Специальные типы диодов

История создания и развития диодов

Развитие диодов началось в третьей четверти XIX века сразу по двум направлениям: в 1873 году британский учёный Фредерик Гутри открыл принцип действия термионных (вакуумных ламповых с прямым накалом) диодов, в 1874 году германский учёный Карл Фердинанд Браун открыл принцип действия кристаллических (твёрдотельных) диодов.

Принципы работы термионного диода были заново открыты тринадцатого февраля 1880 года Томасом Эдисоном, и затем, в 1883 году, запатентованы (патент США № 307031). Однако дальнейшего развития в работах Эдисона идея не получила. В 1899 году германский учёный Карл Фердинанд Браун запатентовал выпрямитель на кристалле^[4]. Джэдиш Чандра Боус развил далее открытие Брауна в устройство применимое для детектирования радио. Около 1900 года Гринлиф Пикард создал первый радиоприёмник на кристаллическом диоде. Первый термионный диод был запатентован в Британии Джоном Амброзом Флемингом (научным советником компании Маркони и бывшим сотрудником Эдисона) 16 ноября 1904 года (патент США № 803684 от ноября 1905 года). 20 ноября 1906 года Пикард запатентовал кремниевый кристаллический детектор (патент США № 836531).

В конце XIX века устройства подобного рода были известны под именем выпрямителей, и лишь в 1919 году Вильям Генри Иклс ввёл в оборот слово «диод», образованное от греческих корней «di» — два, и «odos» — путь^[2].

Типы диодов

Диоды бывают электровакуумными (кенотроны), газонаполненными (газотроны, игнитроны, стабилитроны), полупроводниковыми и др. В настоящее время в подавляющем большинстве случаев применяются полупроводниковые диоды.

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод в стеклянном корпусе. На фотографии виден полупроводник с контактами, подходящими к нему.

Полупроводниковые диоды используют свойство односторонней проводимости p-n перехода — контакта между полупроводниками с разным типом примесной проводимости, либо между полупроводником и металлом (Диод Шоттки).

Ламповые диоды

Ламповые диоды представляют собой радиолампу с двумя рабочими электродами, один из которых подогревается нитью накала. Благодаря этому, часть электронов покидает поверхность разогретого электрода (катода) и под действием электрического поля движется к другому электроду — аноду. Если же поле направлено в противоположную сторону, электрическое поле препятствует этим электронам и тока (практически) нет.

Газотрон [от газ и (элек) трон],двухэлектродный ионный прибор, используемый в качестве вентиля с неуправляемым электрическим разрядом. Газотрон применяют главным образом в высоковольтных выпрямителях переменного электрического тока радиопередатчиков. Электроды Газотрон — анод, изготовляемый из никеля, стали или графита, и оксидный катод с прямым или косвенным подогревом — помещены в среду инертного газа или смеси газов под давлением 0,1—0,25мм рт. ст. (1ммрт. ст. = 133,322 н/м²) либо паров ртути под давлением 0,001—0,01 мм рт. ст. (рис.).

Катод, как правило, помещают в металлический (тепловой) экран для облегчения теплового режима работы. Выпрямляющее действие Газотрон обусловлено тем, что при положительном полупериоде переменного напряжения на аноде, превышающего напряжение зажигания Газотрон, между анодом и катодом возникает несамостоятельный дуговой разряд, который поддерживается небольшим напряжением горения (10—30 в), а при отрицательном полупериоде анод находится под максимально выпрямляемым напряжением и ток в Газотрон практически отсутствует. Напряжение горения мало зависит от протекающего тока, который для различных маломощных Газотрон колеблется в пределах 0,01—0,5 а, а для мощных — 15—150 а. Вследствие незначительного падения напряжения (напряжение горения) при дуговом разряде выпрямители с Газотрон имеют высокий кпд (95—99%). Допустимая температура окружающей среды во время работы Газотрон с ртутным наполнением лежит в пределах от 15 до 50°С, а для Газотрон с газовым наполнением — от 60 до 100°С. Газотрон различают: по роду наполняющего газа (смеси газов) или паров металла (аргон, гелий, пары ртути и др.), по конструкции анода (открытая, полузакрытая, закрытая), по амплитуде выпрямляемого напряжения (низковольтные — тунгары — с напряжением на аноде до 300 в, нормальные — до 15 кв и высоковольтные — до 70 кв).

Мощный газотрон ВГ-163 с ртутным наполнением: 1 — оксидный подогревный катод; 2 — тепловой экран, соединенный с катодом; 3 — графитовый анод; 4 — горловина газотрона, в которой находятся капли ртути; 5 — тепловой экран.

Специальные типы диодов

• Стабилитроны (диод Зенера). Используют обратную ветвь характеристики диода с обратимым пробоем для стабилизации напряжения.
• Туннельные диоды (диоды Лео Эсаки). Диоды, существенно использующие квантовомеханические эффекты. Имеют область т. н. «отрицательного сопротивления» на вольт-амперной характеристике. Применяются как усилители, генераторы и пр.
• Варикапы. Используется то, что запертый p—n-переход обладает большой ёмкостью, причём ёмкость зависит от выставленного обратного напряжения. Применяются в качестве конденсаторов переменной ёмкости.
• Светодиоды (диоды Генри Раунда). В отличие от обычных диодов, при рекомбинации электронов и дырок в переходе излучают свет в видимом диапазоне, а не в инфракрасном. Однако, выпускаются светодиоды и с излучением в ИК диапазоне, а с недавних пор — и в УФ.
• Полупроводниковые лазеры. По устройству близки к светодиодам, однако имеют лазерный резонатор, излучают когерентный свет.
• Фотодиоды. Запертый фотодиод открывается под действием света.
• Солнечный элемент. Подобен фотодиоду, но работает без смещения. Падающий на p-n переход свет вызывает движение электронов и генерацию тока.
• Диоды Ганна. Используются для генерации и преобразования частоты в СВЧ диапазоне.
• Диод Шоттки. Диод с малым падением напряжения при прямом включении.
• Лавинно-пролётный диод. Диод, работающий за счёт лавинного пробоя.
• Магнитодиод. Диод, вольт-амперная характеристика которого существенно зависит от значения индукции магнитного поля и расположения его вектора относительно плоскости p-n-перехода.
• Стабисторы. При работе используется участок ветви вольт-амперной характеристики, соответствующий «прямому напряжению» на диоде.
• Смесительный диод — предназначен для перемножения двух высокочастотных сигналов.
• Лавинный диод — используется в качестве элементов защиты цепей.
• pin диод — содержит область собственной проводимости между сильнолегированными областями. Используется в СВЧ-технике, силовой электронике, как фотодетектор.

Применение диодов

Диодные выпрямители

Трёхфазный выпрямитель Ларионова А. Н. на трёх полумостах

Диоды широко используются для преобразования переменного тока в постоянный (точнее, в однонаправленный пульсирующий). Диодный выпрямитель или диодный мост (То есть 4 диода для однофазной схемы, 6 для трёхфазной полумостовой схемы или 12 для трёхфазной полномостовой схемы, соединённых между собой по схеме) — основной компонент блоков питания практически всех электронных устройств. Диодный трёхфазный выпрямитель по схеме Ларионова А. Н. на трёх параллельных полумостах применяется в автомобильных генераторах, он преобразует переменный трёхфазный ток генератора в постоянный ток бортовой сети автомобиля. Применение генератора переменного тока в сочетании с диодным выпрямителем вместо генератора постоянного тока с щёточно-коллекторным узлом позволило значительно уменьшить размеры автомобильного генератора и повысить его надёжность.

В некоторых выпрямительных устройствах до сих пор применяются селеновые выпрямители. Это вызвано той особенностью данных выпрямителей, что при превышении предельно допустимого тока, происходит выгорание селена (участками), не приводящее (до определенной степени) ни к потере выпрямительных свойств, ни к короткому замыканию — пробою.

В высоковольтных выпрямителях применяются селеновые высоковольтные столбы из множества последовательно соединённых селеновых выпрямителей и кремниевые высоковольтные столбы из множества последовательно соединённых кремниевых диодов.

Диодные детекторы

Диоды в сочетании с конденсаторами применяются для выделения низкочастотной модуляции из амплитудно-модулированного радиосигнала или других модулированных сигналов. Диодные детекторы применяются почти во всех^{[источник не указан 572 дня]} радиоприёмных устройствах: радиоприёмниках, телевизорах и т.п. Используется квадратичный участок вольт-амперной характеристики диода.

Диодная защита

Диоды применяются также для защиты разных устройств от неправильной полярности включения и т. п.

Известна схема диодной защиты схем постоянного тока с индуктивностями от скачков при выключении питания. Диод включается параллельно катушке так, что в «рабочем» состоянии диод закрыт. В таком случае, если резко выключить сборку, возникнет ток через диод и сила тока будет уменьшаться медленно (ЭДС индукции будет равна падению напряжения на диоде), и не возникнет мощного скачка напряжения, приводящего к искрящим контактам и выгорающим полупроводникам.

Диодные переключатели

Применяются для коммутации высокочастотных сигналов. Управление осуществляется постоянным током, разделение ВЧ и управляющего сигнала с помощью конденсаторов и индуктивностей.

Диодная искрозащита

Интересные факты

• В первые десятилетия развития полупроводниковой технологии точность изготовления диодов была настолько низкой, что приходилось делать «разбраковку» уже изготовленных приборов. Так, диод Д220 мог, в зависимости от фактически получившихся параметров, маркироваться и как переключательный (Д220А,Б), и как стабилитрон (Д220С).^{[источник не указан 518 дней]} Радиолюбители широко использовали его в качестве варикапа.
• Диоды могут использоваться как датчики температуры.
• Диоды в прозрачном стеклянном корпусе (в том числе и современные SMD-варианты) могут обладать паразитной чувствительностью к свету (то есть радиоэлектронное устройство работает по-разному в корпусе и без корпуса, на свету).
• Американским учёным из университета штата Аризона удалось создать диод, состоящий всего из одной молекулы.^[5]
• Японским учёным удалось создать тепловой диод — устройство, способное пропускать тепло только в одном направлении

Поиск по сайту: