Что такое диод

Диод – основной элемент в электронных схемах, имеет способность пропускания тока в одном направлении от анода к катоду.  Диод работает на основе p-n перехода. Выпрямительные диоды включают по мостовой или полумостовой схеме, чтобы питание нагрузки осуществлялось на протяжении обоих полупериодов. Термин "диод" был введён в 1919 году Вильямом Генри Икклзом, до этого все диоды назывались выпрямителями.

Помимо выпрямления электрического тока диоды также используются в качестве защитных элементов от переполюсовки, переключения и замыкания передающей сигнал цепи, а также при преобразовании высокочастотных сигналов.

Применяются диоды различных видов везде: в блоках питания, освещении, в разного рада детекторах и преобразователях частот, логарифматорах и экстрематорах, в устройствах, где требуется нелинейная обработка сигналов и т.д.

Обозначение диода на схеме:

Развитие этой технологии началось во второй половине 19 века. В 1873 году британский физик Фредерик Гатри (1833 г. - 1886 г.) обнаружил, что отрицательно заряженный шар электроскопа (прибора для определения наличия электрического тока) постепенно теряет заряд, но при положительной заряженности заряд сохраняется. В то время данное явление не поддавалась объяснению, но сейчас мы знаем, что оно вызвано термоэлектронной эмиссией.

Электроскоп

Термоэлектронная эмиссия (эффект Эдисона, эффект Ричардсона) - излучение электронов из твёрдого тела в окружающее пространство (обычно вакуум или инертный газ) при нагреве до высокой температуры. Это явление будет использоваться в вакуумных диодах с накапливаемым катодом. Впервые её обнаружил Эдмонд Беккель в 1853 году, затем эффект переоткрыл Томас Эдисон в 1880 году, во время опытов над увеличением срока работы ламп накаливания.

В 1904 году британский учёный, бывший ранее сотрудником Эдисона, Джон Амброз Флеминг дал начало технологии не полупроводниковых диодов, запатентовав вакуумный диод, а точнее двухэлектродную лампу с вакуумом внутри, которую в будущем назовут диодом. Термоэлектронная эмиссия позволила использовать такую лампу как выпрямитель. Это возможно благодаря тому, что электроны, продвигаясь вперёд вместе с изменяющим своё направление переменным током, при попадании в лампу протекая в одну сторону проходят лампу насквозь и вынуждены продолжать движение дальше, по пути меньшего сопротивления, иначе они будут рассеяны.

Джон Амброз Флеминг 1849 г. - 1945 г.

Параллельно с этим в 1874 году немецкий физик Карл Фердинанд Браун обнаружил, что с помощью некоторых кристаллов (таких как сульфид свинца или сульфид кадмия) можно выпрямлять ток. На основе этого эффекта он разработал первый полупроводниковый диод - кристаллический выпрямитель, получив на него патент в 1899 году. На самом деле эта конструкция очень простая и до 1950-ых любители зачастую сами приготавливали такие кристаллы и собирали нужную конструкцию. Нужно лишь сделать так, чтобы полупроводник упиралась проволока из металла, который значительно лучше проводит ток. Место соприкосновения материалов с разной проводимостью стали называть "переходом". На основе этого же принципа конструкции работает диод Шоттки.

Эффект Шоттки - снижение высоты потенциального барьера проводимости по мере увеличения напряженности электрического поля. 

Карл Фердинанд Браун 1850 г. - 1918 г.

Основные принципы работы диодов:

Полупроводниковые материалы (полупроводники) - материалы, которые обладают электропроводимостью, значение которой находится между значениями проводников и изоляторов и их проводимость может изменяться при воздействии различного рода факторов. В диодах полупроводники используются для создания зон с различной концентрацией зарядов, что является почвой для создания p-n перехода.

В основе работы самого стандартного диода используется p-n переход - область полупроводникового материала, обладающего разными проводящими свойствами на разных сторонах перехода. Он образуется на границе двух разнородных проводников: представляющего анод позитивного типа (p,+) и являющегося катодом негативного типа (n,-). При прикладывании прямого тока – тока, при котором анод подключён к плюсу, а катод к минусу, происходит прямое смещение, а электрическое поле внутри p-n перехода помогает электронам преодолеть потенциальный барьер, что приводит к протеканию тока. Если к диоду приложить обратный ток – ток, при котором подключение выполнено наоборот (анод к минусу, катод к плюсу), то происходит обратное смещение и электрическое поле будет препятствовать движению заряда, а протекающий через диод ток будет пренебрежительно мал.

Процесс смещения зарядов частиц и их возвращение в исходное состояние называются рекомбинацией.

Таким образом диод можно представить как односторонний клапан для тока, пропускающий его только в одном направлении и блокируя в обратном направлении.

Основные характеристики диодов:

  Максимальный прямой ток - уровень тока, который диод может проводить без перегрева или повреждения.

  Максимальное обратное напряжение - напряжение, которое можно приложить к диоду, не вызывая его пробоя или повреждения

  Напряжение стабилизации – напряжение, при котором сопротивление диода начинает изменяться.

  Напряжение пробоя - напряжение при достижении которого происходит пробой диода, то есть его сопротивление резко падает до нуля.

  Время восстановления - Время необходимое для диода, чтобы вернуться в состояние низкой проводимости после снятия обратного напряжения.

  Ёмкость диода - ёмкость между анодом и катодом.

  Тепловое сопротивление - способность диода рассеивать тепло.

  Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода - графическое изображение зависимости между напряжением и током, протекающим через диод при различных значениях напряжения.

Виды диодов

До сих пор диоды разделяются на полупроводниковые (распространённые и применяемые повсеместно в большинстве случаев) и не полупроводниковые (считающиеся, в большинстве случаев, устаревшими). 

Не полупроводниковые

Не полупроводниковые диоды делятся на газозаполненные и вакуумные.

Электровакуумные диоды представляют собой вакуумную двухэлектродную лампу, внутри которой происходит термоэлектронная эмиссия, таким образом, что при подаче заряда на положительный электрод (p,+) он нагревается и излучает электроны в вакуум, следовательно тока не возникает. Но при подаче напряжения на отрицательный (n,-) ток под действием электрического поля спокойно образуется и течёт от катода к аноду. Таким образом диод используется для выпрямления приложенного к нему напряжения и детектирования сигналов высокой частоты.

В целом такие несмотря на то, что такие диоды не имеют эффекта протекания обратного тока их используют крайне редко и обычно ограничено радиотехникой, так как в сравнении с полупроводниковыми они обладают большими размерами и весом, при уязвимы для случайных внешних физических воздействий и дополнительно расходуют электроэнергию на накал.

Вакуумные диоды

Вакуумный диод на схеме

Газонаполненные диоды (газотроны) идейно схожи с вакуумными, но как следует из названия, наполняются инертным газом (ртутными парами или парами других металлов) внутри них происходит управляемый дуговой разряд. Их основное использование состоит в препятствовании граничному повышению напряжения.

Полупроводниковые диоды

Выпрямительный диод - один из наиболее распространённых видов диодов, используемый в выпрямительных схемах для преобразования переменного тока в постоянный, обеспечивая стабильное питание электронных устройств, и позволяют умножать напряжение. На самом деле другие виды полупроводниковых диодов тоже используются для выпрямления напряжения, но в данном случае имеются ввиду самые стандартные диоды. Когда говорят "обычный диод" обычно имеют ввиду именно его.

Также существуют силовые выпрямительные диоды, которые отличаются показателем прямого тока более 10 А. Такие диоды могут выдерживать огромные мощности тока при напряжении до нескольких киловольт. 

Быстродействующие (ультрабыстрые) диоды - это диоды специально оптимизированные для максимально короткого перехода из проводящего состояния в непроводящее и максимального снижения прохождения тока в обратном направлении. Они имеют малую ёмкость перехода и, накапливая меньший заряд, открываются быстрее и с меньшим выбросом тока. Применяются быстродействующие диоды в высокочастотной технике, когда простые выпрямительные диоды не успевают закрываться и через них успевает протекать мешающий работе цепи и нагревающий сам диод обратный ток.

Импульсный диод - вид диодов, предназначенный и оптимизированный для работы в импульсном режиме в высокочастотных схемах, где важна быстрая реакция на изменение напряжения. Его принципиальными отличиями от выпрямительного является кратковременность переходных процессов, в силу очень малой ёмкости p-n перехода, и то, что он не блокируется сразу после подачи обратного напряжения, оставаясь открытым в течении очень кратковременной задержки.

Эта важная характеристика для применения в устройствах которые используют в своей работе электрические импульсы, например в импульсных источниках питания, в радиочастотных устройствах и коммуникационных схемах. Эти диоды могут при правильном использовании эффективно защищать другие компоненты от перенапряжений и обратных напряжений, которые могут возникать при быстром переключении нагрузок.

Быстродействующие и импульсные диоды обозначаются на схеме аналогично выпрямительному.

Защитный диод (Диод Зенера) - диод, работающий в режиме обратимого пробоя p-n перехода при приложении обратного напряжения. Используется для стабилизации напряжения и защиты оборудования от приводящих к выходу из строя опасных скачков напряжения, регулярно случающихся, например, во время грозы. Также его зачастую называют: ПОН (полупроводниковый ограничитель напряжения) супрессор, стабилитрон или диод Зенера, в честь его изобретателя физика Кларенса Зенера.

Стабилитрон обладает высоким сопротивлением. Ток начинает проходить через него только при достижении определённых параметров напряжения, характерных для электрического пробоя. В такой ситуации сопротивление резко падает, но остаётся стабильным, что позволяет нейтрализовать колебания тока и защитить остальные компоненты от перегруза. При этом стабилитроны способны выдерживать большие температуры и, в отличии от обычных диодов, не перегорают при выделении тепла во время пробоя, не нужда в дальнейшей з

Стабилитроны разделяют на 3 вида:

  Презиционные – обеспечивают большую стабильность напряжения.

  Двухсторонние – стабилизируют напряжение разной полярности.

  Быстродействующие – характеризуются коротким переходным периодом от непроводящего в проводящее состояние.

Стабистор - защитный диод специально разработанный и применяемый для стабилизации малых напряжений, его можно представить как постоянный "регулятор" автоматически корректирующий напряжение, удерживая его на необходимом уровне, независимо от колебаний сети. Также, в отличие от стабилитрона, у стабистора заданное напряжение изменяется в зависимости от собственной температуры, потому их можно использовать для температурной компенсации стабилитронов.

Диод Шоттки - полупроводниковый быстродействующий диод, оптимизированный в первую очередь для обеспечения малого падения напряжения при прямом пропускании тока. В нем между анодом и катодом используется барьер Шоттки, представляющий из себя переход металл-полупроводник (m-n), вместо стандартного p-n перехода, что заметно повышает рабочую частоту и делает падение напряжения при прямом включении минимальным. Однако также у такого диода низкое обратное напряжение пробоя и высокие утечки в закрытом состоянии, что приводит к его нагреву и значительно ограничивает область применения.

Точечный диод - полупроводниковый диод с очень малой площадью p-n перехода, который образуется в результате контакта тонкой металлической иглы с нанесённой на неё примесью и полупроводниковой пластинки с определённым типом проводимости.

Подобная малая площадь p-n перехода необходима чтобы свести к минимуму его ёмкость, ценой за которую является механическая хрупкость и большой разброс параметров. Этот вид диодов был популярен в технике конца 20-го века, но в наше время считается устаревшим, его область применения в нынешней электронике занимают диоды Шоттки и PIN-диоды.

Светодиод - диод, кристалл которого излучает свет при прохождении электрического тока через его p-n переход. Это достигается благодаря использованию полупроводниковых материалов, которые при обратном смещении и рекомбинации частиц за счёт взаимодействия разнонаправленных зарядов испускают энергию в окружающую среду в виде света и тепла. При работе свет применяется, а тепло отводится с целью избежания перегрева.

Светодиоды крайне широко распространены и применяются в различных осветительных приборах, дисплеях и индикаторах, являясь одним из самых популярных товаров на рынке осветительной техники.

Цвет свечения светодиода зависит от используемого в нём типа полупроводника или покрытия люминофора, если светодиод изначально белый. Также от типа и длины волны изначального свечения зависит необходимое минимальное напряжение питания, например, одинаковым светодиодам разного цвета необходимо напряжение:

красному - 1.8 V, оранжевому - 2.0 V, желтому и зелёному - 2,2 V, а синему и белому 3,2 V.  

Также есть инфракрасные светодиоды, в целом внешне они аналогичны обычным, отличаясь только лишь тем, что излучаемый их полупроводниками свет находится в инфракрасном диапазоне и не виден человеческому глазу, но при этом улавливается специальными приборами.

Применяются они в различных датчиках незаметных датчиках и пультах дистанционного управления в качестве источников инфракрасного сигнала, а также в видеокамерах и приборах ночного видения в качестве подсветки. Обозначаются на схемах они аналогично обычным светодиодам.

Полупроводниковый лазер (лазерный диод) - лазерный излучатель, построенный на базе диода. Они основаны на том же принципе, что и светодиоды, выход энергии во внешнюю среду с выводом света и тепла, но в более направленной, не такой спонтанной форме. В лазерных диодах полупроводниковые кристаллы изготавливают в виде тонкой прямоугольной пластинки, верхний слой которой является n-областью, а нижний p-областью образую плоский p-n переход большой площади, две боковые стороны кристалла полируются для образования гладких параллельных плоскостей. Таким образом кристалл является одновременно и излучателем, и волноводом и оптическим резонатором, фокусируя и вынуждая фотоны света двигаться в одном направлении, либо отражаться от собственных гладких стенок, вызывая дополнительную рекомбинацию и образование новых фотонов.

Фотодиод - диод чувствительный к свету, противоположный светодиоду, преобразующий принятый чувствительной поверхностью элемента свет в электрический заряд. Фотоны попадая на поверхность их полупроводника создают пару свободных электронов и положительных зарядов, которые затем движутся в обратных направлениях под воздействием электрического поля p-n перехода.

Такие устройства являются быстродействующими датчиками с малым уровнем шума, которые широко применяются в таких сферах как оптическая связь, фотометрия, спектроскопия и тому подобных. 

Также, поскольку такой прибор способен вырабатывать электрический ток, одним из основных применений данных элементов стала выработка электроэнергии, т.е. солнечные батареи. Разница лишь в том, что в них используются панели с элементами большего размера и в больших количествах.

Затрагивая тему светодиодов и фотодиодов нельзя не упомянуть оптрон - прибор состоящий из излучателя света (в подавляющем большинстве случаев светодиод) и фотоприемника (фототранзисторов, фоторезисторов, фототиристоров или фотодиодов). Обычно 2 компонента связаны общим оптическим каналом и помещены в один корпус. Что логично в излучателе оптрона происходит преобразование электрического сигнала в оптический, в фотоприемнике - оптического в электрический. 

Поскольку лучом света удобно улавливать механические воздействия и движения первым приходящим на ум применением для оптрона является датчик наличия объекта. Также оптроны используются для образования гальванической развязки. Гальваническая развязка - принцип связи или передачи сигнала от одной электроцепи к другой для питания или управленческого воздействия без непосредственного электрического контакта между ними.

Туннельный диод (Диод Эсаки)  - диод, принцип действия которых основан на квантово-механическом эффекте туннелирования. Это значит, что если выпрямительные диоды пропускают ток в одну сторону, то туннельные диоды могут пропускать ток в обе стороны, при пересечении обратным током порогового значения. Этот эффект достигается за счет вырожденного полупроводника - полупроводника в котором концентрация примесей настолько велика, что собственные электрические свойства практически не проявляются, уступая свойствам примеси. Был назван в честь своего изобретателя, японского физика Лео Эсаки.

Нужно учитывать что эти диоды имеют ограниченный диапазон напряжения и токопроводящую способность, чувствительны к любым внешним воздействиям, особенно к изменениям температуры.

Обращённый диод - подтип туннельных диодов, попускающий большой обратный ток при меньшей концентрации частиц. Для появления обратного тока достаточно буквально нескольких милливольт. При этом при подаче прямого напряжения ток протекать не будет пока напряжение не достигнет определенного порогового значения. Таким образом обратное напряжение можно считать проводящим состоянием диода, а не доходящее до порога прямое состояние - непроводящим.

Варикап -полупроводниковый диод способный изменять собственную ёмкость в зависимости от приложенного на его p-n переход напряжения. Можно сказать что это компонент обладающий свойствами одновременно и диода и конденсатора переменной ёмкости, если к нему прикладывается обратное напряжение. При изменении напряжения изменяется и толщина p-n перехода, а следовательно и емкость. Сам переход варикапа играет роль диэлектрика. Также существует двойной варикап, совмещающий в одной конструкции два обычных варикапа таким образом, чтобы образовать два входа и один общий выход, внешне такая конструкция напоминает транзистор.

Из-за своих особых свойств варикапы широка применяются в схемах приборов связанных с управлением частотами сигнала. В РЧ-фильтрах сигналов, в синтезаторах частоты, в умножителях частоты, в системах подстройки частоты, в частотных и фазовых модуляторах и т.д.

PIN-диод - разновидность диода, в котором между положительной ( p ) и негативной ( n ) областями проводимости находится нелегированная область собственного полупроводника ( i ), образуя p-i-n переход.  Потому такой диод и называется PIN-диодом.

Такая конструкция имеет собственные ёмкость и сопротивление, потому не пропускает ток сразу, оставаясь закрытой пока i-область полностью не зарядится и только после этого начинает пропускать ток, если в i-область низкая концентрация заряда, происходит рекомбинация и слабый заряд пропадает. С низкой частотой тока PIN-диод либо работает подобно обычному , при этом уступая ему в качестве выпрямления тока, либо вовсе отключается в силу рекомбинации, но на высоких частотах высоких частотах, когда его емкость заполняется, начинают проявляются свойства p-i-n перехода из-за которых он ведёт себя как практически идеальный резистор. Потому PIN-диод идеально подходит для понижения мощности сигнала.

Проектируются PIN-диоды обычно для определённой конкретной задачи в схеме, поскольку с изменением длинны i-области изменяется как величина накапливаемого заряда, а следовательно и скорость рекомбинации с переходом в закрытое состояние, так и сопротивление.

Магнитодиод - редкая разновидность полупроводниковых диодов, ВАХ которых может изменяться под влиянием магнитного поля. Также имеет дополнительную i-область именуемую зоной рекомбинации, увеличивающую его величину и, следовательно, чувствительность к внешнему электромагнитному воздействию.

Лавинный диод - подкласс полупроводниковых диодов с p-n переходом. Представляет собой разновидность стабилитронов, которые инициируют лавинный пробой. Лавинный пробой - электрический пробой в диэлектриках и полупроводниках, при котором происходит резкое увеличение тока под влиянием электрического поля. Он обусловлен тем, что разгоняясь в сильном электрическом поле на расстоянии свободного пробега, носители заряда могут приобретать кинетическую энергию, достаточную для ударной ионизации атомов или молекул материала при соударениях с ним.

Лавинно-пролётный диод (ЛПД) - разновидность лавинных диодов, построенный на эффекте лавинного умножения носителей заряда. Они имеют в своей структуре дополнительные пролёты, по числу которых такие диоды можно разделить на однопролётные и двухпролётные:
p⁺-n-n⁺, p⁺-n-i-n⁺, m-n-n⁺, n⁺-n-p-p⁺ и т.п.

Поскольку главной задачей ЛПД является накопление с последующим лавинообразным высвобождением заряда их основное применение - генерация колебаний в СВЧ-технике.

Диод Ганна - полупроводниковые компоненты, чей принцип работы основан не на p-n переходе. Все его свойства определяются не местом соединения двух полупроводников, а собственными нелинейными свойствами полупроводникового материала и эффектом Ганна. Эффект Ганна - явление возникновения осцилляции тока в однородном полупроводнике при приложении к нему сильного электрического поля.

Диоды Ганна также используются для генерации колебаний в СВЧ-технике, длительность их переходов крайне мала, а сами они применяются в технике к которой предъявляются повышенные требования в отношении стабильности частоты. Главным же минусом этих компонентов выступает их низковольтный характер эксплуатации, вырабатываемое ими напряжение колеблется на уровне единиц микровольт, потому в схему вместе с ними вводятся усилители СВЧ-сигнала.

Тиристор - полупроводниковый прибор, представляюший из себя p-n-p-n структуру. Таким образом в нем содержится 4 полупроводниковых слоя и 3 p-n перехода. Крайние области называются эмиттерами, внутренние - базами. Соответственно крайние переходы называются эмиттерными, а внутренний - коллекторным. Имеет управляющий электрод, который определяет его устойчивое состояние, позволяя использовать его в качестве электрического ключа.

В тиристоре существует обратная связь по току - увеличение тока через один эмиттерный переход приводит к увеличению тока через другой эмиттерный переход.

Своими свойствами тиристор напоминает транзистор, но в отличии от него тиристор является не полностью управляемым ключом. Переходя в открытое состояние он продолжает оставаться в нем даже если прекратить подавать ток на управляющий переход, но при этом отличается большей стабильностью, что позволяет использовать его для управления нагрузками большей мощности.

Динистор - тиристор с двумя выходами, не имеющий управляющего электрода. Его переход в проводящее состояние происходит, если напряжение между анодом и катодом превышает порог открытия.

Симистор (симметричный тиристор) - не имеющий анода и катода тиристор, который работает с переменным напряжением, проводя ток в двух направлениях, но также как и обычный тиристор имеет управляющий электрод.

Диодные мосты

Диодный мост - электронное устройство, состоящий из диодов выпрямитель, т.е. устройство для преобразования переменного тока (AC) в постоянный (DC). Диодные мосты неотъемлемая часть современной электроники, они широко используются в электронике и силовых устройствах, где требуется преобразование тока. Как в домашних источниках питания, так и в промышленных преобразователях, инверторах и схемах управления.

Но зачем нужно строить диодный мост, если диоды сами по себе преобразуют переменный ток в постоянный? Дело в том, что на самом деле сами по себе диоды не со 100% эффективностью выпрямляют переменный ток. Он имеет форму синусоиды, в течении крайне малого, но неотъемлемого промежутка времени меняя своё направление движения. Таким образом одна часть синусоиды обрезается, а на выходе из диода мы получаем идущий в одном направлении, но имеющий большие скачки мощности, которые зависят от изначальной амплитуды переменного тока.

В диодном мосту диоды применены для двухполупериодного выпрямления, одни сглаживают одну волну, другие - второй полупериод, тоже самое и в случае с трёхфазным диодным мостом. На самом деле при таком выпрямлении всё равно остаются слабые импульсы, но они слабые и сглаживаются с помощью конденсатора.