Diode

Soorte diodes

Oppervlak-gemonteerde MELF diodes.

'n Diode is 'n tweeterminaal- elektriese komponent wat die rigting van die beweging van elektrone beperk. 'n Diode laat die vloei van stroom toe in een rigting deur die komponent maar nie in die teenoorgestelde rigting nie. Elektriese stroombane wat benodig dat stroom net in een rigting vloei, maak gebruik van diodes.

Ou diodes sluit "katsnorbaard"-kristalle en vakuumbuistoestelle in. Moderne diodes word van halfgeleiers soos silikon en germanium vervaardig.

Geskiedenis

Termiese diodes en halfgeleierdiodes het in parallel ontwikkel. Fredrick Gurhrie het die beginsel van termiese diodes reeds in 1873 beskryf. Karl Ferdinand Braun het die beginsel van kristaldiodes in 1874 beskryf.

Die termiese diode is herontdek deur Thomas Edison op 13 Februarie 1880. Hy het 'n patent uitgeneem in 1883, maar het nie die idee verder ontwikkel nie. Braun het 'n patent op die kristaldiode uitgeneem in 1899. Die eerste radio-ontvangers wat van 'n kristaldiode gebruik gemaak het, is deur Greenleaf Whittier Pickard in 1900 vervaardig. Die eerste termiese diodes is in Brittanje gepatenteer deur John Ambrose Flemming op 16 November 1904. Pickard het die patent vir die silikon-kristaldiode ontvang op 20 November 1906.

Destyds het sulke toestelle bekend gestaan as gelykrigters. In 1919 het William Henry Eccles die term diode geskep van die Griekse wortels di, wat 'twee' beteken, en ode, wat 'pad' beteken.

Termiese- of gasdiodes

Die simbool van 'n vakuumdiode. Van bo na onder: die anode, die katode en die verhitterfilament.

Termiese diodes is vakuumbuistoestelle, wat bestaan uit 'n aantal elektrodes omhul in 'n glasvakuumbuis.

In vakuumbuisdiodes vloei stroom deur die katode, 'n filament wat behandel is met 'n mengsel van barium- en stronsiumoksiede. Die stroom verhit die filament, wat termiese emissie van elektrone binne die vakuumbuis veroorsaak. Tydens meevoorspanning is die metaalelektrode, wat die anode genoem word, positief, dus word die elektrone na die anode aangetrek. Wanneer die spanningspolariteit omgekeer word (teenvoorspanning), word elektrone nie maklik van die onverhitte anode afgeskei nie, daar vloei dus net 'n baie klein lekstroom.

Vir die meeste van die 20ste eeu is vakuumbuisdiodes gebruik vir analoogtoepassings en as gelykrigters in kragbronne. Vandag word vakuumbuisdiodes slegs in gespesialiseerde toepassings, soos gelykrigters in buiskitaar en hoëtrouversterkers, en gespesialiseerde hoëspanningtoestelle gebruik.

Halfgeleierdiodes

Diodesimbool. Stroom vloei van die anode na die katode, maar nie in die ander rigting nie.

Moderne diodes is gebaseer op die halfgeleier pn-voegvlak. In pn-voegvlakdiodes kan gewone stroom van die p-tipe kant (die anode) na die n-tipe kant (die katode) laat vloei, maar nie in die teenoorgestelde rigting nie. Die Schottky-diode word gevorm deur die kontak van 'n metaal en 'n halfgeleier in plaas van 'n pn-voegvlak.

'n Halfgeleierdiode stoomspanning, of I-V, eienskapkurwe word toegeskryf aan die sperlaag wat ontstaan by die pn-voegvlak tussen die verskillende halfgeleiers. Wanneer die halfgeleier die eerste keer geskep, word versprei die geleidendsband elektrone van die N-doteerde gebied na die P-doteerde gebied waar daar 'n groot aantal 'holtes' (plekke vir elektrone waar geen elektron teenwoordig is nie) is waarmee die elektrone herkombineer. Wanneer 'n elektron met die holtes herkombineer, verdwyn die holte en is die elektron nie meer mobiel nie. Die gebied om die pn-voegvlak word uitgeput van lading en tree op as 'n isolator. Hierdie gebied staan bekend as die sperlaag.

Hierdie gebied kan nie oneindig groei nie. Elke elektronholtepaar wat herkombineer vorm 'n positief-gelaaide doteerde ioon in die N-doteerde gebied en 'n negatief-gelaaide doteerde ioon in die P-doteerde gebied. Soos herkombinasie plaasvind vorm meer ione. Dit veroorsaak 'n toename in die elektriese veld oor die spergebied wat teen die herkombinasie van elektronholtepare werk totdat 'n ewewig bereik word en die sperlaag nie verder groei nie. Op hierdie punt is daar 'n ingeboude spanningsverskil oor die sperlaag.

Wanneer 'n eksterne spanning van dieselfde polariteit as die ingeboude spanning oor die diode geplaas word sal die sperlaag aanhou optree as 'n isolator was stroomvloei verhoed. Dit staan bekend as teenvoorspanning van die diode. Wanneer die eksterne spanning se polariteit die ingeboude spanning teenstaan kan herkombinasie weer plaasvind wat veroorsaak dat die stroom deur die diode drasties toeneem. Dit staan bekend as meevoorspanning van die diode. Die ingeboude spanning vir silikon diodes is ongeveer 0.6 V. Dus sal daar 'n spanningsval van ongeveer 0.6 V oor die diode wees wanneer daar 'n eksterne stroom deur die diode vloei.

I-V eienskap van 'n pn-voegvlak diode (nie volgens skaal).

Die diode se I-V eienskappe kan benader word deur te onderskei tussen twee gebiede. Onder 'n sekere spanningsval oor die diode het die sperlaag 'n bedydende wydte en kan die diode beskou word as 'n oopbaan (nie-geleidende stroombaan). Soos die spanningsval groter word sal die diode op 'n sekere spanningsval geleidend word en kan dit beskou word as 'n geleier met geen weerstand of baie klein weerstand. Die oordragfunksie van die diode is in werklikheid logaritmies, maar so skerp dat dit lyk soos 'n skerp hoek as die grafiek van ver af beskou word.

Die spanningsval oor 'n geleidende diode binne die gespesifiseerde stoom is ongeveer 0.6 tot 0.7 volt vir silikon diodes. Die waarde verskil vir ander tipe diodes. Schottky-diodes se spanningsval kan so laag as 0,2 V wees en lig-emissie diodes (LEDs) se spanningsval kan so hoog as 1,4 V of meer wees. Blou LEDs se spanningsval kan selfs 4,0 V wees.

In die teenvoorspanninggebied van die I-V eienskapgrafiek is die stroom deur die diode baie klein (in die µA omgewing) vir alle voorspannings tot die deurslagspanning bereik word. Na hierdie punt vind elektronestorting plaas wat veroorsaak dat die diode beskadig word saam met 'n skielike toename in die stroom. Zenerdiodes en stortdiodes word vervaardig om 'n opsetlike deurslagspunt te hê na 'n voorafbepaalde trustroom sodat die truspanning vasgepen word by 'n bekende waarde. Hierdie toestelle het wel 'n maksimumlimiet op die stroom en drywingvermoë in die elektronestortingsgebied.

Shockley diode vergelyking

Die Shockley ideale diode- vergelyking (vernoem na William Bradford Shockley), ook bekend as die diodewet, beskryf die I-V eienskap van 'n ideale diode in beide meevoorspanning en teenvoorspanning (of geen voorspanning). Die vergelyking is afgelei met die aannames dat die enigste prosesse wat aanleiding gee tot stroom deur die diode drifstroom, diffusiestroom en termiese herkombinasie-generasie is. Dit word ook aangeneem dat die herkombinasie-generasie stroom in die sperlaag niksbeduidend is. Dit beteken dat die vergelyking elektronestorting buite rekening laat. Die nie-ideale effek van interne weerstand by hoë meevoorspanning word ook buite rekening gelaat, sowel as afwyking van die ideale as gevolg van herkombinasie-generasie in die sperlaag by lae meevoorspanning.

$I=I_{\mathrm {S} }\left(e^{V_{\mathrm {D} }/(nV_{\mathrm {T} })}-1\right),\,$

waar

I die stroom deur die diode is,

I_S die versadigingstroom is,

V_D die spanningsval oor die diode is,

V_T die termiese spanning is en

n die emissiekoëffisiënt is.

Die emissiekoëffisiënt n word bepaal deur die vervaardigingproses en halfgeleiermateriaal van die diode en wissel tussen 1 en 2. In die meeste gevalle is die waarde naby 1 en word dus weggelaat. Die termiese spanning V_T is ongeveer 25.2 mV teen kamertemperatuur (25 ^oC of 298 K) en is 'n bekende konstante waarde gedefinieer deur:

$V_{\mathrm {T} }={\frac {kT}{e}},$

waar

e die elementêrlading van 'n elektron (1.602 176 53 × 10^-19 C) is,

k die konstante van Boltzmann (1.380 6505 × 10^-23 J/K) is en

T die temperatuur van die pn-voegvlak is.

Tipe halfgeleierdiodes

Diode		Zenerdiode		Schottky-diode		Tonneldiode
Ligemissiediode		Fotodiode		Varicap		Silikondiodegelykrigter

Daar is 'n verskeie tipe halfgeleiervoegvlakdiodes:

Normale (pn-voegvlak) diodes

Hierdie diode werk soos hierbo beskryf is. Die diode word gewoonlik van gedoteerde silikon of germanium vervaardig. Germaniumdiodes is uiters skaars.

Gouddoteerdediodes

As 'n doteermiddel reageer goud of platinum as 'n sentrum vir herkombinasie wat minderheidsdraers vinniger laat herkombineer. Dit laat die diode toe om teen hoë frekwensies te werk, teen die koste van 'n hoër meevoorspanningval. 'n Tipiese voorbeeld is die 1N914.

Zenerdiodes

Zenerdiodes gelei stroom van die katode na die andode wanneer die deurslagspanning oorskryf word (diode is teenvoorgespan). Dit laat toe dat die diode as 'n spanningsverwysing gebruik kan word. In praktiese spanningsverwysing stroombane word 'n skakeldiode in series, maar teenoorgestelde rigting, met die zenerdiode geplaas sodat die temperatuurkoëffisiënt gebalenseer word naby zero. 'n Enkelpakkie waar twee Zenerdiodes in series, maar teenoorgestelde rigting, geplaas is staan bekend as 'n oorgangdemper (Engels transorb). Die Zenerdiode is vernoem na die toestel se uitvinder dr. Clarence Melvin Zener. Sommige hoëspanning Zenerdiodes is in werklikheid Stortdiodes.

Stortdiodes

Net soos die Zennerdiode gelei stroom van die katode na die andode wanneer die deurslagspanning oorskryf word in 'n Stortdiode. Die proses wat die spanningsdeurbraak veroorsaak verskil tussen Zener- en Stortdiodes. Nog 'n verskil tussen die twee diodes is dat die temperatuurkoëffisiënt teenoorgestelde tekens het.

Oorgangspanningdiodes

Oorgangspanningdiodes is stortdiodes wat ontwerp is om halfgeleiertoestelle te beskerm teen hoë oorgangspannings. Die pn-voegvlak deursnee-oppervlakte van die oorgangspanningdiode is baie groter as die van normale diodes wat toelaat dat hulle meer stroom kan gelei sonder om beskadig te word.

Fotodiodes

Halfgeleiers is onderworpe aan optiese ladingdraer generasie en word dus verpak in ligversperrings material. As die lig toegelaat word om die halfgeleier te bereik kan die fotosensitiwiteit gebruik word. Fotodiodes word gebruik vir sonselle of fotometrie (ligmeting).

Ligemissiediodes (LEDs)

Wanneer 'n diode gevorm word uit 'n direktebandgapingshalfgeleier, soos galliumarsenied, word fotone vrygestel wanneer herkombinasie van ladingdraers plaasvind. Die halgeleiermateriaal bepaal die golflengte, en dus kleur, van die foton. Ligemissiediodes wat strek tussen infrarooi tot byna ultraviolet kan vervaardig word. Die voorspanning van ligemissiediodes word bepaal deur die golflengte van die fotone: 1,2 V vir rooi, 2,4 V vir violet. Die eerste ligemissiediodes was rooi en geel. Hoëfrekwensiediodes is intussen ontwikkel. Alle diodes is monochromaties (eenkleurig). Wit ligemissiediodes is in werklikheid 'n kombinasie van drie verskillende kleure, of 'n blou ligemiessiediode met 'n geel bedekking. Ligemessiediodes word saam met fotodiodes of fototransistors gebruik om optiese-isolators te vorm.

Laserdiodes

'n Laserdiode word gevorm deur 'n ligemissiediode tipe struktuur wat 'n optiese resonansieholte bevat. Die resonansieholte word gevorm deur die parallelevlakke van die laserdiode te poleer. Laserdiodes word gebruik in optiese stoormedia en hoëspoed optiese kommunikasie.

Schottky-diodes

Schottky-diodes word gevorm deur 'n metaal na halfgeleier voegvlak. Die meevoorspanningsval van 'n Schottky-diode is laer as die van 'n pn-voegvlak diode. Die meevoorspanningsval van Schottky-diodes by 'n heenstroom van ongeveer 1 mA is in die omgewing van 0.15 V tot 0.45 V. Dit maak Schottky-diodes ideaal vir gebruik in vaspenningstroombane en om transistor versadiging te voorkom. Schottky-diodes word ook gebruik as laeverlies gelykrigters hoewel die trulekstroom groter is as die van pn-voegvlak diodes. Schottky-diodes is meerderheidsdraer toestelle en ly dus nie aan die minderheidsdraer opbergruimte probleme van die meeste normal diodes nie. Schottky-diodes se voegvlapkapasitansie is ook laer as die van pn-voegvlak diodes wat lei tot die vermoë van Schottky-diodes om teen hoër frekwensies te kan skakel. Dit maak Schottky-diodes ideaal vir gebruik in hoëspoed en radio frekwensie stroombane.

Kapdiode

Kapdiodes het die eienskap om baie vinnig te 'herstel' van 'n sterk meevoorspanning na die deurslagspanning. Kapdiodes word gebruik waar baie vinninge spanningsoorgange benoding word.

Esaki of tonneldiodes

Hierdie diodes het 'n gebied van werking met negatiewe weerstand wat veroorsaak word deur kwantumtonneling. Die diodes kan gebruik word vir versteking sowel as in eenvoudige bistabiele stroombane. Hierdie diodes is ook bestand teen kernstraling.

'Gunn-diodes'

Hierdie diode is vergelykbaar met 'n tonneldiode in dat dit 'n gebied met negatiewe differensiële weerstand het. Hierdie diodes word gebruik in hoëfrekwensie ossillators.

Puntkontakdiodes

Hierdie diode werk net soos 'n voegvlakdiode, maar die konstruksie is eenvoudiger. 'n Geleier uit die groep-3 metale met 'n skerp punt word in kontak gebring met 'n n-tipe halfgeleier. Van die metaal migreer na die halfgeleier en vorm 'n klein p-tipe gebied naby die kontak.

Katsnorbaard- of kristaldiodes

Hierdie diodes word gevorm deur 'n dun of skep metaalgeleier in kontak te bring met 'n halfgeleierkristal soos galeniet of steenkool. Die geleier vorm die katode en die kristal die anode van die diode.

'Varicap'

Hierdie diodes word as spannigsbeheerde kapasitors gebruik. Hierdie diodes is belangrik in fase-sluit-lus en frekwensie-sluit-lus stroombane wat instemstroombane toelaat om vinnig te sluit. Hierdie diodes word ook gebruik as verstelbare ossilators waar 'n goedkoop en stabiele kristalossilator gebruik word as 'n verwysingsfrekwensie vir 'n spanningbeheerde ossilator.

PIN-diodes

'n PIN-diode bestaan uit 'n nie-doteerde kern of intrinsieke laag, was dus 'n p-tipe / intrinsiek / n-tipe struktuur vorm. Hierdie diodes word as radiofrekwensie skakelaars gebruik net soos die 'varicap', maar met 'n skielike verandering in kapasitansie. Hierdie diodes word ook gebruik as ionisasiestrallingsdetektor en fotodetektors gebruik. PIN-diodes word in drywingselektronika gebruik aangesien die intrensieke laag bestand is teen hoëspannigs. Die PIN-diodes struktuur word ook gevind in hoëspanninghalfgeleiers.

Toepassing

Radiodemodulasie

Die eerste gebruik van diodes was in die demodulasie van amplitude gemoduleerde (AM) radio-uitsending.

Kragomsitting

Gelykrigters word saamgestel in 'n brugtopologie waar hulle gebruik word om wisselstroom elektrisiteit om te skakel na gelykstroom. Diodes word ook gebruik in die Cockcroft-Walton spanningvermenigvuldiger om wisselstroom om te skakel na hoëspanning-gelykstroom.

Oorspanningsbeveiliging

Diodes word gebruik om hoëspanning en hoëstroom, wat sensitiewe elektriese komponente kan beskadig, te sink. Die diode is normaalweg teenvoorgespan totdat die spanning of stroom bo die bepaalde waarde styg, dan word die diode meevoorgespan en sink die stroom. 'n Voorbeeld hiervan is induktiewe laste soos relê-stroombane waar die induktor vinnig spanningloos gemaak word deur 'n diode sodat die stroombaan nie beskadig word deur spanningspieke wat anders sou voorkom nie. Sommige geïntegreerde stroombane gebruik diodes om die pennetjies teen eksterne spannings te beskerm.

Logiese hekke

Diodes kan saam met ander komponente gebruik word om logiese hekke te vorm. Dit staan as diodelogika bekend.

Temperatuurmeting

'n Diode kan gebruik word om temperatuur te meet aangesien die meevoorspanningsval van die diode van temperatuur afhanklik is. Hierdie temperatuurafhanklikheid kan gesien word in die Shockley ideale diode- vergelyking hierbo en is ongeveer 2.2mV per graad Celsius.

Lading- gekoppelde toestelle

Digitale kameras en soortgelyke toestelle gebruik regimente van fotodiodes saam met 'n uitleesstroombaan.

Notas

Hierdie artikel is grotendeels 'n vertaling van die Engelse Wikipedia artikel "Diode".

Bronnelys

• 1928 Nobelprys artikel oor die diode
• Historiese lese oor Karl Braun Geargiveer 11 Februarie 2006 op Wayback Machine
• S. M. Sze, Modern Semiconductor Device Physics, Wiley Interscience, ISBN 0-471-15237-4.
• Patentafskrif vir die elektriese indikator Geargiveer 19 November 2007 op Wayback Machine
• The Unusual Diode FAQ Geargiveer 9 Mei 2007 op Wayback Machine,