От проектирования электроники до производства и ремонта диоды широко используются в нескольких областях. Они бывают разных типов и передают электрический ток в зависимости от свойств и характеристик этого конкретного диода. В основном это диоды с P-N переходом, светочувствительные диоды, стабилитроны, диоды Шоттки, варакторные диоды. К светочувствительным диодам относятся светодиоды, фотодиоды и фотоэлектрические элементы. Некоторые из них кратко описаны в этой статье.
1. P-N переходной диод
P-N переход - это полупроводниковый прибор, который образован полупроводниковым материалом P-типа и N-типа. P-тип имеет высокую концентрацию дырок, а N-тип - высокую концентрацию электронов. Диффузия дырок - от p-типа к n-типу, а диффузия электронов - от n-типа к p-типу.
Донорные ионы в области n-типа становятся положительно заряженными, когда свободные электроны переходят от n-типа к p-типу. Следовательно, на N-стороне соединения создается положительный заряд. Свободные электроны через переход являются отрицательными акцепторными ионами, заполняя дырки, тогда отрицательный заряд, установленный на p-стороне перехода, показан на рисунке.
Электрическое поле, образованное положительными ионами в области n-типа и отрицательными ионами в областях p-типа. Эта область называется диффузионной. Поскольку электрическое поле быстро выметает свободные носители, следовательно, область обеднена свободными носителями. Встроенный потенциал Vсиз-за Ê образуется на стыке, как показано на рисунке.
Функциональная схема P-N переходного диода:
Функциональная схема P-N переходного диода
Прямые характеристики P-N перехода:
Когда положительная клемма батареи подключена к P-типу, а отрицательная клемма подключена к N-типу, это называется прямым смещением P-N перехода, как показано на рисунке ниже.
Прямые характеристики P-N перехода
Если это внешнее напряжение становится больше, чем значение потенциального барьера, примерно 0,7 В для кремния и 0,3 В для Ge, потенциальный барьер пересекается, и ток начинает течь из-за движения электронов через переход, то же самое для дырок.
Характеристики прямого смещения P-N перехода
Обратные характеристики P-N перехода:
Когда положительное напряжение подается на n-часть и отрицательное напряжение на p-часть диода, говорят, что он находится в состоянии обратного смещения.
Схема обратной характеристики P-N перехода
Когда положительное напряжение подается на N-часть диода, электроны движутся к положительному электроду, и приложение отрицательного напряжения к p-части заставляет отверстия перемещаться к отрицательному электроду. В результате электроны пересекают переход, чтобы объединиться с дырками на противоположной стороне перехода, и наоборот. В результате образуется обедненный слой, имеющий путь с высоким импедансом и высоким потенциальным барьером.
Характеристики обратного смещения P-N перехода
Применение диода с переходом P-N:
Диод с P-N переходом - это устройство, чувствительное к полярности с двумя выводами, диод проводит при прямом смещении, а диод не проводит при обратном смещении. Благодаря этим характеристикам диод с P-N переходом используется во многих приложениях, таких как
- Выпрямители в DC источник питания
- Цепи демодуляции
- Обрезные и зажимные сети
2. Фотодиод
Фотодиод - это своего рода диод, который генерирует ток, пропорциональный энергии падающего света. Это преобразователь света в напряжение / ток, который находит применение в системах безопасности, конвейерах, системах автоматического переключения и т. Д. Фотодиод похож на светодиод по конструкции, но его p-n переход очень чувствителен к свету. Переход p-n может быть открыт или упакован с окном для проникновения света в переход P-N. В состоянии прямого смещения ток проходит от анода к катоду, в то время как в состоянии обратного смещения фототок течет в обратном направлении. В большинстве случаев упаковка фотодиода аналогична упаковке светодиода с анодными и катодными выводами, выступающими из корпуса.
Фото диод
Есть два типа фотодиодов - фотодиоды PN и PIN. Разница в их производительности. Фотодиод с PIN-кодом имеет внутренний слой, поэтому он должен иметь обратное смещение. В результате обратного смещения ширина обедненной области увеличивается, а емкость p-n перехода уменьшается. Это позволяет генерировать больше электронов и дырок в обедненной области. Но одним из недостатков обратного смещения является то, что он генерирует ток шума, который может снизить отношение сигнал / шум. Таким образом, обратное смещение подходит только для приложений, требующих более высокого пропускная способность . Фотодиод PN идеален для приложений с низким освещением, поскольку работает без смещения.
Фотодиод работает в двух режимах, а именно в фотоэлектрическом режиме и в режиме фотопроводимости. В фотоэлектрическом режиме (также называемом режимом нулевого смещения) фототок от устройства ограничивается, и нарастает напряжение. Теперь фотодиод находится в состоянии прямого смещения, и через p-n переход начинает течь «темновой ток». Этот поток темнового тока происходит против направления фототока. Темновой ток возникает при отсутствии света. Темновой ток - это фототок, индуцированный фоновым излучением, плюс ток насыщения в устройстве.
Режим фотопроводимости возникает, когда фотодиод имеет обратное смещение. В результате этого ширина обедненного слоя увеличивается и приводит к уменьшению емкости p-n перехода. Это увеличивает время отклика диода. Чувствительность - это отношение генерируемого фототока к энергии падающего света. В фотопроводящем режиме диод генерирует только небольшой ток, называемый током насыщения, или обратным током вдоль своего направления. В этом состоянии фототок остается прежним. Фототок всегда пропорционален люминесценции. Несмотря на то, что фотопроводящий режим быстрее, чем фотогальванический режим, электронный шум выше в фотопроводящем режиме. Фотодиоды на основе кремния генерируют меньше шума, чем фотодиоды на основе германия, поскольку кремниевые фотодиоды имеют большую ширину запрещенной зоны.
3. Стабилитрон
Стабилитрон - это тип диода, который позволяет протекать току в прямом направлении, аналогично выпрямительному диоду, но в то же время он может допускать обратное течение тока, даже когда напряжение выше пробивного значения стабилитрона. Обычно это напряжение на один-два вольта выше номинального напряжения стабилитрона и известно как напряжение стабилитрона или точка лавины. Стабилитрон был назван так в честь Кларенса Зенера, открывшего электрические свойства диода. Стабилитроны находят применение в регулировании напряжения и для защиты полупроводниковых приборов от колебаний напряжения. Стабилитроны широко используются в качестве опорного напряжения и в качестве регуляторов шунта для регулирования напряжения на цепях.
Стабилитрон использует свой p-n переход в режиме обратного смещения для создания эффекта Зенера. Во время эффекта Зенера или пробоя Зенера стабилитрон поддерживает напряжение, близкое к постоянному значению, известному как напряжение Зенера. Обычный диод также имеет свойство обратного смещения, но если напряжение обратного смещения будет превышено, на диод будет воздействовать большой ток и он будет поврежден. С другой стороны, стабилитрон специально разработан так, чтобы иметь пониженное напряжение пробоя, называемое напряжением Зенера. Стабилитрон также демонстрирует свойство управляемого пробоя и позволяет току поддерживать напряжение на стабилитроне, близкое к напряжению пробоя. Например, стабилитрон на 10 вольт будет падать на 10 вольт в широком диапазоне обратных токов.
Когда стабилитрон имеет обратное смещение, его p-n-переход будет испытывать лавинный пробой, и стабилитрон будет проводить в обратном направлении. Под действием приложенного электрического поля валентные электроны будут ускоряться, чтобы сбивать и высвобождать другие электроны. Это заканчивается эффектом лавины. Когда это происходит, небольшое изменение напряжения приведет к большому току. Пробой стабилитрона зависит от приложенного электрического поля, а также от толщины слоя, на который подается напряжение.
Стабилитрон требует установленного последовательно резистора для ограничения тока, чтобы ограничить ток, протекающий через стабилитрон. Обычно ток стабилитрона составляет 5 мА. Например, если стабилитрон 10 В используется с источником питания 12 вольт, 400 Ом (близкое значение 470 Ом) идеально подходит для поддержания тока стабилитрона на уровне 5 мА. Если питание составляет 12 вольт, на стабилитроне 10 вольт и на резисторе 2 вольт. При 2 В на резисторе 400 Ом ток через резистор и стабилитрон будет 5 мА. Таким образом, как правило, резисторы 220 Ом на 1 кОм используются последовательно с стабилитроном в зависимости от напряжения питания. Если ток через стабилитрон недостаточен, выход будет нерегулируемым и будет меньше номинального напряжения пробоя.
Следующая формула полезна для определения тока через стабилитрон:
Стабилитрон = (VIn - V Out) / R Ом
Номинал резистора R должен удовлетворять двум условиям.
- Оно должно быть низким, чтобы пропускать через стабилитрон достаточный ток.
- Номинальная мощность резистора должна быть достаточно высокой, чтобы защитить стабилитрон.
Фото:
- Зенера Викимедиа
- Функциональная схема P-N переходного диода от Натуральная кожа
