Диод — простейший полупроводниковый прибор, который можно встретить сегодня на печатной плате любого электронного устройства. В зависимости от внутренней структуры и технических характеристик, диоды классифицируются на нескольких видов: универсальные, выпрямительные, импульсные, стабилитроны, туннельные диоды и варикапы.
Диоды применяются для выпрямления, ограничения напряжения, детектирования, модуляции, в качестве защитных элементов и т. д. - в зависимости от назначения устройства, в котором применяются.
Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока низкой частоты в пульсирующий ток одного направления.
Основа диода — p-n-переход, сформированный полупроводниковыми материалами с двумя разными типами проводимости. К кристаллу диода присоединены два вывода, называемые катод (минусовой электрод) и анод (плюсовой электрод). На стороне анода находится область полупроводника p-типа, а на стороне катода — область n-типа.
Данное устройство диода обеспечивает ему уникальное свойство — он проводит ток лишь в одном (прямом) направлении, от анода — к катоду. В обратном направлении обычный исправный диод ток не проводит.
В области анода (p-типа), основными носителями заряда являются положительно заряженные дырки, а в области катода (n-типа) — отрицательно заряженные электроны. Выводы диода представляют собой контактные металлические поверхности к которым и припаяны выводы.
Когда диод проводит ток в прямом направлении, это значит что он находится в открытом состоянии. Если ток через p-n-переход не идет, значит диод закрыт. Таким образом, диод может находиться в одном из двух устойчивых состояний: или открыт или закрыт.
Включив диод в цепь источника постоянного напряжения, анодом к плюсовой клемме, а катодом - к минусовой, получим смещение p-n-перехода в прямом направлении. И если напряжение источника окажется достаточным (для кремниевого диода хватит 0,7 вольт), то диод откроется и начнет проводить ток. Величина этого тока будет зависеть от величины приложенного напряжения и от внутреннего сопротивления диода.
Почему диод перешел в проводящее состояние? Потому что при правильном включении диода, электроны из n-области, под действием ЭДС источника, устремились к его положительному электроду, навстречу дыркам из p-области, которые теперь движутся в сторону отрицательного электрода источника, навстречу электронам.
На границе областей (на самом p-n-переходе) в это время происходит рекомбинация электронов и дырок, их взаимное поглощение. А источник вынужден непрерывно поставлять новые электроны и дырки в область p-n-перехода, увеличивая их концентрацию.
А что случится если диод включить наоборот, катодом к плюсовой клемме источника, а анодом — к минусовой? Дырки и электроны разбегутся в разные стороны — к выводам — от перехода, и в окрестности перехода возникнет зона обедненная носителями заряда — потенциальный барьер. Ток обусловленный основными носителями заряда (электронами и дырками) попросту не возникнет.
Но кристалл диода не идеален, в нем кроме основных носителей заряда присутствуют еще и неосновные носители заряда, которые и создадут очень незначительный обратный ток диода, измеряемый микроамперами. Но диод в данном состоянии закрыт, так как p-n-переход его смещен в обратном направлении.
К основным параметрам выпрямительного диода относятся прямой и обратный токи, выпрямленный ток, прямое и обратное напряжение, дифференциальное сопротивление, максимальная рабочая частота.
Напряжение, при котором диод переходит из закрытого состояния в открытое, называется прямым напряжением диода (смотрите - Основные параметры диодов), которое по сути является падением напряжения на p-n-переходе.
Сопротивление диода току в прямом направлении не постоянно, оно зависит от величины тока через диод и имеет размер порядка единиц Ом. Напряжение обратной полярности, при котором диод закрывается, называется обратным напряжением диода. Обратное сопротивление диода в этом состоянии измеряется тысячами Ом.
Очевидно, диод может переходить из открытого состояния в закрытое и обратно при смене полярности приложенного к нему напряжения. На данном свойстве диода основана работа выпрямителя.
Так, в цепи синусоидального переменного тока диод будет проводить ток лишь во время положительной полуволны, а во время отрицательной — будет заперт.
Выпрямитель — это устройство, которое преобразует переменный ток в постоянный. Основными функциональными элементами являются диоды, которые пропускают ток только в одном направлении. Подходящим расположением диодов переменный ток в однофазной или трехфазной цепи преобразуется в пульсирующий, но однонаправленный ток. Для сглаживания результирующего тока можно использовать конденсаторы.
Нормальная работа диода в режиме выпрямления возможна в том случае, когда обратное напряжение не превышает пробивного значения, а выпрямленный ток не больше номинально допустимого при нормальной температуре диода. С повышением температуры диода прямой и обратный ток увеличиваются, а с понижением — уменьшаются. Пробивное напряжение с повышением температуры снижается.
Границы режимов, при которых диод работает с заданной надежностью, определяются предельными параметрами. К предельным параметрам относятся максимальные значения выпрямленного тока, допустимой мощности рассеяния на диоде, его рабочей температуры, пикового обратного напряжения.
Самые распространенные типы диодов:
- Выпрямительные диоды: эти диоды используются в схемах выпрямления переменного тока в постоянный. Они медленные, предназначены для работы с низкочастотными цепями, оптимизированы для низких потерь проводимости и могут выдерживать только умеренные динамические нагрузки. Типичное значение ton для силового диода составляет 5–20 мкс, а toff 20–100 мкс (соотношение Ton/Tof определяем быстродействие диода). Номинальное напряжение варьируется от нескольких сотен вольт до 10 кВ, а номинальный ток варьируется в диапазоне от 1 А до 10 кА.
- Диоды с быстрым восстановлением: обычно это диоды-компаньоны для быстрых переключателей, таких как IGBT. Эти диоды оптимизированы для высоких динамических нагрузок, а также для применения в электронных переключателях. Типичное время ton находится в диапазоне несколько наносекунд, а типичное время toff находится в диапазоне от нескольких десятков наносекунд до нескольких микросекунд, в зависимости от номинала диода. Доступны номинальные значения напряжения и тока до 6 кВ и 3 кА соответственно.
- Быстродействующие диоды: они оптимизированы для высокочастотных приложений, таких как высокочастотные выпрямители в импульсных источниках питания. У них очень малое время восстановления (от 1 нс до 5 мкс). Номинальная мощность варьируется от нескольких сотен милливатт до нескольких киловатт.
- Диоды Шоттки: эти диоды имеют очень низкое падение напряжения в открытом состоянии и очень быстрое переключение. Падение напряжения в открытом состоянии может составлять всего 0,1–0,7 В. Для многих приложений, таких как высокочастотные выпрямители в источниках питания низкого напряжения, требуются быстродействующие диоды с низким падением напряжения в открытом состоянии. Диод Шоттки формируется путем нелинейного контакта между полупроводником N-типа (катод) и металлом (анод), создавая барьер Шоттки. Ток возникает из-за основных носителей, в результате чего незначительные неосновные носители сохраняются в дрейфовой области. Это значительно сокращает время выключения устройства. Диоды Шоттки на основе кремния имеют очень низкую (<100 В) блокирующую способность при обратном смещении по напряжению. Диоды Шоттки на основе (SiC) обладают более высокой блокирующей способностью по напряжению, скажем, до 3 кВ. Диоды Шоттки имеют низкое сопротивление в открытом состоянии, очень низкое падение напряжения в открытом состоянии и малое время переключения и, следовательно, используются в высокочастотных резонансных преобразователях, низковольтных источниках питания и т. д.
- Стабилитроны: это диоды специального назначения, которые позволяют току течь в прямом, а также в обратном направлении. В обратном направлении они предназначены для работы в области пробоя. Стабилитроны рассчитаны на низкое напряжение пробоя, обычно от нескольких вольт до максимума 1 кВ. Прямой ток будет находиться в диапазоне от нескольких микроампер до 200 А.
- Светоизлучающие диоды: светоизлучающие диоды (СИД) излучают свет при активации. Они используются в основном в качестве индикаторов и элементов отображения информации. В последнее время их стали использовать для освещения.
Импульсные и выпрямительные диоды: Чем отличаются импульсные диоды от выпрямительных
Особенности включения светодиодов: Почему светодиод нужно включать через резистор