Диод: принцип работы и применение¶

Диод — электронный компонент с двумя электродами (анодом и катодом), обладающий односторонней проводимостью: он пропускает электрический ток преимущественно в одном направлении и блокирует его в обратном. Относится к классу полупроводниковых приборов, хотя существуют также вакуумные и газоразрядные разновидности. Диод — один из базовых элементов современной электроники, применяемый в выпрямителях, защитных схемах, детекторах сигналов и источниках света.

¶История

Первым прибором с односторонней проводимостью стал вакуумный диод (диодная лампа), созданный в 1904 году английским физиком Джоном Амброзом Флемингом на основе эффекта Эдисона. В 1907 году американский изобретатель Ли де Форест добавил третий электрод, получив триод.

Полупроводниковый диод появился позже. В 1874 году немецкий физик Карл Фердинанд Браун обнаружил одностороннюю проводимость на контакте металла с сульфидом свинца. В 1920-х — 1930-х годах разрабатывались купроксные и селеновые выпрямители. С изобретением в 1947 году транзистора и развитием кремниевой технологии полупроводниковые диоды вытеснили ламповые почти во всех областях.

В СССР исследования полупроводников велись в Физико-техническом институте под руководством Абрама Иоффе; в 1950-х годах было налажено массовое производство германиевых и кремниевых диодов.

¶Устройство и принцип работы

Основу полупроводникового диода составляет кристалл полупроводника (кремния, германия, арсенида галлия) с двумя областями разной проводимости:

• n-область — с избытком свободных электронов (донорная примесь);
• p-область — с избытком дырок (акцепторная примесь).

На границе образуется p-n-переход — область с диффузионным электрическим полем. При прямом включении (плюс к p-области) потенциальный барьер снижается, и через переход течёт ток. При обратном включении барьер растёт, и ток практически отсутствует — протекает лишь малый обратный ток неосновных носителей.

Ключевые характеристики:

• прямое падение напряжения — от 0,3 В (германий) до 0,7 В (кремний);
• обратное напряжение пробоя — предел, при котором диод начинает проводить в обратном направлении;
• максимальный прямой ток;
• быстродействие (время переключения).

¶Классификация

Отдельно выделяют вакуумные (кенотроны) и газоразрядные (стабилитроны тлеющего разряда) приборы.

¶Применение

• Выпрямление — в блоках питания для преобразования сетевого переменного напряжения в постоянное.
• Защита от обратного напряжения — в цепях питания и управления.
• Детектирование — в радиоприёмниках для выделения сигнала из модулированной волны.
• Светотехника — светодиоды применяются в освещении, индикации, экранах.
• Стабилизация — стабилитроны в источниках опорного напряжения.
• Логические и коммутационные схемы — диодная логика, ограничители, фиксаторы уровня.

¶Диоды в России

В России и СССР выпускались диоды многих серий: германиевые Д9, кремниевые КД, мощные выпрямительные ВЛ, светодиоды АЛ. Современные российские предприятия (например, заводы группы «Микрон», «Ангстрем», «Светлана-Оптоэлектроника») продолжают выпуск полупроводниковых приборов, включая светодиоды и силовые диоды. Обозначение отечественных диодов строится по системе: буква К (кремний), затем буква назначения (Д — диод, С — стабилитрон, Л — светодиод) и номер серии.

¶Значение

Диод стал одним из первых практических полупроводниковых приборов и остаётся массовым компонентом: ежегодно в мире выпускаются десятки миллиардов штук. На диодах строятся выпрямители, светодиодное освещение, солнечные элементы (фотодиоды в режиме генерации). Развитие силовой электроники на основе карбида кремния и нитрида галлия расширяет диапазон рабочих температур и напряжений диодных приборов.

Источники: учебники по электронике (И. П. Степаненко, В. Г. Гусев), справочники по полупроводниковым приборам, материалы по истории электроники.