Введение
Диод – это двухвыводный электронный компонент, проводящий ток преимущественно в одном направлении (асимметричная проводимость). Он обладает низким (в идеале нулевым) сопротивлением в одном направлении и высоким (в идеале бесконечным) сопротивлением в другом. Полупроводниковый диод, наиболее распространенный тип на сегодняшний день, представляет собой кристаллический фрагмент полупроводникового материала с p–n-переходом, подключенным к двум электрическим выводам. Он характеризуется экспоненциальной вольт-амперной характеристикой. Полупроводниковые диоды были первыми полупроводниковыми электронными приборами. Открытие асимметричной электрической проводимости на контакте между кристаллическим минералом и металлом было сделано немецким физиком Фердинандом Брауном в 1874 году. В настоящее время большинство диодов изготавливаются из кремния, но также используются и другие полупроводниковые материалы, такие как арсенид галлия и германий. Устаревший термоэлектронный диод – это вакуумная лампа с двумя электродами, нагретым катодом и анодом, в которой электроны могут течь только в одном направлении – от катода к аноду. Диоды находят широкое применение, в частности, в выпрямителях для преобразования переменного тока (AC) в постоянный ток (DC), в схемах демодуляции радиоприемников, а также могут использоваться в логических схемах или в качестве датчиков температуры. Распространенным вариантом диода является светодиод, применяемый для электрического освещения и индикации состояния на электронных устройствах.
A diode is a two terminal electronic component that conducts current primarily in one direction (asymmetric conductance). It has low (ideally zero) resistance in one direction and high (ideally infinite) resistance in the other. A semiconductor diode, the most commonly used type today, is a crystalline piece of semiconductor material with a p–n junction connected to two electrical terminals. It has an exponential current–voltage characteristic. Semiconductor diodes were the first semiconductor electronic devices. The discovery of asymmetric electrical conduction across the contact between a crystalline mineral and a metal was made by German physicist Ferdinand Braun in 1874. Today, most diodes are made of silicon, but other semiconducting materials such as gallium arsenide and germanium are also used. The obsolete thermionic diode is a vacuum tube with two electrodes, a heated cathode and a plate, in which electrons can flow in only one direction, from cathode to plate. Among many uses, diodes are found in rectifiers to convert alternating current (AC) power to direct current (DC), demodulation in radio receivers, and can even be used for logic or as temperature sensors. A common variant of a diode is a light emitting diode, which is used as electric lighting and status indicators on electronic devices.
Однонаправленный ток
Наиболее распространенная функция диода — пропускать электрический ток в одном направлении (прямом направлении), блокируя его в противоположном (обратном направлении). Гидравлической аналогией диода является обратный клапан. Такое однонаправленное поведение позволяет преобразовывать переменный ток (AC) в постоянный ток (DC), процесс, называемый выпрямлением. В качестве выпрямителей диоды могут использоваться, например, для выделения модуляции из радиосигналов в радиоприемниках.
Пороговое напряжение
Экспоненциальная вольт-амперная характеристика полупроводникового диода приводит к более сложному поведению, чем простое включение-выключение. Поскольку экспоненциальные функции можно представить как имеющие "точку перегиба", для упрощения обычно говорят, что у диода есть пороговое напряжение прямого смещения, выше которого протекает значительный ток, а ниже которого ток практически отсутствует. Однако это лишь приближение, так как вольт-амперная характеристика в прямом направлении имеет постепенный характер. +Пороговое напряжение прямого смещения для различных полупроводниковТипПороговое напряжение прямого смещенияКремниевые диоды0,6 В - 0,7 ВГерманиевые диоды0,25 В - 0,3 ВДиоды Шоттки0,15 В - 0,45 ВСветодиоды (LED)1,6 В (красный) - 4 В (фиолетовый). Содержит полный список. Поскольку падение напряжения на диоде в прямом направлении изменяется незначительно с изменением тока и в большей степени зависит от температуры, этот эффект можно использовать в качестве датчика температуры или как не очень точную эталонную величину напряжения.
Обратная разбивка
Высокое сопротивление диода току, протекающему в обратном направлении, резко падает до низкого сопротивления, когда обратное напряжение на диоде достигает значения, называемого напряжением пробоя. Этот эффект используется для стабилизации напряжения (диоды Зенера) или для защиты схем от импульсов высокого напряжения (лавинные диоды).
Этимология
В то время, когда они были изобретены, асимметричные проводящие устройства были известны как выпрямители. В 1919 году, в год изобретения тетродов, Уильям Генри Экклс ввёл термин «диод», образованный из греческих корней di (от δί), означающего «два», и ode (от οδός), означающего «путь». Однако слово «диод» уже использовалось, наряду с терминами «триод», «тетрод», «пентод» и «гексод» в мультиплексной телеграфии. Хотя все диоды выпрямляют ток, термин «выпрямитель» обычно применяется к диодам, используемым в источниках питания, чтобы отличать их от диодов, предназначенных для малосигнальных схем.
Диоды вакуумной трубки
Термионический диод – это термионическое вакуумное устройство, состоящее из герметичной, откачанной стеклянной или металлической колбы, содержащей два электрода: катод и анод. Катод может быть нагрет как косвенно, так и напрямую. Если используется косвенный нагрев, в колбе предусмотрен нагреватель. В процессе работы катод нагревается докрасна. Непосредственно нагреваемый катод изготавливается из вольфрамовой проволоки и нагревается током, проходящим через него от внешнего источника напряжения. Косвенно нагреваемый катод нагревается инфракрасным излучением от расположенного рядом нагревателя, выполненного из нихромовой проволоки и питаемого током от внешнего источника напряжения. Рабочая температура катода вызывает эмиссию электронов в вакуум – процесс, называемый термоэлектронной эмиссией. Катод покрыт оксидами щелочноземельных металлов, таких как оксиды бария и стронция. Они обладают низкой работой выхода, то есть легче испускают электроны, чем непокрытый катод. Анод, не нагреваясь, не испускает электронов, но способен их поглощать. Переменное напряжение, подлежащее выпрямлению, подается между катодом и анодом. Когда напряжение на аноде положительно относительно катода, анод электростатически притягивает электроны от катода, в результате чего ток электронов течет через трубку от катода к аноду. Когда напряжение на аноде отрицательно относительно катода, анод не испускает электронов, поэтому ток не может протекать от анода к катоду.
Диоды с точкой контакта
Точечные контактные диоды были разработаны, начиная с 1930-х годов, на основе ранней технологии кристаллических детекторов и в настоящее время обычно используются в диапазоне от 3 до 30 гигагерц. Точечные контактные диоды используют металлический провод небольшого диаметра, контактирующий с полупроводниковым кристаллом, и бывают двух типов: с несварным контактом и со сварным контактом. Конструкция с несварным контактом основана на принципе барьера Шоттки. Металлическая сторона представляет собой заостренный конец провода небольшого диаметра, находящегося в контакте с полупроводниковым кристаллом. В диодах со сварным контактом во время производства вокруг металлической точки в кристалле n-типа формируется небольшая p-область путем кратковременного пропускания через устройство относительно большого тока. Точечные контактные диоды, как правило, обладают более низкой емкостью, более высоким прямым сопротивлением и большей обратной утечкой по сравнению с диодами с p-n переходом.
Диод с разъединением
Диод с p–n-переходом изготавливается из кристалла полупроводника, обычно кремния, но также используются германий и арсенид галлия. В него добавляют примеси для создания области с одной стороны, содержащей отрицательные носители заряда (электроны), называемой полупроводником n-типа, и области с другой стороны, содержащей положительные носители заряда (дырки), называемой полупроводником p-типа. Когда материалы n-типа и p-типа соединяются вместе, происходит кратковременный поток электронов со стороны n на сторону p, в результате чего между ними образуется третья область, в которой отсутствуют носители заряда. Эта область называется областью обеднения, поскольку в ней нет носителей заряда (ни электронов, ни дырок). Выводы диода подключены к областям n-типа и p-типа. Граница между этими двумя областями, называемая p–n-переходом, является местом, где происходит действие диода. Когда на сторону P (анод) прикладывается достаточно высокий электрический потенциал по сравнению со стороной N (катод), это позволяет электронам течь через область обеднения со стороны n-типа на сторону p-типа. Переход не пропускает поток электронов в обратном направлении при обратном приложении потенциала, создавая, по сути, электрический обратный клапан.
Диод Schottky
Другой тип диода, диод Шоттки, формируется на основе металл-полупроводникового перехода, а не p–n перехода, что уменьшает ёмкость и повышает скорость переключения.
Характеристика тока/напряжения
Поведение полупроводникового диода в цепи определяется его вольт-амперной характеристикой. Форма этой кривой обусловлена транспортом носителей заряда через так называемый обеднённый слой или область истощения, существующую на p–n-переходе между различными полупроводниками. Когда p–n-переход впервые формируется, электроны из зоны проводимости (подвижные) в n-области диффундируют в p-область, где имеется большое количество дырок (свободных мест для электронов), с которыми электроны "рекомбинируют". При рекомбинации подвижного электрона с дыркой, и электрон, и дырка исчезают, оставляя неподвижный положительно заряженный донор (примесь) на n-стороне и отрицательно заряженный акцептор (примесь) на p-стороне. Область вокруг p–n-перехода обедняется носителями заряда и, следовательно, ведёт себя как изолятор. Однако ширина области истощения (называемая шириной обеднённого слоя) не может расти неограниченно. При каждой рекомбинации пары электрон-дырка остаётся положительно заряженный ион примеси в n-области и создаётся отрицательно заряженный ион примеси в p-области. По мере протекания рекомбинации и образования новых ионов, в обеднённой зоне развивается возрастающее электрическое поле, которое замедляет, а затем полностью останавливает рекомбинацию. В этот момент возникает "встроенный" потенциал на обеднённой зоне.
Обратная смена
Если к диоду приложить внешнее напряжение той же полярности, что и встроенный потенциал, обеднённый слой продолжает функционировать как изолятор, препятствуя значительному протеканию электрического тока (если только электронно-дырочные пары активно не генерируются в переходе, например, светом; см. фотодиод). Это явление называется обратным смещением.
Напряженность
Однако, если полярность внешнего напряжения противоположна встроенному потенциалу, рекомбинация может возобновиться, что приведет к протеканию значительного электрического тока через p–n переход (то есть значительное количество электронов и дырок рекомбинирует в области перехода). Таким образом, при приложении внешнего напряжения, превышающего по величине и противоположного по знаку встроенному напряжению, возникает ток, и диод считается "открытым", поскольку ему приложено внешнее прямое смещение. При увеличении тока прямое падение напряжения на диоде также возрастает. Для мощных диодов типичным является падение напряжения от 1 В до 1,5 В при номинальном токе. (См. также:)
Регионы, где осуществляется операция
Характеристика тока-напряжения диода может быть аппроксимирована четырьмя рабочими областями. От более низких к более высоким напряжениям смещения, это:
Breakdown: At very large reverse bias, beyond the peak inverse voltage (PIV), a process called reverse breakdown occurs that causes a large increase in current (i. e., a large number of electrons and holes are created at, and move away from the p–n junction) that usually damages the device permanently. The avalanche diode is deliberately designed for use in that manner. In the Zener diode, the concept of PIV is not applicable. A Zener diode contains a heavily doped p–n junction allowing electrons to tunnel from the valence band of the p type material to the conduction band of the n type material, such that the reverse voltage is "clamped" to a known value (called the Zener voltage), and avalanche does not occur. Both devices, however, do have a limit to the maximum current and power they can withstand in the clamped reverse voltage region. Also, following the end of forwarding conduction in any diode, there is reverse current for a short time. The device does not attain its full blocking capability until the reverse current ceases. Reverse biased: For a bias between breakdown and 0 V, the reverse current is very small. For a normal P–N rectifier diode, the reverse current through the device in the micro ampere (μA) range is very low. However, this is temperature dependent, and at sufficiently high temperatures, a substantial amount of reverse current can be observed (mA or more). There is also a tiny surface leakage current caused by electrons simply going around the diode as though it were an imperfect insulator. Forward biased: The current–voltage curve is exponential modeled by the Shockley diode equation. When the forward voltage is smaller than the barrier potential of the p n junction, this current is relatively small. However, when the forward voltage is increased above a certain value, the diode starts to conduct significantly, which gives rise to the names forward threshold voltage or cut in voltage. When plotting using a large linear current scale, this voltage level appears at the smooth "knee" of a sharp exponential rise, so it may be called the knee voltage. Note: This voltage may loosely be referred to simply as the diode's forward voltage drop (or just voltage drop, hence the label Vd in the picture), since a consequence of the steepness of the exponential is that a diode's voltage drop will not significantly exceed the threshold voltage under normal forward bias operating conditions. Datasheets typically quote a typical or maximum forward voltage (VF) for a specified current and temperature (e. g. 20 mA and 25 °C for LEDs), so the user has a guarantee about where in the knee a certain amount of current will kick in. Leveling off: At larger forward currents the current–voltage curve starts to be dominated by the ohmic resistance of the bulk semiconductor. The curve is no longer exponential, it is asymptotic to a straight line whose slope is the bulk resistance. This region is particularly important for power diodes and can be modeled by a Shockley ideal diode in series with a fixed resistor.
Пробой: При очень большом обратном смещении, превышающем пиковое обратное напряжение (PIV), происходит процесс, называемый обратным пробоем, который вызывает резкое увеличение тока (то есть, создается большое количество электронов и дырок в области p–n перехода и они удаляются от него), что обычно приводит к необратимому повреждению устройства. Аваланшный диод специально разработан для работы в таком режиме. Для диода Зенера понятие PIV неприменимо. Диод Зенера содержит сильно легированный p–n переход, позволяющий электронам туннелировать из валентной зоны материала p-типа в зону проводимости материала n-типа, в результате чего обратное напряжение "ограничивается" до известного значения (называемого напряжением Зенера), и лавинный пробой не возникает. Однако оба устройства имеют предел по максимальному току и мощности, которые они могут выдержать в области ограниченного обратного напряжения. Кроме того, после прекращения прямого проведения тока в любом диоде, в течение короткого времени наблюдается обратный ток. Устройство не достигает полной запирающей способности, пока обратный ток не прекратится.
Breakdown: At very large reverse bias, beyond the peak inverse voltage (PIV), a process called reverse breakdown occurs that causes a large increase in current (i. e., a large number of electrons and holes are created at, and move away from the p–n junction) that usually damages the device permanently. The avalanche diode is deliberately designed for use in that manner. In the Zener diode, the concept of PIV is not applicable. A Zener diode contains a heavily doped p–n junction allowing electrons to tunnel from the valence band of the p type material to the conduction band of the n type material, such that the reverse voltage is "clamped" to a known value (called the Zener voltage), and avalanche does not occur. Both devices, however, do have a limit to the maximum current and power they can withstand in the clamped reverse voltage region. Also, following the end of forwarding conduction in any diode, there is reverse current for a short time. The device does not attain its full blocking capability until the reverse current ceases. Reverse biased: For a bias between breakdown and 0 V, the reverse current is very small. For a normal P–N rectifier diode, the reverse current through the device in the micro ampere (μA) range is very low. However, this is temperature dependent, and at sufficiently high temperatures, a substantial amount of reverse current can be observed (mA or more). There is also a tiny surface leakage current caused by electrons simply going around the diode as though it were an imperfect insulator. Forward biased: The current–voltage curve is exponential modeled by the Shockley diode equation. When the forward voltage is smaller than the barrier potential of the p n junction, this current is relatively small. However, when the forward voltage is increased above a certain value, the diode starts to conduct significantly, which gives rise to the names forward threshold voltage or cut in voltage. When plotting using a large linear current scale, this voltage level appears at the smooth "knee" of a sharp exponential rise, so it may be called the knee voltage. Note: This voltage may loosely be referred to simply as the diode's forward voltage drop (or just voltage drop, hence the label Vd in the picture), since a consequence of the steepness of the exponential is that a diode's voltage drop will not significantly exceed the threshold voltage under normal forward bias operating conditions. Datasheets typically quote a typical or maximum forward voltage (VF) for a specified current and temperature (e. g. 20 mA and 25 °C for LEDs), so the user has a guarantee about where in the knee a certain amount of current will kick in. Leveling off: At larger forward currents the current–voltage curve starts to be dominated by the ohmic resistance of the bulk semiconductor. The curve is no longer exponential, it is asymptotic to a straight line whose slope is the bulk resistance. This region is particularly important for power diodes and can be modeled by a Shockley ideal diode in series with a fixed resistor.
Обратное смещение: При смещении в диапазоне от пробоя до 0 В обратный ток очень мал. Для обычного выпрямительного диода ток в обратном направлении обычно составляет доли микроампера (μA). Однако он зависит от температуры, и при достаточно высоких температурах может наблюдаться значительный обратный ток (mA и более). Также существует небольшой поверхностный ток утечки, вызванный электронами, огибающими диод, как если бы он был несовершенным изолятором.
Breakdown: At very large reverse bias, beyond the peak inverse voltage (PIV), a process called reverse breakdown occurs that causes a large increase in current (i. e., a large number of electrons and holes are created at, and move away from the p–n junction) that usually damages the device permanently. The avalanche diode is deliberately designed for use in that manner. In the Zener diode, the concept of PIV is not applicable. A Zener diode contains a heavily doped p–n junction allowing electrons to tunnel from the valence band of the p type material to the conduction band of the n type material, such that the reverse voltage is "clamped" to a known value (called the Zener voltage), and avalanche does not occur. Both devices, however, do have a limit to the maximum current and power they can withstand in the clamped reverse voltage region. Also, following the end of forwarding conduction in any diode, there is reverse current for a short time. The device does not attain its full blocking capability until the reverse current ceases. Reverse biased: For a bias between breakdown and 0 V, the reverse current is very small. For a normal P–N rectifier diode, the reverse current through the device in the micro ampere (μA) range is very low. However, this is temperature dependent, and at sufficiently high temperatures, a substantial amount of reverse current can be observed (mA or more). There is also a tiny surface leakage current caused by electrons simply going around the diode as though it were an imperfect insulator. Forward biased: The current–voltage curve is exponential modeled by the Shockley diode equation. When the forward voltage is smaller than the barrier potential of the p n junction, this current is relatively small. However, when the forward voltage is increased above a certain value, the diode starts to conduct significantly, which gives rise to the names forward threshold voltage or cut in voltage. When plotting using a large linear current scale, this voltage level appears at the smooth "knee" of a sharp exponential rise, so it may be called the knee voltage. Note: This voltage may loosely be referred to simply as the diode's forward voltage drop (or just voltage drop, hence the label Vd in the picture), since a consequence of the steepness of the exponential is that a diode's voltage drop will not significantly exceed the threshold voltage under normal forward bias operating conditions. Datasheets typically quote a typical or maximum forward voltage (VF) for a specified current and temperature (e. g. 20 mA and 25 °C for LEDs), so the user has a guarantee about where in the knee a certain amount of current will kick in. Leveling off: At larger forward currents the current–voltage curve starts to be dominated by the ohmic resistance of the bulk semiconductor. The curve is no longer exponential, it is asymptotic to a straight line whose slope is the bulk resistance. This region is particularly important for power diodes and can be modeled by a Shockley ideal diode in series with a fixed resistor.
Прямое смещение: Кривая тока-напряжения описывается экспоненциальной функцией, задаваемой уравнением диода Шокли. Когда прямое напряжение меньше барьерного потенциала p–n перехода, ток относительно мал. Однако, когда прямое напряжение превышает определенное значение, диод начинает проводить ток значительно, что приводит к понятию порогового прямого напряжения или напряжения включения. При построении графика с использованием линейной шкалы тока с большим масштабом, это напряжение проявляется как гладкое "колено" на крутом экспоненциальном подъеме, поэтому его также называют напряжением колена. Примечание: Это напряжение можно условно называть прямым падением напряжения на диоде (или просто падением напряжения, отсюда обозначение Vd на рисунке), поскольку крутизна экспоненты означает, что падение напряжения на диоде не будет существенно превышать пороговое напряжение при нормальных условиях работы в прямом направлении. В технических характеристиках обычно указывается типичное или максимальное прямое напряжение (VF) для заданного тока и температуры (например, 20 мА и 25 °C для светодиодов), чтобы пользователь имел гарантию, при каком значении тока начнется проведение в области колена.
Breakdown: At very large reverse bias, beyond the peak inverse voltage (PIV), a process called reverse breakdown occurs that causes a large increase in current (i. e., a large number of electrons and holes are created at, and move away from the p–n junction) that usually damages the device permanently. The avalanche diode is deliberately designed for use in that manner. In the Zener diode, the concept of PIV is not applicable. A Zener diode contains a heavily doped p–n junction allowing electrons to tunnel from the valence band of the p type material to the conduction band of the n type material, such that the reverse voltage is "clamped" to a known value (called the Zener voltage), and avalanche does not occur. Both devices, however, do have a limit to the maximum current and power they can withstand in the clamped reverse voltage region. Also, following the end of forwarding conduction in any diode, there is reverse current for a short time. The device does not attain its full blocking capability until the reverse current ceases. Reverse biased: For a bias between breakdown and 0 V, the reverse current is very small. For a normal P–N rectifier diode, the reverse current through the device in the micro ampere (μA) range is very low. However, this is temperature dependent, and at sufficiently high temperatures, a substantial amount of reverse current can be observed (mA or more). There is also a tiny surface leakage current caused by electrons simply going around the diode as though it were an imperfect insulator. Forward biased: The current–voltage curve is exponential modeled by the Shockley diode equation. When the forward voltage is smaller than the barrier potential of the p n junction, this current is relatively small. However, when the forward voltage is increased above a certain value, the diode starts to conduct significantly, which gives rise to the names forward threshold voltage or cut in voltage. When plotting using a large linear current scale, this voltage level appears at the smooth "knee" of a sharp exponential rise, so it may be called the knee voltage. Note: This voltage may loosely be referred to simply as the diode's forward voltage drop (or just voltage drop, hence the label Vd in the picture), since a consequence of the steepness of the exponential is that a diode's voltage drop will not significantly exceed the threshold voltage under normal forward bias operating conditions. Datasheets typically quote a typical or maximum forward voltage (VF) for a specified current and temperature (e. g. 20 mA and 25 °C for LEDs), so the user has a guarantee about where in the knee a certain amount of current will kick in. Leveling off: At larger forward currents the current–voltage curve starts to be dominated by the ohmic resistance of the bulk semiconductor. The curve is no longer exponential, it is asymptotic to a straight line whose slope is the bulk resistance. This region is particularly important for power diodes and can be modeled by a Shockley ideal diode in series with a fixed resistor.
Выравнивание: При больших прямых токах кривая тока-напряжения начинает определяться омическим сопротивлением объемного полупроводника. Кривая перестает быть экспоненциальной и становится асимптотически приближенной к прямой линии, наклон которой равен объемному сопротивлению. Эта область особенно важна для силовых диодов и может быть смоделирована идеальным диодом Шокли, включенным последовательно с фиксированным резистором.
Breakdown: At very large reverse bias, beyond the peak inverse voltage (PIV), a process called reverse breakdown occurs that causes a large increase in current (i. e., a large number of electrons and holes are created at, and move away from the p–n junction) that usually damages the device permanently. The avalanche diode is deliberately designed for use in that manner. In the Zener diode, the concept of PIV is not applicable. A Zener diode contains a heavily doped p–n junction allowing electrons to tunnel from the valence band of the p type material to the conduction band of the n type material, such that the reverse voltage is "clamped" to a known value (called the Zener voltage), and avalanche does not occur. Both devices, however, do have a limit to the maximum current and power they can withstand in the clamped reverse voltage region. Also, following the end of forwarding conduction in any diode, there is reverse current for a short time. The device does not attain its full blocking capability until the reverse current ceases. Reverse biased: For a bias between breakdown and 0 V, the reverse current is very small. For a normal P–N rectifier diode, the reverse current through the device in the micro ampere (μA) range is very low. However, this is temperature dependent, and at sufficiently high temperatures, a substantial amount of reverse current can be observed (mA or more). There is also a tiny surface leakage current caused by electrons simply going around the diode as though it were an imperfect insulator. Forward biased: The current–voltage curve is exponential modeled by the Shockley diode equation. When the forward voltage is smaller than the barrier potential of the p n junction, this current is relatively small. However, when the forward voltage is increased above a certain value, the diode starts to conduct significantly, which gives rise to the names forward threshold voltage or cut in voltage. When plotting using a large linear current scale, this voltage level appears at the smooth "knee" of a sharp exponential rise, so it may be called the knee voltage. Note: This voltage may loosely be referred to simply as the diode's forward voltage drop (or just voltage drop, hence the label Vd in the picture), since a consequence of the steepness of the exponential is that a diode's voltage drop will not significantly exceed the threshold voltage under normal forward bias operating conditions. Datasheets typically quote a typical or maximum forward voltage (VF) for a specified current and temperature (e. g. 20 mA and 25 °C for LEDs), so the user has a guarantee about where in the knee a certain amount of current will kick in. Leveling off: At larger forward currents the current–voltage curve starts to be dominated by the ohmic resistance of the bulk semiconductor. The curve is no longer exponential, it is asymptotic to a straight line whose slope is the bulk resistance. This region is particularly important for power diodes and can be modeled by a Shockley ideal diode in series with a fixed resistor.
Уравнение диода Шокли
Уравнение идеального диода Шокли, или закон диода (названный в честь соизобретателя биполярного транзистора Уильяма Брэдфорда Шокли), описывает экспоненциальную зависимость тока от напряжения (I–V) диодов при умеренном прямом или обратном смещении. Подробности приведены в статье «Уравнение диода Шокли».
Поведение малого сигнала
При прямых напряжениях, меньших, чем напряжение насыщения, вольт-амперная характеристика большинства диодов не является линейной. Ток можно приближенно рассчитать, как описано в статье о диодном уравнении Шокли. В схемах детекторов и смесителей ток можно оценить с помощью ряда Тейлора. Нечетные члены ряда можно опустить, поскольку они создают частотные компоненты, выходящие за пределы полосы пропускания смесителя или детектора. Четные члены, высшие, чем вторая производная, обычно не требуется учитывать, так как они малы по сравнению со членом второго порядка. Для удаления обратного заряда восстановления Qr из диода может потребоваться определенное время обратного восстановления tr (порядка от десятков наносекунд до нескольких микросекунд). В течение этого времени восстановления диод фактически может проводить ток в обратном направлении. Это может привести к возникновению значительного обратного тока на короткое время, пока диод находится под обратным смещением. Величина этого обратного тока определяется рабочей схемой (то есть последовательным сопротивлением), и диод находится в фазе хранения. В некоторых практических случаях важно учитывать потери, вызванные этим неидеальным эффектом диода. Однако, когда скорость изменения тока невелика (например, при сетевой частоте), этот эффект можно безопасно игнорировать. Для большинства применений этот эффект также незначителен для диодов Шоттки. Обратный ток резко прекращается, когда накопленный заряд исчерпан; эта резкая остановка используется в диодах быстрого восстановления для генерации чрезвычайно коротких импульсов.
Графические символы
Символ, используемый для обозначения конкретного типа диода на электрической схеме, сообщает читателю общую электрическую функцию этого диода. Для некоторых типов диодов существуют альтернативные символы, однако различия между ними незначительны. Треугольник в символе указывает направление прямого смещения, то есть направление, соответствующее направлению условного тока.
ОВОС/СЕВЭС
Стандартная система нумерации серии 1N, соответствующая стандарту EIA370, была введена в США организацией EIA/JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council) примерно в 1960 году. Большинство диодов имеют обозначение, начинающееся с префикса 1 (например, 1N4003). Среди наиболее популярных в этой серии были: 1N34A/1N270 (германиевые сигнальные диоды), 1N914/1N4148 (силиконовые сигнальные диоды), 1N400x (силиконовые выпрямители на 1A) и 1N580x (силиконовые выпрямители на 3A).
JIS
В системе обозначений полупроводников JIS все обозначения полупроводниковых диодов начинаются с "1S".
Радиодемодуляция
Первым применением диода стала демодуляция амплитудно-модулированных (AM) радиовещаний. История этого открытия подробно описана в статье о кристаллическом детекторе. Вкратце, AM-сигнал состоит из чередующихся положительных и отрицательных пиков радиочастотной несущей волны, амплитуда или огибающая которой пропорциональна исходному аудиосигналу. Диод выпрямляет AM-радиочастотный сигнал, оставляя только положительные пики несущей волны. Затем аудиосигнал извлекается из выпрямленной несущей волны с помощью простого фильтра и подается в аудиоусилитель или преобразователь, который генерирует звуковые волны через динамик. В микроволновой и миллиметровой волновой технике, начиная с 1930-х годов, исследователи совершенствовали и миниатюризировали кристаллический детектор. Точечные контактные диоды (кристаллические диоды) и диоды Шоттки используются в радарах, микроволновых и миллиметровых детекторах, а также в криогенном датчике температуры CY7.
Рулевое управление
Диоды предотвращают протекание тока в нежелательном направлении. Для обеспечения питания электрической цепи во время отключения электроэнергии, цепь может потреблять ток от аккумулятора. Источник бесперебойного питания может использовать диоды таким образом, чтобы ток от аккумулятора потреблялся только при необходимости. Аналогично, небольшие лодки обычно имеют две цепи, каждая со своим аккумулятором или аккумуляторами: одна для запуска двигателя, другая для бытовых нужд. Обычно оба аккумулятора заряжаются от одного генератора, и используется мощный разделительный диод, чтобы предотвратить разряд аккумулятора с более высоким уровнем заряда (обычно стартерного аккумулятора) через аккумулятор с более низким уровнем заряда, когда генератор не работает. Диоды также используются в электронных музыкальных клавиатурах. Чтобы уменьшить количество проводки, необходимой в электронных музыкальных клавиатурах, эти инструменты часто используют матричные схемы клавиатуры. Контроллер клавиатуры сканирует строки и столбцы, чтобы определить, какую ноту нажал исполнитель. Проблема матричных схем заключается в том, что при одновременном нажатии нескольких нот ток может протекать в обратном направлении по цепи, вызывая срабатывание "ложных клавиш" и воспроизведение "фантомных" нот. Чтобы избежать воспроизведения нежелательных нот, большинство матричных схем клавиатуры имеют диоды, припаянные к переключателю под каждой клавишей музыкальной клавиатуры. Тот же принцип используется и для матриц переключателей в твердотельных пинбольных автоматах.
Волнообразная клиппер
Диоды могут использоваться для ограничения положительных или отрицательных отклонений сигнала до заданного напряжения.
Клеммер
Схема диодного зажима может принимать периодический сигнал переменного тока, колеблющийся между положительными и отрицательными значениями, и вертикально сдвигать его так, чтобы либо положительные, либо отрицательные пики оказались на заданном уровне. Зажим не ограничивает размах сигнала между пиками, а перемещает весь сигнал вверх или вниз, чтобы установить пики на уровне опорной точки.
Вычисление экспоненциалов и логарифмов
Экспоненциальная зависимость тока от напряжения диода используется для вычисления возведения в степень и его обратной функции – логарифма, с помощью аналоговых сигналов напряжения (см.).
Сокращения
Диоды обычно обозначаются как D на печатных платах. Иногда используется аббревиатура CR, обозначающая кристаллический диод.