From Wikipedia, the free encyclopedia
Диод е електронен елемент с два електрода, който има различна проводимост в зависимост от посоката на електрическия ток, т.е. позволява протичане на ток само в едната посока. Диодът може да се разглежда като вентил за електрически ток, като действието му се дължи на физическите процеси, протичащи при прилагането на напрежение върху него. Някои разновидности на полупроводниковите диоди служат и за други цели.
![]() | Тази статия се нуждае от подобрение. Необходимо е: оформление, допълване и уточняване на термини. Ако желаете да помогнете на Уикипедия, използвайте опцията редактиране в горното меню над статията, за да нанесете нужните корекции. |
Диод | |
![]() Поглед отблизо, показващ квадратния полупроводников кристал | |
Изобретен | Карл Фердинанд Браун (1874) |
---|---|
Символично означение | |
![]() | |
Диод в Общомедия |
Двата електрода (двата извода) на диода се наричат анод и катод. За да пропуска диодът ток, трябва анодът да се свърже с положителния полюс на напрежение на източник на ток, а катодът – с отрицателния полюс.
Ранните диоди включват „детекторни кристали“ и електровакуумни лампи (лампови диоди, термоемисионни диоди). Днес диодите обикновено са направени от свръхчисти полупроводникови материали, като силиций и германий, в които е създаден P-N преход.
Ламповите и полупроводниковите диоди се развиват успоредно. Принципът на действие на термоемисионните диоди е открит от Фредерик Гътри през 1873 г.[1] Той установява, че положително зареден електроскоп може да бъде изпразнен чрез приближаването до него на заземено парче горещ метал. Явлението не се наблюдава при отрицателно зареден електроскоп, което показва, че токът може да протича само в едната посока.
Същият принцип е преоткрит от Томас Едисън на 13 февруари 1880 г. По това време той изследва лампите с нажежаема жичка и установява, че въглеродните жички винаги изгарят в края, свързан към положителния полюс. Той открива, че в специално конструирана за целта лампа между жичката и отдалечена от нея метална пластина протича ток, но само когато жичката е свързана към положителния полюс на източника. Едисън разработва схема, при която модифицираната лампа замества резистора в постояннотоков волтметър, за което получава патент през 1883 г.[2] Тъй като по това време това устройство няма очевидно практическо приложение, искането за патент е само предпазна мярка за случай, в който някой друг би открил такова приложение.
Двадесет години по-късно Джон Амброуз Флеминг, бивш сътрудник на Едисън, а по това време научен съветник в компанията на Гулиелмо Маркони, разбира, че ефектът на Едисън може да бъде използван като прецизен радиодетектор. Той патентова първия същински термоемисионен диод във Великобритания[3] на 16 ноември 1904 г. и в Съединените щати година по-късно.[4]
Принципът на действие на кристалните диоди е открит през 1874 г. от немския учен Карл Фердинанд Браун.[5] Браун патентова кристалния изправител през 1899 г.[6] Първият радиоприемник, използващ кристален детектор, е сглобен около 1900 г. от Грийнлийф Уитиър Пикард. Пикард получил патент за силициев кристален детектор на 20 ноември 1906 г.[7] (Щатски патент 836 531)
По времето на изобретяването си тези устройства са наричани просто „изправители“. Терминът „диод“ (diode) е въведен през 1919 г. от Уилям Хенри Екълс. Той идва от старогръцкото δίοδος (díodos), което означава „преход“, „път“; думата е образувана от предлога διά (diá) – „през“ и съществителното ὁδός (hodós) – „път“.
За илюстрация на принципа на действие на изправителния диод може да се използва механичен модел, представляващ регулиране на потока на флуид през спирателен клапан. На картинката е показан сферичен спирателен (възвратен) клапан или вентил. При него спиращият потока на флуида елемент е сачма, притискана от пружина, която подпомага затварянето на клапана. Когато флуидът оказва налягане в посока на затваряне (на дясната фигура – от горе надолу, а при диода – когато анодът има отрицателен потенциал спрямо катода), потокът (при диода – токът) се блокира. В посока на пропускане (на лявата фигура – от долу нагоре, а при диода – когато анодът има положителен потенциал спрямо катода) флуидът отначало оказва някакво малко налягане върху сачмата, недостатъчно за отварянето ѝ. Когато това налягане стане достатъчно голямо, за да може да преодолее силата на пружината (в случая с диода това е т. нар. прагово напрежение на диода), сачмата освобождава отвора и потокът на флуида протича свободно (при диода – той се „отпушва“ и протича ток). При обикновения силициев диод праговото напрежение е от порядъка на 0,6 до 0,7 V, при германиевия е 0,3 V и при Шотки диода е 0,2 V.
Ламповите (или термоемисионни) диоди са електровакуумни устройства, които се състоят от електроди, монтирани в стъклен съд, от който е изтеглен въздухът. На външен вид наподобяват газоразрядни лампи.
По време на работа, през нагревателя на катода протича ток, катодът се нагрява до 800 – 1000 °С и започва да отделя електрони. Когато на анода се подаде положителен потенциал, то той привлича електроните и през външната верига на уреда протича ток. Когато му се подаде отрицателен потенциал, то той отблъсква електроните и ток през уреда не протича. Катодът се покрива обикновено с оксиди на алкалоземни метали като барий и стронций, които много по-лесно емитират електрони от повърхността на катода.
Електровакуумните диоди днес се използват главно във военната техника, заради по-високата си издръжливост и устойчивостта си на въздействието на радиация.
Живачните изправители са използвани до 1970-те години за получаването на постоянен ток при високо променливо напрежение, специално за осигуряване с енергия на трамваите и градските железници, както и за осигуряване на напрежение на крайните лампови стъпала на големи мощни предаватели. В зависимост от конструкцията си се означават като игнитрони или тиратрони.
Живачният изправител игнитрон (от на латински: ignis – огън и електрон) представлява едноаноден йонен прибор с живачен катод и управляема волтова дъга. Използва се като електрически вентил в мощни изправителни устройства, със средна сила на тока от няколкостотин ампера и напрежение до 5 kV.
Обикновено игнитронът представлява голям стоманен контейнер с резервоар, пълен с живак на дъното, който служи за катод по време на работа. Голям графитен или изработен от високотемпературен метал цилиндър, стоящ над резервоара, служи за анод. На запалващ електрод, изработен от високотемпературен полупроводников материал, като силициев карбид[8] за кратко се подава импулс с голям ток, за да се създаде облак от живачна плазма. Плазмата веднага дава накъсо пространството между живачния резервоар и анода, създавайки проводимост между основните електроди. От повърхността на живака, нагрят от получената дъга, се освобождават голямо количество електрони, които подпомагат поддържането на дъгата. Повърхността на живака служи за катод и електрическият ток протича нормално само в една посока. Веднъж възбуден, игнитронът ще продължи да пропуска ток до момента, в който или токът се прекъсне отвън, или се обърне посоката на напрежението, приложено към катода и анода.[9]
За игнитрона е характерно незначително падане на напрежението и висок КПД (98 – 99%).
Модерните полупроводникови диоди са направени предимно от силиций, към който са добавени примеси за създаване на полупроводников P-N преход. Като полупроводник се използва също германий, селен и галиев арсенид. За получаването на този преход се правят добавки от примеси, създаващи съответно електронна и дупчеста проводимост. Връзката между тези две области е наречена p-n преход. В един p-n диод, електрическият ток може да тече от p-частта (анода) към n-частта (катода), но не и в обратната посока.
Друг вид полупроводников диод е Шотки диод, който се образува от преход метал-полупроводник (обикновено алуминий и силиций). При него полупроводникът се състои от два слоя: слой силно легиран силиций и тънък епитаксиален слой силиций. При него се намалява значително капацитета и по този начин увеличава значително скоростта на превключване. Наречен е на немския физик Валтер Шотки. Тези диоди намират широко приложение в бързодействащите интегрални схеми.
Шокли диодът (наречен на Уилям Шокли) или динисторът е първото полупроводниково устройство. Той има 4-слойна структура от два P и два N кристала (подредени последователно P1 N1 P2 N2) или представлява pnpn диод. Тези 4 кристала формират три P-N прехода. Анодът на динистора е оформен на кристала P1, а катодът е на N2.
Диодите могат да бъдат класифицирани и според техническите им характеристики: в зависимост от конструкцията, от използвания материал, работната честота и според разсейваната мощност.
Волт-амперната характеристика на диода показва начина, по който диодът с p-n преход се държи в електрически схеми. Формата на кривата се определя от придвижването на носителите на електрически заряди между двете зони с различна проводимост: дупчеста и електронна. Когато се създава преходът, веднага започва взаимно проникване на дупки и електрони от едната зона в другата, дължащо се на дифузията. Дупките, проникнали в N-зоната, рекомбинират с намиращите се там свободни електрони, а електроните, проникнали в Р-зоната, рекомбинират с намиращите се там дупки. В резултат на това граничните области на прехода не са вече неутрални и представляват неподвижни обменни заряди с притивоположни знаци. Тези заряди създават вътрешно електрическо поле с интензитет Е0, което, както всяко електрическо поле, има посока от положителните товари към отрицателните. Това поле спира по-нататъшното проникване на дупки от Р в N областта и на електрони от N в Р областта.
Поради рекомбинацията на проникналите през прехода електрони и дупки граничните области в двата кристала обедняват на подвижни токоносители и тяхната електрическа проводимост се влошава, като се приближава до тази на чистия силиций. Поради тази причина обеднената зона се нарича още спиращ слой.
При прилагане на външно напрежение върху това спиращо поле (+ на N-областта, − на Р-областта), електрическото поле на спиращата зона се усилва и се разширява зоната с обемните заряди. Електроните и дупките се изтеглят от спиращия слой. При това протича много малък ток. При прилагане на външно напрежение (+ на Р-областта, − на N-областта) се намалява потенциалът на спиращия слой и при едно определено напрежение напълно се неутрализира. От външното поле се създава едно ново електрическо поле, което позволява транспорт на електрически заряди през целия диод. При достатъчно голямо напрежение протича значителен електрически ток.
Волтамперната характеристика на диода може да бъде разделена на четири зони на работа. Най-важното свойство на PN прехода е неговата еднопосочна проводимост. Това означава, че в едната посока съпротивлението му е малко, а в другата посока е голямо.
Уравнението на Шокли за идеален диод (наречено е в чест на един от изобретателите на транзистора Шокли) характеризира диод, притежаващ идеална волт-амперна характеристика за прав и обратен ток.
Уравнението на Шокли за идеален диод е:
където:
Коефициентът на идеализацията n обикновено е в границите от 1 до 2 (макар и в някои случаи може да бъде и по-голям) в зависимост от процеса на производство на полупроводниковия материал. В много случаи се предполага, че n примерно е равен на 1 (по такъв начин коефициентът n отпада във формулата). Факторът за идеалност не е част от уравнението на диода на Шокли и е добавен за отчитане на реалните преходни процеси. Затова в предположението n = 1 уравнението се свежда до уравнението на Шокли за идеален диод.
Термичното напрежение VT представлява приблизително 25,85 mV при 300 K (температура, близка до „стайната температура“). За конкретната температура то може да се намери по формулата:
където:
Токът на насищане IS не е постоянен за различните диоди, зависи от температурата много повече от напрежението VT. Напрежението VD обикновено се намалява при увеличаването на T.
Уравнението на Шокли за идеален диод (или т.нар. закон на диода) е получено с допускането, че единствените процеси, предизвикващи ток в диода, са дрейфът (под въздействие на електрическия ток), дифузията и термичната рекомбинация. Също така се предполага, че токът в p-n-областта, предизвикан от термичната рекомбинация, е незначителен.
В зависимост от конструкцията
Според материала, от който са направени
В зависимост от работната честота
В зависимост от разсейваната мощност
В практиката диодите се класифицират основно според предназначението им:
Учени от Университета в Джорджия и Университета Бен Гурион в Негев разработват диод направен от ДНК молекула. Професор от университета в Джорджия със своя тим поставя единична ДНК молекула, направена от 11 базови двойки, и я свързва към електронна схема с размери от ангстрьоми. При поставяне на слой coralyne между слоевете на НДК отрицателните стойности на тока показват превишаване 15 пъти спрямо тока в положителна посока, което е достатъчно за един нанодиод.[11][12]
Това постижение показва възможността за развитие в бъдеще на наноелектрониката и молекулярна електроника в това направление.
Най-ранната употреба на диодите е за демодулация на амплитудно модулиран радиосигнал (AM). Сигналът се състои от редуващи се положителни и отрицателни пикове на напрежението, чиято амплитуда е пропорционална на изходния аудиосигнал. Диодът изправя радиосигнала до аудиосигнал, който се филтрира за отстраняване на атмосферния шум и се подава на усилвател, който генерира звукови вълни.
От диодите могат да се конструират токоизправители, които преобразуват променлив ток в постоянен ток. Типичен пример са автомобилните алтернатори, при които диодите стават по-ефективна алтернатива на традиционното динамо (електротехника).
Диодите често се използват за предпазване на чувствителни електронни устройства от опасни свръхнапрежения. Обикновено те са непроводими в нормални условия, а при свръхнапрежение стават проводими. В практиката се наричат също катодни отводители.
Диодите, в съчетание с други компоненти, могат да образуват логически елементи като „И“ и „ИЛИ“
Диодите могат да се използват за измерване на температура, тъй като свойствата им зависят от нея.
Полупроводниковите диоди са чувствителни към определени енергийни въздействия. Това дава възможност те да се използват за измерване на различни видове лъчения като елементарни частици, космически лъчи и други. Тази чувствителност е и проблем при създаване на апаратура, нечувствителна към външни влияния. Това е например важно при създаване на апаратура за космически изследвания, военна апаратура и за други екстремни условия.
Светодиодите масово се използват при различни устройства, за да индикират дадено състояние. Примерно в много автомобили има светодиоди на видно място, за да индикират наличието на аларми. В техниката се използват светодиоди, за да индикират, че има налично захранване към даден уред.
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.