Применение диодов. Принцип работы и назначение диодов Что такое диод и как он работает

Фундамент

Значит, обе полуволны переменного напряжения, проходя через диодный мост, будут иметь на нагрузке одну и ту же полярность постоянного напряжения.
Су ществует также и схема применения всего 2-х диодов для выпрямления переменного тока с использованием трансформатора с отводом от средней точки. В ней правильная работа диодов осуществляется за счет того, что применяемый трансформатор имеет две одинаковые вторичные обмотки с, соответственно, равными напряжениями. Один полупериод работает одна обмотка, а другой - другая. Этот вариант вы сможете найти и разобрать сами. Но на практике, однако, применяется гораздо чаще именно рассмотренная выше схема.
Если вы не собираетесь применять диоды в высокочастотных цепях, а это отдельные серии диодов, то необходимо знать два основных параметра выпрямительных диодов:
1)Максимальный ток в прямом направлении , Iпр. Это тот самый ток, который и будет проходить через нагрузку при открытом состоянии диода. В большинстве применяемых диодов эта величина составляет от 0,1 до 10А. Бывают и более мощные. Однако надо учитывать, что в любом случае, когда через диод протекает прямой ток Iпр, то на нем "оседает" небольшое напряжение. Величина его зависит от величины протекающего тока, но в общем случае это примерно около 1В. Называется эта величина прямым падением напряжения и обычно обозначается как Uпр или Uпад. Для каждого диода она приводится в справочнике.
2)Максимально обратное напряжение , Uобр. Это наибольшее напряжение, в обратном направлении, при котором диод все еще сохраняет свои вентильные свойства. В общем, это всего-навсего, переменное напряжение, которое мы можем подключить к его выводам. И при выборе диодов для того же мостового выпрямителя именно на эту величину и требуется ориентироваться. При превышении значения этого напряжения происходит необратимый пробой диода как и при превышении прямого тока Iпр. Эта величина также имеется в справочниках по диодам.
Стоит отметить еще одну разновидность, если можно так сказать, диодов - это стабилитроны. Немного информации о них дальше.
Другая группа диодов - это стабилитроны. Их назначение - это не выпрямление тока, а стабилизация напряжения. В них тоже имеется p-n переход. В отличие от диода стабилитрон подключается в обратном направлении. Его вольт-амперная характеристика и условное обозначение показаны на рис.5. Из рис.5 видно, что при некотором значении напряжения на выводах стабилитрона меньшего, чем Umin, ток практически равен нулю. При напряжении Umin стабилитрон открывается, и через него начинает протекать ток. Участок напряжения от Umin до Umax, т.е. между точками 1 и 2 на графике, является рабочим участком опорного диода (стабилитрона). Минимальное и максимальное значения могут отличаться разве что на десятые доли вольта. Этим значениям соответствуют минимальный и максимальный токи стабилизации. Основные параметры стабилитрона - это:
1)Напряжение стабилизации Uст . Производятся стабилитроны с напряжением стабилизации чаще всего от 6 до 12В, но имеются и от 2 до 6В, а также и более редкоиспользуемые свыше 12 и до 300В;
2)Минимальный ток стабилизации Iст.мин . Это наименьший ток, протекающий через стабилитрон, в результате чего на нем появляется его паспортное стабилизированное напряжение. Обычно это 4...5мА;
3)Максимальный ток стабилизации . Это наибольший ток через стабилитрон, который во время работы нельзя превышать, потому что наступает недопустимое нагревание стабилитрона. В маломощных моделях это чаще всего 20...40мА.
Чем круче участок 1 - 2 вольт-амперной характеристики стабилитрона, тем лучше он стабилизирует напряжение.
Конкретное применение стабилизаторов напряжения с расчетами приведено в разделах "Расчет параметрического стабилизатора " и "Непрерывный компенсационный стабилизатор напряжения ".
Существуют и другие разновидности диодов. Это импульсные диоды, СВЧ-диоды, стабисторы, варикапы, туннельные диоды, излучающие диоды, фотодиоды. Но примем за факт то, что они все-таки используются не в простых электроустройствах, а в чистейшей воды радиоэлектронных, поэтому заострять свое на них внимание мы не будем. Тем более, что изучив основные свойства рассмотренных диодов, информацию о вышеназванных можно без труда посмотреть в технической литературе.
А в заключение, немного информации о маркировке полупроводниковых диодов. Осиановимся на российских.
Первый символ - буква (для приборов общего применения) или цифра (для приборов специального назначения), указывающая исходный полупроводниковый материал, из которого изготовлен диод: Г (или 1) - германий; К (или 2) - кремний; А (или 3) - GaAS. Второй символ - буква, обозначающая подкласс диода: Д - выпрямительные, высокочастотные (универсальные) и импульсные; В - варикапы; С - стабилитроны; Л - светодиоды. Третий символ - цифра, указывающая назначение диода (у стабилитронов - мощность рассеяния): например, 3 - переключательный, 4 - универсальный и т.д. Четвертый и пятый символы - 2-х значное число, указывающее порядковый номер разработки (у стабилитронов - номинальное напряжение стабилизации). Шестой символ - буква, обозначающая параметрическую группу прибора (у стабилитронов - последовательность разработки).
Несколько примеров маркировки:
ГД412А - германиевый (Г) диод (Д), универсальный (4), номер разработки 12, группа А; КС196В - кремниевый (К) стабилитрон (С), мощность рассеяния не более 0,3Вт (1), номинальное напряжение стабилизации 9,6В, третья разработка (В).
Для полупроводниковых диодов с малыми размерами корпуса используется цветная маркировка в виде меток, наносимых на корпус прибора.

Д иод - самый простейший по устройству в славном семействе полупроводниковых приборов. Если взять пластинку полупроводника, например германия, и в его левую половину ввести акцепторную примесь, а в правую донорную, то с одной стороны получится полупроводник типа P, соответственно с другой типа N. В середине кристалла получится, так называемый P-N переход , как показано на рисунке 1.

На этом же рисунке показано условное графическое обозначение диода на схемах: вывод катода (отрицательный электрод) очень похож на знак «-». Так проще запомнить.

Всего в таком кристалле две зоны с различной проводимостью, от которых выходят два вывода, поэтому полученный прибор получил название диод , поскольку приставка «ди» означает два.

В данном случае диод получился полупроводниковый, но подобные устройства были известны и раньше: например в эпоху электронных ламп был ламповый диод, называвшийся кенотрон. Сейчас такие диоды ушли в историю, хотя приверженцы «лампового» звука считают, что в ламповом усилителе даже выпрямитель анодного напряжения должен быть ламповым!

Рисунок 1. Строение диода и обозначение диода на схеме

На стыке полупроводников с P и N проводимостями получается P-N переход (P-N junction) , который является основой всех полупроводниковых приборов. Но в отличии от диода, у которого этот переход лишь один, имеют два P-N перехода, а, например, состоят сразу из четырех переходов.

P-N переход в состоянии покоя

Даже если P-N переход, в данном случае диод, никуда не подключен, все равно внутри него происходят интересные физические процессы, которые показаны на рисунке 2.

Рисунок 2. Диод в состоянии покоя

В области N имеется избыток электронов, она несет в себе отрицательный заряд, а в области P заряд положительный. Вместе эти заряды образуют электрическое поле. Поскольку разноименные заряды имеют свойство притягиваться, электроны из зоны N проникают в положительно заряженную зону P, заполняя собой некоторые дырки. В результате такого движения внутри полупроводника возникает, хоть и очень маленький (единицы наноампер), но все-таки ток.

В результате такого движения возрастает плотность вещества на стороне P, но до определенного предела. Частицы обычно стремятся распространяться равномерно по всему объему вещества, подобно тому, как запах духов распространяется на всю комнату (диффузия), поэтому, рано или поздно, электроны возвращаются обратно в зону N.

Если для большинства потребителей электроэнергии направление тока роли не играет, - лампочка светится, плитка греется, то для диода направление тока играет огромную роль. Основная функция диода проводить ток в одном направлении. Именно это свойство и обеспечивается P-N переходом.

Включение диода в обратном направлении

Если к полупроводниковому диоду подключить источник питания, как показано на рисунке 3, то ток через P-N переход не пройдет.

Рисунок 3. Обратное включение диода

Как видно на рисунке, к области N подключен положительный полюс источника питания, а к области P - отрицательный. В результате электроны из области N устремляются к положительному полюсу источника. В свою очередь положительные заряды (дырки) в области P притягиваются отрицательным полюсом источника питания. Поэтому в области P-N перехода, как видно на рисунке, образуется пустота, ток проводить просто нечем, нет носителей заряда.

При увеличении напряжения источника питания электроны и дырки все сильней притягиваются электрическим полем батарейки, в области же P-N перехода носителей заряда остается все меньше. Поэтому в обратном включении ток через диод не идет. В таких случаях принято говорить, что полупроводниковый диод заперт обратным напряжением.

Увеличение плотности вещества около полюсов батареи приводит к возникновению диффузии , - стремлению к равномерному распределению вещества по всему объему. Что и происходит при отключении элемента питания.

Обратный ток полупроводникового диода

Вот здесь как раз и настало время вспомнить о неосновных носителях, которые были условно забыты. Дело в том, что даже в закрытом состоянии через диод проходит незначительный ток, называемый обратным. Этот обратный ток и создается неосновными носителями, которые могут двигаться точно так же, как основные, только в обратном направлении. Естественно, что такое движение происходит при обратном напряжении. Обратный ток, как правило, невелик, что обусловлено незначительным количеством неосновных носителей.

С повышением температуры кристалла количество неосновных носителей увеличивается, что приводит к возрастанию обратного тока, что может привести к разрушению P-N перехода. Поэтому рабочие температуры для полупроводниковых приборов, - диодов, транзисторов, микросхем ограничены. Чтобы не допускать перегрева мощные диоды и транзисторы устанавливаются на теплоотводы - радиаторы .

Включение диода в прямом направлении

Показано на рисунке 4.

Рисунок 4. Прямое включение диода

Теперь изменим полярность включения источника: минус подключим к области N (катоду), а плюс к области P (аноду). При таком включении в области N электроны будут отталкиваться от минуса батареи, и двигаться в сторону P-N перехода. В области P произойдет отталкивание положительно заряженных дырок от плюсового вывода батареи. Электроны и дырки устремляются навстречу друг другу.

Заряженные частицы с разной полярностью собираются около P-N перехода, между ними возникает электрическое поле. Поэтому электроны преодолевают P-N переход и продолжают движение через зону P. При этом часть из них рекомбинирует с дырками, но большая часть устремляется к плюсу батарейки, через диод пошел ток Id.

Этот ток называется прямым током . Он ограничивается техническими данными диода, некоторым максимальным значением. Если это значение будет превышено, то возникает опасность выхода диода из строя. Следует, однако, заметить, что направление прямого тока на рисунке совпадает с общепринятым, обратным движению электронов.

Можно также сказать, что при прямом направлении включения электрическое сопротивление диода сравнительно небольшое. При обратном включении это сопротивление будет во много раз больше, ток через полупроводниковый диод не идет (незначительный обратный ток здесь в расчет не принимается). Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что диод ведет себя подобно обычному механическому вентилю: повернул в одну сторону - вода течет, повернул в другую - поток прекратился . За это свойство диод получил название полупроводникового вентиля .

Чтобы детально разобраться во всех способностях и свойствах полупроводникового диода, следует познакомиться с его вольт - амперной характеристикой . Также неплохо узнать о различных конструкциях диодов и частотных свойствах, о достоинствах и недостатках. Об этом будет рассказано в следующей статье.

Для контроля направления электрического тока необходимо применять разные радио и электро детали. В частности, современная электроника использует с такой целью полупроводниковый диод, его применение обеспечивает ровный ток.

Устройство

Полупроводниковый электрический диод или диодный вентиль – это устройство, которое выполнено из полупроводниковых материалов (как правило, из кремния) и работает только с односторонним потоком заряженных частиц. Основным компонентом является кристаллическая часть, с p-n переходом, которая подключена к двум электрическими контактами. Трубки вакуумного диода имеют два электрода: пластину (анод) и нагретый катод.

Фото – полупроводниковый диод

Для создания полупроводниковых диодов используются германий и селен, как и более 100 лет назад. Их структура позволяет использовать детали для улучшения электронных схем, преобразования переменного и постоянного тока в однонаправленный пульсирующий и для совершенствования разных устройств. На схеме он выглядит так:

Фото – обозначение диода

Существуют разные виды полупроводниковых диодов, их классификация зависит от материала, принципа работы и области использования: стабилитроны, импульсные, сплавные, точечные, варикапы, лазер и прочие типы. Довольно часто используются аналоги мостов – это плоскостной и поликристаллический выпрямители. Их сообщение также производится при помощи двух контактов.

Основные преимущества полупроводникового диода:

Полная взаимозаменяемость;
Отличные пропускные параметры;
Доступность. Их можно купить в любом магазине электро-товаров или снять бесплатно со старых схем. Цена начинается от 50 рублей. В наших магазинах представлены как отечественные марки (КД102, КД103, и т. д.), так и зарубежные.

Маркировка

Маркировка полупроводникового диода представляет собой аббревиатуру от основных параметров устройства. Например, КД196В – кремниевый диод с напряжением пробоя до 0,3 В, напряжением 9,6, модель третьей разработки.

Исходя из этого:

Первая буква определяет материал, из которого изготовлен прибор;
Наименование устройства;
Цифра, определяющая назначение;
Напряжение прибора;
Число, которое определяет прочие параметры (зависит от типа детали).

Видео: применение диодов

Принцип работы

Полупроводниковые или выпрямительные диоды имеют довольно простой принцип работы. Как мы уже говорили, диод изготовлен из кремния таким образом, что один его конец p-типа, а другой конец типа n. Это означает, что оба контакта имеют различные характеристики. На одном наблюдается избыток электронов, в то время как другой имеет избыток отверстий. Естественно, в устройстве есть участок, в котором все электроны заполняют определенные пробелы. Это означает, что внешние заряды отсутствуют. В связи с тем, что эта область обедняется носителями заряда и известна как объединяющий участок.

Фото – принцип работы

Несмотря на то, что объединяющий участок очень мал, (часто его размер составляет несколько тысячных долей миллиметра), ток не может протекать в нем в обычном режиме. Если напряжение подается так, что площадь типа p становится положительной, а тип n, соответственно, отрицательной, отверстия переходят к отрицательному полюсу и помогают электронам перейти через объединяющий участок. Точно так же электроны движутся к положительному контакту и как бы обходят объединительный. Несмотря на то, что все частицы движутся с разным зарядом в разном направлении, в итоге они образуют однонаправленный ток, что помогает выпрямить сигнал и предупредить скачки напряжения на контактах диода.

Если напряжение прикладывается к полупроводниковому диоду в противоположном направлении, ток не будет проходить по нему. Причина заключается в том, что отверстия привлекаются отрицательным потенциалом, который находится в области р-типа. Аналогично электроны притягиваются к положительному потенциалу, который применяется к области n-типа. Это заставляет объединяющий участок увеличиваться в размере, из-за чего поток направленных частиц становится невозможным.

Фото – характеристики полупроводников

ВАХ-характеристики

Вольт амперная характеристика полупроводникового диода зависит от материала, из которого он изготовлен и некоторых параметров. Например, идеальный полупроводниковый выпрямитель или диод имеет следующие параметры:

Сопротивление при прямом подключении – 0 Ом;
Тепловой потенциал – VG = +-0,1 В.;
На прямом участке RD > rD, т. е. прямое сопротивление больше, чем дифференциальное.

Если все параметры соответствуют, то получается такой график:

Фото – ВАХ идеального диода

Такой диод использует цифровая электротехника, лазерная индустрия, также его применяют при разработке медицинского оборудования. Он необходим при высоких требованиях к логическим функциям. Примеры – лазерный диод, фотодиод.

На практике, эти параметры очень отличаются от реальных. Многие приборы просто не способны работать с такой высокой точностью, либо такие требования не нужны. Эквивалентная схема характеристики реального полупроводника демонстрирует, что у него есть серьезные недостатки:

Фото – ВАХ в реальном полупроводниковом диоде

Данная ВАХ полупроводникового диода говорит о том, что во время прямого включения, контакты должны достигнуть максимального напряжения. Тогда полупроводник откроется для пропуска электронных заряженных частиц. Эти свойства также демонстрируют, что ток будет протекать нормально и без перебоев. Но до момента достижения соответствия всех параметров, диод не проводит ток. При этом у кремниевого выпрямителя вольтаж варьируется в пределах 0,7, а у германиевого – 0,3 Вольт.

Работа прибора очень зависит от уровня максимального прямого тока, который может пройти через диод. На схеме он определяется ID_MAX. Прибора так устроен, что во время включения прямым путем, он может выдержать только электрический ток ограниченной силы. В противном случае, выпрямитель перегреется и перегорит, как самый обычный светодиод. Для контроля температуры используются разные виды устройств. Естественно, некоторые из них влияют на проводимость, но зато продлевают работоспособность диода.

Еще одним недостатком является то, что при пропуске переменного тока, диод не является идеальным изолирующим устройством. Он работает только в одном направлении, но всегда нужно учитывать ток утечки. Его формула зависит от остальных параметров используемого диода. Чаще всего схемы его обозначают, как I OP . Исследование независимых экспертов установило, что германиевые пропускают до 200 µА, а кремниевые до 30 µА. При этом многие импортные модели ограничиваются утечкой в 0.5 µА.

Фото – отечественные диоды

Все разновидности диодов поддаются напряжению пробой. Это свойство сети, которое характеризуется ограниченным напряжением. Любой стабилизирующий прибор должен его выдерживать (стабилитрон, транзистор, тиристор, диодный мост и конденсатор). Когда внешняя разница потенциалов контактов выпрямительного полупроводникового диода значительно выше ограниченного напряжения, то диод становится проводником, в одну секунду снижая сопротивление до минимума. Назначение устройства не позволяет ему делать такие резкие скачки, иначе это исказить ВАХ.

Что такое диод? Для того чтобы ответить на этот вопрос, надо копнуть вглубь, в самое начало, а именно, с чего начинается полупроводник.

Вступление из теории

Проводник

Попробуем представить себе кусок материала проводника, например, меди. Чем он характеризуется: в нем есть свободные носители заряда – электроны. Причем таких отрицательных частиц в нем очень много.

Если на эту область подать плюс, то все эти отрицательные элементы устремятся к нему, то есть потечет ток через медь. Это известный факт, поэтому в качестве токопроводящих материалов применяют именно медь. К проводникам также относятся такие элементы периодической таблицы Менделеева, как алюминий, железо, золото и многие другие.

Диэлектрик

Диэлектрик – это материал, который свободных носителей заряда не имеет и, следовательно, ток не проводит.

Полупроводник

Полупроводник – это и металл, и неметалл. Материал, который и проводит ток, и не проводит. В нем мало свободных носителей заряда. Типичными полупроводниками являются кремний, германий.

Что такое диод

Кремний является четырехвалентным элементом. Чтобы его превратить в проводник, к нему подмешивают пятивалентный мышьяк. В результате этого соединения появляются лишние электроны, то есть свободные носители заряда. А если добавить к кремнию трехвалентный индий, в материале появятся позитроны, частицы с нехваткой электрона. Из таких областей и состоит диод.

Полученная структура называется PN элементом или PN-переходом. P – позитивная часть, N – негативная. Одна часть материала обогащена плюсовыми позитронами, другая – минусовыми электронами.

Как работает диод

Можно физически сами диоды не видеть, но результат их действия окружает нас повсюду. Эти устройства позволяют управлять потоком тока в указанном направлении. Существует много различных вариантов исполнения диодов. В каких случаях это бывает необходимо? Ниже будут рассмотрены примеры и в некоторой степени принцип работы полупроводниковых диодов.

Если добавить две металлические обкладки к P и N рабочим областям материала, то получатся электроды анод и катод. Схема подключения электродов к источнику может работать следующим образом:

подача напряжения с батарейки к электроду N обеспечивает притяжение позитронов, соответственно к P электроду – электронов;
отсутствие напряжения все возвращает в исходное состояние;
смена полярности подаваемого напряжения обеспечивает притяжение электронов в обратном направлении к плюсовой пластине, а позитронов – к минусовой.

В последнем случае избыточные заряды скапливаются на металлических обкладках, тогда как в центре самого материала образуется мертвая изолирующая зона. Таким образом, центральный участок материала становится диэлектриком. В таком направлении устройство не пропускает ток.

Для информации. Слово происходит от di (double) + -ode. Определение терминов катод и анод диода, относящихся к контактам, известно каждому человеку. Катод – отрицательный электрод, анод – положительный. Если подать на анод плюс, а на катод – минус, то диод откроется, и электроток по нему потечет.

Таким образом, диод – это устройство, которое имеет два электрода: катод и анод. Простое нелинейное электронное устройство, состоящее из двух разных полупроводников. Как устроен диод, хорошо видно на изображении.

Диоды – это полупроводники, состоящие из областей P и N. Благодаря свойствам PN-перехода диод проводит ток только в одном направлении. Таков принцип действия этих устройств. Для чего нужны они?

Назначение диодов

Диоды бывают различного исполнения: от громоздких советских до миниатюрных современных. Может устройство быть одной и той же мощности, но из-за времени выпуска различаться по габаритам. Диоды на большой ток нуждаются в охлаждении, поэтому производятся с креплением под радиатор. Соответственно, устройства без радиатора рассчитаны на малый ток.

Применение диодов

Устройства диодов могут быть ориентированы на ограничение или приостановление движения тока. Чрезвычайно распространенным приложением является его использование в качестве выпрямителя.

Выпрямители

Поскольку диод позволяет току течь лишь в одном направлении, то переменный ток проходит через диод только положительную или отрицательную часть напряжения синусоидальной волны. Это означает, что можно эффективно преобразовывать переменный ток в постоянный ток, применяя диоды, расположенные в виде полноволнового выпрямителя.

Например, имеется источник переменного тока. На выходе из него в цепь поставлен диод, через который подключена нагрузка. Что получится? Если источник дает синусоиду, то на выходе диода пройдет только положительная полуволна. И так до следующей полуволны. Но если развернуть диод другой стороной, то на выходе получится отрицательная полуволна, то есть устройство пропускает ток только в одном направлении.

Если поставить на место диода мост, состоящий из четырех диодов, то на выходе будет сигнал в форме полуволн, напоминающих верблюжий горб. Полуволны будут развернуты все в одном направлении. При установке после диодов дополнительного конденсатора получатся те же полуволны, только сглаженные.

Варикапы

Графический значок варикапа очень напоминает условное изображение полупроводникового диода. Варикап – это и есть обыкновенный диод. Работа устройства основана на зависимости барьерной ёмкости p-n-перехода от обратного напряжения. Если напряжение подается маленькое, емкость получается большая, если подается большое напряжение – емкость становится маленькой. Реально варикапы изменяют свою емкость в несколько раз (до 7 раз).

Стабилитроны

Стабилитрон – это полупроводниковый диод, работающий при обратном смещении в режиме пробоя. Выбирают стабилитрон с большим запасом рассеиваемой мощности, потому что он постоянно работает в режиме пробоя. Основное назначение стабилитронов – стабилизация напряжения.

Основной целью стабилизатора напряжения является поддержание постоянного напряжения на нагрузке, независимо от изменений входного напряжения и тока нагрузки. При изменяющихся условиях тока нагрузки стабилитрон может использоваться для получения стабилизированного выходного напряжения. Это основная причина использования стабилитрона в качестве стабилизатора напряжения.

Диоды Шоттки

Диод Шоттки – это низковольтное устройство, в котором используются в качестве электродов металл и обогащенный электронами полупроводник. Напряжение такого диода составляет примерно 0,2-0,4 В, в сравнение с обычным диодом эта величина в два раза меньше.

Зона применения диода Шоттки ограниченная, поскольку он не может работать без стабилитрона. В основном диоды Шоттки используются в устройствах, работающих в низковольтных цепях при обратном напряжении порядка единиц и нескольких десятков вольт.

Светодиоды

Светоизлучающие диоды в настоящее время широко применяются в качестве диодных блоков легких энергосберегающих лампочек. Они становятся незаменимыми для жизни людей, поскольку способствуют снижению возрастающих цен на электроэнергию.

Для информации. Мигающие светодиоды часто применяют в различных сигнальных цепях, для украшения домашнего интерьера. Существуют схемы, с помощью которых можно заставить мигать светодиоды. Сделать мигающие светодиоды – вполне выполнимая задача.

Самым простым по конструкции в семействе полупроводников являются диоды, имеющие в конструкции всего два электрода, между которыми существует проводимость электрического тока в одну сторону. Такой вид проводимости в полупроводниках создается благодаря их внутреннему устройству.

Особенности устройства

Не зная конструктивных особенностей диода, нельзя понять его принципа действия. Структура диода состоит из двух слоев с проводимостью различного вида.

Диод состоит из следующих основных элементов:

Корпус . Выполняется в виде вакуумного баллона, материалом которого может быть керамика, металл, стекло и другие прочные материалы.
Катод . Он расположен внутри баллона, служит для образования эмиссии электронов. Наиболее простым устройством катода является тонкая нить, раскаляющаяся в процессе действия. Современные диоды оснащены косвенно накаляющимися электродами, которые выполнены в виде металлических цилиндров со свойством активного слоя, имеющего возможность испускать электроны.
Подогреватель . Это особый элемент в виде нити, раскаляющейся от электрического тока. Подогреватель расположен внутри косвенно накаляющегося катода.
Анод . Это второй электрод диода, служащий для приема электронов, вылетевших от катода. Анод имеет положительный потенциал, по сравнению с катодом. Форма анода чаще всего так же, как и катода, цилиндрическая. Оба электрода аналогичны эмиттеру и базе полупроводников.
Кристалл . Его материалом изготовления является германий или кремний. Одна часть кристалла имеет р-тип с недостатком электронов. Другая часть кристалла имеет n-тип проводимости с избытком электронов. Граница, расположенная между этими двумя частями кристалла, называется р-n переходом.

Эти особенности конструкции диода позволяют ему проводить ток в одном направлении.

Принцип действия

Работа диода характеризуется его различными состояниями, и свойствами полупроводника при нахождении в этих состояниях. Рассмотрим подробнее основные виды подключений диодов, и какие процессы происходят внутри полупроводника.

Диоды в состоянии покоя

Если диод не подключен к цепи, то внутри него все равно происходят своеобразные процессы. В районе «n» есть излишек электронов, что создает отрицательный потенциал. В области «р» сконцентрирован положительный заряд. Совместно такие заряды создают электрическое поле.

Так как заряды с разными знаками притягиваются, то электроны из «n» проходят в «р», при этом заполняют дырки. В итоге таких процессов в полупроводнике появляется очень слабый ток, увеличивается плотность вещества в области «р» до определенного значения. При этом частицы расходятся по объему пространства равномерно, то есть, происходит медленная диффузия. Вследствие этого электроны возвращаются в область «n».

Для многих электрических устройств направление тока не имеет особого значения, все работает нормально. Для диода же, большое значение имеет направление протекания тока. Основной задачей диода является пропускание тока в одном направлении, чему благоприятствует переход р-n.

Обратное включение

Если диоды подсоединять к питанию по изображенной схеме, то ток не будет проходить через р-n переход. К области «n» подсоединен положительный полюс питания, а к «р» — минусовой. В итоге электроны от области «n» переходят к плюсовому полюсу питания. Дырки притягиваются минусовым полюсом. На переходе возникает пустота, носители заряда отсутствуют.

При повышении напряжения дырки и электроны осуществляют притягивание сильнее, и на переходе нет носителей заряда. При обратной схеме включения диода ток не проходит.

Повышение плотности вещества возле полюсов создает диффузию, то есть, стремление к распределению вещества по объему. Это возникает при выключении питания.

Обратный ток

Вспомним о работе неосновных переносчиков заряда. При запертом диоде, через него проходит малая величина обратного тока. Он и образуется от неосновных носителей, двигающихся в обратном направлении. Такое движение возникает при обратной полярности питания. Обратный ток обычно незначительный, так как число неосновных носителей очень мало.

При возрастании температуры кристалла их число повышается и обуславливает повышение обратного тока, что обычно приводит к повреждению перехода. Для того, чтобы ограничить температуру работы полупроводников, их корпус монтируют на теплоотводящие радиаторы охлаждения.

Прямое включение

Поменяем местами полюса питания между катодом и анодом. На стороне «n» электроны будут отходить от отрицательного полюса, и проходить к переходу. На стороне «р» дырки, имеющие положительный заряд, оттолкнутся от положительного вывода питания. Поэтому электроны и дырки начнут стремительное движение друг к другу.

Частицы с разными зарядами скапливаются возле перехода, и между ними образуется электрическое поле. Электроны проходят через р-n переход и двигаются в область «р». Часть электронов рекомбинирует с дырками, а остальные проходят к положительному полюсу питания. Возникает прямой ток диода, который имеет ограничения его свойствами. При превышении этой величины диод может выйти из строя.

При прямой схеме диода, его сопротивление незначительное, в отличие от обратной схемы. Считается, что обратно ток по диоду не проходит. В результате мы выяснили, что диоды работают по принципу вентиля: повернул ручку влево – вода течет, вправо – нет воды. Поэтому их еще называют полупроводниковыми вентилями.

Прямое и обратное напряжение

Во время открытия диода, на нем имеется прямое напряжение. Обратным напряжением считается величина во время закрытия диода и прохождения через него обратного тока. Сопротивление диода при прямом напряжении очень мало, в отличие от обратного напряжения, возрастающего до тысяч кОм. В этом можно убедиться путем измерения мультиметром.

Сопротивление полупроводникового кристалла может изменяться в зависимости от напряжения. При увеличении этого значения сопротивление снижается, и наоборот.

Если диоды использовать в работе с переменным током, то при плюсовой полуволне синуса напряжения он будет открыт, а при минусовой – закрыт. Такое свойство диодов применяют для выпрямления напряжения. Поэтому такие устройства называются выпрямителями.

Характеристика диодов

Характеристика диода выражается графиком, на котором видна зависимость тока, напряжения и его полярности. Вертикальная ось координат в верхней части определяет прямой ток, в нижней части – обратный.

Горизонтальная ось справа обозначает прямое напряжение, слева – обратное. Прямая ветка графика выражает ток пропускания диода, проходит рядом с вертикальной осью, так как выражает повышение прямого тока.

Вторая ветка графика показывает ток при закрытом диоде, и проходит параллельно горизонтальной оси. Чем круче график, тем лучше диод выпрямляет ток. После возрастания прямого напряжения, медленно повышается ток. Достигнув области скачка, его величина резко нарастает.

На обратной ветви графика видно, что при повышении обратного напряжения, величина тока практически не возрастает. Но, при достижении границ допустимых норм происходит резкий скачок обратного тока. Вследствие этого диод перегреется и выйдет из строя.