Диоды (часть 1). Устройство и работа. Характеристики и особенности

Не зная конструктивных особенностей диода, нельзя понять его принципа действия. Структура диода состоит из двух слоев с проводимостью различного вида.

Диод состоит из следующих основных элементов:

• Корпус . Выполняется в виде вакуумного баллона, материалом которого может быть керамика, металл, стекло и другие прочные материалы.
• Катод . Он расположен внутри баллона, служит для образования эмиссии электронов. Наиболее простым устройством катода является тонкая нить, раскаляющаяся в процессе действия. Современные диоды оснащены косвенно накаляющимися электродами, которые выполнены в виде металлических цилиндров со свойством активного слоя, имеющего возможность испускать электроны.
• Подогреватель . Это особый элемент в виде нити, раскаляющейся от электрического тока. Подогреватель расположен внутри косвенно накаляющегося катода.
• Анод . Это второй электрод диода, служащий для приема электронов, вылетевших от катода. Анод имеет положительный потенциал, по сравнению с катодом. Форма анода чаще всего так же, как и катода, цилиндрическая. Оба электрода аналогичны эмиттеру и базе полупроводников.
• Кристалл . Его материалом изготовления является германий или кремний. Одна часть кристалла имеет р-тип с недостатком электронов. Другая часть кристалла имеет n-тип проводимости с избытком электронов. Граница, расположенная между этими двумя частями кристалла, называется р-n переходом.

Эти особенности конструкции диода позволяют ему проводить ток в одном направлении.

Принцип действия

Работа диода характеризуется его различными состояниями, и свойствами полупроводника при нахождении в этих состояниях. Рассмотрим подробнее основные виды подключений диодов, и какие процессы происходят внутри полупроводника.

Диоды в состоянии покоя

Если диод не подключен к цепи, то внутри него все равно происходят своеобразные процессы. В районе «n» есть излишек электронов, что создает отрицательный потенциал. В области «р» сконцентрирован положительный заряд. Совместно такие заряды создают электрическое поле.

Так как заряды с разными знаками притягиваются, то электроны из «n» проходят в «р», при этом заполняют дырки. В итоге таких процессов в полупроводнике появляется очень слабый ток, увеличивается плотность вещества в области «р» до определенного значения. При этом частицы расходятся по объему пространства равномерно, то есть, происходит медленная диффузия. Вследствие этого электроны возвращаются в область «n».

Для многих электрических устройств направление тока не имеет особого значения, все работает нормально. Для диода же, большое значение имеет направление протекания тока. Основной задачей диода является пропускание тока в одном направлении, чему благоприятствует переход р-n.

Обратное включение

Если диоды подсоединять к питанию по изображенной схеме, то ток не будет проходить через р-n переход. К области «n» подсоединен положительный полюс питания, а к «р» — минусовой. В итоге электроны от области «n» переходят к плюсовому полюсу питания. Дырки притягиваются минусовым полюсом. На переходе возникает пустота, носители заряда отсутствуют.

При повышении напряжения дырки и электроны осуществляют притягивание сильнее, и на переходе нет носителей заряда. При обратной схеме включения диода ток не проходит.

Повышение плотности вещества возле полюсов создает диффузию, то есть, стремление к распределению вещества по объему. Это возникает при выключении питания.

Обратный ток

Вспомним о работе неосновных переносчиков заряда. При запертом диоде, через него проходит малая величина обратного тока. Он и образуется от неосновных носителей, двигающихся в обратном направлении. Такое движение возникает при обратной полярности питания. Обратный ток обычно незначительный, так как число неосновных носителей очень мало.

При возрастании температуры кристалла их число повышается и обуславливает повышение обратного тока, что обычно приводит к повреждению перехода. Для того, чтобы ограничить температуру работы полупроводников, их корпус монтируют на теплоотводящие радиаторы охлаждения.

Прямое включение

Поменяем местами полюса питания между катодом и анодом. На стороне «n» электроны будут отходить от отрицательного полюса, и проходить к переходу. На стороне «р» дырки, имеющие положительный заряд, оттолкнутся от положительного вывода питания. Поэтому электроны и дырки начнут стремительное движение друг к другу.

Частицы с разными зарядами скапливаются возле перехода, и между ними образуется электрическое поле. Электроны проходят через р-n переход и двигаются в область «р». Часть электронов рекомбинирует с дырками, а остальные проходят к положительному полюсу питания. Возникает прямой ток диода, который имеет ограничения его свойствами. При превышении этой величины диод может выйти из строя.

При прямой схеме диода, его сопротивление незначительное, в отличие от обратной схемы. Считается, что обратно ток по диоду не проходит. В результате мы выяснили, что диоды работают по принципу вентиля: повернул ручку влево – вода течет, вправо – нет воды. Поэтому их еще называют полупроводниковыми вентилями.

Прямое и обратное напряжение

Во время открытия диода, на нем имеется прямое напряжение. Обратным напряжением считается величина во время закрытия диода и прохождения через него обратного тока. Сопротивление диода при прямом напряжении очень мало, в отличие от обратного напряжения, возрастающего до тысяч кОм. В этом можно убедиться путем измерения мультиметром.

Сопротивление полупроводникового кристалла может изменяться в зависимости от напряжения. При увеличении этого значения сопротивление снижается, и наоборот.

Если диоды использовать в работе с переменным током, то при плюсовой полуволне синуса напряжения он будет открыт, а при минусовой – закрыт. Такое свойство диодов применяют для выпрямления напряжения. Поэтому такие устройства называются выпрямителями.

Характеристика диодов

Характеристика диода выражается графиком, на котором видна зависимость тока, напряжения и его полярности. Вертикальная ось координат в верхней части определяет прямой ток, в нижней части – обратный.

Горизонтальная ось справа обозначает прямое напряжение, слева – обратное. Прямая ветка графика выражает ток пропускания диода, проходит рядом с вертикальной осью, так как выражает повышение прямого тока.

Вторая ветка графика показывает ток при закрытом диоде, и проходит параллельно горизонтальной оси. Чем круче график, тем лучше диод выпрямляет ток. После возрастания прямого напряжения, медленно повышается ток. Достигнув области скачка, его величина резко нарастает.

На обратной ветви графика видно, что при повышении обратного напряжения, величина тока практически не возрастает. Но, при достижении границ допустимых норм происходит резкий скачок обратного тока. Вследствие этого диод перегреется и выйдет из строя.

Зависимость барьерной емкости диода от напряжения.

Приведем график зависимости общей емкости С_д кремниевого диода 2Д212А от обратного напряжения (основной вклад в общую емкость вносит барьерная емкость) (рис. 1.30).

Для этого диода максимальный постоянный (средний) прямой ток — 1 А, максимальное постоянное (импульсное) обратное напряжение — 200 В.

Основное предназначение выпрямительных диодов состоит в изменении характера переменного тока для последующего превращения его в постоянный. Данные радиокомпоненты находят применение в цепях согласования и развязки, умножителях напряжения и других устройствах без жёстких требований по частотным характеристикам сигналов. Чаще всего эти элементы используются для выпрямления переменного тока промышленной частоты 50 Гц.

Данные радиокомпоненты входят в состав выпрямителей переменного тока и блоков питания. Правда, в этом случае обычно используются не дискретные выпрямительные диоды, а так называемый диодный мост. Самый простой мост состоит из четырёх диодов. С его выхода снимается практически идеальный постоянный ток, который нуждается лишь в незначительной коррекции, для чего используются цепи, состоящие из резисторов и конденсаторов.

Основными электрическими параметрами выпрямительных диодов являются следующие:

1. Максимальное постоянное обратное напряжение;
2. Максимальное импульсное обратное напряжение;
3. Максимальный прямой ток;
4. Максимальный импульсный прямой ток;
5. Постоянное прямое напряжение;
6. Общая емкость диода;
7. Обратный ток диода при предельном обратном напряжении;
8. Рабочая частота диода;
9. Рассеиваемая мощность на диоде.

Особенности выпрямительного диода

Главная отличительная особенность диодов этого типа состоит в том, что в их конструкции используются так называемые плоскостные p-n-переходы, обеспечивающие нормальные условия для протекания прямого тока. Однако подобные переходные зоны обладают значительной ёмкостью, которая ограничивает рабочую частоту радиокомпонентов.

Поскольку выпрямительные диоды оперируют достаточно высокими мощностями, важную роль при их эксплуатации играет такое явление, как пробой. Принципиально его можно описать следующим образом. При росте обратного напряжения выше некоей пороговой величины в полупроводниках начинают протекать физико-химические процессы, приводящие к появлению обратной проводимости. Такой диод начинает беспрепятственно пропускать электрический ток в обоих направлениях, то есть перестаёт исполнять свою ключевую функцию.

Существует несколько видов пробоя – лавинный, туннельный, тепловой. Их концептуальное различие заключается в возможности восстановления диода после пробоя. Если после лавинного и туннельного радиодеталь при некоторых условиях может восстановиться и продолжать нормально работать, то тепловой пробой почти гарантированно приводит к фатальному выходу диода из строя.

Исполнение выпрямительных диодов

Для изготовления данных радиокомпонентов используются два полупроводника – кремний и германий. Кремниевые элементы выгоднее в функциональном отношении, так как их обратный ток гораздо меньше того же параметра германиевых изделий. Кроме того, выпрямительные диоды на основе кремния не так критичны в отношении нагрева, как германиевые, поэтому могут работать при более высокой температуре. Однако с этим связан существенный минус кремниевых элементов – если они пробиваются обратным напряжением, то пробой носит тепловой характер. Это означает, что пробитый диод из кремния почти всегда приходится заменять новым.

В большинстве случаев выпрямительные диоды заключаются в мощные металлические корпуса, которые обеспечивают не только механическую прочность изделий, но и нормальное теплоотведение. Выпрямительные диоды в сравнении с другими типами крупнее. Особенно большими являются высоковольтные устройства, рассчитанные на оперирование большими мощностями. Такие диоды используются на электрических подстанциях и прочих объектах электроэнергетической отрасли.

Возможные неисправности

Во время работы устройств с диодами могут возникать различные поломки. Это происходит из-за старения элементов или их амортизации.

Специалисты по ремонту различают 4 вида неисправностей.

Среди них такие:

1. Электрический пробой. Это одна из наиболее распространённых поломок, которые встречаются у диодов. Она является обратимой, так как не приводит к разрушению диодного кристалла. Исправить её можно путём постепенного снижения подаваемого напряжения.
2. Тепловой пробой. Такая неисправность более губительна для диода. Она возникает из-за плохого теплоотвода или перегрева в области p-n перехода. Последний образуется только в том случае, если устройство питается от тока с чрезмерно высокими показателями. Без проведения ремонтных мероприятий проблема только усугубится. При этом произойдёт рост колебания атомов диодного кристалла, что приведёт к его деформации и разрушению.
3. Обрыв. При возникновении этой неисправности устройство прекращает пропуск электрического тока в обоих направлениях. Таким образом, он становится изолятором, блокирующим всю систему. Для устранения поломки нужно точно определить её местонахождение. Для этого следует применять специальные высокочувствительные тестеры, которые повысят шанс обнаружить обрыв.
4. Утечка. Под этой поломкой понимают нарушение целостности корпуса, вызванного физическим или иным воздействием на прибор.

Диод — важный элемент конструкции, который обеспечивает исправную и бесперебойную работу устройства. При правильном выборе этого элемента и обеспечении оптимальных условий работы можно избежать каких-либо неисправностей.

Мощные германиевые диоды, выпрямители

Для изготовления полупроводникового перехода в диодах, – это основа основ работы прибора, – используются несколько основных методов: диффузия (сплавление n и p-легированных материалов) и планарная эпитаксия. Первый метод считается устаревшим и сейчас не применяется. При его использовании не удавалось снизить емкость запертого перехода, и это значительно ограничивало верхнюю рабочую частоту диода. На низкой частоте, например, промышленной 50-60 Гц, диоды вполне успешно работали в мощных выпрямителях.

Позже появился метод ионного легирования тонких кристаллов (планарная эпитаксия) и удалось значительно повысить диапазон частот, так как при новом методе паразитная емкость, о которой только что говорилось, оказалась, соответственно, ниже. Это никак не повлияло на мощность приборов, о чем еще будет сказано дальше.

Обратное включение диода

Если плюс блока питания присоединяется к минусу полупроводника, а минус – к плюсу, работа диода прекращается (он закрывается). Заряженные частицы начинают отдаляться от области p-n, она расширяется, повышается сопротивление

При увеличении обратного напряжения до 100 В растет электроток в противоположном направлении. Рост резко увеличивается, если вольтаж превышает максимально допустимый для границы p-n. Обратный ток нагревает кристалл в диоде, переход пробивается, нормальная работа прибора прекращается. После выключения напряжения рядом с полюсами образуется диффузия.

Внимание! Во время нормальной работы противоположный электроток небольшой, поэтому им пренебрегают, считая полупроводниковый диод элементом с односторонней проводимостью.

Схемы включения диодов

Если возникнет необходимость пропускать через полупроводники токи, которые больше их номинальных, соединяют их параллельно, что позволит пропустить больший ток, но возникает необходимость использовать индуктивные делители, для выравнивания токов элементов, схема ниже:

При больших напряжениях – соединяют последовательно. Но для таких соединений необходимо применять специальных схемы коммутации, чтоб не допустить выход элементов из строя, они показаны ниже: