Принцип работы диода. Вольт-амперная характеристика. Пробои p-n перехода.

Здравствуйте уважаемые читатели сайта . В первой части статьи мы с Вами разобрались, что такое полупроводник и как возникает в нем ток. Сегодня мы продолжим начатую тему и поговорим о принципе работы полупроводниковых диодов.

Диод

– это полупроводниковый прибор с одним
p-n
переходом, имеющий два вывода (анод и катод), и предназначенный для выпрямления, детектирования, стабилизации, модуляции, ограничения и преобразования электрических сигналов.

По своему функциональному назначению диоды подразделяются на выпрямительные, универсальные, импульсные, СВЧ-диоды, стабилитроны, варикапы, переключающие, туннельные диоды и т.д.

Теоретически мы знаем, что диод в одну сторону пропускает ток, а в другую нет. Но как, и каким образом он это делает, знают и понимают не многие.

Схематично диод можно представить в виде кристалла состоящего из двух полупроводников (областей). Одна область кристалла обладает проводимостью p

-типа, а другая — проводимостью
n
-типа.

На рисунке дырки

, преобладающие в области
p
-типа, условно изображены красными кружками, а
электроны
, преобладающие в области
n
-типа — синими. Эти две области являются электродами диода
анодом
и
катодом
:

Анод – положительный электрод

диода, в котором основными носителями заряда являются
дырки
.

Катод – отрицательный электрод

диода, в котором основными носителями заряда являются
электроны
.

На внешние поверхности областей нанесены контактные

металлические слои, к которым припаяны проволочные
выводы
электродов диода. Такой прибор может находиться только в одном из двух состояний:

1. Открытое

– когда он хорошо проводит ток; 2.
Закрытое
– когда он плохо проводит ток.

Прямое включение диода. Прямой ток.

Если к электродам диода подключить источник постоянного напряжения: на вывод анода «плюс

» а на вывод катода «
минус
», то диод окажется в
открытом
состоянии и через него потечет ток, величина которого будет зависеть от приложенного напряжения и свойств диода.

При такой полярности подключения электроны из области n

-типа устремятся навстречу дыркам в область
p
-типа, а дырки из области
p
-типа двинутся навстречу электронам в область
n
-типа. На границе раздела областей, называемой
электронно-дырочным или p-n переходом, они встретятся, где происходит их взаимное поглощение или рекомбинация
.

Например. Oсновные носители заряда в области n

-типа электроны, преодолевая
p-n
переход попадают в дырочную область
p
-типа, в которой они становятся
неосновными
. Ставшие неосновными, электроны будут поглощаться
основными
носителями в дырочной области –
дырками
. Таким же образом дырки, попадая в электронную область
n
-типа становятся
неосновными
носителями заряда в этой области, и будут также поглощаться
основными
носителями –
электронами
.

Контакт диода, соединенный с отрицательным

полюсом источника постоянного напряжения будет
отдавать
области
n
-типа практически неограниченное количество электронов, пополняя убывание электронов в этой области. А контакт, соединенный с
положительным
полюсом источника напряжения, способен
принять
из области
p
-типа такое же количество электронов, благодаря чему восстанавливается концентрация дырок в области
p
-типа. Таким образом, проводимость
p-n
перехода станет
большой
и сопротивление току будет
мало
, а значит, через диод будет течь ток, называемый
прямым током диода Iпр
.

Классификация светодиодов по их области применения

Такие элементы могут быть индикаторными и осветительными. Первые были изобретены раньше вторых, при этом они уже давно используются в радиоэлектронике. А вот с появлением первого осветительного светодиода начался настоящий прорыв в электротехнике. Спрос на осветительные приборы подобного типа неуклонно растет. Но и прогресс не стоит на месте – изобретаются и внедряются в производство все новые виды, которые становятся все ярче, не потребляя при этом больше энергии. Разберем более подробно, какими бывают светодиоды.

Индикаторные светодиоды: немного истории

Первый такой светодиод красного цвета был создан в середине ХХ века. Хотя он имел низкую энергоэффективность и излучал тусклое свечение, направление оказалось перспективным и разработки в этой обрасти продолжились. В 70-х годах появляются зеленые и желтые элементы, а работы по их усовершенствованию не прекращаются. К 90-му году сила их светового потока достигает 1 Люмена.

1993 год ознаменован появлением в Японии первого синего светодиода, который был намного ярче предшественников. Это означало, что теперь, совмещая три цвета (которые и составляют все оттенки радуги), можно получить любой. В начале 2000-х сила светового потока уже достигает 100 Люмен. В наше время светодиоды не перестают совершенствоваться, наращивая яркость без увеличения потребляемой мощности.

Использование светодиодов в бытовом и промышленном освещении

Сейчас подобные элементы используются во всех отраслях, будь то машино- или автомобилестроение, освещение производственных цехов, улиц или квартир. Если взять последние разработки, то можно сказать, что даже характеристики светодиодов для фонариков порой не уступают старым галогеновым лампам на 220 В. Попробуем привести один пример. Если взять характеристики светодиода 3 Вт, то они будут сопоставимы с данными лампы накаливания с потреблением 20-25 Вт. Получается экономия электроэнергии почти в 10 раз, что при ежедневном постоянном использовании в квартире дает весьма существенную выгоду.

Чем хороши светодиоды и есть ли в них минусы

О положительных качествах световых диодов можно сказать многое. Основными из них можно назвать:

• Экономичность без потери силы светового потока – здесь они вне конкуренции;
• Прочный корпус – отсутствует опасность механического повреждения;
• Долговечность – такие элементы работают в десятки раз дольше ламп накаливания;
• Компактность – имеют малые габариты;
• Наиболее безопасны – работают от сети 3-24 В;
• Экологичны – не требуют специальной утилизации.

Что же касается отрицательных сторон, то их всего две:

• Работают только с постоянным напряжением;
• Вытекает из первого – высокая стоимость ламп на их основе по причине необходимости использования драйвера(электронного стабилизирующего блока).

Обратное включение диода. Обратный ток.

Поменяем полярность источника постоянного напряжения – диод окажется в закрытом

состоянии.

В этом случае электроны в области n

-типа станут перемещаться к
положительному
полюсу источника питания, отдаляясь от
p-n
перехода, и дырки, в области
p
-типа, также будут отдаляться от
p-n
перехода, перемещаясь к
отрицательному
полюсу источника питания. В результате граница областей как бы расширится, отчего образуется зона обедненная дырками и электронами, которая будет оказывать току
большое
сопротивление.

Но, так как в каждой из областей диода присутствуют неосновные

носители заряда, то небольшой обмен электронами и дырками между областями происходить все же будет. Поэтому через диод будет протекать ток во много раз меньший, чем прямой, и такой ток называют
обратным током диода (Iобр
). Как правило, на практике, обратным током
p-n
перехода пренебрегают, и отсюда получается вывод, что
p-n
переход обладает только
односторонней проводимостью
.

Люмен

Как вы уже поняли, канделы для оценки силы света мощных светодиодов не подходят. Для этого существуют люмены — это общее количество света, которе может дать светодиод при подключении с заданными значениями тока и напряжения. Помните аналогию про пожарное ведро ? Здесь она тоже подходит. Будем считать, что если светодиод имеет силу света 100 люмен — то в нашем ведре будет 100 люмен. Обычная электрическая лампочка на 100 Вт — это тоже ламбертовский источник. Средняя светоотдача этой лампочки — 10-15 люмен на ватт. То есть 100 ватт лампы накаливания дадут нам, скажем, 1000 люмен. Значит, чтобы заменить лампу 100 вт светодиодами, нужно 10 шт по 100 люмен. Вот так вот все просто ? Нет, к сожалению. Мы подходим к такому термину, как ЛЮКС.

Прямое и обратное напряжение диода.

Напряжение, при котором диод открывается и через него идет прямой ток называют прямым

(Uпр), а напряжение обратной полярности, при котором диод закрывается и через него идет обратный ток называют
обратным
(Uобр).

При прямом напряжении (Uпр

) сопротивление диода не превышает и нескольких десятков Ом, зато при обратном напряжении (
Uобр
) сопротивление возрастает до нескольких десятков, сотен и даже тысяч килоом. В этом не трудно убедиться, если измерить обратное сопротивление диода омметром.

Сопротивление p-n

перехода диода величина не постоянная и зависит от прямого напряжения (
Uпр
), которое подается на диод. Чем
больше
это напряжение, тем
меньшее
сопротивление оказывает
p-n
переход, тем
больший
прямой ток
Iпр
течет через диод. В закрытом состоянии на диоде
падает
практически все напряжение, следовательно, обратный ток, проходящий через него
мал
, а сопротивление
p-n
перехода
велико
.

Например. Если включить диод в цепь переменного тока, то он будет открываться при положительных

полупериодах на аноде, свободно пропуская
прямой ток
(Iпр), и закрываться при
отрицательных
полупериодах на аноде, почти не пропуская ток противоположного направления –
обратный ток
(Iобр). Эти свойства диодов используют для
преобразования переменного тока в постоянный
, и такие диоды называют
выпрямительными
.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода.

Зависимость тока, проходящего через p-n

переход, от величины и полярности приложенного к нему напряжения изображают в виде кривой, называемой
вольт-амперной характеристикой диода.
На графике ниже изображена такая кривая. По вертикальной

оси в верхней части обозначены значения прямого тока (
Iпр
), а в нижней части — обратного тока (
Iобр
). По
горизонтальной
оси в правой части обозначены значения прямого напряжения
Uпр
, а в левой части – обратного напряжения (
Uобр
).

Вольт-амперная характеристика состоит как бы из двух ветвей: прямая ветвь

, в правой верхней части, соответствует прямому (пропускному) току через диод, и
обратная ветвь
, в левой нижней части, соответствующая обратному (закрытому) току через диод.

Прямая ветвь

идет круто вверх, прижимаясь к
вертикальной
оси, и характеризует быстрый рост прямого тока через диод с увеличением прямого напряжения.
Обратная ветвь
идет почти параллельно
горизонтальной
оси и характеризует медленный рост обратного тока. Чем круче к вертикальной оси прямая ветвь и чем ближе к горизонтальной обратная ветвь, тем лучше выпрямительные свойства диода.
Наличие небольшого обратного тока является недостатком диодов
. Из кривой вольт-амперной характеристики видно, что прямой ток диода (
Iпр
) в сотни раз больше обратного тока (
Iобр
).

При увеличении прямого напряжения через p-n

переход ток вначале возрастает медленно, а затем начинается участок быстрого нарастания тока. Это объясняется тем, что
германиевый
диод открывается и начинает проводить ток при прямом напряжении 0,1 – 0,2В, а
кремниевый
при 0,5 – 0,6В.

Например. При прямом напряжении Uпр

= 0,5В прямой ток
Iпр
равен 50mA (точка «
а
» на графике), а уже при напряжении
Uпр
= 1В ток возрастает до 150mA (точка «
б
» на графике).

Но такое увеличение тока приводит к нагреванию молекулы полупроводника. И если количество выделяемого тепла будет больше отводимого от кристалла естественным путем, либо с помощью специальных устройств охлаждения (радиаторы

), то в молекуле проводника могут произойти необратимые изменения вплоть до разрушения кристаллической решетки. Поэтому прямой ток
p-n
перехода ограничивают на уровне, исключающем перегрев полупроводниковой структуры. Для этого используют ограничительный резистор, включенный последовательно с диодом.

У полупроводниковых диодов величина прямого напряжения Uпр

при всех значениях рабочих токов не превышает: для
германиевых
— 1В; для
кремниевых
— 1,5В.

При увеличении обратного напряжения (Uобр

), приложенного к
p-n
переходу, ток увеличивается незначительно, о чем говорит обратная ветвь вольтамперной характеристики. Например. Возьмем диод с параметрами:
Uобр max
= 100В,
Iобр max
= 0,5 mA, где:

Uобр max

– максимальное постоянное обратное напряжение, В;
Iобр max
– максимальный обратный ток, мкА.

При постепенном увеличении обратного напряжения до значения 100В видно, как незначительно растет обратный ток (точка «в

» на графике). Но при дальнейшем увеличении напряжения, свыше максимального, на которое рассчитан
p-n
переход диода, происходит резкое увеличение обратного тока (пунктирная линия), нагрев кристалла полупроводника и, как следствие, наступает
пробой
p-n перехода.

Устройство светодиода.

Led-диод состоит из полупроводникового кристалла, который закреплен на подложке, корпуса с контактами и оптической системы.

Устройства индикаторных (DIP), плоских (SMD) и СОВ элементов различаются снаружи.

Конструктивное устройство DIP.

DIР-светодиод в разрезе.

В основании прибора монтируются контакты. Кристалл (один или несколько) закреплен на катоде. К кристаллу присоединяется проволока. Она соединяет полупроводники с анодом. Это необходимо для группировки двух проводников с различными типами проводимости. Сверху led-элемент герметично покрывается линзой. Корпус устройства изготавливается в виде цилиндра из эпоксидной смолы, край которого обрезан со стороны катода. Монтаж led-элемента происходит путем пайки длинных выводов.

Конструктивное устройство SMD.

SMD-светодиод в разрезе.

Корпус изготавливается параллелепипедом. Его основа – теплоотвод от кристалла. На нее монтируется полупроводниковый элемент. Контактный провод соединяет его с анодом. Контакты выполняются плоскими. Сверху элемент герметично накрывается линзой.

Конструктивное устройство СОВ.

COB-технология – новейшее направление в производстве.

Такие светоизлучающие диоды имеют в основании теплопроводящую подложку (обычно алюминиевую). На нее непроводящим клеем закрепляют полупроводниковые кристаллы, которые объединены по последовательно-параллельной схеме. Сверху все покрывается люминофором.

Такой тип led легко монтируется, выдает хороший световой поток и не искажает цвета. Востребованы в производстве небольших, ярких прожекторов и декоративной подсветки. В отличие от DIP и SMD способны работать при повышенных температурах. Но из-за своего устройства имеют меньший срок эксплуатации по сравнению.

Если на одной подложке смонтировано множество кристаллов, то такой led-элемент называется светодиодной матрицей.

Конструктивное устройство PCB Star.

Состоит из одного большого кристалла, который монтируется на алюминиевую подложку в форме звезды. За счет увеличенной площади кристалла повышается мощность светодиода. Упрощается его фокусировка. Поэтому РCB Star востребованы в производстве ярких источников света: от фонариков до прожекторов.

Электрический пробой.

Электрический пробой возникает в результате воздействия сильного электрического поля

в
p-n
переходе. Такой пробой является
обратимый
, то есть он не приводит к повреждению перехода, и при снижении обратного напряжения свойства диода сохраняются. Например. В таком режиме работают
стабилитроны
– диоды, предназначенные для стабилизации напряжения.

Туннельный пробой.

Туннельный пробой происходит в результате явления туннельного эффекта

, который проявляется в том, что при сильной напряженности электрического поля, действующего в
p-n
переходе
малой толщины
, некоторые электроны проникают (просачиваются) через переход из области
p
-типа в область
n
-типа без
изменения
своей энергии. Тонкие
p-n
переходы возможны только при высокой концентрации
примесей
в молекуле полупроводника.

В зависимости от мощности и назначения диода толщина электронно-дырочного перехода может находиться в пределах от 100 нм

(нанометров) до
1 мкм
(микрометр).

Для туннельного пробоя характерен резкий рост обратного тока

при незначительном
обратном напряжении
– обычно несколько вольт. На основе этого эффекта работают
туннельные диоды
.

Благодаря своим свойствам туннельные диоды используются в усилителях, генераторах синусоидальных релаксационных колебаний и переключающих устройствах на частотах до сотен и тысяч мегагерц.

Лавинный пробой.

Лавинный пробой заключается в том, что под действием сильного электрического поля неосновные

носители зарядов под действием
тепла
в
p-n
переходе ускоряются на столько, что способны
выбить
из атома один из его валентных электронов и
перебросить
его в зону проводимости, образовав при этом пару
электрон — дырка
. Образовавшиеся носители зарядов тоже начнут разгоняться и сталкиваться с другими атомами, образуя следующие пары электрон – дырка. Процесс приобретает лавинообразный характер, что приводит к резкому
увеличению
обратного тока при практически
неизменном
напряжении.

Диоды, в которых используется эффект лавинного пробоя используются в мощных выпрямительных агрегатах

, применяемых в металлургической и химической промышленности, железнодорожном транспорте и в других электротехнических изделиях, в которых может возникнуть обратное напряжение выше допустимого.

Что такое SMD светодиоды: их характеристики и отличие от обычных

Четкая расшифровка этой аббревиатуры выглядит как Surface Mount Devices, что в буквальном переводе означает «монтируемый на поверхности». Чтобы было понятнее, можно вспомнить, что обычные световые диоды цилиндрической формы на ножках утапливаются ими в плату и припаиваются с другой стороны. В отличие от них SMD-компоненты фиксируются лапками с той же стороны, где находятся и сами. Такой монтаж дает возможность создания двусторонних печатных плат.

Такие светодиоды намного ярче и компактнее обычных и являются элементами нового поколения. Их габариты указываются в маркировке. Но не стоит путать размер SMD светодиода и кристалла (чипа) которых в составе компонента может быть множество. Разберем несколько таких световых диодов.

Параметры LED SMD2835: размеры и характеристики

Многие начинающие мастера путают маркировку SMD2835 с SMD3528. С одной стороны они должны быть одинаковы, ведь маркировка указывает, что эти светодиоды имеют размер 2.8х3.5 мм и 3.5 на 2.8 мм, что одно и то же. Однако это заблуждение. Технические характеристики светодиода SMD2835 намного выше, при этом он имеет толщину всего 0.7 мм против 2 мм у SMD3528. Рассмотрим данные SMD2835 с различной мощностью:

Параметр	Китайский 2835	2835 0,2W	2835 0,5W	2835 1W
Сила светового потока, Лм	8	20	50	100
Потребляемая мощность, Вт	0,09	0,2	0,5	1
Температура, в градусах С	+60	+80	+80	+110
Ток потребления, мА	25	60	150	300
Напряжение, В	3,2

Как можно понять, технические характеристики SMD2835 могут быть довольно разнообразны. Все зависит от количества и качества кристаллов.

Характеристики светодиода 5050: более габаритный SMD-компонент

Довольно удивительно, что при больших габаритах этот светодиод имеет меньшую силу светового потока, чем предыдущий вариант – всего 18-20 Лм. Причиной этому малое количество кристаллов – обычно их всего два. Наиболее распространенное применение такие элементы нашли в светодиодных лентах. Плотность из в полосе обычно составляет 60 шт/м, что в общей сложности дает около 900 Лм/м. Достоинство их в этом случае в том, что лента дает равномерный спокойный свет. При этом угол ее освещения максимальный и равен 120.

Выпускаются такие элементы с белым свечением (холодного или теплого оттенка), одноцветными (красный, синий или зеленый), трехцветными (RGB), а так же четырехцветными (RGBW).

Характеристики светодиодов SMD5730

По сравнению с этим компонентом, предыдущие уже считаются устаревшими. Их уже можно назвать даже сверх яркими светодиодами. 3 вольта, которые питают и 5050, и 2835 выдают здесь до 50 Лм при 0.5 Вт. Технические характеристики SMD5730 на порядок выше, а значит их необходимо рассмотреть.

Параметр	Показатель
Сила светового потока, Лм	45-50
Потребляемая мощность, Вт	0,5
Диапазон рабочих температур, в градусах С	От -40 до +80
Номинальный ток, мА	150
Рабочее напряжение, В	3,1-3,2
Угол освещения	120 градусов

И все-таки это не самый яркий из SMD-компонентов светодиод. Сравнительно недавно на российском рынке появились элементы, которые в прямом смысле «заткнули за пояс» все остальные. О них сейчас и пойдет речь.

Элементы на ленте могут располагаться и в 2 ряда для яркости

Светодиоды «Cree»: характеристики и технические данные

На сегодняшний день аналогов продукции фирмы Cree не существует. Характеристики сверх ярких светодиодов их производства действительно поражают. Если предыдущие элементы могли похвастаться силой светового потока лишь в 50 Лм с одного кристалла, то, к примеру, характеристики светодиода XHP35 от «Cree» говорят о 1300-1500 Лм так же от одного чипа. Но и мощность их больше – она составляет 13 Вт.

Если обобщить характеристики различных модификаций и моделей светодиодов этой марки, то можно увидеть следующее:

Модификация	XM-L	XR-E, XP-G, XP-E, XP-C
Сила светового потока, Лм/вт	T5 (от 260 до 280)	T6 (от 280 до 300)	U2 (от 300 до 320)	Q2 (от 87,4 до 93,9)	Q3 (от 93,9 до 100)	Q4 (от 100 до 107)	Q5 (от 107 до 114)	R2 (от 114 до 122)

Сила светового потока SMD LED «Cree» называется бином, который в обязательном порядке проставляется на упаковке. В последнее время появилось очень много подделок под эту марку, в основном китайского производства. При покупке их сложно отличить, а вот уже через месяц использования их свет тускнеет и они перестают отличаться от других. При довольно высокой стоимости такое приобретение станет довольно неприятным сюрпризом.

Предлагаем Вам небольшое видео на эту тему: