Диод

Диод
Слева — электровакуумный диод, справа — полупроводниковые диоды
Тип	Активный электронный элемент
Изобретён	Джон Флеминг (1904)
Символьное обозначение
Пин конфигурация	Анод и катод

Дио́д (от греч. δις — «два» и ὁδός — «путь») — двухэлектродное электронное устройство, обладающее различной электрической проводимостью в зависимости от полярности приложенного к нему напряжения. Электроды диода носят названия анод и катод. У большинства диодов (электровакуумных диодов, выпрямительных полупроводниковых диодов) при приложении прямого напряжения (когда анод имеет положительный потенциал относительно катода) диод открыт (через него течёт прямой ток, электрическое сопротивление диода малое). Напротив, если к диоду приложено обратное напряжение (катод имеет положительный потенциал относительно анода), то диод закрыт (электрическое сопротивление диода велико, обратный ток мал и практически может считаться равным нулю).

Типы диодов

Диоды бывают электровакуумные, газонаполненные и полупроводниковые. В настоящее время в подавляющем большинстве случаев применяются полупроводниковые диоды.

 

 

 

Диоды

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Полупроводниковые

 

 

 

 

 

Не полупроводниковые

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Газозаполненные

 

Электровакуумные

Элетровакуумные диоды

Электровакуумный диод представляет собой сосуд (баллон), в котором создан высокий вакуум. В баллоне размещены два электрода — катод и анод. Катод прямого накала представляет собой прямую или W-образную нить, разогреваемую током накала. Катод косвенного накала — длинный цилиндр или короб, внутри которых уложена электрически изолированная спираль подогревателя.

История

В 1873 году английский учёный Фредерик Гатри заметил, что поднесение близко к положительно заряженному электроскопу (но без касания его электрода) раскалённой добела подсоединенной к земле металлической пластины, приведет к разряду электроскопа. Этого не происходило, когда электроскоп был заряжен отрицательно.

В 1883 году Томас Эдисон заново открыл этот эффект. Работая над совершенствованием угольных нитей накаливания, он заметил, что внутренняя поверхность стеклянных ламп постепенно темнеет. Угольный налет равномерно покрывал всю поверхность лампы, кроме одной полоски в том месте, где крепилась нить.

Эдисон поместил маленькую металлическую пластинку между двумя ножками подпорки нити и обнаружил, что когда пластинку соединяли с положительным полюсом источника питания, в цепи лампы появлялся небольшой электрический ток. При присоединении пластинки к отрицательному полюсу этого не происходило.

1 — нить накала, 2 — катод, 3 — электронный ток, 4 — анод

Суть обнаруженного эффекта заключается в том, что концентрация свободных электронов в металлах достаточно высока, поэтому при нагревании металла некоторые электроны приобретают энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера на границе металла. Это явление получило название термоэлектронной эмиссии. С повышением температуры число электронов с достаточной для преодоления барьера энергией увеличивается, и вблизи поверхности металла образуется электронное облако.

В опыте Эдисона положительно заряженная пластина притягивала электроны, отрицательно заряженная их отталкивала. Это явление было применено в двухэлектродной вакуумной лампе под названием термоэмиссионный диод или клапан (вентиль) Флеминга (англ. Fleming’s valve), изобретенной в 1904 году в качестве детектора для радиоприемников. Данное устройство получило название вентиля, потому что оно обладало способностью пропускать электрический ток только в одном направлении. Вентиль представлял собой вакуумированную стеклянную колбу, содержащую два электрода: нагретую нить накала (катод) и анод. В ранних версиях вентиля анод представлял собой плоскую металлическую пластину, расположенную рядом с катодом, в более поздних версиях он стал металлическим цилиндром, окружающим катод. Сам же катод стал подогреваться отдельной нитью накала.

Принцип действия

При разогреве катода электроны покидают его поверхность за счёт термоэлектронной эмиссии. Уже при нулевом напряжении анода относительно катода (например, при коротком замыкании анода на катод) через лампу протекает небольшой поток электронов от катода к аноду, поскольку относительно быстрые электроны преодолевают потенциальную яму пространственного заряда и притягиваются к аноду. Тем самым, отсечка тока наступает лишь при подаче на анод запирающего отрицательного напряжения порядка (−1) В и ниже.

При подаче на анод положительного напряжения в диоде возникает ускоряющее поле, ток анода возрастает. При достижении током анода значений, близких к пределу эмиссии катода, рост тока замедляется, а затем прекращается.

Таким образом электровакуумный диод — это устройство, обладающее односторонней проводимостью. Диоды малой мощности используются для целей демодуляции, а силовые диоды (кенотроны) — для преобразования переменного напряжения в постоянное (с целью выпрямления).

Вольт-амперная характеристика

Вольт-амперная характеристика электровакуумного диода имеет три характерных участка:

• 

  Вольт-амперная характеристика электровакуумного диода
  Нелинейный участок. На начальном участке ток медленно возрастает при увеличении напряжения на аноде, что объясняется противодействием полю анода объёмного отрицательного заряда электронного облака, образовавшегося вокруг катода. С ростом напряжения ток растет экспоненциально, что обуславливается распределением начальных скоростей электронов. Для полного прекращения анодного тока к аноду необходимо приложить напряжение меньше нуля, называемое запирающим.
• Участок закона степени трёх вторых. Зависимость анодного тока от напряжения описывается законом степени трёх вторых:

$I_{A}=g\cdot U_{A}^{3/2}$, где $g$ — постоянная, зависящая от конфигурации и размеров электродов.

• Участок насыщения. При дальнейшем увеличении анодного напряжения рост анодного тока замедляется, а затем полностью прекращается, поскольку все электроны, вылетающие из катода, достигают анода. Дальнейшее увеличение анодного тока при данном напряжении накала невозможно, поскольку для этого нужны дополнительные электроны, а их взять негде (эмиссия электронов с катода исчерпана). Установившейся анодный ток называется током насыщения.

Полупроводниковые диоды

К числу полупроводников (материалов, по удельной проводимости занимающих промежуточное положение между проводниками и диэлектриками) относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений. Свойствами полупроводников можно управлять, добавляя в основной материал определённые примеси и создавая так называемую примесную проводимость. Существует два вида примеси — донорная и акцепторная:

• Донорной называют примесь, легко отдающую свои электроны в качестве свободных электронов проводимости. Это происходит тогда, когда число валентных электронов добавляемой к чистому полупроводнику примеси оказывается больше числа валентных электронов самого полупроводника, тем самым в полупроводниках с донорной примесью основными носителями заряда являются электроны. Подобные полупроводники, называются полупроводниками n-типа (n- negative).

• Акцепторной называют примесь, когда число валентных электронов примеси оказывается меньше числа валентных электронов самого полупроводника, оттого в полупроводниках с акцепторной примесью основными носителями заряда являются дырки. («Дырка» образуется в атоме, «потерявшем» электрон. Термин «дырка» устоялся и стал официальным). Полупроводники, основными носителями заряда в котором являются дырки, называются полупроводниками р-типа (р — positive).

Электронно-дырочный переход (p-n-переход)

Схематичное изображение областей р, n и обеднённой зоны (depletion region)

Если между двумя полупроводниками c разными типами проводимости установить пограничный контакт, то основные носители тока — дырки в р-области и свободные электроны в n-области — диффундируют из одной области в другую. Вследствие рекомбинации (взаимной нейтрализации зарядов) электронов и дырок между областями р и n образуется тонкий слой полупроводника, обеднённый носителями заряда — р-n-переход.

В зоне р-n- перехода возникает электрическое поле, направленное из n-области к p-области и препятствующее дальнейшей диффузии дырок и электронов — образуется так называемый потенциальный барьер. Если к р-области присоединить отрицательный полюс источника постоянного напряжения, а к n-облаcти положительный, то потенциальный барьер возрастет на величину приложенного напряжения, и основные носители тока не смогут проходить через р-n-переход. Если же, наоборот, к р-области присоединить положительный, а к n-облаcти отрицательный полюс источника питания, то потенциальный барьер снизится и основные носители тока получат возможность проходить через р-n-переход.

• Изображение принципа действия p-n перехода
• 

  Напряжение не приложено, р-n переход находится в равновесном состоянии

• 

  К р-области приложен «плюс» источника питания, а к n-области приложен «минус», р-n переход смещён в прямом направлении — диод открыт

• 

  Если полярность источника питания поменять, р-n переход смещён в обратном направлении — диод заперт

Устройство, использующее основное свойство р-n-перехода — одностороннюю проводимость, и имеющее в своём составе два электрода — анод и катод, называется полупроводниковым диодом. Существует несколько типов полупроводниковых диодов, различаемых по внешнему виду, примесям, электрическим характеристикам и областям применения.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода

График прямой ветви характеристики представлен в первом квадранте характеристики, график обратной ветви — в третьем. Основные параметры:

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода

• Прямой ток — ток, протекающий через диод, когда к нему приложено постоянное прямое напряжение, превышающее величину напряжения отсечки $U_{d}$. В этом режиме ток ограничен сопротивлением нагрузки.
• Обратный ток — ток, протекающий через диод, когда к нему приложено наибольшее допустимое постоянное обратное напряжение.
• Обратное пробивное напряжение — напряжение, величина которого превышает наибольшее допустимое постоянное обратное напряжение. При этом происходит лавинный пробой р-n-перехода и диод выходит из строя. Чем больше протяженность отрицательной ветви вольт-амперной характеристики, тем большей способностью обладает диод выдерживать без пробоя обратное напряжение.
• Допустимая амплитуда обратного напряжения — наибольшая амплитуда обратного напряжения, которая может быть приложена к прибору в обратном направлении в течение непродолжительного времени, и не вызывающая пробоя перехода.

Классификация полупроводниковых диодов и их обозначение на схеме

Графическое обозначение используется для создания электрических схем. Эмиттер (анод) обозначен равносторонним треугольником, обозначающим полупроводниковую структуру р -типа, катод обозначен отрезком линии к углу треугольника.

• Графические символы различных типов диодов, используемые на электрических схемах в соответствии с их функциональным назначением. Треугольник указывает направление тока от анода к катоду (прямая проводимость).
• 

  Диод выпрямительный

• 

  Светоизлучающий диод

• 

  Фотодиод

• 

  Диод Шоттки

• 

  Туннельный диод

• 

  Варикап

• 

  Стабилитрон

В схемах рядом с графическим обозначением указывается буквенно-символическое обозначение — символы, например VD1, где:

• V — полупроводниковый прибор (ранее в схемах символ не применялся);
• D — диод;
• 1 — порядковый номер прибора в схеме.

Примеры применения диодов

Выпрямители

Классическая схема с применением диодов — преобразователь переменного тока в постоянный (выпрямитель). Схемы выпрямителей могут быть однофазными и многофазными. Большинство выпрямителей малой мощности для бытового оборудования являются однофазными, а для промышленного применения используются мощные трёхфазные выпрямители.

Однофазный однополупериодный выпрямитель на полупроводниковом диоде

Однополупериодный выпрямитель: график напряжения по времени до выпрямления и график напряжения по времени после выпрямления

Однополупериодный выпрямитель является простейшим выпрямителем и состоит из электрического трансформатора и одного диода (D).

Ток со вторичной обмотки трансформатора проходит через диод (вентиль) на нагрузку только в положительные полупериоды переменного напряжения. В отрицательные полупериоды вентиль закрыт, напряжение источника переменного напряжения прикладывается к вентилю, а напряжение на нагрузке равно нулю.

Однофазный двухполупериодный выпрямитель на полупроводниковых диодах

Однофазный двухполупериодный выпрямитель на полупроводниковых диодах

Наиболее часто применяемой схемой выпрямителя малой мощности является однофазный двухполупериодный выпрямитель, выполненный по мостовой схеме (мост Греца).

Ток со вторичной обмотки трансформатора проходит через вентиль на нагрузку и в положительные полупериоды переменного напряжения, и в отрицательные. Эффективность такой схемы намного выше, несмотря на большее количество применённых вентилей.

Ламповый вариант схемы выпрямителя

Двухполупериодный выпрямитель на двойном диоде

Ламповый вариант схемы выпрямителя выполнен на комбинированной радиолампе (двойном диоде), представляющей собой два диода, размещённых в одном баллоне. Эта схема известна как двухполупериодный выпрямитель со средней точкой, предложенный в 1901 году профессором Миткевичем.

В этом выпрямителе две противофазных обмотки $L1$ и $L2$ создают двухфазный переменный ток со сдвигом между фазами в 180°. Двухфазный переменный ток выпрямляется двумя однополупериодными выпрямителями, включенными параллельно и работающими на одну общую нагрузку. Во время одного полупериода ток в нагрузку проходит с одной половины вторичной обмотки через один вентиль, в другом полупериоде — с другой половины обмотки через другой вентиль.

Ввиду того, что обе обмотки трансформатора $L1$ и $L2$ работают поочерёдно, каждая из них должна формировать рабочее напряжение, поэтому схема требует большого расхода меди. Кроме того, необходимо иметь дополнительную обмотку накала катода. В настоящее время схема применяется редко, в основном в аппаратах специального назначения.

Диодная защита

Диоды применяются для защиты устройств от неправильной полярности включения, защиты входов схем от перегрузки, защиты электронных ключей от пробоя ЭДС самоиндукции и прочее.

Диодная защита ключа, коммутирующего индуктивную нагрузку.
$SW$ — ключ;
$SWON,\ SWOFF$ — включённое и выключенное состояния ключа;
$U$ — напряжение на ключе;
$I$ — ток катушки индуктивности;
$I_{f}$ — ток через диод после его открывания.

При выключении индуктивных нагрузок, работающих в цепях постоянного тока (таких как катушки мощных магнитных пускателей), на катушке возникает ЭДС самоиндукции, пропорциональная скорости изменения тока:

$\epsilon _{i}=-L{d\Phi \over dt}$, где

$L$ — индуктивность;

$I$ — ток через индуктивность;

$t$ — время.

ЭДС самоиндукции при размыкании цепи начинает работать как самостоятельный источник энергии, которая высвобождается в виде искры на размыкающих контактах, вызывая на них нагар и способствуя повышенному износу. Если используется транзисторный ключ, он может выйти из строя.

Диод включается параллельно катушке индуктивности так, чтобы при замкнутом коммутирующем ключе диод был закрыт, а при размыкании ключа на диод подавалось открывающее его встречное напряжение ЭДС самоиндукции. Таким образом диод шунтирует катушку, пропуская ток через себя.

Диодную защиту нельзя использовать в схемах переменного тока, поскольку на диод будет поступать открывающее напряжение в те полупериоды переменного напряжения, когда коммутирующий ключ замкнут.

Типы полупроводниковых диодов

Ниже приведены некоторые типы полупроводниковых диодов.

Светодиоды

Светодиод — полупроводниковый диод, который при пропускании через него тока в прямом направлении создаёт оптическое излучение. По сравнению с другими электрическими источниками света светодиоды имеют следующие преимущества:

• Высокая световая отдача. Современные светодиоды сравнялись по этому параметру с натриевыми газоразрядными лампами и металлогалогенными лампами, достигнув 146 люмен на ватт.
• Высокая механическая прочность, вибростойкость (отсутствие нити накаливания и иных чувствительных составляющих).
• Длительный срок службы (при достаточном охлаждении) — от 30 000 до 100 000 часов (при работе 8 часов в день — 34 года).
• Количество циклов включения-выключения не оказывает существенного влияния на срок службы светодиодов (в отличие от традиционных источников света — ламп накаливания, газоразрядных ламп).

• Примеры применения светоизлучающих диодов
• 

  Комнатное освещение

• 

  В светофорах

• 

  В автомобильных фарах

• 

  Декоративное применение

• 

  Светодиодный прожектор

Фотодиоды

Фотодиод — полупроводниковый диод, преобразующий падающий на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n переходе.

Структурная схема фотодиода:

Структурная схема фотодиода

1 — кристалл полупроводника;

2 — контакты;

3 — выводы;

Е — источник постоянного тока;

R_H — сопротивление нагрузки.

Фотодиоды используются в фотоприёмниках, применяемых как в бытовой технике, так и в промышленности. Например, в защитной фоторелейной завесе — световом затворе, представляющем собой разнесённую пару из направленных друг на друга светоизлучающего и светоприёмного диодов, регистрирующих пересечение линии светового луча в охранной зоне. Для достижения высокой чувствительности светового затвора обычно используется фотодиод в паре с усилителем.

Варикапы

Варикап — полупроводниковый диод, работа которого основана на зависимости барьерной ёмкости p-n перехода от обратного напряжения. Барьерная ёмкость свойственна всем полупроводниковым диодам, и она уменьшается по мере увеличения обратного напряжения на диоде. У варикапов эта ёмкость может меняться в достаточно широких пределах, в 3 — 5 раз и более.

Варикапы применяются в качестве элементов с электрически управляемой ёмкостью в схемах перестройки частоты колебательного контура в частотно-избирательных цепях, устройствах деления и умножения частоты, частотной модуляции и др.

На иллюстрации приведён пример использования варикапа D1 в схеме частотного модулятора.

Схема частотного модулятора с использованием варикапа (варактора)

Применение диодов в логических элементах

Наиболее распространённое применение диодов в логических элементах встречается в схемах диодно-транзисторной логики — ДТЛ.

Логический элемент 2И-НЕ

На рисунке приведён пример построения логического элемента на базе схемы, составленной из входной линейки диодов VD1, VD2, на катоды которых приходят сигналы либо высокого уровня (логическая «1»), либо низкого уровня (логический «0»), и транзисторного ключа на полупроводниковом триоде VT1.

Если хотя бы на один из входов Inp1, Inp2 или на оба сразу приходит логический «0», то на базу транзистора подается низкий уровень, транзистор заперт. На выходе Out появляется высокий уровень, то есть логическая «1».

Если на оба входа Inp1, Inp2 подаются сигналы высокого уровня, транзистор открыт и на выходе Out появляется низкий уровень, то есть логический «0». Таким образом, схема реализует логическую функцию «И-НЕ». На практике, если входных сигналов несколько, к названию функции добавляется количество входов. Соответственно, этот логический элемент носит название «2И-НЕ».