Диод: принцип работы и характеристики¶
Диод — это полупроводниковый прибор, состоящий из двух электродов (катода и анода), обладающий свойством односторонней проводимости: он пропускает электрический ток в одном направлении (прямом) и блокирует его в обратном. Диоды являются основой современной электроники и применяются в выпрямительных схемах, детекторах, светодиодах, преобразователях частоты и многих других устройствах.
¶Устройство p-n перехода
Принцип работы диода основан на явлении p-n перехода — границы между двумя полупроводниковыми областями с разным типом примесной проводимости. В области типа p основными носителями заряда являются дырки (положительно заряженные «пустоты» в кристаллической решётке), в области типа n — электроны (отрицательно заряженные носители).
При контакте двух областей электроны из n-области диффундируют в p-область, а дырки — в обратную сторону. В результате вблизи границы образуется так называемый обеднённый слой: в нём практически отсутствуют подвижные носители заряда, а ионы примесей создают потенциальный барьер (препятствие) для дальнейшего движения зарядов. Высота этого барьера для кремния составляет около 0,6–0,7 В, для германия — около 0,2–0,3 В.
¶Прямое включение
Когда к диоду прикладывается напряжение в прямом направлении (анод подключается к положительному полюсу источника, катод — к отрицательному), внешнее электрическое поле направлено навстречу внутреннему полю p-n перехода. Это приводит к сужению обеднённого слоя и уменьшению потенциального барьера. При напряжении, превышающем пороговое значение (примерно 0,7 В для кремниевых и 0,3 В для германиевых диодов), через переход начинает проходить значительный ток. Носители заряда — электроны и дырки — свободно пересекают границу, и диод переходит в состояние проводимости.
¶Обратное включение
При обратном включении (катод подключён к положительному полюсу, анод — к отрицательному) внешнее поле усиливает внутреннее поле p-n перехода. Обеднённый слой расширяется, потенциальный барьер возрастает, и через переход проходит лишь ничтожно малый обратный ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда. Этот ток называется током утечки и составляет для кремниевых диодов порядка микроампер и меньше. Таким образом, диод в обратном направлении практически не проводит ток.
При увеличении обратного напряжения до определённого значения (пробивного напряжения) происходит резкий рост обратного тока — явление пробоя p-n перехода. Пробой может быть двух типов: туннельный (Зенера) и лавинный. Диоды, специально рассчитанные на работу в режиме пробоя, называются стабилитронами (диодами Зенера) и широко применяются в цепях стабилизации напряжения.
¶Вольт-амперная характеристика
Электрические свойства диода описываются вольт-амперной характеристикой (ВАХ) — зависимостью тока через прибор от приложенного напряжения. Для кремниевого диода ВАХ в прямом направлении описывается уравнением Шокли:
I = Iₛ · (e^(U/(n·Uₜ)) − 1),
где Iₛ — обратный ток насыщения, Uₜ — тепловое напряжение (около 26 мВ при комнатной температуре), n — коэффициент идеальности (обычно от 1 до 2). В обратном направлении ток стремится к −Iₛ и практически не зависит от напряжения до области пробоя.
¶Классификация диодов
По назначению и конструкции диоды подразделяются на несколько основных групп:
- Выпрямительные — предназначены для преобразования переменного тока в постоянный, применяются в блоках питания;
- Сигнальные (детекторные) — используются в радиоприёмниках для выделения модулированного сигнала;
- Варикапы — диоды с ёмкостью p-n перехода, существенно зависящей от обратного напряжения, применяются в настраиваемых контурах;
- Стабилитроны — работают в режиме обратного пробоя, обеспечивают стабильное напряжение;
- Туннельные диоды — обладают отрицательным дифференциальным сопротивлением, используются в СВЧ-технике;
- Светодиоды (LED) — излучают свет при прямом прохождении тока;
- Фотодиоды — генерируют ток под действием светового излучения;
- Диоды Шоттки — вместо p-n перехода используют переход металл-полупроводник, отличаются малым прямым падением напряжения и высокой скоростью переключения.
¶Применение
Основная область применения диодов — выпрямление переменного тока. Одиночный диод позволяет выпрямить только одну полуволну (полуволновое выпрямление), тогда как мостовая схема из четырёх диодов (диодный мост) обеспечивает полноформное выпрямление. Диоды также используются в ограничивающих и защитных цепях, преобразователях напряжения, логических схемах, источниках питания, зарядных устройствах и системах электропитания.
В России диоды выпускаются на предприятиях радиоэлектронной промышленности, а также импортируются. Широко распространены серийные серии кремниевых выпрямительных диодов (например, серия КД), германиевых (серия Д), а также импортные аналоги.
¶Историческая справка
Первым полупроводниковым прибором, использовавшимся для выпрямления тока, был кристаллический детектор начала XX века — прибор на основе оксида меди или сульфида, применявшийся в ранних радиоприёмниках. Современный p-n переход был теоретически описан в 1930-е годы, а первые кремниевые p-n диоды созданы в конце 1940-х годов практически одновременно с изобретением транзистора.
¶Источники
- Фролов В. Ф., Гуревич С. М. «Электроника»
- Толстой Д. В. «Полупроводниковые приборы»
- ГОСТ 18627-82 «Приборы полупроводниковые. Термины и определения»
- Шевчук Н. Н. «Электроника: учебное пособие»