Методическое пособие на тему «Диоды» (6–8 классы)

МУНИЦИПАЛЬНОЕ АВТОНОМНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ЦЕНТР ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДА ВЛАДИКАВКАЗА»

 

 

 

 

 

ДИОДЫ

 

 

Методическое пособие

к авторской учебной программе

«От электрической лампочки до автоматизированных систем»

 

 

 

 

 

Автор-составитель:

педагог дополнительного образования

Рудин Виталий Александрович

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Владикавказ

2023

 

АННОТАЦИЯ

 

Методическое пособие к авторской учебной программе «От электрической лампочки до автоматизированных систем» может быть полезно для учащихся 7 – 9 классов общеобразовательных школ, увлекающихся наукой электроникой.

В пособии подробно рассматриваются электронные приборы – диоды. Приведены конструкции диодов, их характеристики и способы применения.

Для удобства запоминания материала методическое пособие выполнено в виде вопросов и ответов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Полупроводниковый диод – электронный прибор, изготовленный из полупроводникового материала, имеющий два электрических вывода (электрода).

Во внутренней структуре полупроводникового диода сформирован один р-n – переход.

 

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД

 

Вопрос 1.

Что называется полупроводниковым диодом?

 

Полупроводниковым диодом называется электронный прибор, имеющий одностороннюю проводимость.

 

Вопрос 2.

Из чего состоит полупроводниковый диод?

 

Полупроводниковый диод состоит из двух областей – n-области и р-области, соединённых между собой (рис. 1).

 

 

Рисунок 1. Строение полупроводникового диода.

 

Вопрос 3.

Как подключается полупроводниковый диод к источнику тока?

 

У диода может быть два подключения к источнику питания: прямое ( когда n-область подключена к (-) источника, а р-область к (+) ( рис. 2, а) и обратное (наоборот) (рис. 2, б).

Рисунок 2. Подключение источника питания к n-p переходу

( чёрные шарики – электроны; белые шарики – «дырки»):

а). прямое включение n-p – перехода; б) обратное включение n-p – перехода.

 

При прямом включении основные носители «р» и «n» областей движутся к р-n – переходу и в цепи начинает протекать электрический ток (рис. 2, а).

При обратном включении основные носители «р» и «n» областей движутся от р-n – перехода и в цепи электрического тока практически нет (рис. 2, б). Ток, который вызван неосновными носителями в 1000 раз меньше основного тока. Его ещё называют обратным током утечки.

При прямом включении сопротивление р-n – перехода маленькое (основные носители движутся к переходу) (рис. 3, рис. 4).

При обратном включении сопротивление р-n – перехода большое (основные носители уходят от перехода) (рис. 3, рис. 4).

 

Вопрос 4.

Как измеряется сопротивление полупроводникового диода?

 

На рис. 4 показан метод измерения полупроводникового диода.

 

 

Вопрос 5.

Какие бывают диоды?

 

Конструктивно полупроводниковые диоды изготовляются точечными и плоскостными.

 

Вопрос 6.

Что такое точечный диод?

 

На рис. 5 показаны два точечных диода. Они состоят из стеклянного корпуса, в котором имеется тонкое остриё, спаянное с германиевым или кремневым кристаллом с n-проводимостью (рис. 6).

Диод пропускает ток только в направлении от острия к кристаллу, а в обратном направлении оказывает току большое сопротивление.

Причиной этого является образованный при обработке р-n переход между острием и кристаллом (рис. 6). Размеры перехода примерно равны одной точке, откуда и произошло название диода – точечный. Острие (или р-область) называется ещё анодом, а кристалл (или n-область) – катодом диода.

Таким образом, направление пропускания тока – от анода к катоду.

 

Вопрос 7.

Что такое плоскостный диод?

 

Плоскостный диод показан в разрезе на рис.7.

 

Рисунок 7. Конструкция плоскостного диода: 1-стеклянный изолятор;

2-металлический корпус; 3-вывод анода; 4-спай; 5-германий; 6-кристалло-держатель; 7-катод.

 

В плоскостном германиевом диоде на пластину германия 5 с электронной проводимостью устанавливается таблетка из индия, которая в процессе изготовления диода нагревается до 500°С и плавится так, что её атомы диффун­дируют в германий, образуя область с дырочной проводимостью накладывается диоде на границе двух областей (с электронной и дырочной проводи­мостью) появляется запирающий р-n-переход. Как в точечном, так и в плоскостном диоде, германий 5 припоем 4 укреплён на кристаллодержателе 6, к которому приварен вывод катода 7 (нижний). Вывод анода 3 также припоем 4 укрепляется в области с дырочной проводимостью и выводится наружу в верхней части диода. Металлический корпус 2 сварен с кристаллодержателем 6 и стеклянным изолятором 1.

Кремниевые диоды отличаются от германиевых не только мате­риалом полупроводника, но и некоторыми преимуществами, а имен­но: более высокой предельной температурой, значительно меньшим обратным током, более высоким пробивным напряжением.

На рисунке 8 представлены плоскостные полупроводниковые диоды.

 

 

Рисунок 8. Полупроводниковые диоды.

 

Вопрос 8.

Какие важнейшие параметры диода?

 

К важнейшим параметрам диода относятся:

 

– максимальный ток в прямом направлении (Iпрям. макс.);

 

– максимальное обратное напряжение (Uобр. макс.);

 

– вольтамперная характеристика.

 

Вопрос 9.

Что такое максимальный ток в прямом направлении диода?

 

Это максимальный ток, который может пройти через диод.

Максимальный ток для точечных диодов: 10 – 50 мА.

Максимальный ток для плоскостных диодов: 0,1 – 10 А.

При превышении этого тока диод выходит из строя!

 

Вопрос 10.

Что такое максимальное обратное напряжение диода?

 

Это наибольшее напряжение в обратном направлении, при котором диод всё ещё сохраняет свои работоспособность.

Наибольшее напряжение в обратном направлении для точечных диодов: 20 – 60 В.

Наибольшее напряжение в обратном направлении для плоскостных диодов: 100 – 800 В.

 

 

Вопрос 11.

Что такое вольтамперная характеристика диода?

 

Вольтамперная характеристика диода выражает графическую зависимость протекающего тока от приложенного напряжения в одном и другом направлении (рис. 9).

Рисунок 9. Вольтамперные характеристики кремниевого и германиевого диода и способы, которыми они снимаются.

 

Вопрос 12.

Как обозначаются и маркируются диоды?

 

Полупроводниковые диоды обозначаются буквами Д (Д20, Д105) и КД (КД202).

На принципиальных схемах полупроводниковые диоды обозначаются как представлено на рис. 10, а на рис. 11 представлена цветовая маркировка.

 

а). б).

Рисунок 10. Обозначение полупроводниковых диодов:

а). старое обозначение; б) новое обозначение.

 

 

 

Рисунок 11. Цветовая маркировка диодов.

 

 

ОПОРНЫЙ ДИОД (СТАБИЛИТРОН)

 

Вопрос 13.

Что такое опорный диод?

 

Опорные диоды (стабилитроны) используются не для выпрямления тока, а в качестве стабилизаторов напряжения. Они изготавливаются из кремния и поэтому называются кремниевыми стабилитронами или опорными диодами. В них тоже имеется р-n – переход, однако, по сравнению с другими диодами его ширина невелика. Вот почему, когда на диод подаётся напряжение в обратном направлении, в переходе наступает электрический пробой, который не выводит из строя диод. Именно в режиме этого пробоя при малейшем увеличении напряжения ток через диод резко возрастет. На рисунке 12 дан внешний вид двух опорных диодов с их схемным обозначением. Диод Д808 маломощный, а диод 2С920А средней мощности и снабжён винтом для крепления к охлаждающему радиатору.

На этом же рисунке показана вольтамперная характеристика опорного диода Д808. При обратных напряжениях меньших, чем 7 В, ток через диод практически не протекает. При напряжении 7 В диод открывается (точка 1), и через него начинает протекать ток.

При небольшом увеличении напряжения ток резко возрастает.

Например, при увеличении напряжения от 7 В до 7,3 В ток возрастёт от 3 мА до 33 мА, т.е., в 11 раз. Именно область от точки 1 до точки 2 является рабочим участком опорного диода.

Рисунок 12. Кремниевые стабилитроны и вольтамперная характеристика стабилитрона Д808.

 

Вопрос 14.

Какие основные параметры опорного диода?

 

К основным параметрам опорного диода относятся:

 

– напряжение стабилизации (Uстаб.);

 

– минимальный ток стабилизации (Iстаб. мин.);

 

– максимальный ток стабилизации (Iстаб. макс.).

 

Вопрос 15.

Что такое напряжение стабилизации опорного диода?

 

Это напряжение Uстаб. при котором ток стабилизируется. Производятся диоды с напряжением стабилизации чаще всего от 6 В до 12 В, но имеются диоды и с напряжением от 2 В до 6 В и от 12 В до 300 В.

 

Чем круче участок «1 – 2» (рис. 12) вольтамперной характеристики опорного диода, тем лучше он стабилизирует напряжение.

 

Вопрос 16.

Что такое минимальный ток стабилизации опорного диода?

 

Это наименьший ток I стаб. мин., с которого начинается стабилизация.

Обычно I стаб. мин. = 4 мА - 5 мА.

Вопрос 17.

Что такое максимальный ток стабилизации опорного диода?

 

Это наибольший ток Iстаб. макс. через диод, который во время работы нельзя превышать, потому что наступит недопустимое нагревание диода.

В маломощных диодах чаще всего Iстаб. макс. = 20 мА – 40 мА.

 

Вопрос 18. Как обозначаются опорные диоды?

 

На рис. 13 представлены обозначения стабилитронов на принципиальных схемах.

Двуханодный (двухсторонний) стабилитрон можно включать в электрическую цепь в любом направлении.

 

Рисунок 13. Обозначение стабилитронов на принципиальных схемах:

а) стабилитрон; б) двуханодный стабилитрон.

 

 

ТУННЕЛЬНЫЙ ДИОД

 

Вопрос 19.

Что такое туннельный диод?

 

Туннельный диод – это специальный диод, характеристики которого отличаются от характеристик любого обычного диода или стабилитрона.

Благодаря необычной форме вольтамперной характеристики – на ней имеется участок «b – c» c отрицательным сопротив­лением (рис. 14).

 

Рисунок 14. Вольтамперная характеристика туннельного диода.

Вопрос 20.

Как работает туннельный диод?

 

В обычных условиях туннельные диоды работают в области своего отрицательного сопротивления. В данной области незначительное уменьшение напряжения включает этот прибор, а небольшое повышение - выключает его.

Важным достоинством этих диодов является то, что они могут работать на очень высоких частотах (до 1011 Гц).

 

Вопрос 21.

Где применяются туннельные диоды?

 

Туннельный диод может использоваться либо как генератор, либо как высокоскоростной выключатель: специфическая особенность прибора, низкое сопротивление, позволяют почти мгновенно изменять внутреннее сопротивление.

 

Вопрос 22.

Как обозначаются на схемах туннельные диоды?

 

Общий вид и обозначение на принципиальных схемах, приведены на рис. 15, а.

Разновидность туннельных диодов – обращённые диоды, у которых при малом напряжении на р-п переходе проводимость в обратном направлении больше, чем в прямом. Используют такие диоды при прямом включении.

В ус­ловном обозначении обращённого диода чёрточку-катод изображают с двумя штрихами, касающимися её своей серединой (рис. 15, б).

 

 

Рисунок 15. Общий вид и обозначение на принципиальных схемах туннельного диода.

 

 

 

 

ВАРИКАП

 

Вопрос 23.

Что такое варикап?

 

Варикап – диод, обычно использующийся в качестве конденсатора переменной ёмкости.

Изменение ёмкости осуществляется изменением подаваемого на варикап постоянного обратного напряжения.

Отрицательный полюс управляющего напряжения должен быть включен на вывод варикапа, обозначенный знаком (+).

 

Вопрос 24.

Как обозначаются варикапы?

 

Условное графическое обозначение варикапов (рис. 16, а) наглядно от­ражает их суть: две параллельные чёрточки воспринимаются как символ конденсатора.

Рисунок 16. Варикап.

 

Как и конденсаторы переменной ёмкости, варикапы часто изго­товляют в виде блоков (их называют матрицами) с общим катодом и раз­дельными анодами.

Для примера на рис. 16, б показано обозначение матрицы из двух варикапов, а на рис. 16, в – из трёх.

 

 

 

 

 

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Диоды и тиристоры: Справочник/А. А. Чернышев, В. И. Иванов, В. Д.

Галахоа и др. Под общ. ред. А. А. Чернышева. — М.: Энергия, 1975.

2. Полупроводниковые приборы. Диоды выпрямительные, стабилитроны,

тиристоры: Справочник/А. Б. Гитцевич, А. А. Зайцев, В. В. Мокряков и др.

Под ред. А. В. Голомедова. — М.: Радио и связь, 1988.

3. Иванов Б. С. В помощь радиокружку. — М.: Радио и связь, 1982

4. Борисов В. Г. Юный радиолюбитель. — 6-е изд. — М.: Энергия, 1979

5. Малогабаритная радиоаппаратура. Справочник/Р. М. Терещук, К. М.

Терещук, А. Б. Чаплинский и др. — 2-е изд. — Киев: Наукова думка, 1972.

6. Рудин В. А., Электроника. Полупроводниковые приборы. Владикавказ:

Самиздат, 2018.