Види та класифікація діодів

Діод – електронний прилад з двома (іноді трьома) електродами, що має односторонню провідність. Електрод, підключений до позитивного полюса приладу, називають анодом, негативного - катодом. Якщо до приладу прикладена пряма напруга, він знаходиться у відкритому стані, при якому опір мало, а струм протікає безперешкодно. Якщо прикладається зворотна напруга, прилад завдяки високому опору є закритим. Зворотний струм є, але він настільки малий, що умовно приймається рівним нулю.

Загальна класифікація

Діоди поділяються на великі групи - напівпровідникові і напівпровідникові.

Ненапівпровідникові

Однією з найдавніших різновидів є лампові (електровакуумні) діоди. Вони є радіолампи з двома електродами, один з яких нагрівається ниткою розжарення. У відкритому стані з поверхні катода, що нагрівається, заряди рухаються до анода. При протилежному напрямку поля прилад перетворюється на закриту позицію і струм майже пропускає.

Ще один вид напівпровідникових приладів - газонаповнені, з яких сьогодні використовуються тільки моделі з дуговим розрядом. Газотрони (прилади з термокатодами) наповнюються інертними газами, ртутними парами чи парами інших металів. Спеціальні оксидні аноди, що використовуються в газонаповнених діодах, здатні витримувати високі навантаження струмом.

Напівпровідникові

В основі напівпровідникових пристроїв лежить принцип p-n переходу. Існує два типи напівпровідників – p-типу та n-типу. Для напівпровідників p-типу характерний надлишок позитивних зарядів, n-типу надлишок негативних зарядів (електронів).Якщо напівпровідники цих двох типів знаходяться поруч, то біля межі, що їх розділяє, розташовуються дві вузькі заряджені області, які називаються p-n переходом. Такий прилад з двома типами напівпровідників з різною домішковою провідністю (або напівпровідника та металу) та p-n-переходом називається напівпровідниковим діодом. Саме напівпровідникові діодні пристрої найбільш популярні в сучасних апаратах різного призначення. Для різних сфер застосування розроблено безліч модифікацій таких приладів.

Види діодів за розміром переходу

За розмірами та характером p-n переходу розрізняють три види приладів – площинні, точкові та мікросплавні.

Площинні деталі являють собою одну напівпровідникову пластину, в якій є дві області з різною домішковою провідністю. Найбільш популярні вироби з германію та кремнію. Переваги таких моделей - можливість експлуатації за значних прямих струмів, в умовах високої вологості. Через високу бар'єрну ємність вони можуть працювати лише з низькими частотами. Їх головні сфери застосування - випрямлячі змінного струму, що встановлюються в блоках живлення. Ці моделі називаються випрямляючими.

Точкові діоди мають вкрай малу площу p-n переходу та пристосовані для роботи з малими струмами. Називаються високочастотними, оскільки використовуються переважно для перетворення модульованих коливань значної частоти.

Мікроплавні моделі отримують шляхом сплавлення монокристалів напівпровідників p-типу та n-типу. За принципом дії такі прилади площинні, але за характеристиками вони аналогічні точковим.

Матеріали для виготовлення діодів

При виробництві діодів використовують кремній, германій, арсенід галію, фосфід індію, селен.Найбільш поширеними є перші три матеріали.

Очищений кремній – відносно недорогий і простий у обробці матеріал, що має найбільш широке поширення. Кремнієві діоди є чудовими моделями загального призначення. Їх напруга усунення – 0,7 У. У германієвих діодах ця величина становить 0,3 У. Німеччин – більш рідкісний і дорогий матеріал. Тому германієві прилади використовуються в тих випадках, коли кремнієві пристрої не можуть ефективно впоратися з технічним завданням, наприклад малопотужних і прецизійних електроланцюжках.

Види діодів за частотним діапазоном

За робочою частотою діоди поділяються на:

• низькочастотні – до 1 кГц;
• високочастотні та надвисокочастотні – до 600 мГц, на таких частотах переважно використовуються пристрої точкового виконання; ємність переходу має бути невисокою – не більше 1-2 пФ; ефективні у широкому діапазоні частот, у тому числі низькочастотному, тому є універсальними;
• імпульсні діоди застосовують у ланцюгах, у яких важливим чинником є ​​висока швидкодія. За технологією виготовлення такі моделі поділяють на точкові, сплавні, зварні, дифузні.

Види діодів за типом конструкції

Стабілітрони (діоди Зенера)

Стабілітрони (діоди Зенера) здатні зберігати робочі характеристики в режимі електричного пробою. У низьковольтних пристроях (напруга до 5,7 В) використовується тунельний пробій, високовольтних - лавинний. Стабілізацію невисоких напруг забезпечують стабистори.

Стабистори

Стабістор, або нормістор, - це напівпровідниковий діод, в якому для стабілізації напруги використовується пряма гілка вольт-амперної характеристики (тобто в області прямого зміщення напруга на стабістор слабо залежить від струму).Відмінною рисою стабісторів у порівнянні зі стабілітронами є менша напруга стабілізації (приблизно 0,7-2 V).

Діоди Шоттки

Діоди Шоттки - пристрої, що застосовуються як випрямні, помножувальні, настроювальні, працюють на базі контакту метал-напівпровідник. Конструктивно вони є пластинами з низькоомного кремнію, на які наноситься високоомна плівка з тим же типом провідності. На плівку вакуумним способом напилюється металевий шар.

Варикапи

Варикапи виконують функції ємності, величина якої змінюється із зміною напруги. Основна характеристика цього приладу – вольт-фарадна.

Тунельні діоди

Ці напівпровідникові діоди мають падаючу ділянку на вольтамперній характеристиці, що виникає через тунельний ефект. Модифікація тунельного пристрою – звернений діод, у якому гілка негативного опору виражена мало чи відсутня. Зворотна гілка зверненого діода відповідає прямій гілки традиційного діодного пристрою.

Тиристори

На відміну від звичайного діода, тиристор, крім анода та катода, має третій електрод, що управляє. Для цих моделей характерні два стійкі стани – відкритий та закритий. По устрою ці деталі поділяють на диністори, триністори, симістори. При виробництві цих виробів переважно використовується кремній.

Симистори

Симистори (симетричні тиристори) – це різновид тиристора, що використовується для комутації в ланцюгах змінного струму. На відміну від тиристора, що має катод і анод, основні (силові) висновки симістора називати катодом або анодом некоректно, тому що в силу структури симістор вони є тим і іншим одночасно.Симистор залишається відкритим, поки струм, що протікає через основні висновки, перевищує деяку величину, звану струмом утримання.

Діністори

Диністором, або діодним тиристором, називається пристрій, що не містить електродів, що управляють. Натомість вони управляються напругою, прикладеною між основними електродами. Їхнє основне застосування - управління потужним навантаженням за допомогою слабких сигналів. Також динистори використовують при виготовленні перемикаючих пристроїв.

Діодні мости

Діодні мости – це 4, 6 чи 12 діодів, які з'єднуються між собою. Число діодних елементів визначається типом схеми, яка буває - однофазної, трифазної, повно-або напівмостової. Мости виконують функцію випрямлення струму. Часто використовують у автомобільних генераторах.

Фотодіоди

Призначені для перетворення світлової енергії на електричний сигнал. За принципом роботи аналогічні до сонячних батарей.

Світлодіоди

Ці пристрої під час підключення до електричного струму випромінюють світло. Світлодіоди, що мають широку кольорову гаму свічення та потужність, застосовуються як індикатори в різних приладах, випромінювачів світла в оптронах, використовуються в мобільних телефонах для підсвічування клавіатури. Прилади високої потужності затребувані як сучасні джерела світла у ліхтарях.

Інфрачервоні діоди

Інфрачервоні діоди – це різновид світлодіодів, що випромінює світло в інфрачервоному діапазоні. Застосовується в безкабельних лініях зв'язку, КВП, апаратах дистанційного керування, камерах відеоспостереження для огляду території в нічний час доби. Інфрачервоні випромінюючі пристрої генерують світло в діапазоні, яке не доступне людському погляду. Виявити його можна за допомогою фотокамери мобільного телефону.

Діоди Ганна

Цей різновид надчастотних діодів виготовляється з напівпровідникового матеріалу зі складною структурою зони провідності. Зазвичай під час виробництва цих пристроїв використовується арсенід галію електронної провідності. У цьому приладі немає p-n переходу, тобто характеристики пристрою є власними, а не з'єднання, що виникають на межі двох різних напівпровідників.

Магнітодіоди

У таких приладах ВАХ змінюється під впливом магнітного поля. Пристрої використовуються у безконтактних кнопках, призначених для введення інформації, датчиках руху, приладах контролю та вимірювання неелектричних величин.

Лазерні діоди

Ці пристрої, що мають складну структуру кристала та складний принцип дії, дають рідкісну можливість генерувати лазерний промінь у побутових умовах. Завдяки високій оптичній потужності та широким функціональним можливостям, прилади ефективні у високоточних вимірювальних приладах побутового, медичного, наукового застосування.

Лавинні та лавинно-прогонові діоди

Принцип дії пристроїв полягає в лавинному розмноженні носіїв заряду при зворотному зміщенні p-n переходу та їх подоланні прогонового простору за певний часовий проміжок. Як вихідні матеріали використовуються арсенід галію або кремній. Прилади в основному призначаються для отримання надвисокочастотних коливань.

PIN-діоди

PIN-пристрою між p- та n-областями мають власний нелегований напівпровідник (i-область). Широка нелегована область не дозволяє використовувати цей прилад як випрямляч. Проте натомість PIN-діоди широко застосовуються як змішувальні, детекторні, параметричні, перемикальні, обмежувальні, настроювальні, генераторні.

Тріоди

Тріоди – це електронні лампи.Він має три електроди: термоелектронний катод (прямого або непрямого розжарення), анод і сітку, що управляє. Сьогодні тріоди практично повністю витіснені напівпровідниковими транзисторами. Виняток становлять області, де потрібно перетворення сигналів із частотою порядку сотень МГц – ГГц високої потужності при невеликій кількості активних компонентів, а габарити і маса немає великого значення.

Області застосування діодів

Сучасні виробники пропонують широкий асортимент діодів адаптованих для конкретних областей застосування.

Випрямлювальні діоди

Випрямні діоди служать для випрямлення синусоїди змінного струму. Їх принцип дії ґрунтується на властивості пристрою переходити в закритий стан при зворотному зміщенні. В результаті роботи діодного приладу відбувається зрізання негативних напівхвиль синусоїди струму. За потужністю розсіювання, яка залежить від максимального дозволеного прямого струму, діоди випрямляють ділять на три типи - малопотужні, середньої потужності, потужні.

• Слаботкові діоди можуть використовуватися в ланцюгах, у яких величина струму не перевищує 0,3 А. Вироби відрізняються малою масою та компактними габаритами, оскільки їх корпус виготовляється з полімерних матеріалів.
• Діоди середньої потужності можуть працювати в діапазоні струмів 03-100 А. У більшості випадків вони мають металевий корпус та жорсткі висновки. Виробляють їх переважно з очищеного кремнію. З боку катода виготовляється різьблення для фіксації на тепловідвідному радіаторі.
• Потужні (силові) діоди працюють у ланцюгах зі струмом понад 10 А. Їхні корпуси виготовляють з металокераміки та металостекла. Конструктивне виконання – штире або таблеткове. Виробники пропонують моделі, розраховані на струми до 100 000 А та напругу до 6 кВ.Виготовляються в основному із кремнію.

Діодні детектори

Такі пристрої одержують комбінацією у схемі діодів з конденсаторами. Вони призначені виділення низьких частот з модульованих сигналів. Присутні у більшості апаратів побутового застосування – радіоприймачі та телевізори. Як детектори випромінювання використовуються фотодіоди, що перетворюють світло, що потрапляє на світлочутливу область, електричний сигнал.

Обмежувальні пристрої

Захист від перевантаження забезпечує ланцюжок з декількох діодів, які підключають до шин, що живлять, у зворотному напрямку. За умови дотримання стандартного робочого режиму всі діоди закриті. Однак при виході напруги понад допустиме призначення спрацьовує один із захисних елементів.

Діодні перемикачі

Перемикачі, що є комбінацією діодів, які застосовуються для миттєвого зміни високочастотних сигналів. Така система керується постійним електричним струмом. Високочастотний та керуючі сигнали поділяють за допомогою конденсаторів та індуктивностей.

Діодний іскрозахист

Ефективний іскрозахист створюють за допомогою комбінування шунт-діодного бар'єру, що обмежує напругу з струмообмежувальними резисторами.

Параметричні діоди

Використовуються в параметричних підсилювачах, які є резонансними підвидом регенеративних підсилювачів. Принцип роботи заснований на фізичному ефекті, який полягає в тому, що при надходженні на нелінійну ємність різночастотних сигналів частину потужності одного сигналу можна направити на зростання потужності іншого сигналу. Елементом, призначеним для утримання нелінійної ємності, є параметричний діод.

Змішувальні діоди

Змішувальні пристрої використовуються для трансформації надвисокочастотних сигналів в сигнали проміжної частоти. Трансформація сигналів здійснюється завдяки нелінійності параметрів змішувального діода.

Помножувальні діоди

Ці НВЧ-пристрої використовуються в помножувачах частоти. Вони можуть працювати в дециметровому, сантиметровому, міліметровому діапазонах довжин хвиль.

Настроювальні діоди

Принцип роботи настроювальних діодів заснований на залежності бар'єрної ємності p-n переходу від величини зворотної напруги.

Генераторні діоди

Для генерації сигналів у надвисокочастотному діапазоні затребувані пристрої двох основних типів – лавинно-прогонові та діоди Ганна.

Маркування діодів

Маркування напівпровідникових діодних пристроїв включає цифри та літери/

• Перша буква характеризує вихідний матеріал. Наприклад, К – кремній, Г – германій, А – арсенід галію, І – фосфід індію.
• Друга буква – клас чи група діода.
• Третій елемент, зазвичай цифровий, означає застосування та електричні властивості моделі.
• Четвертий елемент – літерний (від А до Я), що означає варіант розробки.

Приклад: КД202К - кремнієвий дифузійний випрямний діод.