1.3. Полупроводниковые диоды, их классификация, характеристики, условные графические и буквенные обозначения, область применения, основные электрические параметры
Дио́д — двухэлектродный электронный элемент, обладающий различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока. Электрод диода, подключаемый к положительному полюсу источника тока, когда диод открыт (то есть имеет маленькое сопротивление), называют анодом, подключаемый к отрицательному полюсу — катодом.
Полупроводниковый диод — полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами (электродами). В отличие от других типов диодов, принцип действия полупроводникового диода основывается на явлении p-n-перехода.
Плоскостные p-n-переходы для полупроводниковых диодов получают методом сплавления, диффузии и эпитаксии.
Основные характеристики и параметры диодов
Вольт-амперная характеристика
Максимально допустимое постоянное обратное напряжение
Максимально допустимое импульсное обратное напряжение
Максимально допустимый постоянный прямой ток
Максимально допустимый импульсный прямой ток
Номинальный постоянный прямой ток
Прямое постоянное напряжение на диоде при номинальном токе
Постоянный обратный ток, указывается при максимально допустимом обратном напряжении
Диапазон рабочих частот
Ёмкость
Пробивное напряжение (для защитных диодов и стабилитронов)
Тепловое сопротивление корпуса при различных вариантах монтажа
Максимально допустимая мощность рассеивания
Классификация диодов
Типы диодов по назначению
Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный.
Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов, предназначены для применения в импульсных режимах работы.
Детекторные диоды предназначены для детектирования сигнала
Смесительные диоды предназначены для преобразования высокочастотных сигналов в сигнал промежуточной частоты.
Переключательные диоды предназначены для применения в устройствах управления уровнем сверхвысокочастотной мощности.
Параметрические
Ограничительные диоды предназначены для защиты радио и бытовой аппаратуры от повышения сетевого напряжения.
Умножительные
Настроечные
Генераторные
Типы диодов по частотному диапазону
Низкочастотные
Высокочастотные
СВЧ
Типы диодов по размеру перехода
Плоскостные
Точечные
Типы диодов по конструкции
Диоды Шоттки
СВЧ-диоды
Стабилитроны
Стабисторы
Варикапы
Светодиоды
Фотодиоды
Pin диод
Лавинный диод
Лавинно-пролётный диод
Диод Ганна
Туннельные диоды
Обращённые диоды
По конструкции полупроводниковые диоды могут быть плоскостными и точечными. Устройство плоскостного диода показано на рис. 2. К кристаллодержателю припаивается пластинка полупроводника n-типа. Кристалложержатель – это металлическое основание плоскостного диода. Сверху в пластинку полупроводника вплавляется капля трёхвалентного металла, обычно индия. Атомы индия диффундируют (проникают) в полупроводниковую пластинку и образуют у её поверхности слой р-типа. Между слоями р- и n-типов образуется электронно-дырочный переход (ЭДП). К кристаллодержателю и индию припаиваются проводники, которые служат выводами диода. Для предохранения диода от механических повреждений, попадания света, пыли и влаги на полупроводник, его помещают в герметичный корпус.
На рис. 2 позиция 1 – это вывод р-области, позиция 2 – вывод n-области.
Рис.
2. Устройство плоскостного диода.
Точечный полупроводниковый диод состоит из пластинки полупроводника n-типа и заострённой пружинки из вольфрама или фосфористой бронзы диаметром около 0,1 мм. Через прижатую к полупроводниковой пластинке пружинку пропускают электрический ток большой силы, в результате чего металлическая пружинка сваривается с полупроводниковой пластинкой, образуя под своим остриём р-область. Между р-областью и полупроводником n-типа возникает электронно-дырочный переход.
На рис. 3 приведены условные графические обозначения (УГО) различных диодов. Острая вершина треугольника в УГО указывает на направление протекания прямого тока через диод. То есть для того, чтобы диод пропускал ток, включать его нужно так, чтобы на основание треугольника подавался «плюс» (или на прямолинейный отрезок подавался «минус»). Если включить диод в обратном направлении, то он не будет пропускать ток (потому и называется полупроводником – пропускает ток только в одном направлении).
Рис. 3. Условное графическое обозначение (УГО) диодов.
Применение диодов
Диодные выпрямители
Диоды широко используются для преобразования переменного тока в постоянный (точнее, в однонаправленный пульсирующий). Диодный выпрямитель или диодный мост (То есть 4 диода для однофазной схемы, 6 для трёхфазной полумостовой схемы или 12 для трёхфазной полномостовой схемы, соединённых между собой по схеме) — основной компонент блоков питания практически всех электронных устройств. Диодный трёхфазный выпрямитель по схеме А. Н. Ларионова на трёх параллельных полумостах применяется в автомобильных генераторах, он преобразует переменный трёхфазный ток генератора в постоянный ток бортовой сети автомобиля. Применение генератора переменного тока в сочетании с диодным выпрямителем вместо генератора постоянного тока с щёточно-коллекторным узлом позволило значительно уменьшить размеры автомобильного генератора и повысить его надёжность.
В некоторых выпрямительных устройствах до сих пор применяются селеновые выпрямители. Это вызвано той особенностью данных выпрямителей, что при превышении предельно допустимого тока, происходит выгорание селена (участками), не приводящее (до определенной степени) ни к потере выпрямительных свойств, ни к короткому замыканию — пробою.
В высоковольтных выпрямителях применяются селеновые высоковольтные столбы из множества последовательно соединённых селеновых выпрямителей и кремниевые высоковольтные столбы из множества последовательно соединённых кремниевых диодов.
Если соединено последовательно и согласно (в одну сторону) несколько диодов, пороговое напряжение, необходимое для отпирания всех диодов, увеличивается.
Диодные детекторы
Диоды в сочетании с конденсаторами применяются для выделения низкочастотной модуляции из амплитудно-модулированного радиосигнала или других модулированных сигналов. Диодные детекторы применяются в радиоприёмных устройствах: радиоприёмниках, телевизорах и т. п. Используется квадратичный участок вольт-амперной характеристики диода.
Диодная защита
Диоды применяются для защиты устройств от неправильной полярности включения, защиты входов схем от перегрузки, защиты ключей от пробоя ЭДС самоиндукции, возникающей при выключении индуктивной нагрузки и т. п.
Для защиты входов аналоговых и цифровых схем от перегрузки используется цепочка из двух диодов, подключенных к шинам питания в обратном направлении, защищаемый вход подключается к средней точке этой цепочки. При нормальной работе диоды закрыты и почти не оказывают влияния на работу схемы. При уводе потенциала входа за пределы питающего напряжения один из диодов открывается и шунтирует вход схемы, ограничивая таким образом допустимый потенциал входа диапазоном в пределах питающего напряжения плюс прямое падение напряжения на диоде. Такие цепочки могут быть уже включены в состав ИС на этапе проектирования кристалла, либо предусматриваться при разработке схем узлов, блоков, устройств. Выпускаются готовые защитные сборки из двух диодов в трёхвыводных «транзисторных» корпусах.
Для сужения или расширения диапазона защиты вместо потенциалов питания необходимо использовать другие потенциалы в соответствии с требуемым диапазоном. При защите от мощных помех, возникающих на длинных проводных линиях, например, при грозовых разрядах, может потребоваться использование более сложных схем, вместе с диодами включающих в себя резисторы, варисторы, разрядники.
Диодные переключатели
Применяются для коммутации высокочастотных сигналов. Управление осуществляется постоянным током, разделение ВЧ и управляющего сигнала с помощью конденсаторов и индуктивностей.