Про диоды, думаю, все слышали, особенно, когда они сгорают. :) У диода два вывода (ди - два), как и у резистора или конденсатора или катушки. Но резисторы, конденсаторы и катушки относятся к пассивным электронным компонентам, а вот с диодами все не так однозначно. Есть диоды (например выпрямительные, импульсные, переключательные и т.д.), который относятся к пассивным элементам, а есть, например, туннельные диоды - они относятся к активным компонентам. В этой статье - о первой, бОльшей, группе.
В основе принципа действия полупроводникового диода — свойства p - n (электронно-дырочного) перехода, Этот чудесный переход образуется на границе двух полупроводников, один из которых обладает электронной проводимостью, а второй - дырочной. Электронной проводимостью обладают кремний и германий с примесью сурьмы или мышьяка (да и без них тоже, но в меньшей степени). При этом электроны под действием электрического или электромагнитного полей двигаются между узлами кристаллической решетки.
Если с электронами все понятно (они маленькие, везде пролезут), то вот с дыркам сложнее в смысле понимания. Дыркой называют атом, откуда по каким - то причинам улетел электрон. Так как в норме в атоме количество электронов (-) и протонов (+) одинаково, то общий заряд атома раве нулю. Например, в атоме углерода 6 электронов (их суммарный заряд -6) и 6 протонов (их суммарный заряд +6). В результате общий заряд атома: (-6) + (+6) = 0. Теперь представим, что один электрон от атома углерода улетел. Как изменится общий заряд атома? (-5) + (+6) = +1, т.е. атом превратился в положительный ион, а в его электронно оболочке образовалась "дырка".
Но атомы и ионы связаны в кристаллической решетке и не могут двигаться, пока эта решетка не разрушится (твердое вещество превратиться в жидкость). Как же движутся "дырки"? Как и многое в мире атомов, движение дырок - это просто видимость. на самом деле движутся электроны! Примерно вот так:
Поэтому электроны в этом случае называют основными носителямиЧтобы увеличить количество дырок к кремнию или германию добавляют примесь галлия или индия.
Вот как выглядит модель диода:
Область катода состоит из n-полупроводника с электронной проводимостью (Si или Ge с примесью As или Sb). Область катода изготовлена из р-проводника с дырочной проводимостью (Si или Ge с примесью Ga или In). Движение электронов и дырок носят хаотический, ненаправленный характер.На границе соприкосновения расположен p - n переход. В зоне перехода количество зарядов сравнительно мало, так как там дырки и электроны нейтрализовали друг-друга.
Теперь подключим к диоду батарейку в прямом направлении, т.е. плюс - к аноду, - - к катоду.
В этом случае под действием внешнего электрического поля начинается упорядоченное движение электронов, зона p-n перехода сужается, что облегчает диффузию электронов в р-полупроводник, и через p-n переход начинает течь ток. Зависимость силы протекающего тока от приложенного напряжения у диодов. в отличии от резисторов, носит нелинейный характер. Какой именно - об этом позже.
Теперь поменяем полярность батарейки: плюс к катоду, а минус - к аноду, т.е. включим диод в обратном направлении.
В этом случае под действием внешнего электрического поля зона p-n перехода расширяется и, из-за отсутствия в ней носителей тока, становится изолятором межу n- и р-полупроводниками. Ток в цепи практически отсутствует. К сожалению, если повысить обратное напряжение на диоде сверх определенного напряжения, то произойдет пробой и диод начнет пропускать ток и в обратном направлении. Это явление необратимо, и такому диоду одна дорога - на свалку.
Главный вывод: как и вакуумный диод, полупроводниковый диод обладает односторонней проводимостью, но в отличии от лампового, не требует энергии для питания накала лампы и высокого напряжения для питания анода. Размеры полупроводниковых диодов при сравнимых с ламповым характеристиками на порядки меньше.
Конечно, описанные мной процессы намного сложнее, и желающие углУбить свои знания в этой области могут обратиться к учебникам.
А как выглядят диоды на самом деле?
1 - германиевые высокочастотные диоды Д9; 2 - кремниевые диоды КД102 (обратное напряжение > 250 В, ток <100 мА ); 3 - в таких корпусах выпускали разные диоды: высокочастотные германиевые (Д18, Д311), кремниевые импульсные (Д220); 4 - в таких корпусах выпускались импульсные кремниевые КД522 и германиевые импульсные ГД507; 5 - выпрямительный диод КД105 (Uобр >400 В); 6 - выпрямительный диод КД213 для импульсных блоков питания (Uобр<200 B, I<10A, f<100 кГц); 7 - выпрямительный кремниевый диод Д214 (Uобр<100 B, I<10A, f<1 кГц); 8 - выпрямительный диодный мост КД906 (Uобр>30 B, I<100мA, f<100 кГц). Номенклатура диодов, выпускавшихся в СССР, составляет не одну сотню наименований, многие диоды из СССР выпускаются до сих пор.
А вот примеры диодов из Китая.
1 и 2 - 1N60, 1N6263 - малосигнальные переключающие диоды с барьером Шоттки (F<1 ГГц); 3 - очень распространенные выпрямительные диоды 1N4007 (Uобр<1000 B, I<1A, f<70 кГц); 4 - HER307 выпрямительный диод (Uобр<600 B, I<3A, f<10 МГц) и 1N4148 - быстрый диод (Uобр<100 B, I<4A, при f=1МГц); 5 - SMD- диод с барьером Шоттки BAT17-04 - (как пишут в даташите: они являются "подходящим выбором для смесителей и детекторов на частотах до 6 ГГц"); 6 - выпрямительный мост DB107 (Uобр<1000 B, I<1A); 7 - выпрямительный мост RS507 (Uобр<1000 B, I<5A); 8 - SBL3040PT - сдвоенный выпрямительный диод с барьером Шоттки (Uобр<40 B, I<30A).
После знакомства с внешним видом переходим к снятию вольт-амперной характеристики (ВАХ) диода, т.е. зависимости напряжения на диоде от силы протекающего через него тока. Для исследования я взял германиевый диод Д311 и кремниевый - Д220. Собрал вот такую схему:
Один вольтметр измеряет напряжение на диоде, а другой - на резисторе R1, который определяет вместе с напряжением источника питания ток через диод. Ток я вычислял по формуле: I = Uип/R1. Такая схема позволила, выбирая сопротивление резистора 10 кОм, 1 кОм или 100 Ом, изменять ток через диод от 0,1 до 40 мА.
Слева - напряжение на диоде, справа - напряжение на резисторе 100 Ом, который во время съемки начал дымиться, так как ток был 90 мА :). По полученным точкам построил график. Для иллюстрации добавил еще ВАХ резистора сопротивлением 50 Ом.
На фоне линейной ВАХ резистора ВАХ и кремниевого и германиевого диодов выглядят действительно нелинейными. Особенно сильно эта нелинейность проявляется в диапазоне токов от 1 до 4 мА у германиевого и от 1 до 6 мА у кремниевого диодов. При токах более 10 мА ВАХ практически линейны и весьма круты. Т.е. большие изменения тока через диод (от 10 до 40 мА) вызывают небольшое изменение напряжения на нем (0,15 - 0,2 В). И диод, включенный в прямом направлении, можно использовать для стабилизации напряжения, но об этом позже.
Хочу добавить еще одно интересное наблюдение, которое можно вывести, глядя на модель диода. включенного в обратном направлении. Изменяя величину обратного напряжения, приложенного к диоду мы можем регулировать ширину зоны p-n перехода. На что это похоже? Конечно, на конденсатор! Т.е. диод можно использовать как переменный конденсатор, управляемый напряжением.
На этом я статью закончу, а в следующей посмотрим на выпрямительные свойства диода.
Всем здоровья и успехов!
