Диоды и выпрямители: основы, работа и ключевые параметры

Всё о диодах

Диод — полупроводниковый прибор, пропускающий электрический ток в одном направлении с малым сопротивлением и блокирующий в обратном. В большинстве современных схем термин «диод» относится к маломощным приборам до 1 А. Приборы для более высоких токов (свыше 1 А) обычно называют выпрямителями.

На схемах диоды изображаются характерным символом: треугольник, указывающий на линию. Треугольник — анод (p-сторона), линия — катод (n-сторона). См. иллюстрацию ниже.

В простой схеме батарея-лампа-диод, диод либо пропускает, либо блокирует ток через лампу в зависимости от полярности приложенного напряжения (иллюстрация ниже).

На диаграмме два сценария: (а) прямое смещение — ток течёт; (б) обратное смещение — ток блокирован. Прямо смещённый диод ведёт себя как замкнутый ключ, обратное — как разомкнутый.

По соглашению, наконечник стрелки в символе диода указывает в направлении условного тока. Если рассматривать электронный ток, направление противоположно стрелке.

Гидравлическая аналогия с обратным клапаном

Поведение диода сравнимо с гидравлическим обратным клапаном, пропускающим поток только в одном направлении. На рисунке клапан в двух состояниях.

Обратные клапаны открываются, когда давление вниз по течению превышает вверх по течению, и закрываются иначе. Аналогично диод пропускает ток при правильной полярности напряжения и блокирует при обратной.

В цепи батарея-диод-лампа падение напряжения на каждом элементе меняется при смещении. На диаграмме ниже показано распределение напряжений.

Конфигурация прямого смещения диода

При прямом смещении диод проводит и сбрасывает небольшое напряжение — типично ~0,7 В для кремниевых и 0,3 В для германиевых — пока большая часть напряжения источника падает на нагрузку. В обратном смещении диод блокирует почти весь ток и сбрасывает практически всё напряжение питания.

Прямое падение напряжения возникает из-за коллапса области обеднения p-n перехода под достаточным приложенным напряжением. Без приложенного напряжения существует тонкая область обеднения, препятствующая проводимости (см. рисунок).

Схематический символ (показан ниже) соответствует физическому прибору: анод — вершина треугольника (p-тип), катод — линия (n-тип).

Конфигурация обратного смещения диода

Приложение обратного напряжения расширяет область обеднения, повышая сопротивление и эффективно блокируя ток. Следующее изображение демонстрирует расширенную область при обратном смещении.

Прямое напряжение

По мере роста прямого напряжения область обеднения тонше до коллапса, позволяя значительному току течь. Этот порог называется прямым напряжением. Для кремниевых диодов типичное прямое напряжение 0,7 В; для германиевых — 0,3 В. Значение во многом определяется составом материала перехода и остаётся относительно постоянным в широком диапазоне прямых токов, упрощая анализ схем.

Уравнение диода

Точное соотношение между током и напряжением в диоде выражается уравнением Шокли:

Здесь kT/q — термическое напряжение (≈26 мВ при комнатной температуре). С коэффициентом идеальности 1 уравнение упрощается до:

Хотя вводные анализы часто рассматривают прямое напряжение как константу, понимание экспоненциальной природы уравнения необходимо для схем, использующих эту зависимость — таких как температурные датчики или прецизионные выпрямители.

Работа в обратном смещении

В обратном смещении диод блокирует ток, хотя течёт минимальный ток утечки — пренебрежимый для большинства применений. Если обратное напряжение превышает указанный предел, может произойти разрушительный пробой. Максимально допустимое обратное напряжение называется пиковым обратным напряжением (PIV), оно меняется с температурой: растёт при нагреве и падает при охлаждении.

Типичные выпрямительные диоды имеют PIV не менее 50 В при комнатной температуре, специализированные — до нескольких киловольт.

Обзор

• Диод — односторонний клапан для электрического тока.
• Когда приложенное напряжение разрешает ток — диод прямо смещён.
• Когда приложенное напряжение блокирует ток — диод обратно смещён.
• Напряжение на проводящем диоде — прямое напряжение; оно мало меняется с током и температурой.
• Кремниевые диоды: прямое напряжение ~0,7 В.
• Германиевые диоды: прямое напряжение ~0,3 В.
• Максимальное обратное напряжение без пробоя — пиковое обратное напряжение (PIV).

Связанные рабочие листы

• Рабочий лист: Выпрямляющие диоды
• Рабочий лист: p-n переходы