Диод — определение, принцип на работа и приложения (LED, изправяне на ток)

История

Първите видове диоди се наричат клапани на Флеминг. Те са били вакуумни лампи. Намираха се в стъклена тръба (подобно на електрическа крушка). Вътре в стъклената крушка имаше малък метален проводник и голяма метална пластина. Малкият метален проводник се нагряваше и излъчваше електричество, което се улавяше от пластината. Голямата метална пластина не се нагряваше, така че електричеството можеше да преминава в едната посока през тръбата, но не и в другата. Вентилите на Флеминг вече не се използват много, защото са заменени от полупроводникови диоди, които са по-малки от вентилите на Флеминг. Томас Едисон също открива това свойство, когато работи върху своите електрически крушки.

Строителство

Полупроводниковите диоди се състоят от два вида полупроводници, свързани помежду си. Единият тип има атоми с допълнителни електрони (нарича се n-страна). Другият тип има атоми, които не искат електрони (нарича се p-страна). Поради това електричеството лесно ще преминава от страната с твърде много електрони към страната с твърде малко електрони. Електричеството обаче няма да тече лесно в обратна посока. Тези различни типове се получават чрез легиране (полупроводник). Силицият с разтворен в него арсен е добър полупроводник от n-страната, а силицият с разтворен в него алуминий е добър полупроводник от p-страната. Други химикали също могат да работят.

Съединителят към n-страната се нарича катод, а съединителят към p-страната - анод.

Функция на диода

Положително напрежение в p-страната

Ако подадете положително напрежение на p-страната и отрицателно напрежение на n-страната, електроните в n-страната ще искат да отидат към положителното напрежение на p-страната, а дупките на p-страната ще искат да отидат към отрицателното напрежение на n-страната. Поради това може да съществува поток на ток, но е необходимо определено напрежение, за да започне това (много малко напрежение не е достатъчно, за да протича електрически ток). Това се нарича напрежение на включване. Напрежението на врязване на силициев диод е около 0,7 V. Германският диод се нуждае от напрежение на врязване от около 0,3 V.

Отрицателно напрежение в p-страната

Ако вместо това подадете отрицателно напрежение на p-страната и положително на n-страната, електроните от n-страната ще искат да отидат към източника на положително напрежение вместо към другата страна на диода. Същото се случва и от р-страната. Така че между двете страни на диода няма да протича ток. Повишаването на напрежението в крайна сметка ще накара електрическия ток да потече (това е напрежението на пробив). Много диоди ще бъдат унищожени от обратния поток, но са направени и такива, които могат да го преживеят.

Влияние на температурата

Когато температурата се повиши, напрежението на изключване се понижава. Това улеснява преминаването на електричество през диода.

Видове диоди

Съществуват много видове диоди. Някои от тях имат много специфични приложения, а други - разнообразни.

Символи

Ето някои често срещани символи на полупроводникови диоди, използвани в схемите:

Стандартен изправителен диод

Това променя A/C (променлив ток, като този в домашния щепсел) на D/C (постоянен ток, използван в електрониката). Стандартният изправителен диод има специфични изисквания. Той трябва да издържа на голям ток, да не се влияе много от температурата, да има ниско напрежение на изключване и да поддържа бързи промени в посоката на протичане на тока. Съвременната аналогова и цифрова електроника използва такива изправители.

Светлинноизлъчващ диод

Светодиодът произвежда светлина, когато през него преминава електричество. Това е по-дълготраен и по-ефективен начин за създаване на светлина от крушките с нажежаема жичка. В зависимост от начина, по който е направен, светодиодът може да има различни цветове. Светодиодите са използвани за първи път през 70-те години на миналия век. Светлоизлъчващият диод може в крайна сметка да замени електрическата крушка, тъй като развиващите се технологии го правят по-ярък и по-евтин (той вече е по-ефективен и трае по-дълго). През 70-те години на миналия век светодиодите са използвани за показване на цифри в уреди като калкулатори и като начин да се покаже включено захранване за по-големи уреди.

Фотодиод

Фотодиодът е фотодетектор (обратното на светлоизлъчващия диод). Той реагира на постъпващата светлина. Фотодиодите имат прозорче или връзка с оптично влакно, която пропуска светлина към чувствителната част на диода. Диодите обикновено имат силно съпротивление; светлината намалява съпротивлението.

Диод на Ценер

Ценеровият диод е като нормален диод, но вместо да се разруши от голямо обратно напрежение, той пропуска електричество. Напрежението, необходимо за това, се нарича пробивно напрежение или напрежение на Ценер. Тъй като е конструиран с известно пробивно напрежение, той може да се използва за захранване на известно напрежение.

Варакторен диод

Варикап или варакторен диод се използва в много уреди. Той използва областта между p-страната и n-страната на диода, където електроните и дупките се балансират. Тя се нарича зона на изчерпване. Чрез промяна на размера на обратното напрежение се променя размерът на зоната на изчерпване. В тази зона има известен капацитет и той се променя в зависимост от размера на зоната на изчерпване. Това се нарича променлив капацитет или накратко варикап. Той се използва в PLL (Phase-locked loops), които се използват за управление на високоскоростната честота, с която работи даден чип.

Стъпка-възстановяване-диод

Символът е символ на диод с някаква засечка. Той се използва във вериги с високи честоти до GHz. Той се изключва много бързо, когато напрежението в права посока спре. За целта използва тока, който протича след обръщане на полярността.

PIN диод

Конструкцията на този диод има вътрешен (нормален) слой между n- и p-страната. При по-ниски честоти той действа подобно на стандартен диод. Но при високи честоти не може да се справи с бързите промени и започва да действа като резистор. Вътрешният слой му позволява да се справя и с високи мощности и може да се използва като фотодиод.

Диод на Шотки

Символът за това е символът на диода с буквата "S" в горната част. Вместо двете страни да са полупроводници (като силиций), едната страна е метал, като алуминий или никел. Това намалява напрежението на изключване до около 0,3 волта. Това е около половината от праговото напрежение на обикновения диод. Функцията на този диод е, че не се инжектират миноритарни носители - от n-страната има само дупки, а не електрони, а от p-страната има само електрони, а не дупки. Тъй като е по-чист, той може да реагира по-бързо, без дифузионен капацитет, който може да го забави. Освен това създава по-малко топлина и е по-ефективен. Но при него има известно изтичане на ток при обратно напрежение.

Когато един диод преминава от движение на ток към без движение на ток, това се нарича превключване. При типичния диод това отнема десетки наносекунди; това създава радиошум, който временно влошава радиосигналите. Диодът на Шотки превключва за малка част от това време, по-малко от една наносекунда.

Тунелен диод

В символа на тунелния диод има нещо като допълнителна квадратна скоба в края на обичайния символ.

Тунелният диод се състои от силно легиран pn-преход. Поради тази висока степен на допиране има само много тясна междина, през която електроните могат да преминават. Този тунелен ефект се проявява и в двете посоки. След преминаването на определено количество електрони токът през пролуката намалява, докато започне нормалният ток през диода при прагово напрежение. Това води до появата на област с отрицателно съпротивление. Тези диоди се използват за работа с наистина високи честоти (100 GHz). Освен това са устойчиви на радиация, затова се използват в космически кораби. Използват се и в микровълнови печки и хладилници.

Обратен диод

Символът има в края на диода знак, който прилича на голямо I. Той е направен подобно на тунелния диод, но n- и p-слоят не са легирани толкова високо. Той позволява протичането на ток в обратна посока при малки отрицателни напрежения. Може да се използва за изправяне на ниски напрежения (по-малко от 0,7 V).

Силициев управляем изправител (SCR)

Вместо два слоя като нормален диод, този има четири слоя, като на практика представлява два диода, събрани заедно, с гейт в средата. Когато напрежението премине между гейта и катода, долният транзистор ще се включи. Това позволява преминаването на ток, който активира горния транзистор, и тогава няма да е необходимо токът да се включва от напрежението на гейта.