Полупроводниковый диод

Определение

Полупроводниковый диод — это двухэлектродный электронный прибор, изготовленный на основе полупроводникового кристалла с одним p-n переходом, обладающий нелинейной вольт-амперной характеристикой и предназначенный для пропускания электрического тока в одном направлении и его блокирования в противоположном.

Как устроен p-n переход

Основу полупроводникового диода составляет p-n переход — граница между двумя областями полупроводникового материала с разным типом проводимости. В p-области преобладают «дырки» (недостаток электронов), которые являются положительными носителями заряда, а в n-области — свободные электроны, являющиеся отрицательными носителями. При соединении этих областей, электроны из n-области диффундируют в p-область, а дырки из p-области — в n-область. Это создает обеднённую носителями заряда область и электрическое поле, препятствующее дальнейшей диффузии, что и обеспечивает одностороннюю проводимость.

Принцип работы диода

Когда к диоду прикладывают напряжение в прямом направлении (плюс к p-области, минус к n-области), внешнее электрическое поле ослабляет внутреннее поле p-n перехода. Это позволяет основным носителям заряда (дыркам из p-области и электронам из n-области) преодолеть барьер и двигаться через переход, создавая электрический ток. Если же приложить напряжение в обратном направлении (минус к p-области, плюс к n-области), внешнее поле усиливает внутреннее поле перехода, расширяет обеднённую область и препятствует движению основных носителей, в результате чего ток практически не протекает. Лишь очень малый обратный ток утечки обусловлен неосновными носителями.

Вольт-амперная характеристика

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода наглядно показывает его нелинейность. В прямом направлении ток начинает значительно расти только после достижения определённого порогового напряжения (для кремниевых диодов это около 0.6-0.7 В, для германиевых — 0.2-0.3 В). До этого значения ток очень мал. В обратном направлении ток практически равен нулю, пока не будет достигнуто напряжение пробоя, при котором диод теряет свои запирающие свойства и ток резко возрастает, что часто приводит к выходу диода из строя.

Как найти и применять

1. Определи, какое напряжение (прямое или обратное) приложено к диоду.
2. Если напряжение прямое и превышает пороговое значение, считай диод проводником (с учётом падения напряжения на нём).
3. Если напряжение обратное или прямое, но ниже порогового, считай диод разомкнутой цепью (изолятором).
4. При расчётах в прямом направлении учитывай падение напряжения на диоде (обычно 0.7 В для кремниевых).

Разбор задач

Задача 1

В цепи постоянного тока последовательно соединены источник напряжения 5 В, резистор 100 Ом и кремниевый полупроводниковый диод. Определите ток в цепи, если диод включен в прямом направлении.

1. Поскольку диод кремниевый и включен в прямом направлении, считаем, что на нём падает напряжение U_диода = 0.7 В. 2. Напряжение, которое остаётся на резисторе, равно U_резистора = U_источника - U_диода = 5 В - 0.7 В = 4.3 В. 3. По закону Ома для участка цепи ток через резистор (и всю цепь) равен I = U_резистора / R = 4.3 В / 100 Ом = 0.043 А.

Ответ: Ток в цепи составляет 0.043 А (или 43 мА).

Задача 2

Что произойдёт, если тот же диод из предыдущей задачи включить в цепь в обратном направлении?

1. При включении диода в обратном направлении он практически не пропускает ток (за исключением очень малого тока утечки). 2. Считаем, что диод представляет собой очень высокое сопротивление или разомкнутую цепь. 3. Следовательно, ток в цепи будет практически равен нулю.

Ответ: Ток в цепи будет практически отсутствовать (очень малый ток утечки, которым обычно пренебрегают).

Где это встречается

• Зарядные устройства для телефонов и ноутбуков — Диоды используются в выпрямителях для преобразования переменного тока из розетки в постоянный ток, необходимый для зарядки аккумуляторов.
• Блоки питания компьютеров и бытовой техники — Выпрямительные мосты, состоящие из диодов, преобразуют переменное напряжение из сети в постоянное для питания внутренних компонентов устройств.
• Автомобильная электроника (генератор) — В генераторах переменного тока, установленных в автомобилях, диоды выпрямляют генерируемый переменный ток, чтобы заряжать аккумулятор и питать бортовые системы постоянным током.
• Светодиодные лампы и индикаторы — Светодиоды (LED – Light Emitting Diode) – это особый тип диодов, которые излучают свет при прохождении через них тока в прямом направлении. Они используются для освещения и индикации.
• Защита цепей от перенапряжения или неправильного подключения — Диоды могут использоваться для защиты чувствительных компонентов, не допуская прохождения тока в неправильном направлении или ограничивая напряжение на определённом уровне.

Типичные ошибки

Не путать

• Резистор — Резистор имеет постоянное сопротивление и пропускает ток в обоих направлениях согласно закону Ома. Диод пропускает ток преимущественно в одном направлении и имеет нелинейное сопротивление.
• Конденсатор — Конденсатор накапливает электрический заряд и блокирует постоянный ток, пропуская переменный. Диод проводит постоянный ток в одном направлении после порогового напряжения и используется для выпрямления, а не для накопления заряда.
• Транзистор — Транзистор — это полупроводниковый прибор, способный усиливать сигналы и переключать токи, управляемый малым током или напряжением на управляющем электроде. Диод — это более простой прибор, который лишь регулирует направление тока, не усиливая его и не имея управляющего электрода (кроме специализированных диодов).

Откуда взялось понятие

Полупроводниковый выпрямительный эффект был обнаружен Карлом Фердинандом Брауном в 1874 году. Практическое применение полупроводниковых диодов, основанных на германии и кремнии, стало возможным благодаря развитию полупроводниковой технологии в середине XX века.

Как запомнить

Диод — это как односторонняя улица для электрического тока: пускает только в одном направлении.