Короткі теоретичні відомості

Діод – електронний прилад з двома електродами, що пропускає електричний струм лише в одному напрямі. Застосовується у радіотехніці, електроніці, енергетиці та в інших галузях, переважно для випрямляння змінного електричного струму, детектування, перетворення та помноження частоти, а також для переключення електричних кіл.

Діоди виготовляють з кремнію, германію, селену, та інших напівпровідників.

В основі роботи напівпровідникового діода лежить p-n-перехід. Цей перехід не вдається одержати механічним з'єднанням напівпровідників, бо відстань між p і n областями має бути не більшою від міжатомних відстаней. Тому основними методами одержання p-n переходів є сплавлення і дифузія. Для отримання p-n-переходів в основний напівпровідник при високій температурі вплавляють інший, внаслідок чого утворюється ділянка з р- або n-електропровідністю. На межі цих ділянок утворюється p-n перехід.

Вольт-амперна характеристика (ВАХ) напівпровід-никового діода схематично показана на рис. 4.1 (без збереження масштабу). Рисунок демонструє чотири режими роботи напівпровідникового діода. При оберненій напрузі більшій за V_br, наступає пробій — різке збільшення струму, яке використовується в роботі лавинних діодів та діодів Зенера. При оберненій напрузі, меншій від V_br, існує тільки малий струм насичення, здебільшого, порядку мікроамперів. При прикладенні напруги в прямому напрямку, струм зростає експоненційно, залишаючись малим до напруги V_d , — напруги відкривання діода. Ця напруга може бути різною, в залежності від типу діода, — від 0,2 В для діодів Шоткі, до 4 В у блакитних світлодіодів і більше у силових діодів.

Рис. 4.1 – Вольт-амперна характеристика напівпровідникового діода

ВАХ деяких діодів, наприклад, діода Ганна і резонансного тунельного діода можуть містити ділянки з від'ємною диференціальною провідністю, тобто ділянки, на яких сила струму в діоді зменшується, при збільшенні прикладеної напруги. Такі діоди зручні для використання в генераторах електричних коливань.

Вольт-амперну характеристику ідеального діода, тобто діода, в якому не враховується можливість пробою та інші фактори, можна описати рівнянням Шоклі:

де I — сила струму, — сила струму насичення при зворотній напрузі, — напруга (в прямому напрямку), k — стала Больцмана, T — абсолютна температура. Величину називають термальною напругою.

Основними характеристиками діодів є:

Is — струм насичення (тепловий струм);
Rа — активний опір;
Rд — диференційний опір;
Cб — бар'єрна ємність;
Сд — дифузійна ємність;
Rтп к — тепловий опір перехід-корпус;

Кв — коефіцієнт випростування
φк — контактна різниця потенціалів

Допустимі зворотні напруги кремнієвих діодів — 1000—1500 В, а германієвих 100—400 В. Інтервал робочих температур кремнієвого діода — від −60 oC до +150 oC; а для германієвого — від −60 oC до +85 oC. Тому зараз в основному використовують кремнієві діоди.

Діоди широко використовуються в електротехніці, електроніці, та радіотехніці. З різною метою, в залежності від їх характеристик.

Умовні графічні позначення деяких видів діодів наведені на рис. 4.2.

Головна властивість діода — проводити струм лише в одному напрямку, застосовують у випрямлячах — для перетворення змінного струму на постійний.

Діоди використовуються при демодуляції амплітудно-модульованого радіосигналу, тобто виділення низькочастотної складової з високочастотного сигналу.

Рис. 4.2 – Умовні графічні позначення різних видів напівпровідникових діодів

Разом із іншими електронними компонентами, діоди можуть використовуватися для створення логічних елементів AND і OR.

Світлодіоди використовуються як джерела світла, а фотодіоди — як його індикатори.

Робота діодів чутлива до радіоактивних променів, що дозволяє використовувати їх у якості детекторів іонізуючого випромінювання, зокрема детекторів елементарних частинок. Одна така частинка має енергію в сотні тисяч і мільйони електронвольт. Проходячи через напівпровідник вона створює значну концентрацію носіїв заряду. Неосновні носії заряду легко проходять через p-n перехід діода, підключеного у зворотньому напрямку, і створює струм, вимірюючи який можна оцінити характеристики частинки.

Постійне опромінення впливає на характеристики діода, а тому діоди можна використовувати не тільки для детектування частинок, а й для вимірювання доз опромінення. Для цієї мети особливо зручні PIN-діоди, в яких p- та n-області розділені широкою ділянкою ізолятора (нелегованого напівпровідника). Завдяки ширині такої області, радіаційні пошкодження детектувати легше.

Діоди використовуються, також, для вимірювання температури, оскільки падіння напруги на діоді (при прямому включенні) залежить від температури.

Варікапи виконують роль керованої напругою ємності.

Діоди з від'ємною ділянкою ВАХ є нелінійними елементами схем генераторів високочастотних коливань.