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}

В простой схеме ограничителя последовательного типа (рис. 3.17) диод проводит, когда на аноде присутствует положительное относительно катода напряжение (проводящее направление), — в течение положительного (верхнего) полупериода входного напряжения и не проводит, когда напряжение на аноде отрицательно (обратное направление), — в течение отрицательного полупериода входного напряжения.

Рис. 3.17. Простой последовательный ограничитель снизу

Выходное напряжение на нагрузочном резисторе состоит только из верхних полупериодов синусоиды. Если направление включения диода изменить на обратное, то на выходе появляются только нижние полупериоды входного напряжения. Уровень ограничения определяет «нулевая линия»[10]. Возможно также ограничение и на другом уровне. Изменение уровня ограничениядостигается путем добавления источника постоянного напряжения, смещающего диод в направлении проводимости либо в обратном направлении. В схеме на рис. 3.18 происходит частичное ограничение верхней половины синусоиды. Устройства, ограничивающие «верхние» половины синусоид, чаще всего называются односторонними ограничителями. Существуют также двусторонние ограничители.

Рис. 3.18. Последовательный ограничитель сверху со смещением

Существует много схем выпрямителей на диодах. Диод может работать как выпрямитель, например в схеме, изображенной на рис. 3.17. Если выходное напряжение, состоящее из полупериодов входного переменного напряжения той же самой полярности, подать затем на сглаживающий фильтр, то на выходе фильтра получают сглаженное постоянное напряжение, т. е. напряжение, которое является средним значением колебания на выходе выпрямителя. Таким образом, диод участвует в процессе преобразования переменного напряжения в постоянное. Этот процесс называется выпрямлением.

Более подробно выпрямители рассматриваются в гл. 6.

К диоду, работающему в режиме детектирования (демодуляции), подводится сигнал высокой частоты, промодулированный по амплитуде, частота которого значительно ниже (рис. 3.19). Это может быть электрический сигнал, соответствующий звуковым сигналам. В этом случае задача диода заключается в ограничении одной половины модулированного сигнала, что позволяет затем с помощью фильтра выделить модулирующее напряжение, т. е. сигнал низкой частоты. Фильтр RС-типа не пропускает, а исключает высокочастотные составляющие и обеспечивает появление на выходе только составляющих модулирующего сигнала. В этом случае диод работает так же, как переключающая схема — вентиль. Вопросы детектирования более детально обсуждаются в гл. 11.