Выпрямительные диоды; Школа для электриков: Электротехника и электроника - услуги электромонтажа, строительства и ремонта

На границе между двумя полупроводниками образуется слой, свободный от подвижных носителей заряда (из-за рекомбинации) и обладающий высоким электрическим сопротивлением – так называемый блокирующий слой. Этот слой определяет разность потенциалов на границе раздела (потенциальный барьер).

Содержание

Выпрямительные диоды

Диод – это двухэлектродный полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом и однонаправленным токоведущим элементом. Существует множество различных типов диодов – выпрямительные диоды, импульсные диоды, туннельные диоды, диоды с обратным смещением, сверхвысокочастотные диоды, а также стабилизаторы, варакторы, фотодиоды, светодиоды и т.д.

Работа выпрямительного диода объясняется свойствами электрического p-n-перехода.

Вблизи границы двух полупроводников образуется слой без подвижных носителей заряда (из-за рекомбинации) и с высоким электрическим сопротивлением – так называемый блокирующий слой. Этот слой определяет разность потенциалов на переходе (потенциальный барьер).

Если к p-n-переходу приложить внешнее напряжение, создающее электрическое поле в противоположном направлении, толщина этого слоя уменьшится, и при напряжении 0,4 – 0,6 В барьерный слой исчезнет, а ток значительно увеличится (такой ток называется постоянным).

Выпрямительные диоды При приложении внешнего напряжения другой полярности барьерный слой увеличится, сопротивление p-n-перехода возрастет, и ток, обусловленный движением электрически незаземленных носителей, будет мал даже при относительно высоком напряжении.

Ток проводимости в диоде создается основными носителями, а обратный ток – неосновными носителями. Положительный (прямой) ток диода течет в направлении от анода к катоду.

На рисунке 1 показано графическое представление (УГО) и характеристики выпрямительных диодов (их идеальные и реальные вольт-амперные характеристики). Кажущийся обвал вольт-амперной характеристики диода (ВАХ) в начальной точке обусловлен разным масштабом тока и напряжения в первом и третьем квадрантах графика. Два вывода диода, анод А и катод К, не обозначены в КСО и показаны на рисунке для пояснения.

Вольт-амперные характеристики реального диода указывают на область электрического пробоя, где ток быстро возрастает при небольшом увеличении обратного напряжения.

Электрический пробой – явление обратимое. Диод не теряет своих свойств после возвращения в рабочий диапазон. Если обратный ток превышает определенное значение, электрический пробой переходит в необратимый тепловой пробой, и устройство выходит из строя.

Полупроводниковый выпрямительный диод

Рисунок 1: Полупроводниковый выпрямительный диод: а – условное графическое изображение, б – идеальная вольт-амперная характеристика, в – реальная вольт-амперная характеристика

Промышленность производит в основном германиевые (Ge) и кремниевые (Si) диоды.

Выпрямительные диоды

Кремниевые диоды имеют низкие обратные токи, более высокие рабочие температуры (150 – 200 °C по сравнению с 80 – 100 °C), выдерживают высокие обратные напряжения и плотности тока (60 – 80 А/см2 по сравнению с 20 – 40 А/см2). Кроме того, кремний является распространенным элементом (в отличие от германиевых диодов, которые относятся к редкоземельным элементам).

Выпрямительные диоды Преимуществом германиевых диодов является малое падение напряжения при протекании постоянного тока (0,3 – 0,6 В против 0,8 – 1,2 В). Кроме этих полупроводниковых материалов, арсенид галлия GaAs используется в микроволновых схемах.

Полупроводниковые диоды в силу технологии их изготовления делятся на два класса: точечные и площадные диоды.

Точечный диод формируется из Si или Ge пластины n-типа площадью 0,5-1,5 мм2 и стальной иглы, которая образует p-n-переход в месте контакта. Благодаря малой площади поверхности разъем имеет низкую емкость и поэтому может работать в высокочастотных цепях. Однако ток, протекающий через спай, не должен быть большим (обычно менее 100 мА).

Планарный диод состоит из двух соединенных между собой пластин Si или Ge с различной проводимостью. Большая площадь контакта приводит к большой емкости спая и относительно низкой рабочей частоте, но ток может быть высоким (до 6000 A).

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

максимально допустимый прямой ток Iпр.макс,

максимально допустимое обратное напряжение Uобр.макс,

максимально допустимая частота fmax.

Выпрямительные диоды делятся в соответствии с первым параметром на диоды:

Диоды малой мощности, постоянный ток до 300 мА,

Диоды средней мощности, прямой ток 300 мА – 10 А,

High-power – силовые диоды, максимальный ток проводимости которых зависит от класса и составляет 10, 16, 25, 40 – 1600 А.

Импульсные диоды используются в системах малой мощности с импульсным характером приложенного напряжения. Характерным требованием является малое время перехода из закрытого состояния в открытое и обратно (типичное время 0,1 – 100 мкс). УГО импульсных диодов такое же, как и у выпрямительных диодов.

Переходные процессы в импульсных диодах

Рисунок 2: Переходные процессы в импульсных диодах: a – зависимость тока при изменении обратного напряжения, b – зависимость напряжения при прохождении через диод импульса обратного тока

Специфическими параметрами импульсных диодов являются:

время восстановления Твосст

это интервал времени между моментом изменения напряжения на диоде с переменного на обратное и моментом уменьшения обратного тока до заданного значения (рис. 2, а),

Время нарастания Tust – это промежуток времени между началом протекания тока проводимости через диод и моментом, когда напряжение на диоде достигает установившегося значения 1,2 (рис. 2, б),

максимальный ток восстановления Iобр.имп.макс, равный наибольшему значению обратного тока через диод после переключения напряжения с прямого на обратное (рис. 2,а).

Обратные диоды изготавливаются с более высокой концентрацией примесей в p- и n-областях, чем обычные выпрямительные диоды. Такие диоды имеют низкое сопротивление при протекании тока в обратном соединении (рис. 3) и относительно высокое сопротивление при прямом соединении. Поэтому они находят применение для выпрямления небольших сигналов с амплитудой напряжения в несколько десятых долей вольта.

Ugo и инвертированные диодные осциллограммы

Рис. 3. Схема диода и форма волны инвертированного диода

Диоды Шоттки изготавливаются с использованием перехода металл-полупроводник. В них используются низкоомные подложки из n-кремния (или карбида кремния) с высокоомной эпитаксиальной тонкой пленкой того же полупроводника (рис. 4).

КСО и структура диода Шоттки

На поверхность эпитаксиального слоя наносится металлический электрод, который обеспечивает выпрямление, но не вводит неосновные носители в базовую область (обычно золото). Благодаря этому в этих диодах не происходят такие медленные процессы, как накопление и рассеивание небазовых носителей в базе. Поэтому инерция диодов Шоттки невелика. Она определяется величиной барьерной емкости контактов выпрямителя (от 1 до 20 пФ).

Кроме того, диоды Шоттки имеют гораздо меньшее последовательное сопротивление, чем выпрямительные диоды, поскольку металлический слой имеет низкое сопротивление по сравнению с любым, даже сильно легированным полупроводником. Это позволяет использовать диоды Шоттки для выпрямления больших токов (десятки ампер). Они обычно используются в импульсных источниках вторичного электропитания для выпрямления высокочастотных напряжений (до нескольких МГц).

Если вам понравилась эта статья, пожалуйста, поделитесь ею в социальных сетях. Это очень поможет в развитии нашего сайта!

С точки зрения применения диоды изготавливаются из германиевых (Gr) или кремниевых (Si) элементов. В статье будут описаны все особенности, технические параметры устройства этих радиоэлементов. Кроме того, читатель найдет познавательные видеоролики и интересные материалы из научных статей на эту тему.

Технология производства и дизайн

Выпрямительные диоды состоят из одной пластины полупроводникового кристалла, в объеме которой образуются две области различной проводимости, поэтому такие диоды называют планарными. Процесс изготовления таких диодов заключается в следующем. Алюминий, индий или бор расплавляются на поверхности полупроводникового кристалла n-типа, а фосфор расплавляется на поверхности полупроводникового кристалла p-типа.

При высоких температурах эти вещества прочно соединяются с кристаллом полупроводника. Атомы этих веществ проникают (диффундируют) в кристалл и образуют область преобладающей электронной или дырочной проводимости. Это создает полупроводниковое устройство с двумя областями различной проводимости – и p-n-переходом между ними. Большинство популярных планарных кремниевых и германиевых диодов изготавливаются именно таким образом.

Для защиты от внешних воздействий и обеспечения надежного отвода тепла кристалл с p-n-переходом устанавливается в корпус.
Диоды малой мощности изготавливаются в пластмассовом корпусе с гибкими внешними проводниками, диоды средней мощности – в стеклянно-металлическом корпусе с жесткими внешними проводниками, а диоды высокой мощности – в стеклянно-металлическом или металлокерамическом корпусе, т.е. со стеклянным или керамическим изолятором.

Зачем нужны выпрямительные диоды?

Вольт-амперные (ВАХ) характеристики диода.

Диод имеет два контакта (электрода) – анод и катод. Анод подключен к p-слою, а катод – к n-слою. Когда на анод подается плюс, а на катод – минус (прямое подключение диода), диод проводит ток. Если к аноду приложена отрицательная полярность, а к катоду – положительная (обратное подключение диода), ток через диод протекать не будет. Поэтому, когда переменное напряжение подается на вход выпрямительного диода, через него проходит только одна полуволна.

Принцип работы выпрямительных диодов

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода.

Вольт Амперы Реакция

Вольт-амперная характеристика диода показана на рисунке I. В первом квадранте находится прямая ветвь характеристики, которая описывает состояние высокой проводимости диода, когда к нему приложено постоянное напряжение, линеаризованное односторонней линейной функцией

где: u – напряжение на диоде при протекании тока i; U₀ – пороговое напряжение; R_д – динамическое сопротивление.

В третьем квадранте находится обратная ветвь вольт-амперной характеристики, описывающая состояние низкой проводимости при подаче на диод обратного напряжения. В состоянии низкой проводимости через полупроводниковую структуру практически не протекает ток. Однако это верно только до определенного значения обратного напряжения. При обратном напряжении, когда напряженность электрического поля в p-n-переходе достигает величины около 10 с В/см, это поле может придать движущимся носителям заряда – электронам и дыркам, которые постоянно образуются по всей полупроводниковой структуре в результате тепловой генерации, – кинетическую энергию, достаточную для ионизации нейтральных атомов кремния. Образующиеся дырки и электроны проводимости, в свою очередь, ускоряются электрическим полем p-n-перехода и ионизируют нейтральные атомы кремния. Это вызывает лавинообразное нарастание обратного тока, или лавинный пробой.

Напряжение, при котором происходит резкое увеличение обратного тока, называется напряжением пробоя U₃.

Фонд Викимедиа . 2010 .

Примечания

Радиотехника
Полупроводниковые диоды
Электричество

Фонд Викимедиа . 2010 .

Полезная страница

Смотреть что такое “Выпрямительный диод” в других словарях

выпрямительный диод – [Я.Н.Лугинский, М.С.Феси Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо-русский словарь по электротехнике и энергетике, Москва, 1999] выпрямительный диод [намерение] Темы электротехника, основные понятия EN выпрямительный диод универсальный диод … Руководство технического переводчика

ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЙ ДИОД – (или выпрямитель), компонент цепи оборудования, преобразующий переменный ток в постоянный. Обычно это полупроводниковый диод, имеющий высокое сопротивление для тока, протекающего в одном направлении, и низкое сопротивление для тока, протекающего в противоположном направлении…..

выпрямительный диод – lygintuvinis diodas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. rectifier diode vok. Gleichrichrichterdiode, f rus. выпрямительный диод, m pranc. redresseuse diode, f … Fizikos terminų žodynas

лавинный выпрямительный диод – Выпрямительный полупроводниковый диод с заданной характеристикой минимального напряжения пробоя, предназначенный для рассеивания мощности в диапазоне пробоя вольтамперной характеристики в течение ограниченной длительности импульса. [ГОСТ 15133… … Руководство технического переводчика

полупроводниковый выпрямительный диод – puslaidininkinis lygintuvinis diodas statusas T sritis automika atitikmenys: angl. semiconductor rectifier diode vok. Halbleiter Gleichrichterdiode, f rus. полупроводниковый выпрямительный диод, m pranc. полупроводниковый диод обратной связи … Автоматический терминал žodynas

Силовой полупроводниковый выпрямительный диод – Я.Н.Лугиньский, М.С.Феси-Жылинская, Ю.С.Кабиров. Англо-русский словарь по электротехнике и энергетике, Москва, 1999] Темы по электротехнике, основные понятия EN силовой полупроводниковый выпрямительный диод … Руководство технического переводчика

силовой полупроводниковый выпрямительный диод – Выпрямительный диод Полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока, включая монтажные и охлаждающие устройства, если он составляет с ними единое целое. [ГОСТ 15133 77] Полупроводниковые приборы Синонимы … … Руководство технического переводчика

Диод – У этого термина существуют и другие значения, см. Диод (значение). Четыре диода и диодный мост. Диод (от греч. … Википедия

Диод (электронная лампа) – Диод – это электронная лампа с двумя электродами (катодом и анодом). Тип диода. Используется в детекторах (амплитудных или частотных) и в выпрямителях. Высоковольтный вариант кенотрона. Содержание 1 История 2 Устройство 3 … Википедия

Полупроводниковый выпрямительный диод с управляемым лавинным пробоем – Выпрямительный полупроводниковый диод с определенными максимальной и минимальной характеристиками напряжения пробоя, предназначенный для устойчивой работы в области пробоя обратной ветви вольтамперной характеристики. [GOST 15133 77]….

Когда отрицательная полуволна напряжения достигает анода, диод закрывается, и по цепи начинает течь небольшой обратный ток. В этом случае отрицательная полуволна переменного тока отсекается диодом. Эта отсекающая полуволна отмечена синей пунктирной линией. На схеме обозначение выпрямительного диода такое же, как обычно, только над ним помещены символы VD.

Основные параметры выпрямительных диодов

При определении параметров компонентов выпрямителя необходимо учитывать следующие факторы:

Максимальное значение среднего выпрямленного тока.
Максимальное значение обратного напряжения.

Выпрямители выпускаются в различных формах и могут быть установлены различными способами.

По своим физическим характеристикам они делятся на следующие группы:

Мощные выпрямительные диоды с емкостью до 400 А. Они относятся к категории высоковольтных и выпускаются в двух типах корпусов. Корпус стержня изготовлен из стекла, а корпус гранул – из керамики.
Выпрямительные диоды средней мощности с полосой пропускания от 300 мА до 10 А.
Выпрямительные диоды малой мощности с максимальной допустимой силой тока до 300 мА.

При выборе конкретного прибора важно учитывать вольтамперометрические характеристики обратного тока и максимального пикового тока, максимально допустимое прямое напряжение, средний выпрямленный ток, а также материал изделия и способ крепления. Все основные свойства выпрямительного диода и его параметры обозначены на корпусе в виде символа. Обозначение компонентов приведено в специальных справочниках и каталогах, что ускоряет и облегчает их выбор.

Схемы с использованием выпрямительных диодов отличаются количеством фаз:

Однофазные широко используются в бытовой технике, автомобилях и оборудовании для электродуговой сварки.
Многофазные используются в промышленном оборудовании, специальной технике и общественном транспорте.

В зависимости от используемого материала выпрямительные диоды и диодные схемы могут быть германиевыми или кремниевыми. Последний вариант наиболее часто используется из-за физических свойств кремния. Эти диоды имеют гораздо меньшие обратные токи при том же напряжении, поэтому допустимое обратное напряжение очень велико, порядка 1000-1500 В.

Для сравнения, для германиевых диодов это значение составляет 100-400 В. Кремниевые диоды работают в диапазоне температур от -60°C до +150°C, а германиевые – только в диапазоне температур от -60°C до + 850°C. При температуре выше этого значения электронно-дырочные пары образуются с высокой скоростью, что приводит к быстрому увеличению обратного тока и снижению эффективности выпрямителя.

Настройка колебательного контура на резонансную частоту может быть выполнена двумя способами. Во-первых, путем изменения частоты переменного входного напряжения Uin. Во-вторых, путем изменения собственной частоты Wo, которая обусловлена индуктивностью и емкостью колебательного контура. Изменяя обратное напряжение Uop, можно регулировать емкость варактора и, следовательно, изменять резонансную частоту схемы. Конденсатор Cp является сепаратором. Это необходимо для предотвращения шунтирования варактора индуктивностью.

Полупроводниковые приборы – Диод

Каждый технически подкованный человек должен быть знаком с электроникой. Подавляющее большинство современных электронных устройств изготовлено из полупроводниковых материалов. Поэтому в этой статье я хотел бы затронуть тему диодов. Конечно, без знания основных свойств полупроводников невозможно понять, как работает транзистор. Однако просто знать свойства полупроводников недостаточно. Это необходимо для понимания очень интересных и не всегда простых явлений.

Краткое руководство

Электродырочный переход (p-n-переход) – это переходный слой между двумя областями полупроводника с различной электропроводностью, в котором существует диффузионное электрическое поле.
Диоды – это полупроводниковые приборы на основе p-n-перехода. Полупроводниковые диоды основаны на ряде свойств, таких как асимметрия вольт-амперных характеристик, пробой электродного перехода, зависимость барьерной емкости от напряжения и др.

Выпрямитель – вольт-амперная асимметрия
Стабилитрон – неудача
Varicap – барьерная емкость
Импульс – переходный

Выпрямительные диоды

Выпрямительные диоды используются для преобразования сигналов переменного тока в постоянный.
Рассмотрим принцип работы полуволнового выпрямителя на основе полупроводниковых диодов.

Описание работы

Когда переменное напряжение подается от первичного источника, диод будет открыт на положительной полуволне и закрыт на отрицательной полуволне. В результате ток будет протекать через диод и резистор нагрузки на полуволне, а конденсатор будет заряжен почти до пикового значения. Когда напряжение во входной цепи падает, диод закрывается. Это приводит к тому, что сопротивление нагрузки разряжает конденсатор.
Недостатком этого решения является то, что напряжение выпрямителя сильно зависит от сопротивления нагрузки и имеет большую амплитуду пульсаций. Поэтому такие выпрямители используются только при больших нагрузках. Для генерации импульсов используются ограничители амплитуды, которые могут быть последовательными или параллельными. В последовательных диодных ограничителях диод подключается последовательно с сопротивлением нагрузки.

Варикапы

Варикап – это полупроводниковый диод, используемый в качестве электрически управляемого конденсатора.
Эти параметрические диоды работают в обратном направлении, от которого зависит барьерная емкость. Таким образом, варикапы – это конденсаторы с переменной емкостью, управляемые электрически, а не механически, путем изменения обратного напряжения.
Варикапы в основном используются для настройки колебательных контуров. Простейшая схема варикапа в колебательном контуре показана на рисунке.

Описание работы

Настройка колебательного контура на резонансную частоту может быть выполнена двумя способами. Во-первых, путем изменения частоты переменного входного напряжения Uin. Во-вторых, путем изменения собственной частоты Wo, которая обусловлена индуктивностью и емкостью колебательного контура. Изменяя величину обратного напряжения Uобр. можно регулировать емкость варактора и тем самым изменять резонансную частоту контура. Конденсатор Cp является сепаратором. Это необходимо для предотвращения шунтирования варактора индуктивностью.

Стабилитроны

Стабилитрон – это полупроводниковый диод, используемый для стабилизации напряжения.
Сечение, соответствующее электрическому пробою образца U. где напряжение лишь незначительно зависит от тока, является рабочим напряжением. При использовании регулятора постоянного напряжения он подключается параллельно нагрузке. Наиболее распространенный режим работы – когда напряжение источника нестабильно, а сопротивление нагрузки Rn постоянно. Для того чтобы установить и поддерживать правильный режим стабилизации в этом случае, сопротивление Rn должно иметь определенное значение. Для устранения температурного дрейфа используется последовательно соединенный диод. Такие диоды называются стабилитронами с температурной компенсацией.

Импульсные диоды

Импульсные диоды характеризуются коротким переходным периодом и предназначены для использования в качестве переключающих элементов. Существуют различные типы импульсных диодов: диоды из сплава, диоды с точечной мезой, диоды Шоттки.
Импульсные диоды широко используются в качестве переключающих элементов, т.е. устройств с двумя устойчивыми состояниями: “открыто”, когда сопротивление устройства низкое, и “закрыто”, когда оно высокое.
Когда диод используется в качестве переключателя, различные диодные и диодно-транзисторные схемы могут быть объединены для работы в цифровых устройствах.

Читайте далее: