Виды диодов

Один и тот же диод можно отнести сразу к нескольким группам. Например, компонент может быть силовым по допустимому току, быстродействующим по динамическим параметрам и выпрямительным по функции в схеме. Поэтому единой классификации, которая полностью описывает любой диод одним словом, не существует.

Название семейства указывает только на его характерные свойства. Оно не заменяет проверку даташита: два выпрямительных диода могут иметь разные токи, обратные напряжения, корпуса и время восстановления.

Физические причины этих различий разобраны в разделе о работе диода.

Выпрямительный диод рассчитан прежде всего на проведение тока в прямом направлении и блокирование обратного напряжения. Такие компоненты применяют в сетевых блоках питания, вторичных обмотках трансформаторов, зарядных цепях и других преобразователях переменного напряжения.

Для этого семейства особенно важны:

• допустимый средний прямой ток;
• повторяющееся обратное напряжение;
• импульсный ток, возникающий при включении или зарядке конденсатора;
• прямое падение при рабочем токе;
• допустимая температура перехода и условия охлаждения.

Скорость восстановления также имеет значение, но её приоритет зависит от частоты схемы. Диод, подходящий для выпрямителя 50 Гц, может создавать большие потери и выбросы в высокочастотном преобразователе.

Выпрямительные диоды выпускают как отдельные компоненты, сборки с общим выводом и готовые мосты. Мост не является отдельным физическим типом перехода – это соединение четырёх диодов в одной схеме или корпусе. Его работа и расчёт нагрузки рассматриваются на странице о диодном мосте и выпрямлении.

Сигнальные диоды работают с небольшими токами и напряжениями в цепях обработки сигналов. Их применяют для ограничения уровня, детектирования, коммутации, формирования импульсов и развязки логических цепей. Для таких задач часто важнее малая ёмкость и предсказуемое переключение, чем способность рассеивать большую мощность.

Импульсный диод должен быстро переходить из открытого состояния в закрытое. При выборе оценивают время обратного восстановления trr, заряд восстановления Qrr и барьерную ёмкость. Эти параметры измеряются в определённом режиме, поэтому значения из разных даташитов нельзя сравнивать без проверки условий.

Понятия «сигнальный», «быстрый» и «импульсный» пересекаются, но не являются полными синонимами. Малосигнальный диод может оказаться быстрым, но не выдерживать ток силового преобразователя. Силовой сверхбыстрый диод рассчитан на больший ток, однако его ёмкость может быть слишком высокой для чувствительной высокочастотной цепи.

Различия между быстрыми p-n-компонентами и барьером Шоттки собраны на странице о диодах Шоттки и быстрых диодах.

В диоде Шоттки выпрямляющий переход образован контактом металла с полупроводником, а не обычной границей p- и n-областей. Такая структура обычно даёт меньшее прямое падение и не накапливает заряд неосновных носителей так, как p-n-переход.

Это делает диоды Шоттки полезными в низковольтных источниках питания, высокочастотных преобразователях, цепях развязки питания и ограничителях сигнала. Снижение прямого падения особенно заметно там, где оно составляет существенную долю выходного напряжения.

Преимущества сопровождаются ограничениями. У диодов Шоттки обычно выше обратный ток утечки, а доступное обратное напряжение зависит от конкретной технологии и может быть ниже, чем у сопоставимого кремниевого p-n-диода. Утечка заметно возрастает с температурой и способна увеличить потери в закрытом состоянии.

Фраза «у Шоттки нет обратного восстановления» является упрощением. Накопленного заряда p-n-перехода действительно нет, но остаются барьерная ёмкость, переходные токи и потери при её перезарядке. Рабочие компромиссы подробнее разобраны на странице «Диоды Шоттки и быстрые диоды».

Стабилитроны и TVS-диоды используют обратную область характеристики, однако рассчитаны на разные задачи. Стабилитрон формирует или ограничивает относительно устойчивое напряжение при длительном токе в заданном диапазоне. TVS-диод принимает короткий импульс перенапряжения и ограничивает его амплитуду.

У TVS существуют однонаправленные и двунаправленные исполнения. Выбор зависит не только от полярности сигнала, но и от допустимого рабочего напряжения линии, формы импульса и требуемого уровня ограничения.

Расчётные режимы и обозначения параметров приведены на странице о стабилитронах и TVS-диодах.

Светодиод преобразует часть электрической энергии в оптическое излучение при прямом токе. Цвет определяется материалом и шириной запрещённой зоны, а не окраской корпуса. Белые светодиоды обычно используют преобразование спектра люминофором, поэтому их электрические и оптические свойства зависят от конструкции.

Светодиод является токовым компонентом: источник или драйвер должен ограничивать ток. Прямое падение нельзя назначать как универсальную константу – оно зависит от цвета, технологии, тока и температуры. Для мощных светодиодов дополнительно рассчитывают отвод тепла от перехода.

Лазерный диод также излучает свет при прямом токе, но работает с вынужденным излучением и имеет порог генерации. Ему требуется специализированный драйвер, контроль тока и нередко температурная стабилизация. Даже короткий выброс может повредить активную область.

К оптоэлектронным семействам относятся:

• индикаторные и осветительные светодиоды;
• инфракрасные и ультрафиолетовые излучатели;
• многоцветные светодиоды;
• лазерные диоды;
• оптроны, внутри которых излучатель работает вместе с фотоприёмником.

Фотодиод преобразует падающее излучение в электрический сигнал. Фотоны создают пары носителей заряда в чувствительной области, после чего внутреннее или внешнее поле формирует фототок. Его величина связана с оптической мощностью и спектральной чувствительностью компонента.

Распространены два режима включения:

1. Фотовольтаический режим без внешнего смещения даёт малый темновой ток и применяется там, где важны точность и низкий шум.
2. Фотопроводящий режим с обратным смещением уменьшает ёмкость перехода и повышает быстродействие, но увеличивает темновой ток и требования к схеме.

Фотодиод обычно подключают к преобразователю ток–напряжение, поскольку простой резистор не всегда обеспечивает требуемые чувствительность, полосу и линейность. При выборе учитывают спектральный диапазон, чувствительную площадь, темновой ток, ёмкость, скорость и шум.

Отдельное семейство образуют лавинные фотодиоды. В них внутреннее усиление достигается за счёт лавинного умножения носителей, но для работы требуются контролируемое обратное напряжение и более сложная малошумящая схема.

Некоторые диоды создают не для обычного выпрямления, а для использования определённого физического эффекта.

Варикап работает при обратном смещении как управляемая напряжением ёмкость. Изменение ширины обеднённого слоя меняет барьерную ёмкость, что применяется в перестраиваемых фильтрах, генераторах и контурах согласования. Рабочими становятся диапазон ёмкости, добротность и зависимость ёмкости от напряжения.

PIN-диод содержит широкую слаболегированную область между p- и n-слоями. На высокой частоте его сопротивлением можно управлять прямым током, поэтому такие компоненты используют в радиочастотных переключателях, аттенюаторах и ограничителях. Поведение PIN-диода нельзя оценивать как у обычного низкочастотного выпрямителя.

К более узким специальным семействам относятся:

• туннельные диоды с участком отрицательного дифференциального сопротивления;
• диоды с накоплением заряда для формирования очень коротких фронтов и гармоник;
• лавинные диоды для контролируемой работы в области лавинного пробоя;
• диоды Ганна, используемые как микроволновые генераторы, хотя их структура не содержит обычного p-n-перехода.

Название специального типа описывает предполагаемый эффект, но не гарантирует совместимость с конкретной схемой. Предельные напряжения, токи, частотный диапазон и условия смещения проверяют по параметрам конкретного диода и его даташиту.