Диода
Од Википедија, слободна енциклопедија
Диода е електронски уред што дозволува протечување на струјата во една насока без отпор (или со многу мал отпор) додека во спротивната насока претставува бесконечен (или барем многу голем) отпор. Затоа за диодата се вели дека има проводна и непроводна насока. Може да се каже дека во проводната насока диодата има отпорност колку и проводна жица (нула), а во непроводната насока колку прекинат спроводник (бесконечна).
Диодите најчесто се прават од кристални полуспроводнички материјали како што се силициум или германиум. Меѓутоа постојат и диоди со термионска емисија - електронски (вакуумски) цевки.
Содржина |
[уреди] Историја
Вакуумските и кристалните диоди се откриени речиси во исто време. Принципот на работа на термионските диоди е заснован врз термионската емисија откриена од Фредерик Гутри во 1873 година. Принципот на работа на кристалната диода е откриен во 1874 година од германскиот научник Карл Фердинанд Браун.
Меѓутоа, принципот на работа на термионските диоди е повторно откриен од Томас Едисон на 13 февруари 1880 година додека се обидувал да ја пронајде причината за прегорување на влакното и за нееднаквото поцрнување на стаклото (посилно во близина на едниот крај) во неговите сијалици. Сепак, најважниот чекор го направил Џон Амброз Флеминг, научен советник во компанијата Маркони, кој во 1904 година увидел дека Едисоновото откритие може да се употреби за детекција на радио-бранови. Флеминг ја конструирал електронската цевка со две електроди позната како диода и ја патентирал на 16 ноември 1904 година. Зборот диода го смислил Вилјем Хенри Еклс во 1919 година како грчко-латинска комбинација на зборовите: ди-два и оде-пат.
[уреди] Принцип на работа на вакуумска диода
Вакуумската диода е систем од две електроди во вакуумиран сад помеѓу кои се оддржува потенцијална разлика (напон). Една од електродите, наречена катода, се држи на висока температура, така што таа е вжарена. Високата температура се постига исто како и кај сијалиците со вжарено влакно, со течење на електрична струја низ влакно коешто е дел од катодата. Вжарената катода емитира електрони во вакуумот. Другата електрода, наречена анода, се држи на далеку пониска температура, поради што, за разлика од катодата, не емитира електрони. Доколку анодата е на повисок потенцијал од катодата, електричното поле коешто владее во вакуумот ги забрзува електроните кон анодата. Потокот од електрони од катодата до анодата претставува течење на електрична струја (проводна насока). Ако пак анодата е на понизок потенцијал од катодата, електричното поле ги забрзува електроните кон катодата и со тоа ги спречува да стигнат до анодата. Во овој случај нема течење на електрична струја (непроводна насока).
Иако вакуумските цевки, диоди, користат уште една специјализирана примена, современата диода е заснована на полуспроводничките п-н слоеви. Кај полуспроводните диоди тече струја од п-страната (анода) кон н-страната (катода), исто како и кај вакуумските цевки, но не во спротивниот правец. Во случај на обратна поларизација на диодите доаѓа до вклучување на носачот на наелектризирањето од областа на спојот и создавањето на области од просторниот товар. Начинот и објаснувањето на работата на ова чудно откритие е поврзан со квантниот ефект на преминот на електронот преку потенцијалната бариера, но постојат и едноставни објаснувања.
[уреди] Објаснување на полуспроводничкото однесување на диодата
- Карактеристика на полуспроводничка диода
Кривата на зависноста на струјата од напонот, понекогаш наречена како В-И дијаграм, опишува однесување на области на просторниот товар во полуспроводничките диоди. Оваа област постои на п-н спојот помеѓу различно допрените полуспроводници. Кога првобитно се создава п-допирната област којашто изобилува со шуплини (тоа се места кадешто дифузно недостасува п-орбитата на атомот). Кога слободните електрони ги пополнат шуплините, се губат шуплините, но нема веќе електрони во движење. Така се неутрализирани двата носители на електричество. Областа околу п-н спојот останува без слободен носител на електричество и дејствува како изолатор. Меѓутоа областа на просторниот товар не се шири бесконечно. За секој електрон што ја пополнува едната шуплина во П-делот останува во Н-делот станува позитивно наелектризиран донорски јон. Со напредокот на овој процес и се повеќе се наголемува позитивниот јон во Н-делот, расте силината на електричното поле низ областа на просторниот товар што го намалува и на крајот потполно го сопира тој електрон.
- Оптоелектронски карактеристики на диодите
Во овој момент постои ограничен електричен потенцијал во областа на нивото. Ако се доведе поголем напон на диодите со ист поларитет како и ограниченото електрично поле, нивото и понатаму се однесува како изолатор спречувајќи го струјниот претек. Ако, пак, доведениот напон спротивен на електронскиот пол од слободните носители на електричество, електрони, се наклонети да се рекомбинираат со шуплините доаѓа до тек на струјата низ П-Н спој. Вградениот напон за силициумските диоди изнесува 0.6В. Значи ако струјата протече низ диодата, околу 0.6В ќе се појави помеѓу п-делови и н-делови, а за диодата се вели дека е спроводник.
Kарактеристиката на диодата може да се апроксимира во две различни области на делување. Под извесни вредности на разлика на потенцијалот помеѓу изводот на диодата, областа на слободниот простор има значајна ширина, а диодата може да се гледа низ прекинот на електричните кола. Како повеке се разликува потенцијалот, така доаѓа до резултат диоадата да стане провидна и електризирањето протекува, што може да се види со краток спој (реално постои извесен мал отпор). Нацртано прецизно, преносната функција е логаритамска, ама со многу криви, така ШТО потсетува на прелом. Шоклиевата единечна идеална диода (наречена по Виљем Бредфорд Шоклиј) може да се употреби за апроксимација на И-В карактеристиката кај п-н диодите, кадешто л е струјната диода, а ИС се нарекува заситување на струјата, q е електронското наелектризирање, к е Болцмановата константа, Т е апсолутна температура на п-н спојот и Вд е напонот на диодите. Изразот кТ/љ е терминалниот напон, понекогаш кратко запишано како ВТ, и приближно изнесува 26 мВ на собна температура. Н (понекогаш изоставено) е коефициентот на емисија, којшто варира меѓу 1 и 2 во зависност од процесот на произведување и полуспроводничкиот материјал. Кај обичната силициумска диода, при вообичаен струен пад на напонот во спроводната диода изнесува приближно 0.6 до 0.7 В. Вредноста е различна за различни типови на диоди: кај Шотки диодата тој напон е околу 0.2 В, а кај светлечката диода (ЛЕД) може да биде 0.2 В или повеќе, во зависност од струјата.
[уреди] Полуспроводнички диоди
Најголем број од денешните диоди се полуспроводнички диоди базирани на П-Н споевите. Во П-Н спојот електричната струја може да тече од П-електродата (анода) кон Н-електродите (катоди) ама не и во спротивниот правец. Правецот на струјата и електроните е спротивен, т.е. електроните доаѓаат од катодите на анодите (тоа е потврдено пред да настане диодата).
[уреди] Типови на полуспроводнички диоди
Постојат неколку типови на диоди со полуспроводнички споеви:
Обична (п-н) диода
- Работи на начинот погоре опишан. Се произведува од монокристален силициум (наречен германиум) со мали примеси на тривалентни и петвалентни елементи. Пред современите силициумски диоди за исправување на напонот се користеле диоди со бакароксид или селениум. Меѓутоа ефикасноста била причина за големиот пад на напонот по диоди од 1.4 - 1.7 В, што е во случајот потребно за исправување на високиот напон и употребување на врзаните диоди предизвикува голем пад на напонот, поради што е потребно да се има големо ладење, повеќе значајно отколку денес како што е случајот со силициумската диода со иста струјна карактеристика.
Диоди збогатени со злато
- Златото предизвикува потиснување на споредните носители на електрони. Ова намалување на ефективната капацитативност кај диодите овозможува работење на диодата на поголема фреквенција. Типичен пример е 1Н914. Германиумските и Шотки диодите се со иста брзина, а исто така и биполарните транзистори коишто се поврзани како диода. Исправувачките диоди се прават со цел да работат на најмногу 2.5 x 400 Hz што е 1 kHz и не им е потребен толкав опсег.
Зенер диоди
- Овие диоди понекогаш се нарекуваат и пробијни диоди. Посебна особина кај овој тип на диода е што можат да протекуваат во спротивниот правец. Овој ефект, наречен како Ценеров пробој, на прецизно одредените вредности на спротивниот напон е значајна особина за конструкција на референтниот напонски извор или во колата за стабилизација и ограничување на напонот. Принципот на работа е заснован на појавата на поминување на електронот низ тенката потенцијална бариера на спојот. После ова е пробиен напонот кај овие релативно мали диоди, 2 до 6 В. Пробијните диоди можат да бидат силициумски или германиумски, но силициумските се подобри заради карактеристиките при влегувањето во пробијната област. Овие диоди имаат негативен температурен коефициент на напонот.
Диоди со лавински ефект
- Диодите што можат да спроведуваат во спротивниот правец кога напонот на поларизација предизвикува лавинско умножување на слободните честици што носат електрицитет со проследување на големата брзина при движењето низ силното електрично поле на прелазните области. Овој принцип е присутен кај високите вредности на изолираната поларизација, над 6.2 В до 1500 В. Овие диоди имаат позитивен температурен коефициент на пробојниот напон, што се ублажува со редно додавање на на обичните диоди поларизирани во спротивниот правец и што имаат негативен температурен коефициент.
Диода за потиснување на излезниот напон
- Диоди за потиснување на излезниот напон се диоди со лавински пробив направени за посебни работи за заштита на други полуспроводнички уреди од електростатичкото празнење.
Напречниот пресек на прелазните области во неговиот п-н спој се шири многу за разлика од обичните диоди, што овозможува да се спроведат големи струи како приземјувањето без никакво оштетување.
Светлечка диода (ЛЕД)
- ЛЕД (анг: Light-emitting Diode) е електролуминисцентен уред којшто емитува фотони кога електроните преминуваат низ спојот. Оваа диода емитува зрачење, но не го напушта полуспроводникот и се наоѓа во фреквентниот опсег на инфрацрвеното зрачење. Меѓутоа, изборот одговара на материјалот и геометриската светлост станува видлива. Напонот на потенцијалната бариера на диодата ја одредува бојата на светлината. Различните материјали или невообичаените полуспроводници се користат кај овие типови. Црвената боја одговара на напон од 1.2 В, а напонот од 2.4 В одговара на виолетовата боја. Денес постојат диоди и за ултравиолетова светлост. Првите светлечки диоди биле црвени и жолти, а другите настанале подоцна што се гледа од следнава слика дадена подолу.
Сите светлечки диоди се еднобојни; белите диоди се комбинација од три диоди со различни бои или сина обложена со жолта. Колку е помала фреквенцијата на диодата, толку поголема е ефикасноста, па за различни диоди потребно е да се зголемува силината на струјата кај диодата со поголема фреквенција. Ова сѐ повеке се компликува од причина што човечкото око е најосетливо на светлост којашто е некаде помеѓу сината и зелената боја.
Фото диода
- Диода со широк провиден спој.Фотоните избиваат електрони од орбитата во областите на спојот, што е резултат на појавата на електрична струја. Фото диодите многу се користат кај соларните или фотонапонските ќелии и кај фотометрите. Ако фотонот нема доволно енергија нема да ги побуди електроните и само ќе помине низ спојот. Дури и светлечката диода може да се употреби како фото диода со ниска ефикасност кај некои примени. Некогаш светлечката диода и фото диодата се пакуваат во исто куќиште. Овој уред затоа се нарекува „опто изолатор“ или „опто раздвојувач“. За разлика од трансформаторот, тој дозволува галванско раздвојување на едносмерниот напон. Ова е доста корисно, на пример кај заштитата на пациентите кои се приклучени на медицински уреди или кога се осетливи на ниско струјни кола раздвоени од проблематичниот напонски склоп или јакиот електромотор. Соларните ќелии се една вид на фото диоди.
Ласерски диоди
- Ласерски диоди се тип на светлечки диоди кај кои се полираат паралелни страни од диодните материјали коишто формираат резонантна шуплина што претставува засилувач на светлоста - ласер. Ласерските диоди се користат кај оптичките уреди (ЦД и ДВД читачи/режачи) и кај комуникациите со голем капацитет (оптички влакна и оптичка коминикација).
Варикап диоди
- Се користат како напонски контролирани кондензатори кај осцилаторот.
Органска светлечка диода (ОЛЕД)
- Органската светлечка диода (анг: OLED, Organic Light-emitting Diode) е специфичен тип на светлинско емитирачките диоди кои што на емисиониот слој содржат тенок слој на одредени органски состојки. Емисиониот електро луминисцентен слој може да содржи полимерен супстрат којшто овозможува исфрлање на погодни состојки, на пример, во редовите и колоните на рамен носител со земање на едноставен „принтинг“ метод да создаде матрица од пиксели коишто можат да емитираат различна боја на светлина. Некои системи можат да се користат во телевизиските екрани, компјутерските дисплеи, екраните кај персоналните системи во светлечките реклами и информации во информациски апликации и патокази и слично. Органските светлечки диоди исто така можат да бидат искористени како светлински извори за главна просторна илуминација. Органските светлечки диоди се имплиментираат во големи просторно-светлинско-емитирачки елементи. Тие диоди типично емитираат помалку светлина во просторот за разлика од неорганските светлечки диоди коишто обично се користат како главни светлински извори. Приоритет на стандардизацијата на органско светлинско емитирачка диодна технологија се должи на органската електро-луминисценција. Една од главните бенефиции на органските светлечки дисплеи за разлика од стандардните дисплеи со течни кристали е тоа што нема потреба од позадинско светло. Тоа значи дека тие користат далеку помалку енергија, т.е кога користат батерии со едно полнење имаат подолг временски период на користење. Исто така се знае дека дисплеите базирани на светлечките диоди полесно се изработуваат од плазма дисплеи и од течни кристали. Понатаму, распаѓањето на материјалот од којшто се направени органските светлечки диоди, го ограничува користењето на овие материјали.
[уреди] Функционалност
Органските светлечки диоди работат на принцип на елктро-луминисцентно заситување, коешто се состои од префрлање на заситени електрони и празнини со генерирање на емисиона подлога. Кога заситени електрони и празнини се комбинираат се емитира фотон. Главен предизвик на производството на органските светлечки диоди е да се подеси уред кадешто ист број на електрони и протони се среќаваат во емисионата подлога. Тоа е многу тешко бидејки кај органскиот спој (синтеза) мобилноста на електроните е многу помала од мобилноста на празнините. Материјалите коишто обично се користат во емисиониот слој се типични флуорофосфори коишто можат да емитират светлина само кога се формира синглед заситување ( заситувањето може да биде синглед и триплет - едно од четири заситувања е синглед со што се редуцира функционалноста на органско светлинско емитирачките диоди). Но за среќа, со вметнување на транзициони метали во мали молекули во органските светлечки диоди, триплет и синглед методите можат да се измешаат од вртлив аголен момент, во кој е главна емисијата од триплед состојбата.