Устройство и принцип работы диода при прямом и обратном включении

Устройство и принцип работы диода с прямым и обратным подключением

Диоды — это простейшие полупроводники с двумя электродами, проводящими ток в одном направлении.

Они способны стабилизировать, выпрямлять, модулировать, ограничивать, преобразовывать ток, поэтому их устанавливают практически в любой бытовой прибор.

Основные характеристики диода: постоянный прямой и обратный электрический ток, прямое и обратное напряжение, прямое и обратное сопротивление, их предельно допустимые значения.

При установке в любое устройство учитываются максимальные значения допустимых параметров.

Устройство

Корпус, выполненный в виде керамического, стеклянного или металлического вакуумного цилиндра, оснащен:

  • катод;
  • обогреватель.
  • кристалл;
  • анод;

Кристаллы сделаны из кремния или германия. Анод (плюс) и катод (минус) имеют цилиндрическую форму и расположены внутри цилиндра. Нагреватель — это провод внутри катода, который нагревается при подаче электрического тока, нагревая его. После достижения определенного уровня температуры активный слой на катоде генерирует электроны, необходимые для работы.

Сферы применения и назначение

По проделанной работе диоды делятся на универсальные, СВЧ, импульсные, выпрямительные, переключающие, стабилитроны, варикап-диоды.

Устанавливаются в электрооборудовании:

  • цепи, проводящие ток только в одном направлении;
  • LED телевизор.
  • выпрямители;
  • ограничители колебаний напряжения;
  • устройства, требующие отображения информации на дисплеях;
  • индикатор света;
  • стабилизаторы;
  • преобразователи частоты, детекторы, логарифмы;
  • переключатели;

Ссылка! Светодиоды монтируются в световые матрицы (ленты, лампы).

Работа диода и его вольт амперная характеристика

По конструкции диод представляет собой кристалл с двумя областями разной проводимости (перо). Область с p-проводимостью — анод (+), с n-проводимостью — катод (-). В аноде заряд находится в дырках, в катоде, в электронах. Кристалл покрыт свинцом.

Устройство и принцип работы диода с прямым и обратным подключением

В структуре определены 2 положения:

  • закрыто.
  • открытым;

В открытом положении электропроводность хорошая, в закрытом — очень плохая.

Вольт-амперная характеристика называется графиком. Вертикальная ось отражает основной и встречный ток, горизонтальная ось отражает основное и встречное напряжение.

Постоянный ток быстро увеличивается параллельно с увеличением напряжения. Противоположный ток увеличивается медленнее.

Если постоянный ток слишком велик, молекулы кристалла нагреваются. Если нет системы охлаждения, есть вероятность разрушения кристаллической решетки. В схемах прямой поток ограничивается последовательным резистором.

Ссылка! Прямое напряжение не зависит от электрического тока. Для кремниевых полупроводников она не превышает 1,5В, для германиевых изделий — 1В.

Прямое включение диода

Диод открывается после подачи напряжения, параметры основного тока зависят от характеристик кристалла и напряжения. Электроны устремляются из области n в область p, а дырки — из области p в область n. Частицы встречаются на границе (pn переход), начинается процесс поглощения (рекомбинации), сопротивление и напряжение уменьшаются.

Устройство и принцип работы диода с прямым и обратным подключением

Вокруг pn образуется поле, направленное в противоположную сторону. Электроны движутся и возвращаются, появляется дрейфующий ток с постоянными параметрами, зависящими только от количества заряженных частиц. При этом обратное напряжение увеличивается, переходя в фазу насыщения.

Основной ток нарастает быстрее при повышении температуры во время работы устройства.

Обратное включение диода

Если плюс блока питания соединяется с минусом полупроводника, а минус с плюсом, диод перестает работать (замыкается). Заряженные частицы начинают удаляться от pn-области, она расширяется, сопротивление увеличивается

При увеличении обратного напряжения до 100 В электрический ток увеличивается в обратном направлении. Рост заметно увеличивается, если напряжение превышает максимально допустимое для границы pn. Обратный ток нагревает кристалл в диоде, переход прекращается и нормальная работа устройства прекращается. После снятия напряжения около полюсов образуется диффузия.

Внимание! Во время нормальной работы обратный ток невелик, поэтому им пренебрегают, рассматривая полупроводниковый диод как односторонний проводящий элемент.

Прямое и обратное напряжение

Во время работы (в открытом состоянии) основное напряжение в диоде, сопротивление и амплитуда электрического тока зависят от его величины. Во время процесса замыкания ток проходит через полупроводник в обратном направлении, создается напряжение, которое помогает увеличить сопротивление до нескольких тысяч кОм.

Если полупроводник работает при переменном напряжении, он открывается на положительной полуволне и закрывается на отрицательной половине. Это свойство позволяет использовать полупроводники в выпрямителях.

Основные неисправности диодов

Внимание! Если диодные полупроводники перестали работать, необходимо сначала узнать, истек ли их срок службы.

В противном случае неисправность вызвана другой причиной:

  • электрическая неисправность:
  • лавина.
  • обрыв в переходе, превративший устройство в изолятор:
  • тепловой разрыв;
  • туннель;
  • нарушение пломбы;

Если уплотнение сломано, возникает утечка, которая мешает нормальной работе.

Пробой p-n перехода

Неисправностью называется увеличение электрического тока в обратном направлении после достижения индикатора обратного напряжения во время работы, которое является максимально допустимым для устройства. Если оно превышено, встречный электрический ток резко возрастает при небольшом изменении напряжения. После прерывания перехода направление потока только одно, полупроводник превращается в проводник.

Эту неисправность можно определить с помощью мультиметра, который определяет сопротивление и подает сигнал при прохождении электрического тока.

Устройство и принцип работы диода с прямым и обратным подключением

Электрический пробой

Электрический туннель или лавинный сбой можно устранить, если вовремя принять необходимые меры.

Причина сбоя в электросети — сильный электрический ток в переходе или перегрев при отсутствии отвода тепла.

Пробой туннеля происходит, если во время работы на диод подается слишком высокое напряжение. Величина встречного электрического тока увеличивается, напряжение уменьшается, и электроны проходят через барьер, если его высота меньше их энергии.

Эта неисправность может быть вызвана:

  • обратный ток насыщения более 108 В / м;
  • наличие свободных мест в области дырок, через которые проходят электроны.
  • толщина pn-области слишком мала (меньше длины пути электрона);

Лавинный разрыв — увеличение во время работы встречного электрического тока при небольшом повышении напряжения. Причина образования — усиление ионизации в pn-области, что вызывает увеличение количества заряженных частиц. Электроны теряют свои нормальные характеристики.

Важно! Отказы туннельного и лавинного типа обратимы, так как не повреждают полупроводник (при своевременном снижении напряжения свойства сохраняются).

Тепловой пробой

Эта неисправность часто вызвана недостаточным тепловыделением, что способствует перегреву спая во время работы.

Как следствие:

  • температура быстро повышается;
  • запускается процесс модификации кристаллической структуры.
  • в кристалле растет амплитуда атомных колебаний;
  • электроны взаимодействуют с проводящей областью;

Полупроводник разрушается, и процесс необратим.

Основные выводы

Полупроводниковые диоды — это радиоэлементы с одним pn переходом, которые встречаются практически во всех бытовых приборах. Чтобы полупроводники проработали дольше, необходимо знать принцип работы диодов, причины неисправностей и способы их предотвращения.

Чаще всего производительность полупроводников нарушается из-за изменений температуры окружающей среды или перехода. Если температура слишком высока, количество энергоносителей в переходе увеличивается, сопротивление уменьшается, а объем встречного тока увеличивается. После достижения максимально допустимого уровня начинается процесс разрушения кристалла.

Во избежание сокращения времени работы необходимо следить за температурой жидкости и чистотой приборов. При необходимости следует предусмотреть дополнительную систему отвода тепла. Повышение температуры перехода предотвращается за счет соблюдения требований к напряжению и току, установленных для конкретного устройства. Даже при малейшем превышении есть вероятность разрушения кристалла.

Оцените статью
Добавить комментарий