Діод

Діод (рос. диод, англ. diode, нім. die Diode) — електронний прилад з двома електродами, що пропускає електричний струм лише в одному напрямі. Застосовується у радіотехніці, електроніці, енергетиці та в інших галузях, переважно для випрямляння змінного електричного струму, детектування, перетворення та помноження частоти, а також для переключення електричних кіл.

Назву діод запропонував у 1919 році Вільям Генрі Еклз, утворивши її від грецької частки ді-, яка означає два та грец. ὅδος — шлях.

Види діодів

Позначення лампового діоду

Позначення напівпровідниковго діоду

Найчастіше зустрічаються напівпровідникові діоди, проте лампові діоди теж мають свою сферу застосування.

Напівпровідниковий діод — використовує ректифікаційні властивості p-n переходу, тобто пропускання струму лише в одному напрямку.

У ламповому діоді струм може проходити лише від аноду до катоду, завдяки конструкції лампи. Лампові діоди широко використовувалися в радіотехніці впродовж XX-го століття, але в сучасну епоху за ними збереглися лише окремі галузі застосування.

Історія

У 1873 Фредерік Ґутрай відкрив принцип функціонування вакуумного діода. Підносячи розжарений метал до додатно зарядженого електроскопа, і не торкаючись його, він зміг розрядити електроскоп, а з від'ємно зарядженим електроскопом такого не траплялося. Це відкриття незалежно повторив Томас Едісон у 1880 році. У часи цього відкриття було незрозуміло, як можна використати цей ефект, але Едісон на всякий випадок запатентував винайдений пристрій.

Через 20 років, Джон Амброуз Флемінг збагнув, що ефект односторонньої провідності можна використати в радіо. Він запатентував свій винахід у 1904 році — в Британії, а в 1905 році — в США.

Принцип роботи напівпровідникового діода відкрив у 1874 році Карл Фердинанд Браун. Перший радіоприймач з використанням кристалічного діода сконструював Ґрінліф Віттіер Пікард. Свій винахід він запатентував у 1906 році.

Виготовлення

Діоди виготовляють з кремнію, германію, селену, та інших напівпровідників.

Розглянемо способи утворення p-n переходу в діоді. Цей перехід не вдається одержати механічним з'єднанням напівпровідників, бо відстань між p і n областями має бути не більшою від міжатомних відстаней. Тому основними методами одержання p-n переходів є сплавлення і дифузія.

Розглянемо германієвий діод з n-електропровідністю. При високій температурі в нього вплавляють індій, внаслідок чого утворюється ділянка з р-електропровідністю. На межі цих ділянок утворюється p-n перехід.

Вольт-амперна характеристика

Чотири режимні області напівпровідникового діода

Вольт-амперна характеристика напівпровідникового діода схематично показана на рисунку (без збереження масштабу). Рисунок демонструє чотири режими роботи напівпровідникового діода. При оберненій напрузі більшій за $V_{br}$, наступає пробій — різке збільшення струму, яке використовується в роботі лавинних діодів та діодів Зенера. При оберненій напрузі, меншій від $V_{br}$, існує тільки малий струм насичення, здебільшого, порядку мікроамперів. При прикладенні напруги в прямому напрямку, струм зростає експоненційно, залишаючись малим до напруги $V_d$, — напруги відкривання діода. Ця напруга може бути різною, в залежності від типу діода, — від 0,2 В для діодів Шоткі, до 4 В у блакитних світлодіодів.

Вольт-амперні характеристики деяких діодів, наприклад, діода Ганна і резонансного тунельного діода можуть містити ділянки з від'ємною диференціальною провідністю, тобто ділянки, на яких сила струму в діоді зменшується, при збільшенні прикладеної напруги. Такі діоди зручні для використання в генераторах електричних коливань.

Рівняння ідеального діода

Діод	Діод Зенера	Діод Шоткі	Тунельний діод
Світлодіод	Фотодіод	Варікап	Тиристор

Позначення деяких діодів.

Вольт-амперну характеристику ідеального діода, тобто діода, в якому не враховується можливість пробою та інші фактори, можна описати рівнянням Шоклі

$I = I_S \left[ \exp\left( \frac{eV_a}{k_BT} \right) -1 \right]$,

де I — сила струму, $I_S$ — сила струму насичення при зворотній напрузі, $V_a$ — напруга (в прямому напрямку), $k_B$ — стала Больцмана, T — температура.

Величину $V_T = k_BT/e$ називають термальною напругою.

Характеристики діодів

I_s — струм насичення (тепловий струм)
R_б — опір бази діода
R_а — активний опір
R_Д — диференційний опір
C_б — бар'єрна ємність
С_Д — дифузійна ємність
R_{тп к} — тепловий опір перехід-корпус
К_В — коефіцієнт випростування
φ_к — контактна різниця потенціалів

Допустимі зворотні напруги кремнієвих діодів — 1000—1500 В, а германієвих 100—400 В. Інтервал робочих температур кремнієвого діода — від −60 ^oC до +150 ^oC; а для германієвого — від −60 ^oC до +85 ^oC. Тому зараз в основному використовують кремнієві діоди.

Використання

Діоди широко використовуються в електротехніці, електроніці, та радіотехніці. З різною метою, в залежності від їх характеристик.

Властивість діода — проводити струм лише в одному напрямку, застосовують у випрямлячах — для перетворення змінного струму на постійний.

Діоди використовуються при демодуляції амплітудно-модульованого радіосигналу, тобто виділення низькочастотної складової з високочастотного сигналу.

Разом із іншими електронними компонентами, діоди можуть використовуватися для створення AND і OR логічних елементів.

Світлодіоди використовуються як джерела світла, а фотодіоди — як його індикатори.

Робота діодів чутлива до радіоактивних променів, що дозволяє використовувати їх у якості детекторів іонізуючого випромінювання, зокрема детекторів елементарних частинок. Одна така частинка має енергію в сотні тисяч і мільйони електронвольт. Проходячи через напівпровідник вона створює значну концентрацію носіїв заряду. Неосновні носії заряду легко проходять через p-n перехід діода, підключеного у зворотньому напрямку, створюючи струм, вимірюючи який можна оцінити характеристики частинки.

Постійне опромінення впливає на характеристики діода, а тому діоди можна використовувати не тільки для детектування частинок, а й для вимірювання доз опромінення. Для цієї мети особливо зручні PIN-діоди, в яких p- та n-області розділені широкою ділянкою ізолятора (нелегованого напівпровідника). Завдяки ширині такої області, радіаційні пошкодження детектувати легше.

Діоди використовуються, також, для вимірювання температури, оскільки падіння напруги на діоді (при прямому включенні) залежить від температури.

Варікапи виконують роль керованої напругою ємності.

Діоди з від'ємною вольт-амперною характеристикою є нелінійними елементами схем генераторів високочастотних коливань.

Інше використання діодів — у клавіатурі електронних музичних інструментів. Для зменшення кількості проводів ці інструменти часто використовують плати клавіатурних матриць. Контролер клавіатури сканує рядки й стовпчики, щоб визначити, яку клавішу натиснув музикант. Виникає проблема в тому, що при одночасному натисненні на декілька клавіш, струм може текти в зворотньому напрямку й викликати фантомні ноти. Щоб запобігти цьому, клавітатурні матриці мають діод під кожною клавішею.

Діод - двохелектродний електронний прилад, володіє різною провідністю залежно від напряму електричного струму. Електрод діода, підключений до позитивного полюса джерела струму, коли діод відкритий (тобто має маленький опір), називають анодом, підключений до негативного полюса-катодом. Діоди бувають електровакуумними, газонаповненими (газотрони, стабілітрони), напівпровідниковими і ін В наш час^[Коли?] в переважній більшості випадків застосовуються напівпровідникові діоди. Лампові діоди представляють собою радіолампу з двома робочими електродами, один з яких підігрівається ниткою розжарення. Завдяки цьому, частина електронів залишає поверхню розігрітого електрода (катода) і під дією електричного поля рухається до іншого електрода - аноду. Якщо ж поле спрямоване в протилежну сторону, електричне поле перешкоджає цим електронам та струму (практично) нет.Діоди широко використовуються для перетворення змінного струму в постійний (точніше, в односпрямований пульсуючий). Діодний випрямляч (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. Діодний трифазний випрямляч на трьох паралельних напівмости застосовується в автомобільних генетарторах, він перетворює 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. Це викликано тією особливістю даних випрямлячів, що при перевищенні гранично допустимого струму, відбувається вигоряння селену (ділянками), не призводить (до певного ступеня) ні до втрати випрямних властивостей, ні до короткого замикання - пробою.В високовольтних випрямлячах застосовуються селенові високовольтні стовпи з безлічі послідовно з'єднаних селенових випрямлячів і кремнієві високовольтні стовпи з безлічі послідовно з'єднаних кремнієвих діодів. Діоди в поєднанні з конденсаторами застосовуються для виділення низькочастотної модуляції з амплітудно-модульованого радіосигналу або інших модульованих сигналів. Діодні детектори застосовуються майже у всіх радіоприймальних пристроях: .. Діоди застосовуються також для захисту різних пристроїв від неправильної полярності включення і т. п. Відома схема діодним захисту схем постійного струму з індуктивностями від стрибків при вимиканні харчування. Діод включається паралельно котушці так, що в «робочому» стані діод закритий. У такому випадку, якщо різко вимкнути збірку, виникне струм через діод і сила струму буде зменшуватися повільно (ЕРС індукції буде дорівнює падінню напруги на діоді), і не виникне потужного стрибка напруги, що приводить до іскрять контактам і вигоряє полупроводникам.Применяются для комутації високочастотних сигналів . Управління здійснюється постійним струмом, поділ ВЧ і керуючого сигналу з допомогою конденсаторів і індуктивностей.

Див. також

• pin-діод
• Діод Ганна

Література

• Мала гірнича енциклопедія. В 3-х т. / За ред. В. С. Білецького. — Донецьк: «Донбас», 2004. — ISBN 966-7804-14-3.
• Український радянський енциклопедичний словник. Т. 1. — Київ, 1986.
• Васильєва Л. Д., Медведенко Б. І., Якименко Ю. І. Напівпровідникові прилади. Підручник — К.: Кондор, 2008. — 396 с. — ISBN 978-966-622-103-9.
• Радіонов С. В. Основи радіотехніки. — К., 1996.
• Яременко І. В. Радиотехника для всех. — М., 1994.(рос.)
• Словник-довідник з радіотехніки. — К., 1991.
• Sze S. M. Modern Semiconductor Device Physics. Wiley Interscience. ISBN 0-471-15237-4.(англ.)