Что такое диод — принцип работы и устройство

Диод –это один из самых простых приборов-полупроводников. У него есть две области с разными типами проводимости: положительный и отрицательный электрод. Это есть то, из чего состоит диод: анод, катод иp-n переход. Существует несколько разновидностей приборов.

Стандартный диод

Электровакуумные диоды

Вакуумный диод – это устройство в виде стеклянной лампы или металлокерамического баллона. Из него откачивают воздух и помещают внутрь два электрода с нитью накаливания – проводником. Она соединяется с катодом и нагревается внешним током.

Принцип работы

У диода принцип работы основан на односторонней проводимости. В электровакуумных приборах это достигается следующим образом:

1. Нить накаливания нагревается, передавая тепло катоду, который начинает испускать электроны.
2. Анод притягивает частицы только на «плюсе».
3. Анод, подключенный к «минусу»,начнет отталкивать электроны, и тока в цепи не будет.

Благодаря принципу действия диода, основанному на управлении потоком электронов, такие устройства также называют ламповыми.

Конструкция прибора предполагает наличие выводов электродов, соединенных с контактными областями. У диода может быть два состояния: открытое и закрытое.

Прямое включение диода

К аноду диода подают положительное напряжение, на катод – отрицательное. Что получается:

• электроны двигаются к месту p-n границы;
• сопротивление в месте перехода уменьшается, проводимость увеличивается;
• как следствие возникает прямой ток.

При соблюдении полярности диод будет считаться включенным прямо.

Прямое включение диода

Обратное включение диода

Если подключить выводы наоборот, частицы станут перемещаться от p-n слоя. Сопротивление повысится, и протекающий ток будет низким, или обратным. При расчетах его не учитывают – под односторонней проводимостью подразумевают наличие именно прямого тока.

Виды напряжения

Соответственно состояниям различают два типа напряжения: прямое и обратное. Главный определяющий параметр – сопротивление границы областей электродов.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ)

Один из ответов на вопрос о том, что такое вах диода, – зависимость проходящего через границу p-n тока от полярности подаваемого напряжения и его величины.

Ее показывают на графике:

• вертикальная ось – прямой и обратный ток (верхняя и нижняя часть) в Амперах;
• горизонтальная – обратное и прямое напряжение (левая и правая сторона).

Образуется кривая, показывающая значения пропускного и обратного тока.

Полупроводниковые диоды

Как работает диод полупроводник? Его работа основана на взаимодействии заряда с электромагнитным полем. Условная конструкция:

• элемент из полупроводникового материала;
• сторона, принимающая электроны, – анод, проводимость p-типа;
• катод, отдающий частицы (проводимость n-типа).

Между двумя слоями формируется граница – p-n переход.

Полупроводниковый диод

Вольт-амперная характеристика

На графике кривая имеет ветви в обеих его частях:

1. Прямая – в правой части графика. Направлена вверх, показывает возрастание прямого тока при увеличении напряжения.
2. Обратная – в левой стороне. Показывает рост обратного тока – меньше, чем прямого, поэтому ветвь расположена близко к оси напряжения.

Чем ближе ветвь к вертикальной оси справа и к горизонтальной слева, тем лучше выпрямительные свойства.

Предельные значения параметров

На графике каждого прибора есть момент, когда ток нарастает сильнее. Это зависит от устройства диода – разные материалы «открываются» при разных показателях. Ток возрастает, и происходит нагревание кристалла полупроводника.

Тепло либо рассеивается само по себе, либо отводится при помощи радиаторов. Если ток превышает допустимый параметр, проводник разрушается под воздействием высокой температуры. Поэтому по назначению диода, а также материалу определяют максимально допустимые параметры.

Виды полупроводниковых диодов

Полупроводниковый – широкое определение, оно описывает саму идею и общее устройство. На практике существует множество узкоспециализированных разновидностей.

Выпрямители и их свойства

Иногда нужно преобразовать ток в цепи, для чего нужен диод с выпрямительными свойствами либо диодный мост. Благодаря принципу работы, переменный ток на входе прибора даст лишь одну полуволну – в открытом состоянии.

Полупроводниковые стабилитроны

Задача этих устройств – стабилизация напряжения. Как это происходит:

• в обычном состоянии у перехода высокое сопротивление, ток почти не проходит;
• если наступает пробой, проходимость увеличивается, сопротивление падает.

Устройства работают в условиях пробоя и часто применяются для профилактики перенапряжения.

Диод-стабилитрон

Диод Зенера

Часто можно встретить название «диод Зенера», что это такое? Это лишь еще одно название стабилитрона – в честь ученого Кларенса Зенера, открывшего туннельный пробой. Это эффект прохождения заряженных частиц через p-n барьер, когда перекрываются зоны электродов. Открытие позволило разработать первые стабилитроны, отсюда название.

Принцип работы детекторов

На основе обычного выпрямителя можно собрать простейший амплитудный детектор. Как устроена работа диода (например, с барьером Шоттки):

• если полупериоды выше напряжения на конденсаторе, начинается зарядка;
• как только амплитуда становится меньше его значения, диод закрывается.

Конденсатор разряжается, происходит восстановление низкочастотного сигнала.

Светодиод

В отличие от обычного прибора, СД создают оптическое излучение при прохождении тока. Это происходит при рекомбинации носителей заряда с излучением фотонов на границе электродов. Впервые эффект был открыт в 1907 году, технология продолжает совершенствоваться до сих пор.

Особенности светодиода

Спектр оптического излучения узкий – нужный цвет изначально заложен в кристалле диода. Однако диапазон может отличаться в зависимости от состава материала-полупроводника:

• зеленый – фосфид галлия;
• синий – карбид кремния;
• красный – арсенид галлия.

При этом светодиоды обладают высокой световой отдачей, спектральной чистотой, прочностью и долговечностью.

Обычные светодиоды

Туннельный

Работает на основе одноименного эффекта. При изготовлении применяют вырожденные полупроводники. Встречается в качестве усилителя.

Обращенный диод

Обладают высокими показателями обратного тока, превосходящими прямой. Отличаются низкой чувствительностью к ионизирующему излучению.

Варикап

Проще всего объяснить на примере конденсатора с переменной толщиной диэлектрического слоя. При низком напряжении на p-n переходе толщина слоя при высокой емкости мала, при высоком – слой должен увеличиваться. Для чего нужны такие диоды? Их используют как элементы с управляемой емкостью, например, в системах автонастройки частоты в радиоприборах.

Фотодиод

Устройства, в которых обратный ток возникает при попадании фотонов. По принципу действия схожи с обычным солнечным элементом.

Маркировка

Современная маркировка диодов содержит четыре элемента:

• материал изготовления;
• обозначение класса диода;
• назначение или свойства;
• номер разработки.

Например, КД202А – кремниевый (К), выпрямительный (Д) диод.

Триоды

Раньше использовались вместо транзисторов; в современной электротехнике почти не используются. Состоят из трех электродов: катода прямого либо косвенного накала, анода и сетки. В зависимости от напряжения, регулируется поток электронов, создавая эффект усилителя.

Плюсы и минусы

Полупроводниковые диоды имеют как преимущества, так и недостатки. К первым можно отнести:

• доступность – элементы стоят недорого;
• взаимозаменяемость – при выходе из строя легко подобрать и установить аналогичный;
• высокая пропускная способность;
• простой принцип работы.

Из недостатков – уязвимость к внешним воздействиям и возможные неисправности. Это могут быть:

• обрыв перехода;
• нарушение герметичности;
• пробой перехода.

Однако устранить повреждения и заменить устройство несложно, поэтому минусы можно считать несущественными.

Использование в быту

Благодаря тому, как просто устроены диоды, они распространены повсеместно. Их используют почти в каждом приборе, который можно увидеть дома. Например, LED телевизоры, сам принцип их работы основан на использования светодиодов. Другие примеры – блоки питания, реле, любительские электрические схемы.

Основные неисправности диодов

Главная проблема, с которой сталкиваются при использовании диодов, – эффект пробоя. Есть несколько видов неисправности.

Пробой на графике ВАХ

Пробой p-n-перехода

При пробое происходит уменьшение сопротивления, образуется обратный ток. Различают лавинный пробой, которой сопровождается цепочкой прорывов, и полевой.

Электрический пробой

Главное в электрических пробоях – они обладают обратимой природой (состояние возвращается к нормальному). Это значит, что переход не повреждается. Это позволяет использовать пробой как основополагающий принцип работы – как в стабилитронах.

Тепловой пробой

Возникает при повышении температуры. Отличается возникновением необратимых повреждений: разрушается кристаллическая решетка полупроводника.

Несмотря на простоту конструкции, диод по-прежнему используется в современных устройствах. Найти ему альтернативу удается не всегда. Тем более продолжаются работы по технологическому совершенствованию диодов для различных задач.

Видео

Автор:

Винoгрaдов Aндрeй Aлексaндрoвич