ДИОДЫ И ИХ ВИДЫ — ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ, СТАБИЛИТРОНЫ, ДИОДЫ ШОТТКИ, СВЕТОДИОДЫ, ВРИКАПЫ

Введение

Диод – один из простейших и одновременно важнейших полупроводниковых приборов. Он обладает способностью пропускать электрический ток преимущественно в одном направлении. Это свойство лежит в основе выпрямления переменного тока, защиты цепей от неправильной полярности, стабилизации напряжения, генерации света и многих других задач.

Несмотря на кажущуюся простоту, существует несколько разновидностей диодов, каждая из которых оптимизирована для конкретного применения: выпрямительные диоды работают в блоках питания, стабилитроны поддерживают постоянное напряжение, диоды Шоттки обеспечивают высокую скорость, светодиоды излучают свет, а варикапы служат управляемыми конденсаторами. Понимание их устройства и характеристик необходимо при проектировании любой электронной схемы.

История создания транзистора

Эффект односторонней проводимости контакта металл-полупроводник обнаружил немецкий физик Фердинанд Браун в 1874 году. В 1906 году Гринлиф Пикард создал первый кристаллический детектор для радиоприёмников. Массовое применение диодов началось в 1950-х годах с развитием технологии легирования. Позже появились специализированные типы: стабилитроны (описаны К. Зенером в 1934 г.), диоды Шоттки, светодиоды (первое практическое свечение — 1962 г., Ник Холоньяк) и варикапы. Сегодня диоды — неотъемлемая часть любого электронного устройства.

Типы диодов и их особенности

Предназначены для преобразования переменного тока в пульсирующий постоянный. Рассчитаны на большие прямые токи (от 0,1 А до сотен ампер) и высокие обратные напряжения (до 1000 В и более). Основные параметры: падение напряжения в прямом направлении (обычно 0,6–1,1 В для кремниевых), максимальный прямой ток, максимальное обратное напряжение.

Применяются в блоках питания, выпрямителях, зарядных устройствах, сварочных аппаратах.

2. Стабилитроны (диоды Зенера)

Работают в режиме электрического пробоя p-n-перехода при обратном включении. При достижении определённого обратного напряжения (напряжение стабилизации) ток через диод резко возрастает, а напряжение на нём остаётся практически постоянным. Это свойство используется для стабилизации напряжения.

Стабилитроны выпускаются на напряжения от 1,8 В до 200 В и более. Они незаменимы в источниках эталонного напряжения, защитных цепях и простых параметрических стабилизаторах.

3. Диоды Шоттки

Вместо обычного p-n-перехода используют барьер металл-полупроводник. Отличительные особенности:

• Очень малое падение напряжения в прямом направлении (0,15–0,45 В против 0,6–1,1 В у кремниевых);
• Высокое быстродействие (отсутствие накопления заряда);
• Повышенный обратный ток и более низкое максимальное обратное напряжение (обычно до 100–200 В)

Применяются в импульсных источниках питания, высокочастотных выпрямителях, схемах защиты от переполюсовки (благодаря низкому падению напряжения).

4. Светодиоды (LED)

При прямом включении в p-n-переходе происходит рекомбинация электронов и дырок с выделением энергии в виде фотонов (света). Цвет излучения зависит от ширины запрещённой зоны полупроводника: от инфракрасного до ультрафиолетового. Современные светодиоды имеют высокую яркость и экономичность.

Светодиоды обязательно включаются через токоограничивающий резистор, так как они чувствительны к превышению прямого тока. Используются в индикации, освещении, дисплеях, оптронах, автомобильной и светосигнальной технике.

5. Варикапы

Это диоды, у которых ёмкость p-n-перехода зависит от приложенного обратного напряжения. При увеличении обратного напряжения обеднённая область расширяется, ёмкость уменьшается. Таким образом, варикап выполняет роль конденсатора, управляемого напряжением.

Используются в схемах подстройки частоты (генераторы с электронной настройкой, приёмники, синтезаторы частот, фильтры с переменной частотой настройки).

Основные электрические характеристики диодов

Независимо от типа, для каждого диода важны следующие параметры:

• Прямой ток – максимально допустимый ток в открытом состоянии;
• Обратное напряжение – максимальное напряжение, которое диод выдерживает в закрытом состоянии без пробоя (кроме стабилитронов);
• Прямое падение напряжения – напряжение на диоде при протекании прямого тока;
• Обратный ток – ток утечки при обратном напряжении (чем меньше, тем лучше);

Таблица 1.

Преимущества и недостатки диодов разных типов

Применение в реальных схемах

• Источники питания – выпрямительные диоды (диодный мост), диоды Шоттки в импульсных преобразователях.
• Стабилизаторы напряжения – стабилитроны как источники опорного напряжения.
• Защита цепей – диоды Шоттки и быстрые диоды от обратной полярности, от выбросов напряжения (снабберы).
• Индикация и освещение – светодиоды (световая индикация режимов работы, дисплеи, подсветка).
• Радиочастотные цепи – варикапы для настройки частоты в генераторах и приёмниках (например, УКВ-блоки).

Сравнение с другими полупроводниковыми приборами

В отличие от транзистора, диод имеет только два вывода и не может усиливать сигнал. Однако в ряде задач он незаменим: если транзистор – это управляемый ключ или усилитель, то диод – это пассивный вентиль, стабилизатор или преобразователь частоты/света. По сравнению с полевыми транзисторами диоды проще, дешевле и надежнее в пассивных цепях.

Заключение

Диоды — ключевые полупроводниковые приборы, различающиеся по назначению: выпрямительные диоды преобразуют переменный ток, стабилитроны поддерживают стабильное напряжение, диоды Шоттки обеспечивают высокое быстродействие, светодиоды излучают свет, а варикапы работают как управляемые ёмкости. Изучение их типов необходимо для грамотного проектирования электронных устройств. Несмотря на развитие интегральной электроники, дискретные диоды остаются востребованными благодаря надёжности и низкой стоимости.

Список литературы:

1. Титце У., Шенк К. «Полупроводниковая схемотехника». – М.: ДМК Пресс, 2008.
2. Хоровиц П., Хилл У. «Искусство схемотехники». – М.: Мир, 1993.
3. Жеребцов И. П. «Основы электроники». – Л.: Энергоатомиздат, 1990.
4. Гусев В. Г., Гусев Ю. М. «Электроника и микропроцессорная техника». – М.: Высшая школа, 2004.
5. Пасынков В. В., Чиркин Л. К. «Полупроводниковые приборы». – СПб.: Лань, 2003.