Разновидности полупроводниковых диодов
Что такое полупроводниковый диод, его устройство и назначение, мы рассматривали в статье Полупроводниковый диод. Однако функции полупроводниковых диодов не ограничиваются тем, чтобы просто пропускать электрический ток в одном направлении- существуют и другие электронные компоненты, созданные на основе PN- перехода, и о них мы сейчас с Вами и ознакомимся…
Наряду с основными параметрами (прямое напряжение и ток) у полупроводникового диода есть еще и дополнительные параметры, к которым можно отнести:
1. Обратное напряжение и обратный ток. Под данными терминами следует понимать максимальные показатели напряжения и тока, которые может выдержать диод при обратном включении. При превышении данных параметров, у диода наступает электрический пробой.
2. Падение напряжения. PN-переход в прямом включении, хотя и начинает пропускать электрический ток, все-же идеальной проводимостью не обладает- он в любом случае будет иметь некоторое сопротивление. То есть при прохождении электрического тока через диод напряжение, хотя и немного, но все-же потеряется
3. Емкость PN-перехода. Да, вы не ослышались- PN-переход помимо всего прочего имеет и небольшую емкость.
Эта величина очень ничтожна, однако в некоторых случаях (особенно на высоких частотах), может внести свои коррективы в электрическую цепь.
Хотя некоторые из этих параметров являются, так сказать, «паразитными», однако существую радиоэлементы, в которых именно они и учитываются.
Данные радиоэлементы имеют узкое предназначение, однако все они созданы на основе PN-перехода и поэтому их так-же можно отнести к полупроводниковым диодам. Именно поэтому данная статья так и была названа- разновидности полупроводниковых диодов.
Итак, полупроводниковые диоды, по своей конструкции и назначению, имеют несколько основных разновидностей:
Стабилитроны, диоды Шоттки, светодиоды, фотодиоды, туннельные диоды и варикапы
Вот так они обозначаются на схемах
Для увеличения этой и всех последующих картинок- просто кликните по ним
А теперь более подробно о каждом из них
Стабилитрон- назначение и устройство
Как уже было сказано чуть выше- помимо своих основных параметров (прямое напряжение и ток), полупроводниковый диод имеет еще один параметр- обратное напряжение. Под обратным напряжением подразумевается максимальное напряжение, которое может выдержать полупроводниковый диод при обратном включении (ну то есть «+» на катод, а «-» на анод). У каждого из диодов данное значение фиксированное, и при превышении данного параметра, у диодов наступает электрический пробой— диод превращается в проводник.
Конечно-же «пробитый» полупроводниковый диод восстановлению не подлежит и его можно смело выбросить…
Стабилитрон работает несколько иначе- они имеют свойство открываться при определенных напряжениях, а при снижении установленного порога, они вновь закрываются.
В открытом виде электрическое сопротивление стабилитрона падает до низких значений и он начинает пропускать электрический ток. Что это нам дает с практической точки зрения? При помощи стабилитрона мы получаем возможность ограничивать напряжение до определенного уровня.
Давайте рассмотрим простую схему:
При прямом включении, стабилитрон будет работать как обычный диод (через него будет протекать прямой ток), и поэтому свои функции он выполнять не будет.
При обратном включении- через стабилитрон будет протекать уже так называемый обратный ток.
До того времени, пока пороговое значение обратного напряжения не превысит заданный уровень, оно будет очень малым- не более 1 Вольта, но если пороговое значение повысится, то стабилитрон откроется и начнем «стравливать» излишек через себя. Таким образом- стабилитроны всегда используются в обратном включении.
Как было сказано выше- в открытом виде у стабилитрона электрическое сопротивление очень мало, следовательно для нормальной работы стабилитрона требуется какой-то балласт- ведь нужно-же чтобы излишек напряжения где- то рассеялся!…
В качестве балласта можно использовать любую нагрузку, самый простой способ- обыкновенный резистор
Практический пример применения стабилитрона: Электронное устройство имеет питающее напряжение 9 Вольт. Нам необходимо ограничить напряжение в цепи до 5 Вольт. Для работы отдельно взятого узла нам необходимо понизить напряжение до 5 Вольт. Берем стабилитрон с напряжением стабилизации в 5,1 Вольт, и ставим балластный резистор.
Таким образом- стабилитрон ограничит напряжение до 5 Вольт, а «лишние» 4 Вольта у нас останутся на резисторе.
Думаю, конечно-же все уже догадались что напряжение стабилизации у стабилитронов имеет фиксированный характер- у каждого из стабилитронов оно свое, обозначается оно в виде маркировки на корпусе и узнать его можно из документации.
Помимо всего прочего стабилитрон имеет еще и свои разновидности- так называемые двусторонние (или двух-анодные) и защитные (их называют супрессоры).
Предназначение двусторонних стабилитронов такое-же что и у обычных, но они проще в смысле включения.
Принцип работы супрессора так-же мало чем отличается от обычного стабилитрона, но он просто выполняет защитную функцию- при увеличении порогового значения его просто пробивает накоротко, в цепи получается короткое замыкание, препятствующее дальнейшему прохождению тока в другие цепи.
Туннельный диод- устройство и назначение
Туннельный диод — это специальный диод, характеристики которого отличаются от характеристик любого обычного диода или стабилитрона.
Как обычный диод, так и стабилитрон являются очень хорошими проводниками, имея прямое смещение, но ни один из них не проводит хорошо ток в состоянии обратного смещения (исключение составляет область пробоя). Но в материале туннельного диода имеются присадки в гораздо большем объеме, нежели в обычном диоде, а его P-N переход очень узкий. Туннельный диод в силу того, что имеет большое количество присадок и очень узкий P-N переход, исключительно хорошо проводит ток в обе стороны.
Таким образом туннельные диоды используются в тех цепях, когда необходимо получить хорошую проводимости в прямом включении (чаще всего в высокочастотных)
Диод Шоттки- устройство и назначение
Диоды Шоттки (их еще иногда называют с диод с барьером Шоттки), был изобретен довольно давно, но в в современной радиоаппаратуре используется относительно недавно. Основные достоинства диодов Шоттки- это их быстродействие и малое падение напряжения в прямом включении.
Самая интересная особенность в устройстве диода Шоттки заключается в том, что в нем нет PN- перехода как такового: в его роли используется переход- металл-полупроводник.
Обозначения на рисунке: 1- подложка из полупроводника, 2- эпитаксиальная плёнка; 3 — контакт металл — полупроводник; 4 — металлическая плёнка; 5 — внешний контакт.
При прохождении электрического тока через такой переход избыток электронов будет распределяться по приконтактной области металлического вывода создавая своего рода барьер (его назвали барьер Шоттки) и за счет этого образуются выпрямительные свойства. Причем высоту барьера можно еще и изменять, меняя тем самым свойства диода.
Диоды Шоттки могут работать на высоких частотах и больших токах, и поэтому их чаще всего применяют в качестве выпрямителей в импульсных источниках питания.
Светодиод- принцип работы
Что такое светодиод, думаю, рассказывать не надо- они (светодиоды, в смысле) в настоящее время применяются везде и всюду- и в фонариках, и в прожекторах и в устройствах индикации и в телевизорах и в автомобильных фарах, и так далее…
А вот каким образом работает светодиод?
Давайте вспомним устройство PN-перехода: работать он может лишь в одном направлении- при прямом включении. В это время отрицательные частицы (электроны) начинают двигаться в сторону «плюсового» источника питания, а положительно заряженные «дырки»- наоборот к отрицательному источнику- то есть, по-сути, навстречу друг-другу…
Так как электроны и «дырки» обладают разными зарядами, то пролетая мимо друг-друга, между ними так-же возникнет взаимодействие, вызывающее небольшой нагрев в PN-переходе. Время этого взаимодействия очень невелико и поэтому оно сильно не влияет на общую работу полупроводникового диода (разве только что может вызвать небольшой нагрев).
Однако если (искусственным образом, конечно) увеличить время взаимодействия между электронами и «дырками», то это приведет к гораздо большему выделению тепла и даже возникновению свечения.
Конечно-же для того чтобы заставить полупроводник светиться подходят только лишь некоторые материалы- к примеру первые светодиоды изготавливались на основе арсенида галия и имели только лишь красный свет свечения. Чуть позже появились другие материалы, позволяющие создавать и другие цвета- желтые, зеленые и даже синие.
Основной прорыв в изготовлении светодиодов произошел после открытия технологии изготовления светодиодов синего свечения- Синий светодиод, в сочетании с зелёным и красным, дает белый свет с высокой энергетической эффективностью, что позволило в дальнейшем создать, среди прочего, светодиодные лампы и экраны со светодиодной подсветкой.
Фотодиод
Обычный фотодиод – это диод с р-n переходом, проводимость которого зависит от падающего на него света. В темноте фотодиод обладает характеристиками обычного диода. В разрезе фотодиод выглядит примерно так:
1 – полупроводниковый переход.
2 – положительный полюс.
3 – светочувствительный слой.
4 – отрицательный полюс.
При действии потока света на плоскость PN-перехода, фотоны поглощаются с энергией, превышающей предельную величину, поэтому в n-области образуются пары носителей заряда — фотоносители.
При смешивании фотоносителей в глубине области «n» основная часть носителей не успевает рекомбинировать и проходит до границы р-n. На переходе фотоносители делятся электрическим полем. При этом дырки переходят в область «р», а электроны не способны пройти переход, поэтому накапливаются возле границы перехода р-n, а также области «n».
Таким образом, под воздействием света в фотодиода происходит накопление заряда и возникает ЭДС, поэтому фотодиоды еще часто называют фотогальваническим элементом или «солнечной» батареей.
Конечно, для того чтобы получить какое-то напряжение более- менее применимое на практике, потребуется большое количество фотодиодов, однако фотодиоды могут применяться и в другом назначении, а именно- в устройствах автоматики.
Дело в том что фотодиод имеет еще одно полезное свойство- под воздействием внешнего освещения он начинает проводить электрический ток в обратном включении, и это позволяет создавать различные полезные устройства, реагирующие на внешнее освещение
Варикап- назначение
Выше ( вначале статьи) было уже сказано, что PN-переходы обладают некоторой емкостью. На основе этого свойства был создан еще один полупроводниковый элемент- варикап. Варикапы изготовлены так, что под воздействием прилагаемого внешнего напряжения, емкость PN-перехода в нем меняется от от единиц до сотен пикофарад. То есть, по-сути, мы получаем переменный конденсатор, управляемый напряжением.
Основная область применения варикапов- радиоприемные устройства.
Здесь мы с Вами рассмотрели некоторые радиоэлементы на основе PN-перехода, однако здесь он использовался только лишь в «однослойном» виде. Есть и другие радиоэлементы, но PN-переход в них используется уже как-бы в несколько слоев- например две зоны P и одна зона N.
Такие устройства называются транзисторами, но речь о них пойдет уже в другой статье- Биполярный транзистор
