Диод: принцип работы, устройство, назначение
Диоды являются неотъемлемой частью современной электроники. Их применение позволяет решать различные задачи - от выпрямления переменного тока до генерации и усиления высокочастотных колебаний. Давайте разберемся в устройстве и принципах работы этих полезных компонентов.
История создания диода
Диод, принцип работы которого был открыт еще в 19 веке, когда ученые обнаружили, что раскаленные металлы обладают односторонней проводимостью. Однако практическое применение этому явлению нашлось только в начале 20 века с изобретением вакуумных ламп.
В 1904 году британский инженер Джон Амброз Флеминг запатентовал диод на основе электронной лампы, названный в его честь флеминговым диодом . Это был первый прибор, использующий явление односторонней проводимости.
Позже появились полупроводниковые кристаллические диоды, а в 1919 году американский инженер Уильям Генри Иклс предложил термин "диод" для их обозначения.
Преимущества полупроводниковых диодов
- Малые размеры и вес;
- Высокая надежность;
- Низкая стоимость;
- Простота изготовления.
Благодаря этим достоинствам полупроводниковые диоды полностью вытеснили ламповые аналоги и заняли ведущее место в электронной промышленности.
Физические основы работы диода
Принцип работы диода основан на явлении односторонней проводимости p-n перехода в полупроводниках. Рассмотрим это подробнее.
Устройство p-n перехода
P-n переход образуется на границе между двумя областями полупроводника с разным типом проводимости:
- Область p-типа содержит избыток "дырок" - положительно заряженных носителей.
- Область n-типа содержит избыток электронов - отрицательно заряженных носителей.
Такое разделение зарядов создает внутреннее электрическое поле в зоне p-n перехода, которое влияет на направление движения носителей.
Диод: принцип работы и виды токов
При подаче на диод "прямого" напряжения электрическое поле вызывает дрейф электронов из области n в область p и дырок в противоположном направлении. В результате возникает движение заряженных частиц через p-n переход - так называемый прямой ток диода.
При подаче же "обратного" напряжения происходит расширение обедненной зоны в p-n переходе и резкое торможение носителей заряда с обеих сторон. Это приводит к возникновению лишь небольшого обратного тока , величина которого определяется параметрами диода.
| Прямое напряжение | Открыт диод, течет прямой ток |
| Обратное напряжение | Закрыт диод, течет слабый обратный ток |
Таким образом обеспечивается односторонняя проводимость диода - его основное функциональное свойство.
Конструкция и материалы диодов
Устройство диода принцип работы довольно просто. Рассмотрим его на примере кремниевого диода.
Компоненты кремниевого диода
- Пластина кремния с примесями для создания областей p- и n- типов.
- Омические контакты (анод и катод).
- Выводы для подключения.
- Корпус для герметизации и защиты от внешних воздействий.
Сборка диода может выполняться как в пластмассовом, так и в металлокерамическом корпусе. Выбор материала определяется рабочей температурой и частотными свойствами.
Достоинства кремниевых диодов
По сравнению с диодами на основе германия, кремниевые диоды обладают следующими преимуществами:
- Более высокая максимальная температура (150°С);
- Лучшая обратная ветвь вольт-амперной характеристики;
- Выше предельная частота;
- Меньший уровень собственных шумов.
Поэтому кремниевые диоды получили наиболее широкое распространение в радиоэлектронной аппаратуре различного назначения.
Основные параметры и характеристики
Рассмотрим важнейшие параметры, которые используются для оценки качества и области применения диодов принцип работы:
Прямое падение напряжения
Это напряжение на открытом диоде при протекании через него прямого тока. Чем меньше это значение, тем лучше.
Ток и напряжение в запертом состоянии
Определяют утечку заряда через диод при подаче на него обратного напряжения. Должны быть минимальными.
Быстродействие
Характеризует скорость переключения диода из запертого состояния в открытое и обратно. Важно при работе на высоких частотах.
Помимо этих параметров существует масса других характеристик, которые выбираются исходя из условий эксплуатации.
Применение диодов
Диод, назначение и принцип работы определяется в первую очередь его способностью пропускать ток только в одном направлении. Это свойство широко используется на практике.
Выпрямление тока
Самое распространенное применение диодов - выпрямление переменного тока для получения пульсирующего или стабилизированного постоянного напряжения.
Детектирование сигналов
Благодаря нелинейности вольт-амперной характеристики диоды используются для детектирования и демодуляции амплитудно- и частотно-модулированных сигналов.
Генерация и усиление СВЧ
Специальные диоды с барьером Шоттки и диоды Ганна применяются для генерации или усиления электромагнитных колебаний СВЧ диапазона .
Достоинства и недостатки применения диодов
Несмотря на широкое использование, диодам присущи как достоинства, так и недостатки при эксплуатации в различных устройствах:
Преимущества диодов
- Высокая надежность и долговечность;
- Способность работать в широком диапазоне температур;
- Компактные размеры и малый вес;
- Низкая стоимость.
Недостатки диодов
- Падение напряжения в открытом состоянии;
- Наличие обратного тока утечки;
- Ограничения по максимальному току и напряжению;
- Температурная зависимость параметров.
Поэтому при использовании диодов важно правильно выбирать их тип и параметры, исходя из условий работы.
Способы повышения надежности диодов
Существует несколько методов, позволяющих повысить долговечность и безотказность диодов в электронных схемах:
Выбор оптимального тока и напряжения
Необходимо задействовать диод в линейном (активном) режиме, не допуская превышения предельных значений рабочих параметров.
Обеспечение тепловых режимов
Применение радиаторов и теплоотводов для отвода выделяемого на диоде тепла. Важно не допускать перегрева диода.
Защита от импульсных перенапряжений
Использование защитных цепочек (диод+резистор, варистор и др.) для ограничения амплитуды высоковольтных импульсных помех.
Резервирование ответственных узлов
Применение схемного резервирования с включением нескольких параллельных диодов для резервирования отказов и повышения отказоустойчивости.
Перспективы развития диодов
Несмотря на зрелость этой элементной базы, разработки в области диодостроения продолжаются. Основные тенденции:
Повышение быстродействия
Создание диодов на нитриде галлия и арсениде галлия для применения на сверхвысоких частотах.
Расширение функциональности
Разработка многофункциональных интегральных сборок, объединяющих диод с другими электронными компонентами.
Улучшение массогабаритных показателей
Переход к корпусам ультрамалых размеров и технологиям Chip-Scale Packaging для дополнительной миниатюризации диодов.