Полупроводниковый диод

Известный всем радиолюбителям полупроводниковый диод, или диодный вентильный элемент, – это особое электронное устройство, проводящее ток только в одну из сторон. Данный эффект объясняется наличием в этом приборе специального p-n (n-p) перехода, смещающего границу раздела в определённую сторону и обеспечивающего его однонаправленную проводимость.

Структурная схема диода

Диоды изготавливаются из полупроводникового материала, в качестве которого в прошлые годы использовался германий (в настоящее время он практически повсеместно заменён кремнием).

Электрическая структура и схема диода

Полупроводниковый диод схематически может быть представлен в виде электронного перехода, образующегося на границе раздела двух кристаллических сред с «p» и «n» проводимостями. К каждой из образующих этот переход пластине методом контактной сварки подсоединяются электрические выводы. Вследствие этого у полупроводникового устройства с такой конструкцией образуются два полюса, называемые анодом и катодом.

Электрическое изображение различных типов диодов

Для создания полупроводниковых переходов в старых диодах применялись германий и селен, но позже эти материалы были замещены более эффективным, удобным в применении и дешёвым кремнием. Возможность однонаправленного пропускания электрических зарядов позволила использовать их в электронных схемах, предназначенных для преобразования токовых параметров. С электрическим графиком (вольтамперной характеристикой – ВАХ) диодного перехода можно ознакомиться на рисунке ниже.

График электронного перехода

Классификация диодов

Полупроводниковые диоды могут классифицироваться по целому ряду признаков, основными из которых являются:

• Особенности конструкции;
• Назначение конкретного изделия;
• Виды сигналов, для работы с которыми предназначается данный прибор.

Классификация диодов по их конструктивным особенностям предполагает деление на точечные и сплавные изделия, отличающиеся технологией формирования перехода. По своему функциональному назначению все эти устройства делятся на следующие виды:

• Выпрямительные диоды;
• Приборы для задания опорных потенциалов;
• Ограничители сигналов;
• Блокирующие, управляемые и генерирующие устройства.

Ко второй категории следует отнести стабилитроны, работающие на обратной ветви ВАХ и позволяющие получать фиксированное напряжение. Для ограничения уровня сигнала применяется особый способ включения диодов, состоящий во встречном размещении двух или более элементов.

К последней группе относятся такие распространенные наименования полупроводников, как варикапы, светодиоды, туннельные диоды, лазеры и подобные им устройства.

По виду пропускаемого через переход сигнала все диоды делятся на импульсные и линейные приборы.

Преимущества

Полупроводниковые диоды в случае их непосредственного включения в схему обеспечивают следующие преимущества:

• Абсолютная взаимозаменяемость различных образцов;
• Высокое качество обработки сигналов;
• Миниатюрность и долговечность;
• Удобство монтажа и замены;
• Доступность и дешевизна.

Все перечисленные достоинства превратили эти полупроводниковые детали в одни из самых ходовых и востребованных элементов, используемых при проектировании большинства образцов современной радиоаппаратуры. Удобство работы с ними также проявляется в лёгкости подбора подходящего аналога (отечественного или зарубежного).

Маркировка

Нанесённая на полупроводниковый диод маркировка может рассматриваться как аббревиатура от основных параметров, характеризующих свойства конкретного прибора. Так, КД196В, например, расшифровывается как диод кремниевый с напряжением 9,6 Вольта с характеристиками класса «В».

На основании этого обозначения можно сделать вывод о следующей расшифровке маркировки по порядку знаков:

• Первая буква указывает на материал, из которого изготавливается переход прибора;
• Второй знак – это начальная буква его наименования;
• Далее следует цифра, определяющая назначение изделия;
• На следующем месте ставится величина рабочего напряжения.

На последней позиции указывается значок, характеризующий вариант исполнения данного диода.

Принцип работы выпрямителя

Выпрямительный полупроводниковый диод работает по предельно простому принципу, состоящему в следующем:

• Во-первых, в диоде на основе кремния при изготовлении образуется переход, по одну сторону которого располагается область p-типа, насыщенная «дырками», а по другую n-типа (с избытком электронов);
• Во-вторых, за счёт такого распределения образуется электрическое поле, смещающее потенциалы в одну из сторон и пропускающее протекающие по изделию токи;
• И, в-третьих, для токов, протекающих в обратную по отношению к смещающему потенциалу сторону, сопротивление диодного перехода резко увеличивается.

Вследствие этого постоянный ток будет свободно протекать в одну из сторон перехода и практически отсутствовать при обратной полярности источника питания (смотрите рисунок).

Принцип работы

Если на диод подаётся переменное напряжение, положительная его ветвь будет пропускаться через переход, а отрицательная – почти полностью задерживаться. В результате этого на выходе диода получится частично выпрямленное напряжение, которое после дополнительной фильтрации может быть превращено в постоянное.

Именно потому, что полупроводниковый переход в диоде очень мал, (тысячные доли миллиметра), ток через него протекает особым образом. При подаче напряжения одной полярности, благодаря ориентации поля в прямом направлении, ток может проходить через электрический барьер, образованный зарядами дырок и электронов. При смене полярности напряжения поле меняет свою ориентацию, зона перехода резко расширяется, не позволяя носителям преодолевать его. Ток в цепи нагрузки сразу же прекращается.

Вольтамперные характеристики (идеальная и реальная)

Зависимость тока в диодном элементе от подаваемого на полюсы напряжения определяется, прежде всего, тем материалом, из которого он изготавливается. Помимо этого, на форму ВАХ влияют некоторые параметра полупроводникового перехода.

Идеальная характеристика

Так, идеальный образец изделий этого класса должен располагать следующими показателями:

• Сопротивление перехода в прямом включении изделия – ноль Ом;
• Разница потенциалов, образующаяся вследствие тепловых колебаний энергоносителей, – не более 0,1 Вольта;
• Дифференциальное сопротивление прямой ветви ВАХ должно превышать тот же показатель для обратной её части во много раз.

При соблюдении всех этих «идеальных» условий должен получиться график, приведенный на размещённом ниже рисунке.

ВАХ идеального диода

Особенности характеристик диодных изделий позволяют использовать их во многих отраслях электронной промышленности, включая лазерную индустрию, цифровую электронику и производство медицинского оборудования.

Реальная ВАХ

На практике параметры конкретных полупроводниковых элементов существенно отличаются от тех, что для удобства описания принимаются за идеальные. Большинство промышленных диодов не способно обеспечить повторение этих характеристик, что в практическом плане и не всегда требуется.

Реальная ВАХ полупроводникового диода выбранного типа указывает на то, что у него существуют значительные отклонения как по параметрам тока, так и по крутизне преобразования (по динамическому сопротивлению). Вследствие этого прибор типа «диод» способен выдерживать строго ограниченные нагрузки, которые, как правило, выражаются следующими его предельными показателями:

• Максимальный прямой выпрямленный ток;
• Ток обратной утечки;
• Максимальное прямое и обратное напряжение;
• Падение потенциала на p-n переходе (рабочий параметр);
• Предельная рабочая частота обрабатываемого сигнала (в Герцах).

Относительно последнего параметра типового элемента необходимо отметить, что в соответствие с его значением все диоды делятся на низкочастотные (НЧ), среднечастотные (СЧ) и высокочастотные (ВЧ).

Для каждого отдельного образца изделия приведённые выше показатели принимают вполне конкретные значения, которые могут изменяться в очень широких пределах. Так, для выбранной модели полупроводника (КД202, например), они имеют следующий ряд чётко определённых значений:

• Iпр = 5 Ампер;
• Iобр = 1000 микроампер;
• Uпр = 0,5 Вольт;
• Uобр = 50-600 Вольт (в зависимости от буквы, стоящей на конце обозначения);
• F макс = 5 Килогерц.

В завершающей части обзора отметим, что по приведённым выше параметрам одни изделия могут существенно отличаться от других, что также относится и к конструкции их корпуса. Со всем многообразием существующих диодных приборов и их рабочими характеристиками можно ознакомиться в специальной технической литературе и в соответствующих справочниках.

Видео