Андрей Смирнов
Время чтения: ~15 мин.
Просмотров: 0

Светодиод: устройство, принцип работы, преимущества

Уравнение Шокли для диода

Уравнение Шокли для идеального диода (названо в честь изобретателя транзистора Уильяма Шокли) характеризует диод, обладающий идеальной вольт-амперной характеристикой для прямого и обратного тока.
Уравнение Шокли для идеального диода:

I=IS(eVD(nVT)−1),{\displaystyle I=I_{\mathrm {S} }\left(e^{V_{\mathrm {D} }/(nV_{\mathrm {T} })}-1\right),}

где

I — ток, проходящий через диод;
IS — ток насыщения диода;
VD — напряжение на диоде;
VT — термическое напряжение диода;
n — коэффициент неидеальности, известный также как коэффициент эмиссии.

Коэффициент неидеальности n обычно лежит в пределах от 1 до 2 (хотя в некоторых случаях может быть выше) в зависимости от процесса изготовления и полупроводникового материала. Во многих случаях предполагается, что n примерно равно 1 (таким образом, коэффициент n в формуле опускается). Коэффициент неидеальности не является частью уравнения диода Шокли и был добавлен для учёта несовершенства реальных переходов. Поэтому в предположении n = 1 уравнение сводится к уравнению Шокли для идеального диода.

Термическое напряжение VT приблизительно составляет 25,85 мВ при 300 K (температура, близкая к «комнатной температуре», обычно используемой в программах моделирования). Для конкретной температуры его можно найти по формуле:

VT=kTq,{\displaystyle V_{\mathrm {T} }={\frac {kT}{q}}\,,}

где

  • k — постоянная Больцмана;
  • T — абсолютная температура p-n-перехода;
  • q — элементарный заряд электрона.

Ток насыщения IS не является постоянным для каждого диода, зависит от температуры значительно больше напряжения VT. Напряжение VD обычно уменьшается при увеличении T.

Уравнение Шокли для идеального диода( или закон диода) получено с допущением, что единственными процессами, вызывающими ток в диоде, является дрейф (под действием электрического тока), диффузия и термическая рекомбинация. Также полагалось, что ток в p-n-области, вызванный термической рекомбинацией, незначителен.

Применение в электронике

Такие свойства, как быстродействие и малое падение напряжения позволяет использовать диоды Шоттки в высокочастотных схемах. Например, в силовых высокочастотных выпрямителях (до сотен килогерц), где они работают как высокочастотные выпрямители. Применяют их и в усилителях звука, так как по сравнению с обычными диодами они дают меньший уровень помех.

Если вы посмотрите на плату источника питания, точно увидите диод Шоттки

Ещё одна область применения — составная часть более сложных полупроводниковых приборов. Например, МОП — транзисторы, диодные сборки и силовые диоды со встроенным диодом Шоттки имеют лучшие характеристики.

Сфера применения изделий велика, но наиболее часто их применяют в блоках питания компьютеров. А также в схемах для модуляции света в приёмниках излучения, солнечных батареях.

Типы диодов

Диоды бывают электровакуумными (кенотроны), газонаполненными (газотроны, игнитроны, стабилитроны коронного и тлеющего разряда), полупроводниковыми и др. В настоящее время в подавляющем большинстве случаев применяются полупроводниковые диоды.

Диоды
ПолупроводниковыеНе полупроводниковые
ГазозаполненныеВакуумные

Ламповые диоды

Основная статья: Электровакуумный диод

Ламповые диоды представляют собой радиолампу с двумя рабочими электродами, один из которых подогревается проходящим через него током из специальной цепи накала или отдельной нитью накала. Благодаря этому часть электронов покидает поверхность разогретого электрода (катода) и под действием электрического поля движется к другому электроду — аноду. Если электрическое поле направлено в противоположную сторону, поле препятствует движению электронов, и тока (практически) нет.

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод в стеклянном корпусе. На фотографии виден полупроводник с подходящими к нему контактами

Основная статья: Полупроводниковый диод

Полупроводниковый диод состоит либо из полупроводников p-типа и n-типа (полупроводников с разным типом примесной проводимости), либо из полупроводника и металла (диод Шоттки). Контакт между полупроводниками называется p-n переходом и проводит ток в одном направлении (обладает односторонней проводимостью).

Специальные типы диодов

Цветные светодиоды

Светодиод ультрафиолетового спектра излучения (увеличен)

  • Стабилитрон (диод Зенера) — диод, работающий в режиме (обратимого) пробоя p-n-перехода (см. обратную ветвь вольт-амперной характеристики). Используются для стабилизации напряжения.
  • Туннельный диод (диод Лео Эсаки) — диод, в котором используются квантовомеханические эффекты. На вольт-амперной характеристике имеет область так называемого «отрицательного сопротивления». Применяются как усилители, генераторы и пр.
  • Обращённый диод — диод, имеющий гораздо более низкое падение напряжения в открытом состоянии, чем обычный диод. Принцип работы такого диода основан на туннельном эффекте.
  • Точечный диод — диод, отличающийся низкой ёмкостью p-n-перехода и наличием на обратной ветви вольт-амперной характеристики участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Ранее использовались в СВЧ-технике (благодаря низкой ёмкости p-n-перехода) и применялись в генераторах и усилителях (благодаря наличию на обратной ветви вольт-амперной характеристики участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением).
  • Варикап (диоды Джона Джеумма) — диод, обладающий большой ёмкостью при запертом p-n-переходе, зависимой от приложенного обратного напряжения. Применяются в качестве конденсаторов переменной ёмкости (управляемых напряжением).
  • Светодиод (диоды Генри Раунда) — диод, отличающийся от обычного диода тем, что излучает фотоны при рекомбинации электронов и дырок в p-n-переходе. Выпускаются светодиоды с излучением в инфракрасном, видимом, а с недавних пор — и в ультрафиолетовом диапазоне.
  • Полупроводниковый лазер — диод, близкий по устройству к светодиоду, но имеющий оптический резонатор. Излучает когерентный свет.
  • Фотодиод — диод, управляемый светом.
  • Солнечный элемент — диод, похожий на фотодиод, но работающий без смещения. Падающий на p-n-переход свет вызывает движение электронов и генерацию тока.
  • Диод Ганна — диод, используемый для генерации и преобразования частоты в СВЧ-диапазоне.
  • Диод Шоттки — диод с малым падением напряжения при прямом включении.
  • Лавинный диод — диод, принцип работы которого основан на лавинном пробое (см. обратный участок вольт-амперной характеристики). Применяется для защиты цепей от перенапряжений.
  • Лавинно-пролётный диод — диод, принцип работы которого основан на лавинном умножении носителей заряда. Применяется для генерации колебаний в СВЧ-технике.
  • Магнитодиод — диод, вольт-амперная характеристика которого существенно зависит от значения индукции магнитного поля и расположения его вектора относительно плоскости p-n-перехода.
  • Стабистор — диод, при работе которых используется участок ветви вольт-амперной характеристики, соответствующий «прямому напряжению» на диоде.
  • Смесительный диод — диод, предназначенный для перемножения двух высокочастотных сигналов.
  • pin-диод — диод, обладающий меньшей ёмкостью за счёт наличия между сильнолегированными полупроводниками p- и n-типов материала, характеризующегося собственной проводимостью. Используется в СВЧ-технике, силовой электронике, как фотодетектор.

Классификация и система обозначений

Классификация диодов по их назначению, физическим свойствам, основным электрическим параметрам, конструктивно-технологическим признакам, роду исходного материала (полупроводника) отображается системой условных обозначений их типов. Система условных обозначений постоянно совершенствуется в соответствии с возникновением новых классификационных групп и типов диодов. Обычно системы обозначений представлены буквенно-цифровым кодом.

СССР

На территории СССР система условных обозначений неоднократно претерпевала изменения и до настоящего времени на радиорынках можно встретить полупроводниковые диоды, выпущенные на заводах СССР и с системой обозначений согласно отраслевого стандарта ГОСТ 11 336.919-81, базирующегося на ряде классификационных признаков изделий. Итак,

  1. первый элемент буквенно-цифрового кода обозначает исходный материал (полупроводник), на основе которого изготовлен диод, например:
    • Г или 1 — германий или его соединения;
    • К или 2 — кремний или его соединения;
    • А или 3 — соединения галлия (например, арсенид галлия);
    • И или 4 — соединения индия (например, фосфид индия);
  2. второй элемент — буквенный индекс, определяющий подкласс приборов;
    • Д — для обозначения выпрямительных, импульсных, магнито- и термодиодов;
    • Ц — выпрямительных столбов и блоков;
    • В — варикапов;
    • И — туннельных диодов;
    • А — сверхвысокочастотных диодов;
    • С — стабилитронов, в том числе стабисторов и ограничителей;
    • Л — излучающие оптоэлектронные приборы;
    • О — оптопары;
    • Н — диодные тиристоры;
  3. третий элемент — цифра (или в случае оптопар — буква), определяющая один из основных признаков прибора (параметр, назначение или принцип действия);
  4. четвёртый элемент — число, обозначающее порядковый номер разработки технологического типа изделия;
  5. пятый элемент — буквенный индекс, условно определяющий классификацию по параметрам диодов, изготовленных по единой технологии.

Например: КД212Б, ГД508А, КЦ405Ж.

Кроме того, система обозначений предусматривает (в случае необходимости) введение в обозначение дополнительных знаков для выделения отдельных существенных конструктивно-технологических особенностей изделий.

Импортные радиодетали

Существует ряд общих принципов стандартизации системы кодирования для диодов за рубежом. Наиболее распространены стандарты EIA/JEDEC и европейский «Pro Electron».

EIA/JEDEC

Дополнительные сведения: Electronic Industries Alliance и Joint Electron Devices Engineering Council

Стандартизированная система EIA370 нумерации 1N-серии была введена в США EIA/JEDEC (Объединенный инженерный консилиум по электронным устройствам) приблизительно в 1960 году. Среди самого популярного в этой серии были: 1N34A/1N270 (германиевый), 1N914/1N4148
(кремниевый), 1N4001—1N4007 (кремниевый выпрямитель 1A) и 1N54xx (мощный кремниевый выпрямитель 3A).

Pro Electron

Дополнительные сведения: Pro Electron

Согласно европейской системе обозначений активных компонентов Pro Electron, введенной в 1966 году и состоящей из двух букв и числового кода:

  1. первая буква обозначает материал полупроводника:
    • A — Germanium (германий) или его соединения;
    • B — Silicium (кремний) или его соединения;
  2. вторая буква обозначает подкласс приборов:
    • A — сверхвысокочастотные диоды;
    • B — варикапы;
    • X — умножители напряжения;
    • Y — выпрямительные диоды;
    • Z — стабилитроны, например:
  • AA-серия — германиевые сверхвысокочастотные диоды (например, AA119);
  • BA-серия — кремниевые сверхвысокочастотные диоды (например: BAT18 — диодный переключатель)
  • BY-серия — кремниевые выпрямительные диоды (например: BY127 — выпрямительный диод 1250V, 1А);
  • BZ-серия — кремниевые стабилитроны (например, BZY88C4V7 — стабилитрон 4,7V).

Другие

Другие распространённые системы нумерации/кодирования (обычно производителем) включают:

  • GD-серия германиевых диодов (например, GD9) — это очень старая система кодирования;
  • OA-серия германиевых диодов (например, OA47) — кодирующие последовательности разработаны британской компанией Mullard.

Система JIS маркирует полупроводниковые диоды, начиная с «1S».

Кроме того, многие производители или организации имеют свои собственные системы общей кодировки, например:

  • HP диод 1901-0044 = JEDEC 1N4148
  • Военный диод CV448 (Великобритания) = Mullard типа OA81 = GEC типа GEX23

Вольтамперные характеристики (идеальная и реальная)

ВА характеристика приводится в виде взаимосвязи тока внешней цепи p-n перехода прибора и полярности напряжения на его электродах. Это соотношение можно получить экспериментально или рассчитать на основании уравнения вольтамперной характеристики.

Идеальная характеристика

Основной задачей выпрямительного диода является проведение электрического тока в одном направлении и непропускание его в обратном. Поэтому при прямой подаче напряжения (плюс подаётся на анод, а минус – на катод) идеальный прибор должен быть отличным проводником, с сопротивлением, равным нулю. При противоположном подключении, наоборот, должен иметь огромное сопротивление, став полным изолятором.

ВАХ идеального прибора

Дополнительная информация. На практике идеальная модель применяется в цифровой электронике, потому что в этой сфере имеет значение только логическая функция устройства.

Реальная ВАХ

Реальный диод, благодаря структуре полупроводника, имеет множество минусов, в сравнении с идеальным двухполюсником.

ВАХ реального прибора

Параметры промышленных п/п элементов значительно разнятся с теми, которые для удобства принимаются за идеальные. В реальности, нелинейная ВАХ показывает большие отклонения и по значениям тока, и по крутизне преобразования. Поэтому прибор может выдержать лишь нагрузки, представленные этими предельными показателями:

  • Максимальным прямым выпрямленным током;
  • Током обратной утечки;
  • Максимальным прямым и обратным напряжением;
  • Падением потенциала на p-n переходе;
  • Предельной рабочей частотой обрабатываемого сигнала.

Вольтамперная характеристика для диодных элементов – важный параметр, по которому можно определить, как будет работать прибор в электрической схеме.

Обратный ток утечки

Но раз уж диоды Шоттки такие крутые, то почему бы их не использовать везде? Почему мы до сих пор используем простые диоды?

Если мы подключим диод в обратном направлении, то он будет блокировать прохождение электрического тока. Это верно, но не совсем. Очень маленький ток все равно будет проходить через диод

В некоторых случаях это не принимают во внимание. Этот маленький ток называется обратным током утечки

На английский манер это звучит как reverse leakage current.

Он очень мал, но имеет место быть.

Проведем простой опыт. Возьмем лабораторный блок питания, выставим на нем 19 В и подадим это напряжение на диод в обратном направлении

Замеряем ток утечки

обратный ток утечки диода

Как вы видите, его значение составляет 0,1 мкА.

Давайте теперь повторим этот же самый опыт с диодом Шоттки

обратный ток утечки диода Шоттки

Ого, уже почти 20 мкА! Ну да, в некоторых случаях это сущие копейки и ими можно пренебречь. Но есть схемы, где все-таки недопустим такой незначительный ток. Например, в схемах пикового детектора

схема пик детектора

В этом случае эти 20 мкА будут весьма значительны.

Но есть также еще один камень преткновения. С увеличением температуры обратный ток утечки возрастает в разы!

зависимость обратного тока утечки от температуры корпуса диода Шоттки

Поэтому, вы не можете использовать Шоттки везде в схемах.

Но и это еще не все. Обратное напряжение для диодов Шоттки в разы меньше, чем для простых выпрямительных диодов. Это можно также увидеть из даташита. Если для диода 1N4007 обратное напряжение составляет 1000 В

То для диода Шоттки 1N5817 это обратное напряжение уже будет составлять всего-то 20 В

Поэтому, если это напряжение превысит значение, которое описано в даташите, мы в итоге получим:

Маркировка диодов

Система обозначений полупроводниковых диодов включает в себя код, состоящий из букв и цифр.

Маркировка приборов

Первая составляющая маркировки может быть представлена в виде цифры для приборов специального назначения или в виде буквы для приборов широкого применения.

Если в обозначении материала используется:

  • Г или 1, то это германий и соединения германия;
  • К или 2, это кремний и соединения кремния;
  • А или 3 – арсенид галлия;
  • И или 4 – фосфид индия.

Для обозначения второй цифры в маркировке используют:

  • Д – в выпрямительных, импульсных;
  • Ц – в выпрямительных столбах и мостах;
  • В – в обозначениях варикапов;
  • И – в туннельных;
  • А – в СВЧ;
  • С – в стабилитронах и стабисторах;
  • Г– в генераторах шума;
  • Л – в излучающих светодиодах.

Третий элемент характеризует основные признаки устройства, зависит от его подкласса. Например, 2Д204В – это диод кремниевый выпрямительный с постоянной и средней токовой величиной 0,3-10 А, номером разработки 04, группой В.

История создания и развития диодов

Схематическое изображение вакуумного диода:в стеклянной колбе (1). В центре разогреваемый катод (3), его окружает цилиндрический анод (2). Справа — обозначение электровакуумного диода с косвенным подогревом катода на электрических принципиальных схемах.

Сверху — обозначение по ГОСТ 2.730-73выпрямительного полупроводникового диода на схемах.Ниже — внешний вид типичных представителей полупроводниковых диодов. На корпусе прибора катод обычно обозначается кольцом или точкой.

Развитие диодов началось в третьей четверти XIX века сразу по двум направлениям: в 1873 году британский учёный Ф. Гутри обнаружил, что отрицательно заряженный шар электроскопа при его сильном накаливании теряет заряд, но если его зарядить положительно, то заряд не теряется. Объяснить это явления в то время не могли. Это явление вызвано термоэлектронной эмиссией и затем использовалось в электровакуумных диодах с накаливаемым катодом. Термоэлектронная эмиссия были заново открыта 13 февраля 1880 года Томасом Эдисоном в его опытах по продлению срока службы накаливаемой нити в лампах накаливания, и затем, в 1883 году, запатентовано им (патент США № 307031). Однако Эдисон в дальнейшем его не изучал.

Впервые диод с термоэлектронной эмиссией был запатентован в Британии Джоном Амброзом Флемингом (научным советником компании Маркони и бывшим сотрудником Эдисона) 16 ноября 1904 года (патент США № 803684 от ноября 1905 года).

В 1874 году немецкий учёный Карл Фердинанд Браун открыл выпрямляющие свойства кристаллических диодов, а в 1899 году Браун запатентовал кристаллический выпрямитель. Джэдиш Чандра Боус развил далее открытие Брауна в устройство, применимое для приёма радиоволн. Около 1900 года Гринлиф Пикард создал первый радиоприёмник на кристаллическом диоде. 20 ноября 1906 года Пикард запатентовал кремниевый кристаллический детектор (патент США № 836531).

В конце XIX века устройства подобного рода назывались выпрямителями, и лишь в 1919 году Вильям Генри Иклс ввёл в обиход термин «диод».

Ключевую роль[источник не указан 279 дней] в разработке первых советских полупроводниковых диодов в 1930-х годах сыграл физик Б. М. Вул.

Принцип работы диодного моста

Диод в цепи переменного напряжения

Итак, в статье про диод мы рассматривал, что будет на выходе диода, если подать на него переменный ток. Для этого мы даже собирали вот такую схему, где G – это синусоидальный генератор. С клемм X1 и X2 уже снимали сигнал.

Мы на диод подавали переменное напряжение.

А на выходе после диода получали уже вот такой сигнал.

То есть у нас получилось вот так.

Да, мы получили постоянный ток из переменного, но стоило ли это того? В этом случае у нас получился постоянный пульсирующий ток, где половина мощности сигнала была вообще вырезана.

Как работает диодный мост в теории

Как вы знаете, переменный ток меняет свое направление несколько раз в секунду. Поэтому, его можно разбить на положительные полуволны и отрицательные полуволны. Положительные полуволны я пометил красным, а отрицательные – синим.

Для того, чтобы диодный мост работал, ему нужна какая-либо нагрузка. Пусть это будет резистор. Следовательно, когда на диодный мост приходит положительная полуволна, протекание тока через него будет выглядеть вот так.

Как вы видите, при положительной полуволне не задействованы диоды, которые я показал штриховой линией.

После положительной полуволны приходит отрицательная полуволна, и в этом случае протекание тока в диодном мосте выглядит так.

В этом случае, диоды, которые работали при положительной полуволне, при отрицательной полуволне они отдыхают). Эстафету принимает на себя другая пара диодов. Можно даже сказать, что в диодном мосте они работают попарно. Одна пара диодов работает на положительную полуволну, а другая пара – на отрицательную.

Обратите внимание на нагрузку. На нее всегда приходит одна и та же полярность тока при любом стечении обстоятельств

Работа диодного моста на практике

Давайте и мы посмотрим, что получается на выходе диодного моста, если подать на него переменное напряжение. Для этого возьмем 4 простых кремниевых диода и соединим их в диодный мост

Важно, чтобы диоды были одной марки

На вход диодного моста будем подавать переменное напряжение, и посмотрим, что у нас получается на выходе.

Итак, на вход я подаю вот такой сигнал.

На выходе получаю постоянное пульсирующее напряжение.

Здесь мы видим, что отрицательная полуволна в диодном мосте не срезается, а превращается в положительную. Мощность сигнала при этом не теряется, так как отрицательная полуволна просто инвертируется в положительную полуволну. Ну разве не чудо?

Наблюдательный читатель также может заметить, что амплитуда сигнала чуть-чуть просела. Если мы на вход подавали синусоидальный сигнал с амплитудой в 6 Вольт, то на выходе диодного моста имеем чуть меньше 6 Вольт, а точнее где-то 4,8 Вольта. Почему так произошло? Дело все в том, что на кремниевом диоде падает напряжение 0,6-0,7 Вольт. Так как переменное напряжение проходит через 2 диода при каждой полуволне, то на каждом диоде падает по 0,6 Вольт. 2×0,6=1,2 Вольта. 6-1,2=4,8 Вольта.

Теперь можно с гордостью нарисовать рисунок.

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».

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Максим Иванов
Наш эксперт
Написано статей
129
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации