Діод

Чотири діода і діодний міст.

Діод (від др.-греч. δις ^[1] - два і-од ^[2] означає шлях) - двухелектродний електронний прилад, володіє різною провідністю залежно від напряму електричного струму. Електрод діода, що підключається до позитивного полюса джерела струму, коли діод відкритий (тобто має маленьке опір), називають анодом, що підключається до негативного полюса - катодом.

1. Історія створення і розвитку діодів

Схематичне зображення вакуумного діода : в скляній лампі в центрі розігріває катод, по периферії - анод. Праворуч - позначення лампового діода на схемах.

Зліва - типові представники напівпровідникових діодів. На корпусі приладу катод позначається кільцем або крапкою. Праворуч - позначення (по ГОСТ 2.730-73 [3]) випрямного напівпровідникового діода на схемах.

Розвиток діодів почався в третій чверті XIX століття відразу за двома напрямками: в 1873 британський вчений Фредерік Гутрі відкрив принцип дії терміонних (вакуумних лампових з прямим напруженням) діодів, в 1874 німецький вчений Карл Фердинанд Браун відкрив принцип дії кристалічних (твердотільних) діодів.

Принципи роботи терміонного діода були заново відкриті 13 лютого 1880 Томасом Едісоном, і потім, в 1883, запатентовані (патент США № 307031). Проте подальшого розвитку в роботах Едісона ідея не отримала. В 1899 німецький учений Карл Фердинанд Браун запатентував випрямляч на кристалі ^[4]. Джедіш Чандра Боус розвинув далі відкриття Брауна в пристрій застосовне для детектування радіо. Близько 1900 Грінліф Пікард створив перший радіоприймач на кристалічному діоді. Перший терміонний діод був запатентований в Британії Джоном Амброз Флемінг (науковим радником компанії Марконі і колишнім співробітником Едісона) 16 листопада 1904 (патент США № 803684 від листопада 1905 року). 20 листопада 1906 Пікард запатентував кремнієвий кристалічний детектор (патент США № 836531).

В кінці XIX століття пристрої подібного роду були відомі під ім'ям випрямлячів, і лише в 1919 році Вільям Генрі Іклс ввів в обіг слово "діод", утворене від грецьких коренів "di" - два, і "odos" - шлях ^[2].

Ключову роль у розробці перших вітчизняних напівпровідникових діодів в 1930-х роках зіграв радянський фізик Б. М. Вул.

2. Типи діодів

Діоди бувають електровакуумних ( кенотрони), газонаповненими ( газотрони, Ігнітрони, стабілітрони), напівпровідниковими і ін В даний час в переважній більшості випадків застосовуються напівпровідникові діоди.

2.1. Напівпровідникові діоди

Напівпровідниковий діод в скляному корпусі. На фотографії видно напівпровідник з контактами, придатними до нього.

Напівпровідникові діоди використовують властивість односторонньої провідності pn переходу - контакту між напівпровідниками з різним типом домішкової провідності, або між напівпровідником і металом ( Діод Шотткі).

2.2. Лампові діоди

Лампові діоди являють собою радіолампу з двома робочими електродами, один з яких підігрівається ниткою розжарення. Завдяки цьому, частина електронів покидає поверхню розігрітого електрода (катода) і під дією електричного поля рухається до іншого електрода - анода. Якщо ж поле спрямоване в протилежну сторону, електричне поле перешкоджає цим електронам і струму (практично) немає.

2.3. Спеціальні типи діодів

Кольорові світлодіоди

Світлодіод ультрафіолетового спектра випромінювання (збільшений).

• Стабілітрони (діод Зенера). Використовують зворотний гілка характеристики діода з оборотним пробоєм для стабілізації напруги.
• Тунельні діоди (діоди Лео Есакі). Діоди, істотно використовуючі квантовомеханічних ефекти. Мають область т. н. "Негативного опору" на вольт-амперної характеристиці. Застосовуються як підсилювачі, генератори та ін
• Варікапи (діоди Джона Джеумма). Використовується те, що замкнений pn-перехід володіє великою ємністю, причому ємність залежить від прикладеної зворотної напруги. Застосовуються в якості конденсаторів змінної ємності.
• Світлодіоди (діоди Генрі Раунду). На відміну від звичайних діодів, при рекомбінації електронів і дірок в переході випромінюють світло у видимому діапазоні, а не в інфрачервоному. Однак, випускаються світлодіоди і з випромінюванням в ІЧ діапазоні, а з недавніх пір - і в УФ.
• Напівпровідникові лазери. По пристрою близькі до світлодіодів, проте мають оптичний резонатор, випромінюють когерентний світло.
• Фотодіоди. Замкнений фотодіод відкривається під дією світла.
• Сонячний елемент. Подібний фотодіоду, але працює без зміщення. Падаючий на pn перехід світло викликає рух електронів і генерацію струму.
• Діоди Ганна. Використовуються для генерації і перетворення частоти в СВЧ діапазоні.
• Діод Шотткі. Діод з малим падінням напруги при прямому включенні.
• Лавинний діод - діод, заснований на лавинному пробої зворотного ділянки вольт-амперної характеристики. Застосовується для захисту ланцюгів від перенапруг
• Лавинно-пролітний діод - діод, заснований на лавинного множення носіїв заряду. Застосовується для генерації коливань в НВЧ-техніці.
• Магнітодіод. Діод, вольт-амперна характеристика якого суттєво залежить від значення індукції магнітного поля і розташування його вектора відносно площини pn-переходу.
• Стабистор. При роботі використовується ділянку гілки вольт-амперної характеристики, відповідний "прямому напрузі" на діоді.
• Змішувальний діод - призначений для перемножування двох високочастотних сигналів.
• pin діод - містить область власної провідності між сільнолегірованнимі областями. Використовується в НВЧ-техніці, силовій електроніці, як фотодетектор.

3. Класифікація та система позначень

Класифікація діодів по їхньому призначенню, фізичним властивостям, основним електричним параметрам, конструктивно-технологічним ознаками, родом вихідного матеріалу ( напівпровідника) відображається системою умовних позначень їх типів. Система умовних позначень постійно удосконалюється відповідно з виникненням нових класифікаційних груп і типів діодів. Зазвичай системи позначень представлені буквено-цифровим кодом.

3.1. СРСР

На території СРСР система умовних позначень неодноразово зазнавала змін і до теперішнього часу на радіоринках можна зустріти напівпровідникові діоди, випущені на заводах СРСР і з системою позначень згідно галузевого стандарту ОСТ 11 336.919-81, що базується на ряді класифікаційних ознак виробів ^[3]. Отже,

1. перший елемент буквено-цифрового коду позначає вихідний матеріал (напівпровідник), на основі якого виготовлений діод, наприклад:
   • Г або 1 - германій або його сполуки;
   • До або 2 - кремній або його сполуки;
   • А чи 3 - з'єднання галію (наприклад, арсенід галію);
   • І чи 4 - з'єднання індію (наприклад, фосфід індію);
2. другий елемент - буквений індекс, що визначає підклас приладів;
   • Д - для позначення випрямних, імпульсних, магніто- і термодіод;
   • Ц - випрямних стовпів і блоків;
   • В - варикапов;
   • І - тунельних діодів;
   • А - надвисокочастотних діодів;
   • С - стабілітронів, у тому числі стабисторов і обмежувачів;
   • Л - випромінюючі оптоелектронні прилади;
   • О - оптопари;
   • Н - діодні тиристори;
3. третій елемент - цифра (або в разі оптопар - буква), що визначає одну з основних ознак приладу (параметр, призначення або принцип дії);
4. четвертий елемент - число, що позначає порядковий номер розробки технологічного типу виробу;
5. п'ятий елемент - буквений індекс, умовно визначає класифікацію за параметрами діодів, виготовлених за єдиною технологією.

Крім того, система позначень передбачає (в разі необхідності) введення в позначення додаткових знаків для виділення окремих істотних конструктивно-технологічних особливостей виробів.

3.2. Росія

Продовжує діяти ГОСТ 2.730-73 - прилади напівпровідникові. Умовні позначення графічні.

3.3. Імпортні радіодеталі

Існує ряд загальних принципів стандартизації системи кодування для діодів за кордоном - найбільш поширені EIA / JEDEC і європейський Pro Electron стандарти.

3.3.1. EIA / JEDEC

Стандартизована система EIA370 нумерації 1N-серії була введена в США EIA / JEDEC (Об'єднаний Інженерний Консиліум по електронних пристроїв) приблизно в 1960 році. Серед найпопулярнішого в цій серії були: 1N34A/1N270 (германієвий), 1N914/1N4148 (кремнієвий), 1N4001-1N4007 (кремнієвий випрямляч 1A) та 1N54xx (потужний кремнієвий випрямляч 3A) ^{[5] [6] [7]}.

3.3.2. Pro Electron

Відповідно до європейської системи позначень активних компонентів Pro Electron, введеної в 1966 році і складається з двох літер та числового коду:

1. перша буква позначає матеріал напівпровідника:
   • A - Germanium ( германій) або його сполуки;
   • B - Silicium ( кремній) або його сполуки;
2. друга буква позначає підклас приладів:
   • A - надвисокочастотні діоди;
   • B - варикапи;
   • X - помножувачі напруги;
   • Y - випрямні діоди;
   • Z - стабілітрони, наприклад:

• AA-серія - германієві надвисокочастотні діоди (наприклад, AA119);
• BA-серія - кремнієві надвисокочастотні діоди (наприклад: BAT18 - діодний перемикач)
• BY-серія - кремнієві випрямляючі діоди (наприклад: BY127 - випрямний діод 1250V, 1А);
• BZ-серія - кремнієві стабілітрони (наприклад, BZY88C4V7 - стабілітрон 4,7 V).

3.3.3. Інші

Інші розповсюджені системи нумерації / кодування (зазвичай виробником), включають:

• GD-серія германієвих діодів (наприклад, GD9) - це дуже стара система кодування;
• OA-серія германієвих діодів (наприклад, OA47) - кодують послідовності розроблені британською компанією Mullard.

Система JIS маркує напівпровідникові діоди, починаючись з "1S".

Крім того, багато виробників або організації мають свої власні системи загальної кодування, наприклад:

• HP діод 1901-0044 = JEDEC 1N4148
• Військовий діод CV448 ( Великобританія) = Mullard типу OA81 = GEC типу GEX23

4. Застосування діодів

4.1. Діодні випрямлячі

Трифазний випрямляч Ларіонова А. Н. на трьох півмилі

Діоди широко використовуються для перетворення змінного струму в постійний (точніше, в однонаправлений пульсуючий). Доданий випрямляч або діодний міст (Тобто 4 діода для однофазної схеми, 6 для трифазної полумостовой схеми або 12 для трифазної полномостовой схеми, з'єднаних між собою за схемою) - основний компонент блоків живлення практично всіх електронних пристроїв. Доданий трифазний випрямляч за схемою Ларіонова А. Н. на трьох паралельних півмилі застосовується в автомобільних генераторах, він перетворить змінний трифазний струм генератора в постійний струм бортової мережі автомобіля. Застосування генератора змінного струму в поєднанні з доданими випрямлячем замість генератора постійного струму з щітково-колекторним вузлом дозволило значно зменшити розміри автомобільного генератора і підвищити його надійність.

У деяких випрямних пристроях досі застосовуються селенові випрямлячі. Це викликано тією особливістю даних випрямлячів, що при перевищенні гранично допустимого струму, відбувається вигоряння селену (ділянками), не приводить (до певної міри) ні до втрати випрямних властивостей, ні до короткого замикання - пробою.

У високовольтних випрямлячах застосовуються селенові високовольтні стовпи з безлічі послідовно сполучених селенових випрямлячів і кремнієві високовольтні стовпи з безлічі послідовно з'єднаних кремнієвих діодів.

Якщо з'єднане послідовно і відповідно (в одну сторону) кілька діодів, порогове напруга, необхідне для відмикання всіх діодів, збільшується.

4.2. Діодні детектори

Діоди у поєднанні з конденсаторами застосовуються для виділення низькочастотної модуляції з амплітудний-модульованого радіосигналу або інших модульованих сигналів. Діодні детектори застосовуються в радіоприймальних пристроях: радіоприймачах, телевізорах і т.п. Використовується квадратичний ділянку вольт-амперной характеристики диода.

4.3. 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.

Два входа защищены диодными цепочками. Внизу - трёхвыводная защитная диодная сборка в сравнении со спичечной головкой

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 ^{[8] [9]}.

Диодная защита ключа, коммутирующего индуктивную нагрузку

При выключении индуктивных нагрузок (таких как реле, электромагниты, магнитные пускатели, электродвигатели) возникает ЭДС самоиндукции :

,

де - индуктивность, - ток через индуктивность, - время.

ЭДС самоиндукции препятствуюет уменьшению силы тока через индуктивность и "стремится" поддержать ток на прежнем уровне. При выключении тока энергия магнитного поля, созданного индуктивностью, должна где-то рассеяться. Магнитное поле, создаваемое индуктивной нагрузкой, обладает энергией:

,

де - индуктивность - ток через индуктивность,.

Таким образом, после отключения индуктивность сама становится источником тока и напряжения, а возникающее на закрытом ключе напряжение может достигать высоких значений и приводить к искрению и обгоранию контактов механических и пробою полупроводниковых ключей поскольку в этих случаях энергия будет рассеиваться непосредственно на само́м ключе. Диодная защита является простой и одной из широко распространённых схем, позволяющих защитить ключи с индуктивной нагрузкой. Диод включается параллельно катушке так, что в рабочем состоянии диод закрыт. При отключении тока возникающая ЭДС самоиндукции направлена против ранее приложенного к индуктивности напряжения, эта противо-ЭДС открывает диод, ранее шедший через индуктивность ток продолжает течь через диод и энергия магнитного поля рассеется на нём, не вызывая повреждения ключа.

В схеме защиты с одним только диодом напряжение на катушке будет равным падению напряжения на диоде в прямом направлении - порядка 0,71,2 В, в зависимости от величины тока. Через малости этого напряжения ток будет спадать довольно медленно и для ускорения выключения нагрузки может потребоваться использование более сложной защитной схемы: стабилитрон последовательно с диодом, диод в комбинации с резистором, варистором или резисторно- ёмкостной цепочкой ^[10].

4.4. Диодные переключатели

Применяются для коммутации высокочастотных сигналов. Управление осуществляется постоянным током, разделение ВЧ и управляющего сигнала с помощью конденсаторов и индуктивностей.

4.5. Диодная искрозащита

Этим не исчерпывается применение диодов в электронике, однако другие схемы, как правило, весьма узкоспециальны. Совершенно другую область применимости имеют специальные диоды, поэтому они будут рассмотрены в отдельных статьях.

5. Цікаві факти

• У перші десятиліття розвитку напівпровідникової технології точність виготовлення діодів була настільки низькою, що доводилося робити "разбраковкой" вже виготовлених приладів. Так, діод Д220 міг, в залежності від фактично одержані параметрів, маркуватися і як перемикальні (Д220А, Б), і як стабілітрон (Д220С). Радіоаматори широко використовували його в якості варикапа.
• Діоди можуть використовуватися як датчики температури.
• Діоди в прозорому скляному корпусі (у тому числі і сучасні SMD -варіанти) можуть володіти паразитної чутливістю до світла (тобто радіоелектронне пристрій працює по-різному в корпусі і без корпусу, на світлі).

Примітки