2) Полупроводниковый диод, его устройство, принцип действия и применение. Понятие о пробое диода. Максимальное обратное напряжение и допустимый ток

Полупроводниковый электрический диод или диодный вентиль – это устройство, которое выполнено из полупроводниковых материалов (как правило, из кремния) и работает только с односторонним потоком заряженных частиц. Основным компонентом является кристаллическая часть, с p-n переходом, которая подключена к двум электрическими контактами. Трубки вакуумного диода имеют два электрода: пластину (анод) и нагретый катод.

Д ля создания полупроводниковых диодов используются германий и селен. Их структура позволяет использовать детали для улучшения электронных схем, преобразования переменного и постоянного тока в однонаправленный пульсирующий и для совершенствования разных устройств. На схеме он выглядит так:

Существуют разные виды полупроводниковых диодов, их классификация зависит от материала, принципа работы и области использования: стабилитроны, импульсные, сплавные, точечные, варикапы, лазер и прочие типы. Довольно часто используются аналоги мостов – это плоскостной и поликристаллический выпрямители. Их сообщение также производится при помощи двух контактов.

Основные преимущества полупроводникового диода: полная взаимозаменяемость; отличные пропускные параметры; доступность.

Полупроводниковые или выпрямительные диоды изготовлены из кремния таким образом, что один его конец p-типа, а другой конец типа n. Это означает, что оба контакта имеют различные характеристики. На одном наблюдается избыток электронов, в то время как другой имеет избыток отверстий. Когда p-тип и n-тип полупроводники соединены, происходит образование p-n перехода. При этом свободные электроны из n-типа диффундируют в p-тип, а дырки из p-типа диффундируют в n-тип. Это создает область, называемую "исключительной зоной", где нет свободных электронов или дырок. В этой зоне происходит основной диодный эффект.

Несмотря на то, что объединяющий участок очень мал, ток не может протекать в нем в обычном режиме. Если напряжение подается так, что площадь типа p становится положительной, а тип n, соответственно, отрицательной, отверстия переходят к отрицательному полюсу и помогают электронам перейти через объединяющий участок. Точно так же электроны движутся к положительному контакту и как бы обходят объединительный. Несмотря на то, что все частицы движутся с разным зарядом в разном направлении, в итоге они образуют однонаправленный ток, что помогает выпрямить сигнал и предупредить скачки напряжения на контактах диода.

Когда на полупроводниковый диод подается напряжение в прямом направлении (положительный полюс к p-типу и отрицательный полюс к n-типу), свободные электроны из n-типа и дырки из p-типа перемещаются к переходу и рекомбинируют друг с другом. Это создает электрический ток, который может проходить через диод.

Е сли напряжение прикладывается к полупроводниковому диоду в противоположном направлении, ток не будет проходить по нему. Однако, когда на полупроводниковый диод подается напряжение в обратном направлении (положительный полюс к n-типу и отрицательный полюс к p-типу), электроны из p-типа и дырки из n-типа отталкиваются друг от друга и не могут перемещаться через переход. Отверстия привлекаются отрицательным потенциалом, который находится в области р-типа. Аналогично электроны притягиваются к положительному потенциалу, который применяется к области n-типа. Это заставляет объединяющий участок увеличиваться в размере, из-за чего поток направленных частиц становится невозможным. Это создает высокое сопротивление и практически отсутствие электрического тока.

Данная ВАХ полупроводникового диода говорит о том, что во время прямого включения, контакты должны достигнуть максимального напряжения. Тогда полупроводник откроется для пропуска электронных заряженных частиц. Эти свойства также демонстрируют, что ток будет протекать нормально и без перебоев. Но до момента достижения соответствия всех параметров, диод не проводит ток. При этом у кремниевого выпрямителя вольтаж варьируется в пределах 0,7, а у германиевого – 0,3 Вольт.

Работа прибора очень зависит от уровня максимального прямого тока, который может пройти через диод. На схеме он определяется ID_MAX. Прибора так устроен, что во время включения прямым путем, он может выдержать только электрический ток ограниченной силы. В противном случае, выпрямитель перегреется и перегорит.

Еще одним недостатком является то, что при пропуске переменного тока, диод не является идеальным изолирующим устройством. Он работает только в одном направлении, но всегда нужно учитывать ток утечки.

Пробой диода:

• Лавинный пробой: При превышении максимально допустимого обратного напряжения (UОБР) происходит резкий рост тока через диод, что может привести к его разрушению.

• Тепловой пробой: При длительном протекании допустимого обратного тока (IОБР) происходит перегрев диода, что также может привести к его разрушению.

Максимальный прямой ток - максимальный ток, который диод может проводить без перегрева или повреждения. Прямые токи могут варьироваться от миллиампер до десятков ампер в зависимости от размера и конструкции диода.

Максимальное обратное напряжение - максимальное напряжение, которое можно приложить к диоду, не вызывая его пробоя или повреждения. Обратное напряжение обычно составляет от нескольких десятков до сотен вольт для обычных кремниевых выпрямительных диодов.

Напряжение стабилизации - это напряжение на выводах диода, при котором его сопротивление начинает изменяться.

Напряжение пробоя - это напряжение, при котором происходит пробой диода, то есть его сопротивление резко падает до нуля.

Мощность - это количество энергии, которую диод способен рассеивать без перегрева и повреждения.

Время восстановления - время, необходимое для диода, чтобы вернуться в состояние низкой проводимости после снятия обратного напряжения. Время восстановления может варьироваться от сотен наносекунд до нескольких микросекунд в зависимости от типа диода.

Емкость диода - ёмкость между анодом и катодом диода, которая может варьироваться от единиц до тысяч пикофарад в зависимости от конструкции диода и его рабочей частоты.

Тепловое сопротивление - параметр, характеризующий способность диода рассеивать тепло.

Применение:

• Выпрямление переменного тока: Преобразование переменного тока в пульсирующий постоянный ток.

• Ограничение тока: Защита цепей от перегрузок по току.

• Стабилизация напряжения: Поддержание постоянного напряжения на нагрузке.

• Детектирование сигналов: Извлечение информации из модулированного сигнала.

• Индикация: Светодиоды используются в качестве индикаторов и элементов подсветки.

• Переключение: Диоды используются в качестве электронных ключей для управления другими элементами схемы.