Диод

Чтобы узнать о других значениях, см. Диод (значения) .

Диод

Кремниевый диод крупным планом. Анод находится с правой стороны; катод находится с левой стороны (где он отмечен черной полосой). Между двумя выводами можно увидеть квадратный кристалл кремния.
Тип	Пассивный
Конфигурация контактов	Анод и катод
Электронный символ

Различные полупроводниковые диоды. Слева: четырехдиодный мостовой выпрямитель . Рядом с ним находится сигнальный диод 1N4148 . Крайний правый — стабилитрон . В большинстве диодов полоса, окрашенная в белый или черный цвет, обозначает катод , в который будут течь электроны, когда диод проводит ток. Поток электронов противоположен обычному току .

Диод — это двухконтактный электронный компонент , который проводит ток преимущественно в одном направлении (асимметричная проводимость ). Он имеет низкое (в идеале нулевое) сопротивление в одном направлении и высокое (в идеале бесконечное) сопротивление в другом.

Полупроводниковый соединенный диод, наиболее часто используемый сегодня тип, представляет собой кристаллический кусок полупроводникового материала с p-n-переходом, с двумя электрическими клеммами. Он имеет экспоненциальную вольт-амперную характеристику . Полупроводниковые диоды были первыми полупроводниковыми электронными устройствами . Открытие асимметричной электропроводности при контакте между кристаллическим минералом и металлом было сделано немецким физиком Фердинандом Брауном в 1874 году. Сегодня большинство диодов изготавливаются из кремния другие полупроводниковые материалы, такие как арсенид галлия и германий . , но также используются и

Устаревший термоэлектронный диод представляет собой вакуумную трубку с двумя электродами , нагретым катодом и пластиной , в которой электроны могут течь только в одном направлении, от катода к пластине.

Среди множества применений диоды встречаются в выпрямителях для преобразования мощности переменного тока (AC) в постоянный ток (DC), демодуляции в радиоприемниках и даже могут использоваться для логических целей или в качестве датчиков температуры . Распространенным вариантом диода является светодиод , который используется в качестве электрического освещения и индикаторов состояния электронных устройств.

Основные функции

Однонаправленный ток

Наиболее распространенная функция диода — пропускать электрический ток в одном направлении (так называемое прямое направление диода), одновременно блокируя его в противоположном направлении ( обратное направление). Его гидравлическая аналогия — обратный клапан . Такое однонаправленное поведение позволяет преобразовать переменный ток (AC) в постоянный ток (DC) — процесс, называемый выпрямлением . В качестве выпрямителей диоды могут использоваться для таких задач, как выделение модуляции из радиосигналов в радиоприемниках .

Пороговое напряжение

Прямая вольт-амперная кривая четырех обычных диодов.

Поведение диода часто упрощается как наличие прямого порогового напряжения , напряжения включения или напряжения включения , выше которого наблюдается значительный ток, а ниже которого ток почти отсутствует, что зависит от состава диода:

Прямое пороговое напряжение для различных полупроводниковых диодов

Тип диода	Прямое пороговое напряжение
Кремниевый Шоттки	0.15 V to 0.45 V
Германий pn	0.25 V to 0.3 V
Кремний pn	0.6 V to 0.7 V
Инфракрасный ( GaAs ) pn	~1.2 V
Светодиоды (LED)	От 1,6 В (красный) до 4 В (фиолетовый). Физика светодиодов § Материалы имеют полный список.

Это напряжение можно условно назвать просто падением напряжения в прямом направлении на диоде или просто падением напряжения , поскольку следствием крутизны экспоненты является то, что падение напряжения на диоде не будет значительно превышать пороговое напряжение при нормальных условиях работы в прямом смещении. В технических описаниях обычно указывается типичное или максимальное прямое напряжение (V _F ) для указанного тока и температуры (например, 20 мА и 25 ° C для светодиодов). поэтому у пользователя есть гарантия того, когда появится определенный ток. При более высоких токах прямое падение напряжения на диоде увеличивается. Например, для силовых кремниевых диодов типично падение напряжения от 1 до 1,5 В при полном номинальном токе. (См. также: Выпрямитель § Падение напряжения на выпрямителе )

полупроводникового диода Однако экспоненциальная вольт-амперная характеристика на самом деле более постепенная, чем это простое двухпозиционное действие. Хотя может показаться, что экспоненциальная функция имеет определенный « перегиб » вокруг этого порога, если рассматривать его в линейном масштабе, колено — это иллюзия, зависящая от масштаба оси Y, представляющей ток. На полулогарифмическом графике (с использованием логарифмической шкалы для тока и линейной шкалы для напряжения) экспоненциальная кривая диода вместо этого больше похожа на прямую линию.

Поскольку прямое падение напряжения на диоде мало меняется в зависимости от тока и в большей степени зависит от температуры, этот эффект можно использовать в качестве датчика температуры или в качестве несколько неточного источника опорного напряжения .

Обратный пробой

Высокое сопротивление диода току, текущему в обратном направлении, внезапно падает до низкого, когда обратное напряжение на диоде достигает значения, называемого напряжением пробоя . Этот эффект используется для регулирования напряжения ( стабилитроны ) или для защиты цепей от скачков высокого напряжения ( лавинные диоды ).

Другие функции

Вольт-амперную характеристику полупроводникового диода можно настроить путем подбора полупроводниковых материалов и легирующих примесей, вводимых в материалы в процессе производства. Эти методы используются для создания диодов специального назначения, выполняющих множество различных функций. Например, для электронной настройки радио- и ТВ-приемников ( варакторные диоды ), для генерации радиочастотных колебаний ( туннельные диоды , диоды Ганна , IMPATT-диоды ), для производства света ( светоизлучающие диоды ). Туннельные диоды, диоды Ганна и IMPATT обладают отрицательным сопротивлением , что полезно в микроволновых и переключающих схемах.

можно использовать диоды, как вакуумные, так и полупроводниковые В качестве генераторов дробового шума .

История

Дополнительная информация: Электронная лампа § История и развитие.

Структура лампового диода. Сама нить может быть катодом или, чаще (как показано здесь), использоваться для нагрева отдельной металлической трубки, которая служит катодом.

Термоэмиссионные ( вакуумные ) диоды и твердотельные радиоприемников (полупроводниковые) диоды были разработаны отдельно, примерно в одно и то же время, в начале 1900-х годов, как детекторы . До 1950-х годов вакуумные диоды чаще использовались в радиоприемниках, поскольку первые полупроводниковые диоды с точечным контактом были менее стабильными. Кроме того, большинство приемных устройств имели электронные лампы для усиления, в которые можно было легко включить термоэлектронные диоды (например, 12SQ7 двойной диодный триод ), а ламповые выпрямители и газонаполненные выпрямители были способны выдерживать некоторые высоковольтные напряжения. /сильноточные выпрямители лучше, чем полупроводниковые диоды (например, селеновые выпрямители ), которые были доступны в то время.

В 1873 году Фредерик Гатри заметил, что заземленный раскаленный добела металлический шар, поднесенный в непосредственной близости к электроскопу, разряжает положительно заряженный электроскоп, но не отрицательно заряженный электроскоп. В 1880 году Томас Эдисон наблюдал однонаправленный ток между нагретыми и ненагретыми элементами в лампочке, позже названный эффектом Эдисона , и получил патент на применение этого явления для использования в постоянного тока вольтметре . Примерно 20 лет спустя Джон Амброуз Флеминг (научный советник компании Маркони и бывший сотрудник Эдисона) понял, что эффект Эдисона можно использовать в качестве радиодетектора . Флеминг запатентовал первый настоящий термоэлектронный диод, клапан Флеминга , в Великобритании 16 ноября 1904 года. (за которым последовал патент США № 803684 в ноябре 1905 г.). На протяжении всей эпохи электронных ламп ламповые диоды использовались практически во всей электронике, такой как радиоприемники, телевизоры, звуковые системы и приборы. Они постепенно теряли долю рынка, начиная с конца 1940-х годов, из-за технологии селеновых выпрямителей, а затем в 1960-х годах - полупроводниковых диодов. Сегодня они все еще используются в некоторых устройствах с высокой мощностью, где их способность выдерживать переходные напряжения и надежность дает им преимущество перед полупроводниковыми устройствами, а также в музыкальных инструментах и ​​аудиофильских устройствах.

В 1874 году немецкий учёный Карл Фердинанд Браун открыл «одностороннюю проводимость» при контакте металла и минерала . Индийский ученый Джагадиш Чандра Бос был первым, кто применил кристалл для обнаружения радиоволн в 1894 году. Кристаллический детектор был разработан в практическое устройство для беспроводной телеграфии Гринлифом Уиттиером Пикардом , который изобрел кремниевый кристаллический детектор в 1903 году и получил на него патент 20 ноября 1906 года. Другие экспериментаторы пробовали в качестве детекторов множество других минералов. Принципы работы полупроводников были неизвестны разработчикам этих первых выпрямителей. В 1930-х годах понимание физики продвинулось, и в середине 1930-х годов исследователи из Bell Telephone Laboratories осознали потенциал кристаллического детектора для применения в микроволновых технологиях. Исследователи из Bell Labs , Western Electric , MIT , Purdue и в Великобритании во время Второй мировой войны интенсивно разрабатывали диоды с точечным контактом ( кварцевые выпрямители или кристаллические диоды ) для применения в радарах. После Второй мировой войны компания AT&T использовала их в своих микроволновых башнях, которые пересекали Соединенные Штаты, и многие радары используют их даже в 21 веке. В 1946 году Sylvania начала предлагать кристаллический диод 1N34. В начале 1950-х годов были разработаны переходные диоды.

первый эффект сверхпроводящего диода без внешнего магнитного поля . В 2022 году был реализован

Этимология

Основная статья: Выпрямитель

На момент изобретения устройства с асимметричной проводимостью были известны как выпрямители . В 1919 году, в год тетродов изобретения , Уильям Генри Экклс ввел термин «диод» от греческих корней «ди» (от δί ), означающего «два», и «ода» (от οδός ), означающего «путь». Однако слово «диод» уже использовалось, как и триод , тетрод , пентод , гексод , как термины мультиплексной телеграфии .

Хотя все диоды выпрямляют , термин «выпрямитель» обычно применяется к диодам, используемым для питания , чтобы отличить их от диодов, предназначенных для цепей малых сигналов .

Ламповые диоды

Термоэмиссионный диод

Вакуумный диод большой мощности, используемый в радиоаппаратуре в качестве выпрямителя .
Тип	термоэмиссионный
Конфигурация контактов	Пластина и катод , нагреватель (при косвенном нагреве)
Электронный символ
Символ лампового диода с непрямым нагревом. Сверху вниз имена элементов: пластина , катод и нагреватель .

Термоэмиссионный диод — термоэмиссионное устройство, состоящее из герметичной вакуумированной стеклянной или металлической оболочки, содержащей два электрода : катод и пластину . Катод нагревается либо косвенно , либо напрямую . Если используется непрямой нагрев, в комплект поставки входит нагреватель.

В процессе работы катод нагревается до красного каления , около 800–1000 °C (1470–1830 °F). Катод прямого нагрева изготовлен из вольфрамовой проволоки и нагревается проходящим через него током от внешнего источника напряжения. Катод косвенного нагрева нагревается инфракрасным излучением расположенного рядом нагревателя, выполненного из нихромовой проволоки и питаемого током от внешнего источника напряжения.

Электронная лампа с двумя силовыми диодами.

Рабочая температура катода заставляет его выделять электроны в вакуум — процесс, называемый термоэлектронной эмиссией . Катод покрыт оксидами щелочноземельных металлов , например бария и стронция оксидами . Они имеют низкую работу выхода , а это означает, что они легче испускают электроны, чем катод без покрытия.

Пластина, не нагреваясь, не испускает электронов; но способен их поглотить.

Между катодом и пластиной прикладывают переменное напряжение, подлежащее выпрямлению. Когда напряжение на пластине положительное по отношению к катоду, пластина электростатически притягивает электроны от катода, поэтому ток электронов течет через трубку от катода к пластине. Когда напряжение на пластине отрицательно по отношению к катоду, электроны не испускаются пластиной, поэтому ток не может проходить от пластины к катоду.

Полупроводниковые диоды

Крупный план германиевого точечного диода EFD108 в стеклянном корпусе DO7: острая металлическая проволока ( «кошачьи усы» ), образующая полупроводниковый переход.

Точечные диоды

Точечные диоды были разработаны в 1930-х годах на основе ранней технологии кристаллических детекторов и в настоящее время обычно используются в диапазоне от 3 до 30 гигагерц. В диодах с точечным контактом используется металлическая проволока небольшого диаметра, контактирующая с полупроводниковым кристаллом, и они имеют либо несварной , либо сварной тип контакта. В конструкции несварных контактов используется принцип барьера Шоттки. Металлическая сторона представляет собой заостренный конец проволоки небольшого диаметра, контактирующий с полупроводниковым кристаллом. При сварном контакте небольшая область P образуется в кристалле N-типа вокруг металлического наконечника во время изготовления за счет мгновенного пропускания относительно большого тока через устройство. Диоды с точечным контактом обычно имеют меньшую емкость, более высокое прямое сопротивление и большую обратную утечку, чем переходные диоды.

Переходные диоды

диод с p – n переходом

Основная статья: p – n-диод

Диод с p–n-переходом изготавливается из кристалла полупроводника , обычно кремния, но германий и арсенид галлия также используются . К нему добавляются примеси, чтобы создать область с одной стороны, содержащую отрицательные носители заряда (электроны), называемую полупроводником n-типа , и область с другой стороны, содержащую положительные носители заряда ( дырки ), называемую полупроводником p-типа. . Когда материалы n-типа и p-типа соединяются вместе, происходит мгновенный поток электронов от стороны n к стороне p, в результате чего между ними возникает третья область, где носители заряда отсутствуют. Эта область называется областью обеднения , поскольку в ней нет носителей заряда (ни электронов, ни дырок). Выводы диода прикреплены к областям n-типа и p-типа. Граница между этими двумя областями, называемая p–n-переходом , — это то место, где происходит действие диода. достаточно более высокий электрический потенциал ) прикладывается Когда к стороне P ( анод , чем к стороне N ( катод ), это позволяет электронам течь через область обеднения со стороны N-типа на сторону P-типа. Соединение не пропускает поток электронов в противоположном направлении, когда потенциал приложен в обратном направлении, создавая в некотором смысле электрическое напряжение. обратный клапан .

диод Шоттки

Основная статья: диод Шоттки

Другой тип переходного диода, диод Шоттки , формируется из перехода металл-полупроводник, а не из ap-n-перехода, что уменьшает емкость и увеличивает скорость переключения.

Вольт-амперная характеристика

Поведение полупроводникового диода в цепи определяется его вольт-амперной характеристикой . Форма кривой определяется транспортом носителей заряда через так называемый обедненный слой или обедненную область , которая существует на p – n-переходе между различными полупроводниками. При первом создании ap – n-перехода (подвижные) электроны зоны проводимости из области, легированной N, диффундируют в область, легированную P , где имеется большое количество дырок (вакантных мест для электронов), с которыми электроны «рекомбинируют». . Когда подвижный электрон рекомбинирует с дыркой, и дырка, и электрон исчезают, оставляя после себя неподвижный положительно заряженный донор (допант) на стороне N и отрицательно заряженный акцептор (допант) на стороне P. Область вокруг p-n-перехода обедняется носителями заряда и, таким образом, ведет себя как изолятор .

Однако ширина области истощения (называемая шириной истощения ) не может расти без ограничений. При каждой электронно-дырочной пары рекомбинации положительно заряженный ион примеси остается в области, легированной N, а отрицательно заряженный ион примеси создается в области, легированной P. По мере того как рекомбинация продолжается и создается больше ионов, в зоне истощения возникает возрастающее электрическое поле, которое замедляет, а затем, наконец, останавливает рекомбинацию. В этот момент в зоне истощения существует «встроенный» потенциал.

Диод с PN-переходом в режиме малого прямого смещения. Ширина истощения уменьшается по мере увеличения напряжения. Оба p- и n-перехода легированы с уровнем легирования 1e15/см3 , что приводит к встроенному потенциалу ~0,59 В. Наблюдайте за разными квазиуровнями Ферми для зоны проводимости и валентной зоны в областях n и p (красные кривые).

Обратное смещение

См. Также: p – n-диод § Обратное смещение

Если к диоду приложено внешнее напряжение той же полярности, что и встроенный потенциал, зона истощения продолжает действовать как изолятор, предотвращая протекание любого значительного электрического тока (если только электронно-дырочные пары в переходе активно не создаются , например, свет; см. фотодиод ).

Смещение вперед

См. Также: p – n-диод § Прямое смещение

Однако, если полярность внешнего напряжения противоположна встроенному потенциалу, рекомбинация может снова продолжиться, что приведет к возникновению значительного электрического тока через p – n-переход (т. е. значительное количество электронов и дырок рекомбинирует на переходе), который увеличивается экспоненциально. с напряжением.

Регионы присутствия

Вольт-амперная характеристика диода с ap – n-переходом, показывающая три области: пробой , обратное смещение, прямое смещение. «Колено» экспоненты находится на уровне V _d . Область выравнивания, возникающая при больших прямых токах, не показана.

диода Вольт-амперная характеристика может быть аппроксимирована четырьмя рабочими областями. От более низкого к более высокому напряжению смещения это:

• Пробой : при очень большом обратном смещении, за пределами пикового обратного напряжения (PIV), происходит процесс, называемый обратным пробой , который вызывает значительное увеличение тока (т. е. большое количество электронов и дырок создается и удаляется от p-напряжения). –n переход), что обычно приводит к необратимому повреждению устройства. Лавинный диод специально разработан для такого использования. В стабилитроне понятие PIV не применимо. Стабилитрон содержит сильно легированный p – n-переход, позволяющий электронам туннелировать из валентной зоны материала p-типа в зону проводимости материала n-типа, так что обратное напряжение «фиксируется» до известного значения ( называется напряжением Зенера ), и лавина не возникает. Однако оба устройства имеют ограничение на максимальный ток и мощность, которые они могут выдержать в ограниченной области обратного напряжения. Кроме того, после окончания прямой проводимости в любом диоде на короткое время возникает обратный ток. Устройство не достигает своей полной блокирующей способности до тех пор, пока не прекратится обратный ток.
• Обратное смещение : при смещении между пробоем и 0 В обратный ток очень мал и асимптотически приближается к - I _s . Для обычного выпрямительного диода P – N обратный ток через устройство находится в диапазоне микроампер (мкА). Однако это зависит от температуры, и при достаточно высоких температурах может наблюдаться значительный обратный ток (мА или более). Существует также небольшой ток утечки на поверхность, вызванный тем, что электроны просто движутся вокруг диода, как если бы он был несовершенным изолятором.

  

  Полулогарифмический график ВАХ (логарифмический ток в зависимости от линейного напряжения) различных диодов.

• Прямое смещение : кривая ток-напряжение является экспоненциальной , аппроксимирующей уравнение диода Шокли . При построении графика с использованием линейной шкалы тока появляется плавный « перегиб », но на полулогарифмическом графике не видно четкого порогового напряжения.
• Выравнивание : при больших прямых токах на кривой ток-напряжение начинает доминировать омическое сопротивление объемного полупроводника. Кривая больше не является экспоненциальной, она представляет собой асимптотику прямой линии, наклон которой равен объемному сопротивлению. Эта область особенно важна для силовых диодов и может быть смоделирована идеальным диодом Шокли, включенным последовательно с постоянным резистором.

Уравнение диода Шокли

Основная статья: уравнение диода Шокли

Уравнение идеального диода Шокли или закон диода (названный в честь биполярного переходного транзистора соавтора Брэдфорда Шокли ) моделирует экспоненциальную Уильяма зависимость тока от напряжения (ВАХ) диодов при умеренном прямом или обратном смещении. В статье « Уравнение диода Шокли» приводятся подробности.

Поведение при слабом сигнале

При прямом напряжении, меньшем напряжения насыщения, характеристическая кривая зависимости напряжения от тока большинства диодов не является прямой линией. Ток можно аппроксимировать выражением $I=I_{\text{S}}e^{V_{\text{D}}/(nV_{\text{T}})}$ как объяснено в статье об уравнении диода Шокли .

В детекторах и смесителях ток можно оценить с помощью ряда Тейлора. Нечетные члены можно опустить, поскольку они создают частотные составляющие, находящиеся за пределами полосы пропускания смесителя или детектора. Даже члены, выходящие за пределы второй производной, обычно не нужно включать, поскольку они малы по сравнению с членом второго порядка. Желаемая составляющая тока примерно пропорциональна квадрату входного напряжения, поэтому отклик называется квадратичным . в этой области

Эффект обратного восстановления

После окончания прямой проводимости в диоде ap-n-типа в течение короткого времени может течь обратный ток. Устройство не достигает своей блокирующей способности до тех пор, пока мобильный заряд в соединении не будет исчерпан.

Эффект может быть значительным при очень быстром переключении больших токов. Определенное количество «времени обратного восстановления» t _r (порядка от десятков наносекунд до нескольких микросекунд) может потребоваться для удаления заряда обратного восстановления Q _r из диода. В течение этого времени восстановления диод фактически может проводить ток в обратном направлении. Это может привести к возникновению большого тока в обратном направлении на короткое время, пока диод находится в обратном смещении. Величина такого обратного тока определяется рабочей цепью (т. е. последовательным сопротивлением), и говорят, что диод находится в фазе накопления. В некоторых реальных случаях важно учитывать потери, возникающие из-за этого неидеального диодного эффекта. Однако, когда скорость нарастания тока не столь велика (например, частота сети), эффект можно смело игнорировать. Для большинства применений эффект также незначителен для диодов Шоттки .

Обратный ток резко прекращается, когда накопленный заряд исчерпан; эта резкая остановка используется в диодах со ступенчатым восстановлением для генерации чрезвычайно коротких импульсов.

Типы полупроводниковых диодов

Вольт-амперные кривые нескольких типов диодов

Обычные (p–n) диоды, работающие, как описано выше, обычно изготавливаются из легированного кремния или германия . До разработки кремниевых силовых выпрямительных диодов оксид меди , а затем и селен использовался . Их низкий КПД требовал приложения гораздо более высокого прямого напряжения (обычно от 1,4 до 1,7 В на «ячейку», с несколькими ячейками, расположенными друг над другом, чтобы увеличить номинальное пиковое обратное напряжение для применения в высоковольтных выпрямителях), а также требовал большого радиатора. диода (часто является продолжением металлической подложки ), намного больше, чем потребуется более позднему кремниевому диоду с теми же номинальными токами. Подавляющее большинство всех диодов — это p-n-диоды, встречающиеся в КМОП интегральных схемах . которые включают в себя два диода на вывод и множество других внутренних диодов.

Лавинные диоды

Это диоды, которые проводят ток в обратном направлении, когда напряжение обратного смещения превышает напряжение пробоя. Электрически они очень похожи на стабилитроны (и их часто ошибочно называют стабилитронами), но разрушаются по другому механизму: лавинному эффекту . Это происходит, когда обратное электрическое поле, приложенное к p-n-переходу, вызывает волну ионизации, напоминающую лавину, приводящую к большому току. Лавинные диоды спроектированы так, чтобы выходить из строя при четко определенном обратном напряжении, не разрушаясь. Разница между лавинным диодом (имеющим обратный пробой выше примерно 6,2 В) и стабилитроном состоит в том, что длина канала первого превышает длину свободного пробега электронов, что приводит к множеству столкновений между ними на пути через канал. Единственное практическое различие между этими двумя типами заключается в том, что они имеют температурные коэффициенты противоположной полярности.

Диоды постоянного тока

На самом деле это JFET с затвором, замкнутым на исток, и функционирует как двухконтактный токоограничивающий аналог стабилитрона, ограничивающего напряжение. Они позволяют току через них подняться до определенного значения, а затем стабилизироваться до определенного значения. Также называются CLD , диодами постоянного тока , транзисторами с диодным соединением или диодами, регулирующими ток .

Кристаллические выпрямители или кристаллические диоды

Это точечные диоды. Серия 1N21 и другие используются в смесителях и детекторах радиолокационных и микроволновых приемников. 1N34A — еще один пример кристаллического диода.

Диоды Ганна

Они похожи на туннельные диоды тем, что изготовлены из таких материалов, как GaAs или InP, которые обладают областью отрицательного дифференциального сопротивления . При соответствующем смещении дипольные домены формируются и перемещаются по диоду, что позволяет высокочастотные микроволновые генераторы . создавать

Светодиоды (LED)

В диоде, изготовленном из полупроводника с прямой запрещенной зоной , такого как арсенид галлия , носители заряда, пересекающие переход, испускают фотоны , когда они рекомбинируют с основным носителем на другой стороне. В зависимости от материала, длины волны (или цвета) от инфракрасного до ближнего ультрафиолета . Первые светодиоды были красными и желтыми, со временем были разработаны более высокочастотные диоды. Все светодиоды излучают некогерентный свет узкого спектра; «Белые» светодиоды на самом деле представляют собой синий светодиод с желтым сцинтилляционным покрытием или комбинации трех светодиодов разного цвета. Светодиоды также можно использовать в качестве фотодиодов с низким КПД в сигнальных приложениях. Светодиод может быть соединен с фотодиодом или фототранзистором в одном корпусе, образуя оптоизолятор .

Лазерные диоды

Когда структура, подобная светодиоду, содержится в резонансной полости, образованной путем полировки параллельных торцов, лазер можно сформировать . Лазерные диоды обычно используются в оптических запоминающих устройствах и для высокоскоростной оптической связи .

Термические диоды

Этот термин используется как для обычных p – n-диодов, используемых для контроля температуры из-за изменения их прямого напряжения в зависимости от температуры, так и для тепловых насосов Пельтье для термоэлектрического нагрева и охлаждения . Тепловые насосы Пельтье могут быть изготовлены из полупроводников, хотя они не имеют выпрямляющих переходов, они используют различное поведение носителей заряда в полупроводниках N и P-типа для перемещения тепла.

Фотодиоды

Все полупроводники подвержены оптической генерации носителей заряда . Обычно это нежелательный эффект, поэтому большинство полупроводников упакованы в светоблокирующий материал. Фотодиоды предназначены для восприятия света ( фотодетекторы ), поэтому они упакованы в материалы, пропускающие свет, и обычно представляют собой PIN (тип диода, наиболее чувствительного к свету). Фотодиод может использоваться в солнечных элементах , в фотометрии или в оптической связи . Несколько фотодиодов могут быть упакованы в одно устройство либо в виде линейной матрицы, либо в виде двумерной матрицы. Эти массивы не следует путать с устройствами с зарядовой связью .

PIN-диоды

PIN-диод имеет центральный нелегированный или собственный слой, образующий структуру p-типа/внутреннего/n-типа. Они используются в качестве радиочастотных переключателей и аттенюаторов. Они также используются в качестве детекторов ионизирующего излучения большого объема и фотодетекторов . PIN-диоды также используются в силовой электронике , так как их центральный слой выдерживает высокие напряжения. Кроме того, структуру PIN можно найти во многих силовых полупроводниковых устройствах , таких как IGBT , силовые МОП-транзисторы и тиристоры .

Диоды Шоттки

Диоды Шоттки построены из контакта металла с полупроводником. Они имеют меньшее прямое падение напряжения, чем диоды с p-n-переходом. Их прямое падение напряжения при прямом токе около 1 мА находится в диапазоне от 0,15 В до 0,45 В, что делает их полезными для ограничения напряжения и предотвращения насыщения транзисторов. Их также можно использовать в качестве выпрямителей с малыми потерями , хотя их обратный ток утечки в целом выше, чем у других диодов. Диоды Шоттки являются устройствами с основной несущей и поэтому не страдают от проблем с хранением неосновных несущих, которые замедляют работу многих других диодов, поэтому они имеют более быстрое обратное восстановление, чем диоды с p – n-переходом. Они также имеют тенденцию иметь гораздо меньшую емкость перехода, чем p-n-диоды, что обеспечивает высокие скорости переключения и их использование в высокоскоростных схемах и радиочастотных устройствах, таких как импульсные источники питания , смесители и детекторы .

Супербарьерные диоды

Супербарьерные диоды — это выпрямительные диоды, которые сочетают в себе низкое прямое падение напряжения, как у диода Шоттки, способность справляться с перенапряжениями и низкий обратный ток утечки, как у обычного диода с p–n-переходом.

золотом Диоды, легированные

В качестве легирующей примеси золото (или платина ) действует как центры рекомбинации, что способствует быстрой рекомбинации неосновных носителей. Это позволяет диоду работать на сигнальных частотах за счет более высокого прямого падения напряжения. Диоды, легированные золотом, работают быстрее, чем другие p – n-диоды (но не так быстро, как диоды Шоттки). У них также меньшая утечка обратного тока, чем у диодов Шоттки (но не так хорошо, как у других p – n-диодов). Типичный пример — 1N914.

Отключающиеся или ступенчатые диоды восстановления

Термин «ступенчатое восстановление» относится к форме обратного восстановления, характерной для этих устройств. После прохождения прямого тока через SRD и его прерывания или изменения направления обратная проводимость резко прекращается (как при ступенчатом сигнале). Таким образом, SRD могут обеспечивать очень быстрые переходы напряжения за счет очень внезапного исчезновения носителей заряда.

Стабисторы или диоды прямого опорного напряжения

Термин «стабистор» относится к особому типу диодов, обладающим чрезвычайно стабильными характеристиками прямого напряжения . Эти устройства специально разработаны для приложений стабилизации низкого напряжения, требующих гарантированного напряжения в широком диапазоне токов и высокой стабильности при температуре.

Диод подавления переходного напряжения (TVS)

Это лавинные диоды, разработанные специально для защиты других полупроводниковых приборов от высоковольтных переходных процессов . Их p-n-переходы имеют гораздо большую площадь поперечного сечения, чем у обычных диодов, что позволяет им проводить большие токи на землю без повреждений.

Туннельные диоды или диоды Эсаки.

У них есть область действия, показывающая отрицательное сопротивление, вызванное квантовым туннелированием . позволяющий усиливать сигналы и создавать очень простые бистабильные схемы. Из-за высокой концентрации носителей туннельные диоды очень быстродействуют, их можно использовать при низких температурах (мК), сильных магнитных полях и в условиях высокой радиации. Благодаря этим свойствам их часто используют в космических кораблях.

Варикапы или варакторные диоды.

Они используются в качестве конденсаторов, управляемых напряжением . Они важны в схемах ФАПЧ ( система фазовой автоподстройки частоты ) и FLL ( система автоподстройки частоты ) и позволяют схемам настройки, например, в телевизионных приемниках, быстро фиксироваться на частоте. Они также включили перестраиваемые генераторы в раннюю дискретную настройку радиоприемников, где дешевый и стабильный, но фиксированной частоты кварцевый генератор обеспечивал опорную частоту для генератора, управляемого напряжением .

Стабилитроны

Их можно заставить проводить в обратном смещении (назад), и их правильно называют диодами обратного пробоя. Этот эффект, называемый пробой Зенера , возникает при точно определенном напряжении, что позволяет использовать диод в качестве прецизионного источника опорного напряжения. Термин «стабилитроны» в просторечии применяется к нескольким типам пробивных диодов, но, строго говоря, стабилитроны имеют напряжение пробоя ниже 5 вольт, тогда как лавинные диоды используются для напряжений пробоя выше этого значения. В практических схемах опорного напряжения стабилитроны и переключающие диоды подключаются последовательно и в противоположных направлениях, чтобы сбалансировать реакцию температурного коэффициента диодов почти до нуля. Некоторые устройства, обозначенные как высоковольтные стабилитроны, на самом деле являются лавинными диодами (см. выше). Два (эквивалентных) стабилитрона, включенных последовательно и в обратном порядке в одной упаковке, представляют собой поглотитель переходных процессов (или Transorb , зарегистрированная торговая марка).

Графические символы

Основная статья: Электронный символ

Символ, используемый для обозначения определенного типа диода на принципиальной схеме, передает читателю общую электрическую функцию. Для некоторых типов диодов существуют альтернативные обозначения, хотя различия незначительны. Треугольник в символах указывает в прямом направлении, т.е. в направлении обычного течения тока.

• 
  Диод
• 
  Светодиод (LED)
• 
  Фотодиод
• 
  диод Шоттки
• 
  Диод подавления переходных напряжений (TVS)
• 
  Туннельный диод
• 
  Варикап
• 
  Стабилитрон
• 
  Типичные корпуса диодов расположены так же, как и символ диода. Тонкая полоска изображает катод .

Схемы нумерации и кодирования

Существует ряд распространенных, стандартных и определяемых производителем схем нумерации и кодирования диодов; Двумя наиболее распространенными из них являются стандарт EIA / JEDEC и европейский стандарт Pro Electron :

ОВОС/JEDEC

Стандартизированная система нумерации EIA370 серии 1N была введена в США EIA/JEDEC (Объединенным советом по разработке электронных устройств) примерно в 1960 году. Большинство диодов имеют обозначение из 1 префикса (например, 1N4003). Среди наиболее популярных в этой серии были: 1N34A/1N270 (германиевый сигнал), 1N914/ 1N4148 (кремниевый сигнал), 1N400x (кремниевый силовой выпрямитель 1 А) и 1N580x (кремниевый силовой выпрямитель 3 А).

ОН

В системе обозначения полупроводников JIS все обозначения полупроводниковых диодов начинаются с «1S».

Про Электрон

Европейская Pro Electron система кодирования активных компонентов была введена в 1966 году и состоит из двух букв, за которыми следует код детали. Первая буква обозначает полупроводниковый материал, используемый для компонента (A = германий и B = кремний), а вторая буква обозначает общую функцию детали (для диодов A = маломощный/сигнальный, B = переменная емкость, X = множитель, Y = выпрямитель и Z = опорное напряжение); например:

• Германиевые маломощные/сигнальные диоды серии АА (например, АА119)
• Кремниевые маломощные/сигнальные диоды серии BA (например, кремниевый ВЧ-переключающий диод BAT18)
• Кремниевые выпрямительные диоды серии BY (например, выпрямительный диод BY127 1250 В, 1 А)
• Кремниевые стабилитроны серии BZ (например, стабилитрон BZY88C4V7 4,7 В)

Другие распространенные системы нумерации/кодирования (обычно определяемые производителем) включают:

• Германиевые диоды серии GD (например, GD9) – это очень старая система кодирования.
• Германиевые диоды серии ОА (например, ОА47) — кодирующая последовательность , разработанная Mullard . британской компанией

Связанные устройства

• выпрямитель
• Транзистор
• Тиристорный или кремниевый выпрямитель (SCR)
• ТРИАК
• ДЕАК
• Варистор

В оптике эквивалентным устройством для диода, но с лазерным светом, будет оптический изолятор , также известный как оптический диод. что позволяет свету проходить только в одном направлении. используется ротатор Фарадея В качестве основного компонента .

Приложения

Радиодемодуляция

Простая схема демодулятора огибающей .

Первым применением диода была демодуляция с амплитудной модуляцией радиопередач (AM). История этого открытия подробно рассмотрена в статье о кристаллическом детекторе . Таким образом, AM-сигнал состоит из чередующихся положительных и отрицательных пиков несущей радиоволны, амплитуда или огибающая которой пропорциональны исходному аудиосигналу. Диод выпрямляет радиочастотный сигнал AM, оставляя только положительные пики несущей волны. Затем звук извлекается из выпрямленной несущей волны с помощью простого фильтра и подается в аудиоусилитель или преобразователь , который генерирует звуковые волны через аудиодинамик .

В области микроволновых и миллиметровых волн, начиная с 1930-х годов, исследователи усовершенствовали и миниатюризировали кристаллический детектор. Диоды с точечным контактом ( кристаллические диоды ) и диоды Шоттки используются в радиолокационных, микроволновых и миллиметровых детекторах.

Преобразование мощности

Основная статья: Выпрямитель

Схема базового источника переменного тока в постоянный

Выпрямители состоят из диодов и используются для преобразования переменного тока электроэнергии (AC) в постоянный ток (DC). Автомобильные генераторы переменного тока являются распространенным примером, когда диод, преобразующий переменный ток в постоянный, обеспечивает лучшую производительность, чем коммутатор или более ранняя динамо-машина . Точно так же диоды также используются в Кокрофта – Уолтона умножителях напряжения для преобразования переменного тока в более высокое постоянное напряжение.

Защита от обратного напряжения

Поскольку большинство электронных схем могут быть повреждены при изменении полярности их входов питания, для защиты от таких ситуаций иногда используется последовательный диод. Эта концепция известна под несколькими вариантами названий, которые означают одно и то же: защита от обратного напряжения, защита от обратной полярности и защита от обратной батареи.

Защита от перенапряжения

Диоды часто используются для отвода опасного высокого напряжения от чувствительных электронных устройств. В нормальных условиях они обычно имеют обратное смещение (непроводящие). Когда напряжение превышает нормальный диапазон, диоды становятся прямосмещенными (проводящими). Например, диоды используются в ( шаговых двигателях и H-мостах ) контроллерах двигателей и схемах реле для быстрого обесточивания катушек без разрушительных скачков напряжения , которые в противном случае могли бы возникнуть. (Диод, используемый в таком приложении, называется обратноходовым диодом ). Многие интегральные схемы также включают в себя диоды на соединительных контактах, чтобы предотвратить повреждение чувствительных транзисторов внешним напряжением . Для защиты от перенапряжений при более высокой мощности используются специализированные диоды (см. Типы диодов выше).

Логические вентили

Основная статья: Диодная логика

Диодно-резисторная логика строит И и ИЛИ логические элементы . Функциональная полнота может быть достигнута добавлением активного устройства для обеспечения инверсии (как это сделано в диодно-транзисторной логике ).

Детекторы ионизирующего излучения

Помимо упомянутого выше света, полупроводниковые диоды чувствительны к более энергичному излучению. В электронике космические лучи и другие источники ионизирующего излучения вызывают шумовые импульсы , а также одиночные и множественные битовые ошибки. Этот эффект иногда используется детекторами частиц для обнаружения радиации. Одна частица излучения с энергией в тысячи или миллионы электронвольт /с генерирует множество пар носителей заряда, поскольку ее энергия откладывается в полупроводниковом материале. Если слой истощения достаточно велик, чтобы поймать весь поток или остановить тяжелую частицу, можно провести довольно точное измерение энергии частицы, просто измеряя проводимый заряд, без использования сложного магнитного спектрометра и т. Д. Эти полупроводниковые детекторы излучения требуют эффективного и равномерного сбора заряда и низкого тока утечки. Их часто охлаждают жидким азотом . Для более дальнобойных (около сантиметра) частиц необходима очень большая глубина истощения и большая площадь. Для частиц ближнего радиуса действия необходим любой контакт или необедненный полупроводник хотя бы на одной поверхности, чтобы они были очень тонкими. Напряжения обратного смещения близки к пробою (около тысячи вольт на сантиметр). Германий и кремний являются распространенными материалами. Некоторые из этих детекторов определяют не только энергию, но и положение. Они имеют ограниченный срок службы, особенно при обнаружении тяжелых частиц, из-за радиационного повреждения. Кремний и германий совершенно различны по своей способности превращать гамма-лучи в электронные ливни.

Полупроводниковые детекторы частиц высоких энергий используются в большом количестве. Из-за колебаний потерь энергии точное измерение выделяемой энергии становится менее полезным.

Измерения температуры

Диод можно использовать в качестве устройства измерения температуры , поскольку прямое падение напряжения на диоде зависит от температуры, как в кремниевом датчике температуры с запрещенной зоной . Из приведенного выше уравнения идеального диода Шокли может показаться , что напряжение имеет положительный температурный коэффициент (при постоянном токе), но обычно изменение члена обратного тока насыщения более существенно, чем изменение члена теплового напряжения. Поэтому большинство диодов имеют отрицательный температурный коэффициент, обычно -2 мВ/°C для кремниевых диодов. Температурный коэффициент примерно постоянен для температур выше примерно 20 Кельвинов . Некоторые графики приведены для серии 1N400x, и криогенный датчик температуры CY7.

Текущее рулевое управление

Диоды предотвратят токи в непредусмотренных направлениях. Для подачи питания на электрическую цепь во время сбоя питания схема может потреблять ток от батареи . Таким образом, в источнике бесперебойного питания могут использоваться диоды, чтобы гарантировать, что ток потребляется от батареи только при необходимости. Аналогичным образом, небольшие лодки обычно имеют две цепи, каждая со своей собственной батареей/аккумуляторами: одна используется для запуска двигателя; один используется для домашних хозяйств. Обычно оба заряжаются от одного генератора переменного тока, а мощный диод с разделенным зарядом используется для предотвращения разряда аккумулятора с более высоким зарядом (обычно аккумулятора двигателя) через аккумулятор с более низким зарядом, когда генератор не работает.

Диоды также используются в электронных музыкальных клавишных инструментах . Чтобы уменьшить количество проводов, необходимых в электронных музыкальных клавишных инструментах, в этих инструментах часто используются матричные схемы клавиатуры . Контроллер клавиатуры сканирует строки и столбцы, чтобы определить, какую ноту нажал игрок. Проблема с матричными схемами заключается в том, что при одновременном нажатии нескольких нот ток может течь в обратном направлении через цепь и вызывать срабатывание « фантомных клавиш », вызывающих воспроизведение «призрачных» нот. Чтобы избежать срабатывания нежелательных нот, в большинстве схем матриц клавиатуры к переключателю под каждой клавишей музыкальной клавиатуры припаяны диоды . Тот же принцип используется для матрицы переключателей в полупроводниковых автоматах для игры в пинбол .

Ограничитель сигналов

Основная статья: Clipper (электроника)

Диоды можно использовать для ограничения положительного или отрицательного отклонения сигнала до заданного напряжения.

Зажим

Основная статья: Клэмпер (электроника)

Этот простой диодный зажим фиксирует отрицательные пики входящего сигнала на напряжении Common Rail.

Схема диодного фиксатора может принимать периодический сигнал переменного тока, который колеблется между положительными и отрицательными значениями, и смещать его по вертикали так, чтобы положительные или отрицательные пики возникали на заданном уровне. Ограничитель не ограничивает размах сигнала, он перемещает весь сигнал вверх или вниз, чтобы поместить пики на опорный уровень.

Вычисление экспонент и логарифмов

Экспоненциальная зависимость ток-напряжение диода используется для оценки возведения в степень и его обратной функции с логарифма использованием аналоговых сигналов напряжения (см. Применения операционных усилителей §§ Экспоненциальный выход и Логарифмический выход ).

Сокращения

Диоды обычно обозначаются буквой D , что означает диод на печатных платах . сокращение CR, обозначающее кристаллический выпрямитель . Иногда используется

См. также

• Активное исправление
• Транзистор с диодным подключением
• Моделирование диодов
• Быстрый/сверхбыстрый диод
• Исправление пламени
• Лямбда-диод
• Lr-диод
• p – n переход
• Модель слабого сигнала

Дальнейшее чтение

Исторические схемы

• 50 простых светодиодных схем ; 1-е изд; РН Сор; Бабани Пресс; 62 страницы; 1977 год; ISBN   978-0859340434 . (архив)
• 38 проверенных на практике диодных схем для домашнего конструктора ; 1-е изд; Бернар Бабани; Криссон Печать; 48 страниц; 1972. (архив)
• Справочник по диодным схемам ; 1-е изд; Руфус Тернер; Говард Сэмс и компания; 128 страниц; 1963 год; LCCN 63-13904. (архив)
• 40 применений германиевых диодов ; 2-е изд.; Сильвания Электрические Продукты; 47 страниц; 1949 г. (архив)

Исторические периодические издания

• Справочник по применению выпрямителей ; О полупроводниках; 270 страниц; 2001. (архив)
• Справочник по кремниевому выпрямителю ; 1-е изд; Боб Дейл; Моторола; 213 страниц; 1966. (архив)
• Электронное исправление ; ФГ Спредбери; Д. Ван Ностранд Ко; 1962.
• Справочник по стабилитронам ; Международный выпрямитель; 96 страниц; 1960.
• Справочник по выпрямителю FT Selenium ; 2-е изд.; Федеральный телефон и радио; 80 страниц; 1953. (архив)
• Справочник по селеновому выпрямителю ST ; 1-е изд; Саркес Тарзян; 80 страниц; 1950. (архив)

Исторические справочники

• Дискретный датабук ; 1989 год; National Semiconductor (ныне Texas Instruments)
• Дискретный датабук ; 1985 год; Fairchild (сейчас ON Semiconductor)
• Дискретный датабук ; 1982 год; SGS (сейчас STMicroelectronics)
• Справочник полупроводников ; 1965 год; Motorola (сейчас ON Semiconductor)