3. Теоретические положения. Принцип действия. Характеристики.

1. 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.

Схематично диод можно представить состоящим из двух соприкасающихся друг с другом разных полупроводников (областей). Одна область обладает проводимостью p-типа (дырочной проводимостью), а другая – проводимостью n-типа (электронной проводимостью). Слой между ними называется p-n переходом. Здесь буквы p и n — первые в латинских словах: positive — «положительный» и negative — «отрицательный». Область p-типа, у полупроводникового прибора является анодом (положительным электродом), а область n-типа — катодом (отрицательным электродом) диода. На внешние поверхности областей нанесены контактные металлические слои, к которым припаяны проволочные выводы электродов диода.

Принцип действия полупроводникового диода основывается на специфике процессов переноса зарядов через p-n переход.

Вольтамперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода показана на рисунке 2. Здесь в одном рисунке показаны ВАХ германиевого и кремниевого диодов. На координатных осях нет никаких цифр, поскольку для разных типов диодов они могут существенно различаться: силовой диод может пропустить прямой ток тысячи ампер, в то время как маломощный всего несколько десятков миллиампер, а обратное максимальное напряжение может быть от десятков вольт до 5000 В.

Рисунок 2. ВАХ диода

В первом квадранте системы координат расположена прямая ветвь характеристики, когда диод находится в прямом включении, - к аноду подключен положительный вывод источника тока, соответственно отрицательный вывод к катоду.

По мере увеличения от нуля прямого напряжения U_пр, начинает возрастать и прямой ток I_пр. Но пока это возрастание незначительно, диод практически заперт.

При достижении определенного уровня напряжения U_Д на характеристике появляется излом: напряжение практически не меняется, а ток стремительно растет. Диод открывается. Для большинства современных диодов это напряжение находится в пределах 0,3…1.1 В. При максимальном прямом токе I_пр.мах диода

На рисунке видно, что для германиевого диода прямое напряжение несколько меньше (0,3…0,4 В), чем для кремниевого (0,7…1,1 В). Если прямой ток через диод умножить на прямое напряжение, то полученный результат будет не что иное, как мощность, рассеиваемая на диоде P_д.пр =U_пр*I_пр.мах. Если эта мощность будет превышена относительно допустимой, то может произойти перегрев и разрушение p-n перехода. Поэтому в справочниках ограничивается максимальный прямой ток, а не мощность так как считается, что прямое напряжение известно и изменяется незначительно. Для отведения излишнего тепла мощные диоды устанавливаются на теплоотводы - радиаторы. Существенно уменьшить такие потери можно, если снизить прямое падение напряжения U_пр на диоде. Вместо p-n перехода в них используется переход металл – полупроводник. Эти диоды имеют прямое падение напряжения 0,2…0,4 В, что значительно снижает мощность P_Д, а соответственно и нагрев диода. Такие диоды получили название диодов Шоттки. Практически все блоки питания современной электронной аппаратуры имеют выпрямители на диодах Шоттки.

В третьем квадранте системы координат расположена обратная ветвь характеристики, когда диод находится в обратном включении, - к аноду подключен отрицательный вывод источника тока, соответственно положительный вывод к катоду. Как видно из характеристики, при включении диода в обратном направлении через него все равно протекает небольшой обратный ток. В зависимости от модели диода он может варьироваться от наноампер до десятков миллиампер.

Вместе с обратным током на диоде выделяется некоторая мощность, численно равная произведению обратного тока на обратное напряжение. Если эта мощность равная Р_д.обр =U_{обр.макс}*I_обр будет превышена, то возможен пробой p-n перехода, диод превращается в обычный резистор или даже проводник. На обратной ветви ВАХ этой точке соответствует загиб характеристики вниз. Обычно в справочниках указывается не допустимая мощность, а максимальное предельно допустимое обратное напряжение U_{обр.макс}.

Из выше изложенного следует, что прямой максимальный ток I_пр.мах и обратное максимальное напряжение U_{обр.макс} являются определяющими факторами при выборе диода.

Теперь теоретически мы знаем, что диод в одну сторону пропускает ток, а в другую нет. В настоящей работе мы экспериментально проверим это свойство.

2. Полупроводнико́вый стабилитро́н, или диод Зенера — полупроводниковый диод, работающий при обратном напряжении, когда на анод подают отрицательный потенциал, в режиме начинающегося пробоя. До этого режима через стабилитрон протекает незначительный ток утечки, а его сопротивление весьма высоко. При наступлении пробоя ток через стабилитрон резко возрастает, а его дифференциальное сопротивление падает до величины, составляющей для различных приборов от долей ома до сотен ом. Рабочим участком вольтамперной характеристики (режимом стабилизации) является участок обратной ветви, который почти параллелен оси токов (рис.2). Если ток стабилитрона превысит максимальный ток стабилизации возникнет необратимый электрический пробой, то есть стабилитрон сгорит.

Основное назначение стабилитронов — стабилизация напряжения. Серийные стабилитроны изготавливаются на напряжения от 3 В до 400 В. Если менее 3 В их называют стабисторами и они работают на прямой ветви характеристики. В нашей работе используется стабилитрон на номинальное напряжение стабилизации 5,6 В.

Рисунок 3. ВАХ стабилитрона Рисунок 4. Стабилизатор напряжения                                           

В простейших (параметрических) стабилизаторах стабилизация напряжения U_н на нагрузке основана на свойстве стабилитрона сохранять постоянство напряжения при изменении (в определенных пределах) проходящего через него тока. Схема простейшего параметрического стабилизатора на полупроводниковом стабилитроне изображена на рис.3. Если входное напряжение стабилизатора U_вx увеличится при неизменном сопротивлении нагрузки R_н из-за повышения напряжения сети, то в соответствии с вольтамперной характеристикой стабилитрона незначительное увеличение напряжения на нем приведет к значительному увеличению тока I_ст, протекающего через стабилитрон. Следовательно, увеличатся ток потребляемый из сети 1_б=I_ст+I_н и падение напряжения I_бR_б на балластном сопротивлении R_б. На основании второго закона Кирхгофа произойдет перераспределение напряжений цепи (U_н=U_вх – I_бR_б) и выходное напряжение U_н изменится незначительно.

При неизменном входном напряжении U_вx и увеличении тока нагрузки I_н, увеличится 1_б, что увеличит падение напряжения I_бR_б на балластном сопротивлении R_б и, следовательно, уменьшит напряжение на стабилитроне. В соответствии с характеристикой стабилитрона уменьшится ток стабилитрона I_ст, соответственно уменьшится I_бR_б и выходное напряжение U_н=U_вх – I_бR_б изменится незначительно.

Для нормальной работы стабилизатора необходимо обеспечить условия, при которых ток стабилитрона не должен выходить за пределы рабочего диапазона I _{сm min} + I_{cm mах}. Поэтому величину балластного сопротивления выбирают из условия

где номинальный ток стабилизации,                                                     I_н-ток нагрузки.

Коэффициент стабилизации характеризующий стабильность выходного напряжения U_н , при изменении входного напряжения U_вх показывает, во сколько раз напряжение на выходе стабилизатора при постоянной нагрузке изменяется меньше относительно изменения напря- жения на входе:

,

где r_Д – дифференциальное сопротивление стабилитрона,

изменения соответствующих напряжений.

3.3.Принцип работы светоизлучающих диодов (светодиодов) основан на излучающей рекомбинации в объеме р-n перехода при инжекции (увеличении концентрации) неосновных носителей заряда под действием прямого напряжения. В результате чего переход испускает электромагнитные волны в узком диапазоне спектра, которые могут находиться в световом (видимом) или инфракрасном (невидимом) диапазоне. Диапазон излучения светодиода зависит от химического состава использованных полупроводников (арсенид галия, галия фосфид, галия нитрид и другие).

Вольт-амперная характеристика светодиодов аналогична вах диода. Главные электрические характеристики светодиодов это номинальные напряжение и сила тока. Обычно светодиоды рассчитаны на силу тока в 20 мА, но бывают и исключения, например четырехкристальные светодиоды обычно рассчитаны на 80 мА, в свою очередь одноватные светодиоды обычно потребляют 300-400 мА. Рабочее напряжение светодиода зависит от полупроводникового материала, из которого он сделан.

Примерные напряжения светодиодов в зависимости от цвета

	Цвет излучения	Длинна волны, нм	Напряжение, В
	Инфракрасные Красные Оранжевые Желтые Зеленые Синие Фиолетовые Ультрафиолетовые Белые	больше 760 610 — 760 590 — 610 570 — 590 500 — 570 450 — 500 400 — 450 короче 400 Широкий спектр	до 1.9 от 1.6 до 2.03 от 2.03 до 2.1 от 2.1 до 2.2 от 2.2 до 3.5 от 2.5 до 3.7 от 2.8 до 4 от 3.1 до 4.4 от 3 до 3.7

Светодиоды характеризуются и оптическими характеристиками: цвет свечения, яркость свечения, угол излучения.

Зависимость яркости от температуры практически линейная, в интервале рабочей температуры яркость может изменяться в 2-3 раза. Светодиоды обладают высоким быстродействием (наносекунды).

Правила подключения светодиодов

Светодиод пропускает электрический ток только в одном направлении, а это значит что для того чтобы светодиод излучал свет, он должен быть правильно подключен. У светодиода два контакта: анод(плюс) и катод (минус). Обычно, длинный контакт у светодиода — это анод, но бывают и исключения. Плюс источника следует подключать к плюсу светодиода. Обратное допустимое напряжение светодиодов не велико и составляет несколько вольт, поэтому при неправильной полярности подключения они сгорают. Светодиодам важно не только правильная полярность подключения и нужное значение напряжения, но и оптимальная сила тока. Поэтому последовательно с ним всегда необходимо подключать резистор, который наклоняет прямую ветвь вах направо. Если это не сделать, то незначительное увеличение напряжения питания (сети) вызовет очень большое увеличение тока и светодиод сгорит. Иногда этим правилом пренебрегают, но результат чаще всего один — светодиод или сразу сгорает, или его ресурс значительно сокращается.

Инфракрасные светодиоды используют для передачи информации на расстояние, например, для управления телевизором с пульта управления. Светодиоды видимого излучения используют для освещения и индикации различных состояний устройств.

Важными достоинствами светоизлучающих диодов является малая потребляемая мощность, высокая чистота цвета свечения, стабильность цвета свечения от времени наработки и температуры и конечно огромный срок службы- до 50 000 часов (лампы накаливания – 1000 часов, люминесцентные – 7000 часов).