Схема включения диода в электрическую цепь. P-N-переход и диод

Полупроводниковым диодом называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом, имеющим два вывода.

Полупроводниковый диод — полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами (электродами). В отличие от других типов диодов, принцип действия полупроводникового диода основывается на явлении p-n -перехода.

Диод (от др.-греч. δις — два и -од означающего путь) — двухэлектродный электронный прибор, обладает различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока. Электрод диода, подключённый к положительному полюсу источника тока, когда диод открыт (то есть имеет маленькое сопротивление), называют анодом , подключённый к отрицательному полюсу — катодом .

Ток в цепи анода лампы зависит от температуры накала нити, т. е. от количества электронов , вылетающих из катода в единицу времени, а также от напряжения на аноде. Если положительное напряжение на аноде мало, то он притягивает небольшое количество электронов и ток в анодной цепи имеет малое значение. С повышением напряжения на аноде ток в цепи увеличивается.

Рис. 2.2. Схема структуры полупроводникового диода (а) и его графическое обозначение (б)

Буквами p и n обозначены слои полупроводника с проводимостями соответственно p-типа и n-типа. В контактирующих слоях полупроводника (область p-n-перехода на рис. 2.2) имеет место диффузия дырок из слоя p в слой n, причиной которой является то, что их концентрация в слое p значительно больше их концентрации в слое n. В итоге в приграничных областях слоя p и слоя n возникает так называемый обедненный слой, в котором мала концентрация подвижных носителей заряда (электронов и дырок). Обедненный слой имеет большое удельное сопротивление. Ионы примесей обедненного слоя не компенсированы дырками или электронами.

В совокупности ионы образуют некомпенсированные объемные заряды, создающие электрическое поле с напряженностью Е. Это поле препятствует переходу дырок из слоя p в слой n и переходу электронов из слоя n в слой p. Оно создает так называемый дрейфовый поток подвижных носителей заряда, перемещающий дырки из слоя n в слой p и электроны из слоя p в слой n. Таким образом, в зависимости от полярности проходящего через диод тока, проводимость диода существенно изменяется, приводя к изменению величину проходящего тока.

Диодом называют электронный прибор с резко выраженной односторонней проводимость электрического тока: он хорошо пропускает через себя ток в одном направлении и очень плохо — в другом. Это основное свойство диода будет, в частности, использоваться для преобразования переменного тока электроосветительной сети в ток постоянный, необходимый для питания устройств электронной автоматики. Схематическое устройство и условное графическое обозначение полупроводникового диода показаны на рисунке.

Он представляет собой небольшую пластинку германия или кремния, одна область (часть объема) которой обладает электропроводимостью p-типа, то есть «дырочной», другая — электропроводимостью n-типа, то есть электронной. Границу между ними называют p-n переходом. Здесь буквы p и n — первые в латинских словах positiv — «положительный», и negativ — «отрицательный». Область p-типа исходного полупроводника такого прибора является анодом (положительным электродом), а область n-типа — катодом (отрицательным электродом) диода.

Принцип работы диода иллюстрируют схемы, приведенные на рисунке.

Если к диоду VD через лампу накаливания HL подключить батарею GB так, чтобы вывод положительного полюса батареи был соединен с анодом, а вывод отрицательного полюса с катодом диода (рис а ), тогда в образовавшейся электрической цепи появится ток, о чем будет сигнализировать загоревшаяся лампа HL. Максимальное значение этого тока зависит от сопротивления p-n перехода диода и поднного на него постоянного напряжения. Такое состояние диода называют открытым, ток, текущий через него, — прямым током I пр, а поданное на него напряжение, благодаря которому диод оказался в открытом состоянии,— прямым напряжением Uпр.

Если полюсы батареи GB поменять местами, как показано на рис. б , то лампа HL не загорится, так как в этом случае диод находится в закрытом состоянии и оказывает току в цепи большое сопротивление. Небольшой ток через p-n переход диода в обратном направлении все же пойдет, но по сравнению с прямым током будет столь незначительным, что нить накала лампы даже не среагирует. Такой ток называют обратым током I обр, а напряжение, создающее его, — обратным напряжением U обр.

Основные характеристики и параметры диодов:

Диапазон частот диода;

Пробивное напряжение.

Полупроводниковые диоды имеют следующие основные параметры :

Постоянный обратный ток диода (I обр) - значение постоянного тока, протекающего через диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении;

Постоянное обратное напряжение диода (U обр) - значение постоянного напряжения, приложенного к диоду в обратном направлении;

Постоянный прямой ток диода (I пр) - значение постоянного тока, протекающего через диод в прямом направлении;

Постоянное прямое напряжение диода (U пр) - значение постоянного напряжения на диоде при заданном постоянном прямом токе;

Предельный режим работы диодов характеризуют максимально допустимые параметры - параметры, которые обеспечивают заданную надежность и значения которых не должны превышаться при любых условиях эксплуатации:

Максимально допустимая рассеиваемая мощность (Р mах);

Максимально допустимый постоянный прямой ток (I пр. mах), значение которого ограничивается разогревом р-n-перехода;

Максимально допустимое постоянное обратное напряжение (U обр. mах);

Дифференциальное сопротивление (r диф);

Минимальная (Т мин) и максимальная (Т mах) температуры окружающей среды для работы диода.

Допустимая рассеиваемая мощность (Р mах) определяется тепловым сопротивлением диода (R т), допустимой температурой перехода (Т п mах) и температурой окружающей среды (Т о) в соответствии с соотношением:

Максимально допустимый прямой ток можно определить по заданной, максимально допустимой мощности:

Обратное максимально допустимое напряжение (U обр. mах) для различных типов диодов может принимать значения от нескольких единиц до десятков тысяч вольт.

Оно ограничивается пробивным напряжением:

U обр max ? 0,8 U проб.

Дифференциальное сопротивление (r диф) равно отношению приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока через диод:

Сопротивление r диф зависит от режима работы диода.

Минимальная температура окружающей среды (Т мин), при которой могут эксплуатироваться полупроводниковые диоды, обычно равна -60°С. При более низких температурах ухудшаются электрические и механические свойства полупроводниковых кристаллов и элементов конструкций диодов.

Для германиевых диодов максимальная температура Т макс = +70 °С. Для кремневых она может достигать +150 °С. При более высоких температурах происходит вырождение полупроводника: концентрации основных и неосновных носителей становятся одинаковыми, переход перестает обладать свойствами односторонней проводимости

Вольт-амперная характеристика - это зависимость тока i, протекающего через диод, от напряжения u, приложенного к диоду. Вольт-амперной характеристикой называют и график этой зависимости (рис. 2.3).

Модельным аналогом барьерной емкости может служить емкость плоского конденсатора, обкладками которого являются р- и n -области, а диэлектриком служит р-n -переход, практически не имеющий подвижных зарядов. Значение барьерной емкости колеблется от десятков до сотен пикофарад; изменение этой емкости при изменении напряжения может достигать десятикратной величины.

Диффузионная емкость. Изменение величины объемного заряда неравновесных электронов и дырок, вызванное изменением прямого тока, можно рассматривать как следствие наличия так называемой диффузионной емкости, которая включена параллельно барьерной емкости.

Значения диффузионной емкости могут иметь порядок от сотен до тысяч пикофарад. Поэтому при прямом напряжении емкость р-n -перехода определяется преимущественно диффузионной емкостью, а при обратном напряжении - барьерной емкостью.

Диоды обычно характеризуются следующими параметрами (рис. 2.3):

Обратный ток при некоторой величине обратного напряжения I обр, мкА;

Падение напряжения на диоде при некотором значении прямого тока через диод Uпр, в;

Емкость диода при подаче на него обратного напряжения некоторой величины С, пФ;

Диапазон частот, в котором возможна работа без снижения выпрямленного тока fгр, кГц;

Диоды разных типов отличаются своими параметрами и характеристиками. К основным параметрам диода относятся: напряжение накала Uн ток накала Iн, ток эмиссии Iэ, анодное напряжение Uа. Кроме того, диоды различаются по крутизне их характеристики. Чем быстрее нарастает анодный ток диода при увеличении анодного напряжения, тем больше крутизна характеристики диода. Крутизну обозначают S она показывает, на сколько миллиампер увеличивается сила анодного тока диода при повышении анодного напряжения на 1 в:

где?Ia— изменение силы анодного тока,

Ua — изменение анодного напряжения.

Так, если крутизна диода S —3 ма/в, то это значит, что при увеличении анодного напряжения на 1 в сила анодного тока возрастет на 3 ма.

К параметрам, которыми характеризуется диод, относится также величина его внутреннего сопротивления переменному току. Внутреннее сопротивление диода не постоянно, а зависит от величины и полярности анодного напряжения, приложенного к диоду. Например, когда к аноду приложено отрицательное напряжение, его внутреннее сопротивление практически бесконечно велико и ток через диод не проходит.

Наименьшим внутренним сопротивлением диод обладает в пределах средней прямолинейной части Характеристики, где крутизна имеет наибольшее значение. В нижней части характеристики и в верхней части внутреннее сопротивление лампы увеличивается.

Внутреннее сопротивление лампы обозначается Я;. Оно равна отношению изменения анодного напряжения (Ua) к соответствующему изменению анодного тока:

Весьма важным параметром, характеризующим каждую лампу, является величина допустимой мощности рассеяния на аноде. Электроны под влиянием напряжения, приложенного к аноду, развивают большую скорость и поэтому со значительной силой ударяются в него. При этом анод, нагреваясь, может раскалиться и даже расплавиться. Чем больше анодное напряжение, тем больше скорость электронов. Чем больше ток, проходящий через диод, тем большее число электронов одновременно ударяет в анод. Поэтому количество тепла, выделяемого на аноде, зависит от анодного напряжения и анодного тока. Произведение этих двух величин равно мощности рассеяния на аноде:

Выделение тепла на аноде — бесполезная, но неизбежная потеря мощности. При очень сильном нагревании анода лампа выходит из строя. Ввиду этого мощность рассеяния не должна превышать некоторую допустимую для данного типа лампы величину.

Техническими условиями задаются обычно максимальные (или минимальные) значения параметров для диодов каждого типа. Так, например, задается максимально возможное значение обратного тока, прямого падения напряжения и емкости диода. Диапазон частот задается минимальным значением граничной частоты fгр. Это значит, что параметры всех диодов не превышает (а в случае частоты - не ниже) заданного техническими условиями значения.

Обозначение диодов состоит из шести символов:

Первый символ (буква или цифра) обозначает материал диода (цифрой обозначаются диоды, способные выдерживать более высокую температуру):

Г или 1 - германий;

К или 2 - кремний;

А или 3 - соединения галлия;

Второй символ (буква) указывает подкласс приборов:

А - сверхвысокочастотный; Б - с объёмным эффектом Ганна ; В - варикапы ; Г - генераторы шума; Д - выпрямительные, универсальные, импульсные; И - туннельные и обращенные; К - стабилизаторы тока; Л - излучающие; Н - динисторы ; С - стабилитроны стабисторы; У - тиристоры ; Ц - выпрямительные столбы и блоки;

Третий символ (цифра) обозначает классификационный номер, по которому различают диоды внутри данного типа (например: 1 - малой мощности, 2 - средней мощности, 3 - большой мощности, 4 - универсальные и т.д).

Четвертый и пятый символы (цифры) обозначают порядковый номер разработки (от 1 до 99).

Шестой символ (буква), указывает различие по параметрам, которые не являются классификационными.

Классификация и система обозначений. Классификация современных полупроводниковых диодов (ПД) по их назначению, физическим свойствам, основным электрическим параметрам, конструктивно-технологическим признакам, исходному полупроводниковому материалу находит отражение в системе условных обозначений диодов в соответствии с ГОСТ 20859.1-89.

Первый элемент (цифра или буква) обозначает исходный полупроводниковый материал, второй (буква) - подкласс приборов, третий (цифра) - основные функциональные возможности прибора, четвертый - число, обозначающее порядковый номер разработки, пятый элемент - буква, условно определяющая классификацию (разбраковку по параметрам) приборов, изготовленных по единой технологии.

Для обозначения исходного полупроводникового материала используются следующие символы:

Г, или 1 - германий или его соединения; К, или 2 - кремний или его соединения; А, или 3 - соединения галлия; И, или 4 - соединения индия.

Для обозначения подклассов диодов используется одна из следующих букв:

Д - диоды выпрямительные и импульсные; Ц - выпрямительные столбы и блоки; В - варикапы; И - туннельные диоды; А - сверхвысокочастотные диоды; С - стабилитроны; Г - генераторы шума; Л - излучающие оптоэлектронные приборы; О - оптопары.

Различают диоды:

в зависимости от назначения :

Выпрямительные; стабилитроны; варикапы; туннельные; импульсные и др.;

по применяемым исходным материалам :

Германиевые; кремниевые; из арсенида галлия;

по технологии изготовления :

Сплавные; диффузионные; планарные;

по частотному диапазону :

Низкочастотные; высокочастотные; СВЧ-диоды (сверхвысокочастотные диоды);

по типу р-n-перехода :

Плоскостные; точечные.

Стабилитроны - это кремниевые плоскостные диоды, предназначенные для стабилизации уровня постоянного напряжения в схеме при изменении в некоторых пределах тока через диод. Это полупроводниковый диод, сконструированный для работы в режиме электрического пробоя. Как отмечалось в разд. 1.2, если обратное напряжение превышает значение U обр. пр , то происходит лавинный пробой р -n -перехода, при котором обратный ток резко возрастает при почти неизменном обратном напряжении. Такой участок характеристики (участок аб, см. рис. 1.8, а ) используют стабилитроны, нормальным включением которых в цепь источника постоянного напряжения является обратное (см. рис. 1.8, б ).

Если обратный ток через стабилитрон не превышает некоторого значения I ст. макс , то состояние электрического пробоя не приводит к порче диода и может воспроизводиться в течение десятков и сотен тысяч часов. В качестве исходного материала при изготовлении стабилитронов используют кремний, поскольку обратные токи кремниевых р- n -переходов невелики, а следовательно, нет условий для саморазогрева полупроводника и теплового пробояр -n -перехода.

Основные параметры стабилитрона:

- номинальное напряжение стабилизации U ст ном — напряжение на стабилитроне в рабочем режиме (при заданном токе стабилизации);

- минимальный ток стабилизации I ст.min — наименьшее значение тока стабилизации, при котором режим пробоя устойчив;

- максимально допустимый ток стабилизации I ст.max — наибольший ток стабилизации, при котором нагрев стабилитронов не выходит за допустимые пределы.

Дифференциальное сопротивление г ст — отношение приращения напряжения стабилизации к вызывающему его приращению тока стабилизации: г ст = DU ст /DIст .

К параметрам стабилитронов также относят максимально допустимый прямой ток I max , максимально допустимый импульсный ток I пр.и max , максимально допустимую рассеиваемую мощностьР max .

(ТКН) - температурный коэффициент напряжения стабилизации.

Уровень напряжения стабилизации определяется величиной пробивного напряжения U обр. пр , зависящего, в свою очередь, от шириныр -n -перехода, а следовательно, степени легирования кремния примесью. Для получения низковольтных стабилитронов используется сильнолегированный кремний. Поэтому у стабилитронов с напряжением стабилизации <5,4 В участок стабилизации определяется обратным током туннельного характера. У низковольтных стабилитронов с ростом температуры напряжение стабилизации уменьшается, а у высоковольтных увеличивается.

Схема на рис. 1.8, б объясняет принцип работы простейшего стабилизатора постоянного напряжения. Увеличение входного напряжения u вх приводит к увеличению тока через стабилитрон и сопротивление R . Избыток входного напряжения выделяется на R, а напряжение u вых остается практически неизменным.

Рис. 1.8 Вольтамперная характеристика (а) и схема включения стабилитрона (б)

В стабилитронах может иметь место и туннельный, и лавинный, и смешанный пробой в зависимости от удельного сопротивления базы.

Стабистор. Это полупроводниковый диод, напряжение на котором при прямом включении (около 0,7 В) мало зависит от тока (прямая ветвь на соответствующем участке почти вертикальная). Стабистор предназначен для стабилизации малых напряжений.

Варикапом называется специально сконструированный полупроводниковый диод, применяемый в качестве конденсатора переменной емкости. Значение емкости варикапа определяется емкостью его р -n -перехода и изменяется при изменении приложенного к переходу (диоду) напряжения.

Как было сказано выше (см. гл. 1.2), прямосмещенный р -n -переход характеризуется, в частности, диффузионной емкостью, а обратносмещенный - барьерной. В варикапах используется барьерная емкость (выражение 1.12), отличающаяся малым температурным коэффициентом, низким уровнем собственных шумов и слабой зависимостью от частоты. Следовательно, в рабочем режиме к

варикапу прикладывается запирающее внешнее напряжение. Поскольку толщина p -n -перехода зависит от величины приложенного внешнего напряжения U , то, изменяя последнее, можно регулировать значение ёмкости. Это используется, в частности, для настройки на нужный канал в телевизорах и радиоприёмниках.

К основным параметрам варикапа относят:

1. Общая емкость варикапа Св - емкость, измеренная при определенном обратном напряжении (измеряется при U = 5В и составляет десятки - сотни рФ);

2. Коэффициент перекрытия по емкости Кп = С в max /С в min — отношение емкостей варикапа при двух крайних значениях обратного напряжения (К п = 5-8 раз);

3. Добротность варикапа Q = Х с /r п где X c - реактивное сопротивление варикапа; r п - сопротивление активных потерь;

4. I обр — постоянный ток, протекающий через варикап в обратном направлении при заданном обратном напряжении.

Варикапы находят широкое применение для электронной подстройки резонансной частоты колебательных контуров. Изменяя напряжение на варикапе, подключенном к колебательному контуру, можно обеспечить дистанционное и безынерционнное управление резонансной частотой контура. Так, например, для получения необходимых значений промежуточных частот в гетеродине телевизионного приемника должно предусматриваться плавное изменение частоты.

В телевизорах старых типов эта настройка ручной регулировкой емкости конденсатора, входящего в колебательный контур гетеродина, а в современных телевизорах это делается с помощью варикапа, включаемого в колебательный контур гетеродина. При изменении подводимого к варикапу напряжения изменяется его емкость, а, следовательно, и частота гетеродина. Изменение напряжения на варикапе может осуществляться или вручную (потенциометром) или с помощью системы автоматической подстройки частоты гетеродина.

Туннельный диод - это полупроводниковый диод, в котором используется явление туннельного пробоя при включении в прямом направлении. Характерной особенностью туннельного диода является наличие на прямой ветви вольтамперной характеристики участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Для примера на рис. 1.12 показана прямая ветвь вольтамперной характеристики германиевого туннельного усилительного диода 1И104А (I пр.макс = 1 мА - постоянный прямой ток, U обр.макс = 20 мВ), предназначенного для усиления в диапазоне волн 2-10 см (это соответствует частоте более 1 ГГц).

Рис. 1.12 ВАХ туннельного диода

Общая емкость диода в точке минимума характеристики составляет 0,8-1,9 пФ. Туннельные диоды могут работать на очень высоких частотах - более 1 ГГц. Наличие участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением на вольтамперной характеристике обеспечивает возможность использования туннельных диодов в качестве усилительного элемента и в качестве основного элемента генераторов. В настоящее время туннельные диоды используются именно в этом качестве в области сверхвысоких частот.

Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока низкой частоты (50-100 000 Гц). В настоящее время широко применяются кремниевые выпрямительные диоды с р -n -переходом плоскостного типа, имеющие во много раз меньшие обратные токи и большие обратные напряжения по сравнению с германиевыми.

Основным элементом выпрямительного диода является полупроводниковая пластинка, в которой методом сплавления или диффузии сформован р -n -переход. Кремниевый р -n -переход образуется при сплавлении исходного кристалла кремния n-типа с бором или алюминием. Для защиты от внешних воздействий, а также для обеспечения хорошего теплоотвода полупроводниковая пластинка с р -n -переходом и двумя внешними выводами от слоев p и n заключается в корпус

Выпрямительные диоды подразделяются на диоды малой (I пр. ср < 0,3 А), средней (0,3 А < I пр. ср < 10 А) и большой (I пp.ср > 10 А) мощности. Для повышения допустимого обратного напряжения выпускаются высоковольтные столбы, в которых несколько диодов включены последовательно. Кроме того, производством серийно выпускаются выпрямительные блоки, которые содержат как последовательно, так и параллельно (для повышения прямого тока) соединенные диоды.

Рис. 1.11 Конструкция (а) и вольтамперная характеристика (б) точечного диода

Выпрямительные диоды используют для выпрямления переменных токов частотой 50 Гц - 100 кГц. В них используется главное свойство p-n -перехода - односторонняя проводимость. Главная особенность выпрямительных диодов большие площади p-n -перехода, поскольку они рассчитаны на выпрямление больших по величине токов. Основные параметры выпрямительных диодов даются применительно к их работе в однополупериодном выпрямителе с активной нагрузкой (без конденсатора, сглаживающего пульсации).

Среднее прямое напряжение U пр. . ср — среднее за период прямое напряжение на диоде при протекании через него максимально допустимого выпрямленного тока.

Средний обратный ток I обр. ср — средний за период обратный ток, измеряемый при максимальном обратном напряжении.

Максимально допустимое обратное напряжение U обр. mах (U обр. и mах ) - наибольшее постоянное (или импульсное) обратное напряжение, при котором диод может длительно и надежно работать.

Максимально допустимый выпрямленный ток I вп. ср mах — средний за период ток через диод (постоянная составляющая), при котором обеспечивается его надежная длительная работа.

Превышение максимально допустимых величин ведет к резкому сокращению срока службы или пробою диода.

Максимальная частота f тах — наибольшая частота подводимого напряжения, при которой выпрямитель на данном диоде работает достаточно эффективно, а нагрев диода не превышает допустимой величины.

В выпрямительном устройстве энергия переменного тока преобразуется в энергию постоянного тока за счет односторонней проводимости диодов.

На рис. 5 приведена схема однополупериодного выпрямителя. Работа выпрямителя происходит следующим образом. Если генератор вырабатывает синусоидальное напряжение,

e(t) = Е m sin w t ,

то в течение положительного (+ ) полупериода напряжение для диода является прямым, его сопротивление мало, и через резистор проходит ток, который создает на резисторе R Н падение напряжения U вых , повторяющее входное напряжение e(t) . В следующий, отрицательный (- ) полупериод, напряжение для диода является обратным, сопротивление диода велико, тока практически нет и, следовательно, U вых = 0 . Таким образом, через диод и R Н протекает пульсирующий выпрямленный ток. Он создает на резисторе R Н пульсирующее выпрямленное напряжение U вых .

Полезной частью выпрямленного напряжения является его постоянная составляющая или среднее значение U ср (за полупериод):

U cp = U max / p =0,318 U max

Таким образом, U ср составляет около 30% от максимального значения.

Выпрямленное напряжение обычно используется в качестве напряжения питания электронных схем.

Диод Шоттки . В диоде Шоттки используется не p-n-переход, а выпрямляющий контакт металл-полупроводник. Условное графическое обозначение диода Шоттки представлено на рис. 2.5, б.

В обычных условиях прямой ток, образованный электронами зоны проводимости, переходящими из полупроводника в металл, имеет очень малую величину. Это является следствием недостатка электронов, энергия которых позволила бы им преодолеть данный барьер.

Для увеличения прямого тока необходимо «разогреть» электроны в полупроводнике, поднять их энергию. Такой разогрев может быть осуществлен с помощью электрического поля.

Если подключить источник внешнего напряжения плюсом к металлу, а минусом к полупроводнику n-типа, то потенциальный барьер понизится и через переход начнет протекать прямой ток. При противоположном подключении потенциальный барьер увеличивается и ток оказывается весьма малым.

Диоды Шоттки - очень быстродействующие приборы, они могут работать на частотах до десятков гигагерц (1 ГГц = 1109 Гц). У диода Шоттки может быть малый обратный ток и малое прямое напряжение (при малых прямых токах) - около 0,5 В, что меньше, чем у кремниевых приборов. Максимально допустимый прямой ток может составлять десятки и сотни ампер, а максимально допустимое напряжение - сотни вольт.

Обращенный диод . Это полупроводниковый диод, физические явления в котором подобны физическим явлениям в туннельном диоде, поэтому зачастую обращенный диод рассматривают как вариант туннельного диода. При этом участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением на вольт-амперной характеристике обращенного диода отсутствует или очень слабо выражен.

Обратная ветвь вольт-амперной характеристики обращенного диода (отличающаяся очень малым падением напряжения) используется в качестве прямой ветви «обычного диода», а прямая ветвь - в качестве обратной ветви. Отсюда и название - обращенный диод.

Условное графическое обозначение обращенного диода представлено на рис. 2.5,д.

Рассмотрим для примера вольт-амперные характеристики германиевого обращенного диода 1И104А (рис. 2.9), предназначенного, кроме прочего, для работы в импульсных устройствах (постоянный прямой ток - не более 0,3 мА, постоянный обратный ток - не более 4 мА (при ), общая емкость в точке минимума вольт-амперной характеристики 1,2…1,5 пФ).

Как видно из графика (рис. 2.9), обе ветви вольт-амперной характеристики практически симметричны (в зеркальном отражении) относительно начала координат. Участок отрицательного дифференциального сопротивления размещен на участке положительного напряжения между 0,1 и 0,3 В. При этом амплитуда тока на участке с отрицательным дифференциальным сопротивлением не превышает 0,05 мА.

Рис. 2.9. Вольт-амперная характеристика обращенного диода

Построить схему синхронного одноступенческого RS-тригера на элементах И-НЕ. Составить таблицу переключений. Используя одноступенчатые синронные RS-триггеры, начертить схему двухступенчатого RS-триггера. Пояснить различие в работе.

Каждая из систем классификации характеризует триггеры по разным показателям и поэтому дополняет одна другую. К примеру, триггеры RS-типа могут быть в синхронном и асинхронном исполнении.

Асинхронный триггер изменяет своё состояние непосредственно в момент появления соответствующего информационного сигнала(ов), с некоторой задержкой равной сумме задержек на элементах составляющих данный триггер.

Синхронные триггеры реагируют на информационные сигналы только при наличии соответствующего сигнала на так называемом входе синхронизации С (от англ. clock). Этот вход также обозначают термином «такт». Такие информационные сигналы называют синхронными. Синхронные триггеры в свою очередь подразделяют на триггеры со статическим и с динамическим управлением по входу синхронизации С.

Триггеры со статическим управлением воспринимают информационные сигналы при подаче на вход С логической единицы (прямой вход) или логического нуля (инверсный вход).

Триггеры с динамическим управлением воспринимают информационные сигналы при изменении (перепаде) сигнала на входе С от 0 к 1 (прямой динамический С-вход) или от 1 к 0 (инверсный динамический С-вход). Также встречается название «триггер управляемый фронтом».

Одноступенчатые триггеры (latch , защёлки) состоят из одной ступени представляющей собой элемент памяти и схему управления, бывают, как правило, со статическим управлением. Одноступенчатые триггеры с динамическим управлением применяются в первой ступени двухступенчатых триггеров с динамическим управлением. Одноступенчатый триггер на УГО обозначают одной буквой - Т.

Двухступенчатые триггеры (flip-flop , шлёпающие) делятся на триггеры со статическим управлением и триггеры с динамическим управлением. При одном уровне сигнала на входе С информация, в соответствии с логикой работы триггера, записывается в первую ступень (вторая ступень заблокирована для записи).

При другом уровне этого сигнала происходит копирование состояния первой ступени во вторую (первая ступень заблокирована для записи), выходной сигнал появляется в этот момент времени с задержкой равной задержке срабатывания ступени. Обычно двухступенчатые триггеры применяются в схемах, где логические функции входов триггера зависят от его выходов, во избежание временных гонок. Двухступенчатый триггер на УГО обозначают двумя буквами - ТТ.

Триггеры со сложной логикой бывают также одно- и двухступенчатые. В этих триггерах наряду с синхронными сигналами присутствуют и асинхронные. Такой триггер изображён на рис. 1, верхний (S) и нижний (R) входные сигналы являются асинхронными.

Рис. 2.39. Синхронные RS-триггеры : синхронный RS-триггер на элементах И-НЕ и условное обозначение;

Синхронный двухступенчатый RS-триггер (master-slave, что переводится «мастер-помощник») состоит из двух синхронных RS-триггеров и инвертора, рис. 2.41, а. Входы С обоих триггеров соединены между собой через инвертор DD1.1. Если C = 1, то первый триггер функционирует согласно сигналам на его входах S и R. Второй триггер функционировать не-может, т. к, у него C = 0. Если C = 0, то первый триггер не функционирует, а для второго триггера C = 1, и он изменяет свое состояние согласно сигналам на выходах первого триггера.

Рис. 2.41. Синхронный двухступенчатый RS-триггер: a - схема триггера на логических элементах И-НЕ; б - условное обозначение и временные диаграммы тактового импульса.

Принципы разделения каналов в методах многостанционного доступа с частотным и временным разделением (МДЧР и МДВР), их особенности и области применения. Понятия по построению кадров для БС и АС при МДВР.

Множественный доступ характерен для спутниковых каналов, радиоканалов, каналов мобильной связи .

1. Технология FDMA (Frequency Division Multiple Access) осуществляет манипуляцию только одним параметром информационного сигнала — частотой. Каждому каналу выделяется своя достаточно узкая полоса (20-25 КГц) в спектре частот. Между этими полосами существуют ещё дополнительные частотные интервалы — защитные, уменьшающие взаимовлияние одних каналов на другие. Разнос между приёмом и передачей выполняется также по частоте - FDD (Frequency Division Duplex). Технология FDMA/FDD лежит в основе аналоговых стандартов сотовой связи, например NMT-450 и С-450.щб

Недостатками такого метода разделения каналов являются:

• узкополосность информационного канала, а значит и чувствительность его к селективным замираниям (низкая помехоустойчивость);
• нерациональное использование участков спектра (диапазона) частот — сложности в использовании одних и тех же участков спектра на одной территории.

К достоинствам можно отнести следующие:

• относительная простота реализации;
• высокое качество в низкочастотной части разговорного тракта по такому параметру как тембральный окрас речи (влияет на узнаваемость говорящего). При отсутствии значительных помех оно близко к качеству в каналах проводной телефонии.

2. Технология TDMA (Time Division Multiple Access) манипулирует уже двумя параметрами информационного сигнала — частотой и временем. В данном случае каждому каналу назначается более широкая (относительно FDMA) полоса частот (до 200 кГц), которая в свою очередь разбивается на логические каналы (разнесённые по времени). Разнос между приёмом и передачей может выполняться как по частоте — FDD (Frequency Division Duplex), так и по времени TDD (Time Division Duplex). Технология TDMA/FDD используется в цифровых стандартах сотовой связи, например GSM-900/1800 и D-AMPS. А технология TDMA/TDD лежит в основе стандарта DECT — цифровой беспроводной телефонии.

К достоинствам этого метода можно отнести следующие:

• более высокая помехозащищённость (в сравнении с FDMA), достигнутая благодаря оцифровке информационного сигнала;
• возможность повторного использования одних и тех же полос частот на одной территории — более высокий коэффициент повторного использования.

Недостатками являются:

• сохраняющаяся узкополосность (относительная), и как следствие — подверженность селективным замираниям, что проявляется в виде «кваканья» и «бульканья» (выпадения полезного сигнала) в низкочастотной части разговорного тракта;
• малоэффективное использование спектра частот — сохранение процедуры частотного планирования.

Доступ с частотным разделением каналов (МДЧР) МДЧР является наиболее простым и распространенным методом, используемым как в аналоговых, так и цифровых ССС. При МДЧР каждая ЗС передает свои сигналы в отведенном ей участке полосы пропускания ретранслятора. Основной недостаток МДЧР - уменьшение пропускной способности по сравнению с односигнальным режимом, вызванное необходимостью снижения на 4-6 дБ мощности выходного усилителя ретранслятора из-за появления интермодуляционных помех. Кроме того, необходимо обеспечить высокую стабильность частоты и мощности сигнала, излучаемого каждой ЗС.

В системах с МДЧР передача может осуществляться как многоканальными сигналами, так и одноканальными с использованием принципа передачи "один канал на несущей" (ОКН). Метод ОКН применяют в основном в сети станций с небольшим числом каналов. Основное преимущество метода состоит в возможности реализации принципа предоставления каналов по требованию. Метод МДЧР широко используется в ССС "Интерспутник", intelsat, национальных ССС многих стран. Данный метод сложно использовать для подключения большого числа компьютерных абонентских станций и сетей ЭВМ.

Доступ с временным разделением (МДВР) Метод МДВР нашел применение в связи с реализацией цифровых методов передачи. При этом методе каждой ЗС для излучения сигналов выделяется определенный, периодически повторяемый временной интервал. Интервалы излучения всех станций взаимно синхронизованы, в силу чего перекрытие их не происходит. В каждый момент времени через ретранслятор проходит сигнал только одной станции и отсутствует нелинейное взаимодействие сигналов разных ЗС в усилителе ретранслятора.

Метод МДВР получает развитие для передачи данных большого числа абонентских станций, подключенных к сети цифровой телефонной связи и с помощью аппаратуры уплотнения каналов осуществляется организация передачи через главные ЗС. Применяется для подключения большого числа автономных компьютерных абонентских станций и сетей ЭВМ с непосредственной связью со спутниковой станцией требуются значительные затраты при ограниченных возможностях по числу ЗС.

Кадр МДВР состоит из четырех субкадров (окон). Мультикадр содержит 18 кадров, гиперкадр -50 мультикадров. Длительность кадра 53.37 мс, мультикадра - 1,02 с. В каждом частотном канале организованы четыре физических канала при частотном разносе между каналами 25 кГц или два канала при частотном разносе 12,5 кГц.
В окне передают пакет, содержащий 510 бит. Существует шесть типовых пакетов: NUB -стандартный пакет для направления вверх (рис.9.2,a); NDB - стандартный пакет для направления вниз (рис.9.2,б); SB - пакет синхронизации для АС (рис. 9.2.в); одиночный стандартный пакет для направления вниз; одиночный пакет синхронизации для АС и пакет управления.

Стандартные пакеты предназначены для передачи информации каналов трафика и управления. Одиночные пакеты — для тех же целей. Только они используются в режимах временного разделения, например, при временном разделении каналов между зонами в развитой системе. Пакет управления (рис. 9 2. г и д) состоит из двух независимых полупакетов: вверх (LB) и вниз (СВ). LB - полупакет сигнала управления мощностью. Занимает только один (левый) полупакет. СВ - полу-пакет канала управления мощностью. Занимает один полупакет, но может передаваться в любом из них (левом и правом).

Структуру пакета (рис. 9.2) формируют следующие поля и биты:

Р - бит управления мощностью;

01 - стандартная обучающая последовательность;

02 - расширенная обучающая последовательность;

Ф - биты регулировки фазы;

F - биты коррекции частоты;

S - синхропоследовательность.

Поля для передачи информации канала трафика и канала управления обозначены ИНФ и И2, причем ИНФ означает, что это поле могут занимать биты любого из этих каналов, а И2 - только канала управления. Одной чертой на рис. 9.2 перечеркнуты поля для переходных битов, двумя чертами - защитные временные интервалы. На рис. 9.2 указано число битов каждого поля.

Обучающие последовательности служат для настройки эквалайзера, поддержания кадровой синхронизации пакетов и передачи информации о структуре пакета. Предусмотрены три стандартные обучающие последовательности по 22 бита и одна расширенная - 30 бит. Две из них указывают, что в стандартном пакете передаются один или два логических канала.

Автокорреляционные функции сигналов обучающей последовательности имеют один пик шириной один тактовый интервал и малый уровень боковых составляющих. Это позволяет надежно определить начало последовательности на приеме для поддержания кадровой синхронизации. По виду взаимокорелляционной функции можно уверенно различить последовательности.

Защитный временной интервал введен в одиночные пакеты для снижения межканальных помех. Во время этого интервала несущая не излучается. Биты регулировки фазы служат для восстановления начальной фазы несущей. Поле из 80 бит предоставлено для коррекции частоты. На этом поле формируются три радиоимпульса с известными частотами.

Выпрямительными диодами называют полупроводниковые приборы с одним p-n переходом. Основное свойство, которое лежит в основе работы выпрямительных диодов – односторонняя проводимость. Пример такого диода представлен на рисунке 1.

Рисунок 1. Вольтамперная характеристика выпрямительного диода.

Вольтамперная характеристика выпрямительного диода

На рисунке в первом квадранте расположена прямая, в третьем – обратная ветвь характеристики диода. Прямая ветвь характеристики снимается при действии прямого напряжения, обратная соответственно – обратного напряжения на диод . Прямым напряжением на диоде называется такое , при котором на катоде образуется более высокий электрический потенциал по отношению к аноду , а если говорить языком знаков - на катоде минус (-), на аноде плюс (+) , как показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема для изучения ВАХ диода при прямом включении.

На рисунке 1 приведены следующие условные обозначения:

Iр – рабочий ток диода;

Uд – падение напряжения на диоде;

Uо – обратное напряжение диода;

Uпр – напряжение пробоя;

Iу – ток утечки, или обратный ток диода.

Понятия и обозначения характеристик

Рабочий ток диода (Iр) , это прямой , длительное время проходящий через диод, при котором прибор не подвергается необратимому температурному разрушению, и его характеристики не претерпевают значительных качественных изменений. В справочниках может указываться как прямой максимальный ток.

на диоде (Uд) – напряжение на выводах диода, возникающее при прохождении через него прямого рабочего тока. В справочниках может быть обозначено как прямое напряжение на диоде.

Прямой ток течёт при прямом включении диода .

Обратное напряжение диода (Uо) – допустимое обратное напряжение на диоде, приложенное к нему длительное время, при котором не происходит необратимое разрушение его p-n перехода. В справочной литературе может называться максимальным обратным напряжением.

Напряжение пробоя (Uпр) – обратное напряжение на диоде, при котором происходит необратимый электрический пробой p-n перехода, и, как следствие, выход прибора из строя.

Обратный ток диода, или ток утечки (Iу) – обратный ток, длительное время не вызывающий необратимого разрушения (пробоя) p-n перехода диода.

При выборе выпрямительных диодов обычно руководствуются указанными выше его характеристиками.

Работа диода

Тонкости работы p-n перехода, тема отдельной статьи. Упростим задачу, и рассмотрим работу диода с позиции односторонней проводимости. И так, диод работает как проводник при прямом, и как диэлектрик (изолятор) при обратном включении. Рассмотрим две схемы на рисунке 3.

Рисунок 3. Обратное (а) и прямое (б) включение диода.

На рисунке изображены два варианта одной схемы. На рисунке 3 (а) положение переключателей S1 и S2 обеспечивают электрический контакт анода диода с минусом источника питания, а катода через лампочку HL1 с плюсом. Как мы уже определились, это обратное включение диода. В этом режиме диод будет вести себя как электрически изолирующий элемент, электрическая цепь будет практически разомкнута, лампа гореть не будет.

При изменении положения контактов S1 и S2, рисунок 3 (б), обеспечивается электрический контакт анода диода VD1 с плюсом источника питания, а катода через лампочку – с минусом. При этом выполняется условие прямого включения диода, он «открывается» и через него, как через проводник, течёт ток нагрузки (лампы).

Если Вы только начали изучать электронику, Вас может немного смутить сложность с переключателями на рисунке 3. Проведите аналогию по приведённому описанию, опираясь на упрощённые схемы рисунка 4. Это упражнение позволит Вам немного понять и сориентироваться относительно принципа построения и чтения электрических схем.

Рисунок 4. Схема обратного и прямого включения диода (упрощённая).

На рисунке 4 изменение полярности на выводах диода обеспечивается изменением положения диода (переворачиванием).

Однонаправленная проводимость диода

Можно заметить, что синхронное изменение положений переключателей S1 и S2 (рисунок 3) имитирует подачу на последовательную цепочку диод-лампа рисунок 5.

Рисунок 5. Диаграммы напряжений до и после выпрямительного диода.

Примем условно, что электрический потенциал переключателя S2 всегда равен 0. Тогда на анод диода будет подаваться разность напряжений –US1-S2 и +US1-S2 в зависимости от положения переключателей S1 и S2. Диаграмма такого переменного напряжения прямоугольной формы изображена на рисунке 5 (верхняя диаграмма). При отрицательной разности напряжений на аноде диода он заперт (работает как изолирующий элемент), при этом через лампу HL1 ток не течёт и она не горит, а напряжение на лампе практически равно нулю . При положительной разности напряжений диод отпирается (действует как электрический проводник) и по последовательной цепочке диод-лампа течёт ток. Напряжение на лампе возрастает до UHL1. Это напряжение немного меньше напряжения источника питания, поскольку часть напряжения падает на диоде . По этой причине, разность напряжений в электронике и электротехнике иногда называют «падением напряжения». Т.е. в данном случае, если лампу рассматривать как нагрузку, то на ней будет напряжение нагрузки , а на диоде - падение напряжения .

Таким образом, периоды отрицательной разности напряжения как бы игнорируются диодом, обрезаются, и через нагрузку течёт ток только в периоды положительной разности напряжений. Такое преобразование переменного напряжения в однополярное (пульсирующее или постоянное) назвали выпрямлением.

И как возникает в нем ток. Сегодня мы продолжим начатую тему и поговорим о принципе работы полупроводниковых диодов .

Диод – это полупроводниковый прибор с одним p-n переходом, имеющий два вывода (анод и катод), и предназначенный для выпрямления, детектирования, стабилизации, модуляции, ограничения и преобразования электрических сигналов.

По своему функциональному назначению диоды подразделяются на выпрямительные, универсальные, импульсные, СВЧ-диоды, стабилитроны, варикапы, переключающие, туннельные диоды и т.д.

Теоретически мы знаем, что диод в одну сторону пропускает ток, а в другую нет. Но как, и каким образом он это делает, знают и понимают не многие.

Схематично диод можно представить в виде кристалла состоящего из двух полупроводников (областей). Одна область кристалла обладает проводимостью p -типа, а другая — проводимостью n -типа.

На рисунке дырки , преобладающие в области p -типа, условно изображены красными кружками, а электроны , преобладающие в области n -типа — синими. Эти две области являются электродами диода анодом и катодом :

Анод – положительный электрод дырки .

Катод – отрицательный электрод диода, в котором основными носителями заряда являются электроны .

На внешние поверхности областей нанесены контактные металлические слои, к которым припаяны проволочные выводы электродов диода. Такой прибор может находиться только в одном из двух состояний:

1. Открытое – когда он хорошо проводит ток;
2. Закрытое – когда он плохо проводит ток.

Прямое включение диода. Прямой ток.

Если к электродам диода подключить источник постоянного напряжения: на вывод анода «плюс » а на вывод катода «минус », то диод окажется в открытом состоянии и через него потечет ток, величина которого будет зависеть от приложенного напряжения и свойств диода.

При такой полярности подключения электроны из области n -типа устремятся навстречу дыркам в область p -типа, а дырки из области p -типа двинутся навстречу электронам в область n -типа. На границе раздела областей, называемой электронно-дырочным или p-n переходом , они встретятся, где происходит их взаимное поглощение или рекомбинация .

Например. Oсновные носители заряда в области n -типа электроны, преодолевая p-n переход попадают в дырочную область p -типа, в которой они становятся неосновными . Ставшие неосновными, электроны будут поглощаться основными носителями в дырочной области – дырками . Таким же образом дырки, попадая в электронную область n -типа становятся неосновными носителями заряда в этой области, и будут также поглощаться основными носителями – электронами .

Контакт диода, соединенный с отрицательным полюсом источника постоянного напряжения будет отдавать области n -типа практически неограниченное количество электронов, пополняя убывание электронов в этой области. А контакт, соединенный с положительным полюсом источника напряжения, способен принять из области p -типа такое же количество электронов, благодаря чему восстанавливается концентрация дырок в области p -типа. Таким образом, проводимость p-n перехода станет большой и сопротивление току будет мало , а значит, через диод будет течь ток, называемый прямым током диода Iпр .

Обратное включение диода. Обратный ток.

Поменяем полярность источника постоянного напряжения – диод окажется в закрытом состоянии.

В этом случае электроны в области n -типа станут перемещаться к положительному полюсу источника питания, отдаляясь от p-n перехода, и дырки, в области p -типа, также будут отдаляться от p-n перехода, перемещаясь к отрицательному полюсу источника питания. В результате граница областей как бы расширится, отчего образуется зона обедненная дырками и электронами, которая будет оказывать току большое сопротивление.

Но, так как в каждой из областей диода присутствуют неосновные носители заряда, то небольшой обмен электронами и дырками между областями происходить все же будет. Поэтому через диод будет протекать ток во много раз меньший, чем прямой, и такой ток называют обратным током диода (Iобр ). Как правило, на практике, обратным током p-n перехода пренебрегают, и отсюда получается вывод, что p-n переход обладает только односторонней проводимостью .

Прямое и обратное напряжение диода.

Напряжение, при котором диод открывается и через него идет прямой ток называют прямым (Uпр), а напряжение обратной полярности, при котором диод закрывается и через него идет обратный ток называют обратным (Uобр).

При прямом напряжении (Uпр ) сопротивление диода не превышает и нескольких десятков Ом, зато при обратном напряжении (Uобр ) сопротивление возрастает до нескольких десятков, сотен и даже тысяч килоом. В этом не трудно убедиться, если измерить обратное сопротивление диода омметром.

Сопротивление p-n перехода диода величина не постоянная и зависит от прямого напряжения (Uпр ), которое подается на диод. Чем больше это напряжение, тем меньшее сопротивление оказывает p-n переход, тем больший прямой ток Iпр течет через диод. В закрытом состоянии на диоде падает практически все напряжение, следовательно, обратный ток, проходящий через него мал , а сопротивление p-n перехода велико .

Например. Если включить диод в цепь переменного тока, то он будет открываться при положительных полупериодах на аноде, свободно пропуская прямой ток (Iпр), и закрываться при отрицательных полупериодах на аноде, почти не пропуская ток противоположного направления – обратный ток (Iобр). Эти свойства диодов используют для преобразования переменного тока в постоянный , и такие диоды называют выпрямительными .

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода.

Зависимость тока, проходящего через p-n переход, от величины и полярности приложенного к нему напряжения изображают в виде кривой, называемой вольт-амперной характеристикой диода .

На графике ниже изображена такая кривая. По вертикальной оси в верхней части обозначены значения прямого тока (Iпр ), а в нижней части — обратного тока (Iобр ).
По горизонтальной оси в правой части обозначены значения прямого напряжения Uпр , а в левой части – обратного напряжения (Uобр ).

Вольт-амперная характеристика состоит как бы из двух ветвей: прямая ветвь , в правой верхней части, соответствует прямому (пропускному) току через диод, и обратная ветвь , в левой нижней части, соответствующая обратному (закрытому) току через диод.

Прямая ветвь идет круто вверх, прижимаясь к вертикальной оси, и характеризует быстрый рост прямого тока через диод с увеличением прямого напряжения.
Обратная ветвь идет почти параллельно горизонтальной оси и характеризует медленный рост обратного тока. Чем круче к вертикальной оси прямая ветвь и чем ближе к горизонтальной обратная ветвь, тем лучше выпрямительные свойства диода. Наличие небольшого обратного тока является недостатком диодов . Из кривой вольт-амперной характеристики видно, что прямой ток диода (Iпр ) в сотни раз больше обратного тока (Iобр ).

При увеличении прямого напряжения через p-n переход ток вначале возрастает медленно, а затем начинается участок быстрого нарастания тока. Это объясняется тем, что германиевый диод открывается и начинает проводить ток при прямом напряжении 0,1 – 0,2В, а кремниевый при 0,5 – 0,6В.

Например. При прямом напряжении Uпр = 0,5В прямой ток Iпр равен 50mA (точка «а » на графике), а уже при напряжении Uпр = 1В ток возрастает до 150mA (точка «б » на графике).

Но такое увеличение тока приводит к нагреванию молекулы полупроводника. И если количество выделяемого тепла будет больше отводимого от кристалла естественным путем, либо с помощью специальных устройств охлаждения (радиаторы ), то в молекуле проводника могут произойти необратимые изменения вплоть до разрушения кристаллической решетки. Поэтому прямой ток p-n перехода ограничивают на уровне, исключающем перегрев полупроводниковой структуры. Для этого используют ограничительный резистор, включенный последовательно с диодом.

У полупроводниковых диодов величина прямого напряжения Uпр при всех значениях рабочих токов не превышает:
для германиевых — 1В;
для кремниевых — 1,5В.

При увеличении обратного напряжения (Uобр ), приложенного к p-n переходу, ток увеличивается незначительно, о чем говорит обратная ветвь вольтамперной характеристики.
Например. Возьмем диод с параметрами: Uобр max = 100В, Iобр max = 0,5 mA, где:

Uобр max – максимальное постоянное обратное напряжение, В;
Iобр max – максимальный обратный ток, мкА.

При постепенном увеличении обратного напряжения до значения 100В видно, как незначительно растет обратный ток (точка «в » на графике). Но при дальнейшем увеличении напряжения, свыше максимального, на которое рассчитан p-n переход диода, происходит резкое увеличение обратного тока (пунктирная линия), нагрев кристалла полупроводника и, как следствие, наступает пробой p-n перехода.

Пробои p-n перехода.

Пробоем p-n перехода называется явление резкого увеличения обратного тока при достижении обратным напряжением определенного критического значения. Различают электрический и тепловой пробои p-n перехода. В свою очередь, электрический пробой разделяется на туннельный и лавинный пробои.

Электрический пробой.

Электрический пробой возникает в результате воздействия сильного электрического поля в p-n переходе. Такой пробой является обратимый , то есть он не приводит к повреждению перехода, и при снижении обратного напряжения свойства диода сохраняются. Например. В таком режиме работают стабилитроны – диоды, предназначенные для стабилизации напряжения.

Туннельный пробой.

Туннельный пробой происходит в результате явления туннельного эффекта , который проявляется в том, что при сильной напряженности электрического поля, действующего в p-n переходе малой толщины , некоторые электроны проникают (просачиваются) через переход из области p -типа в область n -типа без изменения своей энергии. Тонкие p-n переходы возможны только при высокой концентрации примесей в молекуле полупроводника.

В зависимости от мощности и назначения диода толщина электронно-дырочного перехода может находиться в пределах от 100 нм (нанометров) до 1 мкм (микрометр).

Для туннельного пробоя характерен резкий рост обратного тока при незначительном обратном напряжении – обычно несколько вольт. На основе этого эффекта работают туннельные диоды .

Благодаря своим свойствам туннельные диоды используются в усилителях, генераторах синусоидальных релаксационных колебаний и переключающих устройствах на частотах до сотен и тысяч мегагерц.

Лавинный пробой.

Лавинный пробой заключается в том, что под действием сильного электрического поля неосновные носители зарядов под действием тепла в p-n переходе ускоряются на столько, что способны выбить из атома один из его валентных электронов и перебросить его в зону проводимости, образовав при этом пару электрон — дырка . Образовавшиеся носители зарядов тоже начнут разгоняться и сталкиваться с другими атомами, образуя следующие пары электрон – дырка. Процесс приобретает лавинообразный характер, что приводит к резкому увеличению обратного тока при практически неизменном напряжении.

Диоды, в которых используется эффект лавинного пробоя используются в мощных выпрямительных агрегатах , применяемых в металлургической и химической промышленности, железнодорожном транспорте и в других электротехнических изделиях, в которых может возникнуть обратное напряжение выше допустимого.

Тепловой пробой.

Тепловой пробой возникает в результате перегрева p-n перехода в момент протекания через него тока большого значения и при недостаточном теплоотводе, не обеспечивающем устойчивость теплового режима перехода.

При увеличении приложенного к p-n переходу обратного напряжения (Uобр ) рассеиваемая мощность на переходе растет . Это приводит к увеличению температуры перехода и соседних с ним областей полупроводника, усиливаются колебания атомов кристалла, и ослабевает связь валентных электронов с ними. Возникает вероятность перехода электронов в зону проводимости и образования дополнительных пар электрон — дырка. При плохих условиях теплоотдачи от p-n перехода происходит лавинообразное нарастание температуры, что приводит к разрушению перехода.

На этом давайте закончим, а в части рассмотрим устройство и работу выпрямительных диодов, диодного моста.
Удачи!

Диоды часто именуются «прямыми» и «обратными». С чем это связано? Чем отличается «прямой» диод от «обратного» диода?

Что представляет собой «прямой» диод?

Диод - это полупроводник, имеющий 2 вывода, а именно - анод и катод. Используется он для обработки различными способами электрических сигналов. Например, в целях их выпрямления, стабилизации, преобразования.

Особенность диода в том, что он пропускает ток только в одну сторону. В обратном направлении - нет. Это возможно благодаря тому, что в структуре диода присутствует 2 типа полупроводниковых областей, различающихся по проводимости. Первая условно соответствует аноду, имеющему положительный заряд, носителями которого являются так называемые дырки. Вторая - это катод, имеющий отрицательный заряд, его носители - электроны.

Диод может функционировать в двух режимах:

• открытом;
• закрытом.

В первом случае через диод хорошо проходит ток. Во втором режиме - с трудом.

Открыть диод можно посредством прямого включения. Для этого нужно подключить к аноду положительный провод от источника тока, а к катоду - отрицательный.

Прямым также может именоваться напряжение диода. Неофициально - и сам полупроводниковый прибор. Таким образом, «прямым» является не он, а подключение к нему или же напряжение. Но для простоты понимания в электрике «прямым» часто именуется и сам диод.

Что представляет собой «обратный» диод?

Закрывается полупроводник посредством, в свою очередь, обратной подачи напряжения. Для этого нужно поменять полярность проводов от источника тока. Как и в случае с прямым диодом, формируется обратное напряжение. «Обратным» же - по аналогии с предыдущим сценарием - именуется и сам диод.

Сравнение

Главное отличие «прямого» диода от «обратного» диода - в способе подачи тока на полупроводник. Если он подается в целях открытия диода, то полупроводник становится «прямым». Если полярность проводов от источника тока меняется - то полупроводник закрывается и становится «обратным».

Рассмотрев, в чем разница между «прямым» диодом и «обратным» диодом, отразим основные выводы в таблице.

Всего с одним p-n переходом, имеющий два внешних вывода анод и катод. Он используется для выпрямления, детектирования, модуляции, ограничения и различных видов преобразования электрических сигналов. По функциональному назначению диоды классифицируются на выпрямительные, универсальные, СВЧ, стабилитроны, импульсные, варикапы, варисторы, переключающие, туннельные т.д.

Структурно диод можно представить кристаллом полупроводника, состоящим из двух областей. Одна с проводимостью p -типа, а другая – проводимостью n -типа.

Анод это плюсовой электрод, в нем основными носителями заряда являются дырки.

Катод это минусовой электрод, в нем основными носителями заряда являются электроны.

На внешних поверхностях двух областей имеются контактные металлические слои, к которым припаяны внешние выводы. Такой полупроводниковый прибор может быть только в одном из двух состояний: открыт и закрыт

Если к выводам полупроводникового прибора подсоединить постоянное напряжение: на анод подать плюс» а на вывод катода соответственно «минус», то диод откроется и через него начнет идти ток, величина которого зависит от приложенного напряжения и внутренних свойств диода.

При прямом включении электроны из n области устремятся навстречу дыркам в p-область, а дырки из p в область n. На границе электронно-дырочного перехода, они встретятся, и осуществится их взаимное поглощение или рекомбинация.

Вывод диода, подключенный к минусу, будет посылать в область n огромное количество электронов, пополняя их убывание. А вывод, соединенный с плюсом, помогает восстанавливать концентрация дырок в области p. То есть, проводимость электронно-дырочного перехода увеличится, а сопротивление току резко уменьшится, а значит, через диод потечет ток, называемый прямым током диода Iпр.

Изменим полярность нашего подключения и посмотрим на изменения в работе подключенного полупроводникового прибора.

В этом случае электроны и дырки будут, оттеснятся от p-n перехода, а на границе электронно-дырочного перехода резко возрастает потенциальный барьер или другими словами зона обедненная носителями заряда дырками и электронами, которая будет препятствовать прохождению тока.

Но, так как в каждой из области имеется небольшое количество неосновных носителей заряда, то небольшой обмен носителями заряда между областями все же происходит, но он очень мал. Такой ток получил название обратный ток Iобр.

Напряжение, открытия диода, когда через него течет прямой ток называют прямым U пр, а напряжение обратной полярности, при котором он запирается и через него течет I обр называют обратным U обр. При U пр внутреннее сопротивление не выше нескольких десятков Ом, зато при U обр сопротивление резко увеличивается до сотен и даже тысяч килоом. Это легко увидеть, если измерить обратное сопротивление с помощью мультиметра.

Сопротивление электронно-дырочного перехода величина не постоянная и зависит от Uпр. Чем оно выше, тем меньше сопротивление p-n переход, тем выше Iпр идущий через полупроводник. В закрытом состоянии на нем падает почти все напряжение, поэтому, Iобр ничтожно мал, а сопротивление p-n перехода огромно.

Если мы подсоединим диод в цепь переменного тока, то он будет открыт при положительных полуволне синусоидального напряжения, пропуская прямой ток, и заперт при отрицательной полуволне, почти не пропуская Iобр. Это главное свойства диодов используют для преобразования переменного напряжения в постоянный, и такие приборы называют выпрямительными.

Зависимость тока, проходящего через электронно-дырочный переход, от величины и полярности напряжения изображают в виде кривой, называемой ВАХ

Она состоит из двух ветвей: прямая ветвь - соответствует прямому току через диод, и обратная ветвь, соответствующая обратному току.

Прямая ветвь графика круто поднимается вверх и характеризует быстрый рост прямого тока с ростом значения прямого напряжения. Обратная ветвь, наоборот следует почти параллельно горизонтальной оси и характеризует медленный рост I обр. Чем ближе к вертикальной оси прямая ветвь и чем ближе к горизонтальной оси обратная ветвь, тем лучше выпрямительные свойства полупроводника. Наличие Iобр является недостатком. Из кривой ВАХ видно, что I пр во много больше I обр.

Как мы видим из графика с увеличением прямого напряжения через электронно-дырочный переход ток сначало возрастает медленно, а затем гораздо быстрее.

Но такое резкое увеличение тока нагревает молекулы полупроводника. И если количество тепла будет выше отводимого от кристалл, то могут случится необратимые изменения и разрушение кристаллической решетки.

Поэтому необходимо использовать ограничительное сопротивление включенное последовательно.

При сильном увеличении обратного напряжения, может произойти пробой электронно-дырочного прибора. Даже существуют специальные полупроводниковые приборы называемые стабилитронами в которых применяется это свойство.

Пробой p-n перехода это явление резкого возрастания обратного тока при достижении обратным напряжением определенного критического уровня. Тепловые пробои в свою очередь делятся на электрический и тепловой, а электрический пробой бывает туннельный и лавинный.

Электрический пробой происходит в результате воздействия сильного электрического поля в переходе. Такой пробой считается обратимым, так как он не приводит к повреждению кристалла, и при снижении уровня обратного напряжения характеристики диода сохраняются.

Туннельный пробой возникает в результате туннельного эффекта, который заключается в том, что при высокой напряженности электрического поля в узком p-n переходе, отдельные электроны просачиваются через переход. Такие p-n переходы возможны только при условии высокой концентрации примесей в молекуле полупроводника.

При туннельном пробое происходит резкий рост Iобр при малом обратном напряжении. На основе этого свойства были разработаны туннельные диоды. Они применяются в усилителях, генераторах синусоидальных колебаний и в различных переключающих устройствах на высоких частотах.

Лавинный пробой происходит также под действием сильного электрического поля, когда неосновные носители зарядов под действием тепла в переходе ускоряются на столько, что выбивают из атома один из валентных электронов и выкидывают его в зону проводимости, создав при этом пару электрон – дырка. Образовавшиеся свободные носители начинают разгоняться и сталкиваться с другими атомами, выбивая другие электроны. Процесс носит лавинообразный характер, что приводит к резкому увеличению Iобр при практически неизменном уровне напряжения.

Эффект лавинного пробоя применяется в мощных выпрямительных агрегатах, используемых в металлургической и химической промышленности, а также в железнодорожном транспорте.

Тепловой пробой происходит из-за перегрева p-n перехода при протекании большого уровня тока, и при плохом теплоотводе. Это приводит к резкому возрастанию температуры перехода и соседних с ним областе, увеличивается колебания атомов структуры кристалла, исчезает связь валентных электронов. Электроны начинают уходить в в зону проводимости, идет лавинообразное повышение температуры, что приводит к разрушению кристалла и выходу из строя радиокомпонента.

Описание работы выпрямительного устройства на полупроводниковых диодах

Принцип работы стабилитрона

Стабилитрон - разновидность полупроводникового диода, работающего при напряжении обратного смещении в режиме пробоя. До момента наступления пробоя через стабилитрон текут совсем незначительные токи утечки, а его сопротивление достаточно высокое. В момент пробоя ток через него резко увеличивается, а его дифференциальное сопротивление снижается до малых величин. За счет этого в режиме пробоя напряжение на стабилитроне поддерживается с неплохой точностью в большом диапазоне обратных токов.