Когда мы ищем информацию об электронике, часто видим такие термины как резисторы, конденсаторы и т.д. Но компонентами, благодаря чему появилось понятие микроэлектроника это полупроводники, а именно — диоды.
Диоды встроены во многие электронные устройства, которые окружают вас дома и в офисе. В этой статье мы хотим рассказать что такое диод, какие бывают диоды и принципы их работы.
Что такое диод и принцип работы
Диод это полупроводниковое устройство, которое работает как выключатель и позволяет проводить ток диода только в одном направлении. Можно сравнить с клапаном, который позволяет потоку воды течь от анода к катоду, и не позволяет ей течь обратно.
Корпус диода состоит из полупроводникового материала, кремния или германия. Этому материалу придаются проводящие свойства с помощью процесса — легирования, который заключается в добавлении примесей в полупроводниковый материал.
В диоде есть две области, легированные разными примесями: анод, типа P и катод, типа N. Каждый из них по отдельности не представляет интереса, но если мы их соединим, то создадим переход p-n. Этот контакт и есть диод, а свойства этого перехода определяют направление течения тока. Ток течет только от анода (тип P) к катоду (тип N).
Если диод подключить к батарейке, анод к плюсу, а катод к минусу, то в этом случае электроны могут свободно перетекать по диоду — идет прямой ток или прямое смещение. Если батарейку подключить наоборот, то диод будет блокировать передвижение электронов, ток не может перетекать. Это состояние называется обратным током или обратным смещением.
Основные характеристики
В интернете представлено более десятка характеристик диодов, которые, конечно важны для решения прикладных задач, например проектирование электронных плат. Для понимания можно выделить главное — вольт-амперную характеристику диода (ВАХ).
В теории это линейная зависимость между током, в диоде и различными значениями напряжения. Эта зависимость представлена графиком, где по оси X откладывается напряжение, а по оси Y прямой ток.
Участок графика ВАХ в случае прямого тока указывает, что при линейном увеличении напряжения увеличивается и значения тока. Диод работает в режиме постоянного сопротивления.
Типы диодов
Диоды делятся на два типа — неполупроводниковые и полупроводниковые.
Неполупроводниковые
Первой разработкой диода был ламповый диод или электровакуумный. Он был из двух проводников, один из которых нагревался нитью накала, как в лампочке. В открытом состоянии от анода электроны движутся к катоду. Если ток движется в обратном направлении, ток перестает течь — диод находится в закрытом состоянии.
Второй тип — газонаполненные. Емкость наполняется инертным газом или парами других металлов. Ток проходит через оксидные аноды . В настоящее время применяются модели с дуговым разрядом.
Полупроводниковые
Диоды выпрямительные.
Преобразует переменный ток в постоянный. Выпрямительные диоды являются наиболее распространенными и используются для преобразования переменного тока (AC) в постоянный ток (DC). Процесс, известный как выпрямление.
Основным рабочим элементом является полупроводник. На рынке представлены, в основном, диоды на основе кристаллов кремния и германия. Первые применяются чаще, их кристаллы имеют максимальное обратное напряжение 1500 Вольт, тогда как кристаллы из германия — 400 Вольт. Также кристаллы из кремния работают при более высоких рабочих температурах.
Другая важная характеристика выпрямителей — мощность. В зависимости от мощности диоды делятся на:
- Диоды малой мощности. Имеют небольшой вес и малый по габаритам размер. Корпус из пластика. Выпрямительный ток не превышает 0.3 Ампер.
- Диоды средней мощности. Предназначены для выпрямления переменного тока от 0.3 до 10 Ампер. Корпус из металла.
- Диоды большой мощности или силовые выпрямители. Предназначены на ток более 10 Ампер. Корпус из металлокерамики или металлостекла.
- Выпрямительные диоды нашли применение в блоках питания, умножителях напряжения и выпрямителях переменного тока.
Диоды импульсные
Этот тип работает в высокочастотных импульсных схемах. По своей сути импульсные диоды не отличаются от «выпрямителя» при появлении прямого напряжения и хорошо проводит электрический ток. Но при смене полярности напряжения диод закрывается. Время реакции импульсного диода составляет до 4 нс, что меньше чем у «выпрямителя». Это достигается за счет особой конструкции корпуса — уменьшенная площадь p-n перехода.
Основные области применения импульсного диода:
- Преобразование энергии: преобразует постоянный ток в переменный или импульсные сигналы. Особое распространение при работе с другими элементами, такими как солнечные батареи.
- Блокировка обратного тока: не допускают попадания обратного тока в другие части системы. Это позволяет обеспечить бесперебойную работу электронных устройств.
- Выпрямление электрических сигналов: это преобразование используется для передачи данных и в работе с другими устройствами.
Диоды туннельные
Диоды данного типа отличаются от диодов других типов тем, что проводят ток в обе стороны. Это свойство обеспечивается за счет узкого p-n перехода и большего количества присадок.
Диоды лавинные
Этот тип диодов способен выдерживать высокие напряжения. Его принцип работы заключается в явлении лавинного пробоя. При резком увеличении электрического поля возникает лавинное количество электронов и «дырок». Это позволяет диоду переносить значительную мощность без перенапряжения и повреждений.
Этот тип диодов используется в защитных схемах, телекоммуникационных системах и энергетике.
Диоды Шоттки
Диод Шоттки — это полупроводниковый элемент, используется в электронных схемах, характеризуется низким падением напряжения, быстрым переключением и способностью выдерживать высокие температуры.
Этот тип диодов имеет переход металл-полупроводник n-типа. Такая конфигурация придает им следующие преимущества:
- Низкое падение напряжения. На этом типе диодов напряжение падает ниже, чем на других диодах. За счет этого они более энергоэффективны.
- Скорость переключения. Диоды Шоттки быстрее переключаются. Это необходимо в системах с высокой частотой.
- Высокие температуры. Диоды Шоттки имеют высокое сопротивление диода теплу. Это позволяет им работать в условиях перепадов температур.
- Диоды применяются в схемах высокочастотных выпрямителей, для защиты от перенапряжения, в импульсных источниках питания и других.
Светодиоды
Светодиоды излучают свет когда по ним проходит электрический ток. Его конструкция предусматривает два проводника. При прохождении тока, между полупроводниками возникает P-N взаимодействие, когда электроны переходят в реципиент с выделением фотонов.
Чтобы получить излучение определенного цвета необходимо:
- Покрытие люминофором. Применяют реагент люминофор. Часто используется для получения белого цвета.
- Применение примесей. С помощью добавок изменяется длина волны светового излучения. С длиной волны изменяется и цвет.
- RGB-технология. В кристалле применяются три светодиода: красный, зеленый и синий. От интенсивности каждого из них меняется цвет.
- Светодиоды на основе волокон. Диоды данного типа изготавливают из нитей терефталата полиэтилена, обработанные специальным раствором. Далее нить высушивают при температуре 140 градусов.
- В настоящее время светодиоды нашли широкое применение. Все виде световой рекламы на улицах наших городов, дизайн помещений, мебели, городская подсветка и т. д.
Фотодиоды
Фотодиоды — полупроводники, которые обладают светочувствительностью. Основная функция применения — трансформация света в электричество.
Работа фотодиода основана на внутреннем фотоэффекте, когда попадает свет, возникает дисбаланс электронов и «дырок». Они формируют течение тока. Если фотодиод находится в темноте, то по характеристикам он аналогичен обычному диоду.
Фотодиоды применяются в оптоэлектронике и многоэлементных фотоприемниках. Также нашли применение в лазерных дальномерах, оптоволокне и в других областях.
Стабилитроны
Стабилитрон (диод Зенера) применяется для стабилизации напряжения и защиты от скачков. При включении напряжения стабилитрон работает также как обычный диод. Но у него есть особенность — ток не течет, пока величина напряжения не достигла заданной величины. Как только величина достигнута, происходит пробой и ток течет.
Стабилитроны широко применяются в электротехнике. При помощи них питаются маломощные системы от более мощных систем, а также для стабилизации электрических цепей.
Тиристоры
Тиристоры это тип диодов, они пропускают ток только в одну сторону. Они характеризуются двумя устойчивыми состояниями: открытое (высокая проводимость) и закрытое (низкая проводимость).
Функция тиристора — электроключ, основная особенность которого — не может самостоятельно поменять состояние.
Тиристоры применяют в блоках питания з, в генераторах, для устройства простой сигнализации, реагирующей на свет.
Варикапы
Варикап («варактор») — изменяют емкость в зависимости от обратного напряжения. Применяются для изменения частоты генераторов, в системах автоматической подстройки частоты различных радиоприемных устройств и других.
Диодные мосты
Диодный мост — устройство, которое выпрямляет электрический ток, преобразует переменный ток в постоянный. Мост состоит из двух пластин с расположенными на них диодами.
Мост пропускает ток переменный ток в одном направлении, скачки напряжения сглаживаются за счет использования двух разнонаправленных диодов — силового плеча.
Диодный мост применяется в следующих областях: блоки питания в персональных компьютерах, цифровая техника, автомобильных генераторах, питающихся от низкого постоянного напряжения, в звуковых системах, измерительной техники, теле- радиовещания.