Полупроводниковый диод: устройство и свойства¶
Полупроводниковый диод — это двухэлектродный полупроводниковый прибор, обладающий свойством односторонней проводимости, то есть пропускающий электрический ток преимущественно в одном направлении. В словарях и справочниках по электротехнике полупроводниковый диод определяется как полупроводниковый прибор с двумя выводами, содержащий один переход p-n и предназначенный для выпрямления, генерации, детектирования и преобразования электрических сигналов. В русскоязычных энциклопедиях и учебниках по электронике полупроводниковый диод описывается как базовый элемент электронных схем, принцип действия которого основан на нелинейной вольт-амперной характеристике.
¶История
Первые полупроводниковые диоды были созданы в начале XX века на основе контакта металл — полупроводник. В 1904 году британский физик Джагдиш Чандра Бос получил патент на устройство, обнаружившее свойство выпрямления тока на контакте кристалла полупроводника с металлической проволокой. В 1906 году Гринлиф Пикарт запатентовал кристаллический детектор, ставший прообразом современных точечных диодов. В 1922 году советские физики Олег Лосев и Вадим Зворыкин независимо друг от друга обнаружили эффект усиления на контакте металл-полупроводник, что привело к созданию кристаллического триода — «кристадина».
Развитие полупроводниковой электроники получило мощный импульс после открытия транзистора в 1947 году Уильямом Шокли, Джоном Бардином и Уолтером Брэттейном. В 1950-х годах в СССР и США были налажены промышленные технологии выращивания монокристаллов кремния и германия, что позволило перейти от точечных диодов к плоскостным структурам с p-n переходом.
¶Устройство и принцип действия
Основа полупроводникового диода — p-n переход, образованный контактом полупроводника с дырочной (p-тип) и электронной (n-тип) проводимостью. При прямом включении (анод подключен к плюсу, катод — к минусу) внешнее электрическое поле уменьшает потенциальный барьер перехода, и ток через диод проходит свободно. При обратном включении барьер возрастает, и ток практически отсутствует, ограничиваясь лишь малым током утечки.
Основные параметры диода:
- Прямое напряжение — напряжение на диоде при протекании прямого тока (обычно 0,3–1,2 В для кремниевых и германиевых приборов).
- Обратный ток — ток утечки при обратном включении (единицы микроампер).
- Обратное пробивное напряжение — напряжение, при котором обратный ток резко возрастает.
- Максимальный прямой ток — предельное значение тока в прямом направлении.
¶Классификация
По назначению полупроводниковые диоды подразделяются на:
- Выпрямительные — предназначены для преобразования переменного тока в постоянный. Широко применяются в блоках питания, зарядных устройствах, силовой электронике.
- Стабилитроны — работают в области обратного пробоя и обеспечивают стабилизацию напряжения.
- Варикапы — используют зависимость ёмкости p-n перехода от обратного напряжения, применяются в настраиваемых контурах и частотных преобразователях.
- Светодиоды — излучают свет при прямом прохождении тока.
- Фотодиоды — генерируют ток под действием светового излучения.
- Микроволновые диоды — применяются в СВЧ-технике (детекторные, перестраиваемые диоды Ганна).
- Туннельные диоды — обладают областью отрицательного дифференциального сопротивления, используются в высокочастотных генераторах и усилителях.
По типу полупроводникового материала различают кремниевые, германиевые, арсенид-галлиевые и другие диоды.
¶Применение
Полупроводниковый диод является одним из самых массовых компонентов электронной промышленности. Выпрямительные диоды применяются в электропитании практически всех электронных устройств — от зарядных устройств смартфонов до силовых преобразователей промышленного назначения. Стабилитроны используются в цепях стабилизации и защиты. Светодиоды вытеснили лампы накаливания в освещении, а фотодиоды применяются в солнечных элементах, системах автоматики и оптической связи.
В отечественной радиотехнике наибольшее распространение получили кремниевые выпрямительные диоды серий КД (например, КД209, КД243), германиевые Д (Д9, Д223), стабилитроны серий Д814, Д815, светодиоды АЛ, АСЛ, ЛТ.
¶Диод в сканвордах и кроссвордах
В русскоязычных сканвордах и кроссвордах термин «полупроводниковый диод» традиционно имеет определение «полупроводниковый прибор, пропускающий ток в одном направлении» или «выпрямитель». Ответ на определение «полупроводниковый диод» в семь букв — это слово «стабилит» (разговорное сокращение от «стабилитрон») или, чаще, ответ формируется как «вентиль» (устаревшее техническое название диода, буквально означающее «клапан»). Однако наиболее распространённый семибуквенный ответ на определение «полупроводниковый диод» — это «выпрямит» (от слова «выпрямитель»). В словарях кроссвордистов также встречается вариант «детектор» (8 букв) и «симистор» (8 букв, но это уже тиристор).
Слово «вентиль» (7 букв) — одно из самых частых решений в сканвордах на определение «полупроводниковый диод», поскольку в радиотехнике диод исторически называется «клапаном» (от англ. valve). Слово «выпрямит» (8 букв) не подходит по длине, поэтому в семибуквенных сетках чаще используется именно «вентиль» или «стабилит».
¶Интересные факты
- Диод Шоттки, в котором вместо p-n перехода используется контакт металл-полупроводник, обладает очень малым прямым падением напряжения (0,2–0,4 В) и высокой скоростью переключения.
- В сверхпроводящих схемах используются джозефсоновские переходы, также обладающие диодными свойствами.
- Первый кремниевый выпрямительный диод в СССР был разработан в конце 1950-х годов в НИИ-160 (ныне — ОАО «Исток»).
¶Источники
- Гуревич А. Г. «Диоды полупроводниковые. Справочник»
- Волков С. М., Козловский З. С. «Полупроводниковые приборы»
- Бугаев А. С. «Электроника: учебник для вузов»
- Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона
- Словарь кроссвордиста (crossword-slovar.ru)