Диод в прямом направлении проводит постоянный ток. Наука техника технологии

Свойство полупроводника p-n типа, проводить электрический ток в одном направлении и не проводить в обратном направлении, нашло применение в электронном приборе под названием "Диод".

На рисунке 1 показано прямое включение диода при котором диод проводит электрический ток, а на рисунке 2 обратное включение диода при котором диод не проводит электрический ток. Так ведет себя диод включенный в цепь постоянного тока. Токи и соответствующие им напряжения называются прямым током (при включении диода в проводящем направлении) и соответствующее ему напряжение - прямое напряжение. При обратном включении токи и напряжения соответственно называются обратным током и обратным напряжением.

На графике вольт - амперная характеристика выглядит как показано на рисунке. Так как диоды применяются в различных областях радио и электроники то основными параметрами диодов являются прямой Iпр ток и соответствующее ему прямое напряжение Uпр, допустимое обратное напряжение Uобр и соответствующий ему обратный ток Iобр.
Основное назначение диодов, это преобразование переменного тока в постоянный. Рассмотрим как, например, получить постоянный ток из переменного для питания радиоприемника.

Понижающий трансформатор (см. рисунок) преобразует переменное напряжение 220V осветительной сети в низкое 6V переменное напряжение (график 1). Так как диод пропускает ток только в одном направлении то после диода мы получим пульсирующее напряжение только с положительными полуволнами (График 2).
Для того, чтобы получить постоянное напряжение необходимо на выходе выпрямителя включить конденсатор.

При прохождении через диод положительной полуволны переменного тока конденсатор заряжается, в момент отрицательной полуволны переменного тока на выходе диода (точка А) напряжение отсутствует, но так как конденсатор заряжен то на его выводах присутствует постоянное напряжение. Конденсатор постепенно разряжается на нагрузку, в следующий положительный полупериод процесс повторяется, а график напряжения на выходе выпрямителя (точка А) выглядит так как показано на рисунке.
Мы видим, что на выходе выпрямителя присутствует не идеальное постоянное напряжение, а постоянное напряжение с небольшими пульсациями. Пульсации тем меньше, чем больше емкость конденсатора. Обычно в выпрямителях применяют электролитические конденсаторы большой емкости (от 1000 мкф и более). Еще больше сгладить пульсации можно если применить П образный фильтр (о котором мы говорили в теме "Индуктивности") состоящий из 2 конденсаторов С1 и С2 и дросселя L1.

Еще одно важное применение диодов, это детектирование сигналов. Когда мы изучали тему "Колебательный контур" то говорили, что выделенный колебательным контуром высокочастотный сигнал радиостанции подается на детектор чтобы преобразовать сигнал радиостанции в сигнал звуковой частоты. В эфире хорошо распространяются только высокочастотные сигналы. Высокочастотные сигналы радиостанций модулируются сигналами низкой (НЧ) (звуковой) частоты. Рассмотрим сигнал модулированный по амплитуде. Такой сигнал называется "Амплитудно - Модулированным" - АМ.

Высокая (несущая частота) изменяется по амплитуде низкочастотным сигналом (огибающей). В отличие от НЧ сигнала, частота ВЧ сигнала не меняется со временем.
В детекторе, после диода, НЧ и ВЧ сигналы разделяются.

ВЧ сигнал практически без помех проходит через конденсатор С1 на землю, а НЧ - звуковой сигнал проходит на усилитель низкой частоты, где усиливается и подается на громкоговоритель. Для нормальной работы диода на выходе детектора должна быть включена нагрузка. В нашем случае это сопротивление Rн.

Назначение диодов, это не только выпрямление переменного тока и детектирование сигналов. Существуют, например, такие диоды, как стабилизаторы напряжения. Стабилизирующие диоды называются "стабилитроны". Принцип работы таких диодов основан на пробое p-n перехода при подаче на диод обратного (когда диод не проводит электрического тока) напряжения.

При определенном напряжении (Uпр) p-n переход пробивается, обратный ток резко возрастает а напряжение на диоде остается неизменным (смотрите график). Схема включения стабилитрона показана на рисунке.

Ограничительный резистор Ro включен в цепи для того, чтобы на нем создавалось падение напряжения Ur равное разности между входным напряжением Uвх и выходным напряжением Uвых: Ur = Uвх - Uвых. Очевидно, что стабилизатор напряжения на стабилитроне не может отдавать большую мощность в нагрузку, поэтому такие стабилизаторы применяют как источник образцового напряжения для более мощных стабилизаторов, например на мощных транзисторах. При снятии напряжения со стабилитрона свойства его p-n перехода восстанавливаются.
В справочниках для стабилитронов указывается ток пробоя p-n перехода Iст и напряжение стабилизации Uст.

Так же к обширному классу диодов относятся светоизлучающие диоды которые при прохождении через них небольшого прямого тока излучают световые волны (от инфракрасного излучения до фиолетового).

Используются светодиоды, в основном, как экономичные индикаторы в различных бытовых и промышленных приборах, а так же в пультах дистанционного управления (инфракрасные) для различной электронной аппаратуры (телевизоры, музыкальные центры и т.д.).
Итак, мы знаем, что применение диодов в радиоэлектронной аппаратуре очень разнообразно, это выпрямление переменного тока, детектирование сигналов, стабилизация напряжения, световые индикаторы и так далее. На рисунке показаны наиболее распространенные типы диодов.

Направление электрического потока. Диод

"Приятной особенностью большого количества стандартов является то, что есть из чего выбрать"

Эндрю Таненбаум, профессор информатики

Когда Бенджамин Франклин сделал своё предположение относительно направления потока зарядов (из воска в шерсть), он создал прецедент для электрических обозначений, который существует и по сей день, несмотря на то, что все знают, что электроны являются составными частями заряда, и что при натирании они переходят из шерсти в воск, а не наоборот. Благодаря именно Франклину говорят что электроны имеют отрицательный заряд, и движется этот заряд, на самом деле, в направлении противоположном тому, которое указал Франклин. Поэтому объекты, которые он назвал "отрицательными" (имеющими недостаток заряда), фактически имеют избыток электронов.

К тому времени, когда было открыто истинное направление движения потока электронов, обозначения "положительный" и "отрицательный" уже настолько прочно укоренились в научном сообществе, что попытки изменить их даже не предпринимались, хотя, применительно к "избыточному" заряду, правильно было бы назвать электрон "положительно" заряженным. По большому счету, термины "положительный" и "отрицательный" являются человеческими изобретениями и, как таковые, не имеют абсолютного значения за пределами условного языка научных описаний. С такой же легкостью Франклин мог бы назвать избыток заряда "черным", а его недостаток - "белым", в этом случае ученые говорили бы, что электрон имеет "белый" заряд (при условии использования гипотезы Франклина).

Поскольку мы склонны связывать слово "положительный" с "избытком" а слово "отрицательный" с "недостатком", то стандартное обозначение электрического заряда нам кажется противоположным. Благодаря этому, многие инженеры решили сохранить старое понятие электричества, где "положительный" означает избыток заряда, и соответственно обозначается направление движения зарядов (тока). Такое обозначение известно как общепринятое обозначение потока :

Другие инженеры для обозначения потока зарядов выбрали фактическое направление движения электронов в цепи. Такое обозначение известно как обозначение потока электронов :

Общепринятое обозначение потока показывает нам движение заряда в соответствии со знаками + и - (технически неправильно). Применять это обозначение имеет смысл, но направление движения потока зарядов здесь не соответствует действительности. Обозначение потока электронов показывает нам фактическое направление движения электронов в цепи, но знаки + и - выглядят здесь задом наперед. А вообще, имеет ли значение, как мы определяем направление движения потока зарядов в цепи? Не имеет, если мы последовательно используем одно из обозначений. Производя анализ цепи, вы можете с равным успехом использовать любое из этих обозначений. Понятия напряжения, тока, сопротивления, непрерывности, и даже математические методы анализа, такие как законы Ома и Кирхгофа будут действовать как в одном, так и в другом случае.

Как вы можете убедиться, общепринятому обозначению потока следует большинство инженеров-электриков, и оно встречается в большинстве технических учебников. Обозначение потока электронов встречается в учебниках для начинающих и в трудах профессиональных ученых, особенно физиков твердых тел, которым важно фактическое движение электронов в веществах. Большинство исследований электрических цепей не зависит от технически точного отображения направления потока зарядов, поэтому выбор между общепринятым обозначением потока и обозначением потока электронов произволен.... почти.

Многие электрические устройства допускают прохождение через них реальных токов любого направления без каких либо различий в работе. Например, лампы накаливания излучают свет одинаково эффективно, независимо от направления тока. Они хорошо работают даже при переменном токе (AC), который с течением времени быстро меняет свое направление. Проводники и выключатели также отлично работают независимо от направления тока. Все вышеперечисленные компоненты (электрическая лампочка, выключатель и провода) называются неполярными . И наоборот, любые устройства, которые по разному реагируют на токи разных направлений, называются полярными .

Существует множество полярных устройств, применяемых в электрических схемах. Основная масса этих устройств изготавливается из так называемых полупроводниковых материалов, и подробно будет рассмотрена нами позже. Каждое из этих устройств (как и выключатели, ламы и батареи) изображается на схеме с помощью уникального символа. Как можно догадаться, символы полярных устройств в своем составе обычно сдержат стрелку для обозначения допустимого направления тока. Вот здесь-то конкуренция обозначений общепринятого потока и потока электронов имеет большое значение. Но, поскольку инженеры уже давно в качестве стандартного используют общепринятое обозначение, и они же изобретают электрические устройства и придумывают для них условные обозначения (символы), то стрелки, используемые в символах этих устройств, показывают направление общепринятого потока . Иными словами, у всех символов таких устройств есть значок стрелки, который указывает против фактического потока электронов.

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

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

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

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

И наоборот, при использовании обозначения потока электронов, стрелка символа диода направлена против этого потока:

Исходя из вышеизложенного и во избежание путаницы с условными обозначениями электронных компонентов, большинство людей выбирает общепринятое обозначение потока при анализе электрических схем.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД - полупроводниковый прибор с двумя электродами, обладающий односторонней проводимостью. К полупроводниковым диодам относят обширную группу приборов с p-n-переходом, контактом металл - полупроводник и др. Наиболее распространены электропреобразовательные полупроводниковые диоды. Служат для преобразования и генерирования электрических колебаний. Один из основных современных электронных приборов. Принцип действия полупроводникового диода : В основе принципа действия полупроводникового диода - свойства электронно-дырочного перехода, в частности, сильная асимметрия вольт-амперной характеристики относительно нуля. Таким образом различают прямое и обратное включение. В прямом включении диод обладает малым электросопротивлением и хорошо проводит электрический ток. В обратном - при напряжении меньше напряжения пробоя сопротивление очень велико и ток перекрыт. Характеристики:

2.Полупроводниковые диоды, прямое и обратное включение, вах:

Прямое и обратное включение:

При прямом включении p-n-перехода внешнее напряжение создает в переходе поле, которое противоположно по направлению внутреннему диффузионному полю. Напряженность результирующего поля падает, что сопровождается сужением запирающего слоя. В результате этого большое количество основных носителей зарядов получает возможность диффузионно переходить в соседнюю область (ток дрейфа при этом не изменяется, поскольку он зависит от количества неосновных носителей, появляющихся на границах перехода), т.е. через переход будет протекать результирующий ток, определяемый в основном диффузионной составляющей. Диффузионный ток зависит от высоты потенциального барьера и по мере его снижения увеличивается экспоненциально.

Повышенная диффузия носителей зарядов через переход привод к повышению концентрации дырок в области n-типа и электронов в области p-типа. Такое повышение концентрации неосновных носителей вследствие влияния внешнего напряжения, приложенного к переходу, называется инжекцией неосновных носителей. Неравновесные неосновные носители диффундируют вглубь полупроводника и нарушают его электронейтральность. Восстановление нейтрального состояния полупроводника происходит за счет поступления носителей зарядов от внешнего источника. Это является причиной возникновения тока во внешней цепи, называемого прямым.

При включении p-n-перехода в обратном направлении внешнее обратное напряжение создает электрическое поле, совпадающее по направлению с диффузионным, что приводит к росту потенциального барьера и увеличению ширины запирающего слоя. Все это уменьшает диффузионные токи основных носителей. Для неосновных носителе поле в p-n-переходе остается ускоряющим, и поэтому дрейфовый ток не изменяется.

Таким образом, через переход будет протекать результирующий ток, определяемый в основном током дрейфа неосновных носителей. Поскольку количество дрейфующих неосновных носителей не зависит от приложенного напряжения (оно влияет только на их скорость), то при увеличении обратного напряжения ток через переход стремиться к предельному значению IS , которое называется током насыщения. Чем больше концентрация примесей доноров и акцепторов, тем меньше ток насыщения, а с увеличением температуры ток насыщения растет по экспоненциальному закону.

На графике изображены ВАХ для прямого и обратного включения диода. Ещё говорят, прямая и обратная ветвь вольт-амперной характеристики. Прямая ветвь (Iпр и Uпр) отображает характеристики диода при прямом включении (то есть когда на анод подаётся «плюс»). Обратная ветвь (Iобр и Uобр) отображает характеристики диода при обратном включении (то есть когда на анод подаётся «минус»).

Синяя толстая линия – это характеристика германиевого диода (Ge), а чёрная тонкая линия – характеристика кремниевого (Si) диода. На рисунке не указаны единицы измерения для осей тока и напряжения, так как они зависят от конкретной марки диода.

Для начала определим, как и для любой плоской системы координат, четыре координатных угла (квадранта). Напомню, что первым считается квадрант, который находится справа вверху (то есть там, где у нас буквы Ge и Si). Далее квадранты отсчитываются против часовой стрелки.

Итак, II-й и IV-й квадранты у нас пустые. Это потому, что мы можем включить диод только двумя способами – в прямом или в обратном направлении. Невозможна ситуация, когда, например, через диод протекает обратный ток и одновременно он включен в прямом направлении, или, иными словами, невозможно на один вывод одновременно подать и «плюс» и «минус». Точнее, это возможно, но тогда это будет короткое замыкание. Остаётся рассмотреть только два случая – прямое включение диода иобратное включение диода .

График прямого включения нарисован в первом квадранте. Отсюда видно, что чем больше напряжение, тем больше ток. Причём до какого-то момента напряжение растёт быстрее, чем ток. Но затем наступает перелом, и напряжение почти не меняется, а ток начинает расти. Для большинства диодов этот перелом наступает в диапазоне 0,5…1 В. Именно это напряжение, как говорят, «падает» на диоде. Эти 0,5…1 В и есть падение напряжения на диоде. Медленный рост тока до напряжения 0,5…1В означает, что на этом участке ток через диод практически не идёт даже в прямом направлении.

График обратного включения нарисован в третьем квадранте. Отсюда видно, что на значительном участке ток почти не изменяется, а затем увеличивается лавинообразно. Если увеличить, напряжение, например, до нескольких сотен вольт, то это высокое напряжение «пробьёт» диод, и ток через диод будет течь. Вот только «пробой» - это процесс необратимый (для диодов). То есть такой «пробой» приведет к выгоранию диода и он либо вообще перестанет пропускать ток в любом направлении, либо наоборот – будет пропускать ток во всех направлениях.

В характеристиках конкретных диодов всегда указывается максимальное обратное напряжение – то есть напряжение, которое может выдержать диод без «пробоя» при включении в обратном направлении. Это нужно обязательно учитывать при разработке устройств, где применяются диоды.

Сравнивая характеристики кремниевого и германиевого диодов, можно сделать вывод, что в p-n-переходах кремниевого диода прямой и обратный токи меньше, чем в германиевом диоде (при одинаковых значениях напряжения на выводах). Это связано с тем, что у кремния больше ширина запрещённой зоны и для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости им необходимо сообщить большую дополнительную энергию.