Интернет журныл о промышленности в Украине

Реферат: Випрямні діоди

зміст

Вступ................................................. .................................................. ................... 3

§1. Випрямні діоди ................................................ ....................................... 4

§2. Стабілітрони ................................................. .................................................. .... 9

§3. Варикапи ................................................. .................................................. ......... 12

§4. Світлодіоди ................................................. .................................................. ...... 15

§5. Фотодіоди ................................................. .................................................. ....... 18

Список літератури................................................ .................................................. 22

Вступ

Діод (від грец. Δι - два і -од з слова електрод) - двухелектродний електронний прилад, володіє різною провідністю залежно від напряму електричного струму. Електрод діода, підключений до позитивного полюса джерела струму, коли діод відкритий (тобто має маленький опір), називають анодом, підключений до негативного полюса - катодом.

Розвиток діодів почалося в третій чверті XIX століття відразу за двома напрямками: в 1873 році британський учений Фредерік Гутрі відкрив принцип дії Терміон (вакуумних лампових з прямим напруженням) діодів, в 1874 році німецький вчений Карл Фердинанд Браун відкрив принцип дії кристалічних (твердотільних) діодів.

Принципи роботи Терміон діода були заново відкриті тринадцятого лютого 1880 року Томасом Едісоном, і потім, в 1883 році, запатентовані (патент США № 307031). Однак подальшого розвитку в роботах Едісона ідея не отримала. У 1899 році німецький вчений Карл Фердинанд Браун запатентував випрямляч на кристалі. Джедіш Чандра Боус розвинув далі відкриття Брауна в пристрій застосовне для детектування радіо. Десь у 1900 році Грінліф Пікард створив перший радіоприймач на кристалічному діоді. Перший Терміон діод був запатентований в Британії Джон Амброз Флемінг (науковим радником компанії Марконі і колишнім співробітником Едісона в 1904 році в листопаді шістнадцятого (патент США № 803684 від листопада 1905 року). У 1906 році в листопаді двадцятого Пікард запатентував кремнієвий кристалічний детектор (патент США № 836531).

В кінці XIX століття пристрої подібного роду були відомі під ім'ям випрямлячів, і лише в 1919 році Вільям Генрі Іклс ввів в обіг слово «діод», утворене від грецьких коренів «di» - два, і «odos» - шлях.

§1. випрямні діоди

Випрямляч електричного струму - механічне, електровакуумне, напівпровідниковий або інший пристрій, призначений для перетворення змінного вхідного електричного струму в постійний вихідний електричний струм.

Доданий випрямляч або діодний міст (тобто 4 діода для однофазної схеми (6 для трифазної полумостовой схеми або 12 для трифазної полномостовой схеми), з'єднаних між собою за схемою) - основний компонент блоків живлення практично всіх електронних пристроїв.

Діодний міст - електронна схема, призначена для перетворення ( "випрямлення") змінного струму в пульсуючий постійний. Таке випрямлення називається двухполуперіодним.

Виділимо два варіанти включення мостових схем однофазную і трифазну.

Однофазна мостова схема:

На вхід схеми подається змінна напруга (для простоти будемо розглядати синусоидальное), в кожен з напівперіодів струм проходить через два діода, два інших діода закриті (рис.1 а, б).

Малюнок 1 а) Випрямлення позитивної напівхвилі б) Випрямлення негативної напівхвилі

В результаті такого перетворення на виході мостової схеми виходить пульсуюча напруга вдвічі більше частоти напруги на вході (рис.2 а, б, с)

Малюнок 2 Малюнок 2. а) вихідна напруга (напруга на вході), б) однонапівперіодне випрямлення, с) двохнапівперіодне випрямлення

Трифазна мостова схема:

У схемі трифазного випрямного моста в результаті виходить напруга на виході з меншими пульсаціями, ніж в однофазному випрямлячі (рис.3).

Малюнок 3 Малюнок 3. Напруга на виході трифазного випрямляча

Для випрямлення трифазних напруг так само широко використовуються діодні випрямлячі. Дуже поширені схеми випрямлячів на полумостового діодних випрямлячах рис. 4.

Малюнок 4 Малюнок 4. Трифазна схема випрямляча на півмилі

Як правило, для згладжування пульсуючого напруги на виході випрямляча застосовується фільтр у вигляді конденсатора або дроселя, до того ж для стабілізації вихідної напруги встановлюється стабілітрон рис. 5.

Малюнок 5 Малюнок 5. Схема діодного випрямляча з фільтром

Конструкція, переваги

Малюнок 6 Малюнок 6. Діодний міст на дискретних елементах

Конструкція діодних мостів може бути виконана з окремих діодів, або у вигляді монолітної конструкції (діодним збирання). Монолітна конструкція, як правило, краще - вона дешевша і менше за обсягом. Діоди в ній підібрані на заводі виробнику і параметри максимально аналогічні один одному, на відміну від окремих діодів, де параметри можуть відрізнятися один від одного, до того ж в робочому стані діоди в діодним збірці працюють в однаковому тепловому режимі, що зменшує ймовірність виходу з ладу елемента. Ще однією перевагою діодним збирання є її простота монтування на платі. Основним недоліком монолітної конструкції є не можливість заміни одного діода, що вийшов з ладу іншим, в цьому випадку необхідно міняти всю збірку, але відбувається це вкрай рідко, якщо робочі режими діодного моста підібрані правильно.

Малюнок 7 Малюнок 7. Диодная збірка

Область застосування випрямних мостів обширна, наприклад:

- прилади освітлення (люмінесцентні лампи, ЕПРА, модулі сонячних батарей);

- лічильники електроенергії;

- блоки живлення і управління побутової техніки (телевізорів, міксерів, пральних машин, пилососів, set-top-box, комп'ютерів, холодильників, електроінструменту і ін.), Зарядні пристрої для мобільних телефонів і ноутбуків, AC / DC-DC / DC перетворювачі;

- промислове (блоки живлення, зарядні пристрої, блоки управління електродвигунами, регулятори потужності та ін.), Автомобільні випрямлячі.

§2. стабілітрони

Стабілітрон (діод Зенера) - напівпровідниковий діод, призначений для стабілізації напруги в джерелах живлення. У порівнянні зі звичайними діодами має досить низьке регламентоване напруга пробою (при зворотному включенні) і може підтримувати цю напругу на постійному рівні при значній зміні сили зворотного струму. Матеріали, використовувані для створення pn переходу стабілітронів, мають високу концентрацію домішок. Тому, при відносно невеликих зворотних напругах в переході виникає сильне електричне поле, що викликає його електричний пробій, в даному випадку є оборотним (якщо не настає тепловий пробій внаслідок занадто великої сили струму).

Тому, при відносно невеликих зворотних напругах в переході виникає сильне електричне поле, що викликає його електричний пробій, в даному випадку є оборотним (якщо не настає тепловий пробій внаслідок занадто великої сили струму)

Малюнок 8. Позначення стабилитрона на принципових схемах

Позначення стабилитрона на принципових схемах

Малюнок 9. Позначення двоханодного стабилитрона на принципових схемах

В основі роботи стабілітрона лежать два механізми:

· Лавинний пробою pn переходу

· Тунельний пробій pn переходу (Ефект Зенера в англомовній літературі)

Незважаючи на схожі результати дії, ці механізми різні, хоча і присутні в будь-якому стабілітроні спільно, але переважає лише один з них. У стабілітронів до напруги 5,6 вольт переважає тунельний пробій з негативним температурним коефіцієнтом, вище 5,6 вольт домінуючим стає лавинний пробій з позитивним температурним коефіцієнтом. При напрузі, що дорівнює 5,6 вольт, обидва ефекту врівноважуються, тому вибір такої напруги є оптимальним рішенням для пристроїв з широким температурним діапазоном застосування.

Пробійні режим не пов'язаний з інжекцією неосновних носіїв заряду. Тому в стабілітроні інжекційні явища, пов'язані з накопиченням і розсмоктуванням носіїв заряду при переході з області пробою в область замикання і назад, практично відсутні. Це дозволяє використовувати їх в імпульсних схемах в якості фіксаторів рівнів і обмежувачів.

Види стабілітронів:

- прецизійні - володіють підвищеною стабільністю напруги стабілізації, для них вводяться додаткові норми на тимчасову нестабільність напруги і температурний коефіцієнт напруги (наприклад: 2С191, КС211, КС520);

- двуханодний - забезпечують стабілізацію та обмеження двополярної напруги, для них додатково нормується абсолютне значення несиметричності напруги стабілізації (наприклад: 2С170А, 2С182А);

- швидкодіючі - мають знижене значення бар'єрної ємності (десятки пФ) і малу тривалість перехідного процесу (одиниці нс), що дозволяє стабілізувати і обмежувати короткочасні імпульси напруги (наприклад: 2С175Е, КС182Е, 2С211Е).

Існують мікросхеми лінійних регуляторів напруги з двома висновками, які мають таку ж схему включення, що і стабілітрон, і найчастіше, таке ж позначення на електричних принципових схемах.

Основним параметром стабилитронов є напруга стабілізації - значення напруги на стабілітроні при проходженні заданого струму стабілізації. Пробивна напруга діода, а значить, напруга стабілізації стабілітрона залежить від товщини pn-переходу або від питомої опору бази діода. Тому різні стабілітрони мають різні напруги стабілізації (від 3 до 400 В).

Важливим параметром стабилитрона є температурний коефіцієнт напруги стабілізації - величина, що визначається відношенням відносної зміни температури навколишнього середовища при постійному струмі стабілізації. Значення цього параметра у різних стабилитронов різні. Коефіцієнт може мати як позитивні так і негативні значення для високовольтних і низьковольтних стабілітронів відповідно. Зміна знака відповідає напрузі стабілізації порядку 6В.

§3. варикапи

Варикап (англ. Vari (able) - змінний і cap (acity) - ємність) - напівпровідниковий діод, робота якого заснована на залежності бар'єрної ємності pn переходу від зворотної напруги. Варикапи застосовуються в якості елементів з електрично керованою ємністю в схемах перебудови частоти коливального контуру, ділення і множення частоти, частотної модуляції, керованих фазовращателей і ін.

При відсутності зовнішнього напруги в pn-переході існують потенційний бар'єр і внутрішнє електричне поле. Якщо до діода прикласти зворотну напругу, то висота цього потенційного бар'єру збільшиться. Зовнішнє зворотна напруга відштовхує електрони в глиб n-області, в результаті чого відбувається розширення збідненої області pn переходу, яку можна уявити як найпростіший плоский конденсатор, в якому обкладинками служать кордону області. У такому випадку, відповідно до формули для ємності плоского конденсатора, з ростом відстані між обкладинками (викликаної зростанням значення зворотної напруги) ємність pn-переходу буде зменшуватися. Це зменшення обмежена лише товщиною бази, далі якої перехід розширюватися не може. Після досягнення цього мінімуму з ростом зворотної напруги ємність не змінюється.

По суті, варікап - це обратносмещенного напівпровідниковий діод. Пряма гілка його вольт-амперної характеристики, принципова для основного призначення діода (випрямлення, детектування), для варикапа несуттєва. У загальному випадку в якості варикапа можна використовувати (і на практиці це нерідко реалізують) діод і навіть колекторний або емітерний перехід біполярного транзистора.

На відміну від напівпровідникових діодів, у варикапов нормують (і, зрозуміло, забезпечують при виробництві) ємність р-n переходу при певній напрузі зміщення на ньому і добротність. Зауважимо, що домогтися добротності варикапа, помітно перевищує добротність контурної котушки, непросто. Це пояснюється тим, що в варикапа, як і в будь-якому діод, послідовно з р-n переходом завжди включений опір базової області напівпровідника, а паралельно - еквівалентний опір, обумовлене зворотним струмом через перехід. Відносно низька добротність варикапа на увазі, зокрема, необхідність враховувати її при розрахунку добротності коливального контуру.

Залежність ємності р-n переходу від прикладеної до нього зворотної напруги має статечної характер виду С = Un, де значення параметра n може знаходитися в межах від 0,33 до 0,5 (визначається технологією виготовлення переходу). На рис. 10 показана типова вольт-фарадні характеристика варикапа Д902, побудована в лінійних координатах. Подібні характеристики можна знайти в довідковій літературі. Вони дозволяють визначити ємність варикапа при різних значеннях напруги зміщення.

Вони дозволяють визначити ємність варикапа при різних значеннях напруги зміщення

Малюнок 10. Типова вольт-фарадні характеристика варикапа Д902

Однак краще мати справу з вольт-фарадні характеристикою варикапа, побудованої в "подвійному" (т. Е. По обох осях) логарифмічному масштабі. Відомо, що статечна функція виглядає в такому масштабі як пряма лінія, причому тангенс кута її нахилу до осі ординат чисельно дорівнює показнику степеня функції. На рис. 11 показаний цей графік для варикапа Д902. Вимірявши звичайною лінійкою боку прямокутного трикутника ABC, отримуємо для модуля показника ступеня значення 0,5 (АВ / ВС). Падаючий характер характеристики говорить про те, що цей показник має мінусовій знак. Таким чином, залежність ємності варикапа Д902 від прикладеної напруги має вигляд С = U-0,5.

Малюнок 11. Вольт-фарадні характеристика варикапа, побудованої в «подвійному» логарифмічному масштабі

Сказане вище стосується «класичним» варикапах. Для збільшення ефективності управління сучасними варикапами при їх виготовленні беруть спеціальні технологічні заходи, тому і вольт-фарадні характеристики можуть мати вже не настільки простий вигляд.

Оскільки вольт-фарадні характеристика варикапа нелінійна, його використання в апаратурі неминуче призводить до появи спотворень. Німецький радіоаматор Ульріх Граф провів вимірювання інтермодуляционних спотворень другого і третього порядків в різних смугових фільтрах, що містять напівпровідникові діоди. Він подавав на вхід фільтра (вхідний опір 50 Ом) два сигналу з рівнем +3 дБ (10 мВ на опорі 50 Ом) і аналізував спектр вихідного сигналу. Значення частоти вхідних сигналів Граф вибирав так, щоб продукти інтермодуляції потрапляли в смугу пропускання фільтра.

В одному з експериментів в двоконтурний вхідному смуговому фільтрі постійні конденсатори, що входять в коливальні контури, були замінені варикапами. Інтермодуляційне складові другого порядку на виході фільтра при цьому зросли за рівнем на 10 дБ, а третього - майже на 50 дБ!

Іншими словами, варикапи у вхідних ланцюгах приймачів здатні погіршити їх реальну вибірковість, хоча, швидше за все, вони так "спрацюють" лише в апаратурі щодо високого класу (зв'язкова техніка). Втім, і в приймачі середнього класу інтермодуляція на вхідному варикапа може стати істотною, якщо приймач експлуатують поблизу передавальних пристроїв.

§4. світлодіоди

Світлодіод або світловипромінювальних діод (СД, LED англ. Light - emitting diode) - напівпровідниковий прилад, що випромінює некогерентне світло при пропущенні через нього електричного струму. Випромінюється світло лежить у вузькому діапазоні спектра, його колірні характеристики залежать від хімічного складу використаного в ньому напівпровідника. Вважається, що перший світлодіод, що випромінює світло у видимому діапазоні спектра, був виготовлений в 1962 році в Університеті Іллінойсу групою, якою керував Нік Холоньяк.

Малюнок 12. Позначення світлодіода в електричних схемах

Як і в будь-якому напівпровідниковому діоді, в світлодіоді є pn перехід. При пропущенні електричного струму в прямому напрямку, носії заряду - електрони і дірки - рекомбинируют з випромінюванням фотонів (через перехід електронів з одного енергетичного рівня на інший).

Чи не всякі напівпровідникові матеріали ефективно випускають світло при рекомбінації. Кращі випромінювачі ставляться до прямозонних напівпровідників (т. Е. Таким, в яких дозволені прямі оптичні переходи зона-зона), типу AIII BV (наприклад, GaAs або InP) і AII BVI (наприклад, ZnSe або CdTe). Варіюючи склад напівпровідників, можна створювати світлодіоди для всіляких довжин хвиль від ультрафіолету (GaN) до середнього інфрачервоного діапазону (PbS).

Діоди, зроблені з непрямозонних напівпровідників (наприклад, кремнію, германію або карбіду кремнію), світло практично не випромінюють. Втім, у зв'язку з розвитком кремнієвої технології, активно ведуться роботи зі створення світлодіодів на основі кремнію. Останнім часом великі надії зв'язуються з технологією квантових точок і фотонних кристалів.

У порівнянні з іншими електричними джерелами світла (перетворювачами електроенергії в електромагнітне випромінювання видимого діапазону), світлодіоди мають наступні відмінності:

· Високий ККД. Сучасні світлодіоди поступаються за цим параметром тільки люмінесцентної лампи з холодним катодом (CCFL).

· Висока механічна міцність, вібростійкість (відсутність спіралі та інших чутливих складових).

Тривалий термін служби. Але і він не нескінченний - при тривалій роботі і / або поганому охолодженні відбувається "отруєння" кристала і поступове падіння яскравості.

· Специфічний спектральний склад випромінювання. Спектр досить вузький. Для потреб індикації і передачі даних це - гідність, але для освітлення це недолік. Більш вузький спектр має тільки лазер.

Мала інерційність.

· Малий кут випромінювання - також може бути як гідністю, так і недоліком.

· Низька вартість.

· Безпека - не потрібні високі напруги.

· Нечутливість до низьких і дуже низьких температур. Однак, високі температури протипоказані світлодіоду, як і будь-яким напівпровідників.

· Відсутність отруйних складових (ртуть і ін.) І, отже, легкість утилізації.

! застосування

1. У вуличному, промисловому, побутовому освітленні.

2. В якості індикаторів, у вигляді одиночних світлодіодів (наприклад індикатор включення на панелі приладу) так і у вигляді цифрового або буквено-цифрового табло (наприклад цифри на годиннику)

3. Масив світлодіодів використовується в великих вуличних екранах, в біжать рядках. Такі масиви часто називають кластери світлодіодів, світлодіодні кластери, або просто кластери.

4. У оптопарах

5. Потужні світлодіоди використовуються як джерело світла в ліхтарях і світлофорах

6. Світлодіоди використовуються в якості джерел модульованого оптичного випромінювання (передача сигналу по оптоволокну, пульти дистанційного керування, светотелефона)

7. У підсвічуванні ЖК екранів (мобільні телефони, монітори, телевізори і т. Д.)

8. У іграх, іграшках, значках, USB-пристроях, і інших гаджетах.

9. У світлодіодних дорожніх знаках

§5. фотодіоди

Фотодіод - приймач оптичного випромінювання, який перетворює потрапив на його фоточувствительную область світло в електричний заряд за рахунок процесів в pn-переході.

Малюнок 13. Позначення на схемах

Малюнок 14. Структурна схема фотодіода. 1 - кристал напівпровідника; 2 - контакти; 3 - висновки; Ф - потік електромагнітного випромінювання; Е - джерело постійного струму; RH - навантаження.

Фотодіод, робота якого заснована на фотовольтаїчному ефекті (поділ електронів і дірок в p- і n- області, за рахунок чого утворюється заряд (ЕРС)) називається сонячним елементом. Крім pn фотодіодів існують і pin фотодіоди, в яких між шарами p- і n- знаходиться шар ізолятора i. pn і pin фотодіоди тільки перетворять світло в електричний струм, але не підсилюють його, на відміну від лавинних фотодіодів і фототранзисторів.

принцип роботи

Малюнок 15. Структурна схема фотодіода. 1 - кристал напівпровідника; 2 - контакти; 3 - висновки; Ф - потік електромагнітного випромінювання; Е - джерело постійного струму; RH - навантаження.

При впливі квантів випромінювання в базі відбувається генерація вільних носіїв, які спрямовуються до кордону pn-переходу. Ширина бази (n-область) робиться такий, щоб дірки не встигали рекомбинировать до переходу в p-область. Струм фотодіода визначається струмом неосновних носіїв - дрейфовим струмом. Швидкодія фотодіода визначається швидкістю поділу носіїв полем pn-переходу і ємністю pn-переходу Cp-n

Фотодіод може працювати в двох режимах:

· Фотогальванічний - без зовнішньої напруги

· Фотодіодний - із зовнішнім зворотним напругою

Особливості:

· Простота технології виготовлення і структур

· Поєднання високої фоточутливості і швидкодії

· Мале опір бази

· Мала інерційність

Параметри:

· Чутливість. Відображає зміну електричного стану на виході фотодіода при подачі на вхід одиничного оптичного сигналу. Кількісно чутливість вимірюється ставленням зміни електричної характеристики, що знімається на виході фотоприймача, до світлового потоку або потоку випромінювання, його викликав.

;   - струмовий чутливість по світловому потоку ; - струмовий чутливість по світловому потоку

;   - вольтаіческая чутливість з енергетичного потоку ; - вольтаіческая чутливість з енергетичного потоку

· Шуми. Крім корисного сигналу на виході фотодіода з'являється хаотичний сигнал з випадковою амплітудою і спектром - шум фотодіода. Він не дозволяє реєструвати як завгодно малі корисні сигнали. Шум фотодіода складається з шумів напівпровідникового матеріалу і фотонного шуму.

Характеристики:

· Вольт-амперна характеристика (ВАХ) залежність вихідної напруги від вхідного струму. U Φ = f (I Φ)

· Спектральні характеристики: залежність фотоструму від довжини хвилі падаючого світла на фотодіод. Вона визначається з боку великих довжин хвиль шириною забороненої зони, при малих довжинах хвиль великим показником поглинання і збільшення впливу поверхневої рекомбінації носіїв заряду із зменшенням довжини хвилі квантів світла. Тобто короткохвильова межа чутливості залежить від товщини бази і від швидкості поверхневої рекомбінації. Положення максимуму в спектральній характеристиці фотодіода сильно залежить від ступеня зростання коефіцієнта поглинання.

· Світлові характеристики

· Залежність фотоструму від освітленості, відповідає прямій пропорційності фотоструму від освітленості. Це обумовлено тим, що товщина бази фотодіода значно менше дифузійної довжини неосновних носіїв заряду. Тобто практично всі неосновні носії заряду, що виникли в базі, беруть участь в утворенні фотоструму.

· Постійна часу цей час, протягом якого фотострум фотодіода змінюється після освітлення або після затемнення фотодіода в е раз (63%) по відношенню до сталого значення.

· Темнової опір опір фотодіода під час відсутності освітлення.

· інерційність

Класифікація

1. pin фотодіод. У pin структурі середня i-область укладена між двома областями протилежної провідності. При досить великій напрузі воно пронизує i-область, і вільні носії, що з'явилося за рахунок фотонів при опроміненні, прискорюються електричним полем pn переходів. Це дає виграш у швидкодії і чутливості. Підвищення швидкодії в pin ​​фотодіоді обумовлено тим, що процес дифузії замінюється дрейфом електричних зарядів в сильному електричному полі. Уже при Uобр ≈0.1В pin фотодіод має перевагу в швидкодії.

Преимущества:

1) є можливість забезпечення чутливості в довгохвильовій частині спектра за рахунок зміни ширини i-області.

2) висока чутливість і швидкодія

3) мале робоча напруга Uраб

Недоліки: складність отримання високої чистоти i-області

2. Фотодиод Шотткі (фотодіод з бар'єром Шотткі). Структура метал-напівпровідник. При утворенні структури частина електронів перейде з металу в напівпровідник p-типу.

3. Лавинний фотодіод. У структурі використовується лавинний пробій. Він виникає тоді, коли енергія фотоносіїв перевищує енергію освіти електронно-доручених пар. Дуже чутливі. Для оцінки існує коефіцієнт лавинного множення:

Для оцінки існує коефіцієнт лавинного множення:

Для реалізації лавинного множення необхідно виконати дві умови:

1) Електричне поле області просторового заряду повинно бути достатньо великим, щоб на довжині вільного пробігу електрон набрав енергію, більшу, ніж ширина забороненої зони:

2) Ширина області просторового заряду повинна бути істотно більше, ніж довжина вільного пробігу:

W>> λ

Значення коефіцієнтів внутрішнього посилення становить M = 10-100 залежно від типу фотодіодів.

4. Фотодиод з гетероструктур. Гетеропереходів називають шар, що виникає на межі двох напівпровідників з різною шириною забороненої зони. Один шар р + грає роль «приймального вікна». Заряди генеруються в центральній області. За рахунок підбору напівпровідників з різною шириною забороненої зони можна перекрити весь діапазон довжин хвиль. Недолік - складність виготовлення.

Список літератури

Берман Л. С. Введення в фізику варикапов, Л., 1968.

Берман Л. С. Нелінійна напівпровідникова ємність. - М., 1963.

Випрямні діоди, діодні мости і області їх застосування // http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/publ/igbt/diodes.htm

Напівпровідникові прилади. Діоди випрямляючі, стабілітрони, тиристори: Довідник / За ред. А.В. Голомедова. - М .: Радио и связь, 1988.