Диоды

Схематично диод можно представить как две пластинки полупроводника, одна из которых обладает проводимость р-типа, а другая — n-типа. На рис. 80, а дырки, преобладающие в пластинке p-типа, условно изображены кружками,

а электроны, преобладающие в пластинке я-типа,— черными шариками таких же размеров. Эти две области — два электрода диода: анод и катод. Анодом, т. е. положительным электродом, является область p-типа, а катодом, т.е. отрицательным электродом, — область n-типа. На внешние поверхности пластинок нанесены контактные металлические слои, к которым припаяны про­волочные выводы электродов диода.

Диод может находиться в одном из двух состояний: открытом, когда он хорошо проводит ток, и закрытом, когда он плохо проводит ток. Если к электродам диода подключить батарею так, чтобы ее положительный полюс был соединен с анодом диода, т. е. с областью p-типа, а отрицатель­ный — с катодом, т. е. с областью n-типа (рис. 80, 6), то диод окажется в от­крытом состоянии и в образовавшейся цепи пойдет ток, величина которого зависит от свойств диода и приложенного к нему напряжения. При такой полярности подключения батареи электроны в области n-типа перемещаются от минуса к плюсу, т. е. в сторону области p-типа, а дырки в области p-типа Движутся навстречу электронам — от плюса к минусу. Встречаясь на границе областей, называемой электронно-дырочным переходом или, ко­роче, р-n переходом, электроны как бы «впрыгивают» в дырки, в резуль­тате и те и другие при встрече прекращают свое существование. Металли­ческий контакт, соединенный с отрицательным полюсом батареи, может отдать области n -типа практически неограниченное количество электронов, пополняя убыль электронов в этой области, а контакт, соединенный с положительным полюсом батареи, может принять из области p-типа такое же количество элек­тронов, что равнозначно введению в него соответствующего количества дырок. В этом случае сопротивление р-п перехода мало, вследствие чего через диод идет ток, называемый прямым током. Чем больше площадь р-п перехода и напряжение батареи, тем больше прямой ток.

Если полюсы батареи поменять местами, как это показано на рис. 80, в, диод окажется в закрытом состоянии. В этом случае электрические заряды в диоде поведут себя иначе. Теперь, удаляясь от p-n перехода, электроны в об­ласти n-типа будут перемещаться к положительному, а дырки в области p-типа — к отрицательному контактам диода. В результате граница областей с раз­личными типами проводимости как бы расширится, образуя зону, обедненную электронами и дырками (на рис. 80, в она заштрихована) и, следовательно, оказывающую току очень большое сопротивление. Однако в этой зоне неболь­шой обмен носителями тока между областями диода все же будет происходить. Поэтому через диод пойдет ток, но во много раз меньший чем прямой. Этот ток называют обратным током диода.

На графиках, характеризующих работу диода, прямой ток обозначают Iпр, а обратный Iобр.

А если диод включить в цепь с переменным током? Он будет открываться при положительных полупериодах на аноде, свободно пропуская ток одного направления — прямой ток Iпр, и закрываться при отрицательных полупериодах на аноде, почти не пропуская ток противоположного направления — обратный ток Iобр. Эти свойства диодов и используют в выпрямителях для преобразования переменного тока в постоянный.

Напряжение, при котором диод открывается и через него идет прямой ток, называют прямым (пишут Uпр) или пропускным, а напряжение обратной полярности, при котором диод закрывается и через него идет обратный.ток, называют обратным (пишут Uобр) или непропускным. При прямом напря­жении сопротивление хорошего диода не превышает нескольких десятков ом, при обратном же напряжении его сопротивление достигнет десятков, сотен килоом и даже мегаом. .В этом нетрудно убедиться, если измерить сопро­тивления диода омметром.

Внутреннее сопротивление диода — величина непостоянная и зависит от пря­мого напряжения, приложенного к диоду: чем больше это напряжение, тем больше прямой ток через диод, тем меньше его пропускное сопротивление. Судить о сопротивлении диода можно по падению напряжения на нем и току через него. Так, например; если через диод идет прямой ток Iпр = 100 мА (0,1 А) и при этом на нем падает напряжение 1 В, то (по закону Ома) прямое сопротивление диода будет: R = U/I= 1/0,1 = 10 Ом.

При закрытом состоянии на диоде падает почти все прикладываемое к нему напряжение, обратный ток через него чрезвычайно мал, а сопротивление, следовательно, велико.

Зависимость тока через диод от значения и полярности приложенного к нему напряжения изображают в виде кривой, именуемой вольт-амперной характеристикой диода. Такую характеристику ты видишь на рис. 81. Здесь по вертикальной оси вверх отложены значения прямого тока Iпр, а вниз — значения обратного тока Iобр. По горизонтальной оси вправо обозначены вели­чины прямого напряжения Uпр, влево — обратного напряжения Uo6p.

На таком графике различают прямую ветвь (в правой верхней части), соответствующую прямому току через диод, и обратную ветвь, соответ­ствующую обратному току через диод. Из характеристики видно, что ток Iпр

диода в сотни раз больше тока /0£р. Так, например, у диода, имеющего такую вольт-амперную характеристику, уже при прямом напряжении Unp = 0,5 В ток /пр равен 50 мА (точка а на характеристике), при Uпр = 1 В он возрастает до 150 мА (точка б на характеристике), а при обратном напряжении Сгобр = 100 В обратный ток /0бр не превышает 0,5 мА (500 мкА). Подсчитай, во сколько раз при одном и том же прямом и обратном напряжении прямой ток больше об­ратного.

Прямая ветвь идет круто вверх, как бы прижимаясь к вертикальной оси. Она характеризует быстрый рост прямого тока через диод с увеличением пря­мого напряжения. Обратная же ветвь, как видишь, идет почти параллельно горизонтальной оси, характеризуя медленный рост обратного тока. Наличие заметного обратного тока — недостаток диодов.

Примерно такие вольт-амперные характеристики имеют все полупроводнико­вые диоды.

Работу диода как преобразователя переменного тока в ток постоянный иллюстрируют графики на рис. 82. При положительных полупериодях на аноде диод открывается. В эти моменты времени (t) через диод, а значит, и во всей цепи, в которую он включен, течет прямой ток Iпр. При отрицательных полу­периодах на аноде диод закрывается и в цепи течет незначительный обратный ток диода Iобр. Диод как бы отсекает большую часть отрицательных полуволн переменного тока (на рис. 82 показано штриховыми линиями). И вот резуль­тат: в цепи, в которую включен диод, течет уже не переменный, а пуль­сирующий ток — ток одного направления, но изменяющийся по величине с частотой переменного тока. Это и есть выпрямление переменного тока. Таким образом, диод является прибором, обладающим резко выраженной одно­сторонней проводимостью электрического тока. И если пренебречь малым об­ратным током (что и делают на практике), который у исправных диодов не превышает малые доли миллиампера, можно считать, что диод является Односторонним проводником тока.

Прибор, на примере которого я рассказал тебе о работе и свойствах диода, состоял из двух пластинок полупроводников разной электропроводности, соеди­ненных по плоскостям. Подобные диоды называют плоскостными.

В действительности же плоскостной диод представляет собой одну пластинку полупроводника, в объеме которой созданы две области разной электропроводности. Технология изготовления плоскостных диодов такова. На поверхности квадратной пластинки площадью 2—4 мм2 и толщиной в несколько долей мил­лиметра, вырезанной из кристалла полупроводника с электронной проводи­мостью, расплавляют маленький кусочек индия. Индий крепко сплавляется с пластинкой. При этом атомы индия проникают (диффундируют) в толщу плас­тинки, образуя в ней область с преобладанием дырочной проводимости (рис. 83, а). Получается полупроводниковый прибор с двумя областями различ­ного типа проводимости, а между ними р-п переход. Контактами электродов диода служат капелька индия и металлический диск (или стержень) с выводными проводниками.

Рис. 83. Схематическое устройство (а) и внешний вид (б) некоторых плоскост­ных диодов.

Так устроены наиболее распространенные плоскостные германиевые и крем­ниевые диоды. Внешний вид некоторых диодов показан на рис. 83, б. Приборы заключены в цельнометаллические корпуса со стеклянными изоляторами, что позволяет использовать их для работы в условиях повышенной влажности. Диоды, рассчитанные на выпрямление значительных токов, имеют винты с гай­ками для крепления их на монтажных панелях или шасси.

Плоскостные диоды маркируются буквами и цифрами, например: Д226А, Д242. Буква Д в маркировке прибора означает «диод», цифры, следующие за нею,—заводской порядковый номер конструкции. Буквы, стоящие в конце обозначения диодов, указывают на разновидности групп приборов. Плоскостные диоды предназначены в основном для работы в выпрямителях переменного тока, их называют выпрямительными диодами.

Теперь о точечном диоде.

Внешний вид одного из таких приборов и его устройство (в сильно уве­личенном виде) показаны на рис. 84. Это диод типа Д9. Буква «Д» в его маркировке означает «диод», а цифра «9» — порядковый заводской номер кон­струкции. Такой или ему подобный диод, например Д2, тебе уже знаком — я рекомендовал использовать его в твоем первом приемнике в качестве детектора. Выпрямительным элементом такого прибора служат тонкая и очень маленькая (площадью около 1 мм2) пластинка полупроводника германия или кремния и вольфрамовая проволочка, упирающаяся Острым концом в пластинку полу­проводника. Они припаяны к посеребренным проволочкам длиной 50 мм, явля­ющимся выводами диода. Вся эта конструкция находится внутри стеклянной трубочки диаметром около 3 и длиной меньше 10 мм, запаянной с концов.

После сборки диод формуют — пропускают через контакт между пластинкой и проволочкой ток определенной величины. При этом под острием прово­лочки в кристалле полупроводника образуется небольшая область с дырочной проводимостью. Поддается электронно-дырочный переход, обладающий одно­сторонней проводимостью тока. Пластинка полупроводника является катодом, а вольфрамовая проволочка — анодом точечного диода.

Проволочный вывод анода типа Д9 обозначен красной меткой на его корпусе. Электроды точечного диода типа Д2 обозначают символом диода на одном из его ленточных выводов.

У точечного диода площадь соприкосновения острия проволоч­ки с поверхностью пластинки по­лупроводника чрезвычайно мала — не более 50 мкм2. Поэтому токи, которые точечные диоды могут вы­прямлять в течение продолжитель­ного времени, малы.

Точечные диоды радиолюбите­ли обычно используют для детекти­рования модулированных коле­баний высокой частоты, поэтому их часто называют высокочастот­ными диодами.

Как для плоскостных, так и для точечных диодов существуют максимально допустимые зна­чения прямого и обратного тока, зависящие от прямого и обратного напряжений и определяющие их вы­прямительные свойства и электриче­скую прочность. Плоскостной диод типа Д226В, например, может про­должительное время выпрямлять ток до 300 мА. Но если его вклю­чить в цепь, потребляющую ток более 300 мА, он будет нагреваться, что неизбежно приведет к теплово­му пробою р-п перехода и выходу диода из строя. Диод будет пробит и в том случае, если он окажется в цепи, в которой на него будет подаваться обратное напряжение более чем 400 В. Второй пример — точечный диод Д9А. Допустимый для него выпрямленный ток 65 мА, а допустимое обратное напряжение 10 В. Основные параметры полупроводниковых диодов указывают в их паспортах и справочных табли­цах. Превышение этих пределов приводит к порче приборов.

Основные параметры наиболее распространенных точечных и плоскостных полупроводниковых диодов ты найдешь в прилож. 2.

А теперь, чтобы лучше закрепить в памяти твое представление о свой­ствах диодов, предлагаю провести такой опыт. В электрическую цепь, состав­ленную из батареи 3336Л и лампочки от карманного фонаря 3,5 В х 0,28 А, включи любой плоскостной диод из серии Д226 или Д7, но так, чтобы анод диода был соединен непосредственно или через лампочку с положительным выводом батареи, а катод — с отрицательным выводом батареи (рис. 85, а). Лампочка должна гореть почти так же, как если бы диода не было в цепи. Измени порядок включения электродов диода в цепь на обратный (рис. 85, б).

Теперь лампочка гореть не должна. А если горит, значит, диод оказался с пробитым р-п переходом. Такой диод можно разломить, чтобы посмотреть, как он устроен,—для работы как выпрямитель он все равно непригоден. Но, надеюсь, диод был хорошим и опыт удался.

Почему при первом включении диода в цепь лампочка горела, а при втором не горела? В первом случае диод был открыт, так как на него подавалось прямое напряжение Uпр, сопротивление диода было мало и через него протекал прямой ток Iпр, величина которого определялась нагрузкой цепи — лампочкой. Во втором случае диод был закрыт, так как к нему прикладывалось обратное напряжение Uобр, равное напряжению батареи, сопротивление диода было очень большое и в цепи тек лишь незначительный обратный ток диода Iобр, который не мог накалить нить лампочки.

В этом опыте лампочка выполняла двойную роль. Она, во-первых, была индикатором наличия тока в цепи, а во-вторых, ограничивала ток в цепи до 0,28 А и таким образом защищала диод от перегрузки.

В. Г. Борисов. Юный Радиолюбитель