Многие наверняка слышали слово «диод» в школе, в разговорах с радиолюбителями или при взгляде на электронную плату. Этот маленький компонент является одним из краеугольных камней всей современной электроники.
А принцип его работы до гениальности прост: он работает как обратный клапан для электрического тока. Представьте себе велосипедный насос: вы качаете воздух, и он выходит через шланг, но если начать тянуть поршень на себя, воздух не всасывается обратно из шины — этому мешает специальный клапан. Диод в электрической цепи выполняет ту же роль. Он пропускает ток только в одном направлении и блокирует его в обратном. Давайте разберемся, как устроены эти удивительные приборы и где они применяются.
В 1883 году великий изобретатель Томас Эдисон, экспериментируя с лампами накаливания, зафиксировал любопытный эффект. В вакуумированную колбу с угольной нитью он ввел дополнительный металлический электрод. Эдисон увидел, что если нить накала соединить с положительным полюсом батареи, а металлическую пластинку — с отрицательным, тока в цепи нет. Но при смене полярности — ток появляется. Сам изобретатель не нашел объяснения этому феномену и не придумал ему практического применения, но зафиксировал открытие в патенте. Этот феномен вошел в историю под названием «эффект Эдисона».
Объяснение эффекту дали позднее, после открытия Дж. Дж. Томсоном электрона. Выяснилось, что раскаленная нить испускает в вакуум отрицательно заряженные частицы — электроны. Этот процесс получил название термоэлектронной эмиссии. Если рядом с раскаленным катодом (нитью) разместить холодный анод (пластинку) и подать на него положительный заряд, электроны будут притягиваться к нему, создавая электрический ток. Если же на аноде будет отрицательный заряд, он станет отталкивать электроны, и тока не возникнет.
На базе этого открытия британский ученый Джон Амброз Флеминг в 1904 году создал первый практичный прибор — вакуумный диод, или «клапан Флеминга». Он применил его для детектирования радиоволн, что положило начало вакуумной электронике.
Параллельно развивалось другое направление. Еще в 1874 году немецкий ученый Карл Фердинанд Браун обнаружил, что некоторые кристаллические минералы, например галенит (сульфид свинца), тоже обладают свойством односторонней проводимости — пропускают ток лишь в одном направлении.
Такие «кристаллические детекторы» легли в основу знаменитых детекторных приемников, популярных в начале XX века. Но эти устройства отличались нестабильностью и капризным характером. Прорыв случился в середине XX века, когда физики глубоко изучили свойства полупроводников — материалов, способных в одних условиях вести себя как изоляторы, а в других — как проводники. На смену хрупким кристалликам пришли надежные и миниатюрные полупроводниковые диоды, повсеместно используемые сегодня.
Как работает вакуумный диод
Вакуумный диод представляет собой стеклянную или металлическую колбу, из которой откачан воздух. Внутри нее расположены два электрода: катод и анод.
Катод — это электрод, испускающий электроны. Чаще всего он выполнен в виде тонкой проволочки (как в лампах накаливания), раскаляемой под действием электрического тока. Этот ток именуется током накала. При нагреве металла электроны внутри него получают достаточную энергию, чтобы «выпрыгнуть» с его поверхности в вакуум. Этот процесс напоминает испарение молекул воды с горячей поверхности.
Анод — это обычно металлическая пластинка или цилиндр, окружающий катод. Его задача — собирать испущенные катодом электроны.
Принцип работы весьма нагляден. Представьте, что у вас есть батарейка и лампочка, соединенные через такой диод.
- Если подключить плюс батарейки к аноду, а минус — к катоду, возникает интересующая нас ситуация. Раскаленный катод испускает в вакуум отрицательно заряженные электроны. Положительно заряженный анод их сильно притягивает. Электроны летят через вакуум к аноду, цепь замыкается, и лампочка загорается. Это называется прямым включением.
- Если же поменять полярность и подать плюс на катод, а минус на анод, то ток прекратится. Холодный анод не испускает электроны, а раскаленный катод, хотя и испускает их, теперь будет отталкивать от себя, поскольку они имеют одинаковый с ним отрицательный заряд. Электрической стены не будет, ток в цепи прекратится, и лампочка погаснет. Это обратное включение.
Именно это свойство — пропускать ток только в одном направлении — и позволяет диоду выпрямлять переменный ток, то есть превращать ток, постоянно меняющий свое направление, в ток, текущий всегда в одну сторону.
Как работает полупроводниковый диод
Если вакуумный диод — это макроустройство с электродами в баллоне, то полупроводниковый диод — это целиком твердотельный прибор. В его основе лежит крошечный кристалл полупроводника, чаще всего кремния. Хитрость в том, что одна половина этого кристалла обладает проводимостью n-типа, а другая — p-типа. Граница между ними называется p-n переходом, и это сердце любого полупроводникового диода.
Упрощенно можно представить это так:
- Полупроводник n-типа (от слова «negative») имеет в своем распоряжении лишние, свободные электроны — те самые отрицательные заряды. Это похоже на группу людей, у каждого из которых есть по лишнему предмету, который он готов отдать.
- Полупроводник p-типа (от слова «positive») — наоборот, обладает «дырками». Дырка — это место, где не хватает электрона, условный положительный заряд. Представьте себе стену с пустыми крючками, которые ждут, чтобы на них что-то повесили.
Когда эти два материала соединяются, в зоне контакта происходит интересный процесс: электроны из n-области перебегают в p-область и заполняют собой некоторые дырки. В результате вблизи границы формируется очень тонкий слой, обедненный и электронами, и дырками — он называется областью пространственного заряда или запирающим слоем. Этот слой и представляет собой тот самый барьер, который определяет работу диода.
Теперь рассмотрим два сценария включения.
- Прямое включение. Это когда плюс источника питания подключается к p-области (аноду), а минус — к n-области (катоду).
В этом случае внешнее электрическое поле заставляет электроны из n-области и дырки из p-области двигаться навстречу друг другу, к p-n переходу. Они успешно преодолевают барьер, встречаются и рекомбинируют: электроны заполняют дырки. Этот процесс непрерывен, пока приложено напряжение, и через диод течет значительный прямой ток. Диод открыт и хорошо проводит ток.
- Обратное включение. Здесь все наоборот: плюс подается на n-область, а минус — на p-область. Теперь внешнее поле действует таким образом, что электроны и дырки, наоборот, оттягиваются от p-n перехода вглубь своих областей. Запирающий слой расширяется, барьер становится еще выше. Никакой встречи электронов и дырок не происходит, и ток через диод практически не течет. Вернее, течет, но ничтожно малый, его называют обратным током утечки. Диод закрыт.
Основные типы диодов и где они применяются
Со временем инженеры научились модифицировать p-n переход и создали множество специализированных диодов, каждый из которых идеально подходит для своей задачи.
Выпрямительные диоды
Это самые простые и массовые диоды. Их работа — преобразовывать переменный ток из розетки в постоянный ток для питания электронных устройств. Вы наверняка видели черные прямоугольные блоки питания для ноутбука или зарядные устройства для телефона. Внутри них обязательно присутствует диодный мост — схема из четырех диодов, которая «отсекает» ненужную половину волны переменного тока, превращая его в пульсирующий, а затем сглаживает его до постоянного. Такие диоды рассчитаны на большие токи и напряжения.
Диодный мост — аллегория
В мосте есть 4 «умных охранника» — диода. Они пропускают людей только в одном направлении, указанном стрелкой.
- Когда толпа бежит направо, два охранника ловко направляют их в нужный выход.
- Когда толпа разворачивается и бежит налево, два других охранника делают то же самое, так что на выходе все снова бегут в ту же сторону, что и раньше.
Стабилитроны
Этот диод предназначен для работы в режиме пробоя! Звучит угрожающе, но для него это норма. Если обычному диоду обратное напряжение может навредить, то стабилитрон сконструирован так, чтобы надежно работать в условиях контролируемого пробоя. В этом режиме напряжение на стабилитроне остается практически постоянным, даже если ток через него сильно меняется. Благодаря этому свойству стабилитроны применяют для стабилизации напряжения в цепях питания. К примеру, если требуется из нестабильных 12 вольт получить стабильные 5 вольт, последовательно с источником напряжения ставят резистор, а параллельно нагрузке — стабилитрон на 5 вольт. «Лишнее» напряжение будет падать на резисторе, а на нагрузке всегда будут требуемые 5 вольт.
Диоды Шоттки
Главное преимущество этих диодов — очень малое падение напряжения в прямом включении. В обычном кремниевом диоде при открытии на нем падает около 0.7 вольт. В диоде Шоттки это падение может составлять всего 0.2–0.4 вольта. Меньше падение — меньше потерь энергии и меньше нагрев. Это критически важно в высокочастотных и высокоэффективных схемах, например, в импульсных блоках питания компьютеров. Но у них есть и недостаток — сравнительно высокий обратный ток утечки и неспособность выдерживать большие обратные напряжения.
Светодиоды (LED)
Здесь работает обратный процесс — не поглощение, а излучение света. Когда в светодиоде электрон и дырка встречаются в области p-n перехода, они рекомбинируют, и избыток энергии выделяется в виде фотона — частицы света. Цвет свечения зависит от материала полупроводника: арсенид галлия дает красное излучение, нитрид галлия — синее, а для получения белого света синий светодиод покрывают специальным желтым люминофором. Сегодня светодиоды повсюду: от индикаторов на телевизоре до уличного освещения и фонариков в вашем смартфоне.
Другие полезные разновидности
- Варикапы. Эти диоды работают как конденсаторы переменной емкости. Их емкость зависит от приложенного обратного напряжения. Чем выше напряжение, тем шире запирающий слой и меньше емкость. Варикапы используются для настройки частоты в радиоприемниках и телевизорах вместо механических конденсаторов.
- Туннельные диоды. Обладают интересной особенностью: на определенном участке их характеристики увеличение напряжения приводит не к росту, а к уменьшению тока. Эта зона «отрицательного сопротивления» позволяет использовать их в высокочастотных генераторах и усилителях.
- Фотодиоды. Их работа основана на обратном эффекте: они не излучают, а поглощают свет. Когда фотон света попадает в область p-n перехода, он может «выбить» электрон, создавая пару электрон-дырка и вызывая электрический ток.
Фотодиоды — это «глаза» для многих устройств, от датчиков в системе освещения до солнечных батарей, где они работают в качестве преобразователей световой энергии в электрическую.
А что скажете вы? Комментарии ведь иной раз интереснее, чем статья!