Диод

История

Первые типы диодов назывались клапанами Флеминга. Это были вакуумные трубки. Они находились внутри стеклянной трубки (похожей на лампочку). Внутри стеклянной колбы находилась маленькая металлическая проволока и большая металлическая пластина. Маленькая металлическая проволока нагревалась и излучала электричество, которое улавливалось пластиной. Большая металлическая пластина не нагревалась, поэтому электричество могло проходить по трубке в одном направлении, но не в другом. Клапаны Флеминга уже мало используются, потому что их заменили полупроводниковые диоды, которые меньше клапанов Флеминга. Томас Эдисон также обнаружил это свойство при работе над своими лампочками.

Строительство

Полупроводниковые диоды состоят из двух типов полупроводников, соединенных друг с другом. Один тип имеет атомы с лишними электронами (называется n-стороной). Другой тип имеет атомы, которым нужны электроны (называется p-сторона). Поэтому электричество будет легко течь от стороны с большим количеством электронов к стороне с малым их количеством. Однако в обратном направлении электричество будет течь с трудом. Эти различные типы изготавливаются путем легирования (полупроводник). Кремний с растворенным в нем мышьяком - хороший полупроводник с n-стороны, а кремний с растворенным в нем алюминием - хороший полупроводник с p-стороны. Другие химические вещества также могут работать.

Разъем на стороне n называется катодом, разъем на стороне p - анодом.

Структура лампового диода

Функция диода

Положительное напряжение на стороне p

Если вы подадите положительное напряжение на p-сторону и отрицательное - на n-сторону, электроны на n-стороне будут стремиться к положительному напряжению на p-стороне, а дырки p-стороны - к отрицательному напряжению на n-стороне. Благодаря этому ток может существовать, но для его возникновения требуется определенное напряжение (очень маленького напряжения недостаточно, чтобы заставить электрический ток течь). Это называется напряжением включения. Напряжение включения кремниевого диода составляет около 0,7 В. Германиевому диоду требуется напряжение включения около 0,3 В.

Отрицательное напряжение на стороне p

Если вместо этого подать отрицательное напряжение на p-сторону и положительное на n-сторону, электроны n-стороны захотят направиться к источнику положительного напряжения, а не на другую сторону диода. То же самое происходит и на p-стороне. Таким образом, ток не будет протекать между двумя сторонами диода. Увеличение напряжения в конечном итоге заставит электрический ток течь (это напряжение пробоя). Многие диоды будут разрушены обратным током, но есть и такие, которые могут его пережить.

Влияние температуры

При повышении температуры напряжение отключения снижается. Это облегчает прохождение электричества через диод.

Типы диодов

Существует множество типов диодов. Некоторые из них имеют очень специфическое применение, а некоторые - разнообразное.

Символы

Вот некоторые общие символы полупроводниковых диодов, используемые в электрических схемах:

Диод	Диод Зенера	Диод Шоттки	Туннельный диод
Светоизлучающий диод	Фотодиод	Varicap	Кремниевый управляемый выпрямитель

Стандартный выпрямительный диод

Это изменяет A/C (переменный ток, как в розетке в доме) на D/C (постоянный ток, используется в электронике). К стандартному выпрямительному диоду предъявляются особые требования. Он должен выдерживать большой ток, не подвергаться сильному влиянию температуры, иметь низкое напряжение отключения и поддерживать быстрое изменение направления тока. Современная аналоговая и цифровая электроника использует такие выпрямители.

Светоизлучающий диод

Светодиод излучает свет, когда через него проходит электричество. Это более долговечный и эффективный способ создания света, чем лампы накаливания. В зависимости от того, как он был изготовлен, светодиод может иметь различные цвета. Впервые светодиоды были использованы в 1970-х годах. Светоизлучающий диод со временем может заменить лампу накаливания, поскольку развивающиеся технологии делают его ярче и дешевле (он уже сейчас более эффективен и служит дольше). В 1970-х годах светодиоды использовались для отображения цифр в таких приборах, как калькуляторы, а также для индикации включения питания больших приборов.

Фотодиод

Фотодиод - это фотодетектор (противоположность светоизлучающему диоду). Он реагирует на поступающий свет. Фотодиоды имеют окно или соединение с оптическим волокном, которое пропускает свет к чувствительной части диода. Диоды обычно имеют сильное сопротивление; свет уменьшает сопротивление.

Диод Зенера

Диод Зенера похож на обычный диод, но вместо того, чтобы быть разрушенным большим обратным напряжением, он пропускает электричество. Напряжение, необходимое для этого, называется напряжением пробоя или напряжением Зенера. Поскольку диод построен с известным напряжением пробоя, его можно использовать для подачи известного напряжения.

Варакторный диод

Варикап или варакторный диод используется во многих приборах. В нем используется область между p- и n-сторонами диода, где электроны и дырки уравновешивают друг друга. Эта область называется зоной обеднения. Изменяя величину обратного напряжения, изменяется размер зоны обеднения. В этой области имеется некоторая емкость, и она изменяется в зависимости от размера зоны обеднения. Это называется переменной емкостью, или сокращенно варикап. Она используется в PLL (Phase-locked loops), которые применяются для управления высокоскоростной частотой, на которой работает микросхема.

Step-Recovery-Diode

Символ представляет собой обозначение диода со своеобразной корягой. Он используется в схемах с высокими частотами вплоть до ГГц. Он очень быстро выключается, когда прямое напряжение прекращается. Для этого он использует ток, который течет после изменения полярности.

PIN-диод

В конструкции этого диода имеется внутренний (нормальный) слой между n- и p-сторонами. На низких частотах он работает как обычный диод. Но на высоких скоростях он не может поддерживать быстрые изменения и начинает вести себя как резистор. Внутренний слой также позволяет ему работать с высокой мощностью и может быть использован в качестве фотодиода.

Диод Шоттки

Символом этого является символ диода с буквой "S" на вершине. Вместо того, чтобы обе стороны были полупроводниками (например, кремний), одна сторона - металл, например, алюминий или никель. Это снижает напряжение включения примерно до 0,3 вольта. Это примерно половина порогового напряжения обычного диода. Работа этого диода заключается в том, что в него не попадают минорные носители - на n-стороне только дырки, а не электроны, а на p-стороне только электроны, а не дырки. Поскольку этот диод чище, он может реагировать быстрее, без диффузионной емкости, которая может его замедлить. Он также выделяет меньше тепла и является более эффективным. Но у него есть некоторая утечка тока при обратном напряжении.

Когда диод переключается с движущегося тока на недвижущийся, это называется переключением. У обычного диода это занимает десятки наносекунд; это создает некоторый радиошум, который временно ухудшает радиосигналы. Диод Шоттки переключается за малую долю этого времени, менее наносекунды.

Туннельный диод

В символе туннельного диода есть своего рода дополнительная квадратная скобка в конце обычного символа.

Туннельный диод состоит из сильно легированного pn-перехода. Из-за такого высокого легирования существует только очень узкий зазор, через который могут проходить электроны. Этот туннельный эффект проявляется в обоих направлениях. После прохождения определенного количества электронов ток через зазор уменьшается, пока не начнется обычный ток через диод при пороговом напряжении. В результате возникает область отрицательного сопротивления. Такие диоды используются для работы с действительно высокими частотами (100 ГГц). Они также устойчивы к радиации, поэтому их используют в космических аппаратах. Они также используются в микроволновых печах и холодильниках.

Обратный диод

Символ имеет на конце диода знак, похожий на большую букву I. Он сделан аналогично туннельному диоду, но n- и p-слой легированы не так сильно. Он позволяет току течь в обратном направлении при небольшом отрицательном напряжении. Его можно использовать для выпрямления низких напряжений (менее 0,7 вольт).

Выпрямитель с кремниевым управлением (SCR)

Вместо двух слоев, как у обычного диода, у этого четыре слоя, по сути, это два диода, собранные вместе, с затвором посередине. Когда напряжение проходит между затвором и катодом, нижний транзистор включается. Это позволяет току пройти через него, что активирует верхний транзистор, и тогда ток не нужно будет включать напряжением на затворе.