stringtranslate.com

Диод

Различные полупроводниковые диоды. Слева: мостовой выпрямитель с четырьмя диодами . Рядом с ним находится сигнальный диод 1N4148 . Справа — стабилитрон . В большинстве диодов белая или черная полоса обозначает катод , в который будут поступать электроны, когда диод проводит ток. Поток электронов — это обратный поток обычного тока . [1] [2] [3]

Диод — это двухконтактный электронный компонент , который проводит ток в основном в одном направлении (асимметричная проводимость ). Он имеет низкое (в идеале нулевое) сопротивление в одном направлении и высокое (в идеале бесконечное) сопротивление в другом.

Полупроводниковый диод, наиболее часто используемый сегодня тип, представляет собой кристаллический кусок полупроводникового материала с p–n-переходом, соединенным с двумя электрическими клеммами. [4] Он имеет экспоненциальную вольт-амперную характеристику . Полупроводниковые диоды были первыми полупроводниковыми электронными устройствами . Открытие асимметричной электропроводности через контакт между кристаллическим минералом и металлом было сделано немецким физиком Фердинандом Брауном в 1874 году. Сегодня большинство диодов изготавливаются из кремния , но также используются и другие полупроводниковые материалы, такие как арсенид галлия и германий . [5]

Устаревший термоионный диод представляет собой вакуумную трубку с двумя электродами , нагретым катодом и пластиной , в которой электроны могут течь только в одном направлении — от катода к пластине.

Среди многих применений диоды встречаются в выпрямителях для преобразования переменного тока (AC) в постоянный ток (DC), демодуляции в радиоприемниках и даже могут использоваться для логики или в качестве датчиков температуры . Распространенным вариантом диода является светодиод , который используется в качестве электрического освещения и индикаторов состояния на электронных устройствах.

Основные функции

Однонаправленный ток

Наиболее распространенная функция диода — пропускать электрический ток в одном направлении (называется прямым направлением диода), блокируя его в противоположном направлении ( обратном направлении). Его гидравлическим аналогом является обратный клапан . Такое однонаправленное поведение может преобразовывать переменный ток (AC) в постоянный ток (DC), этот процесс называется выпрямлением . В качестве выпрямителей диоды могут использоваться для таких задач, как извлечение модуляции из радиосигналов в радиоприемниках .

Пороговое напряжение

Кривая прямого тока-напряжения 4 обычных диодов.

Поведение диода часто упрощенно описывают как наличие прямого порогового напряжения или напряжения включения или напряжения замыкания , выше которого наблюдается значительный ток, а ниже которого ток практически отсутствует, что зависит от состава диода:

Это напряжение можно свободно называть просто прямым падением напряжения диода или просто падением напряжения , поскольку следствием крутизны экспоненты является то, что падение напряжения диода не будет значительно превышать пороговое напряжение при нормальных рабочих условиях прямого смещения. В технических описаниях обычно указывается типичное или максимальное прямое напряжение (V F ) для указанного тока и температуры (например, 20 мА и 25  ° C для светодиодов), [6] поэтому у пользователя есть гарантия того, когда включится определенное количество тока. При более высоких токах прямое падение напряжения диода увеличивается. Например, падение от 1 В до 1,5 В является типичным при полном номинальном токе для кремниевых силовых диодов. (См. также: Выпрямитель § Падение напряжения выпрямителя )

Однако экспоненциальная вольт-амперная характеристика полупроводникового диода на самом деле более постепенная, чем это простое действие включения-выключения. [7] Хотя экспоненциальная функция может показаться имеющей определенный « колено » около этого порога при просмотре в линейном масштабе, колено — это иллюзия, которая зависит от масштаба оси y, представляющей ток. На полулогарифмическом графике (с использованием логарифмической шкалы для тока и линейной шкалы для напряжения) экспоненциальная кривая диода вместо этого выглядит скорее как прямая линия.

Поскольку прямое падение напряжения на диоде мало зависит от тока и в большей степени от температуры, этот эффект можно использовать в качестве датчика температуры или в качестве неточного источника опорного напряжения .

Обратная разбивка

Высокое сопротивление диода току, протекающему в обратном направлении, внезапно падает до низкого сопротивления, когда обратное напряжение на диоде достигает значения, называемого напряжением пробоя . Этот эффект используется для регулирования напряжения ( диоды Зенера ) или для защиты цепей от скачков высокого напряжения ( лавинные диоды ).

Другие функции

Вольт-амперную характеристику полупроводникового диода можно настроить, выбрав полупроводниковые материалы и легирующие примеси, вводимые в материалы в процессе производства. [7] Эти методы используются для создания специальных диодов, которые выполняют множество различных функций. [7] Например, для электронной настройки радио- и телевизионных приемников ( варикапы ), для генерации радиочастотных колебаний ( туннельные диоды , диоды Ганна , диоды IMPATT ) и для получения света ( светоизлучающие диоды ). Туннельные, диоды Ганна и диоды IMPATT обладают отрицательным сопротивлением , что полезно в микроволновых и коммутационных цепях.

В качестве генераторов дробового шума могут использоваться диоды, как вакуумные, так и полупроводниковые .

История

Структура вакуумного диода. Сама нить накала может быть катодом или, что более распространено (как показано здесь), использоваться для нагрева отдельной металлической трубки, которая служит катодом.

Термоэлектронные ( вакуумные ) диоды и твердотельные (полупроводниковые) диоды были разработаны отдельно, примерно в одно и то же время, в начале 1900-х годов, как детекторы радиоприемников . [8] До 1950-х годов вакуумные диоды чаще использовались в радиоприемниках, поскольку ранние точечные полупроводниковые диоды были менее стабильны. Кроме того, большинство приемных устройств имели вакуумные лампы для усиления, которые могли легко включать термоэлектронные диоды в трубку (например, двойной диодный триод 12SQ7 ), а выпрямители на вакуумных лампах и газонаполненные выпрямители были способны справляться с некоторыми задачами высоковольтного/сильного выпрямления лучше, чем полупроводниковые диоды (например, селеновые выпрямители ), которые были доступны в то время.

В 1873 году Фредерик Гатри заметил, что заземленный, раскаленный добела металлический шар, поднесенный в непосредственной близости от электроскопа, будет разряжать положительно заряженный электроскоп, но не отрицательно заряженный электроскоп. [9] [10] В 1880 году Томас Эдисон наблюдал однонаправленный ток между нагретыми и ненагретыми элементами в лампочке, позже названный эффектом Эдисона , и получил патент на применение этого явления для использования в вольтметре постоянного тока . [11] [12] Примерно 20 лет спустя Джон Амброуз Флеминг (научный консультант компании Marconi и бывший сотрудник Эдисона) понял, что эффект Эдисона можно использовать в качестве радиодетектора . Флеминг запатентовал первый настоящий термоионный диод, клапан Флеминга , в Великобритании 16 ноября 1904 года [13] (за которым последовал патент США 803,684 в ноябре 1905 года). На протяжении всей эпохи электронных ламп, ламповые диоды использовались практически во всех электронных устройствах, таких как радио, телевизоры, звуковые системы и приборы. Они медленно теряли долю рынка, начиная с конца 1940-х годов из-за технологии селеновых выпрямителей, а затем полупроводниковых диодов в 1960-х годах. Сегодня они все еще используются в нескольких мощных приложениях, где их способность выдерживать переходные напряжения и их надежность дает им преимущество перед полупроводниковыми устройствами, а также в музыкальных инструментах и ​​аудиофильских приложениях.

В 1874 году немецкий ученый Карл Фердинанд Браун открыл «одностороннюю проводимость» через контакт между металлом и минералом . [14] [15] Индийский ученый Джагадиш Чандра Бозе был первым, кто использовал кристалл для обнаружения радиоволн в 1894 году. [16] Кристаллический детектор был разработан в практическое устройство для беспроводной телеграфии Гринлифом Уиттьером Пикардом , который изобрел кремниевый кристаллический детектор в 1903 году и получил патент на него 20 ноября 1906 года. [17] Другие экспериментаторы пробовали использовать в качестве детекторов множество других минералов. Принципы полупроводников были неизвестны разработчикам этих ранних выпрямителей. В 1930-х годах понимание физики продвинулось вперед, и в середине 1930-х годов исследователи из Bell Telephone Laboratories осознали потенциал кристаллического детектора для применения в микроволновой технологии. [18] Исследователи из Bell Labs , Western Electric , MIT , Purdue и Великобритании интенсивно разрабатывали точечно-контактные диоды ( кристаллические выпрямители или кристаллические диоды ) во время Второй мировой войны для применения в радарах. [18] После Второй мировой войны AT&T использовала их в своих микроволновых башнях, которые пересекали Соединенные Штаты, и многие радары используют их даже в 21 веке. В 1946 году Sylvania начала предлагать кристаллический диод 1N34. [19] [20] [21] В начале 1950-х годов были разработаны плоскостные диоды.

В 2022 году был реализован первый эффект сверхпроводящего диода без внешнего магнитного поля . [22]

Этимология

Во время их изобретения асимметричные устройства проводимости были известны как выпрямители . В 1919 году, в год изобретения тетродов , Уильям Генри Эклс придумал термин диод из греческих корней di (от δί ), что означает «два», и ode (от οδός ), что означает «путь». Слово диод, однако, уже использовалось, как и триод , тетрод , пентод , гексод , как термины мультиплексной телеграфии . [23]

Хотя все диоды выпрямляют , термин «выпрямитель» обычно применяется к диодам, используемым для источников питания , чтобы отличать их от диодов, предназначенных для цепей малых сигналов .

Вакуумные диоды

Термоионный диод — это термоэлектронное устройство, состоящее из герметичной, вакуумированной стеклянной или металлической оболочки, содержащей два электрода : катод и пластину . Катод нагревается либо косвенно , либо напрямую . Если используется косвенный нагрев, нагреватель включается в оболочку.

В процессе работы катод нагревается до красного каления , около 800–1000 °C (1470–1830 °F). Катод прямого нагрева изготавливается из вольфрамовой проволоки и нагревается током, проходящим через него от внешнего источника напряжения. Катод косвенного нагрева нагревается инфракрасным излучением от расположенного поблизости нагревателя, который выполнен из нихромовой проволоки и питается током, подаваемым от внешнего источника напряжения.

Вакуумная лампа, содержащая два мощных диода.

Рабочая температура катода заставляет его испускать электроны в вакуум, этот процесс называется термоэлектронной эмиссией . Катод покрыт оксидами щелочноземельных металлов , таких как оксиды бария и стронция . Они имеют низкую работу выхода , что означает, что они более легко испускают электроны, чем непокрытый катод.

Пластина, не нагреваясь, не испускает электроны, но способна их поглощать.

Переменное напряжение, которое необходимо выпрямить, подается между катодом и пластиной. Когда напряжение пластины положительно по отношению к катоду, пластина электростатически притягивает электроны из катода, поэтому ток электронов течет через трубку от катода к пластине. Когда напряжение пластины отрицательно по отношению к катоду, пластина не испускает электроны, поэтому ток не может проходить от пластины к катоду.

Полупроводниковые диоды

Крупный план германиевого точечного диода EFD108 в стеклянном корпусе DO7, на котором видна острая металлическая проволока ( кошачий ус ), образующая полупроводниковый переход.

Точечные диоды

Точечные диоды были разработаны в 1930-х годах на основе ранней технологии кристаллических детекторов и в настоящее время обычно используются в диапазоне от 3 до 30 гигагерц. [18] [24] [25] [26] Точечные диоды используют металлическую проволоку небольшого диаметра, контактирующую с полупроводниковым кристаллом, и бывают либо несварного типа контакта, либо сварного типа контакта. Конструкция несварного контакта использует принцип барьера Шоттки. Металлическая сторона представляет собой заостренный конец проволоки небольшого диаметра, которая контактирует с полупроводниковым кристаллом. [27] В сварном типе контакта небольшая область P формируется в кристалле N-типа вокруг металлической точки во время изготовления путем кратковременного пропускания относительно большого тока через устройство. [28] [29] Точечные диоды обычно демонстрируют более низкую емкость, более высокое прямое сопротивление и большую обратную утечку, чем плоскостные диоды.

Соединительные диоды

диод с p–n-переходом

Диод с p–n-переходом изготавливается из кристалла полупроводника , обычно кремния, но также используются германий и арсенид галлия . К нему добавляются примеси, чтобы создать область с одной стороны, которая содержит отрицательные носители заряда (электроны), называемую полупроводником n-типа , и область с другой стороны, которая содержит положительные носители заряда ( дырки ), называемую полупроводником p-типа . Когда материалы n-типа и p-типа соединены вместе, происходит мгновенный поток электронов со стороны n на сторону p, в результате чего между ними образуется третья область, в которой нет носителей заряда. Эта область называется областью обеднения , потому что в ней нет носителей заряда (ни электронов, ни дырок). Выводы диода присоединены к областям n-типа и p-типа. Граница между этими двумя областями, называемая p –n-переходом , является местом, где происходит действие диода. Когда к стороне P ( анод ) прикладывается достаточно высокий электрический потенциал , чем к стороне N ( катод ), это позволяет электронам течь через обедненную область со стороны N-типа на сторону P-типа. Соединение не позволяет электронам течь в противоположном направлении, когда потенциал прикладывается в обратном направлении, создавая, в некотором смысле, электрический обратный клапан .

диод Шоттки

Другой тип диода с переходом, диод Шоттки , образован из перехода металл-полупроводник , а не p-n перехода, что снижает емкость и увеличивает скорость переключения. [30] [31]

Вольт-амперная характеристика

Поведение полупроводникового диода в цепи определяется его вольт-амперной характеристикой . Форма кривой определяется переносом носителей заряда через так называемый слой обеднения или область обеднения , которая существует в p–n-переходе между различными полупроводниками. Когда p–n-переход впервые создается, электроны зоны проводимости (подвижные) из области, легированной N, диффундируют в область, легированную P , где имеется большая популяция дырок (вакансий для электронов), с которыми электроны «рекомбинируют». Когда подвижный электрон рекомбинирует с дыркой, и дырка, и электрон исчезают, оставляя неподвижный положительно заряженный донор (легирующую примесь) на стороне N и отрицательно заряженный акцептор (легирующую примесь) на стороне P. Область вокруг p–n-перехода становится обедненной носителями заряда и, таким образом, ведет себя как изолятор .

Однако ширина области обеднения (называемая шириной обеднения ) не может расти без ограничений. Для каждой рекомбинации пары электрон-дырка в области, легированной N, остается положительно заряженный ион легирующей примеси , а в области, легированной P, создается отрицательно заряженный ион легирующей примеси. По мере того, как рекомбинация продолжается и создается больше ионов, через зону обеднения развивается увеличивающееся электрическое поле, которое замедляет, а затем окончательно останавливает рекомбинацию. В этот момент в зоне обеднения существует «встроенный» потенциал.

Диод с p–n-переходом в режиме низкого прямого смещения. Ширина обеднения уменьшается с ростом напряжения. Оба p- и n-перехода легированы при уровне легирования 1e15/см3 , что приводит к встроенному потенциалу ~0,59 В. Обратите внимание на различные квазиуровни Ферми для зоны проводимости и валентной зоны в n- и p-областях (красные кривые).

Обратное смещение

Если к диоду приложено внешнее напряжение с той же полярностью, что и встроенный потенциал, обедненная зона продолжает действовать как изолятор, предотвращая любой значительный поток электрического тока (если только пары электрон-дырка не создаются в соединении активно, например, светом; см. фотодиод ).

Прямое смещение

Однако если полярность внешнего напряжения противоположна встроенному потенциалу, рекомбинация может снова произойти, что приведет к возникновению значительного электрического тока через p–n-переход (т. е. значительное количество электронов и дырок рекомбинирует в переходе), который экспоненциально увеличивается с напряжением.

Регионы деятельности

Вольт-амперная характеристика диода с p–n-переходом, показывающая три области: пробой , обратное смещение, прямое смещение. "Колено" экспоненты находится при V d . Область выравнивания, которая возникает при больших прямых токах, не показана.

Вольт-амперная характеристика диода может быть аппроксимирована четырьмя рабочими областями. От меньших к большим напряжениям смещения, это:

Уравнение диода Шокли

Уравнение идеального диода Шокли или диодный закон (названный в честь соавтора биполярного транзистора Уильяма Брэдфорда Шокли ) моделирует экспоненциальную зависимость тока от напряжения (I–V) диодов при умеренном прямом или обратном смещении. Статья Уравнение диода Шокли содержит подробности.

Поведение при слабом сигнале

При прямых напряжениях, меньших напряжения насыщения, кривая зависимости напряжения от тока большинства диодов не является прямой линией. Ток можно аппроксимировать, как описано в статье об уравнении диода Шокли .

В детекторных и смесительных приложениях ток можно оценить с помощью ряда Тейлора. [32] Нечетные члены можно опустить, поскольку они создают частотные компоненты, которые находятся за пределами полосы пропускания смесителя или детектора. Четные члены за пределами второй производной обычно не нужно включать, поскольку они малы по сравнению с членом второго порядка. [32] Требуемый компонент тока приблизительно пропорционален квадрату входного напряжения, поэтому отклик в этой области называется квадратичным законом . [27] : стр. 3 

Эффект обратного восстановления

После окончания прямой проводимости в диоде типа p–n в течение короткого времени может протекать обратный ток. Устройство не достигает своей блокирующей способности до тех пор, пока подвижный заряд в переходе не будет истощен.

Эффект может быть значительным при очень быстром переключении больших токов. [33] Определенное количество «времени обратного восстановления» t r (порядка десятков наносекунд до нескольких микросекунд) может потребоваться для удаления обратного заряда восстановления Q r из диода. В течение этого времени восстановления диод может фактически проводить в обратном направлении. Это может привести к возникновению большого тока в обратном направлении в течение короткого времени, пока диод находится в обратном смещении. Величина такого обратного тока определяется рабочей схемой (т. е. последовательным сопротивлением), и говорят, что диод находится в фазе хранения. [34] В некоторых реальных случаях важно учитывать потери, которые возникают из-за этого эффекта неидеального диода. [35] Однако, когда скорость нарастания тока не столь значительна (например, частота сети), эффект можно смело игнорировать. Для большинства приложений эффект также незначителен для диодов Шоттки .

Обратный ток резко прекращается, когда запасенный заряд истощается; эта резкая остановка используется в диодах со ступенчатым восстановлением для генерации чрезвычайно коротких импульсов.

Типы полупроводниковых диодов

Вольт-амперные характеристики нескольких типов диодов

Обычные (p–n) диоды, которые работают, как описано выше, обычно изготавливаются из легированного кремния или германия . До разработки кремниевых силовых выпрямительных диодов использовались оксид меди , а позднее селен . Их низкая эффективность требовала гораздо более высокого прямого напряжения (обычно от 1,4 до 1,7 В на «ячейку», с несколькими ячейками, сложенными так, чтобы увеличить пиковое обратное напряжение для применения в высоковольтных выпрямителях), и требовала большого радиатора (часто расширения металлической подложки диода ), намного большего, чем потребовал бы более поздний кремниевый диод с теми же номинальными токами. Подавляющее большинство всех диодов — это p–n диоды, встречающиеся в интегральных схемах КМОП , [36] , которые включают два диода на вывод и множество других внутренних диодов.

Лавинные диоды
Это диоды, которые проводят ток в обратном направлении, когда обратное напряжение смещения превышает напряжение пробоя. Они электрически очень похожи на диоды Зенера (и часто ошибочно называются диодами Зенера), но выходят из строя по другому механизму: лавинному эффекту . Это происходит, когда обратное электрическое поле, приложенное к p–n-переходу, вызывает волну ионизации, напоминающую лавину, что приводит к большому току. Лавинные диоды предназначены для пробоя при четко определенном обратном напряжении без разрушения. Разница между лавинным диодом (который имеет обратный пробой выше примерно 6,2 В) и диодом Зенера заключается в том, что длина канала первого превышает среднюю длину свободного пробега электронов, что приводит к множеству столкновений между ними на пути через канал. Единственное практическое различие между этими двумя типами заключается в том, что они имеют температурные коэффициенты противоположной полярности.
Диоды постоянного тока
На самом деле это JFET [37] с затвором, закороченным на источник, и функционирующие как двухконтактный токоограничивающий аналог ограничивающего напряжение стабилитрона. Они позволяют току через них повышаться до определенного значения, а затем выравниваться на определенном значении. Также называются CLD , диодами постоянного тока , транзисторами с диодным соединением или диодами регулирования тока .
Кристаллические выпрямители или кристаллические диоды
Это точечные диоды. [27] Серия 1N21 и другие используются в смесителях и детекторах в радарах и микроволновых приемниках. [24] [25] [26] 1N34A — еще один пример кристаллического диода. [38]
Диоды Ганна
Они похожи на туннельные диоды, поскольку сделаны из таких материалов, как GaAs или InP, которые демонстрируют область отрицательного дифференциального сопротивления . При соответствующем смещении дипольные домены формируются и перемещаются по диоду, что позволяет создавать высокочастотные микроволновые генераторы .
Светодиоды (LED)
В диоде, сформированном из полупроводника с прямой запрещенной зоной , такого как арсенид галлия , носители заряда, которые пересекают переход, испускают фотоны , когда они рекомбинируют с основным носителем на другой стороне. В зависимости от материала могут быть получены длины волн (или цвета) [39] от инфракрасного до ближнего ультрафиолетового . [40] Первые светодиоды были красными и желтыми, и со временем были разработаны более высокочастотные диоды. Все светодиоды производят некогерентный, узкоспектральный свет; «белые» светодиоды на самом деле являются синими светодиодами с желтым сцинтилляционным покрытием или комбинациями из трех светодиодов другого цвета. Светодиоды также могут использоваться в качестве малоэффективных фотодиодов в сигнальных приложениях. Светодиод может быть соединен с фотодиодом или фототранзистором в одном корпусе, чтобы сформировать оптоизолятор .
Лазерные диоды
Когда светодиодоподобная структура содержится в резонансной полости, образованной полировкой параллельных торцевых поверхностей, может быть сформирован лазер . Лазерные диоды обычно используются в оптических запоминающих устройствах и для высокоскоростной оптической связи .
Термодиоды
Этот термин используется как для обычных p–n-диодов, используемых для контроля температуры из-за их изменяющегося прямого напряжения в зависимости от температуры, так и для тепловых насосов Пельтье для термоэлектрического нагрева и охлаждения . Тепловые насосы Пельтье могут быть изготовлены из полупроводников, хотя они не имеют выпрямительных переходов, они используют различное поведение носителей заряда в полупроводниках N- и P-типа для перемещения тепла.
Фотодиоды
Все полупроводники подвержены оптической генерации носителей заряда . Это, как правило, нежелательный эффект, поэтому большинство полупроводников упакованы в светонепроницаемый материал. Фотодиоды предназначены для обнаружения света ( фотодетектор ), поэтому они упакованы в материалы, которые пропускают свет, и обычно являются PIN (вид диода, наиболее чувствительный к свету). [41] Фотодиод может использоваться в солнечных батареях , в фотометрии или в оптической связи . Несколько фотодиодов могут быть упакованы в одно устройство, либо в виде линейной матрицы, либо в виде двумерной матрицы. Эти матрицы не следует путать с устройствами с зарядовой связью .
PIN-диоды
PIN-диод имеет центральный нелегированный или собственный слой, образующий структуру p-типа/собственного/n-типа. [42] Они используются в качестве радиочастотных переключателей и аттенюаторов. Они также используются в качестве детекторов ионизирующего излучения большого объема и в качестве фотодетекторов . PIN-диоды также используются в силовой электронике , поскольку их центральный слой может выдерживать высокие напряжения. Кроме того, PIN-структуру можно найти во многих силовых полупроводниковых приборах , таких как IGBT , силовые МОП-транзисторы и тиристоры .
Диоды Шоттки
Диоды Шоттки изготавливаются из металла с полупроводниковым контактом. Они имеют более низкое прямое падение напряжения, чем диоды с p–n-переходом. Их прямое падение напряжения при прямых токах около 1 мА находится в диапазоне от 0,15 В до 0,45 В, что делает их полезными в приложениях с ограничением напряжения и предотвращением насыщения транзисторов. Их также можно использовать в качестве выпрямителей с низкими потерями , хотя их обратный ток утечки в целом выше, чем у других диодов. Диоды Шоттки являются устройствами с основными носителями заряда и поэтому не страдают от проблем с хранением неосновных носителей заряда, которые замедляют многие другие диоды, поэтому они имеют более быстрое обратное восстановление, чем диоды с p–n-переходом. Они также имеют тенденцию иметь гораздо более низкую емкость перехода, чем диоды с p–n-переходом, что обеспечивает высокую скорость переключения и их использование в высокоскоростных схемах и радиочастотных устройствах, таких как импульсные источники питания , смесители и детекторы .
Супербарьерные диоды
Супербарьерные диоды — это выпрямительные диоды, которые сочетают в себе низкое прямое падение напряжения диода Шоттки с возможностью выдерживать скачки напряжения и низким обратным током утечки обычного диода с p–n-переходом.
Диоды, легированные золотом
В качестве легирующей примеси золото (или платина ) действует как центры рекомбинации, что способствует быстрой рекомбинации неосновных носителей. Это позволяет диоду работать на более высоких частотах сигнала за счет более высокого прямого падения напряжения. Диоды, легированные золотом, быстрее других p–n-диодов (но не так быстры, как диоды Шоттки). Они также имеют меньшую утечку обратного тока, чем диоды Шоттки (но не так хороши, как другие p–n-диоды). [43] [44] Типичным примером является 1N914.
Диоды с отрывом или ступенчатым восстановлением
Термин «ступенчатое восстановление» относится к форме характеристики обратного восстановления этих устройств. После того, как в SRD прошел прямой ток и ток был прерван или обращен, обратная проводимость прекратится очень резко (как в форме ступенчатой ​​волны). Поэтому SRD могут обеспечивать очень быстрые переходы напряжения за счет очень внезапного исчезновения носителей заряда.
Стабисторы или прямые опорные диоды
Термин стабистор относится к особому типу диодов, которые характеризуются чрезвычайно стабильными характеристиками прямого напряжения . Эти устройства специально разработаны для низковольтных стабилизационных приложений, требующих гарантированного напряжения в широком диапазоне тока и высокой стабильности по температуре.
Диод подавления переходного напряжения (TVS)
Это лавинные диоды, специально разработанные для защиты других полупроводниковых приборов от высоковольтных переходных процессов . [45] Их p–n-переходы имеют гораздо большую площадь поперечного сечения, чем у обычного диода, что позволяет им проводить большие токи на землю, не получая повреждений.
Туннельные диоды или диоды Эсаки
Они имеют область работы, показывающую отрицательное сопротивление, вызванное квантовым туннелированием , [46] что позволяет усиливать сигналы и очень простые бистабильные схемы. Из-за высокой концентрации носителей туннельные диоды очень быстры, могут использоваться при низких (мК) температурах, сильных магнитных полях и в условиях высокой радиации. [47] Из-за этих свойств они часто используются в космических аппаратах.
Варикапы или варакторные диоды
Они используются в качестве конденсаторов, управляемых напряжением . Они важны в схемах PLL ( фазовая автоподстройка частоты ) и FLL ( частотная автоподстройка частоты ), позволяя схемам настройки, таким как в телевизионных приемниках, быстро синхронизироваться с частотой. Они также позволяли настраиваемым генераторам в ранней дискретной настройке радиоприемников, где дешевый и стабильный, но с фиксированной частотой, кварцевый генератор обеспечивал опорную частоту для генератора, управляемого напряжением .
Стабилитроны
Их можно заставить проводить ток в обратном смещении (назад), и их правильно называть диодами обратного пробоя. Этот эффект, называемый пробоем Зенера , происходит при точно определенном напряжении, что позволяет использовать диод в качестве прецизионного источника опорного напряжения. Термин «диоды Зенера» в разговорной речи применяется к нескольким типам диодов пробоя, но, строго говоря, диоды Зенера имеют напряжение пробоя ниже 5 вольт, в то время как лавинные диоды используются для напряжений пробоя выше этого значения. В практических схемах опорного напряжения диоды Зенера и коммутационные диоды соединяются последовательно и в противоположных направлениях, чтобы сбалансировать температурный коэффициент реакции диодов до значения, близкого к нулю. Некоторые устройства, маркированные как высоковольтные диоды Зенера, на самом деле являются лавинными диодами (см. выше). Два (эквивалентных) диода Зенера, соединенных последовательно и в обратном порядке в одном корпусе, образуют поглотитель переходных процессов (или Transorb , зарегистрированная торговая марка).

Графические символы

Символ, используемый для представления определенного типа диода на схеме цепи, передает читателю общую электрическую функцию. Существуют альтернативные символы для некоторых типов диодов, хотя различия незначительны. Треугольник в символах указывает на прямое направление, т. е. в направлении обычного тока .

Схемы нумерации и кодирования

Существует ряд общепринятых, стандартных и определяемых производителями схем нумерации и кодирования диодов; две наиболее распространенные из них — стандарт EIA / JEDEC и европейский стандарт Pro Electron :

EIA/JEDEC

Стандартизированная система нумерации серии 1N EIA370 была введена в США EIA/JEDEC (Объединенным советом по инжинирингу электронных приборов) около 1960 года. Большинство диодов имеют обозначение с префиксом 1 (например, 1N4003). Среди самых популярных в этой серии были: 1N34A/1N270 (германиевый сигнал), 1N914/ 1N4148 (кремниевый сигнал), 1N400x (кремниевый выпрямитель мощности 1A) и 1N580x (кремниевый выпрямитель мощности 3A). [48] [49] [50]

JIS

В системе обозначений полупроводников JIS все обозначения полупроводниковых диодов начинаются с «1S».

Про Электрон

Европейская система кодирования Pro Electron для активных компонентов была введена в 1966 году и состоит из двух букв, за которыми следует код детали. Первая буква обозначает полупроводниковый материал, используемый для компонента (A = германий и B = кремний), а вторая буква обозначает общую функцию детали (для диодов A = маломощный/сигнальный, B = переменная емкость, X = умножитель, Y = выпрямитель и Z = опорное напряжение); например:

Другие распространенные системы нумерации/кодирования (обычно определяемые производителем) включают в себя:

Связанные устройства

В оптике эквивалентным устройством для диода, но с лазерным светом, был бы оптический изолятор , также известный как оптический диод, [51], который позволяет свету проходить только в одном направлении. Он использует вращатель Фарадея в качестве основного компонента.

Приложения

Радиодемодуляция

Простая схема демодулятора огибающей .

Первым применением диода была демодуляция амплитудно-модулированных (AM) радиопередач. История этого открытия подробно рассматривается в статье о кристаллическом детекторе . Подводя итог, можно сказать, что AM-сигнал состоит из чередующихся положительных и отрицательных пиков несущей радиоволны, амплитуда или огибающая которой пропорциональна исходному аудиосигналу. Диод выпрямляет радиочастотный AM-сигнал, оставляя только положительные пики несущей волны. Затем звук извлекается из выпрямленной несущей волны с помощью простого фильтра и подается в аудиоусилитель или преобразователь , который генерирует звуковые волны через аудиодинамик .

В технологии микроволнового и миллиметрового диапазона, начиная с 1930-х годов, исследователи улучшили и миниатюризировали кристаллический детектор. Точечные контактные диоды ( кристаллические диоды ) и диоды Шоттки используются в радарах, микроволновых и миллиметровых детекторах. [30]

Преобразование мощности

Схема базового источника питания переменного тока в постоянный

Выпрямители состоят из диодов, где они используются для преобразования переменного тока (AC) в постоянный ток (DC). Автомобильные генераторы являются типичным примером, где диод, который выпрямляет переменный ток в постоянный, обеспечивает лучшую производительность, чем коммутатор или более ранняя динамо-машина . Аналогично диоды также используются в умножителях напряжения Кокрофта-Уолтона для преобразования переменного тока в более высокие постоянные напряжения.

Защита от обратного напряжения

Поскольку большинство электронных схем могут быть повреждены при обратной полярности входов питания, для защиты от таких ситуаций иногда используется последовательный диод. Эта концепция известна под несколькими вариациями названий, которые означают одно и то же: защита от обратного напряжения, защита от обратной полярности и защита от обратной батареи.

Защита от перенапряжения

Диоды часто используются для отвода разрушающего высокого напряжения от чувствительных электронных устройств. Обычно они обратно смещены (непроводящие) при нормальных обстоятельствах. Когда напряжение поднимается выше нормального диапазона, диоды становятся прямо смещенными (проводящими). ​​Например, диоды используются в контроллерах двигателей ( шаговых двигателях и мостовых схемах ) и релейных схемах для быстрого обесточивания катушек без разрушительных скачков напряжения , которые в противном случае возникли бы. (Диод, используемый в таком приложении, называется диодом обратного хода ). Многие интегральные схемы также включают диоды на соединительных штырях, чтобы предотвратить повреждение их чувствительных транзисторов внешним напряжением . Специализированные диоды используются для защиты от перенапряжения при более высокой мощности (см. Типы диодов выше).

Логические вентили

Диодно-резисторная логика строит логические вентили И и ИЛИ . Функциональная полнота может быть достигнута путем добавления активного устройства для обеспечения инверсии (как это сделано в диодно-транзисторной логике ).

Детекторы ионизирующего излучения

В дополнение к свету, упомянутому выше, полупроводниковые диоды чувствительны к более энергичному излучению. В электронике космические лучи и другие источники ионизирующего излучения вызывают шумовые импульсы и одиночные и множественные битовые ошибки. Этот эффект иногда используется детекторами частиц для обнаружения излучения. Одна частица излучения с тысячами или миллионами электрон-вольт энергии генерирует множество пар носителей заряда, поскольку ее энергия откладывается в полупроводниковом материале. Если обедненный слой достаточно велик, чтобы уловить весь ливень или остановить тяжелую частицу, можно сделать довольно точное измерение энергии частицы, просто измерив проведенный заряд и без сложностей магнитного спектрометра и т. д. Этим полупроводниковым детекторам излучения требуется эффективный и равномерный сбор заряда и низкий ток утечки. Их часто охлаждают жидким азотом . Для частиц с большим радиусом действия (около сантиметра) им нужна очень большая глубина обеднения и большая площадь. Для частиц с малым радиусом действия им нужен любой контакт или не обедненный полупроводник по крайней мере на одной поверхности, чтобы быть очень тонким. Напряжения обратного смещения близки к пробивным (около тысячи вольт на сантиметр). Германий и кремний являются распространенными материалами. Некоторые из этих детекторов определяют положение и энергию. Они имеют конечный срок службы, особенно при обнаружении тяжелых частиц, из-за повреждения радиацией. Кремний и германий довольно сильно различаются по своей способности преобразовывать гамма-лучи в электронные ливни.

Полупроводниковые детекторы для частиц высокой энергии используются в большом количестве. Из-за флуктуаций потери энергии точное измерение выделенной энергии менее полезно.

Измерения температуры

Диод можно использовать в качестве устройства для измерения температуры , поскольку прямое падение напряжения на диоде зависит от температуры, как в кремниевом датчике температуры с запрещенной зоной . Из приведенного выше уравнения идеального диода Шокли может показаться , что напряжение имеет положительный температурный коэффициент (при постоянном токе), но обычно изменение обратного тока насыщения более существенно, чем изменение теплового напряжения. Поэтому большинство диодов имеют отрицательный температурный коэффициент, обычно −2 мВ/°C для кремниевых диодов. Температурный коэффициент приблизительно постоянен для температур выше примерно 20 Кельвинов . Некоторые графики приведены для серии 1N400x, [52] и криогенного датчика температуры CY7. [53]

Текущее рулевое управление

Диоды предотвратят токи в непреднамеренных направлениях. Чтобы подать питание на электрическую цепь во время сбоя питания, цепь может потреблять ток от батареи . Источник бесперебойного питания может использовать диоды таким образом, чтобы ток потреблялся только от батареи при необходимости. Аналогично, небольшие лодки обычно имеют две цепи, каждая со своей собственной батареей/батареями: одна используется для запуска двигателя; другая используется для бытовых нужд. Обычно обе заряжаются от одного генератора, а мощный диод с раздельным зарядом используется для предотвращения разряда батареи с более высоким зарядом (обычно батареи двигателя) через батарею с более низким зарядом, когда генератор не работает.

Диоды также используются в электронных музыкальных клавиатурах . Чтобы уменьшить количество проводов, необходимых в электронных музыкальных клавиатурах, эти инструменты часто используют схемы клавиатурной матрицы . Контроллер клавиатуры сканирует строки и столбцы, чтобы определить, какую ноту нажал игрок. Проблема с матричными схемами заключается в том, что при одновременном нажатии нескольких нот ток может течь обратно по схеме и вызывать « фантомные клавиши », которые заставляют воспроизводиться «призрачные» ноты. Чтобы избежать срабатывания нежелательных нот, большинство схем клавиатурной матрицы имеют диоды, спаянные с переключателем под каждой клавишей музыкальной клавиатуры . Тот же принцип используется и для матрицы переключателей в твердотельных пинбольных автоматах .

Клипер формы волны

Диоды можно использовать для ограничения положительного или отрицательного отклонения сигнала до заданного напряжения.

Зажим

Этот простой диодный зажим фиксирует отрицательные пики входящего сигнала до напряжения общей шины.

Схема диодного зажима может принимать периодический сигнал переменного тока, который колеблется между положительными и отрицательными значениями, и вертикально смещать его так, чтобы либо положительные, либо отрицательные пики появлялись на заданном уровне. Зажим не ограничивает амплитуду сигнала от пика к пику, он перемещает весь сигнал вверх или вниз так, чтобы поместить пики на опорный уровень.

Вычисление экспонент и логарифмов

Экспоненциальная зависимость тока от напряжения диода используется для оценки возведения в степень и ее обратной функции — логарифма с использованием аналоговых сигналов напряжения (см. Применения операционных усилителей §§  Экспоненциальный выход и Логарифмический выход ).

Сокращения

Диоды обычно обозначаются как D для диода на печатных платах . Иногда используется сокращение CR для кристаллического выпрямителя . [54]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Тули, Майк (2013). Электронные схемы: основы и приложения, 3-е изд. Routledge. стр. 81. ISBN 978-1-136-40731-4.
  2. ^ Крекрафт, Филип Минчич; Стивен Гергели (2002). Аналоговая электроника: схемы, системы и обработка сигналов. Butterworth-Heinemann. стр. 110. ISBN 0-7506-5095-8.
  3. ^ Горовиц, Пол; Уинфилд Хилл (1989). Искусство электроники, 2-е изд. Лондон: Cambridge University Press. стр. 44. ISBN 0-521-37095-7.
  4. ^ "Физическое объяснение – Общие полупроводники". 2010-05-25 . Получено 2010-08-06 .
  5. ^ "Составные части полупроводниковых компонентов". 2010-05-25. Архивировано из оригинала 2011-07-10 . Получено 2010-08-06 .
  6. ^ "Все о светодиодах". Система обучения Adafruit . Получено 2023-01-19 .
  7. ^ abc Turner, LW (2015). Справочник инженера-электронщика, 4-е изд. Butterworth-Heinemann. С. 8.14–8.22. ISBN 978-1483161273.
  8. ^ Гварниери, М. (2011). «Первопроходцы в твердотельной электронике». IEEE Ind. Electron. M . 5 (4): 46–47. doi :10.1109/MIE.2011.943016. S2CID  45476055.
  9. ↑ Гатри, Фредерик (октябрь 1873 г.) «О связи между теплом и статическим электричеством», Лондонский, Эдинбургский и Дублинский философский журнал и научный журнал , 4-я серия, 46 : 257–266.
  10. ↑ Нобелевская лекция 1928 года: Оуэн В. Ричардсон, «Термоионные явления и законы, которые ими управляют», 12 декабря 1929 г.,
  11. ^ Эдисон, Томас А. «Электрический счетчик» Патент США 307,030 Дата выдачи: 21 октября 1884 г.
  12. ^ Redhead, PA (1 мая 1998 г.). «Рождение электроники: термоионная эмиссия и вакуум». Журнал «Вакуумная наука и технология» A: Вакуум, поверхности и пленки . 16 (3): 1394–1401. Bibcode : 1998JVSTA..16.1394R. doi : 10.1116/1.581157. ISSN  0734-2101.
  13. ^ "Дорога к транзистору". Jmargolin.com . Получено 2008-09-22 .
  14. ^ Браун, Фердинанд (1874) «Ueber die Stromleitung durch Schwefelmetalle» (О проводимости тока в сульфидах металлов), Annalen der Physik und Chemie , 153  : 556–563.
  15. ^ Карл Фердинанд Браун. chem.ch.huji.ac.il
  16. ^ Саркар, Тапан К. (2006). История беспроводной связи. США: John Wiley and Sons. стр. 94, 291–308. ISBN 0-471-71814-9.
  17. ^ Пикард, Г. В., «Средства для получения информации, передаваемой с помощью электрических волн» Патент США 836,531 Выдан: 30 августа 1906 г.
  18. ^ abc Scaff, JH, Ohl, RS "Разработка кремниевых кристаллических выпрямителей для микроволновых радиолокационных приемников", The Bell System Technical Journal , том 24, № 1, январь 1947 г., стр. 1 - 30
  19. ↑ Корнелиус, EC «Германиевые кристаллические диоды», Электроника , февраль 1946 г., стр. 118
  20. ^ "Страница книги данных Sylvania 1949". Архивировано из оригинала 25 мая 2018 года.
  21. ^ Sylvania, 40 применений германиевых диодов, Sylvania Electric Products Co., 1949, стр. 9
  22. ^ Ву, Хэн; Ван, Яоцзя; Сюй, Юаньфэн; Сивакумар, Пранава К.; Паско, Крис; Филиппоцци, Ульдерико; Паркин, Стюарт С.П.; Цзэн, Ю-Цзя; МакКуин, Тайрел; Али, Мажар Н. (апрель 2022 г.). «Безполевой диод Джозефсона в гетероструктуре Ван-дер-Ваальса». Природа . 604 (7907): 653–656. arXiv : 2103.15809 . Бибкод : 2022Natur.604..653W. дои : 10.1038/s41586-022-04504-8. ISSN  1476-4687. PMID  35478238. S2CID  248414862.
  23. ^ "WH Preece, "Мультиплексная телеграфия", The Telegraphic Journal and Electrical Review, том XIX, 10 сентября 1886 г., стр. 252". 1886.
  24. ^ ab "SemiGen Inc".
  25. ^ ab "Advanced Semiconductor, Inc" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2023-05-21 . Получено 2018-05-24 .
  26. ^ ab "Massachusetts Bay Technologies".
  27. ^ abc "HC Torrey, CA Whitmer, Crystal Rectifiers, Нью-Йорк: McGraw-Hill, 1948".
  28. ^ "HQ North, Асимметрично проводящее устройство, патент США 2,704,818" (PDF) .
  29. ^ «Центр надводных боевых систем ВМС США, Учебная серия по электричеству и электронике ВМС, Модуль 11, 2012, стр. 2-81–2-83».
  30. ^ ab "Skyworks Solutions, Inc., Смесительные и детекторные диоды" (PDF) .
  31. ^ "Веб-страница Microsemi Corporation Schottky".
  32. ^ ab Giacoletto, Lawrence Joseph (1977). Справочник проектировщика электроники . Нью-Йорк: McGraw-Hill . С. 24–138.
  33. ^ Обратное восстановление диода в повышающем преобразователе Архивировано 2011-10-07 на Wayback Machine . ECEN5817. ecee.colorado.edu
  34. ^ Elhami Khorasani, A.; Griswold, M.; Alford, TL (2014). "Gate-Controlled Reverse Recovery for Characterization of LDMOS Body Diode". IEEE Electron Device Letters . 35 (11): 1079. Bibcode : 2014IEDL...35.1079E. doi : 10.1109/LED.2014.2353301. S2CID  7012254.
  35. ^ Включение потерь при переключении в усредненную модель эквивалентной схемы. Архивировано 07.10.2011 на Wayback Machine . ECEN5797. ecee.colorado.edu
  36. ^ Роддик, РГ (1962-10-01). «Анализ цепей туннельных диодов». doi :10.2172/4715062. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  37. ^ Диоды регулятора тока. Digikey.com (2009-05-27). Получено 2013-12-19.
  38. ^ "Технический паспорт NTE" (PDF) .
  39. ^ Классификация компонентов. Digikey.com (2009-05-27). Получено 2013-12-19.
  40. ^ "Component Construction". 2010-05-25. Архивировано из оригинала 2016-05-16 . Получено 2010-08-06 .
  41. ^ Конструкция компонента. Digikey.com (2009-05-27). Получено 2013-12-19.
  42. ^ "Физика и технологии". 2010-05-25. Архивировано из оригинала 2016-05-16 . Получено 2010-08-06 .
  43. ^ Характеристики быстровосстанавливающихся эпитаксиальных диодов (FRED) – Применение – Примеры Архивировано 26.03.2009 на Wayback Machine . (PDF). Получено 19.12.2013.
  44. ^ Sze, SM (1998) Современная физика полупроводниковых приборов , Wiley Interscience, ISBN 0-471-15237-4 
  45. ^ Защита слаботочных нагрузок в суровых электрических условиях. Digikey.com (2009-05-27). Получено 2013-12-19.
  46. ^ Jonscher, AK (1961). "Физика туннельного диода". British Journal of Applied Physics . 12 (12): 654. Bibcode : 1961BJAP...12..654J. doi : 10.1088/0508-3443/12/12/304.
  47. ^ Dowdey, JE; Travis, CM (1964). "Анализ повреждений туннельных диодов ядерной радиацией в стационарном состоянии". Труды IEEE по ядерной науке . 11 (5): 55. Bibcode : 1964ITNS...11...55D. doi : 10.1109/TNS2.1964.4315475.
  48. ^ "О JEDEC". Jedec.org . Получено 2008-09-22 .
  49. ^ "Даты появления обычных транзисторов и диодов?". EDAboard.com. 2010-06-10. Архивировано из оригинала 11 октября 2007 г. Получено 2010-08-06 .
  50. ^ IDEA "Музей транзисторов Строительные проекты Точечный контакт Германий Western Electric Винтаж Исторические полупроводники Фотографии Сплав Переход Устная история". Semiconductormuseum.com . Получено 22.09.2008 .
  51. ^ «Оптический изолятор – обзор | Темы ScienceDirect».
  52. ^ "1N400x Diode Family Forward Voltage". cliftonlaboratories.com . Архивировано из оригинала 2013-05-24 . Получено 2013-12-19 .
  53. ^ Криогенные датчики температуры. omega.com
  54. ^ Джон Эмброуз Флеминг (1919). Принципы электроволновой телеграфии и телефонии. Лондон: Longmans, Green. С. 550.

Дальнейшее чтение

Исторические путевые книги
Историческая периодика
Исторические справочники

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Диоды» .