И. Хабловски - Электроника в вопросах и ответах

Анодный ток зависит от потенциала на аноде относительно катода. При нулевом и даже небольшом отрицательном анодном напряжении (рис. 3.14, б ) существует небольшой ток за счет собственной скорости электронов, которые попадают на анод несмотря па отсутствие ускоряющего поля. В интервале небольших положительных напряжений анодный ток возрастает при одновременном уменьшении пространственного заряда. При дальнейшем росте анодного напряжения наступает все более сильное выхватывание электронов из облака пространственного заряда вплоть до полной ликвидации этого заряда. Дальнейшее увеличение анодного тока при этом ограничивается эмиссионными свойствами катода, и наступает режим насыщения тока. Вольт-амперная характеристика диода имеет нелинейный характер.

Вакуумные диоды обладают некоторой паразитной междуэлектродной емкостью (обычно больше 3 пФ) и относительно высоким сопротивлением в проводящем направлены.

Вакуумные диоды рассчитаны на максимальные обратные напряжения от нескольких вольт до нескольких десятков тысяч вольт при токах в прямом направлении, доходящих до нескольких ампер.

В большинстве случаев вакуумные диоды были заменены полупроводниковыми диодами, особенно в схемах детекторов и выпрямителей малой и средней мощности.

Рис. 3.14. Схема включения ( а) и характеристики ( б) вакуумного диода:

1 — начальный ток; 2— область пространственного заряда; 3— вольфрамовый катод; 4— оксидный катод

Это диоды, наполненные разреженным благородным газом или парами ртути, в которых носителями зарядов являются как электроны, так и положительные ионы. Существуют газоразрядные лампы с холодным катодом, называемые лампами тлеющего разряда , и газоразрядные лампы с накаливаемым катодом, называемые газотронами . В диодах с холодным катодом существенную роль играют свободные электроны и положительные ионы, находящиеся в газе, в частности, в результате воздействия световой энергии и внутренней тепловой энергии частиц, газа. При достаточно высоком анодном потенциале ускоренные свободные электроны вызывают ионизацию газа, а положительные ионы бомбардируют катод и благодаря своей большой массе, а также высокой кинетической энергии вызывают вторичную эмиссию с поверхности катода.

Газотроны чаще всего применяют в качестве выпрямительных диодов для больших токов (до 100 А), а также в схемах регулировки напряжения, тогда как лампы тлеющего разряда применяют для стабилизации напряжения, для чего используется плоская часть вольт-амперной характеристики, соответствующая области ионизации газа (рис. 3.15). Кроме того, газотроны применяют в качестве неоновых ламп, цвет свечения которых зависит от наполняющего лампу газа, например неон дает красное свечение, гелий — желтое, пары ртути с неоном и аргоном — голубое. Существуют также лампы тлеющего разряда, имеющие 10 катодов в виде цифр от 0 до 9, используемые в цифровых индикаторах счетных устройств.

Рис. 3.15. Характеристика диода с тлеющим разрядом

Диод является элементом, очень часто используемым в электронных устройствах. В интегральных схемах применяют только диоды с р-n переходом. Диод в схемах играет роль вентиля. Параметры реального диода отличаются от параметров идеального. Наиболее нежелательные явления — обратный ток, существование некоторого сопротивления в прямом направлении, паразитная емкость, а также нелинейность отдельного участка вольт-амперной характеристики. При применениях диода в качестве переключателя в диапазоне высоких частот или в схемах с импульсами с крутыми фронтом и срезом решающее значение имеют динамические свойства.

Диоды используют главным образом в схемах ограничения, выпрямления, детектирования, а также в вентильных схемах в цифровой технике. В каждом из этих случаях берут диоды, удовлетворяющие определенным требованиям, если речь идет о динамических свойствах, внутреннем сопротивлении, емкости, токовой эффективности и электрической прочности.

Динамические свойства диода определяются при работе в режиме переключения, т. е. при переходе из состояния включения (прямое направление) в состояние выключения (обратное направление) либо наоборот. Идеальный диод практически не обладает инерционностью при переключении, тогда как реальный полупроводниковый диод характеризуется ограниченной скоростью переключения (рис. 3.16), являющейся следствием явлений, происходящих в запирающем слое. Эти явления исключают возможность очень быстрого изменения концентрации носителей.

Одной из причин такого состояния является наличие емкости перехода, называемой также переходной емкостью . Переход действует на принципе конденсатора, к которому следует подвести (либо удалить) заряд с целью формирования области барьера. Для этого всегда требуется некоторое время. Переходная емкость зависит от приложенного напряжения. Для быстродействующих плоскостных диодов она равна 0,5–2 пФ.

Другой причиной ограниченной скорости переключения является накопление заряда в диоде, пропорциональное току в прямом направлении. Действие заряда определяется с помощью диффузионной емкости. Влияние заряда наглядно видно при переключении из состояния проводимости в состояние запирания. Лучшими динамическими свойствами обладают точечные диоды, но одновременно они имеют достаточно высокое сопротивление в прямом направлении, в результате чего на них возникает определенное падение напряжения в проводящем состоянии. Наилучшими свойствами обладают диоды с плоским переходом металл — полупроводник, у которых благодаря малому накопленному заряду в переходе время переключения составляет менее 0,1 не при сопротивлении меньше 1 Ом.

Работу полупроводникового элемента в режиме переключения более детально рассмотрим на примере транзистора.

Рис. 3.16. Переходные процессы в диоде при переключении из состояния проводимости в состояние запирания ( а) и наоборот ( б):

1 — открытое; 2— закрытое состояние