Что такое диод, его разновидности, назначение и принцип работы

Полупроводники электрического тока окружают нас в повседневной жизни. Они применяются в различных электронных устройствах и не только. Рассмотрев принцип работы диода, будет легче понять, что он из себя представляет, какие выполняет функции и для чего вообще нужен.

Что такое диод

Для начала было бы неплохо ознакомиться с самим понятием. 

Простым языком, диод — это электронное устройство с двумя электродами, пропускающими электрический ток в одном направлении. Возникающее сопротивление препятствует движению электрического заряда в обратную сторону.

Конструкция и устройство

Разбор структуры диода помогает лучше понять суть протекающих в нем процессов. 

Он состоит из следующих компонентов:

• вакуумный корпус (выполнен из керамики, металла, стекла);
• кристалл с р-n переходом;
• анод (электрод с положительным потенциалом);
• катод (выход-электрод с отрицательным зарядом);
• подогреватель в виде тонкой проволоки (находится в катоде).

Электроды расположены в корпусе диода. Катод может представлять собой нить накаливания или металлический цилиндр, являющийся источником косвенного накала. Анод чаще всего также имеет цилиндрическую форму. 

Одна часть полупроводникового кристалла имеет недостаток электронов (р-тип) а другая — избыток (n-тип). Граница между ними называется р-n переходом. 

Единицы измерения, маркировка и схематическое обозначение

Система кодировки диодов включает буквенные и цифровые символы.

На первом месте в классификации диодов стоит буква или цифра, обозначающая материал полупроводника. Например: Г (или 1, или А латинская) — германий, К (2, лат. В) — кремний, А (3, лат. С) — арсенид галлия. 

Вторым элементом маркировки идет буква, обозначающая подкласс диода. Например: Д — выпрямительный, С — стабилитрон. В латинице: А — сверхвысокочастотный, В — варикап, Р — фотодиод, Y — выпрямительный, Z — стабилитрон.

Дальше идет серийный номер, состоящий из ряда цифр или из буквы и цифр. Маркировкой от 100 до 999 обозначаются приборы общего назначения.

Последней стоит буква, показывающая модификацию (от А до Я).

Например, кодировка КД202К — это кремниевый выпрямительный диффузионный диод.

Существует также маркировка цветом, включающая точки и полосы.

На схеме анод имеет обозначение треугольника, острый угол которого упирается в перпендикулярную линию (катод). Электроды на условно-графическом обозначении (УГО) расположены на прямой линии, проходящей по центру. Получается схематичная стрелочка, указывающая направление движения электрического тока. Так обозначается выпрямительный диод. Другие типы обозначаются с помощью дополнительных элементов. 

Буквенный код — VD. 

Материалы изготовления

Какие вещества способствуют протеканию тока через диод? 

Различные материалы по-разному пропускают ток. Например, металлы справляются с этим очень хорошо. Стекло, пластмасса, наоборот, его практически не пропускают. Кристаллы, содержащиеся в диодах, являются полупроводниками и занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. 

В качестве проводящего материала могут использоваться: кремний, германий, арсенид галлия, селен, фосфид индия. Чаще всего применяется кремний. Германий — более дорогой материал. Используется там, где кремниевые соединения показывают низкую эффективность.

Кремний или германий с примесью частиц индия образует р-тип полупроводника. Соединение кристалла с мельчайшими долями мышьяка создает n-тип.

Области применения диодов

Используются полупроводники в устройствах различного назначения. 

Приборы с односторонней проводимостью встречаются в следующих приспособлениях:

1. Диодные мосты. Представляют собой последовательное соединение 4, 6 или 12 диодов. Присутствуют как выпрямители в электронике, блоках питания, автомобильных генераторах.
2. Детекторы. Находят применение в телевизорах, радиоприемниках. Конструкция состоит из нескольких диодов и конденсаторов.
3. Переключатели высокочастотных сигналов. Работают вместе с конденсаторами.
4. Защитные диоды. Совместно с резисторами ограничивают напряжение в сети и предохраняют электронную аппаратуру от перенапряжения.

Как определить анод и катод у диода

На схемах анод и катод обозначаются соответственно А и К.

Иногда на корпус полупроводникового элемента наносят полоску другого цвета. Так обозначается катод.

Как проверить диод? Где у полупроводника анод, а где катод? Выпрямительный прибор и стабилитрон анализируют мультиметром или омметром.

Переключатель измерительного прибора устанавливается на отметке прозвонки (значок диода и радиоволны). Красный провод (+) щупом подсоединяется к (предполагаемому) аноду, черный (-) — к катоду. На дисплее появится значение порогового напряжения радиоэлемента, измеряемое в вольтах (В). Поменяв полярность (положение проводков), будет виден запредельно большой показатель сопротивления (1 или OL). В этом случае выводы диода определены верно. Проверяемый элемент находится в исправном состоянии.

Важно! Многие ошибочно полагают, что при прямом включении мультиметр показывает сопротивление. На самом деле это пороговое напряжение или так называемое «падение напряжения в р-n переходе».

Разновидности диодов

Устройства различаются по различным параметрам. В зависимости от этого диоды выполняют определенные функции.

По размеру перехода

Эта характеристика подразумевает три вида устройств:

1. Плоскостные. Состоят из пластины с двумя областями разной примесной проводимости. Работают на низких частотах. Могут применяться значительные прямые токи. Действуют как выпрямители переменного тока в блоках питания.
2. Точечные. Имеют крайне малый р-n переход. Способны функционировать с малыми токами. Преобразуют колебания высокой частоты.
3. Микросплавные. Детали состоят из монокристаллов р- и n-типа. Принцип действия идентичен плоскостным устройствам, а характеристики — точечным.

По типу конструкции

Существует довольно солидный ассортимент диодов, отличающихся различной направленностью применения в зависимости от внутреннего строения.

Различают следующие типы:

1. Стабилитроны. Поддерживают необходимое значение напряжения (до 5,7 В). Подключаются в обратном для диодов порядке: анод к минусу, катод к плюсу. В ВАХ задействуется обратная ветка.
2. Стабисторы. Также стабилизируют напряжение, но применяется меньшее значение (0,7 – 2 В). Используется прямая ветвь ВАХ. 
3. Светодиоды. Бывают индикаторными и осветительными. Вторые используются в фонарях, баннерах и LED–лампах. Первые создают подсветку клавиатуры в гаджетах, присутствуют в индикаторах различных приборов. 
4. Тиристоры. Имеют третий вывод — управляющий электрод (УЭ). Разновидностью являются динисторы (без УЭ) и симисторы (пропускают ток в двух направлениях).
5. Диодные сборки. Представляют собой несколько соединенных в одном корпусе диодов. Среди них выделяют диодные мосты, состоящие из 4, 6, 12 диодов, в зависимости от типа схемы: однофазная, трехфазная, полу- или полномостовая.
6. Диоды Шоттки. Вместо р-n перехода применяется переход металл–полупроводник. При незначительном падении напряжения имеют высокую скорость работы. 
7. Варикапы. Еще называют емкостными диодами. Значение сопротивления меняется с изменением напряжения. Применяются для настройки высокочастотных колебательных контуров.
8. Фотодиоды. Преобразуют световую энергию в электрическую.

По частотному диапазону

В зависимости от рабочей частоты диоды делятся на:

1. Импульсные. Применяются в быстродействующих цепях. Бывают диффузные, сварные, сплавные и точечные.
2. Низкочастотные (до 1 кГц).
3. Высоко- и сверхвысокочастотные (до 600 мГц). Часто присутствуют в точечных диодах. Универсальны за счет работы в широком диапазоне частот.

Вольтамперная характеристика диода

Это показатель зависимости проходящего через р-n переход тока от величины и полярности приложенного напряжения. ВАХ (вольт амперная характеристика) отображается на графике. 

Верхняя вертикальная ось показывает прямой ток (Iпр), а нижняя — обратный (Iобр). Выражается в миллиамперах (mA). 

Левая часть горизонтальной оси — прямое напряжение (Uпр), а правая — обратное (Uобр). Измеряется в вольтах (В). 

В верхней правой плоскости кривая изображает прямой ток, в левой нижней части — обратный.

Прямая ветвь показывает быстрый рост тока с возрастанием напряжения. Ее близкое расположение к верхней оси одновременно с обратной ветвью, приближенной к левой оси графика указывает на хорошие выпрямительные характеристики диода.

Кривая прямого тока сначала растет медленно, затем быстрее. Это объясняется тем, что диод открывается при определенном значении приложенного прямого напряжения. Например, кремниевый проводник при напряжении Uпр 0,5 В дает ток Iпр 50 mА, а при Uпр 1 В Iпр возрастает до 150 mA. 

Важно! Оптимальный тепловой режим регулируется с помощью ограничительного резистора, последовательно подключенного к диоду. Это предотвращает перегрев и разрушение кристаллической решетки полупроводника.

Прямое напряжение германиевых диодов не должно превышать 1 В, кремниевых — 1,5 В.

Приложение обратного напряжения к р-n переходу дает очень незначительный рост силы тока. Это наглядно показывает обратная ветвь на графике ВАХ. Если напряжение превысит допустимые пределы, обратный ток резко возрастет. Это приведет к чрезмерному нагреву кристалла и пробою перехода. 

Важно! Вольтамперная характеристика диода, в отличие от терморезисторов и ламп накаливания, нелинейная и несимметричная.

Принцип работы полупроводникового диода

Пластина полупроводника, как уже говорилось выше, имеет две области электропроводности: р- и n-типа. Р — с англ. positive (положительная), n — negative (отрицательная). Первая область представляет собой анод, вторая — катод. В р–зоне преобладают так называемые дырки, а в n-зоне — электроны. Пластины содержат слой металла и выводы электродов. 

Диод в цепи постоянного тока

Для протекания тока радиоэлемент должен находиться в открытом состоянии.

Если к аноду подключить положительный полюс источника постоянного тока, а к катоду — отрицательный, диод откроется. Электроны из области n начнут двигаться в сторону области р, дырки из р-области устремятся в n-область. На границе (р-n переходе) электроны заполняют дырки.

Металлическая часть отрицательного полюса восполняет убывшие электроны в n-области, а контакт на положительном полюсе принимает из области р- количество электронов, равное введенным в нее дыркам. Незначительное сопротивление в р-n переходе позволяет току проходить через диод. Достаточное напряжение и большая площадь перехода создают благоприятные условия для протекания значительного количества прямого тока.

При изменении полярности диод закроется. Электроны начнут перемещаться к положительному, дырки — к отрицательному контактам. Граница областей расширяется, становясь зоной, обедненной электронами и дырками. Возникнет сильное сопротивление. Обратный ток бесконечно мал по сравнению с прямым.

Диод в цепи переменного тока

Что произойдет, если взять другой источник электрической энергии? 

Радиоэлемент, подключенный к цепи с переменным током, открывается при положительных полупериодах на аноде, пропуская прямой ток, и закрывается при отрицательных, практически не пропуская ток обратный. Это свойство используется в выпрямительных элементах для преобразования переменного тока в постоянный. 

Основные неисправности диодов

Изменение поведения электронов происходит из-за пробоев, утечки или обрывов. В первом случае радиоэлемент начинает пропускать ток в обоих направлениях, т. е. становится проводником. При обрыве диод получает свойства изолятора, и движения электричества не происходит ни при каком включении. При утечке нарушается герметичность корпуса, что приводит к нарушению нормальной работоспособности прибора. 

Пробой p-n-перехода

Происходит при достижении критических значений напряжения из-за резкого увеличения обратного тока. 

Электрический пробой

Возникает под воздействием сильного электрического поля в р-n переходе. Это обратимый процесс. При восстановлении нормальных показателей обратного напряжения диод возвращается в обычное рабочее состояние. На подобных принципах работают стабилитроны. 

Туннельный электрический пробой имеет место, когда некоторые электроны, проходя через тонкий р-n переход с сильным электрическим полем, не меняют свою энергию. Это становится возможным благодаря большим концентрациям примесей в полупроводнике.

Эффект увеличения обратного тока при низком обратном напряжении используется в туннельных диодах. 

Лавинный электрический пробой возникает при сильном электрическом поле под воздействием тепла. Неосновные носители зарядов, выбивая электроны в зону проводимости, образовывают новые пары электрон — дырка. Начинает происходить возникновение все новых и новых пар. При исходном напряжении обратный ток усиливается.

Подобные процессы используют в мощных выпрямительных аппаратах.

Тепловой пробой

Перегрев p-n перехода при прохождении сильного тока нарушает теплообмен. Обратное напряжение увеличивает мощность в p-n переходе. Связь валентных электронов с атомом уменьшается. Попадая в зону проводимости, они создают новые пары электрон — дырка. Лавинообразное повышение температуры разрушает p-n переход. Это приводит к неисправности диода.

Элементы, обладающие способностью пропускать через себя ток, применяются в различных приборах, устройствах, промышленных агрегатах. В настоящее время диоды прочно вошли в повседневную жизнь, делая ее легче и комфортнее. Они являются неотъемлемой частью предметов, которыми человек пользуется изо дня в день.