Принцип действия диода: устройство и вольт-амперная характеристика

Что такое диод

Полупроводниковый диод или просто диод — это радиоэлемент, пропускающий электрический ток только в одном направлении и блокирующий его прохождение в другом направлении. По аналогии с гидравликой диод можно сравнить с обратным клапаном: устройством, позволяющим жидкости течь только в одном направлении.

обратный клапан

Диод – это радиоэлемент с двумя выводами. Некоторые диоды выглядят почти так же, как резисторы:

А некоторые выглядят немного иначе:

Также существует SMD версия диодов:

Выводы диода называются анодом и катодом. Некоторые ошибочно называют их «больше» и «меньше». Это неправда. Так нельзя говорить.

На схемах диод обозначается так

Электрический ток может проходить только от анода к катоду.

Устройство

Ниже приводится подробное описание диодного устройства, изучение данной информации необходимо для лучшего понимания принципов работы этих элементов:

1. Корпус представляет собой вакуумную бутылку, которая может быть изготовлена ​​из стекла, металла или различных прочных керамических материалов.
2. Внутри баллона находятся 2 электрода. Первый представляет собой нагреваемый катод, который предназначен для обеспечения процесса электронной эмиссии. Катод самой простой конструкции представляет собой нить накала небольшого диаметра, которая нагревается в процессе работы, но сегодня более распространены электроды с косвенным нагревом. Они представляют собой цилиндры из металла и имеют специальный активный слой, способный испускать электроны.
3. В составе непрямого нагрева катода есть специфический элемент — проволока, которая светится под действием электрического тока, его называют нагревателем.
4. Второй электрод – анод, он необходим для приема электронов, которые были выпущены катодом. Для этого он должен иметь положительный потенциал относительно второго электрода. В большинстве случаев анод также имеет цилиндрическую форму.
5. Оба электрода вакуумных приборов полностью идентичны эмиттеру и базе множества полупроводниковых элементов.
6. Для изготовления диодного кристалла чаще всего используют кремний или германий. Одна из его частей является электропроводной p-типа и лишена электронов, что образовано искусственным путем. Противоположная сторона кристалла также имеет проводимость, но она n-типа и имеет избыток электронов. Между двумя областями имеется граница, называемая pn-переходом.

Такие особенности внутреннего устройства наделяют диоды их основным свойством — способностью проводить электрический ток только в одном направлении.

Назначение

Ниже приведены основные области применения диодов, на примере которых выясняется их основное назначение:

1. Диодные мосты представляют собой 4, 6 или 12 соединенных между собой диодов, их количество зависит от типа схемы, которая может быть однофазной, трехфазной полумостовой или трехфазной полномостовой. Они выполняют функции выпрямителей, этот вариант чаще всего используется в автомобильных генераторах, так как внедрение таких мостов, а также использование с ними щеточно-коллекторных узлов значительно уменьшило габариты этого устройства и повысило его надежность. Если соединение выполнено последовательно и в одном направлении, это увеличивает минимальное напряжение, которое потребуется для отпирания всего диодного моста.
2. Диодные детекторы получаются комбинированным применением этих устройств с конденсаторами. Это необходимо, чтобы иметь возможность изолировать низкочастотную модуляцию различных модулированных сигналов, включая версию радиосигнала с амплитудной модуляцией. Такие детекторы входят в конструкцию многих бытовых потребителей, таких как телевизоры или радиоприемники.
3. Обеспечить защиту потребителей от переполюсовки при включении схемных вводов возникающими перегрузками или ключей пробоем ЭДС, возникающим при самоиндукции, возникающей при отключении индуктивной нагрузки. Для обеспечения безопасности цепей от перегрузок используется цепочка, состоящая из нескольких диодов, подключенных к шинам питания в обратном направлении. При этом вход, на который обеспечена защита, должен быть подключен к середине этой цепи. При нормальной работе схемы все диоды находятся в закрытом состоянии, но если они зафиксировали превышение входным потенциалом допустимых пределов напряжения, срабатывает один из элементов защиты. В этом случае.
4. Диодные переключатели используются для переключения высокочастотных сигналов. Управление такой системой осуществляется постоянным электрическим током, разделением высоких частот и подачей управляющего сигнала, который производится за счет индуктивности и конденсаторов.
5. Создание диодной искрозащиты. Используются обходные диодные барьеры, обеспечивающие безопасность за счет ограничения напряжения в соответствующей электрической цепи. Вместе с ними используются токоограничивающие резисторы, необходимые для ограничения показателей проходящего по сети электрического тока и повышения степени защиты.

Применение диодов в электронике сегодня очень широкое, так как без этих элементов не обходится практически ни один вид современной электронной аппаратуры.

Принцип работы

Лучшим примером полярного устройства может быть диод, представляющий собой односторонний «клапан» для электрического тока. Его принцип работы аналогичен обратному клапану, используемому в гидравлических и водопроводных системах. В идеале диод позволяет току беспрепятственно течь в одном направлении (с небольшим сопротивлением или без него) и предотвращает его протекание в другом направлении (оказывая бесконечное сопротивление).

Если в цепь с батарейкой и лампочкой поставить диод, то работа, которую он будет совершать, будет следующей:

Когда диод находится в правильном направлении, позволяющем потоку, свет включится. В противном случае диод блокирует поток электронов, подобно разомкнутой цепи, и лампочка не загорается.

Если использовать общепринятое обозначение потока в цепи, то стрелка в символе диода указывает направление потока заряда от положительного к отрицательному:

Схематически диод можно представить в виде двух полупроводниковых пластин, одна из которых имеет тип электропроводности p, а другая — тип n. На рисунке область р-типа является анодом, а область n-типа — отрицательным электродом или катодом.

Слой между n (отрицательным) и p (положительным) типами называется pn-переходом. Диод может находиться в одном из двух состояний: открытом (при хорошей проводимости) и закрытом (при плохой проводимости).

У некоторых диодов катод обозначен полосой, отличающейся от цвета корпуса.

Виды диодов

Стабилитроны

Стабилитроны — это те же диоды. Даже из названия понятно, что стабилитроны что-то стабилизируют. И они стабилизируют напряжение. Но чтобы стабилитрон выполнил стабилизацию, требуется одно условие. Их следует подключать напротив диодов. Анод отрицательный, а катод положительный. Это не странно? Но почему? Давайте узнаем. В вольт-амперной (ВАХ) характеристике диода используется положительная ветвь, прямое направление, а в стабилитроне другая часть ветви ВАХ — обратное направление.

Ниже на графике мы видим стабилитрон на 5 вольт. Как бы ни менялась сила тока, мы все равно получим 5 вольт ;-). Отлично, не так ли? Но есть и подводные камни. Сила тока не должна быть больше, чем в описании диода, иначе он выйдет из строя из-за высокой температуры — Закон Джоуля-Ленца Основным параметром стабилитрона является напряжение стабилизации (Uст). Измеряется в вольтах. На графике вы видите стабилитрон с напряжением стабилизации 5 вольт. Также есть диапазон силы тока, в котором будет работать стабилитрон — это минимальный и максимальный ток (Imin, Imax). Измеряется в амперах.

Стабилитроны выглядят точно так же, как обычные диоды:

Схемы обозначены так:

Стабисторы

Стабилитроны хорошо стабилизируют напряжения от 2 В и выше. Стабилизаторы используются для получения постоянного напряжения ниже этого предела. Легированием материала, из которого изготовлены эти приборы (кремний, селен), достигается наибольшая вертикальность прямой ветви характеристики. В этом режиме работают стабилизаторы, выдавая образцовое напряжение в диапазоне 0,5…2 В на прямой ветви вольтамперной характеристики по постоянному напряжению.

Светодиоды

Светодиоды представляют собой особый класс диодов, излучающих видимый и невидимый свет. Невидимый свет — это свет в инфракрасном или ультрафиолетовом диапазоне. Но для промышленности светодиоды с видимым светом по-прежнему играют важную роль. Они используются для вывесок, дизайна вывесок, световых баннеров, зданий, а также для освещения. Светодиоды имеют те же параметры, что и любой другой диод, но их максимальный ток обычно значительно ниже.

Предельное обратное напряжение (Uобр) может достигать 10 вольт. Максимальный ток (Imax) будет ограничен для простых светодиодов примерно до 50 мА. Чтобы светить больше. Поэтому при подключении обычного диода необходимо последовательно с ним подключить резистор. Сопротивление можно рассчитать по простой формуле, но в идеале лучше использовать переменный резистор, подобрать нужную яркость, измерить номинал переменного резистора и поставить туда постоянный резистор с таким же номиналом.

Лампы освещения из светодиодов потребляют копейки электроэнергии и стоят дешево.

Светодиодные ленты, состоящие из множества SMD-светодиодов, пользуются повышенным спросом. Они выглядят очень красиво.

На схемах светодиоды обозначаются следующим образом:

Не забывайте, что светодиоды делятся на индикаторные и осветительные. Светодиодные индикаторы имеют слабое свечение и служат для индикации любого процесса, происходящего в электронной схеме. Отличаются слабой яркостью и малым потреблением тока

Ну, светодиоды освещения — это те, что используются в ваших китайских фонарях, а также в светодиодных лампах

Светодиод является токовым устройством, то есть для правильной работы ему требуется номинальный ток, а не напряжение. При номинальном токе на светодиоде падает определенное напряжение, которое зависит от типа светодиода (номинальной мощности, цвета, температуры). Ниже приведена таблица, показывающая падение напряжения, возникающее на светодиодах разного цвета яркости при номинальном токе:

Тиристоры

Тиристоры представляют собой диоды, проводимость которых регулируется третьим выводом — управляющим электродом (УЭ). Основное применение тиристоров — управление мощной нагрузкой с помощью слабого сигнала, подаваемого на управляющий электрод. Тиристоры выглядят как диоды или транзисторы. Тиристоры имеют столько параметров, что для их описания не хватит статьи. Основным параметром является Ioc,av. — среднее значение тока, который должен протекать через тиристор в прямом направлении без ущерба для его исправности. Важным параметром является напряжение открытия тиристора — (Uу), которое прикладывается к управляющему электроду и при котором тиристор полностью открывается.

а вот так выглядят силовые тиристоры, то есть тиристоры, работающие с большим током:

На схемах триодные тиристоры выглядят так:

Существуют также разновидности тиристоров: динисторы и симисторы. Динисторы не имеют управляющего электрода и выглядят как обычный диод. Динисторы начинают пропускать через себя электрический ток при прямом соединении, когда напряжение превышает определенное значение. Симисторы такие же, как и триодные тиристоры, но при включении они пропускают через себя электрический ток в двух направлениях, поэтому их применяют в цепях переменного тока.

Диодный мост и диодные сборки

Производители также кладут несколько диодов в коробку и подключают их в определенной последовательности. Таким образом, получаются наборы диодов. Диодные мосты являются одной из разновидностей диодных сборок.

На схемах диодный мост обозначается так:

Существуют и другие типы диодов, такие как варикапы, диоды Ганна, диоды Шоттки и т д. Чтобы описать их все, нам не хватит вечности.

Диоды Шоттки

Диод Шоттки построен по схеме полупроводникового металла и не имеет обычного перехода. Благодаря этому были получены два важных свойства:

• уменьшенное прямое падение напряжения (около 0,2 В);
• повышенные рабочие частоты за счет уменьшения собственной емкости.

К недостаткам можно отнести повышенные значения обратных токов и пониженную устойчивость к уровню обратного напряжения.

Варикапы

Каждый диод имеет электрическую емкость. Обкладки конденсатора представляют собой два объемных заряда (p- и n-области полупроводников), а барьерный слой — диэлектрик. При приложении обратного напряжения этот слой расширяется и емкость уменьшается. Это свойство присуще всем диодам, но для варикапов емкость нормирована и известна для заданных пределов напряжения. Это позволяет использовать такие устройства в качестве конденсаторов переменной емкости и применять для настройки или регулировки цепей путем подачи обратного напряжения различных уровней.

Туннельные диоды

Эти устройства имеют характеристику отклонения поперечного сечения, при которой увеличение напряжения вызывает уменьшение тока. В этой области дифференциальное сопротивление отрицательно. Это свойство позволяет использовать туннельные диоды в качестве усилителей и генераторов слабых сигналов на частотах выше 30 ГГц.

Динисторы

Динистор — диодный тиристор — имеет p-n-pn-структуру и S-образную ВАХ, не проводит ток, пока приложенное напряжение не достигнет порогового уровня. После этого он включается и ведет себя как обычный диод, пока ток не упадет ниже уровня удержания. Динисторы используются в силовой электронике в качестве переключателей.

Фотодиоды

Фотодиод выполнен в корпусе с доступом видимого света к кристаллу. При облучении p-n перехода в нем возникает ЭДС. Это позволяет использовать фотодиод как источник тока (в составе солнечных батарей) или как датчик освещенности.

Диоды Ганна

Хотя диод Ганна имеет обычное условное графическое обозначение, он не является диодом в полном смысле. Потому что у него нет p-n перехода. Это устройство состоит из пластины арсенида галлия на металлической подложке.

Не вдаваясь в подробности процессов: при приложении к устройству электрического поля определенной величины возникают электрические колебания, период которых зависит от размера полупроводниковой пластины (но в определенных пределах частоту можно регулировать элементами внешними).

Диоды Ганна используются в качестве генераторов на частотах 1 ГГц и выше. Преимуществом устройства является высокочастотная стабильность, а недостатком — малая амплитуда электрических колебаний.

Магнитодиоды

Обычные диоды слабо подвержены влиянию внешних магнитных полей. Магнитодиоды имеют специальную конструкцию, повышающую чувствительность к этому эффекту. Изготовлены по штифтовой технологии с удлиненным основанием. Под действием магнитного поля сопротивление устройства в прямом направлении увеличивается, что может быть использовано для создания бесконтактных переключающих элементов, преобразователей магнитного поля и т д.

Лазерные диоды

Принцип работы лазерного диода основан на свойстве электронно-дырочной пары при рекомбинации при определенных условиях излучать монохроматическое и когерентное излучение видимого диапазона. Способы создания этих условий различны, пользователю необходимо знать только длину волны, излучаемую диодом, и его мощность.

Лавинно-пролетные диоды

Эти устройства используются в микроволновой печи. При определенных условиях в режиме лавинного пробоя в характеристике диода появляется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Это свойство ЛФД позволяет использовать их в качестве генераторов, работающих на длинах волн вплоть до миллиметрового диапазона. Там можно получить мощность не менее 1 Вт. На более низких частотах с таких диодов снимается до нескольких киловатт.

PIN-диоды

Эти диоды выполнены по штыревой технологии. Между легированными слоями полупроводников находится слой нелегированного материала. По этой причине ухудшаются выпрямительные свойства диода (при обратном напряжении рекомбинация снижается из-за отсутствия прямого контакта между p- и n-зонами). Но из-за разнесенности областей пространственного заряда паразитная емкость становится очень малой, в закрытом состоянии практически исключена утечка сигнала на высоких частотах, а pin-диоды можно использовать в ВЧ и СВЧ в качестве переключающих элементов.

Единицы измерения и маркировка

Система номенклатуры активных компонентов Pro Electron, введенная в 1966 году. В рамках этой системы диод кодируется:
Первая буква — материал полупроводника:

• А — германий (германий);
• Б — Кремний (кремний);

Вторая буква — подкласс инструментов:

• А — СВЧ диоды;
• Б — варикапы;
• Х — множители напряжения;
• А — выпрямительные диоды;
• Z — стабилитроны, например:

Результат:

• Серия AA: германиевые микроволновые диоды;
• Серия ВА: кремниевые СВЧ-диоды;
• Серия BY: кремниевые выпрямительные диоды;
• Серия BZ: кремниевые стабилитроны.

Система обозначений кодировки диодов

1-й.
Полупроводниковый материал code2-el.
Подкласс type3-el.
Серийный номер4-эл.
Письмо об изменении

А — германий	А — детектор, смешанный диод	100 — 999 бытовая техника общего назначения	Модификации прибора
Б — кремний	Б — варикап	Устройства Z10….A99 для промышленного и специального применения
С – арсенид галлия	C — маломощный, низкочастотный транзистор
R — сульфид кадмия	D — мощный низкочастотный транзистор
	Е — туннельный диод
	F — маломощный, высокочастотный транзистор
	G — несколько устройств в одном корпусе
	Н — магнитный диод
	К — Генераторы Холла
	L — мощный высокочастотный транзистор
	M — модуляторы и умножители Холла
	P — фотодиод, фототранзистор
	Q — излучающие устройства
	R — устройство, работающее в зоне неисправности
	S — переключающий транзистор малой мощности
	T — мощное диммирующее или коммутационное устройство
	U — силовой переключающий транзистор
	X — умножающий диод
	Y — мощный выпрямительный диод
	Z — стабилитрон

Цветовая маркировка диодов

Зенеровские диоды. Цветовая маркировка по системе JIS-C-7012 (Япония) Диоды и стабилитроны. Цветовая маркировка по системе JEDEC (США) Диоды. Цветовая маркировка по европейской системе PRO ELECTRON

Цвет полосы (точки)	1-й элемент	2-й элемент	1-й элемент	2-й элемент	3-й элемент	4-й элемент	5-й элемент	1-й элемент	2-й элемент	3-й элемент	4-й элемент
Золото
Серебряный
Черный		0	0	0	0	0	—	АА	Икс		0
Коричневый	а	а	а	а	а	а	К			а	а
Красный	два	два	два	два	два	два	Б	Лицензия в письмах	Да	два	два
Апельсин	3	3	3	3	3	3	С			3	3
Желтый	4	4	4	4	4	4	Д		Т	4	4
Зеленый	пять	пять	пять	пять	пять	пять	Мне		В	пять	пять
Синий	6	6	6	6	6	6	Ф		Вт	6	6
Пурпурный	7	7	7	7	7	7	ГРАММ			7	7
Серый	8	8	8	8	8	8	ЧАС		А ТАКЖЕ	8	8
Белый	9	9	9	9	9	9	Я		Z	9	9
Пример обозначения
10 вольт	1Н66	БАТ85
Второй двойной элемент указывает на запятую между цифрами
7,5 вольт	1Н237А
3,9 В	1Н1420Г

Прямое включение диода

На p-n-переход диода может влиять напряжение, подаваемое внешними источниками. Такие показатели, как величина и полярность, будут влиять на его поведение и электрический ток, проходящий через него.

Далее подробно рассмотрим вариант, в котором положительный полюс подключается к области p-типа, а отрицательный полюс — к области n-типа. В этом случае произойдет прямое включение:

1. Под действием напряжения от внешнего источника на p-n-переходе будет формироваться электрическое поле, при этом его направление будет противоположно внутреннему диффузионному полю.
2. Интенсивность поля значительно уменьшится, что вызовет сильное сужение барьерного слоя.
3. Под влиянием этих процессов значительное количество электронов сможет свободно перемещаться из p-области в n-область, а также в обратном направлении.
4. Показатели дрейфового тока при этом процессе остаются прежними, так как напрямую зависят только от количества неосновных заряженных носителей, находящихся в районе p-n-перехода.
5. Электроны имеют более высокий уровень диффузии, что приводит к инжекции неосновных носителей. Другими словами, будет увеличиваться количество дырок в n-области и фиксироваться более высокая концентрация электронов в p-области.
6. Отсутствие равновесия и повышенное количество неосновных носителей заставляют их проникать вглубь полупроводника и смешиваться с его структурой, что в конечном итоге приводит к разрушению его электрически нейтральных свойств.
7. При этом полупроводник может восстанавливать свое нейтральное состояние, это происходит за счет поступления зарядов от подключенного внешнего источника, что способствует возникновению постоянного тока во внешней электрической цепи.

Обратное включение диода

Теперь будет рассмотрен другой способ включения, при котором меняется полярность внешнего источника, от которого передается напряжение:

1. Основное отличие от прямого подключения состоит в том, что генерируемое электрическое поле будет иметь направление, полностью совпадающее с направлением поля внутренней диффузии. Следовательно, барьерный слой уже не будет сужаться, а, наоборот, расширяться.
2. Поле, расположенное на p-n переходе, будет оказывать ускоряющее воздействие на различные неосновные носители заряда, по этой причине показатели дрейфового тока останутся неизменными. Вы определите параметры результирующего тока, проходящего через p-n переход.
3. По мере увеличения обратного напряжения электрический ток, протекающий через переход, стремится достичь своего максимума. Он имеет специальное название: ток насыщения.
4. По экспоненциальному закону с постепенным повышением температуры будет увеличиваться и ток насыщения.

Прямое и обратное напряжение

Напряжение, воздействующее на диод, делится по двум критериям:

1. Прямое напряжение – это такое, при котором диод открывается и через него начинает протекать постоянный ток, при этом показатели сопротивления прибора крайне низкие.
2. Обратное напряжение – это такое, которое имеет обратную полярность и обеспечивает закрытие диода при прохождении через него обратного тока. При этом прочностные показатели аппарата начинают резко и значительно расти.

Сопротивление p-n перехода является постоянно изменяющимся показателем, в первую очередь на него влияет прямое напряжение, подаваемое непосредственно на диод. При повышении напряжения показатели сопротивления перехода будут пропорционально уменьшаться.

Это приводит к увеличению параметров прямого тока, проходящего через диод. Когда этот прибор замкнут, на него действует практически все напряжение, поэтому показатели обратного тока, проходящего через диод, незначительны, а сопротивление перехода при этом достигает максимальных параметров.

Работа диода и его вольт-амперная характеристика

Под вольт-амперной характеристикой этих приборов понимают кривую линию, показывающую зависимость электрического тока, протекающего через p-n-переход, от величины и полярности действующего на него напряжения.

Такой график можно описать следующим образом:

1. Вертикальная ось: верхняя область соответствует значениям прямого тока, нижняя область – параметрам обратного тока.
2. Горизонтальная ось: область справа предназначена для значений прямого напряжения; область слева предназначена для опций обратного напряжения.
3. Прямая ветвь ВАХ отражает электрический ток, протекающий через диод. Она направлена ​​вверх и проходит очень близко к вертикальной оси, так как представляет увеличение постоянного тока, происходящее при соответствующем увеличении напряжения.
4. Вторая (обратная) ветвь соответствует и показывает состояние замкнутого электрического тока, который также проходит через устройство. Его положение таково, что он проходит практически параллельно горизонтальной оси. Чем круче эта ветвь от вертикали, тем больше выпрямительные возможности конкретного диода.
5. По графику видно, что после увеличения прямого напряжения, протекающего через p-n-переход, происходит медленное увеличение электрического тока. Однако постепенно кривая достигает области, где заметен скачок, после чего происходит ускоренный рост ее показателей. Это связано с открытием диода и проводимостью тока при постоянном напряжении. Для приборов из германия это происходит при напряжении от 0,1 В до 0,2 В (максимальное значение 1 В), а для кремниевых элементов требуется более высокое значение от 0,5 В до 0,6 В (максимальное значение 1,5 В).
6. Указанное увеличение значений тока может привести к перегреву молекул полупроводника. Если отвод тепла, происходящий за счет естественных процессов и работы радиаторов, будет меньше уровня его выделения, то структура молекул может разрушиться, и этот процесс уже будет необратим. По этой причине необходимо ограничивать параметры постоянного тока, чтобы предотвратить перегрев полупроводникового материала. Для этого в схему добавляют специальные резисторы, имеющие последовательное соединение с диодами.
7. Рассматривая обратную ветвь, можно заметить, что если обратное напряжение, подаваемое на p-n-переход, начинает возрастать, то рост токовых параметров практически незаметен. Однако в случаях, когда напряжение достигает параметров, превышающих допустимые пределы, может произойти резкий скачок обратного тока, который приведет к перегреву полупроводника и будет способствовать последующему пробою p-n перехода.

Как определить анод и катод диода

1) у некоторых диодов катод обозначен полосой, отличающейся от цвета корпуса

2) можно проверить диод мультиметром и узнать где у него катод а где анод. Параллельно проверяйте свою работоспособность. Этот способ железный ;-). Как проверить диод мультиметром можно прочитать в этой статье.

Где анод, а где катод, очень легко запомнить, если вспомнить воронки для заливки жидкостей в узкие горлышки бутылок. Воронка очень похожа на диодную схему. Наливаем в воронку, и жидкость у нас очень хорошо бежит, а если ее перевернуть, попробуйте перелить через узкое горлышко воронки ;-).

Общая информация о полупроводниковых диодах

Следует отметить, что современные полупроводниковые диоды создаются на основе германия или селена, как и более ста лет назад. Эти материалы имеют специфическую структуру, позволяющую использовать элементы для модернизации электрических цепей и приборов, а также преобразования различных токов.

В мире существуют разные виды таких изобретений, которые отличаются материалом изготовления, принципом работы и областями применения. Особым спросом пользуются планарные и поликристаллические выпрямители, аналогичные мостам. Они взаимодействуют через два контакта.

Что касается достоинств устройств, то к ним стоит отнести:

1. 
   Полная взаимозаменяемость. Поврежденный элемент можно заменить любым другим с такими же свойствами и принципом действия. Особых требований для выбора точно такой же модели нет.
2. Высокая производительность.
3. Дешевизна и доступность. Полупроводниковые диоды продаются во всех магазинах электротоваров. Стоимость таких изделий составляет 50 рублей. Также их можно снять своими руками со схем старых устройств.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода состоит из прямой и обратной ветвей. Они расположены в квадрантах I и III, так как направление тока и напряжения через диод всегда совпадают. По вольт-амперной характеристике можно определить некоторые параметры, а также наглядно увидеть, на что влияют характеристики устройства.

Vϒ(гамма) — напряжение порога проводимости

При прямом включении напряжение на диоде должно достигать определенного порогового значения: Vϒ. Это напряжение, при котором PN-переход в полупроводнике открывается достаточно, чтобы диод начал хорошо проводить ток. Пока напряжение между анодом и катодом не достигнет этого значения, диод является очень плохим проводником. Vϒ для кремниевых приборов около 0,7 В, для германиевых около 0,3 В.

ID_MAX — максимальный ток через диод при прямом включении

При прямом подключении полупроводниковый диод может выдерживать ограниченный ток ID_MAX. Когда ток через устройство превышает этот предел, диод перегревается. В результате кристаллическая структура полупроводника разрушается и устройство приходит в негодность. Значение этой силы тока сильно варьируется в зависимости от различных типов диодов и их производителей.

IOP – обратный ток утечки

При обратном включении диод не является абсолютным изолятором и имеет конечное, хотя и очень высокое сопротивление. Это вызывает утечку обратного тока или ВГД. Ток утечки для германиевых приборов достигает до 200 мкА, для кремниевых до нескольких десятков нА. Последние высококачественные кремниевые диоды с крайне низким обратным током имеют это значение около 0,5 нА.

PIV(Peak Inverse Voltage) — Напряжение пробоя

При повторном включении диод может выдерживать ограниченное напряжение: напряжение пробоя PIV. Если внешняя разность потенциалов превышает это значение, диод резко уменьшает свое сопротивление и становится проводником. Этот эффект нежелателен, так как диод должен быть хорошим проводником только при прямом подключении. Величина напряжения пробоя зависит от различных типов диодов и их производителей.

Паразитическая емкость PN-перехода

Даже если на диод подать напряжение, намного превышающее Vϒ, он не сразу начнет проводить ток. Причиной этого является паразитная емкость PN-перехода, для заполнения которой требуется некоторое время. Это влияет на частотную характеристику устройства.

Плюсы и минусы полупроводниковых диодов

Полупроводниковые диоды имеют свои преимущества и недостатки. К первым относятся:

• доступность: элементы недорогие;
• взаимозаменяемость – в случае выхода из строя легко подобрать и установить аналогичный;
• высокая производительность;
• простой принцип работы.

Из недостатков: уязвимость к внешним воздействиям и возможным сбоям. Возможно:

• переходная пауза;
• нарушение герметичности;
• переходный тест

Однако устранить поломку и заменить устройство несложно, поэтому недостатки можно признать незначительными.

Что такое идеальный диод?

Основная задача обычного выпрямительного диода — проводить электрический ток в одном направлении и не пропускать его в обратном направлении. Поэтому идеальный диод должен быть очень хорошим проводником с нулевым сопротивлением при прямом приложении напряжения (плюс к аноду, минус к катоду) и абсолютным изолятором с бесконечным сопротивлением при обратном напряжении.

Вот как это выглядит на графике:

Такая модель диода используется в тех случаях, когда важна только логическая функция устройства. Например, в цифровой электронике.

Приближенные модели диодов

В большинстве случаев для расчетов в электронных схемах точная модель диода со всеми его характеристиками не используется. Нелинейность этой функции слишком усложняет задачу. Они предпочитают использовать так называемые приближенные модели.

Приближенная модель диода «идеальный диод + Vϒ»

Наиболее простой и широко используемой является приближенная модель первого уровня. Он состоит из идеального диода и к нему добавляется пороговое напряжение проводимости Vϒ.

Приближенная модель диода «идеальный диод + Vϒ + rD»

Иногда используется несколько более сложная и точная приближенная модель второго уровня. В этом случае к модели первого уровня добавляется внутреннее сопротивление диода, переводя его функцию из экспоненциальной в линейную.

Основные неисправности диодов

Иногда устройства такого типа выходят из строя, это может быть связано с естественным износом и старением этих элементов или по другим причинам.

Всего выделяют 3 основных вида распространенных неисправностей:

1. Пробой перехода приводит к тому, что диод вместо полупроводникового прибора становится, по существу, самым обычным проводником. В таком состоянии он теряет свои основные свойства и начинает пропускать электрический ток абсолютно в любом направлении. Такую неисправность легко обнаружить штатным мультиметром, который начинает пищать и показывает низкий уровень сопротивления в диоде.
2. При пробое происходит обратный процесс: устройство обычно перестает пропускать электрический ток в любом направлении, то есть по своей сути становится изолятором. Для точного определения обрыва необходимо использовать тестеры с качественными исправными щупами; в противном случае они могут иногда ошибочно диагностировать эту неисправность. В разновидностях легированных полупроводников такой пробой встречается крайне редко.
3. Течь, при которой нарушается герметичность корпуса устройства, в результате чего оно не может нормально функционировать.

Пробой p-n-перехода

Такие поломки возникают в ситуациях, когда показатели обратного электрического тока внезапно и резко начинают увеличиваться, это происходит из-за того, что напряжение соответствующего вида достигает недопустимо высоких значений.

Обычно они бывают нескольких видов:

1. Тепловые пробои, которые вызваны резким повышением температуры и последующим перегревом.
2. Электрические пробои, возникающие под действием тока в переходе.

График ВАХ позволяет наглядно изучить эти процессы и разницу между ними.

Электрический пробой

Последствия, вызванные электрическими неисправностями, не являются необратимыми, так как они не разрушают само стекло. Таким образом, при постепенном снижении напряжения можно восстановить все свойства и рабочие параметры диода.

При этом поломки такого типа делятся на два вида:

1. Туннелирование происходит, когда высокое напряжение проходит через плотные контакты, позволяя отдельным электронам проходить. Обычно они возникают, если в молекулах полупроводника имеется большое количество различных примесей. При таком пробое обратный ток начинает резко и быстро возрастать, а соответствующее напряжение находится на низком уровне.
2. Возможны лавинные типы пробоев из-за воздействия сильных полей, способных разгонять носители заряда до предельного уровня, тем самым удаляя у атомов некоторое количество валентных электронов, которые затем улетают в проводящую область. Это явление по своей природе похоже на лавину, из-за чего этот вид пробоя и получил свое название.

Туннельный пробой.

Разрыв туннеля происходит в результате явления туннелирования, проявляющегося в том, что при сильном электрическом поле, действующем на p-n-переход малой толщины, часть электронов проникает (просачивается) через переход из области p-типа в область p-n-перехода область n-типа без изменения ее энергии. Тонкие pn-переходы возможны только при высокой концентрации примесей в молекуле полупроводника.

В зависимости от мощности и назначения диода толщина электронно-дырочного перехода может составлять от 100 нм (нанометров) до 1 мкм (микрометров).

Туннельный разрыв характеризуется резким увеличением обратного тока при незначительном обратном напряжении, обычно несколько вольт. На этом эффекте работают туннельные диоды.

Благодаря своим свойствам туннельные диоды применяются в усилителях, генераторах синусоидальных релаксационных колебаний, коммутационных устройствах на частотах до сотен и тысяч мегагерц.

Лавинный пробой.

Лавинный пробой заключается в том, что под действием сильного электрического поля неосновные носители заряда под действием тепла на p-n-переходе разгоняются настолько, что могут вырвать из атома один из своих валентных электронов и передать его зону проводимости, образуя электронно-дырочную пару. Образовавшиеся носители заряда также начнут ускоряться и сталкиваться с другими атомами, образуя следующие электронно-дырочные пары. Процесс приобретает лавинный характер, что приводит к резкому увеличению обратного тока при практически постоянном напряжении.

Диоды, использующие эффект лавинного пробоя, применяются в мощных выпрямительных установках, применяемых в металлургической и химической промышленности, на железнодорожном транспорте, в других электротехнических изделиях, где возможно возникновение обратного напряжения выше допустимого.

Тепловой пробой

Возникновение такого пробоя может происходить по двум основным причинам: недостаточному отводу тепла и перегреву p-n перехода, возникающему из-за протекания через него электрического тока со слишком высокими скоростями.

Повышение температурного режима в переходной и соседних областях вызывает следующие последствия:

1. Нарастание колебаний атомов, составляющих кристалл.
2. Вход электронов в зону проводимости.
3. Резкое повышение температуры.
4. Разрушение и деформация кристаллической структуры.
5. Полный выход из строя и поломка всей радиодетали.