Diode

'n Diode is 'n elektriese komponent wat die rigting van die beweging van elektriese lading 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 nodig het dat stroom net in een rigting vloei maak gebruik van diodes.

Soorte diodes
Oppervlak-gemonteerde MELF diodes.

Ou diodes sluit "kat-snorbaard" kristalle en vakuumbuis toestelle in. Moderne diodes word van halfgeleiers vervaardig soos silikon en germanium.

Geskiedenis

Termiese diodes en halfgeleier diodes het in parallel ontwikkel. Fredrick Gurhrie het die prinsiep van termiese diodes beskryf in 1873. Karl Ferdinand Braun het die prinsiep van kristal diodes beskryf in 1874.

Die termiese diode was 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 kristal diode uitgeneem in 1899. Die eerste radio ontvangers wat van 'n kristal diode gebruik gemaak het is deur Greenleaf Whittier Pickard vervaardig in 1900. Die eerste termiese diodes is in Brittanje gepatenteer deur John Ambrose Flemming op 16 November, 1904. Pickard het die patent vir die silikon-kristal-diode ontvang op 20 November, 1906.

Daardie tyd 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 vakuum diode. Van bo na onder: die anode, die katode, die verhitterfilament.

Termiesediodes is vakuumbuis toestelle, wat bestaan uit 'n aantal elektrodes omhul in 'n glas vakuumbuis.

In vakuumbuis diodes 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 metaal elektrode, wat die anode genoem word, positief, dus word die elektrone aangetrek na die anode. Wanneer die spannings polariteit omgekeer word (truvoorspanning), 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 vakuumbuis diodes gebruik vir analoog toepassings en as geleikrigters in kragbronne. Vandag word vakuumbuis diodes slegs in gespesialiseerde toepassing, soos geleikrigters in buiskitaar en hotrostel versterkers, en gespesialiseerde hoëspanning toestelle gebruik.

Halfgeleier diodes
Diode simbool. 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-voegvlak diodes kan gewone stroom van die p-tipe kant (die anode) na die n-tipe kant (die katode), 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 Halfgeleier diode stoom-spanning, of I-V, eienskap kurwe 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 (mobile) 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 elektron-holte paar 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 elektron-holte pare werk totdat 'n ewewig bereik word en die sperlaar 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 a isolator was stroom vloei 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 spannigsval 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 spannigsval geleidend word en kan dit beskou word as 'n geleier met geen weerstand of baie klein weerstand. Die oordagfunksie van die diode is in werklikheid logaritmies, maar so sperk 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 teenvoorspanning gebied van die I-V eienskap grafiek 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. Zener diodes en stortdiodes word vervaardig om 'n opsetlikke deurslagspunt te hê na 'n voorafbepaalde trustroom sodat die truspanning vasgepen word by 'n bekende waarde. Hierdie toestelle het wel 'n maksimum limiet op die stroom en drywing vermoë in die elektronestortings gebied.

Shockley diode vergelyking

Die Shockley ideale diode vergelyking (vernoem na William Bradford Shockley), ook bekend as die diode wet, 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.

waar

I die stroom deur die diode is,
IS die versadigingstroom is,
VD die spanningsval oor die diode is,
VT die termiese spanning is en
n die emissiekoëffisiënt is.

Die emissiekoëffisiënt n word bepaal deur die vervaardegingproses 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 VT is ongeveer 25.2 mV teen kamertemperatuur (25oC of 298K) en is 'n bekende konstante waarde gedefinieer deur:

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 halfgeleier diodes
Diode Zenerdiode Schottky-diode Tonneldiode
Ligemissiediode Fotodiode Varicap Silikondiodegelykrigter

Daar is 'n verskeie tipe halfgeleier voegvlak diodes:

Normale (pn-voegvlak) diodes
Hierdie diode werk soos hierbo beskryf word. Die diode word gewoonlik van gedoteerde silikon of germanium vervaardig. Germanium diodes is bitter 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 truvoorgespan). 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 teenoorgesteld 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 grotes 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 derektebandgappingshalfgeleier, 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 photone: 1.2 V vir rooi, 2.4 V vir violet. Die eerste ligemissiediodes was rooi en geel. Hoëfrekwensie diodes 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 halfgeleir 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 geleikrigters 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 spannings oorgange 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 aan '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 eenvoudiges. '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 metaal geleier in kontak te bring met 'n halfgeleierkrital 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 verwysings frekwensie 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 kapasietansie. Hierdie diodes word ook gebruik as ionisasiestrallingsdetektor en photodetektors 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

Radio demodulasie

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

Kragomsitting

Gelykrigters word saamgestel uit diodes 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 gelyktroom.

Oorspanningsbeveiliging

Diodes word gebruik om hoëspanning en hoëstroom wat sensitiewe elektriese kompenente kan beskadig te sink. Die diode is normaalweg truvoorgespan totdat die spanning of stroom bo die bepaalde waarde styg, dan word die diode meevoorgespan en sink die stroom. 'n Voorbeeld is induktiewe laste soos relê stroombane waar die induktor vinnig spanningloos gemaak word deur 'n diode sodat die stroombaan nie beskadig word deur spannigspieke 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 beekend.

Temperatuur meting

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

Ladding gekoppelde toestelle

Digitale kamaras en soortgelyke toestelle gebruik regimente van photo diodes saam met 'n uitlees stroombaan.

Bronnelys
Hierdie artikel is groottendeels 'n vertaling van die Engelse Wikipedia artikel "Diode".
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.