Диод

Diode-photo.JPG

Диод - электронный прибор с двумя электродами, пропускает электрический ток только в одном направлении. Применяется в радиотехнике, электронике, энергетике и других отраслях, преимущественно для выпрямления переменного электрического тока, детектирования, преобразования и умножения частоты, а также для переключения электрических цепей.

Название диод предложил в 1919 году Уильям Генри Эклз, образовав ее от греческой части ди-, которая означает два и греч. ὅδος - Путь.


1. Виды диодов

Обозначение лампового диода
Обозначение напивпровидниковго диода

По физическим принципам реализации своих функций диоды как электронные приборы бывают электровакуумный, которые изготавливают в виде электронных (электровакуумных) ламп (электровакуумные диоды) или газоразрядных (газонаполненных) приборов (газоразрядные вентили) и полупроводниковыми. Каждый из видов делится на ряд подвидов в зависимости от функций, выполняемых ими в электрических цепях.


1.1. Классификация электровакуумных диодов

Электровакуумный диод - вакуумная Двухэлектродная электронная лампа, имеющая только анод и катод [1].

Катод диода нагревается до температур, при которых возникает термоэлектронная эмиссия. При подаче на анод положительного относительно катода напряжения часть эмитированных электронов направляется к аноду, формируя его ток, в противном случае эмитированные катодом электроны возвращаются на катод. Таким образом, диод выпрямляет приложенную к нему переменную электрическое напряжение. Это свойство диода используется для выпрямления переменного напряжения и детектирования сигналов высокой частоты. Практический частотный диапазон традиционного вакуумного диода ограничивается значениями 500 МГц. Дисковые диоды интегрированы в волноводы, способны детектировать частоты до 10 ГГц. В зависимости от назначения и исполнения электровакуумные диоды бывают следующих исполнениях:

  • Одинарный (одноанодний) диод - маломощный разновидность электровакуумного диода, предназначенный для детектирования сигналов высокой частоты.
  • Двойной (двоанодний) диод - то же но содержит два диода в одном корпусе с общим разогревом катода с целью использования их в схемах двухполупериодном выпрямления.
  • Кенотрон (от греч. kenos - Пустой и (elec) tron) - электровакуумный диод, используемый в выпрямительных и импульсных режимах [1] (мощный разновидность электровакуумного диода). Одинарный (одноанодний) кенотрон содержит катод прямого или косвенного разогрева и анод. Низковольтные кенотроны (допустимая обратное напряжение на аноде до 2 кВ, допустимая сила прямого тока достигает нескольких ампер) имеют оксидные катоды. Высоковольтные кенотроны (напряжение до 1 МВ, сила тока до 500 мА) имеют оксидный или карбидований катод. С развитием полупроводниковой техники кенотроны полностью вытеснены полупроводниковыми диодами.
  • Механотрон - Электронно-управляемая лампа, в которой управление потоком электронов и ионов осуществляется механическим перемещением одного или нескольких их электродов относительно других [1]. Может выполняться как электровакуумный или газоразрядный прибор. Обычно, это разновидность диода, в котором силой электронного или ионного тока можно управлять механическим воздействием извне. Механотрон является одним из видов электронно-механических преобразователей. Предназначен для прецизионного измерения линейных перемещений, углов, сил и вибрации в контрольно-измерительных устройствах.

1.2. Классификация газоразрядных вентилей (газонаполненных диодов)

Газоразрядный вентиль - газоразрядный прибор, имеет преимущественно одностороннее проводимость [1]. Электроды газоразрядных вентилей - анод, изготавливаются из никеля, стали или графита, и оксидный катод с прямым или косвенным подогревом (исключение составляет игнитроном с ртутным катодом) - помещены в среду инертного газа или смеси газов под давлением 0,1-0,25 мм рт. ст. или пару и под давлением 0,001-0,01 мм рт. ст. В зависимости от назначения и исполнения газонаполненные диоды включают следующие разновидности:

  • Газотрон - неуправляемый газоразрядный вентиль с дуговым разрядом в газе или парах металлов [1] в виде газонаполненной лампы по электровакуумный диод также горячий катод и анод, однако отличается некоторыми конструктивными особенностями. Электроны, эмитированные катодом испытывают ускорение от положительно заряженного анода. Поскольку в лампе вместо вакуума находятся частицы газа то длина пути свободного пробега электрона невелика - он ударяет в молекулу газа выбивая из нее электроны тем самым ионизируя газ. В лампе образуется ионизированный газ, состоящий из различных зарядов - отрицательных электронов и положительных ионов. Электроны движутся к аноду, ионы к катоду. Учитывая разницу масс главным носителем тока являются электроны, ионы движутся значительно медленнее. Такие диоды нашли применение в усилителях большой мощности.
  • Тиратрон (от лат. th?ra - Дверь, вход и (elec) tron) - ионный газоразрядный багатоелектродной коммутатор тока (управляемый диод), в котором между анодом и катодом могут располагаться один (триод), два (тетрод) или более управляющих электродов [1]. Для того, чтобы зажечь разряд между анодом и катодом, на сетку подается электрический сигнал. В отличие от вакуумных триодов, при снятии управляющего сигнала ток между анодом и катодом продолжается до тех пор, пока напряжение на аноде не уменьшится ниже напряжение поддержания разряда. В современной электронике, маломощные тиратроны практически полностью вытеснены полупроводниковыми приборами тиристорамиы). Современные мощные тиратроны применяются при коммутации импульсов тока до 10 кА и напряжения до 50 кВ.
    • Тиратрон тлеющего разряда - тиратрон с холодным катодом, в котором необходимый ток является током тлеющего разряда [1]
  • Игнитроном (ртутный выпрямитель) (от лат. Ignis - Огонь и (elec) tron) - управляемый ртутный вентиль, в котором главный дуговой разряд возникает от игнайтера, погруженного в ртуть, на который подается электрический импульс положительной полярности по отношению к катоду [1]. Применяется как ртутный электрический вентиль в мощных выпрямительных устройствах, электроприводах, электросварочных устройствах, тяговых и выпрямительных подстанциях и т.д. со средней силой тока в сотни ампер и выпрямленным напряжением до 5 кВ. Для игнитроном характерно незначительное падение напряжения (15-20 В) и высокий КПД (98-99%) [2] Игнитронни контакторы имеют значительные преимущества перед электромагнитными контакторами, а именно: безынерционность, отсутствие движущихся частей и выключения тока в нулевой точке; все это обеспечивает однородность силы тока и отсутствие перенапряжений на трансформаторах при размыкании тока.
  • Стабилитрон (от лат. stabilis - Устойчивый, постоянный и (elec) tron) - двухэлектродной газоразрядный а также полупроводниковое устройство (см. ниже), напряжение на котором при изменении (в определенных пределах) тока, проходящего через него меняется незначительно. Стабилитроны применяют для поддержания постоянного напряжения на заданном участке электрической цепи, например, в стабилизаторах напряжения. Среди газоразрядных стабилитронов различают:
    • Стабилитрон коронного разряда - ионный газоразрядный электровакуумный прибор, предназначенный для стабилизации напряжения (400 В ... 30 кВ) при малом потреблении тока (единицы-десятки микроампер) (для питания электронно-лучевых трубок, фотоэлектронных умножителей, счетчиков Гейгера). Колбы заполняются водородом под давлением, близким к атмосферному [3].
    • Стабилитрон тлеющего разряда (устаревшее - стабиловольт) - ионный газоразрядный электровакуумный прибор, предназначенный для стабилизации напряжения. Стабилитроны тлеющего разряда заполнены смесью инертных газов и приначени для стабилизации напряжений от 80 В (аргонно-гелиевая и неон-Криптоновая смеси) до 1,2 кВ (гелиево-неоновая смесь). Эта конструкция стабилитрона обычно имеет только историческую ценность.
  • Механотрон (см. выше)

1.3. Классификация полупроводниковых диодов

Полупроводниковый диод - это полупроводниковый прибор с одним выпрямительным электрическим переходом и двумя внешними выводами. Выпрямительным электрическим переходом, в полупроводниковых диодах, может быть электронно-дырочный переход, гиперперехид или контакт металл-полупроводник. Классификация полупроводниковых диодов проводят по следующим признакам:

  • методом получения перехода бывают:
    • точечные, в которых используется пластинка германия или кремния с электропроводностью n-типа, толщиной 0,1 ... 0,6 мм и площадью 0,5 ... 1,5 мм2, с пластинкой сталкивается заостренный проводник с нанесенной на острие примесью. При этом с острия в основной полупроводник диффундируют примеси, которые создают область с другим типом электропроводности. Таким образом, у острия образуется миниатюрный р-n переход полусферической формы;
    • планарные, в которых р-n переход образуется двумя полупроводниками с различными типами электропроводности, причем площадь перехода у разных типов диодов лежит в пределах от сотых долей квадратного миллиметра до нескольких десятков квадратных сантиметров (силовые диоды). Плоскостные диоды изготавливаются методами сплавления (вплавления) или диффузии;
    • диод Шоттки (назван в честь имени немецкого физика Шоттки Вальтера), также известный как "диод с горячими носителями", является полупроводниковым диодом с низким значением падения прямого напряжения, и очень быстрым переключением. Диоды Шоттки используют переход металл-полупроводник, как барьер Шоттки, (вместо pn перехода как в обычных диодов);
  • по материалу полупроводниковые диоды бывают: германиевые, кремниевые, арсенид-галлий т.п.;
  • за физическими процессами, на использовании которых базируется работа диода:
    • туннельные (диоды Лео Эсаки) - полупроводниковые элементы электрической цепи с нелинейной вольт-амперной характеристикой, на которой существует участок с отрицательной дифференциальной проводимостью, наличие которой базируется на кванотовомеханичних эффектах. Применяются как усилители, генераторы и т.п.;
    • лавинно-пролетные полупроводниковые диоды, работающие в режиме лавинного размножения носителей заряда при обратном смещении электрического перехода и предназначены для генерирования сверхвысокочастотных колебаний [4];
    • фотодиоды - это приемники оптического излучения, которые превращают свет, падающий на его фоточувствительной область в электрический заряд за счет процессов в pn переходе. Его можно классифицировать как полупроводниковый диод, в котором используется зависимость его вольтамперной характеристики от освещенности;
    • светодиоды ( англ. LED - light-emitting diode ) - полупроводниковые устройства, излучающие некогерентного свет, при пропускании через них электрического тока (эффект, известный как электролюминесценция). Излучаемый свет традиционных светодиодов лежит в узком участке спектра, а его цвет зависит от химического состава использованного в светодиоде полупроводника. Современные светодиоды могут излучать свет от инфракрасной области спектра до близкого к ультрафиолету [1];
    • диоды Ганна - тип полупроводниковых диодов, используется для генерации и преобразования колебаний в диапазоне СВЧ. В отличие от других типивдиодив, принцип действия диода Ганна основан не на свойствах pn переходов, а на собственных объемных свойствах полупроводника.
  • по назначению полупроводниковые диоды разделяют на [4];:
    • выпрямительные полупроводниковые диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в пульсирующий;
    • импульсные - полупроводниковые диоды, имеющие малую длительность переходных процессов в импульсных режимах работы;
    • варикапы (диод Джона Джеумма) - полупроводниковые диоды, емкость которых управляется обратным напряжением, и предназначенные для применения в качестве элементов с электрически управляемой емкостью;
    • стабилитроны (диод Зенера) - полупроводниковые диоды, работающие в режиме обратного пробоя и используется как источник опорного напряжения;
    • полупроводниковые диоды, работающие в режиме обратного пробоя и используется как згладжувачи выбросов (пиков) напряжения ( англ. surge suppressor или TVS )
    • детекторные - полупроводниковые диоды, предназначенный для детектирования сигнала;
    • детекторные СВЧ - полупроводниковые диоды, предназначенные для детектирования СВЧ сигнала;
    • параметрические - варикапы, предназначенные для применения в диапазоне сверхвысоких частот в параметрических усилителях,
    • смесительные - полупроводниковые диоды, предназначенные для преобразования высокочастотных сигналов в сигнал промежуточной частоты.

2. История

В 1873 Фредерик Гутрай открыл принцип функционирования вакуумного диода. Поднося раскаленный металл к положительно заряженному электроскопа, и не касаясь его, он смог разрядить электроскоп, а с отрицательно заряженным электроскопом такого не случалось. Это открытие независимо повторил Томас Эдисон в 1880 году. Во времена этого открытия было непонятно, как можно использовать этот эффект, но Эдисон на всякий случай запатентовал изобретенный устройство.

Через 20 лет, Джон Амброз Флеминг понял, что эффект односторонней проводимости можно использовать в радио. Он запатентовал свое изобретение в 1904 году - в Великобритании, а в 1905 году - в США.

Принцип работы полупроводникового диода открыл в 1874 году Карл Фердинанд Браун. Первый радиоприемник с использованием кристаллического диода сконструировал Гринлиф Виттиер Пикард. Свое изобретение он запатентовал в 1906 году.


3. Изготовление

Диоды изготовляют из кремния, германия, селена и других полупроводников.

Рассмотрим способы образования pn перехода в диоде. Этот переход не удается получить механическим соединением полупроводников, поскольку расстояние между p и n областями должна быть не более от межатомных расстояний. Поэтому основными методами получения pn переходов сплавления и диффузия.

Рассмотрим германиевый диод с n-электропроводностью. При высокой температуре у него вплавляют индий, в результате чего образуется участок с р-электропроводностью. На границе этих участков образуется pn переход.


4. Вольт-амперная характеристика

Четыре режимные области полупроводникового диода

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода схематично показана на рисунке (без сохранения масштаба). Рисунок демонстрирует четыре режима работы полупроводникового диода. При обратной напряжении, большем V_ {br} , Наступает пробой - резкое увеличение тока, которое используется в работе лавинных диодов и диодов Зенера. При обратной напряжении, меньшем V_ {br} , Существует только малый ток насыщения в основном порядке микро ампер. При приложении напряжения в прямом направлении, ток возрастает экспоненциально, оставаясь малым к напряжению V_d , - Напряжения открывания диода. Это напряжение может быть различной, в зависимости от типа диода, - от 0,2 В для диодов Шоттки, до 4 В в голубых светодиодов.

Вольт-амперные характеристики некоторых диодов, например, диода Ганна и резонансного туннельного диода могут содержать участки с отрицательной дифференциальной проводимостью, есть участки, на которых сила тока в диоде уменьшается, при увеличении приложенного напряжения. Такие диоды удобны для использования в генераторах электрических колебаний.


5. Уравнение идеального диода

Вольт-амперная характеристика идеального диода, т.е. диода, в котором не учитывается возможность пробоя и другие факторы, можно описать уравнением Шокли

I = I_S \ left [\ exp \ left (\ frac {eV_a} {k_BT} \ right) -1 \ right] ,

где I - сила тока, I_S - Сила тока насыщения при обратном напряжении, V_a - Напряжение (в прямом направлении), k_B - постоянная Больцмана, T - температура.

Величину V_T = k_BT/e називають термальною напругою.


6. Характеристики діодів

I s - струм насичення (тепловий струм)
R б - опір бази діода
R а - активний опір
R Д - диференційний опір
C б - бар'єрна ємність
С Д - дифузійна ємність
R тп к - тепловий опір перехід-корпус
К В - коефіцієнт випростування
φ к - контактна різниця потенціалів

Допустимі зворотні напруги кремнієвих діодів - 1000-1500 В, а германієвих 100-400 В. Інтервал робочих температур кремнієвого діода - від −60 ?C до +150 ?C; а для германієвого - від −60 ?C до +85 ?C. Тому зараз в основному використовують кремнієві діоди.


7. Использование

Діоди широко використовуються в електротехніці, електроніці та радіотехніці. З різною метою, в залежності від їх характеристик.

Властивість діода - проводити струм лише в одному напрямку, застосовують у випрямлячах - для перетворення змінного струму на постійний.

Діоди використовуються при демодуляції амплітудно-модульованого радіосигналу, тобто виділення низькочастотної складової з високочастотного сигналу.

Разом із іншими електронними компонентами, діоди можуть використовуватися для створення AND і OR логічних елементів.

Світлодіоди використовуються як джерела світла, а фотодіоди - як його індикатори.

Робота діодів чутлива до радіоактивних променів, що дозволяє використовувати їх у якості детекторів іонізуючого випромінювання, зокрема детекторів елементарних частинок. Одна така частинка має енергію в сотні тисяч і мільйони електронвольт. Проходячи через напівпровідник вона створює значну концентрацію носіїв заряду. Неосновні носії заряду легко проходять через pn перехід діода, підключеного у зворотному напрямку, створюючи струм, вимірюючи який можна оцінити характеристики частинки.

Постійне опромінення впливає на характеристики діода, а тому діоди можна використовувати не тільки для детектування частинок, а й для вимірювання доз опромінення. Для цієї мети особливо зручні PIN-діоди, в яких p- та n-області розділені широкою ділянкою ізолятора (нелегованого напівпровідника). Завдяки ширині такої області, радіаційні пошкодження детектувати легше.

Діоди використовуються, також, для вимірювання температури, оскільки падіння напруги на діоді (при прямому включенні) залежить від температури.

Варикапы выполняют роль управляемой напряжением емкости.

Диоды с отрицательной вольт-амперной характеристикой является нелинейными элементами схем генераторов высокочастотных колебаний.

Другое использование диодов - в клавиатуре электронных музыкальных инструментов. Для уменьшения количества проводов эти инструменты часто используют платы клавиатурных матриц. Контролер клавіатури сканує рядки й стовпчики, щоб визначити, яку клавішу натиснув музикант. Виникає проблема в тому, що при одночасному натисненні на декілька клавіш, струм може текти в зворотному напрямку й викликати фантомні ноти. Щоб запобігти цьому, клавітатурні матриці мають діод під кожною клавішею.

Діод - двохелектродний електронний прилад, володіє різною провідністю залежно від напряму електричного струму. Електрод діода, підключений до позитивного полюса джерела струму, коли діод відкритий (тобто має маленький опір), називають анодом, підключений до негативного полюса-катодом. Діоди бувають електровакуумними, газонаповненими (газотрони, стабілітрони), напівпровідниковими і ін В наш час [ Коли? ] в переважній більшості випадків застосовуються напівпровідникові діоди. Лампові діоди представляють собою радіолампу з двома робочими електродами, один з яких підігрівається ниткою розжарення. Завдяки цьому, частина електронів залишає поверхню розігрітого електрода (катода) і під дією електричного поля рухається до іншого електрода - аноду. Якщо ж поле спрямоване в протилежну сторону, електричне поле перешкоджає цим електронам та струму (практично) нема. Діоди широко використовуються для перетворення змінного струму в постійний (точніше, в односпрямований пульсуючий). Діодний випрямляч (Тобто 4 діода для однофазної схеми, 6 для трифазної полумостовой схеми або 12 для трифазної повномостової схеми, з'єднаних між собою за схемою) - основний компонент блоків живлення практично всіх електронних пристроїв. Діодний трифазний випрямляч на трьох паралельних напівмостах застосовується в автомобільних генетарторах, він перетворює змінний трифазний струм генератора в постійний струм бортової мережі автомобіля. Застосування генератора змінного струму в поєднанні з доданими випрямлячем замість генератора постійного струму зі щітково - колекторним вузлом дозволило значно зменшити розміри автомобільного генератора і підвищити його надійність. Це викликано тією особливістю даних випрямлячів, що при перевищенні межі допустимого струму, відбувається вигорання селену (ділянками), не призводить (до певного ступеня) ні до втрати випрямних властивостей, ні до короткого замикання - пробою. В високовольтних випрямлячах застосовуються селенові високовольтні стовпи з безлічі послідовно з'єднаних селенових випрямлячів і кремнієві високовольтні стовпи з безлічі послідовно з'єднаних кремнієвих діодів. Діоди в поєднанні з конденсаторами застосовуються для виділення низькочастотної модуляції з амплітудно-модульованого радіосигналу або інших модульованих сигналів. Діодні детектори застосовуються майже у всіх радіоприймальних пристроях: .. Діоди застосовуються також для захисту різних пристроїв від неправильної полярності включення і т. п. Відома схема діодним захистом схем постійного струму з індуктивностями від стрибків при вимиканні живлення. Діод включається паралельно котушці так, що в "робочому" стані діод закритий. У такому випадку, якщо різко вимкнути збірку, виникне струм через діод і сила струму буде зменшуватися повільно (ЕРС індукції буде дорівнює падінню напруги на діоді), і не виникне потужного стрибка напруги, що приводить до іскріння контактів і вигоряння напівпровідників. Застосовуються для комутації високочастотних сигналів. Управління здійснюється постійним струмом, поділ ВЧ і керуючого сигналу з допомогою конденсаторів і індуктивностей.


См.. также

Примечания

  1. а б в г д е ж и ДСТУ 2385-94 Прилади електровакуумні Терміни та визначення.
  2. Бензарь В. К. Словарь-справочник по электротехнике, промышленной электронике и автоматике. - Минск: Вышэйшая школа, 1985. - С. 54. - 176 с.
  3. Гурлев Д. С. Справочник по электронным приборам. Киев: Техніка 1974. - 512 с.
  4. а б ДСТУ 2449-94 Прилади напівпровідникові. Термины и определения.

Источники

  • ДСТУ 2385-94 Прилади електровакуумні Терміни та визначення.
  • ДСТУ 2722-94 Прилади газорозрядні. Термины и определения
  • ДСТУ 2449-94 Прилади напівпровідникові. Термины и определения.
  • Каганов И. Л. Ионные приборы: Учеб.пособие. - М.: Энергия, 1972. - 525 с.
  • Малая горная энциклопедия. В 3-х т. / Под ред. В. С. Белецкого. - Донецк: Донбасс, 2004. - ISBN 966-7804-14-3.
  • Український радянський енциклопедичний словник. Т. 1. - Київ, 1986.
  • Васильєва Л. Д., Медведенко Б. І., Якименко Ю. І. Напівпровідникові прилади. Підручник - К.: Кондор, 2008. - 396 с. - ISBN 978-966-622-103-9.
  • Радіонов С. В. Основи радіотехніки. - К., 1996.
  • Яременко І. В. Радиотехника для всех. - М., 1994. (Рус.)
  • Словник-довідник з радіотехніки. - К., 1991.
  • Sze S. M. Modern Semiconductor Device Physics. Wiley Interscience. ISBN 0-471-15237-4. (Англ.)


Электроника Это незавершенная статья о електроніку.
Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив ее.


Физика Это незавершенная статья по физики.
Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив ее.
п ? в ? р Електронні компоненти
Пасивні твердотільні
Резистор ? Змінний резистор ? Пидлаштовний резистор ? Варистор ? Конденсатор ? Переменный конденсатор ? Пидлаштовний конденсатор ? Катушка индуктивности ? Кварцевий резонатор ? Предохранитель ? Самовидновлюваний предохранитель ? Трансформатор
Активные твердотельные
Діод ? Светодиод ? Фотодиод ? Полупроводниковый лазер ? Диод Шоттки ? Стабилитрон ? Стабістор ? Варикапы ? Варіконд ? Діодний міст ? Лавинно-пролетный диод ? Туннельный диод ? Диод Ганна
Транзистор ? Биполярный транзистор ? Полевой транзистор ? КМОП-транзистор ? Однопереходного транзистора ? Фототранзистор ? Составной транзистор
Интегральная схема ? Цифровая интегральная схема ? Аналогова інтегральна схема
Тиристор ? Симістор ? Диністор ? Мемристор
Пассивные вакуумные
Активные вакуумные и газоразрядные
Електронна лампа ? Электровакуумный диод ? Триод ? Тетрод ? Пентод ? Гексод ? Гептод ? Пентагрид ? Октод ? Нонод ? Механотрон ? Клистрон ? Магнетрон ? Амплитрон ? Платинотрон ? Електронно-променева трубка ? Лампа бегучей волны
Устройства отображения
Електронно-променева трубка ? ЖК-дисплей ? Светодиод ? Газоразрядный индикатор ? Вакуумно-люмінесцентний індикатор ? Прапорцевий індикатор ? Семисегментный индикатор
Акустичні прилади та датчики
Микрофон ? Громкоговоритель ? Тензорезистор ? П'єзокерамічний випромінювач
Термоэлектрические устройства
Терморезистор ? Термопара ? Елемент Пельтьє