Принцип работы диода и транзистора

Диод является одной из разновидностей приборов, сконструированных на полупроводниковой основе. Обладает одним p-n переходом, а также анодным и катодным выводом. В большинстве случаев он предназначен для модуляции, выпрямления, преобразования и иных действий с поступающими электрическими сигналами.

Принцип работы:

1. Электрический ток воздействует на катод, подогреватель начинает накаливаться, а электрод испускать электроны.
2. Между двумя электродами происходит образование электрического поля.
3. Если анод обладает положительным потенциалом, то он начинает притягивать электроны к себе, а возникшее поле является катализатором данного процесса. При этом, происходит образование эмиссионного тока.
4. Между электродами происходит образование пространственного отрицательного заряда, способного помешать движению электронов. Это происходит, если потенциал анода оказывается слишком слабым. В таком случае, частям электронов не удается преодолеть воздействие отрицательного заряда, и они начинают двигаться в обратном направлении, снова возвращаясь к катоду.
5. Все электроны, которые достигли анода и не вернулись к катоду, определяют параметры катодного тока. Поэтому данный показатель напрямую зависит от положительного анодного потенциала.
6. Поток всех электронов, которые смогли попасть на анод, имеет название анодный ток, показатели которого в диоде всегда соответствуют параметрам катодного тока. Иногда оба показателя могут быть нулевыми, это происходит в ситуациях, когда анод обладает отрицательным зарядом. В таком случае, возникшее между электродами поле не ускоряет частицы, а, наоборот, тормозит их и возвращает на катод. Диод в таком случае остается в запертом состоянии, что приводит к размыканию цепи.

Устройство

Ниже приводится подробное описание устройства диода, изучение этих сведений необходимо для дальнейшего понимания принципов действия этих элементов:

1. Корпус представляет собой вакуумный баллон, который может быть изготовлен из стекла, металла или прочных керамических разновидностей материала.
2. Внутри баллона имеется 2 электрода. Первый является накаленным катодом, который предназначен для обеспечения процесса эмиссии электронов. Самый простейший по конструкции катод представляет собой нить с небольшим диаметром, которая накаливается в процессе функционирования, но на сегодняшний день более распространены электроды косвенного накала. Они представляют собой цилиндры, изготовленные из металла, и обладающие особым активным слоем, способным испускать электроны.
3. Внутри катодакосвенного накала имеется специфический элемент – проволока, которая накаливается под воздействием электрического тока, она называется подогреватель.
4. Второй электрод является анодом, он необходим для приема электронов, которые были выпущены катодом. Для этого он должен обладать положительным относительно второго электрода потенциалом. В большинстве случаев анод также имеет цилиндрическую форму.
5. Оба электрода вакуумных приборов полностью идентичны эмиттеру и базе полупроводниковой разновидности элементов.
6. Для изготовления диодного кристалла чаще всего используется кремний или германий. Одна из его частей является электропроводимой по p-типу и имеет недостаток электронов, который образован искусственным методом. Противоположная сторона кристалла также имеет проводимость, но n-типа и обладает избытком электронов. Между двумя областями имеется граница, которая и называется p-n переходом.

Такие особенности внутреннего устройства наделяют диоды их главным свойством – возможностью проведения электрического тока только в одном направлении.

Назначение

Ниже приводятся основные области применения диодов, на примере которых становится понятно их основное назначение:

1. Диодные мосты представляют собой 4, 6 или 12 диодов, соединенных между собой, их количество зависит от типа схемы, которая может быть однофазной, трехфазной полумостовой или трехфазной полномостовой. Они выполняют функции выпрямителей, такой вариант чаще всего используется в автомобильных генераторах, поскольку внедрение подобных мостов, а также использование вместе с ними щеточно-коллекторных узлов, позволило в значительной степени сократить размеры данного устройства и увеличить степень его надежности. Если соединение выполнено последовательно и в одну сторону, то это повышает минимальные показатели напряжения, которое потребуется для отпирания всего диодного моста.
2. Диодные детекторы получаются при комбинированном использовании данных приборов с конденсаторами. Это необходимо для того, чтобы было можно выделить модуляцию с низкими частотами из различных модулированных сигналов, в том числе амплитудно-модулированной разновидности радиосигнала. Такие детекторы являются частью конструкции многих бытовых потребителей, например, телевизоров или радиоприемников.
3. Обеспечение защиты потребителей от неверной полярности при включении схемных входов от возникающих перегрузок или ключей от пробоя электродвижущей силой, возникающей при самоиндукции, которая происходит при отключении индуктивной нагрузки. Для обеспечения безопасности схем от возникающих перегрузок, применяется цепочка, состоящая из нескольких диодов, имеющих подключение к питающим шинам в обратном направлении. При этом, вход, которому обеспечивается защита, должен подключаться к середине этой цепочки. Во время обычного функционирования схемы, все диоды находятся в закрытом состоянии, но если ими было зафиксировано, что потенциал входа ушел за допустимые пределы напряжения, происходит активация одного из защитных элементов. Благодаря этому, данный допустимый потенциал получает ограничение в рамках допустимого питающего напряжения в сумме с прямым падением показателей напряжение на защитном приборе.
4. Переключатели, созданные на основе диодов, используются для осуществления коммутации сигналов с высокими частотами. Управление такой системой осуществляется при помощи постоянного электрического тока, разделения высоких частот и подачи управляющего сигнала, которое происходит благодаря индуктивности и конденсаторам.
5. Создание диодной искрозащиты. Используются шунт-диодные барьеры, которые обеспечивают безопасность путем ограничения напряжения в соответствующей электрической цепи. В совокупности с ними применяются токоограничительные резисторы, которые необходимы для ограничения показателей электрического тока, проходящего через сеть, и увеличения степени защиты.

Прямое включение диода

На p-n-переход диода может оказывать воздействие напряжение, подаваемое с внешних источников. Такие показатели, как величина и полярность, будут сказываться на его поведении и проводимом через него электрическом токе.

Ниже подробно рассмотрен вариант, при котором происходит подключение плюса к области p-типа, а отрицательного полюса к области n-типа. В этом случае произойдет прямое включение:

1. Под воздействием напряжения от внешнего источника, в p-n-переходе сформируется электрическое поле, при этом его направление будет противоположным относительно внутреннего диффузионного поля.
2. Напряжение поля значительно снизится, что вызовет резкое сужение запирающего слоя.
3. Под воздействием этих процессов значительное количество электронов обретет возможность свободно переходить из p-области в n-область, а также в обратном направлении.
4. Показатели тока дрейфа во время этого процесса остаются прежними, поскольку они напрямую зависят только от числа неосновных заряженных носителей, находящихся в области p-n-перехода.
5. Электроны обладают повышенным уровнем диффузии, что приводит к инжекции неосновных носителей. Иными словами, в n-области произойдет повышение количества дырок, а в p-области будет зафиксирована повышенная концентрация электронов.
6. Отсутствие равновесия и повышенное число неосновных носителей заставляет их уходить вглубь полупроводника и смешиваться с его структурой, что в итоге приводит к разрушению его свойств электронейтральности.
7. Полупроводник при этом способен восстановить свое нейтральное состояние, это происходит благодаря получению зарядов от подключенного внешнего источника, что способствует появлению прямого тока во внешней электрической цепи.

Обратное включение диода

Теперь будет рассмотрен другой способ включения, во время которого изменяется полярность внешнего источника, от которого происходит передача напряжения:

1. Главное отличие от прямого включения заключается в том, что создаваемое электрическое поле будет обладать направлением, полностью совпадающим с направлением внутреннего диффузионного поля. Соответственно, запирающий слой будет уже не сужаться, а, наоборот, расширяться.
2. Поле, находящееся в p-n-переходе, будет оказывать ускоряющий эффект на целый ряд неосновных носителей заряда, по этой причине, показатели дрейфового тока останутся без изменений. Он будет определять параметры результирующего тока, который проходит через p-n-переход.
3. По мере ростаобратного напряжения, электрический ток, протекающий через переход, будет стремиться достичь максимальных показателей. Он имеет специальное название – ток насыщения.
4. В соответствии с экспоненциальным законом, с постепенным увеличением температуры будут увеличиваться и показатели тока насыщения.

Прямое и обратное напряжение

Напряжение, которое оказывает воздействие на диод, разделяют по двум критериям:

1. Прямое напряжение – это то, при котором происходит открытие диода и начинается прохождение через него прямого тока, при этом показатели сопротивления прибора являются крайне низкими.
2. Обратное напряжение – это то, которое обладает обратной полярностью и обеспечивает закрытие диода с прохождением через него обратного тока. Показатели сопротивления прибора при этом начинают резко и значительно расти.

Это приводит к росту параметров прямого тока, проходящего через диод. Когда данный прибор закрыт, то на него воздействует фактически все напряжение, по этой причине показатели проходящего через диод обратного тока являются незначительными, а сопротивление перехода при этом достигает пиковых параметров.

Работа диода и его вольт-амперная характеристика

Под вольт-амперной характеристикой данных приборов понимается кривая линия, которая показывает то, в какой зависимости находится электрический ток, протекающий через p-n-переход, от объемов и полярности напряжения, воздействующего на него.

Подобный график можно описать следующим образом:

1. Ось, расположенная по вертикали: верхняя область соответствует значениям прямого тока, нижняя область параметрам обратного тока.
2. Ось, расположенная по горизонтали: область, находящаяся справа, предназначена для значений прямого напряжения; область слева для параметров обратного напряжения.
3. Прямая ветвь вольт-амперной характеристики отражает пропускной электрический ток через диод. Она направлена вверх и проходит в непосредственной близости от вертикальной оси, поскольку отображает увеличение прямого электрического тока, которое происходит при увеличении соответствующего напряжения.
4. Вторая (обратная) ветвь соответствует и отображает состояние закрытого электрического тока, который также проходит через прибор. Положение у нее такое, что она проходит фактически параллельно относительно горизонтальной оси. Чем круче эта ветвь подходит к вертикали, тем выше выпрямительные возможности конкретного диода.
5. По графику можно наблюдать, что после роста прямого напряжения, протекающего через p-n-переход, происходит медленное увеличение показателей электрического тока. Однако постепенно, кривая достигает области, в которой заметен скачок, после которого происходит ускоренное нарастание его показателей. Это объясняется открытием диода и проведением тока при прямом напряжении. Для приборов, изготовленных из германия, это происходит при напряжении равном от 0,1В до 0,2В (максимальное значение 1В), а для кремниевых элементов требуется более высокий показатель от 0,5В до 0,6В (максимальное значение 1,5В).
6. Показанное увеличение показателей тока может привести к перегреву полупроводниковых молекул. Если отведение тепла, происходящее благодаря естественным процессам и работе радиаторов, будет меньше уровня его выделения, то структура молекул может быть разрушена, и этот процесс будет иметь уже необратимый характер. По этой причине, необходимо ограничивать параметры прямого тока, чтобы не допустить перегрева полупроводникового материала. Для этого, в схему добавляются специальные резисторы, имеющие последовательное подключение с диодами.
7. Исследуя обратную ветвь можно заметить, что если начинает увеличиваться обратное напряжение, которое приложено к p-n-переходу, то фактически незаметен рост параметров тока. Однако в случаях, когда напряжение достигает параметров, превосходящих допустимые нормы, может произойти внезапный скачок показателей обратного тока, что перегреет полупроводник и будет способствовать последующему пробою p-n-перехода.

Основные неисправности диодов

Иногда приборы подобного типа выходят из строя, это может происходить из-за естественной амортизации и старения данных элементов или по иным причинам.

Всего выделяют 3 основных типа распространенных неисправностей:

1. Пробой перехода приводит к тому, что диод вместо полупроводникового прибора становится по своей сути самым обычным проводником. В таком состоянии он лишается своих основных свойств и начинает пропускать электрический ток в абсолютно любом направлении. Подобная поломка легко выявляется при помощи стандартного мультиметра, который начинает подавать звуковой сигнал и показывать низкий уровень сопротивления в диоде.
2. При обрыве происходит обратный процесс – прибор вообще перестает пропускать электрический ток в каком-либо направлении, то есть он становится по своей сути изолятором. Для точности определения обрыва, необходимо использовать тестеры с качественными и исправными щупами, в противном случае, они могут иногда ложно диагностировать данную неисправность. У сплавных полупроводниковых разновидностей такая поломка встречается крайне редко.
3. Утечка, во время которой нарушается герметичность корпуса прибора, вследствие чего он не может исправно функционировать.

Пробой p-n-перехода

Подобные пробои происходят в ситуациях, когда показатели обратного электрического тока начинают внезапно и резко расти, происходит это из-за того, что напряжение соответствующего типа достигает недопустимых высоких значений.

Обычно различается несколько видов:

1. Тепловые пробои, которые вызваны резким повышением температуры и последующим перегревом.
2. Электрические пробои, возникающие под воздействием тока на переход.

График вольт-амперной характеристики позволяет наглядно изучать эти процессы и разницу между ними.

Электрический пробой

Последствия, вызываемые электрическими пробоями, не носят необратимого характера, поскольку при них не происходит разрушение самого кристалла. Поэтому при постепенном понижении напряжения можно восстановить всей свойства и рабочие параметры диода.

При этом, пробои такого типа делятся на две разновидности:

1. Туннельные пробои происходят при прохождении высокого напряжения через узкие переходы, что дает возможность отдельно взятым электронам проскочить через него. Обычно они возникают, если в полупроводниковых молекулах имеется большое количество разных примесей. Во время такого пробоя, обратный ток начинает резко и стремительно расти, а соответствующее напряжение находится на низком уровне.
2. Лавинные разновидности пробоев возможны благодаря воздействию сильных полей, способных разогнать носителей заряда до предельного уровня из-за чего они вышибают из атомов ряд валентных электронов, которые после этого вылетают в проводимую область. Это явление носит лавинообразный характер, благодаря чему данный вид пробоев и получил такое название.

Тепловой пробой

Возникновение такого пробоя может произойти по двум основным причинам: недостаточный теплоотвод и перегрев p-n-перехода, который происходит из-за протекания через него электрического тока со слишком высокими показателями.

Повышение температурного режима в переходе и соседних областях вызывает следующие последствия:

1. Рост колебания атомов, входящих в состав кристалла.
2. Попадание электронов в проводимую зону.
3. Резкое повышение температуры.
4. Разрушение и деформация структуры кристалла.
5. Полный выход из строя и поломка всего радиокомпонента.

Полупроводниковый диод. Если соединить два электрически нейтральных полупроводника п- и р-типа, то получится полупроводниковый диод. Электроны вблизи контакта из «-области, где их концентрация выше, будут диффундировать в /7-область. Диффузия дырок происходит в обратном направлении. На границе полупроводниковых областей образуется р-п- переход — слой с пониженной электропроводностью: вблизи контакта в «-области накапливается положительный заряд, а в /7-области — отрицательный. Поле Е_к запирающего равновесного контактного слоя будет препятствовать дальнейшей диффузии электронов и дырок, обусловливая диффузионную разность потенциалов.

Если диод подключить положительным полюсом батареи к области р-типа, а отрицательным — к области «-типа (рис. 30.12, а), то направление внешнего поля Е будет противоположно полю контактного слоя Е_к. В результате через диод с прямым смещением течет ток (так называемый прямой ток), обусловленный движением основных носителей каждой области. Перемещение электронов и дырок приводит к сужению контактного слоя, потенциальный барьер в переходе понижается с ростом напряжения, приложенного в прямом направлении (U >0). Сопротивление контактного слоя в результате уменьшится.

В диоде с обратным смещением дырки в /7-области притягиваются отрицательным полюсом батареи, а электроны в «-области — положительным

Рис. 30.12. Схема п—/7-перехода, в котором п- и /7-области монокристалла отличаются только типом примеси (гомопереход): а, б — соответственно диод с прямым и обратным смещением полюсом батареи (рис. 30.12, б). Электрический ток через п—/7-переход, называемый обратным, будет обусловлен движением неосновных носителей каждой области. Контактный слой расширится, его сопротивление возрастет. Потенциальный барьер в переходе увеличивается с ростом обратного напряжения (U Транзисторы. Рассмотрим приборы, предназначенные для усиления электрических сигналов, называемые транзисторами (рис. 30.13). Транзисторы были изобретены в 1948 г. американскими физиками Дж. Барди- ном, У. Браттейном и У. Шокли (Нобелевская премия, 1956).

Рис. 30.13. Условные обозначения транзисторов: а — п-р—п-транзистор; б — р—п—р-транзистор

Биполярный транзистор (триод) — это трехслойная полупроводниковая структура с чередующимися слоями р- и я-типа проводимости (рис. 30.13, а, б). База (средняя часть транзистора), эмиттер и коллектор (прилегающие к базе с обеих сторон области с иным типом проводимости) включаются в схему с помощью металлических проводников. При типичных условиях ширина базы не превышает 0,1—0,2 мкм. Крайние области транзистора, хотя и обладают одинаковым типом проводимости, отличаются концентрацией примесных атомов. Коллектор обычно содержит большую концентрацию примесных атомов в сравнении с эмиттером. Эмиттер всегда обозначается стрелкой. Направление стрелки совпадает с направлением тока, условно принимаемым за положительное в нормальном режиме работы транзистора.

Для примера рассмотрим триод типа р—п—р (рис. 30.14).

Рис. 30.14. Схема р—п-/7-транзистора, используемого в качестве усилителя

Пусть к эмиттерному переходу приложено прямое постоянное напряжение («+» на /7-эмиттере), а к коллекторному — обратное напряжение («—» на /ькол- лекторе). Переменный сигнал подается на входное сопротивление R_BX. С сопротивления /?_ВЬ1Х в выходной цепи снимается усиленный сигнал. В нормальном режиме напряжение и на коллекторе, и на базе отрицательно.

Высота потенциального барьера в р—п-переходе в случае прямого напряжения снижается. Дырки, продиффундировавшие из эмиттера в базу, становятся там неосновными носителями. При тонкой базе большинство дырок достигает коллектора: дырки вблизи п—р-перехода, отделяющего базу от коллектора, захватываются полем, существующим внутри перехода. Проходя через коллекторную цепь, они создают напряжение на сопротивлении /?_вых.

Коэффициент усиления по току составляет несколько десятков, в некоторых случаях — несколько сотен. При использовании гетероструктур, когда р- и д-области принадлежат разным полупроводникам, коэффициент усиления достигает несколько тысяч. Обычно R_Bblx » R_BX, поэтому t/_BX «U_Bblx. Источником мощности, выделяющейся на выходном сопротивлении, является батарея Б_к. Мощность выходного сигнала возрастает в Кых/К раз.

Аналогичным образом работает и п—/?—/7-транзистор, где вместо дырок происходит перемещение электронов. Если напряжение, приложенное к базе, положительно, то электроны эмиттера притягиваются к базе, а затем проходят на коллектор, находящийся под положительным напряжением.

Создание полупроводниковых гетероструктур, используемых в высокочастотной электронике и оптоэлектронике, заложило основы современных информационных технологий. За фундаментальные работы в этой области в 2000 г. были награждены Нобелевской премией по физике россиянин Ж.И. Алферов и американец Г. Кремер.

Это такая хитрая фиговина, пропускающая ток только в одну сторону. Его можно сравнить с ниппелем. Применяется, например, в выпрямителях, когда из переменного тока делают постоянный. Или когда надо отделить обратное напряжение от прямого.

Выводы диода называют анодом и катодом. Ток течет от анода к катоду. Запомнить где какой вывод очень просто: на условном обозначнеии стрелочка и палочка со стороны катода как бы рисуют букву К вот, смотри —К|—. К= Катод! А на детали катод обозначается полоской или точкой.

Есть еще один интересный тип диода – стабилитрон. Особенностью его является то, что в прямом направлении он работает как обычный диод, а вот в обратном его срывает на каком либо напряжении, например на 3.3 вольта. Подобно ограничительному клапану парового котла, открывающемуся при превышении давления и стравливающему излишки пара.

Стабилитроны используют когда хотят получить напряжение заданной величины, вне зависимости от входных напряжений. Это может быть, например, опорная величина, относительно которой происходит сравнение входного сигнала. Им можно обрезать входящий сигнал до нужной величины или используют его как защиту. Также есть такой зверь как супрессор. Тот же стабилитрон, только куда более мощный и часто двунаправленный. Используется для защиты по питанию.

Так работает диод.

Жуткая вещь, в детстве все не мог понять как он работает, а оказалось все просто.

В общем, транзистор можно сравнить с управляемым вентилем, где крохотным усилием мы управляем мощнейшим потоком. Чуть повернул рукоятку и тонны дерьма умчались по трубам, открыл посильней и вот уже все вокруг захлебнулось в нечистотах. Т.е. выход пропорционален входу умноженному на какую то величину. Этой величиной является коэффициент усиления.

Делятся эти девайсы на полевые и биполярные.

В биполярном транзисторе есть эмиттер, коллектор и база (смотри рисунок условного обозначения). Эмиттер он со стрелочкой, база обозначается как прямая площадка между эмиттером и коллектором. Между эмиттером и коллектором идет большой ток полезной нагрузки, направление тока определяется стрелочкой на эмиттере. А вот между базой и эмиттером идет маленький управляющий ток. Грубо говоря, величина управляющего тока влияет на сопротивление между коллектором и эмиттером. Биполярные транзисторы бывают двух типов: p-n-p и n-p-n принципиальная разница только лишь в направлении тока через них.

Полевой транзистор отличается от биполярного тем, что в нем сопротивление канала между истоком и стоком определяется уже не током, а напряжением на затворе. Последнее время полевые транзисторы получили громадную популярность (на них построены все микропроцессоры), т.к. токи в них протекают микроскопические, решающую роль играет напряжение, а значит потери и тепловыделение минимальны.

Обозначение транзисторов или камень преткновения всех студентов. Как запомнить тип биполярного транзистора по его условной схеме? Представь что стрелочка это направление твоего движения на машине… Если едем в стенку то дружный вопль «Писец Нам Писец

Короче, транзистор позволит тебе слабеньким сигналом, например с ноги микроконтроллера, управлять мощной нагрузкой типа реле, двигателя или лампочки. Если не хватит усиления одного транзистора, то их можно соединять каскадами – один за другим, все мощней и мощней. А порой хватает и одного могучего полевого MOSFET транзистора. Посмотри, например, как в схемах сотовых телефонов управляется виброзвонок. Там выход с процессора идет на затвор силового MOSFET ключа.