Как работает диод: принцип односторонней проводимости тока
Диод — полупроводниковый прибор, который свободно пропускает электрический ток в одном направлении и практически не пропускает в обратном. Это свойство называется односторонней проводимостью. Диоды входят в состав блоков питания, радиоприёмников, светильников и тысяч других устройств, которыми мы пользуемся каждый день.
Устройство p-n-перехода
Большинство диодов изготовлено на основе кремниевого кристалла с двумя зонами различного легирования. В зоне типа n (от слова negative) преобладают свободные электроны, которые появляются благодаря атомам фосфора или мышьяка, введённым в кристалл кремния. В зоне типа p (positive) основными носителями заряда служат «дырки» — условные положительные заряды на местах отсутствующих электронов, их создаёт легирование бором или алюминием. На границе этих двух зон формируется p-n-переход. Электроны из зоны n диффундируют в зону p и рекомбинируют с дырками. В результате вблизи границы образуется обеднённый слой, лишённый подвижных носителей заряда, и возникает встроенное электрическое поле, направленное от n к p. Это поле препятствует дальнейшей диффузии и устанавливает равновесие.
Прямое и обратное включение
Если подать напряжение плюсом на p-зону и минусом на n-зону (прямое включение), внешнее поле ослабляет встроенное, обеднённый слой сужается и через переход начинает течь ток. Для кремниевого диода это происходит при напряжении около 0,6-0,7 вольта: именно такое падение напряжения типично для кремниевого диода при прямом токе. Германиевые диоды открываются при 0,2-0,3 вольта и применяются там, где важно минимизировать потери. При обратном включении внешнее поле усиливает встроенное, обеднённый слой расширяется и ток через переход почти не течёт: обратный ток кремниевого диода составляет единицы микроампер. Если обратное напряжение превысить сверх допустимого значения, наступает пробой, который разрушает прибор. Исключение составляют стабилитроны: они специально рассчитаны на контролируемый обратный пробой при заданном напряжении и используются для стабилизации опорного напряжения в схемах.
Разновидности диодов и их назначение
Выпрямительные диоды преобразуют переменный ток в постоянный. В мостовой схеме из четырёх диодов оба полупериода сетевого напряжения преобразуются в однополярные импульсы. После фильтрации конденсаторами получается постоянное напряжение для питания электроники. Светодиоды (LED) излучают свет при прохождении прямого тока: рекомбинация электронов и дырок сопровождается выделением фотонов. Цвет свечения определяется шириной запрещённой зоны полупроводника. Современные светодиоды достигают световой отдачи 200 люмен на ватт, что значительно эффективнее ламп накаливания. Фотодиоды работают в обратном направлении: падающий свет генерирует пары электрон-дырка в обеднённом слое, и в цепи течёт фототок, пропорциональный освещённости. Диоды Шоттки формируются на переходе металл-полупроводник, открываются при 0,3-0,4 вольта и переключаются значительно быстрее обычных диодов, что делает их незаменимыми в высокочастотных импульсных источниках питания.
Диоды в современной электронике
Российские производители электронных компонентов выпускают широкую номенклатуру диодов: от миниатюрных поверхностно монтируемых в корпусе SOD-323 для смартфонов до мощных силовых лавинных диодов на токи 200 ампер для промышленных частотных преобразователей. В блоке питания среднего компьютера стоит не менее 10-15 диодов различных типов. Системы освещения торговых центров и уличные фонари сегодня почти полностью переведены на светодиодные источники, что снижает потребление электроэнергии на 60-80% по сравнению с люминесцентными лампами. В солнечных панелях диоды байпаса защищают секции от перегрева при частичном затенении, сохраняя работоспособность всей установки.
