Что такое диод?

Диод — простой электронный прибор с двумя электродами, имеющий несимметричную характеристику выходного тока, протекающего через него и зависящего от входного напряжения (амплитуды и полярности) (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Условные графические обозначения полупроводникового ( а ), вакуумного ( б ) диодов и вольт амперная характеристика диода ( в )

Такая характеристика позволяет использовать диод во многих электронных устройствах в качестве элемента, который легко пропускает ток в одном направлении и почти не пропускает в противоположном, в частности для выпрямления переменных и детектирования модулированных колебаний и т. п.

Различают полупроводниковые и ламповые диоды. Полупроводниковый диод работает на принципе использования свойств р-n перехода, возникающего при соединении полупроводников n- и р-типов.

 

Что такое плоскостной диод?

Плоскостной диод (или иначе диод с р-n переходом) — полупроводниковый прибор, образованный р-n переходом с двумя металлическими контактами (выводами), присоединенными к р- и n-областям (рис. 3.2, а) и хорошо проводящими электрический ток (омические контакты). Контакты выводятся наружу из корпуса диода и называются анодом и катодом (рис. 3.2, б). Графическое изображение полупроводникового диода и способы обозначения катода показаны на рис. 3.2, в.

Рис. 3.2. Графические изображения для р-n перехода диода ( а ), его выводов ( б ) и других полупроводниковых диодов ( в )

 

Какие явления происходят в

р-n

переходе без смещения?

Полупроводники р и n, образующие переход, отличаются типом основных носителей и их концентрацией. В области p-типа акцепторные примеси увеличивают концентрацию дырок, а в области n-типа донорные примеси обеспечивают преимущественную концентрацию электронов (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Явления в р-n переходе:

а — начальное состояние p- и n- слоев; б — распределение зарядов в р-n переходе перед установлением равновесного состояния; в — распределение объемных зарядов в р-n переходе в равновесном состоянии; г — распределение потенциала; д — направления движения неосновных носителей через переход

Соединение полупроводников обоих типов с разной концентрацией вызывает протекание (диффузию) основных носителей через переход: дырки из p-области переходят в n-область, а электроны из n-области диффундируют в р-область. На большом расстоянии от перехода происходит рекомбинация (повторное соединение) дырок и электронов, в то же время вблизи перехода в полупроводнике n-типа наблюдается избыток положительных зарядов, образованных неподвижными положительными ионами доноров, а в полупроводнике р-типа — избыток отрицательных зарядов, образованных неподвижными отрицательными ионами акцепторов. В результате вблизи перехода возникает пространственный заряд ионов, создающий электрическое поле на переходе и вызывающий появление потенциального барьера, который препятствует дальнейшему протеканию основных носителей после достижения состояния равновесия. При этом состоянии n-область заряжена положительно относительно p-области. Существующий в переходе запирающий слой делает невозможным протекание основных носителей заряда, однако не препятствует протеканию через переход в противоположном направлении неосновных носителей, т. е дырок из n- в р- и электронов из р- в n-область.

 

Какие явления происходят в

р-n

переходе при подаче смещения?

К р-n переходу можно подвести внешнее напряжение от источника постоянного тока. В результате получают переход со смещением. Имеются две возможности смещения, которые зависят от полярности подключения источника к переходу. На рис. 3.4, а показан переход, смещенный в проводящем направлении. В этом случае источник действует таким образом, что положительный полюс «вытягивает» электроны из полупроводника p-типа во внешнюю цепь и «отталкивает» дырки, тогда как отрицательный полюс поставляет электроны в полупроводник n-типа и притягивает дырки. В связи с этим в полупроводнике происходит перемещение (диффузия) основных носителей: дырок из р-области в n-область и электронов из n-области в p-область. Ток, протекающий в цепи в результате диффузии основных носителей, называют диффузионным током. Следовательно, действие внешнего источника таково, что в результате увеличения числа основных носителей вблизи перехода оно нейтрализует пространственный заряд в запирающем слое, т. е. уменьшает ширину этого слоя и снижает потенциальный барьер, который до подключения источника препятствовал протеканию основных носителей заряда в полупроводнике после достижения равновесного состояния. Уменьшение потенциального барьера приводит к дальнейшему росту числа основных носителей, диффундирующих через переход.

Рис. 3.4. р-n переход, смещенный в прямом ( а ) и обратном ( б ) направлениях

Независимо от движения основных носителей в р-n переходе существует также перемещение неосновных носителей в противоположном направлении. Ток, протекающий в цепи в результате движения неосновных носителей заряда, называют обратным током (или тепловым). При смещении в проводящем направлении диффузионный ток значительно больше, чем обратный.

При подключении источника противоположной полярности (рис. 3.4, б) переход смещается в обратном направлении. В этом случае дырки, находящиеся в области n-типа, движутся в направлении отрицательного полюса батареи через полупроводник p-типа, а электроны из полупроводника р-типа — в направлении положительного полюса батареи через полупроводник n-типа. Это движение неосновных носителей. Такое смещение вызывает расширение запирающего слоя и повышение потенциального барьера для основных носителей. При такой ситуации протекание основных носителей становится полностью невозможным, и во внешней цепи протекает лишь относительно малый обратный ток.

 

Каковы свойства плоскостного диода?

Свойства плоскостного (полупроводникового) диода определяются явлениями, происходящими в р-n переходе. На рис. 3.5 показана характеристика типичного плоскостного диода, представляющая зависимость постоянного тока, протекающего через диод, от постоянного напряжения, подводимого к диоду. Для малых напряжений в проводящем направлении ток равен нулю. Когда напряжение таково, что преодолевается потенциальный барьер в переходе, ток начинает возрастать, сначала незначительно, а затем почти линейно.

Напряжение, необходимое для преодоления потенциального барьера (пороговое значение), составляет около 0,2 для германиевых и 0,7 Б для кремниевых диодов. При отрицательных напряжениях, смещающих диод в обратном направлении, существует относительно небольшой обратный ток, возрастающий с ростом температуры. Этот рост особенно велик для кремниевых диодов, однако обратный ток для германиевых диодов значительно больше. Обратные токи для типовых плоскостных диодов лежат обычно в пределах от микроампер до пикоампер, в то же время токи, протекающие в прямом направлении при напряжении, не превышающем нескольких вольт, составляют от нескольких миллиампер до нескольких ампер.

Рис. 3.5. Вольт-амперная характеристика плоскостного диода

Кроме вольт-амперной характеристики параметры диода определяют также указанием сопротивления в рабочей точке. Сопротивление диода в очень большой степени зависит от выбора рабочей точки, поскольку в общем зависимость тока от напряжения нелинейна.

Сопротивление полупроводникового диода в прямом направлении обычно лежит в интервале от нескольких десятков до нескольких ом, а в обратном направлении достигает нескольких сотен килоом и более.

Сопротивление диода в рабочей точке называется статическим сопротивлением или сопротивлением по постоянному току и определяется как отношение напряжения на аноде диода к току, протекающему через диод в этой точке, R ст  = U/I. Во многих применениях, например при подведении переменного напряжения к диоду, работающему в определенной рабочей точке, важно определить сопротивление диода, указывающее ход характеристики вблизи рабочей точки. В связи с этим вводится понятие динамического сопротивления (или дифференциального), определяемого наклоном касательной к характеристике диода в рабочей точке. Наклон определяется как отношение приращений напряжения и тока вблизи этой точки.

 

Что такое точечный диод?

Это полупроводниковый диод, в котором вместо плоской конструкции используется конструкция, состоящая из пластины полупроводника типа n или р, образующей один электрод, и металлического проводника в виде острия, являющегося другим электродом. При сплавлении острия с пластинкой образуется микропереход. Характеристика точечного диода представлена на рис. 3.6. По сравнению с плоскостным диодом падение напряжения на точечном диоде в прямом направлении очень мало (малое сопротивление).

Ток в обратном направлении значительно меняется в зависимости от напряжения. Точечные диоды обладают малой межэлектродной емкостью и часто используются для выпрямления малых токов высокой частоты.

Рис 3.6. Вольт-амперная характеристика точечного диода

 

Что такое диод Шотки?

Это плоскостной полупроводниковый диод с переходом металл-полупроводник вместо р-n перехода. Проводимость диода основывается на протекании основных носителей в отличие от р-n переходов, в которых ток в проводящем направлении возникает в связи с движением неосновных носителей заряда. При использовании полупроводника n-типа основными носителями являются электроны, протекающие в слой металла. По сравнению с точечным диодом диод Шотки (рис. 3.7) имеет более крутую характеристику в области малых напряжений в прямом направлении, значительно меньший обратный ток, меньший разброс параметров, большую надежность и высокую устойчивость к ударам, а также меньшее сопротивление в прямом направлении, но несколько большую паразитную емкость.

Кроме того, диод Шотки обладает малой инерционностью, что делает его пригодным для работы в качестве переключателя и в диапазоне высоких частот. Малая инерционность является следствием того, что накопленный в переходе металл — полупроводник заряд очень мал по сравнению с зарядом, который накапливается n плоскостном диоде с р-n переходом в режиме проводимости.

Диоды Шотки часто применяют в детекторах и смесителях в диапазоне частот вплоть до 2000 ГГц.

Рис. 3.7. Вольт-амперные характеристики диода Шотки (кривая 1 ) и точечного диода (кривая 2 )

 

Какая разница в свойствах плоскостного и точечного диодов?

Разница в свойствах германиевых и кремниевых плоскостных диодов и точечных диодов непосредственно вытекает из сравнения вида типичных вольт-амперных характеристик, приведенных на рис. 3.8.

Рис. 3.8. Типичные вольт-амперные характеристики германиевого (кривая 1 ) и кремниевого (кривая 2 ) плоскостных диодов, а также точечного диода (кривая 3 )

 

Что такое идеальный диод?

Идеальным диодом называют обычно диод с характеристикой, представленной на рис. 3.9. Резкий излом характеристики, состоящей из двух прямых отрезков, наблюдается при напряжении, равном нулю. С точки зрения эквивалентной схемы такой диод представляется нулевым сопротивлением в прямом направлении и бесконечно большим сопротивлением в обратном направлении. В некоторых применениях, например при детектировании, почти идеальным считается диод с прямолинейной характеристикой, представленной пунктирной линией на рис. 3.9.

Рас. 3.9. Вольт-амперная характеристика идеального диода

Такой диод при работе в прямом направлении аналогичен постоянному сопротивлению малого значения. В эквивалентной схеме идеального диода отсутствуют паразитные емкость и индуктивность, поэтому работа такого диода не зависит от частоты.

Характеристики реальных диодов (см. рис. 3.8) отличаются от характеристики идеального диода. Они обладают большой нелинейностью и большим изменением сопротивления, особенно в диапазоне малых напряжений в прямом направлении, и не имеют резкого излома характеристики при нулевом напряжении. Кроме того, в эквивалентной схеме реального диода следует учесть емкость между электродами, а для более высоких частот и паразитную индуктивность. В некоторых применениях существенна также инерционность диода в процессе переключения из прямого на обратное направление.

Свойства реального диода зависят не только от конструкции, но и от материала полупроводника. Лучшие свойства имеют диоды, у которых в качестве полупроводника применен кремний. При одной и той же конструкции кремниевые диоды отличаются меньшим обратным током, большим обратным напряжением, большей крутизной характеристики в прямом направлении и, что особенно существенно, большей допустимой температурой перехода (примерно до 170 °C), что позволяет работать при большей рассеиваемой мощности.

 

Что такое полупроводниковый стабилитрон?

Это плоскостной диод, в котором для стабилизации напряжения используется эффект Зенера. Обратный ток диода в относительно большом интервале изменений напряжения не зависит от этого напряжения. Однако при достаточно большом значении обратного напряжения ток диода начинает резко возрастать (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Условное графическое обозначение полупроводникового стабилитрона ( а ) и его характеристика ( б )

Напряжение, зависящее от свойств перехода (ширины, материала, концентрации примесей), составляет от нескольких до 1000 В и называется напряжением зенеровского пробоя или напряжением стабилизации. Если не будет превышена допустимая мощность рассеяния диода, пробой не разрушает диод.

Причиной резкого увеличения тока является чрезмерное увеличение напряженности электрического поля в запирающем слое, которое вызывает два эффекта: зенеровскую и лавинную ионизацию.

Для узких переходов, образующихся при сильном легировании, уже при напряжениях около нескольких вольт напряженность электрического поля становится настолько большой, что наступает зенеровская ионизация, основанная на переходе электронов из валентной зоны материала p-типа и переносе их через барьер в зону проводимости в материал n-типа. Лавинная ионизация, имеющая место в широких переходах при малом легировании, вызывается бомбардировкой атомов кристаллической решетки ускоренными электронами, создающими обратный ток. Столкновение электронов с атомами вызывает лавинный процесс образования новых носителей заряда, быстро увеличивающих обратный ток.

 

Что такое туннельный диод?

Это полупроводниковый диод, в котором благодаря использованию высокой концентрации примесей возникает очень узкий барьер и наблюдается туннельный механизм переноса зарядов через р-n переход. Характеристика туннельного диода (рис. 3.11) имеет область отрицательного сопротивления 1, т. е. область, в которой положительному приращению напряжения соответствует отрицательное приращение тока. В таком диоде прохождение электронов через область барьера наблюдается при обратном смещении и даже при небольшом смещении в проводящем направлении, при котором имеет место максимум тока.

Рис. 3.11. Характеристика туннельного диода

Дальнейшее увеличение напряжения смещения вызывает такое уменьшение электрического ноля в барьере, что прохождение электронов через область барьера прекращается. Одновременно по мере роста напряжения возрастает «нормальный» ток диода, смещенного в прямом направлении. Название «туннельный» вытекает из более подробного рассмотрения сложных явлений в переходе, которое предполагает, что электроны, будучи не в состоянии пройти нормальным способом над потенциальным барьером, проходят под барьером, как бы через туннель.

Туннельный диод, называемый иногда диодом Есаки, используется в электронных устройствах в качестве элемента с отрицательным сопротивлением.

 

Что такое варакторный диод?

Это полупроводниковый диод с р-n переходом, изготовленный по специальной технологии, в котором имеет место нелинейная зависимость емкости запертого р-n перехода от приложенного к диоду обратного напряжения. Емкость диода зависит от ширины запирающего слоя, который в этом случае можно трактовать как диэлектрик конденсатора. Обкладками конденсатора служат прилегающие к запирающему слою области полупроводника. Если напряжение, смещающее диод в обратном направлении, возрастает, то емкость диода уменьшается. Для типичного диода в интервале отрицательных напряжений от нескольких десятков вольт до нуля емкость изменяется от 10 до 200 пФ (рис. 3.12).

Рис. 3.12. Условное графическое обозначение варакторного диода ( а ) и характеристика изменения емкости ( б )

Варакторные диоды, называемые также емкостными диодами или варикапами, находят применение, в частности, как элементы, включаемые в резонансные контуры, которые можно при этом перестраивать, изменяя напряжение смещения на аноде (например, с помощью потенциометра). Такое решение часто используют в радиоприемниках, исключая, таким образом, неудобный и дорогостоящий конденсатор переменной емкости поворотного типа (рис. 3.13).

Рис. 3.13. Принцип перестройки резонансного контура с помощью варакторного диода

Регулируемое напряжение подводится к диоду через резистор R, сопротивление которого должно быть настолько большим, чтобы не шунтировать резонансный контур. Зависящее от этого напряжения изменение емкости диода вызывает изменение емкости, подключенной параллельно емкости резонансного контура. Тем самым изменяется результирующая емкость этого контура, а следовательно, и его резонансная частота.

 

Что такое

р-i-n

диод?

Это диод, содержащий слой собственного полупроводника между областями р- и n-типа. Положительное смещение полупроводника р по отношению к полупроводнику n-типа вызывает перемещение электронов из n-области и одновременно дырок из р-области в собственный полупроводник. Концентрация примесей в собственном полупроводнике увеличивается, и сопротивление этой области уменьшается. При противоположном смещении из-за высокого удельного сопротивления области собственного полупроводника и большой ширины перехода (запирающего слоя) сопротивление велико. При смещении в прямом направлении получают изменение сопротивления диода в интервале, например, от нескольких ом до нескольких килоом.

В частности, р-i-n диоды применяют в переключающих устройствах как элементы с высокой скоростью переключения, в схемах аттенюаторов, управляемых напряжением постоянного тока, и в технике сверхвысоких частот.

 

Что такое полупроводниковый фотодиод?

Это светочувствительный диод, обычно с одним р-n переходом, работающими при смещении в обратном направлении. Под влиянием излучения, например видимого света, наступает изменение сопротивления диода и, следовательно, изменение тока, протекающего во внешней цепи. Внешнее излучение вызывает увеличение количества основных и неосновных носителей заряда и уменьшение сопротивления, что эквивалентно увеличению обратного тока диода.

Существуют также вакуумные и газонаполненные фотоэлементы (фотодиоды). В типичном вакуумном фотоэлементе подвергаемый воздействию света катод покрыт слоем металла с фотоэмиссионными свойствами, например слоем натрия, калия, цезия. Выбор применяемого металла зависит от длины волны падающего света. Фотоэлементы применяются в фотоэкспонометрах.

 

Что такое электролюминесцентный диод?

Это диод, светящийся под влиянием подведенной извне электрической энергии. Интенсивность свечения зависит от подводимого тока, причем эта зависимость является линейной в большом диапазоне изменений тока. Существуют вакуумные, газонаполненные и полупроводниковые электролюминесцентные диоды. Все более широкое применение находят последние, работающие при малых напряжениях (около 2 В) и токах (от нескольких до 10–20 мА), что упрощает их работу в транзисторных схемах. При этом их отличает высокая надежность и исключительно большой срок службы. Существуют также многосегментные электролюминесцентные диоды, например из фосфида гелия, используемые в качестве цифровых индикаторов (от 0 до 9). Они нашли применение в миникалькуляторах и электронных часах.

Электролюминесцентные диоды известны также под названием светодиоды.

 

Как обозначаются полупроводниковые диоды?

В каталогах зарубежных фирм диоды обозначаются буквенно-цифровыми символами. Обозначения бывают различными и зависят от изготовителя и время изготовления. В настоящее время первая буква определяет тип полупроводника: А — германий, В — кремнии. Вторая буква характеризует вид элемента: А — обычный диод, Z — стабилитрон, E — туннельный диод, Р — фотодиод, В — варакторный диод, Y — выпрямительный диод. Третья буква обозначает элемент, предназначенный для специальных устройств. Цифровое обозначение характеризует некоторые параметры либо очередной тип в производстве.

Таблица 3.1

Полупроводниковые приборы… Обозначение

____________________________________

I. Диоды

1. Диоды выпрямительные:

• малой мощности (со средним значением прямого тока не более 0,3 А)… 1

• средней мощности (со средним значением прямого тока более 0,3 А, но не более 10 А)… 2

2. Диоды универсальные:

• (с рабочей частотой не более 1000 МГц.)… 4

3. Диоды импульсные:

• со временем восстановления обратного сопротивления более 150 нс… 5

• со временем восстановления обратного сопротивления более 30, но не более 150 нс… 6

• со временем восстановления обратного сопротивления более 5, но не более 30 нс… 7

• со временем восстановления обратного сопротивления не менее 1 и не более 5 нс… 8

• со временем восстановления обратного сопротивления менее 1 нс… 9

4. Выпрямительные столбы и блоки:

• столбы малой мощности (со средним значением прямого тока более 0,3 А)… 1

• столбы средней мощности (со средним значением прямого тока более 0,3, но не более 10 А)… 2

• блоки малой мощности (со средним значением прямого тока более 0,3 А)… 3

• блоки средней мощности (со средним значением прямого тока более 0,3, но не более 10 А)… 4

5. Диоды сверхвысокочастотные:

• смесительные… 1

• детекторные… 2

• параметрические… 4

• регулирующие (переключательные, ограничительные и модуляторные)… 5

• умножительные… 6

• генераторные… 7

6. Варикапы:

• подстроенные… 1

• умножительные (варакторные)… 2

7. Диоды туннельные и обращенные:

• усилительные… 1

• генераторные… 2

• переключательные… 3

• обращенные… 4

8. Диоды излучающие:

• инфракрасного диапазона… 1

видимого диапазона (светодиоды) с яркостью:

• не более 55 нт… 3

• более 500 нт… 4

II. Тиристоры

1. Диодные тиристоры:

• малой мощности (с допустимым значением прямого тока не более 0,3 А)… 1

• средней мощности (с допустимым значением прямого тока более 0,3 А, но не более 10 А)… 2

2. Триодные тиристоры:

— незапираемые:

• малой мощности (с допустимым значением прямого тока не более 0,3 А)… 1

• средней мощности (с допустимым значением прямого тока более 0,3, но не более 10 А)… 2

— запираемые:

• малой мощности (с допустимым значением прямого тока не более 0,3 А)… 3

• средней мощности (с допустимым значением прямого тока не более 0,3 А)… 4

— симметричные незапираемые:

• малой мощности (с допустимым значением прямого тока не более 0,3 А)… 5

• средней мощности (с допустимым значением прямого тока более 0,3, но не более 10 А)… 6

В СССР полупроводниковые диоды также имеют буквенно-цифровую маркировку. Первая буква в приборах широкого применения определяет тип исходного материала: Г — германий, К — кремний, А — соединения галлия.

Вторая буква определяет подкласс прибора: Д — диоды выпрямительные, универсальные, импульсные; Ц — выпрямительные столбцы и блоки; А — диоды сверхвысокочастотные; В — варикапы; И — диоды туннельные и обращенные; Л — диоды излучающие; Б — приборы с объемным эффектом (приборы Ганна); С — стабилитроны и стабисторы. Третий элемент маркировки (цифра) соответствует назначению прибора (табл. 3.1). Четвертый и пятый элементы маркировки прибора определяют порядковый номер разработки технологического типа прибора и обозначаются от 1 до 99.

Третий элемент маркировки и стабисторов (цифра) определяет индекс мощности, а четвертый и пятый — номинальное напряжение стабилизации (табл. 3.2). При напряжении стабилизации менее 10 В четвертый элемент означает целое число, а пятый — десятые доли напряжения стабилизации. При напряжении стабилизации от 10 до 99 В четвертый и пятый элементы обозначают номинальное напряжение стабилизации, а от 100 до 199 В разность номинального напряжения стабилизации и 100 В. Шестой элемент маркировки определяет последовательность разработки и обозначается буквами от А до Я, о для диодов определяет деление технологического типа на параметрические группы. Например, КД206В — кремниевый выпрямительный диод, предназначенный для устройств широкого применения, средней мощности с порядковым номером разработки G . Прим. ред .

 

Каковы принцип действия и свойства вакуумного диода?

В вакуумном диоде источником свободных электронов является катод, выполненный из металла (либо окислов металлов) и накаливаемый (косвенно или непосредственно) от внешнего источника напряжения накала (термоэмиссия), которым обычно является источник переменного тока. Свободно выходящие из катода электроны движутся в вакууме к другому электроду лампы, называемому анодом и подключенному к положительному полюсу источника анодного напряжения (рис. 3.14, а). Через диод от анода к катоду течет анодный ток. Вблизи катода возникает электронное облако, называемое пространственным зарядом, защищающее катод от бомбардировки ионами, возникающими в неидеальном вакууме лампы.

Анодный ток зависит от потенциала на аноде относительно катода. При нулевом и даже небольшом отрицательном анодном напряжении (рис. 3.14, б) существует небольшой ток за счет собственной скорости электронов, которые попадают на анод несмотря па отсутствие ускоряющего поля. В интервале небольших положительных напряжений анодный ток возрастает при одновременном уменьшении пространственного заряда. При дальнейшем росте анодного напряжения наступает все более сильное выхватывание электронов из облака пространственного заряда вплоть до полной ликвидации этого заряда. Дальнейшее увеличение анодного тока при этом ограничивается эмиссионными свойствами катода, и наступает режим насыщения тока. Вольт-амперная характеристика диода имеет нелинейный характер.

Вакуумные диоды обладают некоторой паразитной междуэлектродной емкостью (обычно больше 3 пФ) и относительно высоким сопротивлением в проводящем направлены.

Вакуумные диоды рассчитаны на максимальные обратные напряжения от нескольких вольт до нескольких десятков тысяч вольт при токах в прямом направлении, доходящих до нескольких ампер.

В большинстве случаев вакуумные диоды были заменены полупроводниковыми диодами, особенно в схемах детекторов и выпрямителей малой и средней мощности.

Рис. 3.14. Схема включения ( а ) и характеристики ( б ) вакуумного диода:

1  — начальный ток; 2 — область пространственного заряда;  3 — вольфрамовый катод; 4 — оксидный катод

 

Что такое газоразрядные диоды?

Это диоды, наполненные разреженным благородным газом или парами ртути, в которых носителями зарядов являются как электроны, так и положительные ионы. Существуют газоразрядные лампы с холодным катодом, называемые лампами тлеющего разряда, и газоразрядные лампы с накаливаемым катодом, называемые газотронами. В диодах с холодным катодом существенную роль играют свободные электроны и положительные ионы, находящиеся в газе, в частности, в результате воздействия световой энергии и внутренней тепловой энергии частиц, газа. При достаточно высоком анодном потенциале ускоренные свободные электроны вызывают ионизацию газа, а положительные ионы бомбардируют катод и благодаря своей большой массе, а также высокой кинетической энергии вызывают вторичную эмиссию с поверхности катода.

Газотроны чаще всего применяют в качестве выпрямительных диодов для больших токов (до 100 А), а также в схемах регулировки напряжения, тогда как лампы тлеющего разряда применяют для стабилизации напряжения, для чего используется плоская часть вольт-амперной характеристики, соответствующая области ионизации газа (рис. 3.15). Кроме того, газотроны применяют в качестве неоновых ламп, цвет свечения которых зависит от наполняющего лампу газа, например неон дает красное свечение, гелий — желтое, пары ртути с неоном и аргоном — голубое. Существуют также лампы тлеющего разряда, имеющие 10 катодов в виде цифр от 0 до 9, используемые в цифровых индикаторах счетных устройств.

Рис. 3.15. Характеристика диода с тлеющим разрядом

 

Где применяется диод?

Диод является элементом, очень часто используемым в электронных устройствах. В интегральных схемах применяют только диоды с р-n переходом. Диод в схемах играет роль вентиля. Параметры реального диода отличаются от параметров идеального. Наиболее нежелательные явления — обратный ток, существование некоторого сопротивления в прямом направлении, паразитная емкость, а также нелинейность отдельного участка вольт-амперной характеристики. При применениях диода в качестве переключателя в диапазоне высоких частот или в схемах с импульсами с крутыми фронтом и срезом решающее значение имеют динамические свойства.

Диоды используют главным образом в схемах ограничения, выпрямления, детектирования, а также в вентильных схемах в цифровой технике. В каждом из этих случаях берут диоды, удовлетворяющие определенным требованиям, если речь идет о динамических свойствах, внутреннем сопротивлении, емкости, токовой эффективности и электрической прочности.

 

Каковы динамические свойства полупроводникового диода?

Динамические свойства диода определяются при работе в режиме переключения, т. е. при переходе из состояния включения (прямое направление) в состояние выключения (обратное направление) либо наоборот. Идеальный диод практически не обладает инерционностью при переключении, тогда как реальный полупроводниковый диод характеризуется ограниченной скоростью переключения (рис. 3.16), являющейся следствием явлений, происходящих в запирающем слое. Эти явления исключают возможность очень быстрого изменения концентрации носителей.

Одной из причин такого состояния является наличие емкости перехода, называемой также переходной емкостью. Переход действует на принципе конденсатора, к которому следует подвести (либо удалить) заряд с целью формирования области барьера. Для этого всегда требуется некоторое время. Переходная емкость зависит от приложенного напряжения. Для быстродействующих плоскостных диодов она равна 0,5–2 пФ.

Другой причиной ограниченной скорости переключения является накопление заряда в диоде, пропорциональное току в прямом направлении. Действие заряда определяется с помощью диффузионной емкости. Влияние заряда наглядно видно при переключении из состояния проводимости в состояние запирания. Лучшими динамическими свойствами обладают точечные диоды, но одновременно они имеют достаточно высокое сопротивление в прямом направлении, в результате чего на них возникает определенное падение напряжения в проводящем состоянии. Наилучшими свойствами обладают диоды с плоским переходом металл — полупроводник, у которых благодаря малому накопленному заряду в переходе время переключения составляет менее 0,1 не при сопротивлении меньше 1 Ом.

Работу полупроводникового элемента в режиме переключения более детально рассмотрим на примере транзистора.

Рис. 3.16. Переходные процессы в диоде при переключении из состояния проводимости в состояние запирания ( а ) и наоборот ( б ):

1  — открытое; 2 — закрытое состояние

 

Как используется диод для ограничения сигнала?

В простой схеме ограничителя последовательного типа (рис. 3.17) диод проводит, когда на аноде присутствует положительное относительно катода напряжение (проводящее направление), — в течение положительного (верхнего) полупериода входного напряжения и не проводит, когда напряжение на аноде отрицательно (обратное направление), — в течение отрицательного полупериода входного напряжения.

Рис. 3.17. Простой последовательный ограничитель снизу

Выходное напряжение на нагрузочном резисторе состоит только из верхних полупериодов синусоиды. Если направление включения диода изменить на обратное, то на выходе появляются только нижние полупериоды входного напряжения. Уровень ограничения определяет «нулевая линия». Возможно также ограничение и на другом уровне. Изменение уровня ограничениядостигается путем добавления источника постоянного напряжения, смещающего диод в направлении проводимости либо в обратном направлении. В схеме на рис. 3.18 происходит частичное ограничение верхней половины синусоиды. Устройства, ограничивающие «верхние» половины синусоид, чаще всего называются односторонними ограничителями. Существуют также двусторонние ограничители.

Рис. 3.18. Последовательный ограничитель сверху со смещением

 

Как используется диод для выпрямления переменного напряжения?

Существует много схем выпрямителей на диодах. Диод может работать как выпрямитель, например в схеме, изображенной на рис. 3.17. Если выходное напряжение, состоящее из полупериодов входного переменного напряжения той же самой полярности, подать затем на сглаживающий фильтр, то на выходе фильтра получают сглаженное постоянное напряжение, т. е. напряжение, которое является средним значением колебания на выходе выпрямителя. Таким образом, диод участвует в процессе преобразования переменного напряжения в постоянное. Этот процесс называется выпрямлением.

Более подробно выпрямители рассматриваются в гл. 6.

 

Как используются диоды для детектирования сигналов?

К диоду, работающему в режиме детектирования (демодуляции), подводится сигнал высокой частоты, промодулированный по амплитуде, частота которого значительно ниже (рис. 3.19). Это может быть электрический сигнал, соответствующий звуковым сигналам. В этом случае задача диода заключается в ограничении одной половины модулированного сигнала, что позволяет затем с помощью фильтра выделить модулирующее напряжение, т. е. сигнал низкой частоты. Фильтр RС-типа не пропускает, а исключает высокочастотные составляющие и обеспечивает появление на выходе только составляющих модулирующего сигнала. В этом случае диод работает так же, как переключающая схема — вентиль. Вопросы детектирования более детально обсуждаются в гл. 11.

Рис. 3.19. Схема диодного детектора ( а ) и формы входного ( б ) и выходного напряжений без емкости ( в ) и с емкостью ( г )

 

Что такое диодные вентили?

Это схемы с диодами, часто встречающиеся в цифровой технике. В них диоды используются как элементы, отпирающие либо запирающие путь для сигнала со входа на выход. Разработано много различных схем вентилей. Более подробно они будут рассмотрены в гл. 12.