Диод

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към: навигация, търсене
Диод
Diode-closeup.jpg
Поглед отблизо, показващ квадратния полупроводников кристал
Изобретен Фердинанд Браун (1874)
Символично означение
DiodeBG.jpg
Диод в Общомедия

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.

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.

История[редактиране | редактиране на кода]

Ламповите и полупроводниковите диоди се развиват успоредно. Принципът на действие на термоемисионните диоди е открит от Фредерик Гътри през 1873 година.[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 година. 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 година.[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 година 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".

Механичен модел на диода[редактиране | редактиране на кода]

Forward through a hole pushes away a ball that was blocking the far side of the hole, allowing flow to occur. The motion of the ball compresses a spring.
Backward flow pushes a ball against a hole, preventing outward flow through the hole. A spring expands to help hold the ball in place.
Спирателен вентил в отворена позиция позволява движението на флуида, а в затворена блокира движението му

За илюстрация на принципа на действие на диода 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. Работата на изправителния диод може да се обясни най-просто като аналогична на работата на спирателния вентил: В посока на пропускане флуидът оказва някакво налягане върху сачмата. Когато това налягане нарасне над предварително зададена стойност (при диода ролята на налягане играе електрическото напрежение), сачмата се притиска плътно и потокът на флуида (при диода това е електрическият ток) се блокира. Тоест, налягането трябва да стане достатъчно голямо, за да може да преодолее съпротивлението на пружината (в случая с диода, праговото напрежение на диода). При това диодът се „отпушва“ и протича ток. При обикновения силициев диод праговото напрежение е от порядъка на 0,6 до 0,7 V.

Видове диоди[редактиране | редактиране на кода]

Лампови диоди[редактиране | редактиране на кода]

Принципна схема на лампов диод

Ламповите (или термоемисионни) диоди са електровакуумни устройства, които се състоят от електроди, монтирани в стъклен съд от който е изтеглен въздуха. На външен вид наподобяват газоразрядни лампи.

По време на работа, катодът се нагрява и започва да отделя електрони. Когато на анода се подаде положителен потенциал, то той привлича електроните и през уреда протича ток. Когато му се подаде отрицателен потенциал, то той отблъсква електроните и ток през уреда не протича.

Електровакуумните диоди днес се използват главно във военната техника, заради по-високата си издръжливост и устойчивостта си на въздействието на радиация.

Полупроводникови диоди[редактиране | редактиране на кода]

Различни полупроводникови диоди

Диоди с полупроводников р-n преход[редактиране | редактиране на кода]

Модерните полупроводникови диоди са направени предимно от силиций,към който са добавени примеси за създаване на полупроводников P-N преход. Могат да се използват и германиеви и галиев арсенид полупроводници. За получаването на този преход се правят добавки от примеси, създаващи съответно електронна и дупчеста проводимост. Връзката между тези две области 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.

Шотки диод[редактиране | редактиране на кода]

Друг вид полупроводников диод е Шотки диод, който се образува от преход метал-полупроводник (обикновено алуминий и силиций), при който се намалява значително капацитета и по този начин увеличава значително скоростта на превключване.

Диодите могат да бъдат класифицирани и според техническите им характеристики: в зависимост от конструкцията, от използвания материал, работната честота и според разсейваната мощност.

Волт-амперна храктеристика на p-n прехода[редактиране | редактиране на кода]

Волт-амперна характеристика на диод с p-n преход

Волт-амперната характеристика на диода показва начина, по който диода 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 прехода, 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 и 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 потенциала на спиращия слой и при едно определено напрежение напълно 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.

Според техническите характеристики[редактиране | редактиране на кода]

В зависимост от конструкцията

  • точкови
  • плоскостни

Според материала от който са направени

В зависимост от работната честота

  • Нискочестотни (НЧ)
  • Средночестотни([СЧ])
  • Високочестотни (ВЧ)
  • Свръхвисокочестотни (СВЧ)

В зависимост от разсейваната мощност

  • маломощни (максимален допустим ток в права посока до 0,3 А)
  • средномощни (0,3÷3 А)
  • мощни (над 3 A )
Тиристор - управляем електронен ключ

Според предназначението[редактиране | редактиране на кода]

В практиката диодите се класифицират основно според предназначението им:

  • Изправителни диоди - служат за преобразуване на променлив ток в постоянен - пропускат ток само в едната посока (вентилен ефект). Работят при ниски честоти (най-често между 50 и 60 херца), тъй като с нарастване на честотата се наблюдава увеличение на капацитивните токове и диодите губят изправителните си свойства. Най-често се изготвят от силиций, поради високите пробивни напрежения (1000 - 1600V). Имат голям брой специфични приложения в електронните схеми и се използват като основни елементи в изправителите,чиято основна функция е преобразуване на променливото напрежение от мрежата в постоянно.
  • Фотодиоди: Запушеният преход се отпушва при облъчване със светлина. Използват се за преобразуване на светлинна енергия в електрическа. Виж Фотоклетка.
  • Тиристори: използват се за електрически превключватели в схеми с високо напрежение.
  • Лазерен диод е лазер, в който активната среда е полупроводник подобен на използвания при светодиодите, но притежаващ оптически резонатор. Излъчват кохерентна светлина.
  • PIN диод e вид диод, в който между областите с p (дупчеста проводимост) и n (електронна проводимост) се намира нелегирана (intrinsic) област на полупроводника (на английски: intrinsinc - същински). Използват се за превключване на СВЧ сигнали.
  • Диод на Гън е галиево-арсениден диод, който може да генерира СВЧ трептения. При него няма PN преход и действието му се основава на откритието на Гън от 1963 г. Диодите на Гън се използват за работа в СВЧ обхвата, както в импулсен така и в непрекъснат режим. Намират приложение в радиолокацията, телеметрията, навигацията и други като генератори и усилватели.
  • Магнитодиоди са полупроводникови диоди, които под въздействие на външно магнитно поле изменят съпротивлението си при протичане на ток в права посока. Понякога се нарича магниторезистор. Тяхното въздействие се основавана на ефекта на Гаус. Когато през полупроводников кристал протича електрически ток и перпендикулярно на посоката на тока се приложи външно магнитно поле, то въздейства върху токоносителите и изменя траекторията им. В резултат на това нараства съпротивлението на полупроводника.
  • Ламбда диоди са полупроводникови диоди, чиято волт-амперна характеристика в права посока е подобна на тази на тунелните диоди и съдържа участък с отрицателно динамично съпротивление. Ламбда диодите са високочестотни прибори, намиращи приложение в генератори, усилватели и регулатори.

Нанодиод[редактиране | редактиране на кода]

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 отрицателниите стойности на тока показват превишаване 15 пъти спрямо тока в положителна посока, което е достатъчно за един нанодиод.[8][9]

Това постижение показва възможността за развитие в бъдеще на наноелектрониката и молекулярна електроника в това направление.

Приложения[редактиране | редактиране на кода]

Амплитудна демодулация[редактиране | редактиране на кода]

Опростена схема за амплитудна демодулация.

Най-ранната употреба на диодите е за демодулация на амплитудно модулиран радиосигнал (AM). Сигналът се състои от редуващи се положителни и отрицателни пикове на волтажа, 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.

Преобразуване на електричество[редактиране | редактиране на кода]

Схема за преобразуване на променлив в постоянен ток

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).

Защита от свръхнапрежение[редактиране | редактиране на кода]

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.

Логически елементи[редактиране | редактиране на кода]

"И"- логическа схема реализирана с диоди

Диодите, в съчетание с други компоненти, могат да образуват логически елементи като "И" и "ИЛИ"

Измерване на температура[редактиране | редактиране на кода]

Диодите могат да се използват за измерване на температура, тъй като свойствата им зависят от нея.

Индикация[редактиране | редактиране на кода]

Светлодиодите 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.

Източници[редактиране | редактиране на кода]

  1. Richardson, Owen W. 1928 Nobel Lecture: Thermionic phenomena and the laws which govern them (PDF). // nobelprize.org, 1929. Посетен на 24 февруари 2010.
  2. Щатски патент 307 031 
  3. Road to the Transistor. // Jmargolin.com. Посетен на 22 септември 2008.
  4. Щатски патент 803 684 
  5. http://chem.ch.huji.ac.il/~eugeniik/history/braun.htm
  6. http://encyclobeamia.solarbotics.net/articles/diode.html
  7. http://www.bellsystemmemorial.com/belllabs_transistor1.html
  8. Choi, Charles Q. (4 April 2016) World's Smallest Diode Is Made of DNA. IEEE Spectrum
  9. Emmino, Nicolette (5 April 2016) The World’s Smallest Diode Has Been Developed. IHS Electronics360

Вижте също[редактиране | редактиране на кода]