Диод – электрическое устройство, позволяющее течь току в одном направлении с гораздо меньшими усилиями, чем в противоположном. Самая распространённая разновидность диода в современной схемотехнике – полупроводниковый диод, хотя этим диодные технологии не исчерпываются. Схемное обозначение полупроводниковых диодов приведено на рисунке 1 ниже. Термин «диод» обычно используется для слаботочных устройств, где I ≤ 1 A. Термин «выпрямитель» используется для силовых устройств, где I > 1 A.
Рис. 1. Условное обозначение полупроводникового диода: стрелки указывают направление тока. Как Вы прекрасно помните, направление тока считается противоположным направлению движения электронов.
При размещении в простой цепи батарея/лампа, диод будет или пропускать ток или предотвращать его прохождение через лампу, в зависимости от полярности приложенного напряжения:
Рис. 2. Работа диода: (а) Допускает протекание тока: диод включён в прямом направлении. (б) Протекание тока запрещено: диод имеет обратное включение.
Если полярность батареи такова, что ток может течь через диод, диод считается прямо включённым (иногда говорят прямо смещённым) или имеет прямое включение (оно же прямое смещение). И наоборот, когда батарея работает «в обратном направлении», диод блокирует ток, тогда говорят, что диод имеет обратное включение/смещение. Диод – это своего рода переключатель: «замкнут» при прямом смещении и «разомкнут» при обратном смещении.
Направление стрелки символа диода указывает направление тока в обычном потоке. Это соглашение справедливо для всех полупроводников, на схемах которых присутствуют стрелки-«указатели». Если ориентироваться на направление потока электронов (это направление противоположно направлению тока), то схемная стрелка диода противоположно направлена относительно движения электронов.
Аналогия с гидравлическим обратным клапаном
Можно провести аналогию между диодом и гидравлическим устройством, называемым обратным клапаном. Обратный клапан пропускает поток жидкости только в одном направлении:
Рис. 3. Аналогия с гидравлическим обратным клапаном: (а) Слева-направо допустимо движение тока/жидкости. (б) Справа-налево запрещено движение тока/жидкости.
Обратные клапаны – это, по своей сути, устройства, работающие за счёт давления: они открываются и пропускают поток, если давление на них имеет правильную «полярность», из-за чего становится возможным открытие заслонки (в показанной аналогии справа большее давление жидкости, чем слева). Если давление имеет противоположную «полярность», из-за разницы давлений на обратном клапане произойдёт закрытие и удержание заслонки, так что жидкость течь не будет.
Как и обратные клапаны, диоды, по своей сути, представляют собой устройства, тоже работающие за счёт электрического «давления» – напряжения. Существенная разница между прямым и обратным включением заключается в полярности падения напряжения на диоде. Давайте подробнее рассмотрим простую схему батарея/диод/лампа, показанную выше, но на этот раз исследуем падение напряжения на различных компонентах:
Диод с прямым включением проводит ток и на нём происходит небольшое падение напряжения, в результате чего бо́льшая часть падения напряжения батареи происходит на лампе. Если полярность батареи сменить на противоположную, диод становится включённым в обратном направлении и тогда напряжение батареи падает полностью, не оставляя лампе ничего. Всё это имеет смысл, так как диод является самопризвольным переключателем (замыкает цепь в режиме прямого включения и размыкает в режиме обратного включения). Наиболее весомое различие между диодом и обычным механическим переключателем в том, что на диоде при проводке падение напряжения гораздо больше, чем может дать переключатель (0,7 вольт против десятков милливольт).
Это падение напряжения при прямом включении диода связано с действием области обеднения, образованной P-N-переходом под влиянием приложенного напряжения. Если на полупроводниковый диод не подаётся напряжение, вокруг области P-N-перехода существует тонкая обеднённая область, предотвращающая протекание тока (рисунок 1.а ниже). Область обеднения почти лишена доступных носителей заряда и действует как диэлектрик:
Рис. 5. Представления диодов: (а) модель P-N-перехода; (б) обозначение на схемах; (в) условно показана физическая часть.
Схематический символ диода показан на рисунке 5.б, где анод (в виде стрелки-указателя) соответствует полупроводнику P-типа, изображённого на 5.а. Катодный стержень (являющийся не стрелкой-указателем, а просто вертикальной полоской) на рисунке 5.б соответствует материалу N-типа на 5.а. Также обратите внимание, что катодная полоска на физической части 5.в по внешнему виду соответствует символическому катоду.
Обратное включение диода
Если напряжение обратного включения приложено к P-N-переходу, область обеднения расширяется, дополнительно ограничивая прохождение через неё любого тока:
Рис. 6. Область обеднения расширяется при обратном включении.
Прямое напряжение
И наоборот, при прямом включении напряжение приложено к P-N-переходу, область обеднения сжимается, становясь тоньше. Диод становится менее резистентным к проходящему через него току. Для того, чтобы через диод шёл устойчивый ток – область обеднения должна быть полностью сжата под действием приложенного напряжения. Для этого требуется определённое минимальное напряжение, называемое прямым напряжением:
Рис. 7. Увеличение прямого смещения от (а) до (б) уменьшает толщину обеднённой области.
Для кремниевых диодов типичное прямое напряжение составляет 0,7 В от номинального. Для германиевых диодов прямое напряжение составляет всего 0,3 вольта. Химическая составляющая P-N-перехода, составляющего диод, определяет его номинальное значение прямого напряжения, поэтому кремниевые и германиевые диоды имеют такие разные прямые напряжения. Прямое падение напряжения остается примерно постоянным для широкого диапазона токов диодов, что означает, что падение напряжения на диоде не похоже на падение напряжения на резисторе или даже на обычном (замкнутом) переключателе. Для наиболее упрощенного анализа схемы падение напряжения на проводящем диоде можно считать постоянным при номинальном значении и не связанным с величиной тока.
Уравнение диода
На самом деле, с прямым падением напряжения не всё так просто. Уравнение описывает точный ток, проходящий через диод, с учётом падения напряжения на переходе, температуры перехода и нескольких физических констант. Это хорошо известное уравнение диода:
ID = IS(eqVD/NkT - 1)
Где:
ID – ток, проходящий через диод (Ампер) IS – ток насыщения диода (Ампер) e – постоянная Эйлера (≈ 2,718281828) q – заряд электрона (1,6 × 10-19 кулона) VD – напряжение на диоде (Вольт) N – коэффициент «неидеальности» или «эмиссии» (обычно равен в пределах от 1 до 2) k – постоянная Больцмана (1,38 × 10-23) T – температура перехода (Кельвин)
Член kT/q описывает напряжение, возникающее в P-N-переходе из-за воздействия температуры, и называется тепловым напряжением или Vt перехода. При комнатной температуре это примерно 26 милливольт. Зная это и принимая коэффициент «неидеальности» равным 1, упростим уравнение диода и перепишем его так:
ID = IS(eVD/0,026 - 1)
Где:
ID – ток, проходящий через диод (Ампер) IS – ток насыщения диода (Ампер) e – постоянная Эйлера (≈ 2,718281828) VD – напряжение на диоде (Вольт)
Вам не понадобится «уравнение диода» для анализа простых диодных цепей. Просто следует понимать, что напряжение, падающее на токопроводящий диод, действительно изменяется с величиной тока, проходящего через него, но это изменение довольно мало в широком диапазоне токов. Вот почему во многих учебниках просто говорится, что падение напряжения на проводящем полупроводниковом диоде остаётся постоянным и составляет 0,7 В для кремния и 0,3 В для германия.
Однако некоторые схемы намеренно используют присущее P-N-переходу экспоненциальное соотношение тока/напряжения и, таким образом, могут быть поняты только в контексте этого уравнения. Кроме того, поскольку в уравнении диода присутствует температура, смещённый в прямом направлении P-N-переход может также использоваться в качестве устройства измерения температуры и, таким образом, может быть понят, только если у специалиста есть концептуальное представление об этой математической зависимости.
Операция обратного включения
Диод с обратным включением предотвращает прохождение тока через него из-за расширенной области обеднения. На самом деле через диод с обратным включением может протекать очень небольшой ток, называемый током утечки, но его в большинстве случаев можно игнорировать.
Способность диода выдерживать напряжения обратного включения ограничена, как и любого диэлектрика. Если приложенное напряжение обратного включения станет слишком большим, диод испытает состояние, известное как пробой (рисунок 8 ниже), которое обычно является разрушительным.
Максимальное номинальное напряжение обратного включения диода известно как пиковое обратное напряжение (ПОН), обычно эта информация предоставляется производителем. Как и прямое напряжение, ПОН диода зависит от температуры, за исключением того, что ПОН увеличивается с повышением температуры и уменьшается по мере того, как диод становится холоднее, что в точности противоположно значению прямого напряжения.
Рис. 8. Диодная кривая: показывает перегиб при прямом включении 0,7 В для кремния при обратном пробое.
Обычно ПОН стандартного «выпрямительного» диода составляет не менее 50 В при комнатной температуре. Диоды с ПОН в несколько тысяч вольт доступны по скромным ценам.
Итог
Диод – это электрический компонент, действующий как односторонний клапан для тока.
Когда напряжение подаётся таким образом, что диод пропускает ток – это прямое включение (прямое смещение) диода.
Когда напряжение подаётся таким образом, что диод препятствует току – это обратное включение (обратное смещение) диода.
Напряжение, падающее на проводящем диоде с прямым включением, называется прямым напряжением. Прямое напряжение диода незначительно изменяется при изменении прямого тока и температуры и фиксируется химическим составом P-N-перехода.
Прямое напряжение кремниевых диодов составляет примерно 0,7 В.
Прямое напряжение германиевых диодов составляет примерно 0,3 В.
Максимальное обратное напряжение включения, которое диод может выдержать без «пробоя», называется пиковым обратным напряжением или номинальным значением ПОН.
