Диоды

Диоды
•Выполнили:
•Ямщиков Евгений
•Тимоховцев Сергей
•Группа 21302 ФТФ
2009 г.
Определение
•
Дио́д (от др.-греч. δι — два и -од из слова
электрод) — двухэлектродный электронный
прибор, обладает различной проводимостью
в зависимости от направления
электрического тока. Электрод диода,
подключённый к положительному полюсу
источника тока, когда диод открыт (то есть
имеет маленькое сопротивление), называют
анодом, подключённый к отрицательному
полюсу — катодом.
История создания и развития диодов
•
Развитие диодов началось в третьей четверти XIX века сразу по
двум направлениям: в 1873 году британский учёный Фредерик Гутри
открыл принцип действия термионных (вакуумных ламповых с
прямым накалом) диодов, в 1874 году германский учёный Карл
Фердинанд Браун открыл принцип действия кристаллических
(твёрдотельных) диодов.
•
Принципы работы термионного диода были заново открыты
тринадцатого февраля 1880 года Томасом Эдисоном, и затем, в 1883
году, запатентованы (патент США № 307031). Однако дальнейшего
развития в работах Эдисона идея не получила. В 1899 году германский
учёный Карл Фердинанд Браун запатентовал выпрямитель на
кристалле. Джэдиш Чандра Боус развил далее открытие Брауна в
устройство применимое для детектирования радио. Около 1900 года
Гринлиф Пикард создал первый радиоприёмник на кристаллическом
диоде. Первый термионный диод был запатентован в Британии
Джоном Амброзом Флемингом (научным советником компании
Маркони и бывшим сотрудником Эдисона в 1904 году в ноябре
шестнадцатого (патент США № 803684 от ноября 1905 года). В 1906
году в ноябре двадцатого Пикард запатентовал кремниевый
кристаллический детектор (патент США № 836531).
•
В конце XIX века устройства подобного рода были известны под
именем выпрямителей, и лишь в 1919 году Вильям Генри Иклс ввёл в
оборот слово «диод», образованное от греческих корней «di» — два, и
«odos» — путь.
Типы диодов
•
Диоды бывают электровакуумными (кенотроны),
газонаполненными (газотроны, игнитроны, стабилитроны),
полупроводниковыми и др. В настоящее время в подавляющем
•
большинстве случаев применяются полупроводниковые
диоды.
Полупроводниковые диоды
•
Полупроводниковый диод — полупроводниковый
прибор с одним электрическим переходом и двумя
выводами (электродами). В отличии от других типов
диодов, принцип действия полупроводникового
основывается на явлении p-n-перехода.
•
Плоскостные p-n-переходы для полупроводниковых
диодов получают методом сплавления, диффузии и
эпитаксии.
•
Полупроводниковые диоды используют свойство
односторонней проводимости p-n перехода — контакта
между полупроводниками с разным типом примесной
проводимости, либо между полупроводником и металлом
(Диод Шоттки).
Основные характеристики и
параметры диодов











Вольт-амперная характеристика
Постоянный обратный ток диода
Постоянное обратное напряжение диода
Постоянный прямой ток диода
Постоянное обратное напряжение диода
Диапазон частот диода
Дифференциальное сопротивление
Ёмкость
Пробивное напряжение
Максимально допустимая мощность
Максимально допустимый постоянный прямой ток
диода
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 детектированния сигнала

Смесительные диоды предназначены для преобразования высокочастотных сигналов в в сигнал промежуточной частоты.

Переключательные диоды предназначены для применения в устройствах управлением уровнем свехвысокочастотной
мощности.

Параметрические

Ограничительные

Умножительные

Настроечные

Генераторные
Типы диодов по размеру перехода

Плоскостные

Точечные
Типы диодов по конструкции
•
Диоды Шоттки
•
СВЧ-диоды
•
Стабилитроны
•
Стабисторы
•
Варикапы
•
Туннельные диоды

Обращенные диоды


стабилитрон
туннельный
фотодиод
варикап
СВЧ-диод
Диод Шоттки
Ламповые диоды
•
Электровакуумный диод — электронная лампа с двумя
электродами (катод и анод). Разновидность диода.
Используется в детекторах (амплитудных или частотных) и в
выпрямителях. Высоковольтная разновидность — кенотрон.
•
Ламповые диоды представляют собой радиолампу с двумя
рабочими электродами, один из которых подогревается нитью
накала. Благодаря этому, часть электронов покидает
поверхность разогретого электрода (катода) и под действием
электрического поля движется к другому электроду — аноду.
Если же поле направлено в противоположную сторону,
электрическое поле препятствует этим электронам и тока
(практически) нет.
•
История
Принцип действия термионных
(электровакуумных) диодов был открыт
британским учёным Фредериком Гутри в
1873 году.
Устройство
Электровакуумный диод представляет собой стеклянный или
металлический баллон, из которого откачан воздух и внутри которого
находятся катод и анод. От этих электродов сквозь стенки баллона
проходят выводы. Если баллон стеклянный, то выводы впаиваются в
стекло. Если же баллон металлический, то выводы выходят через
стеклянные или керамические бусинки, впаянные в металл.
Анод имеет один вывод. В зависимости от конструкции выделяют
катоды прямого накала и подогревные катоды. Катод прямого накала
греется за счёт проходящего через него тока имеет два вывода. Для
подогревного катода (который греется за счет близко расположенной
нити накала) делают два вывода от подогревающей нити и один от,
собственно, катода.
В практических конструкциях диодов анод обычно имеет форму
цилиндра или коробки без двух стенок (часто с закругленными
углами), окружающей катод. В последнем случае нить имеет вид
латинской буквы V или W. При таких конструкциях анодов все
излучаемые катодами электроны с одинаковой силой притягиваются
анодами.
Для уменьшения нагрева анода его часто снабжают рёбрами или
крылышками, которые способствуют лучшему отводу от него тепла.
Принцип работы
•
При разогреве катода электроны начнут покидать
поверхность последнего за счёт термоэлектронной эмиссии.
Покинувшие поверхность электроны будут препятствовать
вылету других электронов, в результате вокруг катода
образуется своего рода облако электронов. Часть электронов с
наименьшими скоростями из облака падает обратно на катод.
При заданной температуре катода облако стабилизируется: на
катод падает столько же электронов, сколько из него вылетает.
•
При подаче на катод отрицательного напряжения, а на
анод — положительного возникает электрическое поле, которое
заставляет электроны двигаться от катода к аноду. Тем самым в
цепи появляется ток.
•
Если же на катод подан «+», а на анод «-», электрическое
поле препятствует движению электронов, которые покидают
катод и ток не течёт.
ВАХ
•
•
•
•
Вольт-амперная характеристика электровакуумнуго диода
имеет 3 участка:
Нелинейный участок. На начальном участке ВАХ ток
медленно возрастает при увеличении напряжения на аноде, что
объясняется противодействием полю анода объёмного
отрицательного заряда электронного облака. По сравнению с
током насыщения, анодный ток при Ua = 0 очень мал (и не
показан на схеме). Его зависимость от напряжения растет
экспоненциально, что обуславливается разбросом начальных
скоростей электронов. Для полного прекращения анодного тока
необходимо приложить некоторое анодное напряжение меньше
нуля, называемое запирающим.
Участок закона «трех вторых». Зависимость анодного тока
от напряжения характеризуется законом Ленгмюра-ЧайльдаБогуславского (так же называемым законом "трех вторых")
Участок насыщения. При дальнейшем увеличении
напряжения на аноде рост тока замедляется, а затем полностью
прекращается так как все электроны, вылетающие из катода,
достигают анода. Дальнейшее увеличение анодного тока при
данной величине накала невозможно, поскольку для этого нужны
дополнительные электроны, а их взять негде, так как вся эмиссия
катода исчерпана. Установившейся в этом режиме анодный ток
называется током насыщения. Этот участок описывается
законом Ричардсона-Дешмана.
•
•
•
•
, где
- универсальная
термоэлектронная постоянная Зоммерфельда.
ВАХ анода зависит от напряжения накала — чем больше
накал, тем больше крутизна ВАХ и тем больше ток насыщения.
Однако увеличение напряжения накала приводит к уменьшению
срока службы лампы.
Основные параметры
• К основным параметрам электровакуумнуго диода относятся:

Крутизна ВАХ: — изменение анодного тока в мА на 1 В
изменения напряжения.

Дифференциальное сопротивление:

Максимально допустимое обратное напряжение. При
некотором напряжении, приложенном в обратном
направлении (то есть изменена полярность катода и анода),
происходит пробой диода — проскакивает искра между
катодом и анодом, что сопровождается резким возрастанием
силы тока.

Запирающее напряжение — напряжение, необходимое для
прекращения тока в диоде.

Максимально допустимая рассеиваемая мощность.

Крутизна и внутреннее сопротивление являются функциями от
анодного напряжения и температуры катода, в пределах
участка «трех вторых» они являются постоянными.
Маркировка приборов
• Электровакуумные диоды маркируются по такому принципу, как и остальные
лампы:
•
Первое число обозначает напряжение накала, округлённое до целого.
•
Второй символ обозначает тип электровакуумного прибора. Для диодов:
–
–
–
•
•
Д — одинарный диод.
Ц — кенотрон (выпрямительный диод)
X — двойной диод, то есть содержащий два диода в одном корпусе с общим
накалом.
МХ — механотрон-двойной диод
МУХ — механотрон-двойной диод для измерения углов
Следующее число — это порядковый номер разработки прибора.
И последний символ — конструктивное выполнение прибора:
–
–
–
–
–
С — стеклянный баллон диаметром более 24 мм без цоколя либо с октальным
(восьмиштырьковым) пластмассовым цоколем с ключом.
П — пальчиковые лампы (стеклянный баллон диаметром 19 или 22,5 мм с
жёсткими штыревыми выводами без цоколя).
Б — миниатюрная серия с гибкими выводами и с диаметром корпуса менее 10мм.
А — миниатюрная серия с гибкими выводами и с диаметром корпуса менее 6мм.
К — серия ламп в керамическом корпусе.
Если четвертый элемент отсутствует, то это говорит о присутствии
металлического корпуса!
Сравнение с полупроводниковыми
диодами
•
По сравнению с полупроводниковыми
диодами в электровакуумных диодах
отсутствует обратный ток, и они
выдерживают более высокие напряжения.
Способны кратковременно выдерживать
большие перегрузки (полупроводниковые
«выгорают» сразу). Стойки к ионизирующим
излучениям. Однако они обладают гораздо
большими размерами и меньшим КПД.
Специальные типы диодов
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Стабилитроны (диод Зенера). Используют обратную ветвь характеристики диода с обратимым пробоем
для стабилизации напряжения.
Туннельные диоды (диоды Лео Эсаки). Диоды, существенно использующие квантовомеханические
эффекты. Имеют область т. н. «отрицательного сопротивления» на вольт-амперной характеристике.
Применяются как усилители, генераторы и пр.
Варикапы. Используется то, что запертый p—n-переход обладает большой ёмкостью, причём ёмкость
зависит от выставленного обратного напряжения. Применяются в качестве конденсаторов переменной
ёмкости.
Светодиоды (диоды Генри Раунда). В отличие от обычных диодов, при рекомбинации электронов и дырок
в переходе излучают свет в видимом диапазоне, а не в инфракрасном. Однако, выпускаются светодиоды и
с излучением в ИК диапазоне, а с недавних пор - и в УФ.
Полупроводниковые лазеры. По устройству близки к светодиодам, однако имеют лазерный резонатор,
излучают когерентный свет.
Фотодиоды. Запертый фотодиод открывается под действием света.
Солнечный элемент Подобен фотодиоду, но работает без смещения. Падающий на p-n переход свет
вызывает движение электронов и генерацию тока.
Диоды Ганна. Используются для генерации и преобразования частоты в СВЧ диапазоне.
Диод Шоттки. Диод с малым падением напряжения при прямом включении.
Лавинно-пролётный диод. Диод, работающий за счёт лавинного пробоя.
Магнитодиод. Диод, вольт-амперная характеристика которого существенно зависит от значения индукции
магнитного поля и расположения его вектора относительно плоскости p-n-перехода.
Стабисторы. При работе используется участок ветви вольт-амперной характеристики, соответствующий
«прямому напряжению» на диоде.
Смесительный диод — предназначен для перемножения 2-ух высокочастотных сигналов.
pin диод — содержит область собственной проводимости между сильнолегированными областями.
Используется в СВЧ-технике, силовой электронике, как фотодетектор
Применение диодов
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Диодные выпрямители
Трёхфазный выпрямитель Ларионова А. Н. на трёх полумостах
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 Ларионова А. Н. 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.
Диодные детекторы
Диоды в сочетании с конденсаторами применяются для выделения низкочастотной модуляции из
амплитудно-модулированного радиосигнала или других модулированных сигналов. Диодные детекторы
применяются почти во всех[источник не указан 180 дней] радиоприёмных устройствах: радиоприёмниках,
телевизорах и т. п.. Используется квадратичный участок вольт-амперной характеристики диода.
Диодная защита
Диоды применяются также для защиты разных устройств от неправильной полярности включения и т. п.
Известна схема диодной защиты схем постоянного тока с индуктивностями от скачков при выключении
питания. Диод включается параллельно катушке так, что в «рабочем» состоянии диод закрыт. В таком случае, если
резко выключить сборку, возникнет ток через диод и сила тока будет уменьшаться медленно (ЭДС индукции будет
равна падению напряжения на диоде), и не возникнет мощного скачка напряжения, приводящего к искрящим
контактам и выгорающим полупроводникам.
Диодные переключатели
Применяются для коммутации высокочастотных сигналов. Управление осуществляется постоянным током,
разделение ВЧ и управляющего сигнала с помощью конденсаторов и индуктивностей.
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.
Интересные факты





В первые десятилетия развития полупроводниковой технологии
точность изготовления диодов была настолько низкой, что
приходилось делать «разбраковку» уже изготовленных приборов. Так,
диод Д220 мог, в зависимости от фактически получившихся
параметров, маркироваться и как переключательный (Д220А,Б), и как
стабистор (Д220С).Радиолюбители широко использовали его в
качестве варикапа.
Диоды могут использоваться как датчики температуры.
Диоды в прозрачном стеклянном корпусе (в том числе и современные
SMD-варианты) могут обладать паразитной чувствительностью к
свету (то есть радиоэлектронное устройство работает по-разному в
корпусе и без корпуса, на свету).
Американским учённым из университета штата Аризона удалось
создать диод, состоящий всего из одной молекулы.
Японским ученным удалось создать тепловой диод — устройство,
способное пропускать тепло только в одном направлении.