5. Идеальный и реальный диод

Идеальный диод – это некоторая идеализация диода, при которой учитываются только его основные свойства, а побочные эффекты игнорируются.

При анализе диода рассматривают два случая.

Если U₁>U₂, через диод протекает ток. Считают, что точки 1, 2 замкнуты “накоротко”, и диод заменяется обычным проводником, имеющим нулевым сопротивление. Это «прямое включение» диода.

Если U₁<U₂, то точки 1 и 2 разомкнуты, ток не может протекать, считается просто «разрыв цепи». Это «обратное включение».

Реальный диод отличается от идеального представления.

1. Сопротивление диода при прямом включении хоть и маленькое, но все же отлично от нуля, причем меняется по достаточно сложному закону в зависимости от приложенного напряжения.

2. В закрытом состоянии диод представляет собой конденсатор, причем его емкость зависит от напряжения (с повышением напряжения заряды «расходятся», что эквивалентно раздвижению пластин конденсатора). Это используется в параметрическом диоде – варикапе.

3. В закрытом состоянии сопротивление диода не бесконечное, и в нем может протекать слабый «обратный ток», обусловленный неосновными носителями (электронами в p–типе, дырками в n–типе). Обратное включение для основных носителей оказывается прямым для неосновных.

4. При повышении напряжения при обратном включении возможен пробой диода: тепловой, ведущей к разрушению диода, или лавинный, связанный с образованием свободных электронов и дырок под действием сильного поля. Лавинный пробой используется в опорном диоде – стабилитроне.

5. При облучении светом диода в закрытом состоянии может увеличиваться обратный ток за счет внутреннего фотоэффекта (появление свободных электронов и дырок). Используется в фотодиоде (появлении тока при освещении).

6. В некоторых диодах при прямом включении возможна рекомбинация электронов и дырок (электрон «попадает» в дырку). При этом выделяется энергия в виде тепла или излучения. Излучение света используется в светодиодах.

Перечисленные особенности используются в аналоговой технике. Однако есть еще две особенности, которые важны для цифровой техники.

7. При подаче прямого напряжения диод открывается не сразу, а только при достижении некоторого «порогового» значения: 0.1В - 0.2В для германия и 0.5В -0.7В для кремния. Это связано с контактными явлениями: в закрытом состоянии электроны самопроизвольно проникают в p–тип, дырки в n–тип. Например, если совместить две емкости с разными газами или жидкостями, а потом убрать между ними перегородку, произойдет самопроизвольное перемешивание разных веществ. Аналогичное явление происходит и при контакте проводников разных типов. Однако электроны и дырки имеют заряды, поэтому при их перемещении возникает «контактная разность потенциалов», препятствующая дальнейшей диффузии электронов и дырок. Контактная разность потенциалов соответствует «обратному включению». Поэтому при подаче прямого напряжения необходимо превысить эту контактную разность. При этом электроны и дырки «возвращаются на свои места». Это позволяет обеспечить помехоустойчивость в цифровых схемах: логический ноль может быть не ровно 0В, но и ± 0.5В.

8. При выключении диода наблюдается задержка переключения. Это связано с так называемой барьерной емкостью, то есть переходными процессами зарядки конденсатора – диода в закрытом состоянии. Вторая причина – рассасывание заряда: электроны возвращаются в n–тип, дырки в p–тип. Это – так называемая диффузионная емкость. Эти эффекты сдерживают увеличение быстродействия цифровой техники.