Туннельный диод как проверить: Как проверить туннельный диод

Туннельный диод

Описание особенностей устройства туннельных диодов: как они работают, из каких материалов изготавливаются, обозначение туннельных диодов на схемах. На какие параметры обратить внимание при выборе диода и как проверить его работоспособность.

Что такое туннельный диод

Определение

Итак, туннельный диод – это полупроводниковый диод, созданный на базе вырожденного полупроводника, на ВАХ (Вольт Амперная Характеристика) которого присутствует область с отрицательным дифференциальным сопротивлением при приложении напряжения в прямом направлении, который объясняется туннельным эффектом.

Кто и когда создал

Данный элемент впервые был предложен в 1957 году ученым из Японии
Р. Эсаки и изготавливался либо из германия, либо из арсенида галлия с огромным количеством присадок с минимальным удельным сопротивлением.

Более удачной было признана компоновка с арсенидом галлия, где применялись: Доноры – олово, сера, теллур, свинец, селен и также акцепторы – кадмий и цинк.

Японский физик Reona Esaki показывает свой “Диод Эсаки”. 29 декабря 1959 год, Токио

За экспериментальное обнаружение эффекта туннелирования электронов в диодах в 1973 году Р. Эсаки был удостоен Нобелевской премии.

Принцип действия и особенности туннельного диода

Для туннельных диодов с экстремально малым сопротивлением, относящимся к так называемой группе вырожденных, свойственны следующие особенности:

Если сравнить с обычными диодными устройствами, то электронно-дырочный переход в несколько десятков раз тоньше у туннельных диодов.

А вот потенциальный барьер наоборот выше в два раза по сравнению с обычными полупроводниковыми элементами.

Кроме этого на изделиях присутствует напряженность поля величиной в 106 В/см даже после отключения напряжения питания.

При этом уникальные свойства проявляются в его ВАХ при прямом смещении в полупроводнике.

ВАХ туннельного диода и обычного диода

Если вы внимательно посмотрите на выше представленную схему, то увидите, что на участке

«А» ток возрастает с ростом напряжения, а вот уже на участке «В» наблюдается проявление полупроводником отрицательного сопротивления (туннельный эффект). Это приводит к тому, что при росте напряжения ток наоборот уменьшается. Но уже на участке «С» мы наблюдаем вновь прямую зависимость увеличения тока от роста напряжения на элементе.

Так вот туннельные диоды работают в области «В», рост напряжения выключает его, а снижение – включает.

Главные параметры изделия

Если необходимо выбрать туннельный диод, то следует обращать внимание на следующие параметры:

1. Ток пика – это максимально возможный ток прямого направления;

2. Пиковое напряжение, которое характерно для тока пика;

3. Минимальный ток (или как его еще называют – ток впадины) и соответствующее этому току напряжение;

4. Максимальный перепад напряжений;

5. Емкость – между выводами полупроводника при конкретной вольтовой характеристике смещения.

туннельный диод

Где применяются

Туннельные диоды применяются в таких областях как:

1. В роли высокоскоростного выключателя.

2. В роли усилителя, где рост напряжения провоцирует более значительное изменение силы тока чем в других полупроводниках.

3. Для приема и усиления электромагнитных колебаний.

4. В различных радиоэлектронных переключателях, работающих на повышенных частотах до 30-100 ГГц.

Графическое изображение элемента на схемах

Плюсы и минусы устройства

К плюсам данного элемента можно отнести следующие моменты:

– Особая ВАХ;

– высокое быстродействие в купе с минимальной инерционностью;

– повышенная устойчивость к ионизированному излучению;

– минимальное потребление энергии от источника питания (до 30 милливольт).

К минусам же относятся следующие аспекты:

– Изделие подвержено значительному «старению», что приводит к существенному изменению заявленных характеристик с течением времени.

– Туннельный диод – крайне чувствительный элемент, поэтому его нельзя: перегревать (например, паяльником), прозванивать, а переносить необходимо только в специальных контейнерах.

Возможно вам будет интересно:

Что нужно знать каждому об умных электросчетчиках

Это все, что я хотел вам рассказать о таком удивительном элементе как туннельный диод. Если вам понравилась статья и было интересно, тогда с вас палец вверх и спасибо, что дочитали до конца!

Устройство[править | править код]

Туннельный диод представляет собой p-n переход, обе области в котором имеют предельно сильное, до вырождения, легирование (концентрации доноров N D {displaystyle N_{D}} в n-области и акцепторов N A {displaystyle N_{A}} в p-области могут превышать 1019 см-3). В качестве полупроводникового материала используются кремний, германий, соединения AIIIBV. Прибор имеет два вывода, которые подключаются к общей цепи тем или иным способом.

История создания туннельного диода

Эта деталь была предложена в 1956 году японским ученым Л. Есаки. Для ее изготовления использовался германий или арсенид галлия с большим количеством присадок, обладающих низким удельным сопротивлением.

Арсенид галлия оказался более перспективным материалом. При производстве туннельных диодов используются: доноры – олово, сера, теллур, свинец, селен, а также акцепторы – кадмий и цинк. Применяются германиевые полупроводники, в которых: доноры – мышьяк и фосфор, а акцепторы – алюминий и галлий. Примеси вводят в состав диода путем вплавления или диффузии.

История изобретения[править | править код]

«Генерирующий детектор»[править | править код]

Впервые «генерирующий детектор» — диод, образованный контактом металла с полупроводником и имеющий отрицательное дифференциальное сопротивление — был продемонстрирован Уильямом Экклзом в 1910 году, но в то время не вызвал интереса[3].

В начале 1920-х годов советский радиолюбитель, физик и изобретатель Олег Лосев независимо от Экклза обнаружил эффект отрицательного дифференциального сопротивления в диодах из кристаллического оксида цинка, выращенного гидротермально из водного раствора гидроксида цинка и цинката калия[

нет в источнике]. Этот эффект получил название «кристадинный» и использовался для генерации и усиления электрических колебаний в радиоприёмниках и передатчиках, но вскоре был вытеснен из практической радиотехники электровакуумными приборами. Механизм возникновения кристадинного эффекта неясен. Многие специалисты предполагают, что он вызван туннельным эффектом в полупроводнике, но прямых экспериментальных подтверждений этого (по состоянию на 2004 год) получено не было. Существуют и другие физические явления, способные послужить причиной кристадинного эффекта[3]. При этом кристадин и туннельный диод — это разные устройства, и отрицательное дифференциальное сопротивление у них проявляется на разных участках вольт-амперной характеристики[

источник не указан 519 дней].

Собственно туннельный диод[править | править код]

Впервые туннельный диод был изготовлен на основе германия в 1957 году Лео Эсаки, который в 1973 году получил Нобелевскую премию по физике за экспериментальное обнаружение эффекта туннелирования электронов в этих диодах.

Применение[править | править код]

Туннельный диод 1N3716 (рядом для масштаба сфотографирован

джампер

)

Наибольшее распространение на практике получили туннельные диоды из Ge, GaAs, а также из GaSb. Эти диоды находят широкое применение в качестве предварительных усилителей, генераторов и высокочастотных переключателей. Они работают на частотах, во много раз превышающих частоты работы тетродов — до 30…100 ГГц.

Маркировка туннельных диодов и их обозначение на схеме

В обозначении диодов присутствует несколько позиций (обычно 5). Первой идет буква или цифра. Цифры 1, 2, 3 обозначают, что диод предназначен для военного применения (имеет более широкий температурный рабочий интервал, по сравнению со стандартными полупроводниками). На первой позиции может стоять буква, указывающая на материал, используемый при изготовлении детали: Г – германий, А – арсенид галлия. Вторая позиция показывает класс полупроводника, Д – обозначает «диод». На третьей позиции отображают характеристики мощности или частоты. Четвертая – двух- или трехзначный серийный номер. В конце обозначения производитель предоставляет дополнительную информацию.

Цветовая маркировка диодов Обозначение туннельного диода на схемах

Принцип работы туннельного диода

Когда туннельный диод находится в состоянии равновесия, или мы можем сказать, что на диод не подается напряжение, в этом случае зона проводимости полупроводникового материала n-типа перекрывается с валентной зоной материала p-типа. Энергетические уровни дырок иэлектронов на стороне p и n соответственно остаются одинаковыми.

Когда температура повышается, электроны переходят от зоны проводимости n-области к валентной зоне p-области. Аналогично дырки, переходят от валентной зоны р-области до зоны проводимости n-области. Естественно, для туннельного перехода электрона через барьер из одной области в другую необходимо, чтобы по другую сторону барьера (место куда переходит электрон) имелось свободное состояние. Нулевой ток протекает через диод в состоянии равновесия.

Когда небольшое напряжение подается на туннельный диод, величина которого меньше напряжения в области обеднения, тогда электроны не пересекают область обеднения, и через диод протекает нулевой ток. Немногие электроны из n-области зоны проводимости туннелируются в p-область валентной зоны. Из-за туннелирования электронов небольшой прямой ток течет через область обеднения.

Когда на туннельный диод подается полное напряжение, создается определенное количество электронов и дырок. Увеличение напряжения увеличивает перекрытие проводимости и валентной зоны. Уровни энергии валентной зоны n-стороны и зоны проводимости p-стороны равны. Таким образом, через туннельный диод протекает максимальный ток

.

Когда прикладываемое напряжение еще больше увеличивается, валентная зона и зона проводимость туннельного диода слегка смещаются. Но зона проводимости области n-типа и валентная зона области p-типа все еще перекрываются. Небольшой ток течет через диод, и, таким образом, ток начинает уменьшаться.

Если напряжение на проводнике сильно увеличивается, то туннельный ток падает до нуля. В этом состоянии зона проводимости n-стороны и валентная зона р-стороны не перекрывают друг друга, и туннельный диод ведет себя как обычный диод с PN-переходом. Если величина напряжения больше, чем контактная разность потенциалов, через диод течет прямой ток.

Преимущества и недостатки

Плюсы туннельных диодов:

• особая вольтамперная характеристика в определенном интервале напряжений;
• уникальное быстродействие, малая инерционность;
• устойчивость к ионизирующему излучению;
• сниженное потребление электроэнергии от источника электропитания.

Все туннельные диоды имеют компактные размеры. Часто они представляют собой изделия в герметичных корпусах цилиндрической формы диаметром 3-4 мм, высотой 2 мм и массой менее 1 грамма.

Существенным недостатком полупроводников этого типа является значительное старение, которое приводит к изменению их свойств, а следовательно, к нарушению нормальной функциональности устройства. «Туннельники» могут утратить прежние параметры не только из-за превышенных рабочих режимов, но даже из-за длительного хранения, после чего они превращаются в «обращенные» полупроводники. Такое обстоятельство часто становится причиной некорректного функционирования промышленных осциллографов.

Существуют и «обращенные» полупроводники промышленного изготовления. От туннельных они отличаются меньшей концентрацией примесей, хотя общий принцип функционирования у них одинаковый.

Преимущества и недостатки туннельного диода

Туннельный диод имеет низкую стоимость. У него низкий уровень шума, а его изготовление также очень просто. Диод дает быстрый отклик, и он умеренный в работе. Туннельный диод работает на малой мощности.

Недостатком туннельного диода является то, что выходное напряжение диода не является стабильным. Это двух контактное устройство, но его входные и выходные цепи не изолированы друг от друга.

Литература

• Лебедев А. И. Физика полупроводниковых приборов. Физматлит, 2008.

Как проверить туннельный диод на работоспособность

Проверять работоспособность ТД авометром – комбинированным прибором для измерения тока, напряжения и частоты – запрещено, поскольку полупроводники некоторых групп могут выйти из строя. Если неизвестна принадлежность детали к определенной категории, то безопасней использовать генераторный пробник, позволяющий контролировать работоспособность туннельного диода в активном режиме.

Туннельный диод. Принцип действия и параметры кратко…

Привет, сегодня поговорим про туннельный диод , обещаю рассказать все что знаю. Для того чтобы лучше понимать что такое туннельный диод , принцип действия туннельного диода, вах туннельного диода, параметры туннельного диода,туннельные диоды , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база

туннельный диод — полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором при приложении напряжения в прямом направлении, туннельный эффект проявляется в появлении участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением на вольт-амперной характеристике.

Туннельный диод представляет собой полупроводниковый диод с вольтамперной характеристикой N-типа, принцип действия которого основан на эффекте туннельного прохождения носителей заряда через потенциальный барьер p-n-перехода с вырожденными p- и n-областями.

Обозначение на схемах

Вольт-амперная характеристика туннельного диода. В диапазоне напряжений от U1 до U2 дифференциальное сопротивление отрицательно.

Пиковый ток – прямой ток в точке максимума ВАХ.

Ток впадины – прямой ток в точке минимума ВАХ.

Напряжение впадины – прямое напряжение, соответствующее току впадины.

Напряжение пика Uп– прямое напряжение, соответствующее пиковому току.

Напряжение раствора – прямое напряжение, большее напряжения впадины, при котором ток равен пиковому.

Устройство тунельных диодов

Обычные диоды при увеличении прямого напряжения монотонно увеличивают пропускаемый ток. В туннельном диоде квантово-механическое туннелирование электронов добавляет горб в вольт-амперную характеристику, при этом, из-за высокой степени легирования p и n областей, напряжение пробоя уменьшается практически до нуля. Туннельный эффект позволяет электронам преодолеть энергетический барьер в зоне перехода с шириной 50-150 Å при таких напряжениях, когда зона проводимости в n-области имеет равные энергетические уровни с валентной зоной р-области При дальнейшем увеличении прямого напряжения уровень Ферми n-области поднимается относительно р-области, попадая на запрещенную зону р-области, а поскольку туннелирование не может изменить полную энергию электрона, вероятность перехода электрона из n-области в p-область резко падает . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Это создает на прямом участке вольт-амперной характеристики участок, где увеличение прямого напряжения сопровождается уменьшением силы тока. Данная область отрицательного дифференциального сопротивления и используется для усиления слабых сверхвысокочастотных сигналов.

Один из вариантов конструкции диода представлен на рис. 5.2. В качестве подложки GaAs структуры использован наиболее высокоомный материал, который обычно называют «полуизолирующим». Выращенный на подложке эпитаксиальный p+-слой защищен слоем окисла SiO2. В окисле вскрываются отверстия нужного диаметра, в них наносятся Sn для формирования n+-области и сплав Au + Ge для создания омического контакта. При нагревании структуры происходит вплавление нанесенных материалов, после охлаждения и рекристаллизации образуется n+-область туннельного диода. В нужных точках припаиваются металлические шариковые контакты, к которым впоследствии контактируют внешние выводы. Распространены также варианты конструкции диодов с балочными выводами.

Рис. 5.2. Вариант конструкции туннельного диода

История изобретения

В начале 1920-х годов в России Олег Лосев обнаружил кристадинный эффект в диодах из кристаллического ZnO, выращенного гидротермально из водного раствора гидроксида цинка и цинката калия — эффект отрицательного дифференциального сопротивления.

Впервые туннельный диод был изготовлен на основе Ge в 1957 году Лео Эсаки, который в 1973 году получил Нобелевскую премию по физике за экспериментальное обнаружение эффекта туннелирования электронов в этих диодах.

принцип действия туннельного диода

туннельные диоды с очень малым сопротивлением относят к группе вырожденных. они имеют:

• электронно-дырочный переход – в десятки раз тоньше, по сравнению с обычными диодными устройствами;
• потенциальный барьер – в 2 раза выше относительно стандартных полупроводниковых деталей;
• наличие напряженности поля даже при отключении питающего напряжения – 106 В/см.

Уникальные свойства туннельного диода проявляются в его вольтамперной характеристике (ВАХ) при прямом смещении в полупроводнике.

На схеме видно, что на отрезке А ток растет с увеличением напряжения. На участке В полупроводник проявляет отрицательное сопротивление (туннельный эффект), приводящее к тому, что при росте вольтовой характеристики ток снижается. На отрезке С прибор снова обеспечивает прямую зависимость между током и напряжением.

Туннельные диоды предназначены для работы как раз на отрезке, для которого характерно отрицательное сопротивление. Небольшое повышение напряжения выключает его, а снижение – включает.

Основные параметры туннельных диодов

При выборе этого полупроводника учитывают:

• ток пика – максимальный ток прямого направления;
• пиковое напряжение, характерное для тока пика;
• минимальный ток (ток впадины) и характерное для него напряжение;
• напряжение скачка – максимальный перепад напряжений;
• емкость – емкость между выводами полупроводника при определенной вольтовой характеристике смещения.

Преимущества и недостатки

Плюсы туннельных диодов:

• особая вольтамперная характеристика в определенном интервале напряжений;
• уникальное быстродействие, малая инерционность;
• устойчивость к ионизирующему излучению;
• сниженное потребление электроэнергии от источника электропитания.

Все туннельные диоды имеют компактные размеры. Часто они представляют собой изделия в герметичных корпусах цилиндрической формы диаметром 3-4 мм, высотой 2 мм и массой менее 1 грамма.

Существенным недостатком полупроводников этого типа является значительное старение, которое приводит к изменению их свойств, а следовательно, к нарушению нормальной функциональности устройства. «Туннельники» могут утратить прежние параметры не только из-за превышенных рабочих режимов, но даже из-за длительного хранения, после чего они превращаются в «обращенные» полупроводники. Такое обстоятельство часто становится причиной некорректного функционирования промышленных осциллографов.

Существуют и «обращенные» полупроводники промышленного изготовления. От туннельных они отличаются меньшей концентрацией примесей, хотя общий принцип функционирования у них одинаковый.

Проверка и диагностика туннельного диода на работоспособность

Проверять работоспособность туннельный диод авометром – комбинированным прибором для измерения тока, напряжения и частоты – запрещено, поскольку полупроводники некоторых групп могут выйти из строя. Если неизвестна принадлежность детали к определенной категории, то безопасней использовать генераторный пробник, позволяющий контролировать работоспособность туннельного диода в активном режиме.

Примеры схем на туннельном диоде

Применение

Наибольшее распространение на практике получили туннельные диоды из Ge, GaAs, а также из GaSb. Эти диоды находят широкое применение в качестве генераторов и высокочастотных переключателей, они работают на частотах, во много раз превышающих частоты работы тетродов, — до 30…100 ГГц.

См. также

Понравилась статья про туннельный диод ? Откомментируйте её Надеюсь, что теперь ты понял что такое туннельный диод , принцип действия туннельного диода, вах туннельного диода, параметры туннельного диода,туннельные диоды и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то нестесняся пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база

как прозвонить, проверка не выпаивая из схемы

Любая электроаппаратура рано или поздно выходит из строя. Зачастую причиной поломки может быть перегоревший полупроводник — совсем небольшой элемент  из схемы. А одна из самых распространенных деталей — банальный полупроводниковый диод.

В сущности, он встречается практически во всех схемах.  Как проверить диод мультиметром — мы и расскажем.

Что такое диод и как он работает

В этой радиодетали два разных полупроводника:

К ним подсоединяют два выхода электродов:

Эти проводники обладают разной проводимостью. При работе получается зона p-n перехода, когда по одну сторону накапливаются положительно заряженные ионы, а с другой — электроны.

Итак, принцип работы:

1. Когда по элементу проходит ток, он начинает воздействовать на катод, накаливая его. Электрод начинает испускать электроны.
2. Между электродами образуется электрическое поле.
3. Так как анод с положительным потенциалом — он притягивает электроны к себе. Происходит появление эмиссионного тока.
4. Теперь все те электроны, которые добрались до анода, образуют катодный ток.
5. Весь компонент пропускает электрический ток.
6. Если же на аноде появляется отрицательный заряд, диод остается в запертом положении и размыкает электрическую цепь.

 

Иными словами, этот полупроводник способен пропускать электрический ток исключительно в одном направлении.

Знание того как работает этот элемент поможет проверить исправность диода.

Современные конструкции встречаются в разных корпусах:

• металлическом;
• стеклянном;
• пластиковом.

Основные типы и разновидности

Мы все знаем и понимаем, что прогресс в радиоэлектронике  начался с появлением диода. Некоторые пользователи должны еще помнить вакуумные диодные лампы.

Теперь им на смену пришли полупроводниковые детали. Они экономичны, но основное преимущество — миниатюризация электронных девайсов.

Рассмотрим, какого типа бывают диоды.

Выпрямительные

Этот тип электронных элементов можно часто встретить в блоке питания для разных устройств. Так называемые «диодные мостики,» которые применяются для смены переменного тока в постоянный.

Изменяя степень насыщения этих радиоэлементов различным внутренним содержимым, можно получит полупроводник с различными свойствами с учетом необходимых параметров.

Стабилитроны

Следующий радиодеталь из семейства диодов — стабилитрон. У него высокая проводимость достигается при определенном уровне напряжения.

Как только необходимый уровень напряжения возникает в стабилитроне — он открывается и по нему проходит ток. Если уровень тока падает — стабилитрон закрывается, и поток электронов отсекается.

Основное применение — устройства для стабилизации сетевого напряжения.

Туннельные

Опять с применением разного типа присадок получается достаточно узкий p-n переход, который может пропускать подаваемый ток в разных направлениях. Это его отличительное свойство.

Такие детали могут применяться как:

1. В высокоскоростных переключателях.
2. В радиоэлектронных переключателях в сфере повышенных частот 31–101 ГГЦ.
3. В устройствах, отвечающих за прием и усиление электромагнитных колебаний.

Изображение туннельника в схемах:

Варикапы

Следующая разновидность — это варикапы. Их основное отличие — переменная ёмкость. Барьерная ёмкость конкретно таких радиодеталей находится в зависимости от обратного напряжения.

Применяются в приборах, управляющие частотой генераторов.

Обозначение на схемах:

Светодиоды

Нам светодиоды знакомы как СИД или LED.

Эти диоды, при подаче на электроды прямого напряжения, излучают холодный свет в разных спектрах. Сегодня LED-освещение активно вытесняет традиционные источники света.

Фотодиод

Проводимость таких радиодеталей напрямую зависит от попадающего на них светового потока.

Протекающий ток пропорционален уровню освещения.

На этом его свойстве основаны различного типа датчики и устройства, применяемые как производственных помещениях, так и для бытовых нужд.

Если в ходе эксплуатации с применением диодов различного типа возникают такие неисправности как:

• превышен максимально допустимый уровень тока;
• деталь низкого качества или с заводским браком;
• повысился уровень обратного напряжения.

То деталь нуждается в диагностике.

Для этой цели есть специальный прибор — мультиметр.

Мультиметр

Неисправность диодов мультиметром найти проще и легче определить причину поломки вашего прибора.

Также он поможет замерить:

• силу тока;
• перепады в напряжении;
• ёмкость конденсаторов;
• найти обрыв цепи и так далее.

Современные мультиметры в состоянии работать с различными видами токов:

• переменный;
• постоянный.

Самые популярные на современном рынке — цифровые устройства.

Но еще встречаются в продаже и приборы аналогового типа.

И те и другие часто применяются в домашних условиях.

Но цифровые точнее (с погрешностью измерений в 0.5 %) и ими проще выполняется прозвонка.

Аналоговые мультиметры обладают более высокой надежностью и низкой стоимостью. Но менее точны — погрешность 1.5–2 %.

Как проводится проверка

Проверка диодов на исправность заключается в том, чтобы проверить их одностороннюю способность проводить электрический ток.

Если это условие выполнимо, то элемент считается работоспособным.

С помощью мультиметра можно прозвонить диод и проверить на плате, как обычный диод, так и Шотки.

Как это сделать:

Проверяем, что у прибора есть режим прозвонки радиодетали такого типа.

Если такой возможности нет, действуем по следующей схеме:

1. Переводим указатель в режим измерения постоянного напряжения. Если элемент исправен, прибор покажет наличие напряжения на диоде. Исправные элементы, в зависимости от их номинала, будут показывать значения от 0.3 до 1.0 вольт.
2. Если перевести указатель на измерение сопротивления (в диапазоне до 2 кОм), то при подключении к выводам этой радиодетали, красный провод зажимаем к аноду, а черный к катоду, должно появится на экране значение в с сотнях Ом.

Проверка стабилитрона

Для того чтобы проверить стабилитрон рекомендуется воспользоваться следующей схемой:

После сборки схемы, переводим мультиметр в режим измерения постоянного напряжения 200 В, включаем регулируемый блок питания и постепенно начинаем увеличивать напряжение, пока на блоке питания амперметр не укажет на протекающий ток. После этого подключаем мультиметр и измеряем напряжение стабилизации.

Проверка диодного моста

Собственно говоря, диодный мост можно проверить точно так же как и стандартный диод. Главное знать, как правильно выполняется проверка диода мультиметром.

Диодный мост проверяется по определенной схеме.

Пронумеруем для себя выводы выпрямителя 1, 2, 3, 4. То есть нам надо будет проверить четыре элемента.

И начинаем перезванивать в следующей последовательности:

• 1-й: выводы 1–2;
• 2-й: выводы 2–3;
• 3-й: выводы 1–4;
• 4-й: выводы 4–3;

А отсчёт показаний проводится таким же способом, как мы проверяем обычный диод.

Здесь вы можете более подробно узнать о том, как проверить диодный мост мультиметром.

Проверяем микроволновку

Как бы мы не старались четко выполнять условия эксплуатации, СВЧ — печь иногда ломается, а наиболее частые причины это:

• перегорел высоковольтный предохранитель;
• вышел из строя высоковольтный конденсатор;
• сгорел высоковольтный диод.

Конечно, можно отнести микроволновку в мастерскую, но при желании ремонт возможен и своими руками.

Одной из причин выхода из строя микроволновки является поломка диода,

рассчитанного на рабочее напряжение до 12000 вольт.

Он установлен в печке рядом с конденсатором:

Диод подключается выводом из анода к одному из контактов кондёра.

А другой конец прикручен на массу.

Важно! Перед началом проверки диодов, необходимо обязательно разрядить высоковольтный конденсатор в микроволновке.

Емкость его небольшая в 1 мкф, но он рассчитан на напряжение до 2100 вольт. Как раз такое напряжение развивает трансформатор в микроволновой печи. И даже после выключения в нем остается достаточно приличный заряд опасный для жизни.

Одни мастера говорят, что достаточно какое-то время подождать после отключения аппарата от сети.

Но лучше перестраховаться.

Поэтому необходимо отверткой замкнуть контакты конденсатора между собой. А затем каждый вывод поочередно замкнуть на массу.

Только после того как мы проделаем эту процедуру несколько раз, можно приступать к проверяемым манипуляциям.

Но нужна предварительная подготовка.

Дело в том, что этот диод невозможно проверить просто так, без подготовки, обычным тестером.

Если подвести к его выводам щупы тестера, то на мультиметре будет показано что этот элемент якобы нерабочий.

Для того чтобы его прозвонить, на один из его выводов необходимо подать напряжение. Тогда он открывается и начинает работать как обычный диод.

Итак, начинаем проверять диод микроволновки.

1. Переводим тестер в режим измерения  постоянного напряжения в положение 20 вольт.
2. Нужен будет дополнительный источник питания. Подойдет обычная батарейка «Крона». Напряжение на ней обычно составляет 9.5 вольт.
   
   
3. Теперь можно измерить.
4. Берем наш диод и подключаем его к тестеру через батарейку.
   
5. На экране мультиметра появится значение напряжения в 5.9 вольт.
6. Если поменять полярность и снова проверить напряжение и снова провести замеры, то на экране мы увидим значение «ноль».
   

О том, что деталь неисправна, можно судить по результатам замеров. Когда при измерении в прямом и обратном направлении будет отсутствие показателей в обоих направлениях, можно определенно сказать, что проверяемая деталь неисправна и подлежит замене. А проверка на приборе позволила определить его состояние на работоспособность.

После замены этой запчасти на новую, ваша СВЧ печь будет работать как новая!

Эти диоды могут отличаться по номиналу и по форме.

Вот таким образом выполняется проверка диода из микроволновки.

Небольшие советы

Есть нехитрые правила, которые просты и понятны даже непрофессиональным мастерам:

1. Определяем тип полупроводника.
2. Лучше если у вас дома окажется цифровой тестер. На нем проще анализировать результаты измерений. И новейшая модель тестеров измеряет несколько параметров.
3. Щупы подносим правильно к соответствующим электродам.
4. Вывод об исправности диода делается по результатам двух замеров — в прямом и обратном направлении.
5. Полупроводник можно прозванивать, не выпаивая его из платы.
6. Выполняйте правильно все подключения и верно анализируйте результаты измерений.

Заключение

Теперь вы знаете, почему СВЧ — печь не работает и как определить несправный полупроводник. Эта статья может помочь в поиске несправной детали и решить проблему с ремонтом с минимальными затратами. Конечно, можно обратиться в сервисный центр, но иногда решить проблему при наличии необходимых навыках вполне по силам самостоятельно.

Видео по теме

5. Туннельный диод.

Туннельный диод – это диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольт-амперной характеристике при прямом напряжении участка отрицательной дифференциальной проводимости.

Туннельные диоды изготовляются из материалов с очень большой концентрацией примесей (10¹⁸–10²⁰см^-3). Благодаря этому толщинаp-nперехода оказывается очень маленькой: около 10^-2мкм, т.е. на два порядка меньше, чем в других полупроводниковых диодах. Другим следствием большой концентрации примесей является расщепление примесных энергетических уровней с образованием примесных энергетических зон, которые примыкают к дну зоны проводимости вn-области и к потолку валентной зоны в р-области. Уровни Ферми при этом оказываются расположенными в разрешенных зонах (пунктирные линии на рис.7).

В диоде без внешнего напряжения существует туннелирование электронов из n-области в р-область и обратно. Встречные потоки электронов равны, поэтому ток через диод равен нулю (рис.7а).

При небольшом прямом напряжении на туннельном диоде происходит уменьшение высоты потенциального барьера или смещение энергетической диаграммы n-области относительно энергетической диаграммы р-области. Свободные энергетические уровни р-области (занятые дырками), расположенные непосредственно над уровнем Ферми, оказываются на одной высоте по энергетической диаграмме или при тех же энергиях, что и электроны вn-области (рис. 7б). Поэтому будет происходить преимущественное туннелирование электронов изn-области в р-область.

При прямом напряжении на диоде, когда свободные энергетические уровни валентной и примесной зон р-области окажутся на одной высоте с занятыми электронами энергетическими уровнями зоны проводимости и примесной зоны n-области, туннельный ток через диод будет максимальным (рис. 7в).

Рис.7. Вольт-амперная характеристика и энергетические диаграммы туннельного диода.

При дальнейшем увеличении прямого напряжения на диоде туннельный ток через диод будет уменьшаться, так как из-за смещения энергетических диаграмм будет уменьшаться количество электронов, способных туннелировать из n-области в р-область (рис. 7г).

Туннельный ток окажется равным нулю при некотором, еще большем напряжении, когда из-за относительного смещения энергетических диаграмм n- и р-областей для свободных электроновn-области не будет свободных энергетических уровней в р-области (рис. 7д). Однако при этом через диод будет проходить прямой ток, обусловленный переходом носителей через понизившийся потенциальный барьер электронно-дырочного перехода, т.е. инжекционный ток. С дальнейшим увеличением прямого напряжения прямой ток через диод будет возрастать, как и в обычных полупроводниковых диодах (рис. 7е).

При обратном напряжении на туннельном диоде опять возникают условия для туннелирования электронов (рис. 7ж). Только теперь электроны туннелируют из валентной зоны р-области в зону проводимости n-области. Возникающий при этом обратный ток будет расти с увеличением обратного напряжения по абсолютному значению. Таким образом туннельный диод обладает относительно большой проводимостью при обратном напряжении. Можно считать, что у туннельного диода при ничтожно малых обратных напряжений происходит туннельный пробой.

Таким образом, туннельный диод обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением в некотором диапазоне прямых напряжений. Поэтому он может быть использован для генерации и усиления электромагнитных колебаний, а также в переключающих схемах.

Основными параметрами туннельных диодов являются (рис.7):

• пиковый ток I_п– прямой ток в точке максимума ВАХ;

• ток впадины I_в– прямой ток в минимуме ВАХ;

• отношение I_п/I_в;

• напряжение пика U_п– прямое напряжение, соответствующее пиковому току;

• напряжение впадины U_в– прямое напряжение, соответствующее току впадины.

Изменение температуры может по-разному влиять на туннельную составляющую тока и на составляющую, связанную с инжекцией.

1) С повышением температуры уменьшается ширина запрещенной зоны, что приводит к уменьшению толщины потенциального барьера, сквозь который туннелируют электроны, при этом вероятность туннелирования растет. Соответственно увеличивается туннельная составляющая тока и, в частности, растет пиковый ток.

2) С ростом температуры изменяется распределение электронов по энергетическим уровням – количество электронов под уровнем Ферми в зоне проводимости n-области уменьшается, так как часть свободных электронов переходит на более высокие энергетические уровни, а уровень Ферми смещается вниз. Поэтому уменьшается число электронов, которые могут туннелировать изn-области в р-область. Туннельная составляющая прямого тока уменьшается.

Инжекционная составляющая прямого тока растет из-за уменьшения высоты потенциального барьера и перераспределения носителей заряда по энергетическим уровням. Поэтому ток впадины у туннельного диода растет с увеличением температуры.

Экспериментальная установка.

Измерить вольт-амперные характеристики диодов можно с помощью установки, схема которой приведена на рис.8.

Рис.8. Электрическая схема для исследования ВАХ характеристик диодов.

Здесь E– источник тока,R- -сопротивление,A– амперметр,V– вольтметр. В качестве амперметра и вольтметра используются мультиметры, с автоматическим отключением питания. Если это произошло, то необходимо просто заново включить мультиметр.

Порядок выполнения работы.

1. Включить источник тока с помощью переключателя на задней панели прибора. Включить мультиметры, проверить правильность подключения соединительных проводов и выбранных пределов измерений. Подключить диод D1.

2. Плавно изменяя напряжение от 0 до 500 мВ с шагом приблизительно 100 В, затем от 500 мВ до 800 мВ с шагом 50 мВ, снять вольт-амперную характеристику (ВАХ), т.е. зависимость тока через диод от напряжения, диода D1. Данные занести в табл. 1.

Табл.1. Прямая ветвь ВАХ диода D1.

3. Поменять полярность на источнике тока. Плавно изменяя напряжение от 0 до 7 В с шагом 1 В, а затем от 7 до 8,5 В с шагом 0,1 В снять обратную ветвь ВАХ диода. Данные занести в табл.2.

Табл.2.

Uобр, В	Iобр, мкА

4. Повторить пункты 2 и 3 для диода D2 и пункт 2 для диодаD3.

5. Выключить мультиметры и источник тока.

Обработка результатов.

1. Построить прямые ветви ВАХ диодов D1 иD2 (на одном графике).

2. Построить обратные ветви ВАХ диодов D1 иD2 (на одном графике). ОпределитьU_прдля диодаD2.

3. Построить прямую ветвь ВАХ диода D3. Определить параметры туннельного диода:I_п,I_в,I_п/I_в,U_п,U_в.

Диоды и их свойства. P-N-переход и диод. Кремниевый диод и его ВАХ

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.

Если, с другой стороны, диод имеет обратную смещенность, то есть самое высокое напряжение находится на катоде и самое низкое напряжение на аноде, ток не течет. Катод идентифицируется на корпусе диода посредством кольца или метки, соответствующей перекладине символа. Здесь, например, это 1-й диод. Справа серое кольцо используется для определения положения катода.

Использование в защитном диоде

Поэтому необходимо построить собственный регулируемый источник питания, основанный, например, на входе этого регулируемого источника питания, и у нас будет непрерывный внешний источник питания, обеспечивающий, например, 12 В, все электронные системы сети. Важное значение имеет риск неправильного подключения этого источника питания. Момент невнимания и компоненты поджариваются с ключом работы по распариванию и затратам.

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.

Последовательный диод на разъеме внешнего источника питания позволяет смягчить этот риск. Если источник питания правильно подключен, диод будет поляризован в прямом направлении и, следовательно, будет пропускать ток. Следует иметь в виду, что напряжение питания после диода на 0, 7 В меньше напряжения внешнего источника питания.

Использование в качестве диода свободного хода

Если источник питания подключен вверх дном, диод будет обратным смещением и предотвратит протекание тока, тем самым защищая компоненты вашей карты. Когда цепь, управляющая потоком тока в индуктивной нагрузке, т.е. любое устройство, содержащее одну или несколько катушек, отключается, ток в индуктивной нагрузке не прекращается немедленно. индукция. Если этот остаточный ток не находит пути для циркуляции, напряжение увеличивается и может разрушать компоненты, подключенные к индуктивной нагрузке или вызывать искры.

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.

Поэтому диод используется здесь для обеспечения пути к току. На следующей диаграмме мы имеем реле, работающее при напряжении 5 В и простой кнопке. Когда кнопка не нажата, цепь отключается, и ток не течет. Поэтому реле не склеено. Когда кнопка нажата, ток течет через катушку реле, и катушка реле склеена. Диод обратный. Следовательно, через него не течет ток.

Когда кнопка отпускается, путь к земле отключается, но индуктивный эффект катушки реле поддерживает остаточный ток. Диод предлагает путь, и ток течет через катушку. Катушка имеет сопротивление, она рассеивает энергию в виде тепла эффектом Джоуля. Реле срабатывает, как только ток уменьшается ниже определенного значения.

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.

Диод представляет собой двухногий электронный компонент, то есть диполь, особенность которого и главный интерес заключается в том, что он позволяет потоку течь только в одном направлении. Чтобы сделать его очень простым в отношении его полезности, эта особая особенность позволяет, в частности, защитить часть электрической цепи. Но область применения диодов более обширна, а также касается аналоговой, цифровой и электротехнической электроники.

Электрический символ диода на электрической схеме может быть представлен несколькими способами в зависимости от типа диода. Самый простой и наиболее распространенный дисплей выглядит следующим образом. Электрический символ диода. Чтобы легко понять основную характеристику диодов, достаточно создать простую замкнутую цепь, содержащую источник питания, диод и лампу. Если диод расположен в том же направлении, что и ток, лампа включается. Если диод расположен в противоположном направлении, диод предотвратит прохождение тока и, таким образом, обрезает цепь закрыт, чтобы лампа не включалась.

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.

Вот и все, вы только что поняли, что самое главное в этом компоненте. Тем не менее, это очень упрощенное и идеальное использование. В частности, разность потенциалов между двумя выводами этого диполя должна превышать пороговое напряжение, чтобы пропускать ток. То есть диод с пороговым напряжением 6 В не будет пропускать ток, если показанное выше напряжение питания замкнутой цепи не превышает 6 В и даже после превышения разности потенциалов этот порог, ток будет постепенно возрастать по мере увеличения напряжения.

Это пороговое напряжение отображается на снимке ниже. Диод, который испускает свет, когда он покрыт электрическим током. Рельеф прямой характеристической кривой и обратного диода Схема подключения: Теоретическое Описание: Диод представляет собой электронный компонент с двумя терминалами, что обеспечивает прохождение электрического тока в одном направлении, в то время как в другом направлении воспрепятствует проходят практически, чтобы предотвратить его. Ток может протекать через диод, если потенциал анод является положительным по отношению к катоду. Когда потенциал анод является отрицательным по отношению к катоду, диод пересечен током очень малой потери. Таким образом, мы можем рассмотреть диод в качестве напряжения чувствительного переключателя, который закрыт, когда «анод является более положительным, чем катод, и открывается, когда» анод является отрицательным по отношению к катоду. В первом случае, при проведении, диод, как говорят, поляризован непосредственно, во втором случае, когда оно выступает против тока, говорят, обратно поляризованным. Ниже приводится небольшая классификация выпрямительных диодов. Диод выпрямитель: Выпрямитель диод любой диод используется таким образом, чтобы иметь обратное пробивное напряжение всегда выше любой обратный сигнал напряжения Его функция заключается в блокировании любого обратного тока проводимости диода Диоды для использования. Общие сведения: Они не требуют оптимизации конкретного электрического параметра. Диоды для переключения: Ожидаемые для работы с сигналами, которые имеют очень быстрое переключение; должен иметь малые значения времени восстановления диодов для малых сигналов: Эти диоды, предусмотренные для малого тока и напряжения пробоя не очень высоки. Диодные выпрямители: при условии, чтобы выпрямить напряжение сети или напряжение значительной амплитуды чередуется; Они предназначены для высоких напряжений и токов. Под ней показано техническое описание. Выполнение измерения и анализа: Прежде всего, мы приступили к установке схемы, показанной выше.

• Без названия Объект обучающая.
• Ее терминалы называются соответственно анод и катод.
• На рынке существуют различные типы.

Электроника и вычислительная техника — буфер на стабилитроне: прямая поляризация; обратного смещения.

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.

Электроника и вычислительная техника — отчет о поведении диода путем анализа его характеристической кривой. Электрический символ диода выглядит следующим образом. Для диода имеется прямая характеристика, которая получается путем поляризации диода непосредственно.

Прямая характеристика диода называется кривой, которая выражает ток диодного тока в соответствии с напряжением, приложенным к самому диоду. Ожидается, что лабораторный опыт будет составлен таким образом, чтобы он приобретал руководства и опыт в программах, необходимых для создания и проектирования электронных схем.

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.

Для проведения лабораторных испытаний нам необходимо. Ш Некоторые провода для подключения. Сборка схемы выполняется в соответствии со следующими шагами. Установка диодов и чипов на хлебной доске. Подключение различных проводов к интегральной схеме. И, наконец, положительная и отрицательная хлебная доска для генератора переменного напряжения.

Эти значения помогут нам провести кривую, указывая на прямую характеристику диода. Для выполнения первого измерения или для проверки характеристики прямого диода он начинает подавать напряжение 0, и напряжение постоянно увеличивается. Для каждого изменения напряжения регистрируется напряжение диода и ток диода, а полученные значения приведены на диаграмме.

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 .

Кривую, которую мы представляем, будем называть прямой диодной характеристикой. Анализируя прямые характеристики диода, отметим, что существует пороговое напряжение, то есть превышенное напряжение, которое увеличивает ток много и линейно; тогда как для значений ниже порогового напряжения ток равен нулю.

Теперь мы проанализируем обратную характеристику, инвертируя диод и создавая новую схему. Мы объясняем символику и различные компоненты схемы. Рельеф значений, считанных на мультиметрах. Использовали один в качестве амперметра. После правильной сборки схемы мы могли бы продолжить, указав значения, указанные вольтметром и амперметром, вернув их к столу.

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.

Эти значения помогут нам провести кривую, указывая на обратную характеристику диода. Чтобы выполнить поясничную меру или одну, чтобы проверить обратную характеристику диода, он начинает давать напряжение 0, и напряжение постоянно возрастает. Кривая, которую мы будем представлять, называется обратной характеристикой диода.

Этот очень малый ток называется обратным током насыщения и остается практически постоянным до точки разлома. На графике видно, что диод превысил определенное напряжение. Эта точка называется точкой останова. По-английски это называется сломать. Из графиков мы видели, что поведение диода напрямую связано с поляризацией, если оно поляризовано обратно.

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.

Затем мы можем нарисовать график, показывающий как характеристики диода. График, представляющий прямую и обратную характеристику диода, был получен путем объединения двух ранее полученных графиков со значением собранных значений схемы. Поэтому мы можем сказать, что установленная схема работает и что диод ответил на все ранее изученные понятия, поэтому мы можем сказать, что тест прошел успешно.

Диод Биполярный, нелинейный полупроводниковый элемент схемы, который имеет характерный асимметричный ток напряжения и сильно однонаправленную проводимость. В частности, они используются в цепях выпрямителя, в которых переменное напряжение преобразуется в напряжение со средним значением, отличным от нуля. Эта структура определяет формирование несущей области, называемой дренажной областью, где расположен потенциальный барьер, который предотвращает перемещение носителей большинства и допускает носителей меньшинства.

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!

Супрессор. Защитный диод.

Обозначение, параметры и применение защитных диодов

Среди всего многообразия полупроводниковых приборов, наверное, самая большая семья у диодов. Диоды Шоттки, диоды Ганна, стабилитроны, светодиоды, фотодиоды, туннельные диоды и ещё много разных типов и областей применения.

Один из классов полупроводниковых диодов в нашей литературе называется ПОН (полупроводниковый ограничитель напряжения) или супрессор. В зарубежной технической литературе используется название TVS-диод (Transient Voltage Suppressor). Очень часто TVS-диоды называют по маркам производителей: TRANSIL, INSEL.

В технической литературе и среди радиолюбителей супрессор могут называть по-разному: защитный диод, ограничительный стабилитрон, TVS-диод, трансил, ограничитель напряжения, ограничительный диод. Супрессоры можно частенько встретить в импульсных блоках питания – там они служат защитой от перенапряжения питаемой схемы при неисправностях импульсного блока питания.

Рассмотрим, что же такое TVS-диод, его принцип действия, в каких схемах и для каких целей используется.

TVS-диоды были созданы в 1968 году в США для защиты промышленной аппаратуры от разрядов атмосферного электричества. В условиях эксплуатации электронных приборов как промышленного, так и бытового назначения большое значение придаётся защите этих приборов именно от природных электрических импульсов.

Очень часто возникают броски напряжения и на силовых трансформаторных подстанциях. В таких случаях бытовая техника выходит из строя сотнями. Поскольку на промышленных предприятиях комплексная защита имеется, а жилые дома в этом случае совершенно не защищены.

По некоторым данным потери связанные с выходом из строя и последующим ремонтом всей электронной аппаратуры в США составляют около $12 млрд. в год. Специалисты посчитали, что и в нашей стране потери соответствуют этой сумме.

Для защиты аппаратуры от воздействия электрических перенапряжений и был разработан класс полупроводниковых приборов называемых TVS-диоды или “супрессоры”. Иногда в разговоре можно услышать: диодный предохранитель.

Обозначение на схеме.

На принципиальных схемах супрессор (ака защитный диод) обозначается так (VD1, VD2 — симметричные; VD3 — однонаправленные).

Принцип работы супрессора (защитного диода).

У TVS-диодов ярко выраженная нелинейная вольт-амперная характеристика. Если амплитуда электрического импульса превысит паспортное напряжение для конкретного типа диода, то он перейдёт в режим лавинного пробоя. То есть TVS-диод ограничит импульс напряжения до нормальной величины, а “излишки” уходят на корпус (землю) через диод. Более наглядно процесс выглядит на рисунке.

До тех пор пока не возникает угроза выхода из строя электронного прибора, TVS-диод не оказывает никакого влияния на работу техники. У этого полупроводникового прибора более высокое быстродействие по сравнению с ограничителями, которые использовались раньше.

Предохранительные диоды выпускаются как несимметричные (однонаправленные), так и симметричные (двунаправленные). Симметричные могут работать в цепях с двуполярными напряжениями, а несимметричные только с напряжением одной полярности. Ещё одна типовая схема подключения (для двунаправленного диода).

Для однонаправленного супрессора схема выглядит чуть по-другому.

В случае повышения входного напряжения прибор за очень короткое время уменьшает своё сопротивление. Ток в цепи резко возрастает и происходит перегорание предохранителя. Поскольку супрессор срабатывает очень быстро, то оборудованию не наносится вреда. Отличительной чертой TVS-диодов является очень короткое время реакции на превышение напряжения. Это одна из «фишек» защитных диодов.

Основные электрические параметры супрессоров.

• U проб. (В) – значение напряжения пробоя. В зарубежной технической документации этот параметр обозначается как V_BR (Breakdown Voltage). Это значение напряжения, при котором диод резко открывается и отводит опасный импульс тока на общий провод («на землю»).

• I обр. (мкА) – значение постоянного обратного тока. Это значение максимального обратного тока утечки, который есть у всех диодов. Он очень мал и практически не оказывает никого влияния на работу схемы. Иное обозначение – I_R (Max. Reverse Leakage Current). Так же может обозначаться как I_RM.

• U обр. (В) – постоянное обратное напряжение. Соответствует англоязычной аббревиатуре V_RWM (Working Peak Reverse Voltage). Может обозначаться как V_RM.

• U огр. имп. (В) – максимальное импульсное напряжение ограничения. В даташитах обозначается как V_CL или V_C – Max. Clamping Voltage или просто Clamping Voltage.

• I огр. мах. (А) – максимальный пиковый импульсный ток. На английский манер обозначается как I_PP (Max. Peak Pulse Current). Данное значение показывает, какое максимальное значение импульса тока способен выдержать супрессор без разрушения. Для мощных супрессоров это значение может достигать нескольких сотен ампер!

• P имп. (Ватт) – максимальная допустимая импульсная мощность. Этот параметр показывает, какую мощность может подавить супрессор. Напомним, что слово супрессор произошло от английского слова Suppressor, что в переводе означает «подавитель». Зарубежное название параметра Peak Pulse Power (P_PP).

  Значение максимальной импульсной мощности можно найти перемножением значений U огр. имп. (V_CL) и I огр. мах. (I_PP).

Вольт-амперные характеристики симметричного и несимметричного TVS-диода выглядят следующим образом.

ВАХ однонаправленного защитного диода (супрессора)

ВАХ двунаправленного супрессора

Большим минусом этих диодов можно считать большую зависимость максимальной импульсной мощности от длительности импульса. Обычно рассматривается работа TVS-диода при подаче на него импульса с минимальным временем нарастания порядка 10 микросекунд и малой длительностью.

Например, при длительности импульса 50 микросекунд диод типа SMBJ 12A выдерживает импульсный ток, превышающий номинальный почти в четыре раза.

Очень хорошо зарекомендовали себя малогабаритные диоды TRANSZORB^TM серии 1.5КЕ6.8 – 1.5КЕ440 (С)A. Они выпускаются как в симметричном, так и в несимметричном исполнении. Для симметричного диода к обозначению добавляется буква С или СА. У этой серии большой диапазон рабочих напряжений от 5,0 до 376 вольт, малое время срабатывания 1*10-9 сек, способность к подавлению импульсов большой мощности до 1500 Вт. Они прекрасно зарекомендовали себя в схемах защиты телевизионного, цифрового и другого современного оборудования.

Диоды выпускаются в корпусе DO-201.

Размеры указаны в дюймах и миллиметрах (в скобках). Несимметричные супрессоры имеют на корпусе цветное маркировочное кольцо, которое расположено ближе к катодному выводу.

На корпусе указана маркировка защитного диода, в которой зашифрованы его основные параметры.

Диоды TRANSIL^TM фирмы THOMSON широко используются для защиты автомобильной электроники от перенапряжений. Самым сильным источником электрических импульсов является система зажигания. Для защиты автомобильного музыкального центра достаточно одного диода TRANSIL^TM.

Двунаправленные диоды TRANSIL^TM 1.5КЕ440СА с успехом применяются для защиты бытовой электронной аппаратуры в сетях 220 вольт. Их применение наиболее эффективно для защиты объектов, которые подключены к воздушным линиям. В этом случае будет защита и от атмосферных электрических импульсов и от импульсных перенапряжений по цепям питания.

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

 

Предназначены диоды. Полупроводниковый диод

Что не представляем своей жизни без них. Эти жужжащие ящики на наших столах собраны из множества различных «железок». Интересно отметить, что ни один из этих составных «кирпичиков» сам по себе не может похвастаться теми свойствами, которыми обладает компьютер.

А собранные вместе, они являют собой нечто совершенно уникальное!

Какой кирпич не возьми – это только кусок обожженной глины; не сразу и понятно, к какому делу его – самого по себе — можно приспособить.

Это как дом, построенный из кирпичей.

Но несколько тысяч собранных определенным образом таких кусков глины — это жилище, которое защищает от непогоды и предоставляет крышу над головой.

Разумеется, можно пользоваться компьютером (и жить в доме) и не представлять себе, как эти штуки устроены.

Но если вы хотите научиться «лечить» ваши компьютеры, то придется разбираться, как устроены их составные части.

Поэтому сегодня мы поговорим об одном из компьютерных «кирпичиков» чуть более подробно. Мы попытаемся кратко познакомиться с тем, что такое полупроводниковые диоды и зачем они нужны.

Что такое диод?

Диоды применяются в компьютерных для выпрямления переменного тока.

Выпрямительный диод – это деталь, имеющая в своем составе соединенные вместе полупроводники двух типов – p-типа (positive – положительный) и n–типа (negative – отрицательный).

При их соединении (сплавлении) образуется так называемый p-n переход. Этот переход обладает разным сопротивлением при различной полярности приложенного напряжения.

Если напряжение приложено в прямом направлении (положительная клемма источника напряжения подключена к p-полупроводнику — аноду, а отрицательная – к n-полупроводнику — катоду), то сопротивление диода невелико.

В этом случае говорят, что диод открыт. Если полярность подключения изменить на противоположную, то сопротивление диода будет очень большим. В таком случае говорят, что диод закрыт (заперт).

Когда диод открыт, то на нем падает какое-то напряжение.

Это падение напряжения создается протекающим через диод так называемым прямым током и зависит от величины этого тока.

Причем зависимость эта нелинейная .

Конкретное значение падения напряжения в зависимости от протекающего тока можно определить по вольт-амперной характеристике.

Эта характеристика обязательно приводится в полном техническом описании (data sheets, справочных листах).

Например, на распространенном диоде 1N5408, применяемом в компьютерном блоке питания, при изменении тока от 0,2 до 3 А падение напряжения изменяется от 0,6 до 0,9 В. Чем больше протекающий через диод ток, тем больше падение напряжения на нем и, соответственно, рассеиваемая на нем мощность (P = U * I). Чем большая мощность рассеивается на диоде, тем сильнее он греется.

В компьютерном при выпрямлении сетевого напряжения применяется обычно мостовая схема выпрямления – 4 диода, включенные определенным образом.

Если клемма 1 имеет положительный относительно клеммы 2 потенциал, то ток пойдет через диод VD1, нагрузку и диод VD3.

Если клемма 1 имеет отрицательный клеммы 2 потенциал, то ток потечет через диод VD2, нагрузку и диод VD4. Таким образом, ток через нагрузку хоть и меняется по величине (при переменном напряжении), но протекает всегда в одном направлении – от клеммы 3 к клемме 4.

В этом и заключается эффект выпрямления. Если бы не было диодного моста – ток по нагрузке протекал бы в разных направлениях. С мостом же он протекает в одном. Такой ток называется пульсирующим.

В курсе высшей математики доказывается, что пульсирующее напряжение содержит в себе постоянную составляющую и сумму гармоник (частот, кратных основной частоте переменного напряжения 50 Герц). Постоянная составляющая выделяется фильтром (конденсатором большой емкости), который не пропускает гармоники.

Выпрямительные диоды присутствуют и в низковольтной части блока питания. Только схема включения состоит там не из 4-х диодов, а из двух.

Внимательный читатель может спросить: «А почему это используются разные схемы включения? Нельзя ли применить диодный мост и в низковольтной части?»

Можно, но это будет не лучшее решение. В случае диодного моста ток проходит через нагрузку и два последовательно включенных диода.

В случае использования диодов 1N5408 общее падение напряжения на них может составить величину 1,8 В. Это очень немного по сравнению с сетевым напряжением 220 В.

А вот если такая схема будет применена в низковольтной части, то это падение будет весьма заметным по сравнению с напряжениями +3,3, +5 и +12 В. Применение схемы из двух диодов уменьшает потери вдвое, так как последовательно с нагрузкой включен один диод, а не два.

К тому же, ток во вторичных цепях блока питания гораздо больше (в разы), чем в первичной.

Следует отметить, для этой схемы трансформатор должен иметь две одинаковые обмотки, а не одну. Схема выпрямления из двух диодов использует оба полупериода переменного напряжения, также как и мостовая.

Если потенциал верхнего конца вторичной обмотки трансформатора (см схему) положителен по отношению к нижнему, то ток протекает через клемму 1, диод VD1, клемму 3, нагрузку, клемму 4 и среднюю точку обмотки. Диод VD2 в это время заперт.

Если потенциал нижнего конца вторичной обмотки положителен по отношению к верхнему, то ток протекает через клемму 2, диод VD2, клемму 3, нагрузку, клемму 4 и среднюю точку обмотки. Диод VD1 в это время заперт. Получается тот же пульсирующий ток, что и при мостовой схеме.

Теперь давайте покончим со скучной теорией и перейдем к самому интересному – к практике.

Для начала скажем, что перед началом проверки диодов, хорошо бы ознакомиться с тем, как работать с цифровым тестером.

Об этом рассказывается в соответствующих статьях , и .

Диод на электрических схемах изображается символически в виде треугольника (стрелочки) и палочки.

Палочка – это катод, стрелочка (она указывает направление тока, т.е. движения положительных зарядов) – анод.

Проверить диодный мост можно цифровым тестером, установив переключатель работы в положении проверки диодов (указатель переключателя диапазонов тестера должен стоять напротив символического изображения диода).

Если присоединить красный щуп тестера к аноду, а черный — к катоду отдельного диода, то диод будет открыт напряжением с тестера.

Дисплей покажет величину 0,5 – 0,6 В.

Если изменить полярность щупов, диод будет заперт.

Дисплей при этом покажет единицу в крайнем левом разряде.

Диодный мост часто имеет символическое обозначение вида напряжения на корпусе (~ переменное напряжение, +, — постоянное напряжение).

Диодный мост можно проверить, установив один щуп на одну из клемм «~», а второй – поочередно на выводы «+» и «-».

При этом один диод будет открыт, а другой закрыт.

Если поменять полярность щупов – то тот диод, который был закрыт, теперь откроется, а другой закроется.

Следует обратить внимание на то, что катод – это плюсовой вывод моста.

Если какой-то из диодов закорочен, тестер покажет нулевое (или очень небольшое напряжение).

Такой мост, естественно, непригоден для работы.

В закоротке диода можно убедиться, если тестировать диоды в режиме измерения сопротивления.

При закороченном диоде тестер покажет небольшое сопротивление в обоих направлениях.

Как уже говорилось, во вторичных цепях используется схема выпрямления из двух диодов.

Но даже на одном диоде падает достаточно большое напряжение по сравнению с выходными напряжениями +12 В, +5 В, +3,3 В.

Токи потребления могут достигать 20 А и более, и на диодах будет рассеиваться большая мощность.

Вследствие этого они будут сильно греться.

Мощность рассеяния уменьшится, если будет меньшим прямое напряжение на диоде.

Поэтому в таких случаях применяют так называемые диоды Шоттки, у которых прямое падение напряжения меньше .

Диоды Шоттки

Диод Шоттки состоит не из двух различных полупроводников, а из металла и полупроводника.

Получающийся при этом так называемый потенциальный барьер будет меньше.

В компьютерных блоках питания применяют сдвоенные диоды Шоттки в трехвыводном корпусе.

Типичным представителем такой сборки является SBL2040. Падение напряжения на каждом из ее диодов при максимальном токе не превысит (по даташиту) 0,55 В. Если проверить ее тестером (в режиме проверки диодов), то он покажет величину около 0,17 В.

Меньшая величина напряжения обусловлена тем, что через диод протекает очень небольшой ток, далекий от максимального.

В заключение скажем, что у диода есть такой параметр, как предельно допустимое обратное напряжение. Если диод заперт – к нему приложено обратное напряжение. При замене диодов надо учитывать эту величину.

Если в реальной схеме обратное напряжение превысит предельно допустимое – диод выйдет из строя!

Диод – важная «железка» в электронике. Чем бы еще мы выпрямляли напряжение?

Купить диоды для экспериментов можно

До встречи на блоге!

Диод — это элемент, имеющий различную проводимость. Такое его свойство имеет применение в различных электротехнических и радиоэлектронных схемах. На его основе создаются устройства, имеющие применение в различных областях.

Типы диодов: электровакуумные и полупроводниковые . Последний тип в настоящее время применяется в подавляющем большинстве случаев. Никогда не будет лишним знать о том, как работает диод, для чего он нужен, как обозначается на схеме, какие существуют типы диодов, применение диодов разных видов.

Электровакуумные диоды

Приборы этого типа выполнены в виде электронных ламп. Лампа выглядит как стеклянный баллон, внутрь которого помещены два электрода. Один из них анод, другой катод. Они находятся в вакууме. Конструктивно анод выполнен в виде тонкостенного цилиндра. Внутри расположен катод. Он имеет обычно цилиндрическую форму. Изолированная нить накала проложена внутри катода. Все элементы имеют выводы, которые соединены со штырьками (ножками) лампы. Ножки лампы выведены наружу.

Принцип работы

При прохождении электрического тока по спирали она нагревается и разогревает катод, внутри которого находится. С поверхности разогретого катода электроны, покинувшие его, без дополнительного ускоряющего поля накапливаются в непосредственной близости от него. Часть из них затем обратно возвращается на катод.

При подаче на анод положительного напряжения электроны, испускаемые катодом, устремляются к нему, создавая анодный ток электронов.

Катод обладает пределом эмиссии электронов. При достижении этого предела анодный ток стабилизируется. Если на анод подать небольшое отрицательное напряжение по отношению к катоду, то электроны прекратят своё движение.

Материал катода, из которого он изготовлен, обладает высокой степенью эмиссии.

Вольт- амперная характеристика (ВАХ)

ВАХ диодов этого типа графически показывает зависимость тока анода от прямого напряжения, приложенного к выводам катода и анода. Она состоит из трёх участков:

• Медленное нелинейное нарастание тока;
• Рабочая часть характеристики;
• Область насыщения тока анода.

Нелинейный участок начинается после области отсечки анодного тока. Его нелинейность связана с небольшим положительным потенциалом катода, который покинули электроны при его разогреве нитью накала.

Активный участок определяет из себя почти вертикальную линию. Он характеризует зависимость анодного тока от возрастающего напряжения.

Участок насыщения представляет собой линию постоянного значения тока анода при увеличивающемся напряжении между электродами лампы. Электронную лампу на этом участке можно сравнить с проводником электрического тока. Эмиссия катода достигла своего наивысшего значения.

Полупроводниковые диоды

Свойство p — n перехода пропускать электрический ток одного направления нашло применение при создании приборов этого типа. Прямое включение — это подача на n -область перехода отрицательного потенциала, по отношению к p -области, потенциал которой положительный. При таком включении прибор находится в открытом состоянии. При изменении полярности приложенного напряжения он окажется в запертом состоянии, и ток сквозь него не проходит.

Классификацию диодов можно вести по их назначению, по особенностям изготовления, по типу материала, используемого при его изготовлении.

В основном для изготовления полупроводниковых приборов используются пластины кремния или германия, которые имеют электропроводность n -типа. В них присутствует избыток отрицательно заряженных электронов.

Применяя разные технологии изготовления, можно на выходе получить точечные или пластинчатые диоды.

При изготовлении точечных приборов к пластинке n -типа приваривают заострённый проводник (иглу). На его поверхность нанесена определённая примесь. Для германиевых пластин игла содержит индий, для кремниевых пластин игла покрыта алюминием. В обоих случаях создаётся область p — n перехода. Её форма напоминает полусферу (точку).

Для плоскостных приборов применяют метод диффузии или сплавления. Площадь переходов, получаемых таким методом, варьируется в широких пределах. От её величины зависит в дальнейшем назначение изделия. К областям p — n перехода припаивают проволочки, которые в виде выводов из корпуса готового изделия используют при монтаже различных электрических схем.

На схемах полупроводниковые диоды обозначаются в виде равностороннего треугольника, к верхнему углу которого присоединена вертикальная черта, параллельная его основанию. Вывод черты называется катодом, а вывод основания треугольника анодом.

Прямым называется такое включение, при котором положительный полюс источника питания соединён с анодом. При обратном включении «плюс» источника подключается к катоду.

Вольт- амперная характеристика

ВАХ определяет зависимость тока, протекающего через полупроводниковый элемент, от величины и полярности напряжения, которое приложено к его выводам.

В области прямых напряжений выделяют три области: небольшого прямого тока и прямого рабочего тока через диод. Переход из одной области в другую происходит при достижении прямым напряжением порога проводимости. Эта величина составляет порядка 0,3 вольт для германиевых диодов и 0,7 вольт для диодов на основе кремния.

При приложении к выводам диода обратного напряжения ток через него имеет очень незначительную величину и называется обратным током или током утечки. Такая зависимость наблюдается до определённого значения величины обратного напряжения. Оно называется напряжением пробоя. При его превышении обратный ток нарастает лавинообразно.

Предельные значения параметров

Для полупроводниковых диодов существуют величины их параметров, которые нельзя превышать. К ним относятся:

• Максимальный прямой ток;
• Максимальное обратное напряжение пробоя;
• Максимальная мощность рассеивания.

Полупроводниковый элемент может выдержать прямой ток через него ограниченной величины. При его превышении происходит перегревание p-n перехода и выход его из строя. Наибольший запас по этому параметру имеют плоскостные силовые приборы. Величина прямого тока через них может достигать десятков ампер.

Превышение максимального значения напряжения пробоя может превратить диод, имеющий однонаправленные свойства, в обычный проводник электрического тока. Пробой может иметь необратимый характер и варьируется в широких пределах, в зависимости от конкретного используемого прибора.

Мощность — это величина, напрямую зависящая от тока и напряжения, которое приложено при этом к выводам диода. Как и превышение максимального прямого тока, превышение предельной мощности рассеивания приводит к необратимым последствиям. Диод просто выгорает и перестаёт выполнять своё предназначение. Для предотвращения такой ситуации силовые приборы устанавливают приборы на радиаторы, которые отводят (рассеивают) избыток тепла в окружающую среду.

Виды полупроводниковых диодов

Свойство диода пропускать ток в прямом направлении и не пропускать его в обратном нашло применение в электротехнике и радиотехнике. Разработаны и специальные виды диодов для выполнения узкого круга задач.

Выпрямители и их свойства

Их применение основано на выпрямительных свойствах этих приборов. Их используют для получения постоянного напряжения путём выпрямления входного переменного сигнала.

Одиночный выпрямительный диод позволяет получить на его выходе пульсирующее напряжение положительной полярности. Используя их комбинацию, можно получить форму выходного напряжения, напоминающую волну. При использовании в схемах выпрямителей дополнительных элементов, таких как электролитические конденсаторы большой емкости и катушки индуктивности с электромагнитными сердечниками (дроссели), на выходе устройства можно получить постоянное напряжение, напоминающее напряжение гальванической батареи, столь необходимое для работы большинства аппаратуры потребителя.

Полупроводниковые стабилитроны

Эти диоды имеют ВАХ с обратной ветвью большой крутизны. То есть, приложив к выводам стабилитрона напряжение, полярность которого обратная, можно с помощью ограничительных резисторов ввести его в режим управляемого лавин пробоя. Напряжение в точке лавинного пробоя имеет постоянное значение при значительном изменении тока через стабилитрон, величину которого ограничивают в зависимости от применённого в схеме прибора. Так получают эффект стабилизации выходного напряжения на нужном уровне.

Технологическими операциями при изготовлении стабилитронов добиваются различных величин напряжения пробоя (напряжения стабилизации). Диапазон этих напряжений (3−15) вольт. Конкретное значение зависит от выбранного прибора из большого семейства стабилитронов.

Принцип работы детекторов

Для детектирования высокочастотных сигналов применяют диоды, изготовленные по точечной технологии. Задача детектора состоит в том, чтобы ограничить одну половину модулированного сигнала. Это позволяет в последующем с помощью высокочастотного фильтра оставить на выходе устройства только модулирующий сигнал. Он содержит звуковую информацию низкой частоты. Этот метод используется в радиоприёмных устройствах, принимающих сигнал, модулированный по амплитуде.

Особенности светодиодов

Эти диоды характеризуются тем, что при протекании через них тока прямого направления кристалл испускает поток фотонов, которые являются источником света. В зависимости от типа кристалла, применённого в светодиоде, спектр света может находиться как в видимом человеческим глазом диапазоне, так и в невидимом. Невидимый свет — это инфракрасное или ультрафиолетовое излучение.

При выборе этих элементов необходимо представлять цель, которую необходимо достигнуть. К основным характеристикам светодиодов относятся:

• Потребляемая мощность;
• Номинальное напряжение;
• Ток потребления.

Ток потребления светодиода, применяемого для индикации в устройствах широкого применения, не более 20 мА. При таком токе свечение светодиода является оптимальным. Начало свечения начинается при токе, превышающем 3 мА.

Номинальное напряжение определяется внутренним сопротивлением перехода, которое является величиной непостоянной. При увеличении тока через светодиод сопротивление постепенно уменьшается. Напряжение источника питания, используемое для питания светодиода, необходимо применять не меньше напряжения, указанного в паспорте на него.

Потребляемая мощность — это величина, зависящая от тока потребления и номинального напряжения. Она увеличивается при увеличении величин, её определяющих. Следует учесть, что мощные световые диоды могут иметь в своём составе 2 и даже 4 кристалла.

Перед другими осветительными приборами светодиоды имеют неоспоримые преимущества. Их можно перечислять долго. Основными из них являются:

• Высокая экономичность;
• Большая долговечность;
• Высокий уровень безопасности из-за низких питающих напряжений.

К недостатку их эксплуатации относится необходимость наличия дополнительного стабилизированного источника питания постоянного тока, а это увеличивает стоимость .

Что такое диод? Это элемент, получивший различную проводимость. Она зависит от того, как именно течет электрический ток. Применение устройства зависит от цепи, которой нужно ограничение следования данного элемента. В этой статье мы расскажем об устройстве диода, а также о том, какие виды существуют. Рассмотрим схему и то, где применяются эти элементы.

История появления

Так вышло, что работать над созданием диодов стало сразу два ученых: британец и немец. Следует заметить, что их открытия немного отличались. Первый основал изобретение на ламповых триодах, а второй — на твердотельных.

К сожалению, в то время наука не смогла сделать прорыв в этой сфере, однако для размышлений было дано очень много поводов.

Через несколько лет снова были открыты диоды (формально). Томас Эдисон запатентовал это изобретение. К сожалению, во всех своих работах при жизни это ему не пригодилось. Поэтому подобную технологию развивали другие ученые в разные годы. До начала XX века эти изобретения были названы выпрямителями. И только спустя время Вильям Иклз использовал два слова: di и odos. Первое слово переводится как два, а второе — путь. Язык, на котором было дано название, является греческим. И если переводить выражение полностью, то «диод» означает «два пути».

Принцип работы и основные сведения о диодах

Диод в своем строении имеет электроды. Речь идет об аноде и катоде. Если первый имеет положительный потенциал, то диод называется открытым. Таким образом, сопротивление становится маленьким, а ток проходит. Если же потенциал положительный имеется у катода, то диод не раскрыт. Он не пропускает электрический ток и имеет большой показатель сопротивления.

Как устроен диод

В принципе, что такое диод, мы разобрались. Теперь нужно понять, как он устроен.

Корпус зачастую изготавливается из стекла, металла или же керамики. Чаще всего вместо последней используются определенные соединения. Под корпусом можно заметить два электрода. Наиболее простой будет иметь нить небольшого диаметра.

Внутри катода располагается проволока. Она считается подогревателем, так как имеет в своих функциях подогрев, который совершается по законам физики. Нагревается диод за счет работы электрического тока.

При изготовлении также используется кремний или германий. Одна сторона прибора имеет нехватку электродов, вторая — их переизбыток. За счет этого создаются специальные границы, которые обеспечивает переход типа p-n. Благодаря ему ток проводится в том направлении, в котором это необходимо.

Характеристики диодов

Диод на схеме уже показан, теперь следует узнать, на что нужно обращать внимание при покупке устройства.

Как правило, покупатели ориентируются только по двум нюансам. Речь идет о максимальной силе тока, а также обратном напряжении на максимальных показателях.

Использование диодов в быту

Довольно часто диоды используют в автомобильных генераторах. То, какой диод выбрать, следует решать самому. Нужно заметить, что в машинах используются комплексы из нескольких приборов, которые признаны называться диодным мостом. Нередко подобные устройства встраиваются в телевизоры и в приемники. Если использовать их вместе с конденсаторами, то можно добиться выделения частот и сигналов.

Для того чтобы защитить потребителя от электрического тока, нередко в устройства встраивается комплекс из диодов. Такая система защиты считается довольно действенной. Также нужно сказать, что блок питания чаще всего у любых приборов использует такое устройство. Таким образом, светодиодные диоды сейчас довольно распространены.

Виды диодов

Рассмотрев, что такое диод, необходимо подчеркнуть, какие виды существуют. Как правило, приборы делятся на две группы. Первой считается полупроводниковая, а вторая не полупроводниковой.

На данный момент популярной является первая группа. Название связано с материалами, из которых такое устройство изготовлено: либо из двух полупроводников, либо из обычного металла с полупроводником.

На данный момент разработан ряд особых видов диодов, которые используются в уникальных схемах и приборах.

Диод Зенера, или стабилитрон

Этот вид используется в стабилизации напряжения. Дело в том, что такой диод при возникновении пробоя резко увеличивает ток, при этом точность максимально большая. Соответственно, характеристики диода такого типа довольно удивительны.

Туннельный

Если простыми словами объяснить, что это за диод, то следует сказать, что этот вид создает отрицательный тип сопротивления на вольт-амперных характеристиках. Зачастую такое приспособление используется в генераторах и усилителях.

Обращенный диод

Если говорить о данном типе диодов, то это устройство может изменять напряжение в минимальную сторону, работая в открытом режиме. Это устройство является аналогом диода тоннельного типа. Хоть и работает оно немного по другому признаку, но основано оно именно на вышеописанном эффекте.

Варикап

Данное устройство является полупроводниковым. Оно характеризуется тем, что имеет повышенную емкость, которой можно управлять. Зависит это от показателей обратного напряжения. Нередко такой диод применяется при настройке и калибровке контуров колебательного типа.

Светодиод

Данный тип диода излучает свет, но только в том случае, если ток течет в прямом направлении. Чаще всего именно это устройство используется везде, где следует создать освещение при минимальных затратах электроэнергии.

Фотодиод

Данное устройство имеет полностью обратные характеристики, если говорить о предыдущем описанном варианте. Таким образом, он вырабатывает заряды, только если на него попадает свет.

Маркировка

Нужно заметить, что особенностью всех устройств является то, что на каждом из элементов имеется специальное обозначение. Благодаря им, можно узнать характеристику диода, если он относится к полупроводниковому типу. Корпус состоит из четырех составных частей. Теперь следует рассмотреть маркировку.

На первом месте всегда будет стоять буква или цифра, которая говорит о материале, из которого изготовлен диод. Таким образом, параметры диода будет узнать несложно. Если указана буква Г, К, А или И, то это означает германий, кремний, арсенид галлия и индий. Иногда вместо них могут указываться цифры от 1 до 4 соответственно.

На втором месте будет указываться тип. Он также имеет разные значения и свои характеристики. Могут быть выпрямительные блоки (Ц), варикапы (В), туннельные (И) и стабилитроны (С), выпрямители (Д), сверхвысокочастотные (А).

Предпоследнее место занимает цифра, которая будет указывать на область, в которой применяется диод.

На четвертом месте будет установлено число от 01 до 99. Оно будет указывать на номер разработки. Помимо этого, на корпус производитель может наносить различные обозначения. Однако, как правило, их используют только на устройствах, создаваемых для определенных схем.

Для удобства диоды могут маркироваться графическими изображениями. Речь идет о точках, полосках. Логики в данных рисунках нет никакой. Поэтому для того, чтобы понять, что имел в виду производитель, придется ознакомиться с инструкцией.

Триоды

Этот вид электродов является аналогом диода. Что такое триод? Он немного по комплексу своему похож на описываемые выше устройства, однако имеет другие функции и конструкцию. Основное различие между диодом и триодом будет заключаться в том, что у него есть три вывода, и чаще всего его самого называют транзистором.

Принцип работы рассчитана на то, что, используя небольшой сигнал, будет выводиться ток в цепь. Диоды и транзисторы используются практически в каждом устройстве, которое имеет электронный тип. Речь идет также и о процессорах.

Плюсы и минусы

Лазерный диод, как и любой другой, имеет преимущества и недостатки. Для того чтобы подчеркнуть достоинства данных устройств, необходимо их конкретизировать. Помимо этого, составим и небольшой список минусов.

Из плюсов следует отметить небольшую стоимость диодов, отличный ресурс работы, высокий показатель службы эксплуатации, еще можно использовать данные устройства при работе с переменным током. Также нужно отметить небольшие размеры, которые позволяют размещать устройства на любой схеме.

Что касается минусов, то нужно выделить, что не существует на данный момент устройств полупроводникового типа, которые можно использовать в приборах с высоким напряжением. Именно поэтому придется встраивать старые аналоги. Также нужно заметить, что на диоды очень пагубно сказываются высокая температура. Она сокращает срок эксплуатации.

Первые экземпляры имели совершенно небольшую точность. Именно поэтому характеристики устройств были довольно плохими. Лампы-диоды приходилось распаковывать. Что же это означает? Некоторые устройства могли получать совершенно разные свойства, даже изготовленные в одной партии. После отсева негодных приспособлений элементы проходили маркировку, в которой описывались их реальные характеристики.

Все диоды, которые изготовлены из стекла, получили особенность: они чувствительны к свету. Таким образом, если прибор может открываться, то есть имеет крышку, то вся схема будет работать совершенно по-разному, в зависимости от того, открыто пространство для света или закрыто.

Диод (Diode -eng. ) – электронный прибор, имеющий 2 электрода , основным функциональным свойством которого является низкое сопротивление при передаче тока в одну сторону и высокое при передаче в обратную .

То есть при передаче тока в одну сторону он проходит без проблем , а при передаче в другую , сопротивление многократно увеличивается , не давая току пройти без сильных потерь в мощности. При этом диод довольно сильно нагревается .

Диоды бывают электровакуумные , газоразрядные и самые распространённые – полупроводниковые . Свойства диодов, чаще всего в связках между собой, используются для преобразования переменного тока электросети в постоянный ток, для нужд полупроводниковых и других приборов.

Конструкция диодов .

Конструктивно, полупроводниковый диод состоит из небольшой пластинки полупроводниковых материалов (кремния или германия ), одна сторона (часть пластинки) которой обладает электропроводимостью p-типа , то есть принимающей электроны (содержащей искусственно созданный недостаток электронов («дырочная »)), другая обладает электропроводимостью n-типа , то есть отдающей электроны (содержащей избыток электронов («электронной »)).

Слой между ними называется p-n переходом . Здесь буквы p и n — первые в латинских словах negative — «отрицательный », и positive — «положительный ». Сторона p-типа , у полупроводникового прибора является анодом (положительным электродом), а область n-типа — катодом (отрицательным электродом) диода.

Электровакуумные (ламповые) диоды, представляют собой лампу с двумя электродами внутри, один из которых имеет нить накаливания , таким образом подогревая себя и создавая вокруг себя магнитное поле .

При разогреве , электроны отделяются от одного электрода (катода ) и начинают движение к другому электроду (аноду ), благодаря электрическому магнитному полю . Если направить ток в обратную сторону (изменить полярность), то электроны практически не будут двигаться к катоду из-за отсутствия нити накаливания в аноде . Такие диоды, чаще всего применяются в выпрямителях и стабилизаторах , где присутствует высоковольтная составляющая.

Диоды на основе германия , более чувствительны на открытие при малых токах, поэтому их чаще используют в высокоточной низковольтной технике, чем кремниевые.

Типы диодов:

• · Смесительный диод — создан для приумножения двух высокочастотных сигналов.

• · pin диод — содержит область проводимости между легированными областями. Используется в силовой электронике или как фотодетектор .

• · Лавинный диод — применяется для защиты цепей от перенапряжения . Основан на лавинном пробое обратного участка вольт-амперной характеристики.

• · Лавинно-пролётный диод — применяется для генерации колебаний в СВЧ -технике. Основан на лавинном умножении носителей заряда.

• · Магнитодиод . Диод, характеристики сопротивления которого зависят от значения индукции магнитного поля и расположения его вектора относительно плоскости p-n-перехода .

• · Диоды Ганна . Используются для преобразования и генерации частоты в СВЧ диапазоне.

• · Диод Шоттки . Имеет малое падение напряжения при прямом включении.

• · Полупроводниковые лазеры .

Применяются в лазеростроении , по принципу работы схожи с диодами, но излучают в когерентном диапазоне .

• · Фотодиоды . Запертый фотодиод открывается под действием светового излучения . Применяются в датчиках света , движения и т.д.

• · Солнечный элемент (вариация солнечных батарей ) . При попадании света, происходит движение электронов от катода к аноду, что генерирует электрический ток .

• · Стабилитроны — используют обратную ветвь характеристики диода с обратимым пробоем для стабилизации напряжения .

• · Туннельные диоды , использующие квантовомеханические эффекты . Применяются как усилители , преобразователи , генераторы и пр.

• · (диоды Генри Раунда, LED ). При переходе электронов, у таких диодов происходит излучение в видимом диапазоне света .

Для данных диодов используют прозрачные корпуса для возможности рассеивания света. Также производят диоды, которые могут давать излучение в ультрафиолетовом , инфракрасном и других требуемых диапазонах (в основном, и космической сфере).

• · Варикапы (диод Джона Джеумма ) Благодаря тому, что закрытый p-n-переход обладает немалой ёмкостью, ёмкость зависит от приложенного обратного напряжения . Применяются в качестве конденсаторов с переменной ёмкостью .

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.

Работа диода поясняющая структурная схема

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.

Работа диода прямое и обратное напряжение

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.

Работа диода — пробой p-n перехода

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

Тиристор это полупроводниковый прибор, изготовленный на основе монокристаллического полупроводника, обладающего тремя и более p-n-переходами.

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.

Туннельные диоды — TekWiki

Туннельные диоды используются в различных схемах в устройствах Tektronix, выпускаемых с начала 1960-х до 1980-х годов.

Приложения

Туннельные диоды были использованы там, где это было желательно иметь быстрое и чистое переключение между двумя состояниями. Они использовались в

• триггерных цепей как триггеров Шмитта,
• схемы развертки и синхронизации как триггеры,
• генераторы импульсов для преобразования сигналов с медленным нарастанием в импульсы с быстрым нарастанием,
• цепей обратного отсчета / синхронизации

Проблемы смещения и сбоя

Характеристики туннельного диода (пиковые и минимальные напряжения и токи) имеют тенденцию к дрейфу.Обычно с этим можно справиться путем регулировки окружающего контура. Иногда полностью выходят из строя туннельные диоды. Замена обычно включает удаление подобного туннельного диода из другого устройства. В сообществе Tek есть люди, у которых могут быть туннельные диоды, которые они могут продать. Германиевые туннельные диоды чрезвычайно чувствительны к перегреву, особенно при паяльных работах. Помните и используйте легкоплавкий припой и соответствующий инструмент для защиты корпуса от перегрева!

Соответствующие отличительные параметры

Было изготовлено много различных типов туннельных диодов.Первичный параметр, который описывает один, — это пиковый ток, который представляет собой ток на вершине холма на кривой ВАХ. Два других важных электрических параметра — это емкость диода и то, сделан ли он из GaAs или Ge. В некоторых схемах другую модель туннельного диода можно заменить с незначительными изменениями в окружающей цепи. Стэн Гриффитс описывает такую ​​модификацию здесь:

Эмуляция с использованием общих частей

Распространенный вопрос заключается в том, можно ли сделать электрический эквивалент туннельного диода из современных, доступные части.Имитировать ВАХ несложно, но нет известной схемы, которая могла бы быть сделана из доступных частей с правильной ВАХ и высокой скоростью переключения реального диода.

Проверка туннельного диода

Прежде чем сделать вывод о том, что туннельный диод неисправен, важно убедиться, что он был правильно измерен. Высокое сопротивление цифрового мультиметра указывает на неисправность диода. Низкое сопротивление на цифровом мультиметре и низкое напряжение на тестере диодов являются нормальными при измерении туннельного диода.Более тщательный тест туннельного диода состоит в том, чтобы пропустить его через резистор с источником линейного напряжения, наблюдая за напряжением на туннельном диоде. Резистор должен быть рассчитан так, чтобы пиковый ток просто превышал пиковый ток, на который рассчитан туннельный диод. Конечно, если доступен измеритель кривой, он отлично подходит для измерения ВАХ диода (обратите внимание, что часть кривой с отрицательным сопротивлением может не отображаться из-за быстрого прохождения).

Короткая статья в Service Scope 49, апрель 1968 г. описывает установку быстрой проверки, которая аппроксимирует трассировщик кривой с использованием выходного сигнала пилообразной формы X осциллографа (см. Раздел фотографий ниже).

Индикатор кривой Tektronix 571 с туннельным диодом 10 мА. Туннельный диод 10 мА, установленный в приспособлении для измерения кривой Tektronix 571.

Моделирование

Быстрое переключение туннельного диода можно понять, смоделировав его как нелинейный источник тока, управляемый напряжением (VCCS), параллельно с небольшим паразитным конденсатором. Нелинейный VCCS управляется напряжением на выводах диода и отвечает за S-образную кривую ВАХ. (В качестве альтернативы и эквивалентно его можно смоделировать как нелинейное сопротивление.Однако нелинейная модель VCCS может быть предпочтительнее, поскольку она позволяет избежать сбивающее с толку понятие отрицательного сопротивления.) Рассмотрим туннельный диод, смещенный источником постоянного тока, который медленно повышается от нуля до тока, всего на несколько микроампер меньше, чем пиковый ток диода. Напряжение покоя будет чуть меньше пикового напряжения. Обратите внимание, что в этой точке ВАХ почти горизонтальна, и, следовательно, инкрементное сопротивление диода в этой точке очень велико. Для простоты мы можем предположить, что в этой точке покоя инкрементное сопротивление бесконечно.

Оценка скорости переключения

Теперь, когда мы установили начальные условия смещения, давайте посмотрим на событие, когда туннельный диод переключается в состояние. Предположим, что сигнал запуска подается на туннельный диод через резистор. Ток через резистор добавляется к току от источника постоянного тока. Поскольку мы предполагаем, что инкрементное сопротивление диода бесконечно в начальной точке смещения, весь ток, связанный с сигналом запуска, течет в емкость диода и выходит из нее.Если добавлен достаточный заряд, мгновенное напряжение на диоде будет во второй области, где наклон функции VCCS отрицательный.

Когда диод входит во вторую область, увеличение напряжения на диоде вызывает уменьшение тока диода. Применяя закон Кирхгофа по току в узле, где диод встречается с источником постоянного тока, мы можем видеть, что ток, входящий в паразитный конденсатор в любой момент, представляет собой разницу между источником постоянного тока и нелинейным током VCCS при этом мгновенном напряжении.Мы можем использовать этот факт для оценки времени переключения туннельного диода. (Форма перехода также может быть оценена.)

В качестве примера возьмем случай туннельного диода с пиковым током 10 мА и емкостью 5 пФ. Первоначальную оценку времени переключения можно сделать, предположив, что для перехода от От V ₁ до V ₂ необходимо добавить определенное количество заряда к паразитной емкости диода.

Из Q = C * V мы знаем, что ∆ Q = C * ∆ V, что составляет ∆ Q = C * (V ₂ — V ₁ )

С V ₁ = 65 мВ и V ₂ = 465 мВ, ∆ Q = 5 * 10 ^-12 F * 0.4 В = 2 пикокулоны.

Теперь смело предполагаем, что зарядный ток во время перехода постоянен и составляет половину пикового тока. 5 мА — это 5 милликулонов в секунду.

t = (2 * 10 ^-12 C) / (5 * 10 ^-3 A) = 0,4 нс

Туннельные диоды, используемые в Tektronix Instruments

• STD615 (152-01-02-00) — Ge, 10 мА, 28 пФ
• TD1081 (152-0099-00) — Ge, 50 мА, 6 пФ
• TD253 (152-0154-00) — Ge, 10 мА, 9 пФ
• TD3A (152-0125-xx) — Ge, 4.7 мА, 18 пФ
• 1N3129 — Ge, 20 мА, 20 пФ
• 1N3130 — Ge, 50 мА, 6 пФ
• 1N3712 — Ge, 1 мА ± 10%, 10 пФ
• 1N3713 — Ge, 1 мА ± 2,5%, 5 пФ
• 1N3714 — Ge, 2,2 мА ± 10%, 25 пФ
• 1N3715 — Ge, 2,2 мА ± 2,5%, 10 пФ
• 1N3716 — Ge, 4,7 мА ± 5%, 50 пФ
• 1N3717 — Ge, 4,7 мА ± 2,5%, 25 пФ
• 1N3718 / TD4 — Ge, 10 мА ± 10%, 90 пФ
• 1N3719 — Ge, 10 мА ± 2,5%, 25 пФ
• 1N3720 — Ge, 22 мА ± 10%, 150 пФ
• 1N3721 — Ge, 22 мА ± 2.5%, 100 пФ
• 152-0140-01 — Ge (?), 10 мА, 8 пФ
• 152-0177-00 / -01 / -02 — Ge, 10 мА, 4,7 пФ
• 152-0181-00 — Ge (?), 1 мА, 5 пФ
• 152-0182-00 — Ge (?), 10 мА, 50 пФ
• 152-0254-01 — Ge, 100 мА, 6 пФ
• 152-0329-00 — Ge (?), 19 мА, 1,5 пФ
• 152-0379-00 — Ge (?), 20 мА, 10 пФ
• 152-0383-00 — 50 мА, t _r 31 пс
• 152-0386-00 — Ge (?), 10 мА, 25 пФ
• 152-0402-00 — 2,2 мА 25 пФ
• 152-0489-00 — Ge (?), 21 мА, 1.5 пФ
• 153-0040-00 — 50 мА малой емкости
• 153-0400-00 — 50 мА малой емкости

Чтение

Учебники и справочники

Перекрестная ссылка

General Electric

RCA

Другие производители

Изображения

• Проверка туннельного диода на 575

• Проверка туннельного диода с аудиогенератором и 7D20 в режиме X-Y

• Пример быстрой проверки туннельного диода с использованием метода из Service Scope 49, апрель 1968 г.Правый луч масштабируется с задержкой по времени, чтобы показать скорость шага.

• Устройство трассировки кривых Tektronix 571, вольт-амперная характеристика германиевого туннельного диода 10 мА

• TD 253 Туннельный диод от Tek 547

• Туннельные диоды TD253 и TD3A в секции запуска и развертки Tek 547)

• Туннельный диод

  1D2 (2,2 мА) в датчике задержки Tek 547

Туннельный диод

— определение, символы и работа

Туннель определение диода

А Туннельный диод представляет собой сильно легированный p-n переходной диод, в котором уменьшается электрический ток как напряжение увеличивается.

В туннельный диод, электрический ток вызван «туннелированием». В туннельный диод используется как устройство с очень быстрым переключением в компьютеры. Он также используется в высокочастотных генераторах и усилители.

Символ туннельного диода

Условное обозначение туннельного диода показано на рисунке ниже. В туннельном диоде p-тип полупроводник действует как анод, а n-тип полупроводник действует как катод.

ср знать, что анод — это положительно заряженный электрод, который притягивает электроны, тогда как катод отрицательно заряжен. электрод, испускающий электроны. В туннельном диоде n-типа полупроводник излучает или производит электроны, поэтому его называют как катод. С другой стороны, полупроводник p-типа притягивает электроны, испускаемые полупроводником n-типа, поэтому Полупроводник p-типа называется анодом.

Что такое туннельный диод?

Туннель диоды являются одними из самых важных твердотельных электронных устройств которые появились в последнее десятилетие. Туннель Диод был изобретен в 1958 году Лео Эсаки.

Лев Эсаки заметил, что если полупроводниковый диод сильно легирован с примесями он будет демонстрировать отрицательное сопротивление.Отрицательный сопротивление означает, что ток через туннельный диод уменьшается при повышении напряжения. В 1973 году Лео Эсаки получил Нобелевская премия по физике за открытие электронного туннелирования эффект, используемый в этих диодах.

А туннельный диод также известен как диод Эсаки, названный в честь Лео Эсаки за работу над туннельным эффектом.Операция туннельного диода зависит от принципа квантовой механики известный как «Туннелирование». В электронике туннелирование означает прямое поток электронов через малую обедненную область из Зона проводимости n-стороны в валентную зону p-стороны.

германий Материал обычно используется для изготовления туннельных диодов. Они есть также сделаны из других материалов, таких как галлий арсенид, антимонид галлия и кремний.

Ширина области обеднения в туннельном диоде

обедненная область — это область в диоде с p-n-переходом, где мобильные носители заряда (бесплатно электроны и дырки) отсутствуют. Область истощения действует как барьер, препятствующий поток электронов из полупроводника n-типа и дырок из полупроводника p-типа.

ширина область обеднения зависит от количества примесей добавлен. Примеси — это атомы, введенные в p-тип и Полупроводник n-типа для увеличения электропроводности.

Если а в диод p-n-перехода добавлено небольшое количество примесей (полупроводники p-типа и n-типа) широкая обедненная область сформирован.С другой стороны, если большое количество примесей добавлен к диоду p-n-перехода, узкая обедненная область сформирован.

В туннельный диод, полупроводники p-типа и n-типа сильно легированные, что означает введение большого количества примесей на полупроводник p-типа и n-типа. Этот тяжелый допинг процесс дает чрезвычайно узкую область истощения.В концентрация примесей в туннельном диоде в 1000 раз больше, чем у нормального диода с p-n переходом.

В нормальный диод с p-n переходом, обедненная ширина велика, как по сравнению с туннельным диодом. Этот широкий слой истощения или Область истощения в нормальном диоде препятствует прохождению тока. Следовательно, истощающий слой действует как барьер. Чтобы преодолеть это барьер, нам нужно подать достаточное напряжение.Когда достаточно подается напряжение, электрический ток начинает течь через нормальный диод p-n перехода.

В отличие от нормальный диод с p-n переходом, ширина обедненного слоя в туннельном диоде крайне узкий. Итак, применяя небольшой напряжения достаточно для выработки электрического тока в туннельном диоде.

Туннель диоды способны оставаться стабильными в течение длительного времени чем обычные диоды с p-n переходом.Они также способны высокоскоростных операций.

Концепт проходки тоннелей

истощение область или обедненный слой в диоде с p-n переходом состоит из положительных и отрицательных ионов. Из-за этих положительных и отрицательные ионы, существует встроенный потенциал или электрический поле в области истощения.Это электрическое поле в область истощения оказывает электрическую силу в направлении противоположно внешнему электрическому полю (напряжению).

Другой вещь нужно помнить, что валентная зона и проводимость зонные энергетические уровни в полупроводнике n-типа незначительно ниже энергетических уровней валентной зоны и зоны проводимости в полупроводнике p-типа.Эта разница в уровнях энергии связано с различием уровней энергии легирующей примеси. атомы (донорные или акцепторные), используемые для образования n-типа и Полупроводник p-типа.

Электрический Текущий в обычном p-n переходе диод

Когда а напряжение прямого смещения приложено к обычному p-n переходу диода ширина обедненной области уменьшается и при этом со временем высота барьера также уменьшается.Однако электроны в полупроводнике n-типа не может проникать через слой истощения, потому что встроенное напряжение истощения слой противодействует потоку электронов.

Если приложенное напряжение больше, чем встроенное напряжение слой обеднения, электроны с n-стороны преодолевают противодействующей силе истощенного слоя, а затем входит в p-сторона.Проще говоря, электроны могут проходить через барьер (обедненный слой), если энергия электронов больше высоты барьера или барьерный потенциал.

Следовательно, ан обычный диод с p-n переходом производит электрический ток, только если приложенное напряжение больше, чем встроенное напряжение область истощения.

Электрический Текущий в туннельном диоде

В туннельный диод, валентная зона и энергия зоны проводимости уровни в полупроводнике n-типа ниже валентного энергетические уровни зоны и зоны проводимости в p-типе полупроводник.В отличие от обычного диода с p-n переходом, Разница в уровнях энергии в туннельном диоде очень велика. Из-за такой большой разницы в уровнях энергии зона проводимости материала n-типа перекрывается с валентная зона материала p-типа.

Квантовая механика говорит, что электроны будут напрямую проникать через слой истощения или барьер, если ширина истощения очень небольшой.

обедненный слой туннельного диода очень мал. Он находится в нанометры. Таким образом, электроны могут напрямую туннелировать через небольшая область обеднения из n-сторонней зоны проводимости в p-сторона валентная зона.

В обычные диоды, ток вырабатывается при подаче напряжения больше, чем встроенное напряжение области истощения.Но в туннельных диодах небольшое напряжение, которое меньше встроенного напряжения области истощения достаточно, чтобы произвести электрический ток.

В туннельные диоды, электроны не должны преодолевать встречные сила из обедненного слоя, чтобы произвести электрический ток. Электроны могут напрямую туннелировать из зоны проводимости n-область в валентную зону p-области.Таким образом, электрические ток вырабатывается в туннельном диоде.

Как туннельный диод работает?

Шаг 1: Несмещенный туннельный диод

Когда на туннельный диод не подается напряжение, он называется несмещенный туннельный диод. В туннельном диоде зона проводимости материал n-типа перекрывается с валентной зоной материал p-типа из-за сильного легирования.

Потому что этого перекрытия электроны зоны проводимости на n-стороне и дырки валентной зоны на стороне p имеют почти одинаковую энергию уровень. Поэтому, когда температура увеличивается, некоторые электроны туннель из зоны проводимости n-области в валентную полоса p-области. Подобным образом дыры туннелируют от валентная зона p-области к зоне проводимости n-области.

Однако чистый текущий поток будет равен нулю, потому что равное количество носители заряда (свободные электроны и дырки) текут навстречу друг другу. направления.

Шаг 2: Небольшое напряжение, приложенное к туннельному диоду

Когда а на туннельный диод подается небольшое напряжение, которое меньше чем встроенное напряжение обедненного слоя, нет прямого ток течет через переход.

Однако небольшое количество электронов в зоне проводимости n-область будет туннелировать в пустые состояния валентной зоны в р-области. Это создаст небольшой туннель прямого смещения. Текущий. Таким образом, туннельный ток начинает течь с небольшой приложение напряжения.

Шаг 3: Приложенное напряжение немного увеличено

Когда напряжение, подаваемое на туннельный диод, немного увеличивается, большое количество свободных электронов на n-стороне и дырок на p-стороне генерируются.Из-за увеличения напряжения перекрытие зоны проводимости и валентной зоны составляет повысился.

В простыми словами, уровень энергии n-сторонней зоны проводимости становится в точности равным энергетическому уровню валентности на стороне p. группа. В результате протекает максимальный туннельный ток.

Шаг 4: Приложенное напряжение дополнительно увеличивается

Если приложенное напряжение увеличивается, небольшое смещение зона проводимости и валентная зона.

С зона проводимости материала n-типа и валентность полоса перекрытия подоконника из материала р-типа. Электронный туннель из зоны проводимости n-области в валентную зону p-области и вызывают небольшой ток. Таким образом, туннелирование ток начинает уменьшаться.

Шаг 5: Приложенное напряжение значительно увеличено

Если приложенное напряжение значительно увеличивается, туннелирование ток падает до нуля.В этот момент зона проводимости и валентные зоны больше не перекрываются и туннельный диод работает таким же образом, как и обычный диод с p-n переходом.

Если это приложенное напряжение больше встроенного потенциала истощенного слоя начинается регулярный прямой ток протекает через туннельный диод.

часть кривой, на которой ток уменьшается по мере увеличения напряжения увеличивается область отрицательного сопротивления туннеля диод.Область отрицательного сопротивления является наиболее важной. и наиболее широко используемая характеристика туннельного диода.

А туннельный диод, работающий в области отрицательного сопротивления, может может использоваться как усилитель или генератор.

Преимущества из туннельные диоды

• Долговечность
• Высокоскоростной операция
• Низкий уровень шума
• Низкое энергопотребление расход

Недостатки из туннельные диоды

• Тоннель массовое производство диодов невозможно
• Быть двойником оконечное устройство, вход и выход не изолированы от друг друга.

Приложения из туннельные диоды

• Тоннель диоды используются в качестве запоминающих устройств логической памяти.
• Туннель диоды используются в схемах релаксационных генераторов.
• Туннель диод используется как сверхбыстрый переключатель.
• Туннель диоды используются в FM-приемниках.

Типы диодов

различные типы диодов следующие:

1. стабилитрон диод
2. Лавинный диод
3. Фотодиод
4. Свет Излучающий диод
5. Лазер диод
6. Туннель диод
7. Шоттки диод
8. Варактор диод
9. П-Н переходной диод

Туннельный диод — рабочая и прикладная схема

Туннельный диод — это тип полупроводникового диода, который имеет отрицательное сопротивление из-за квантово-механического эффекта, известного как туннелирование.

В этом посте мы познакомимся с основными характеристиками и работой туннельных диодов, а также с простой схемой применения этого устройства.

Мы увидим, как туннельный диод можно использовать для преобразования тепла в электричество и для зарядки небольшой батареи.

Изображение предоставлено: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:GE_1N3716_tunnel_diode.jpg

Обзор

После долгого исчезновения из мира полупроводников туннельный диод был фактически повторно запущен в результате этого факта. что он может быть реализован для преобразования тепловой энергии в электричество.Туннельные диоды также известны как диоды Эсаки, названные в честь их японского изобретателя.

В пятидесятые и шестидесятые годы туннельные диоды использовались во многих приложениях, в первую очередь в радиочастотных схемах, в которых их исключительные качества использовались для производства сверхбыстрых датчиков уровня, генераторов, смесителей и тому подобного.

Как работает туннельный диод

В отличие от стандартного диода, туннельный диод работает с использованием полупроводникового вещества с невероятно высоким уровнем легирования, что приводит к тому, что слой обеднения между p-n-переходом становится примерно в 1000 раз более узким. чем самые быстрые кремниевые диоды.

Как только туннельный диод смещен в прямом направлении, через p -n переход начинает происходить процесс, известный как «туннелирование» электронного потока.

«Туннелирование» в легированных полупроводниках на самом деле является методом, который трудно понять с помощью традиционной атомной гипотезы, и, возможно, он не может быть описан в этой небольшой статье.

Взаимосвязь между прямым напряжением туннельного диода и током

При тестировании взаимосвязи между прямым напряжением туннельного диода UF и током IF мы можем обнаружить, что блок имеет характеристику отрицательного сопротивления между пиковым напряжением Up и напряжение впадины, Uv, как показано на рис. ниже.

Следовательно, когда диод запитан в пределах заштрихованной области его кривой IF-UF, прямой ток уменьшается по мере увеличения напряжения. Сопротивление диода, несомненно, отрицательное и обычно обозначается как -Rd.

Конструкция, представленная в этой статье, использует преимущество вышеупомянутого качества туннельных диодов за счет реализации набора последовательно соединенных туннельных диодных устройств для зарядки батареи через солнечное тепло (не солнечную панель).

Как показано на рисунке ниже, семь или более туннельных диодов из антимонида галлия-индия (GISp) подключены последовательно и закреплены на большом радиаторе, что помогает предотвратить рассеяние их мощности (туннельные диоды становятся холоднее при повышении UF или повысился).

Радиатор используется для обеспечения эффективного накопления солнечного тепла или любой другой формы тепла, которое может быть применено, энергия которого требуется преобразовать в ток заряда для зарядки предлагаемой никель-кадмиевой батареи.

Преобразование тепла в электричество с помощью туннельных диодов (тепловое электричество)

Теория работы этой специальной конфигурации на самом деле удивительно проста. Представьте себе обычное естественное сопротивление R, способное разряжать батарею током I = V / R.что означает, что отрицательное сопротивление сможет инициировать процесс зарядки для той же батареи просто потому, что знак I изменится на противоположный, то есть: -I = V / -R.

Таким же образом, если нормальное сопротивление позволяет отвод тепла на P = PR Вт, отрицательное сопротивление сможет обеспечить такую ​​же мощность в нагрузке: P = -It-R.

Когда нагрузка представляет собой самостоятельный источник напряжения с относительно уменьшенным внутренним сопротивлением, отрицательное сопротивление, безусловно, должно генерировать более высокий уровень напряжения для протекания зарядного тока Ic, который задается формулой:

Ic = δ [Σ (Uf) — Ubat] / Σ (Rd) + Rbat

Ссылаясь на аннотацию Σ (Rd) сразу понятно, что все диоды в цепочке должны работать внутри -Rd области, главным образом потому, что любой отдельный диод с характеристикой + Rd может заканчивать объектив.

Тестирование туннельных диодов

Чтобы убедиться, что все диоды имеют отрицательное сопротивление, можно спроектировать простую тестовую схему, как показано на следующем рисунке.

Обратите внимание на то, что измеритель должен указывать полярность тока, потому что вполне может случиться так, что конкретный диод будет иметь действительно чрезмерное соотношение IP: Iv (туннельный наклон), что приведет к неожиданной зарядке аккумулятора при выполнении небольшого прямого предвзятость.

Анализ должен выполняться при температуре окружающей среды ниже 7 ° C (попробуйте промытую морозильную камеру) и записать кривую UF-IF для каждого отдельного диода, тщательно увеличивая прямое смещение с помощью потенциометра и документируя полученный результат. величины IF, отображаемые на показаниях счетчика.

Затем поднесите FM-радио поближе, чтобы убедиться, что проверяемый диод не колеблется на частоте 94,67284 МГц (частота, для GISp при уровне допирования 10-7).

Если вы обнаружите, что это происходит, возможно, конкретный диод не подходит для данного применения. Определите диапазон OF, который гарантирует -Rd практически для всех диодов. Исходя из порога изготовления диодов в доступной партии, этот диапазон может быть минимальным, например, от 180 до 230 мВ.

Схема приложения

Электроэнергия, вырабатываемая туннельными диодами за счет тепла, может использоваться для зарядки небольшой никель-кадмиевой батареи.

Сначала определите количество диодов, необходимое для зарядки аккумулятора минимальным током: для указанного выше выбора УФ необходимо последовательно соединить не менее семи диодов, чтобы обеспечить зарядный ток примерно 45 мА, когда они нагреваются до температурного уровня:

Γ [-Σ (Rd) If] [δ (Rth-j) — RΘ] .√ (Td + Ta) ° C

Или примерно 35 ° C при тепловом сопротивление радиатора не более 3,5 К / Вт, и при установке в условиях пикового солнечного света (Ta 26 ° C).Чтобы обеспечить максимальную эффективность этого никель-кадмиевого зарядного устройства, радиатор должен быть темного цвета для наилучшего теплообмена с диодами.

Кроме того, он не должен быть магнитным, учитывая, что любое внешнее поле, индуцированное или магнитное, вызовет нестабильную стимуляцию носителей заряда в туннелях.

Это может, следовательно, вызвать ничего не подозревающий эффект воздуховода; электроны, вероятно, могут быть выбиты из p-n перехода над подложкой и, таким образом, накапливаться вокруг выводов диода, вызывая, возможно, опасные напряжения в зависимости от металлического корпуса.

Некоторые туннельные диоды типа BA7891NG, к сожалению, очень чувствительны к мельчайшим магнитным полям, и испытания показали, что их необходимо поддерживать горизонтально по отношению к поверхности земли, чтобы предотвратить это.

Оригинальный прототип, демонстрирующий получение электричества из солнечного тепла с использованием туннельных диодов

СВЧ диод Esaki »Примечания к электронике

Туннельный диод используется во многих микроволновых устройствах, где его можно использовать в генераторах и усилителях.

---

Учебное пособие по туннельному диоду Включает:
Туннельный диод Теория туннельных диодов Структура устройства туннельного диода Обратный диод

Другие диоды: Типы диодов

---

Туннельный диод — это тип полупроводникового диода СВЧ, который может использоваться в генераторах, а также в усилителях.

Вместо того, чтобы использовать стандартную физику обычного PN перехода, туннельный диод использует квантово-механический эффект, называемый туннелированием, от которого он и получил свое название.

Эффект туннелирования придает туннельному диоду область отрицательного сопротивления, что позволяет использовать его в качестве генератора, а также в устройствах предварительного усилителя на частотах, лежащих далеко от микроволнового диапазона.

Хотя туннельные диоды сегодня не так широко используются, их все же можно использовать в большом количестве ВЧ-приложений. Они использовались в генераторах входных каскадов телевизионных приемников, схемах запуска осциллографов и т. Д. Они показали, что они имеют очень долгий срок службы и могут предложить очень высокий уровень производительности при использовании в качестве предварительного усилителя ВЧ.

Однако сегодня применения туннельных диодов менее распространены, потому что три оконечных устройства часто могут предложить лучший уровень производительности во многих областях.

Обнаружение туннельного диода

Туннельный диод был открыт в 1958 году японским доктором философии. студент-исследователь по имени Эсаки в 1958 году. он исследовал свойства и характеристики сильно легированных германиевых переходов для использования в высокоскоростных биполярных транзисторах.

Esaki произвел несколько сильно легированных переходов для быстродействующих биполярных транзисторов.Когда он тестировал и использовал эти устройства, он обнаружил, что они создают колебания на сверхвысоких частотах в результате туннельного эффекта.

Эсаки получил Нобелевскую премию по физике в 1973 году за работу над туннельным диодом.

После работы Эсаки другие исследователи продемонстрировали, что другие материалы также демонстрируют туннельный эффект. Холоняк и Леск продемонстрировали устройство на арсениде галлия в 1960 году, другие продемонстрировали индийское олово, а затем в 1962 году эффект был продемонстрирован в материалах, включая арсенид индия, фосфид индия, а также кремний.

Обозначение цепи туннельного диода

Символ туннельного диода, используемый на принципиальных схемах, основан на используемом основном символе диода. Чтобы отличить символ туннельного диода от стандартного символа диода, к полосе символа цепи добавлены дополнительные хвосты.

Обозначение схемы туннельного диода

Достоинства и недостатки

Туннельный диод в наши дни не так широко используется, как когда-то. С улучшением характеристик других форм полупроводниковой технологии они часто становятся предпочтительным вариантом.Тем не менее, все же стоит взглянуть на туннельный диод, учитывая его преимущества и недостатки, чтобы понять, является ли он жизнеспособным вариантом.

Преимущества

• Очень высокая скорость: Высокая скорость работы означает, что туннельный диод может использоваться для СВЧ-приложений.
• Долговечность: Были проведены исследования туннельного диода, и было показано, что его характеристики остаются стабильными в течение длительных периодов времени, когда другие полупроводниковые устройства могли выйти из строя.

Недостатки

• Воспроизводимость: Невозможно создать туннельный диод с такой воспроизводимой характеристикой на часто необходимом уровне.
• Низкое соотношение между пиковым и минимальным токами: Область отрицательного сопротивления и ток от пика до впадины не так высок, как часто требуется для достижения уровней производительности, которые могут быть достигнуты с другими устройствами.

Одной из основных причин раннего успеха туннельного диода была его высокая скорость работы и высокие частоты, с которыми он мог работать.Это произошло из-за того, что в то время как многие другие устройства замедляются из-за присутствия неосновных носителей, туннельный диод использует только основные носители, то есть дырки в материале n-типа и электроны в материале p-типа. Неосновные носители замедляют работу устройства и, как следствие, их скорость ниже. Кроме того, эффект туннелирования по своей природе очень быстрый.

Туннельный диод в наши дни используется редко, и это связано с его недостатками. Во-первых, у них только низкий туннельный ток, а это значит, что они маломощные.Хотя это может быть приемлемо для усилителей с низким уровнем шума, это является значительным недостатком, когда они используются в генераторах, поскольку требуется дополнительное усиление, и это может быть выполнено только устройствами, которые имеют более высокую мощность, то есть не туннельными диодами. Третий недостаток состоит в том, что это проблемы с воспроизводимостью устройств, приводящие к низким выходам и, следовательно, к более высоким производственным затратам.

Приложения

Хотя туннельный диод казался многообещающим несколько лет назад, вскоре его заменили другие полупроводниковые устройства, такие как IMPATT-диоды для генераторов и полевые транзисторы при использовании в качестве усилителя.Тем не менее туннельный диод является полезным устройством для определенных приложений.

Одна из областей, где туннельный диод может быть успешно использована, — это военное и другое оборудование, которое может подвергаться воздействию магнитных полей, высокой температуры и радиоактивности. Туннельный диод более устойчив к воздействию этих сред и, как таковой, по-прежнему может использоваться с пользой.

Еще одним достоинством туннельного диода, которое начинает открываться, является его долговечность и надежность. После изготовления его характеристики остаются стабильными в течение длительного периода времени, несмотря на то, что его использование в случаях, когда другие устройства могут выйти из строя или выйти из строя.

Другие электронные компоненты:
резисторы Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор Полевой транзистор Типы памяти Тиристор Разъемы ВЧ разъемы Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты». . .

Теория и характеристики »Электроника

Туннельный диод основан на туннельном эффекте.Это придает устройству

некоторые полезные характеристики.

---

Учебное пособие по туннельному диоду Включает:
Туннельный диод Теория туннельных диодов Структура устройства туннельного диода Обратный диод

Другие диоды: Типы диодов

---

Основы теории туннельных диодов позволяют понять принцип работы диода.

Характеристики и работа туннельного диода зависят от некоторых тонких различий между нормальным PN-переходом и структурой самого туннельного диода.

По сути, это очень высокие уровни легирования, используемые в туннельном диоде, его уникальные свойства и характеристики.

Теория туннельного диода

показывает, что он не работает как обычный диод, а вместо этого демонстрирует область отрицательного сопротивления в прямом направлении.

Кривая ВАХ в сочетании с очень высокой скоростью диода означает, что его можно использовать в различных СВЧ-приложениях в качестве активного устройства.

Основы теории туннельных диодов

Ключом к пониманию теории туннельных диодов является характеристическая кривая с отрицательным наклоном — это указывает на область отрицательного сопротивления.Область отрицательного сопротивления означает, что при увеличении напряжения ток фактически падает — в противоположность закону Ома.

Также интересно отметить, что ток также течет в обратном направлении — обратное напряжение пробоя фактически равно нулю, и диод проводит в обратном направлении. Характеристики около начала координат графика практически симметричны.

IV характеристика туннельного диода

Характеристическая кривая туннельного диода состоит из нескольких различных элементов :.

• Нормальный ток диода: Это нормальный или ожидаемый ток, который будет протекать через диод с PN переходом.
• Туннельный ток: Это ток, который возникает в результате туннельного эффекта.
• Избыточный ток: Это третий элемент тока, который вносит вклад в общий ток внутри диода. Это является результатом того, что можно назвать избыточным током, который возникает в результате туннелирования через объемные состояния в запрещенной зоне, и означает, что ток долины не падает до нуля.

Теория туннельного диода: токи компонентов

Три составляющие тока туннельного диода суммируются, чтобы получить общую характеристическую кривую, которую часто можно увидеть в объяснениях теории туннельных диодов.

Туннельный механизм и теория

Туннелирование — это эффект, вызываемый квантово-механическими эффектами, когда электроны проходят через потенциальный барьер. Это может быть визуализировано в очень простых терминах путем их «туннелирования» через энергетический барьер.

Туннелирование происходит только при определенных условиях. Это происходит в туннельных диодах из-за очень высоких уровней легирования.

При обратном смещении электроны туннелируют из валентной зоны в материале p-типа в зону проводимости в материале n-типа, и уровень тока монотонно увеличивается.

Для ситуации с прямым смещением существует ряд различных областей. Для напряжений до Vpe электроны из зоны проводимости обнаруживают увеличивающуюся доступность пустых состояний в валентной зоне, и уровень тока увеличивается до точки, где ток равен Ipe.

Когда эта точка достигнута, обнаруживается, что количество пустых состояний, доступных для электронов с уровнем энергии, которую они получают за счет повышенного уровня напряжения, начинает падать. Это означает, что текущий уровень соответствует этому. Общий текущий уровень относительно быстро падает, почти до нуля.

По мере того, как ток из-за эффекта туннелирования падает, диффузионный ток, который является тем же действием, что и в обычном диоде с PN-переходом, начинает увеличиваться и постепенно становится доминирующим механизмом.

Характеристики туннельного диода

На диаграмме вверху страницы показана ВАХ туннельного диода. Он имеет форму N-образной кривой. С областью отрицательного сопротивления между пиковым напряжением Vpe и минимальным напряжением Vv.

Значения этих напряжений зависят от материала диода, а также от его индивидуальных характеристик.

Характеристики туннельного диода для различных материалов
Параметр / Характеристика	Германий	Кремний	Арсенид галлия
Vpe (мВ)	40–70	80–100	90–120
Vv (мВ)	250–350	400–500	450-600
Ipe / IV	10-15	3-5	10–20

Одним из ключевых показателей рабочих характеристик туннельных диодов является отношение пикового и минимального тока: I _pe / I _v .Это дает теоретическое представление о характеристиках туннельного диода. Используя таблицу, можно увидеть, что кремний имеет очень низкое значение для I _pe / I _v , и, соответственно, теория согласуется с практикой, и было обнаружено, что характеристики кремниевых туннельных диодов не так хороши, как у германия и арсенид галлия и другие комбинации.

Другие электронные компоненты:
резисторы Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор Полевой транзистор Типы памяти Тиристор Разъемы ВЧ разъемы Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты».. .

Туннельный диод: определение, характеристики и применение

Что такое туннельный диод?

Туннельный диод (также известный как диод Эсаки ) — это тип полупроводникового диода, который имеет эффективное «отрицательное сопротивление» из-за квантово-механического эффекта, называемого туннелированием. Туннельные диоды имеют сильно легированный pn переход шириной около 10 нм. Сильное легирование приводит к нарушенной запрещенной зоне, где электронные состояния зоны проводимости на N-стороне более или менее выровнены с дырочными состояниями валентной зоны на P-стороне.

Применение транзисторов в очень высокочастотном диапазоне затруднено из-за времени прохождения и других эффектов. Многие устройства используют свойство отрицательной проводимости полупроводников для этих высокочастотных приложений. Туннельный диод — одно из наиболее часто используемых устройств с отрицательной проводимостью. Он также известен как диод Эсаки в честь Л. Эсаки за его работу над этим эффектом.

Концентрация примесей в p- и n-областях очень высока, около 10 ²⁴ — 10 ²⁵ m ^-3 .Р-n переход тоже резкий. По этой причине ширина обедненного слоя очень мала. В вольт-амперных характеристиках туннельного диода мы можем найти область отрицательного наклона при приложении прямого смещения.

Название «туннельный диод» связано с тем, что квантово-механическое туннелирование отвечает за явление, происходящее внутри диода. Легирование очень велико, поэтому при абсолютном нуле температуры уровни Ферми лежат в пределах смещения полупроводников.

Характеристики туннельного диода

Когда применяется обратное смещение, уровень Ферми на стороне p становится выше, чем уровень Ферми на стороне n.Следовательно, происходит туннелирование электронов из зоны баланса p-стороны в зону проводимости n-стороны. С включением обратного смещения туннельный ток также увеличивается.

Когда применяется прямое смещение, уровень Ферми n-стороны становится выше, чем уровень Ферми p-стороны, таким образом, происходит туннелирование электронов с n-стороны на p-сторону. Величина туннельного тока очень велика, чем нормальный ток перехода. Когда прямое смещение увеличивается, туннельный ток увеличивается до определенного предела.

Когда край зоны на n-стороне совпадает с уровнем Ферми на p-стороне, туннельный ток максимален, при дальнейшем увеличении прямого смещения туннельный ток уменьшается, и мы получаем желаемую область отрицательной проводимости. При дальнейшем увеличении прямого смещения получается нормальный ток pn перехода, который экспоненциально пропорционален приложенному напряжению. Приведены V-I характеристики туннельного диода:

Отрицательное сопротивление используется для создания колебаний, и часто функция Ck + имеет очень высокие частоты.

Символ туннельного диода

Символ туннельного диода показан ниже.

Применения туннельного диода

Туннельный диод — это тип sc-диода, который способен работать очень быстро и в микроволновом диапазоне частот. Это был квантово-механический эффект, известный как туннелирование. Он идеально подходит для быстрых генераторов и приемников из-за его отрицательных характеристик наклона. Но его нельзя использовать в больших интегральных схемах, поэтому его применение ограничено.

Когда напряжение подается впервые, через него протекают звезды тока. Ток увеличивается с увеличением напряжения. Как только напряжение поднимается достаточно высоко, ток снова начинает увеличиваться, и звезды туннельного диода ведут себя как обычный диод. Из-за такого необычного поведения его можно использовать в ряде специальных приложений, запускаемых ниже.

Цепи осциллятора

:
Туннельные диоды могут использоваться в качестве высокочастотных генераторов, поскольку переход между высокой электропроводностью происходит очень быстро.Их можно использовать для создания колебаний до 5 ГГц. Даже они способны создавать колебания до 100 ГГц в соответствующих цифровых схемах.

Используется в микроволновых схемах:
Обычные диодные транзисторы плохо работают в микроволновых режимах. Так, для генераторов и усилителей СВЧ используются туннельные диоды. Они широко использовались в оборудовании для микроволновых волн и спутниковой связи, но в последнее время их использование быстро сокращается, поскольку становятся доступными транзисторы, которые работают в этом диапазоне частот.

Стойкость к ядерному излучению:
Туннельные диоды устойчивы к воздействию магнитных полей, высокой температуры и радиоактивности. Поэтому их можно использовать в современной военной технике. Они также используются в ядерной машине с магнитным ресурсом. Но самая важная сфера его использования — оборудование спутниковой связи.

Туннельный диодный генератор

Туннельный диод может создать очень стабильную схему генератора, когда они подключены к настроенной цепи или резонатору, смещенному в центральной точке области отрицательного сопротивления.Вот пример колебательного контура туннельного диода.

Туннельный диод теряет связь с настраиваемым резонатором. При использовании короткого зонда антенного питания, помещенного в нецентральную полость, достигается слабая связь. Для повышения стабильности колебаний и достижения мощности вольт-амперной характеристики в более широкой полосе пропускания используется слабая связь. Диапазон выходной мощности составляет несколько сотен микроватт.

Это полезно для многих микроволновых приложений. Физическое положение тюнера, определяющее частоту работы.Если с помощью этого метода частота работы изменяется, это называется механической настройкой. Генераторы на туннельных диодах также могут быть настроены электронным способом.

Генераторы на туннельных диодах, которые предназначены для работы на микроволновых частотах, обычно используют некоторые формы линий передачи в качестве туннельных цепей. Эти генераторы полезны в приложениях, требующих мощности в несколько милливатт, например, в гетеродинах для сверхэлектродинного микроволнового приемника.

Туннельный диод — специальные устройства

СПЕЦИАЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

В 1958 году японский ученый Лео Эсаки обнаружил, что если диод с полупроводниковым переходом сильно легирован примесями, он будет иметь область отрицательного сопротивления.В диоде с нормальным переходом используются полупроводниковые материалы, которые слегка легированы одним атомом примеси на десять миллионов атомов полупроводника. Этот низкий уровень легирования приводит к относительно широкой области обеднения. Проводимость возникает в диоде с нормальным переходом, только если приложенное к нему напряжение достаточно велико, чтобы преодолеть потенциальный барьер перехода.

В ТУННЕЛЬНОМ ДИОДЕ полупроводниковые материалы, используемые для образования перехода, легированы до одной тысячи примесных атомов на десять миллионов атомов полупроводника.Это сильное легирование создает чрезвычайно узкую зону обеднения, аналогичную зоне в стабилитроне. Также из-за сильного легирования туннельный диод демонстрирует необычную кривую вольт-амперной характеристики по сравнению с кривой обычного переходного диода. Характеристическая кривая туннельного диода показана на рисунке ниже.

Характеристическая кривая туннельного диода по сравнению со стандартным PN переходом.

Три наиболее важных аспекта этой характеристической кривой: (1) увеличение прямого тока до пика (Ip) с небольшим приложенным прямым смещением, (2) уменьшение прямого тока с увеличением прямого смещения до минимального тока впадины (Iv). , и (3) нормальный возрастающий прямой ток с дальнейшим увеличением напряжения смещения.Участок характеристической кривой между Ip и lv является областью отрицательного сопротивления. Объяснение того, почему туннельный диод имеет область отрицательного сопротивления, лучше всего понять, используя уровни энергии, как в предыдущем объяснении эффекта Зенера.

Проще говоря, теория, известная как квантово-механическое туннелирование, заключается в том, что электрон пересекает PN-переход, не имея достаточной энергии для этого в противном случае. Из-за сильного легирования ширина обедненной области составляет всего одну миллионную дюйма.Вы можете представить себе этот процесс просто как дугу между N- и P-сторонами через область истощения.

На рисунке ниже показана диаграмма уровней равновесной энергии туннельного диода без приложенного смещения. Обратите внимание на вид A, что валентная зона P-материала перекрывает зону проводимости N-материала. Большинство электронов и дырок находятся на одном уровне энергии в состоянии равновесия. Если есть какое-либо движение носителей тока через область истощения из-за тепловой энергии, чистый поток тока будет равен нулю, потому что равное количество носителей тока течет в противоположных направлениях.Нулевой ток нетто обозначен буквой «O» на кривой вольт-амперной характеристики, показанной на виде B.

Энергетическая диаграмма туннельного диода без смещения.

На рисунке ниже, вид A, показана энергетическая диаграмма туннельного диода с небольшим прямым смещением (50 милливольт). Смещение вызывает неравные уровни энергии между некоторыми из основных носителей в точке перекрытия энергетических зон, но недостаточную разность потенциалов, чтобы заставить носители пересекать запрещенную зону обычным образом.Поскольку валентная зона P-материала и зона проводимости N-материала по-прежнему перекрываются, носители тока туннелируют поперек в перекрытии и вызывают значительный протекание тока. Величина протекающего тока отмечена точкой 2 на кривой на виде B. Обратите внимание на вид A, что степень перекрытия между валентной зоной и зоной проводимости уменьшалась при приложении прямого смещения.

Энергетическая диаграмма туннельного диода со смещением 50 милливольт.

На рисунке ниже, вид A, показана энергетическая диаграмма туннельного диода, в котором прямое смещение увеличено до 450 милливольт.Как видите, валентная зона и зона проводимости больше не перекрываются в этой точке, и туннелирование больше не может происходить. Часть кривой на виде B от точки 2 до точки 3 показывает уменьшение тока, которое происходит при увеличении смещения, и площадь перекрытия становится меньше. По мере того, как перекрытие между двумя энергетическими зонами становится меньше, все меньше электронов может туннелировать через переход. Участок кривой между точками 2 и 3, в котором ток уменьшается с увеличением напряжения, является областью отрицательного сопротивления туннельного диода.

Энергетическая диаграмма туннельного диода со смещением 450 милливольт.

На рисунке ниже, вид A, показана энергетическая диаграмма туннельного диода, в котором прямое смещение еще больше увеличено. Энергетические зоны больше не перекрываются, и диод работает так же, как обычный PN-переход, как показано на участке кривой на виде (B) от точки 3 до точки 4.