают высокие нагрузки. температура, однако германий используется, если падение напряжения невелико. требуется. Также есть светоизлучающий диод, который называется LED, но это совершенно другой тип диода.

Рис. 5.2: Обозначения диодов: а — стандартный диод, б — LED,
c, d — стабилитрон, e — фото, f, g — туннель, h — Schottky, i — пробой,
Дж — емкостный

светодиода (светоизлучающие диоды) построены из кристаллическое вещество, излучающее свет, когда через него протекает ток.В зависимости от кристаллического материала: красный, желтый, зеленый, синий или излучается оранжевый свет. На фото ниже показаны шляпы некоторых цветов. может быть изготовлено светодиодами:

Невозможно получить белый свет ни от одного из этих материалов, поэтому триада красного, синего и зеленого цветов помещается внутри корпус, и все они освещаются одновременно, чтобы произвести белый свет. В последнее время свет из светодиодов производился очень сложный и интересный процесс, который можно найти в Википедии.Светодиоды

имеют катодный и анодный вывод и должны подключаться к источнику постоянного тока около правильный путь. Катодный свинец идентифицируется на корпусе плоской точкой сбоку светодиода. Катодный вывод короче вести.

Одна из самых важных вещей, которые следует помнить о светодиодах, — это характеристическое напряжение, которое появляется на нем при подключении к Напряжение. Это не меняется с яркостью и не может быть изменено.
Для красного светодиода это напряжение равно 1.7 В, и если вы поставите на него больше, чем это напряжение, оно будет повреждено.
Простое решение — установить резистор на один провод, как показано на диаграмма ниже:

Светодиод позволяет отображать точное напряжение на нем. а яркость будет зависеть от номинала резистора.

Стабилитроны (5.2c и 5.2d) предназначен для стабилизировать напряжение. Диоды с маркировкой ZPD5.6V или ZPY15V имеют рабочий напряжения 5.6В и 15В.

Фотодиоды (5.2e) сконструированы таким образом, что они позволяют свету падать на P-N связь. Когда нет света, фотодиод действует как обычный диод. Имеет высокое сопротивление в одном направлении и низкое сопротивление в обратном направлении. Когда есть свет, оба сопротивления низкий. Фотодиоды и светодиоды являются основными элементами оптопары (более подробно обсуждается в главе 9).

Туннельные диоды (5.2f и 5.2g) обычно используются в генераторах. для очень высоких частот.

диоды Шоттки (5.2h) используются в высокочастотных цепях и для его низкого падения напряжения в прямое направление.

Пробойные диоды (5.2i) на самом деле стабилитроны. Они используются в различных устройствах для защиты и регулировка напряжения. Он пропускает ток только тогда, когда напряжение поднимается выше предопределенное значение.

Вместо варикапа используется варикап (5.2j). переменный конденсатор в высокочастотных цепях. Когда напряжение на нем изменяется, емкость между катодом и анодом составляет измененный.Этот диод обычно используется в радиоприемниках, трансиверах. и осцилляторы.

Катод маломощного диода отмечен кольцом, нарисованным на корпус, но стоит отметить, что некоторые производители маркируют анод этим Кстати, так что лучше всего мультиметром проверить.

Маркировка силовых диодов с выгравированным на корпусе символом. Если диод помещен в металлический корпус, корпус обычно является катодом, а анод — свинец, выходящий из корпуса.

5,1 Идентификационный диод
Европейские диоды
обозначаются двумя или тремя буквами и цифрой. Первая буква используется для идентификации материала, использованного при производстве компонента (A — германий, В — кремний), или, в случае буквы Z, стабилитрон.
вторая и третья буквы указывают тип и использование диода. Некоторые из Варианты:
А — диод малой мощности, как у AA111, AA113, AA121 и т. Д.- они используются в детекторе радио приемник; BA124, BA125: вместо переменных используются варикапные диоды. конденсаторы в приемных устройствах, генераторах и т. д., BAY80, BAY93 и т. д. — коммутирующие диоды, применяемые в устройствах, использующих логические схемы. ВА157, ВА158 и др. — это переключающие диоды с коротким восстановлением время.
В — два емкостных (варикапных) диода в одном корпусе, как BB104, BB105 и др.
Y — регулирующие диоды типа BY240, BY243, BY244, и Т. Д.- эти регулирующие диоды поставляются в пластиковой упаковке и работают на максимальный ток 0,8А. Если есть другой Y, диод предназначен для более высокого Текущий. Например, BYY44 — это диод, абсолютный максимальный ток которого рейтинг — 1А. Когда Y — вторая буква в метке стабилитрона (ZY10, ZY30 и др.) Значит рассчитан на больший ток.
G, G, PD — разные отметки допусков для стабилитронов. Некоторые из них ZF12 (Допуск 5%), ZG18 (допуск 10%), ZPD9.1 (допуск 5%).
Третий буква используется для указания свойства (высокий ток, для пример).
Американская маркировка начинается с 1N, за которым следует число, 1N4001, например (регулирующий диод), 1N4449 (переключающий диод), и т. д.
Японский стиль похож на американский, главное отличие что вместо N стоит S, одна из которых — 1S241.

5,2 Характеристики диода

Самая важная характеристика при использовании силовых диодов — максимальный ток в прямом направлении (IFmax), а максимальное напряжение в обратное направление (URmax).

Важные характеристики для стабилитрона это напряжение стабилитрона (UZ), ток стабилитрона (IZ) и максимальное мощность рассеивания (PD).

При работе с емкостными диодами важно знать их максимальную и минимальную емкость, а также значения напряжения постоянного тока, при котором возникают эти емкости.

Со светодиодами это Важно знать максимальное значение тока, которое он может пропустить. Естественное характеристическое напряжение на светодиодах зависит от цвета. и начинается в 1.От 7 В для красного до более 2,4 В для зеленого и синего.
Ток начинается с 1 мА для очень слабого свечения и достигает примерно 40 мА. Высоко Светодиоды яркости и «силовые светодиоды» требуют до 1 ампер и более. Вы должны знать точный ток, требуемый светодиодом, который вы используете, как неправильный резистор капельницы позволит протекать слишком большому току, и светодиод погаснет. повредил мгновенно .
Значение этого резистора будет рассмотрено в другой главе.

Кроме универсальных транзисторов ТУН и ТУП (упомянутых в Глава 4.4), есть и универсальные диоды. Они отмечены знаком DUS. (для универсального кремниевого диода) и ДУГ (для германия) на схеме диаграммы.

DUS = диод универсальный кремний DUG = диод универсальный германий

5.3 Практические примеры

Схема источника питания на рисунке (3.8) использует несколько диодов. В первые четыре находятся в одной упаковке, обозначенной B40C1500. Это мостовой выпрямитель.
Светодиод в цепи указывает на исправность трансформатора.Резистор R1 служит для ограничения тока через светодиод и яркости. светодиода указывает приблизительное напряжение.
Диоды с маркировкой 1N4002 защищают интегральная схема.

На рисунке 5.3 ниже показаны некоторые другие примеры диодов. Жизнь глобус можно увеличить, добавив диод, как показано в 5.3a. Просто соединяя его последовательно, ток прохождение через земной шар уменьшается вдвое и длится намного дольше. Тем не менее яркость уменьшается и свет становится желтым.Диод должен иметь обратное напряжение более 400 В и ток выше глобус. Подходит 1N4004 или BY244.

Очень простой DC Стабилизатор напряжения на малые токи можно сделать с использованием 5.3c в качестве справки.

Рис. 5.3: а — использование диода для продления срока службы лампочки. срок службы, b — светодиодный индикатор лестничной фары,
c — напряжение стабилизатор, d — индикатор повышения напряжения, e — синтезатор шума дождя, f — резервное питание

Нестабилизированное напряжение обозначается буквой «U», а стабилизированное — «UST.» Напряжение на стабилитроне равно UST, поэтому, если мы хотим добиться при стабилизированном напряжении 9В мы бы использовали диод ZPD9.1. Хотя этот стабилизатор имеет ограниченное использование, это основа всех конструкций, встречающихся в источниках питания.
Мы также можем разработать детектор перегрузки по напряжению. как показано на рисунке 5.3d. Светодиод указывает, когда напряжение превышает предопределенное ценить. Когда напряжение ниже, чем рабочее напряжение стабилитрона, стабилитрон действует как резистор высокого номинала, поэтому напряжение постоянного тока на базе транзистор очень низкий, а транзистор не «включается».» Когда напряжение повышается до напряжения стабилитрона, его сопротивление понижается, и транзистор получает ток на своей базе и включается, чтобы загореться светодиод. Этот пример использует стабилитрон 6 В диод, что означает, что светодиод загорается, когда напряжение достигает этого значения. За другие значения напряжения, следует использовать другие стабилитроны. Яркость а точный момент включения светодиода можно установить с помощью значения Rx.
Изменить эту схему так, чтобы что он сигнализирует, когда напряжение падает ниже определенного предустановленного уровня, стабилитрон и Rx поменяны местами.Например, по используя стабилитрон 12 В, мы можем сделать уровень автомобильного аккумулятора индикатор. Итак, когда напряжение падает ниже 12 В, аккумулятор готов к подзарядке.
На рис. 5.3e показана схема, создающая шум, издающий звук, похожий на звук дождя. Постоянный ток течет через диод AA121 не является абсолютно постоянным, и это создает шум, который усиливается транзистором (любым NPN-транзистором) и проходит к фильтру (цепь резистор-конденсатор номиналами 33 нФ и 100 кОм).

На рис. 5.3f показана схема резервного питания от батареи. Когда «поставка» выходит из строя, батарея берет верх.

Диод — Энциклопедия Нового Света

В электронике диод — это компонент, который позволяет электрическому току течь в одном направлении, но блокирует его в противоположном направлении. Таким образом, диод можно рассматривать как электронную версию обратного клапана. Цепи, которые требуют протекания тока только в одном направлении, обычно включают в себя один или несколько диодов.

Ранние диоды включали кристаллы «кошачьи усы» и устройства на электронных лампах (на диалекте британского английского языка они назывались «термоэмиссионными клапанами»). Сегодня наиболее распространенные диоды изготавливаются из полупроводниковых материалов, таких как кремний или германий.

Диоды — чрезвычайно полезные устройства для множества приложений. Например, они использовались для демодуляции радиопередач AM; для выпрямителей, преобразующих переменный ток в постоянный; проводить опасное высокое напряжение вдали от чувствительных электронных устройств; строить логические вентили в электронных устройствах; для детекторов излучения и частиц; и для приборов измерения температуры.
крупным планом, показывая кристалл германия
История

Параллельная разработка термоэмиссионных и твердотельных диодов. Принцип действия термоэмиссионных диодов был открыт Фредериком Гатри в 1873 году. ^[1] Принцип действия кристаллических диодов был открыт в 1874 году немецким ученым Карлом Фердинандом Брауном.

Принципы работы термоэмиссионных диодов были заново открыты Томасом Эдисоном 13 февраля 1880 года, и он получил патент в 1883 году (патент США 307031 (PDF)), но дальше не развивал идею.Браун запатентовал кристаллический выпрямитель в 1899 году. Первый радиоприемник, использующий кристаллический диод, был построен около 1900 года компанией Greenleaf Whittier Pickard. Первый термоэмиссионный диод был запатентован в Великобритании Джоном Амброузом Флемингом (научным советником компании Marconi и бывшим сотрудником Эдисона) 16 ноября 1904 года (патент США 803684 (PDF) в ноябре 1905 года). Пикард получил патент на кремниевый детектор кристаллов 20 ноября 1906 года (патент США 836531 (PDF)).

На момент своего изобретения такие устройства были известны как выпрямители.В 1919 году Уильям Генри Эклс ввел термин диод из греческих корней; di означает «два», а ode (из odos ) означает «путь».

Термоэмиссионные или газовые диоды
Символ для лампового диода. Сверху вниз расположены анод, катод и нагреватель.
Термоэлектронные диоды — это термоэмиссионные клапанные устройства (также известные как вакуумные лампы), которые представляют собой системы электродов, окруженных вакуумом внутри стеклянной оболочки, похожие по внешнему виду на лампы накаливания.

В термоэмиссионных вентильных диодах ток проходит через нить накала нагревателя. Это косвенно нагревает катод, другую нить накала, обработанную смесью оксидов бария и стронция, которые являются оксидами щелочноземельных металлов; эти вещества выбраны потому, что они имеют небольшую работу выхода. (В некоторых клапанах используется прямой нагрев, при котором ток нагрева проходит через сам катод.) Тепло вызывает термоэлектронную эмиссию электронов в вакуумную оболочку. В прямом режиме окружающий металлический электрод, называемый анодом, заряжается положительно, так что он электростатически притягивает испускаемые электроны.Однако при изменении полярности напряжения электроны нелегко освободить от ненагретой поверхности анода, и, следовательно, любой обратный поток представляет собой очень крошечный ток.

На протяжении большей части двадцатого века термоэмиссионные вентильные диоды использовались в приложениях аналоговых сигналов и в качестве выпрямителей в источниках питания. Сегодня вентильные диоды используются только в нишевых приложениях, таких как выпрямители в гитарных и ламповых усилителях Hi-Fi, а также в специализированном высоковольтном оборудовании.

Полупроводниковые диоды
Условное обозначение диода.Обычный ток может течь от анода к катоду, но не наоборот.
Большинство современных диодов основаны на полупроводниковых p-n переходах. В диоде p-n-типа обычный ток течет от стороны p-типа (анод) к стороне n-типа (катод), но не в противоположном направлении. Другой тип полупроводникового диода, диод Шоттки, формируется из контакта между металлом и полупроводником, а не из p-n-перехода.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода или I-V, приписывается поведению так называемого обедненного слоя или обедненной зоны , которая существует на p-n-переходе между разными полупроводниками.Когда pn-переход создается впервые, электроны зоны проводимости (подвижные) из области с примесью азота диффундируют в область с примесью фосфора, где имеется большая популяция дырок (места для электронов, в которых нет электронов), с которыми электроны «рекомбинировать». Когда мобильный электрон рекомбинирует с дыркой, дырка исчезает, и электрон больше не подвижен. Таким образом, исчезли два носителя заряда. Область вокруг p-n-перехода становится обедненной носителями заряда и, таким образом, ведет себя как изолятор.

Однако ширина истощения не может расти без ограничений. Для каждой пары электрон-дырка, которая рекомбинирует, положительно заряженный ион легирующей примеси остается в области, легированной азотом, а отрицательно заряженный ион легирующей примеси остается в области, легированной фосфатом. По мере того, как рекомбинация продолжается и образуется больше ионов, через зону обеднения возникает увеличивающееся электрическое поле, которое замедляет, а затем, наконец, останавливает рекомбинацию. На данный момент существует «встроенный» потенциал в зоне истощения.

Если на диод подается внешнее напряжение с той же полярностью, что и встроенный потенциал, зона обеднения продолжает действовать как изолятор, предотвращающий значительный электрический ток. Это явление обратного смещения . Однако, если полярность внешнего напряжения противоположна встроенному потенциалу, рекомбинация может снова продолжиться, приводя к значительному электрическому току через p-n-переход. Для кремниевых диодов встроенный потенциал составляет примерно 0.6 вольт (В). Таким образом, если через диод пропускают внешний ток, через диод будет развиваться около 0,6 В, так что область, легированная P, будет положительной по отношению к области, легированной N, и диод будет «включен». так как у него прямое смещение .

ВАХ диода с P-N переходом (без масштаба).

Вольт-амперная характеристика диода может быть аппроксимирована двумя рабочими областями. Ниже определенной разницы потенциалов между двумя выводами обедненный слой имеет значительную ширину, и диод можно рассматривать как разомкнутую (непроводящую) цепь.По мере увеличения разности потенциалов на каком-то этапе диод станет проводящим и позволит зарядам течь, после чего его можно рассматривать как соединение с нулевым (или, по крайней мере, очень низким) сопротивлением. Точнее, передаточная функция логарифмическая, но настолько четкая, что выглядит как угол на уменьшенном графике.

В нормальном кремниевом диоде при номинальных токах падение напряжения на проводящем диоде составляет приблизительно от 0,6 до 0,7 вольт. Значение отличается для других типов диодов — диоды Шоттки могут быть всего лишь 0.2 В и светодиоды (светодиоды) могут быть 1,4 В и более (синие светодиоды могут быть до 4,0 В).

Ссылаясь на изображение ВАХ, в области обратного смещения для нормального выпрямительного диода PN, ток через устройство очень низкий (в диапазоне мкА) для всех обратных напряжений вплоть до точки, называемой пиковым обратным напряжением. (PIV). За пределами этой точки происходит процесс, называемый обратным пробоем, который приводит к повреждению устройства и значительному увеличению тока. Для диодов специального назначения, таких как лавинные или стабилитроны, концепция PIV не применима, поскольку они имеют преднамеренный пробой сверх известного обратного тока, так что обратное напряжение «фиксируется» до известного значения (так называемое напряжение стабилитрона или напряжение пробоя).Эти устройства, однако, имеют максимальное ограничение по току и мощности в зоне стабилитрона или лавины.

Уравнение диода Шокли

Уравнение идеального диода Шокли или закон диода (названный в честь соавтора транзистора Уильяма Брэдфорда Шокли) — это ВАХ идеального диода при прямом или обратном смещении (или без смещения). {V _ {\ mathrm {D}} / (nV _ {\ mathrm {T }})} — 1 \ right), \,}
где

I — ток диода,

I _S — масштабный коэффициент, называемый током насыщения

В _D — напряжение на диоде

В _T — это тепловое напряжение

n — коэффициент излучения

Коэффициент излучения n изменяется примерно от 1 до 2 в зависимости от процесса изготовления и материала полупроводника, и во многих случаях предполагается, что он приблизительно равен 1 (и поэтому опускается. ).Тепловое напряжение В _T составляет приблизительно 25,2 мВ при комнатной температуре (приблизительно 25 ° C или 298 K) и является известной константой. Это определяется:

VT = kTe, {\ displaystyle V _ {\ mathrm {T}} = {\ frac {kT} {e}},}

где

e — величина заряда электрона (элементарного заряда)

k — постоянная Больцмана

T — абсолютная температура p-n перехода

Типы полупроводниковых диодов

Существует несколько типов полупроводниковых диодов на переходе:

Нормальные (p-n) диоды

Эти диоды работают, как описано выше.Обычно из легированного кремния или, реже, германия. До разработки современных кремниевых выпрямительных диодов использовалась закись меди, а затем селен; его низкий КПД обеспечивал гораздо более высокое прямое падение напряжения (обычно 1,4–1,7 В на «элемент», при этом несколько ячеек уложены друг над другом для увеличения пикового значения обратного напряжения в высоковольтных выпрямителях) и требовали большого радиатора (часто увеличивающего металлическая подложка диода), намного больше, чем потребовался бы кремниевый диод с такими же номинальными токами.

Диоды Шоттки

Диоды Шоттки выполнены в виде контакта металл-полупроводник. У них меньшее прямое падение напряжения, чем у стандартных диодов с PN переходом. Их прямое падение напряжения при прямом токе около 1 мА находится в диапазоне от 0,15 В до 0,45 В, что делает их полезными для приложений ограничения напряжения и предотвращения насыщения транзисторов. Их также можно использовать в качестве выпрямителей с малыми потерями, хотя их обратный ток утечки обычно намного выше, чем у выпрямителей других производителей.Диоды Шоттки являются устройствами с большинством несущих и поэтому не страдают от проблем с хранением неосновных носителей, которые замедляют работу большинства обычных диодов. Они также имеют тенденцию иметь гораздо более низкую емкость перехода, чем диоды PN, и это способствует их высокой скорости переключения и их пригодности в высокоскоростных схемах и ВЧ-устройствах, таких как смесители и детекторы.

«Легированные золотом» диоды

В качестве легирующей примеси золото (или платина) действует как центры рекомбинации, которые способствуют быстрой рекомбинации неосновных носителей.Это позволяет диоду работать на частотах сигнала за счет более высокого прямого падения напряжения. ^[2] Типичным примером является 1N914.

Отрывные или ступенчатые диоды восстановления

Термин «ступенчатое восстановление» относится к форме характеристики обратного восстановления этих устройств. После прохождения прямого тока в SRD и прерывания или реверсирования тока обратная проводимость прекращается очень резко (как в ступенчатой форме волны). Таким образом, SRD могут обеспечивать очень быстрые переходы напряжения за счет очень внезапного исчезновения носителей заряда.

Точечные диоды

Они работают так же, как описанные выше переходные полупроводниковые диоды, но имеют более простую конструкцию. Строится блок из полупроводника n-типа, и с полупроводником помещается проводящий заостренный контакт с каким-либо металлом группы 3. Часть металла мигрирует в полупроводник, образуя небольшую область полупроводника p-типа рядом с контактом. Давно популярная германиевая версия 1N34 все еще используется в радиоприемниках в качестве детектора и иногда в специализированной аналоговой электронике.

Кошачьи усы или кристаллические диоды

Это разновидность диодов с точечным контактом. Диод кошачьих усов состоит из тонкой или заостренной металлической проволоки, прижатой к полупроводниковому кристаллу, обычно галениту или куску угля. Проволока образует анод, а кристалл — катод. Диоды Кошачьи усы также назывались кристаллическими диодами и нашли применение в кристаллических радиоприемниках. Диоды кошачьих усов устарели.

PIN-диоды

PIN-диод имеет центральный нелегированный или собственный слой , образующий структуру p-типа / внутреннего / n-типа.Ширина внутреннего слоя больше, чем у P и N. Они используются в качестве радиочастотных переключателей, подобных варакторным диодам, но с более резким изменением емкости. Они также используются как детекторы ионизирующего излучения большого объема и как фотодетекторы. PIN-диоды также используются в силовой электронике, поскольку их центральный слой может выдерживать высокие напряжения. Кроме того, структуру PIN можно найти во многих силовых полупроводниковых устройствах, таких как IGBT, силовые MOSFET и тиристоры.

Варикапные или варакторные диоды

Используются в качестве конденсаторов с регулируемым напряжением.Они важны в схемах PLL (контур фазовой автоподстройки частоты) и FLL (контур автоподстройки частоты), позволяя схемам настройки, например, в телевизионных приемниках, быстро блокироваться, заменяя старые конструкции, для разогрева и блокировки которых требовалось много времени. ФАПЧ быстрее, чем ФАПЧ, но подвержена целочисленной гармонической синхронизации (если кто-то пытается синхронизироваться с широкополосным сигналом). Они также позволяли настраивать генераторы на ранних этапах дискретной настройки радиоприемников, где дешевый и стабильный кварцевый генератор с фиксированной частотой обеспечивал опорную частоту для генератора, управляемого напряжением.

Стабилитроны

Диоды, которые могут проводить обратное направление. Этот эффект, называемый зенеровским пробой, происходит точно определенное напряжение, позволяя диод для использования в качестве опорного напряжения точности. На практике опорного напряжения цепей Зенер и коммутация диоды соединены последовательно и противоположных направления, чтобы сбалансировать температурный коэффициент почти до нуля. Некоторые устройства, обозначенные как высоковольтные стабилитроны, на самом деле являются лавинными диодами. Два (эквивалентных) стабилитрона, включенные последовательно и в обратном порядке, в одной упаковке, составляют поглотитель переходных процессов (или Transorb, зарегистрированная торговая марка).Они названы в честь доктора Кларенса Мелвина Зенера из Университета Южного Иллинойса, изобретателя устройства.

Лавинные диоды

Диоды, которые проводят в обратном направлении, когда напряжение обратного смещения превышает напряжение пробоя. Они электрически очень похожи на стабилитроны и часто ошибочно называются стабилитронами, но выходят из строя по другому механизму, лавинному эффекту . Это происходит, когда обратное электрическое поле через p-n-переход вызывает волну ионизации, напоминающую лавину, приводящую к сильному току.Лавинные диоды предназначены для пробоя при четко определенном обратном напряжении без разрушения. Разница между лавинным диодом (который имеет обратный пробой выше примерно 6,2 В) и стабилитроном состоит в том, что длина канала первого превышает «длину свободного пробега» электронов, поэтому на выходе между ними происходят столкновения. Единственное практическое различие состоит в том, что два типа имеют температурные коэффициенты противоположной полярности.

Диоды подавления переходных напряжений (TVS)

Это лавинные диоды, разработанные специально для защиты других полупроводниковых устройств от переходных процессов высокого напряжения.Их p-n-переходы имеют гораздо большую площадь поперечного сечения, чем у обычных диодов, что позволяет им проводить большие токи на землю без повреждений.

Фотодиоды

Полупроводники могут генерировать оптические носители заряда, и поэтому большинство из них упаковано в материал, блокирующий свет. Если они упакованы в материалы, пропускающие свет, их светочувствительность может быть использована. Фотодиоды можно использовать как в солнечных батареях, так и в фотометрии.

Светодиоды (LED)

В диоде, сформированном из полупроводника с прямой запрещенной зоной, такого как арсенид галлия, носители, которые пересекают переход, излучают фотоны, когда они рекомбинируют с основным носителем на другой стороне. В зависимости от материала могут быть получены длины волн (или цветов) от инфракрасного до ближнего ультрафиолета. Прямой потенциал этих диодов зависит от длины волны излучаемых фотонов: 1,2 В соответствует красному цвету, 2,4 — фиолетовому.Первые светодиоды были красными и желтыми, а со временем были разработаны более высокочастотные диоды. Все светодиоды монохромные; «белые» светодиоды на самом деле представляют собой комбинацию трех светодиодов разного цвета или синего светодиода с желтым сцинтилляторным покрытием. Светодиоды также могут использоваться в качестве фотодиодов с низким КПД в сигнальных приложениях. Светодиод может быть соединен с фотодиодом или фототранзистором в одном корпусе, чтобы сформировать оптоизолятор.

Лазерные диоды

Когда светодиодная структура содержится в резонансной полости, образованной полировкой параллельных торцевых поверхностей, может быть сформирован лазер.Лазерные диоды обычно используются в оптических запоминающих устройствах и для высокоскоростной оптической связи.

Esaki или туннельные диоды

Они имеют рабочую область, показывающую отрицательное сопротивление, вызванное квантовым туннелированием, что позволяет усиление сигналов и очень простые бистабильные схемы. Эти диоды также являются наиболее стойкими к ядерному излучению.

Диоды Ганна

Они похожи на туннельные диоды в том, что они сделаны из таких материалов, как GaAs или InP, которые имеют область отрицательного дифференциального сопротивления.При соответствующем смещении дипольные домены образуются и перемещаются по диоду, что позволяет создавать высокочастотные микроволновые генераторы.

Диоды Пельтье

Используются как датчики, тепловые двигатели для термоэлектрического охлаждения. Носители заряда поглощают и излучают энергию своей запрещенной зоны в виде тепла.

Токоограничивающие полевые диоды

На самом деле это полевой транзистор с закороченным затвором на исток и функционирует как двухконтактный токоограничивающий аналог стабилитрона; они позволяют току через них повышаться до определенного значения, а затем выравниваться до определенного значения.Также называются CLD, диодов постоянного тока, транзисторов с диодным соединением, или диодов, регулирующих ток.

Другие применения полупроводниковых диодов включают измерение температуры и вычисление аналоговых логарифмов (см. Применение операционных усилителей # Логарифмические).

Приложения

Демодуляция радио

Первым применением диода была демодуляция радиопередач с амплитудной модуляцией (AM). Таким образом, AM-сигнал состоит из чередующихся положительных и отрицательных пиков напряжения, амплитуда или «огибающая» которых пропорциональна исходному звуковому сигналу, но среднее значение которого равно нулю.Диод (первоначально кристаллический диод) выпрямляет сигнал AM, оставляя сигнал, средняя амплитуда которого является желаемым звуковым сигналом. Среднее значение извлекается с помощью простого фильтра и подается в преобразователь звука, который генерирует звук.

Преобразователь мощности

Выпрямители состоят из диодов, где они используются для преобразования электричества переменного тока (AC) в постоянный ток (DC). Точно так же диоды также используются в умножителях напряжения Кокрофта-Уолтона для преобразования переменного тока в очень высокие напряжения постоянного тока.

Защита от перенапряжения

Диоды часто используются для отвода высокого напряжения от чувствительных электронных устройств. Обычно они имеют обратное смещение (непроводящие) при нормальных обстоятельствах и становятся смещенными в прямом направлении (проводящими), когда напряжение поднимается выше своего нормального значения. Например, диоды используются в схемах шагового двигателя и реле для быстрого обесточивания катушек без разрушительных скачков напряжения, которые в противном случае могли бы возникнуть. Многие интегральные схемы также включают диоды на соединительных контактах, чтобы предотвратить повреждение чувствительных транзисторов внешним напряжением.Специализированные диоды используются для защиты от перенапряжений на более высоких мощностях.

Логические ворота

Диоды можно комбинировать с другими компонентами для создания логических вентилей И и ИЛИ. Это называется диодной логикой.

Детекторы ионизирующего излучения

Помимо света, упомянутого выше, полупроводниковые диоды чувствительны к более энергичному излучению. В электронике космические лучи и другие источники ионизирующего излучения вызывают шумовые импульсы и одиночные или множественные битовые ошибки.Этот эффект иногда используется детекторами частиц для обнаружения излучения. Одна частица излучения с энергией в тысячи или миллионы электрон-вольт генерирует множество пар носителей заряда, поскольку ее энергия вкладывается в полупроводниковый материал. Если слой истощения достаточно велик, чтобы уловить весь ливень или остановить тяжелую частицу, можно довольно точно измерить энергию частицы, просто измерив проводимый заряд и без сложностей, связанных с магнитным спектрометром.

Эти полупроводниковые детекторы излучения требуют эффективного и равномерного сбора заряда и низкого тока утечки. Их часто охлаждают жидким азотом. Для частиц с большим радиусом действия (около сантиметра) им нужна очень большая глубина истощения и большая площадь. Для частиц с коротким радиусом действия им необходимо, чтобы любой контактный или не обедненный полупроводник по крайней мере на одной поверхности был очень тонким. Напряжения обратного смещения близки к пробою (около тысячи вольт на сантиметр). Германий и кремний — обычные материалы.Некоторые из этих детекторов определяют положение, а также энергию.

Они имеют ограниченный срок службы, особенно при обнаружении тяжелых частиц, из-за радиационного повреждения. Кремний и германий совершенно разные по своей способности преобразовывать гамма-лучи в электронные ливни.

Полупроводниковые детекторы частиц высоких энергий используются в большом количестве. Из-за колебаний потерь энергии точное измерение выделенной энергии менее полезно.

Измерение температуры

Диод может использоваться в качестве прибора для измерения температуры, поскольку прямое падение напряжения на диоде зависит от температуры.Эта температурная зависимость следует из приведенного выше уравнения идеального диода Шокли и обычно составляет около -2,2 мВ на градус Цельсия.

Устройства с зарядовой связью
В цифровых камерах
и аналогичных устройствах используются матрицы фотодиодов, интегрированные со схемой считывания.

Дополнительный

Диоды могут также упоминаться как управляемые выпрямители , сокращенно CR на печатных монтажных платах.

Банкноты

Список литературы

Нойдек, Джордж У. PN-переходной диод . Река Аппер Сэдл, Нью-Джерси: Прентис-Холл, 1988. ISBN 0201122960

Пьер, Роберт Ф. Основы полупроводников . Река Аппер Сэдл, Нью-Джерси: Прентис-Холл, 1988. ISBN 0201122952

Sze, S.M. Физика современных полупроводниковых приборов . Хобокен, Нью-Джерси: Wiley Interscience, 1997. ISBN 0471152374

Кредиты

New World Encyclopedia писатели и редакторы переписали и дополнили статью Wikipedia в соответствии со стандартами New World Encyclopedia .Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с указанием авторства.

No related posts.

Светодиод	λ нм (= 10 ^-9 м)	V _f (начиная с)	V _f (к)
инфракрасный	940	1.2	1,7
красный	660	1,5	2,4
оранжевый	602-620	2,1	2,2
желтый, зеленый	560-595	1,7	2,8
белый, синий, фиолетовый	–	3	4
ультрафиолет	370	4,2	4,8

Тип лампы	КПД люмен / ватт	Срок службы	банкнот
Белый светодиод	35	100 000	дорого
Белый светодиод, будущее	100	100 000	Цель НИОКР
Лампа накаливания	12	1000	недорого
Галоген	15-17	2000	высококачественный свет
Компактный люминесцентный	50–100	10 000	рентабельно
Пары натрия, LP	70-200	20 000	на открытом воздухе
Пары ртути	13-48	18 000	на открытом воздухе

Слой	Ленточный зазор	Светопоглощенный
Галлий фосфид индия	1,8 эВ	УФ, видимый
Арсенид галлия	1.4 эВ	ближний инфракрасный
Германий	0,7 эВ	дальняя инфракрасная область

Тип солнечного элемента	Максимальный КПД	Практическая эффективность	Банкноты
Селен поликристаллический	0,7%	–	1883, Чарльз Фриттс
Кремний, монокристалл	–	4%	1950-е годы, первый кремниевый солнечный элемент
Кремний, монокристалл PERL, наземный, космический	25%	–	солнечных машин, стоимость = 100 коммерческих
Кремний, монокристалл, наземный коммерческий	24%	14-17%	5–10 долларов за пиковую мощность
Cypress Semiconductor, Sunpower, монокристалл кремния	21.5%	19%	все контакты на задней части ячейки
Галлий фосфид индия / арсенид галлия / германий, монокристалл, многослойный	–	32%	Предпочтительно для размещения.
Расширенная наземная версия выше.	–	40,7%	Использует оптический концентратор.
Кремний мультикристаллический	18,5%	15,5%	–
Тонкие пленки,	–	–	–
Кремний аморфный	13%	5-7%	Разлагается на солнце.Подходит для использования в помещении для калькуляторов или в пасмурную погоду.
Теллурид кадмия поликристаллический	16%	–	стеклянная или металлическая подложка
Диселенид арсенида меди, поликристаллический	18%	10%	Гибкое полимерное полотно 10 дюймов. [NTH]
Органический полимер, 100% пластик	4,5%	–	НИОКР

Диод	Максимум Ток	Максимум Обратный Напряжение
1N4001	1A	50V
1N4002	1A
1N5401	3A	100V
1N5408	3A	1000V

Диод	Максимальный Ток	Максимум Обратное Напряжение
1N4001	1А	50 В
1N4002	1А	100 В
1N4007	1A	1000 В
1N5401	3A	100 В
1N5408	3A	1000 В