Диод

История на откриване на диода

 

Когато в края на XIX век британският учен Фредерик Гътри, който е по-известен с откриването на иприта, открива принципа на действие на термоемисионният диод, едва ли е предполагал, че електронен полупроводников елемент основан на аналогичен принцип ще стане един от най-масово използваните компоненти днес в различни електронни схеми, автоматизация на процесите, електронни устройства с различни функции и приложения. А напоследък един от видовете диоди – светодиода или LED, става все по-популярен и като източник на светлина.

Разбира се, по известен става Томас Алва Едисон, който в един мразовит 13 февруари 1880г. изследвайки лампите с нажежаема жичка, наречени по късно на негово име, преоткрива, че когато на положителния полюс на една лампа има подадено напрежение и към нея се приближи метална пластина, между положителният полюс и пластината протича ток. На този принцип той създава постояннотоков волтметър, патентова го и в общи линии спира до там с диодите.

Странното тук е, че нито един от двамата не е използвал думата диод. Трябвало е учени като Джон Флеминг, бивш сътрудник на Едисон, Карл Браун, Глийнлийф Пакард, Джедиш Чандра Боус и други да създадат радиоприемник на основата на кристални диоди. Да се стигне до 1919г. и още един британски учен – Уилям Хенри Екълс, за да се въведе думата диод (от старогръцки dia-през, odos-път).

 

Видове диоди

Диодите могат да бъдат полупроводникови, лампови и специални. Тук ще се спрем основно на полупроводниковите диоди. Полупроводниковите диоди осъществяват един p-n преход, като токът тече от p-частта, към n-частта, но не и в обратна посока. Диодът е като един вентил за електрически ток. Обикновено за направата му се използва силиций или други полупроводникови материали. Положителният електродът се нарича анод, а отрицателния електрод – катод. При включване в права посока, съпротивлението на диода е малко и тече ток – при включване в обратна посока съпротивлението е голямо и ток не протича.

 

Има множество класификации на диодите, но основната сред тях е според предназначението. Според тази класификация различаваме следните видове диоди:

•  изправителен диод – както се вижда от названието му служи за изправяне на променлив ток, тъй като пропуска ток само в едната посока. Този диод е основен елемент е в токоизправителите устройства и различни електронни схеми. Изправителният диод работи при мрежови честоти и „реже“ едната полувълна на синусоидата. Те могат да бъдат силициеви и германиеви. Силициевите диоди се характеризират с големи пробивни напрежения (1000V – 1600V) и по-голям температурен диапазон на работа. Пробивът при силицевият диод има лавинен характер и пробивното напрежение расте с температурата. Германиевите диоди имат по-малки пробивни напрежения (100V-400V) работят при по-ниски температури и имат по-малък пад на напрежение в права посока и при един и същ ток отделената мощност е по-малка. Пробивът при тях има топлинен характер.

•  светодиод – излъчва некохерентна светлина и се състои от един или няколко кристала, разположени зад леща, създаваща светлинен поток. Светодиодите се използват за дисплеи, декоративно и основно осветление, индикации на процеси и др. Галиев арсенид е едно от съединенията, от които може да се създаде такъв диод. Например почти всеки домашен електронен уред има светлинна индикация на базата на светодиод за наличие на захранване към уреда. В началото LED е бил само червен, но сега са създадени светодиоди светещи в бяло, оранжево, жълто, зелено, синьо, синьо-зелено, ултравиолетово. Тези диоди са регулируеми, т.е. може да се димират.

•  тунелен диод – този диод използва тунелния ефект, представляващ преминаване на електрони през потенциална бариера, по висока от собствената енергия на електроните. При него е характерно, че ширината на прехода е съизмерима с междуатомните разстояние на електроните. Тогава те сякаш се промъкват през този проход (тунел). Тунелните диоди са с p-n преход с много малка ширина и голям интензитет на магнитното поле. Важно предимство на тунелните диоди е тяхната висока честота. Изработват се от силно легирани полупроводници. Могат да работят в много голям температурен интервал, също и в радиоактивна среда. Важно предимство на тунелните диоди е тяхната висока честота както и, че имат много малка консумирана мощност, равняваща се на около 1% от мощността на обикновените диоди.

•  ценеров диод (стабилитрон) е диод, който се включва в обратна посока. При определено обратно напрежение при него настъпва пробив, който не уврежда диода. Наречен е на Кларънс Ценер. Използва се за стабилизиране на напрежението. В схемите се включва паралелно на товарното съпротивление. Нисковолтовите ценерови диоди (до 6 V) се правят от нискоомен материал и работят с тунелен пробив, при  увеличаване на напрежението над 7V настъпва лавинен пробив.

•  Шотки диод – изграден е от алуминий и силиций. Наречен е на немският учен Валтер Шотки. Използва прехода между метал и проводник, преодолявайки т.н. бариера на Шотки. Бариерата на Шотки има малък капацитет на прехода, затова работната честота може да е много висока. Диодите на Шотки са много бързи, отпушването му е за по малко от 0.1 наносекунда и изпреварва отпушването на преходът база-колектор на транзистора, като по този начин го шунтира в интегралните схеми. Използват се за ограничители на напрежение, във фотоволтаичните системи, където предотвратяват протичането на обратен ток и разреждането им през нощта. Диоди на Шотки се използват като изправителни елементи в импулсните захранвания и др.

•  варикап – или варактор. Използват се за промяна на честотата, умножаване на честотата, за фазова модулация, в схеми за управление на осцилатори, в синтезатори на честота и др. Варикапите се използват като кондензатори с променлив капацитет, като при тях се използва зависимостта на капацитета на PN прехода от обратното напрежение.

•  фотодиод – представлява полупроводников високочувствителен нискоинерционен преобразувател на светлинни сигнали в електрични. Преобразува светлина в електрически ток чрез фотоелектричен ефект. Той може да действа като слънчева батерия. Когато преобразува видимата светлина (до 1000nm) е направен от силиций, а когато е за инфрачервена светлина (до 1800nm) – от германий.

•  тиристор – използва се като електрически превключвател в схеми с високо напрежение. Обединява свойствата на транзистора и тиратрона, откъдето идва и името му. Тиристорът представлява управляем диод. Има 3 p-n прехода. Замества механичните прекъсвачи поради многото си предимства, като например липсата на износващи се части, липсата на контактни тела и искрене и т.н. Ако тиристора е без управляващи електроди се нарича динистор или диоден тиристор.

 

Други видове диоди

• лазерен диод – при него активната среда е полупроводник подобен на този, използван в светодиодите. Лазерните диоди се използват за пренос на сигнали в оптични влакна, за запис на данни върху дискове (CD, DVD) и др. На практика това устройство е вид малък лазер.

 

• диод на Гън – вид полупроводников диод, който се използва за генериране и преобразуване на колебания в свръхвисокочестотния спектър на честотата от 0.1 до 100GHz. За разлика от други видове диоди, диода на Гън не се основава на p-n преход, т.е. неговите свойства не се определят от ефекта в местата на съединение на два различни полупроводника, а на собствените свойства на използвания полупроводник. Изобретен е в 1966г. от английският учен Джон Гън.

 

• високочестотен диод – предназначен е за обработка на високочестотни сигнали. Изправя токове и напрежения с честота 150 MHz. Използват се за откриване на сигнали (отделяне на нискочестотен сигнал от модулиран по амплитуда високочестотен сигнал), също така намират приложение за изменение на носещата честота на модулирани колебания и др. Използват точкови p-n преходи за разширяване на честотния диапазон.

 

• импулсен диод – при тях преходните процеси траят по-малко от 1µs. Работят в импулсен режим. Съществуват импулсни диоди в субнаносекундния обхват 0.1-1ns. За да се направят по-бързи, тези диоди се легират със злато, така се увеличава скоростта на рекомбинация. Токът в права посока на тези диоди, обаче е доста малъ,к от порядъка на 20-50mA. Една разновидност на импулсните диоди е меза-диодите. Те са изработени чрез дифузия и площта на прехода им е силно намалена. Те имат време на възстановяване 10-50ns, ток в права посока 500mA и обратно напрежение около 100V.

 

• PIN диод – това са превключвателни диоди. Участват като част от предавателна линия между генератора и товара. Енергията, която се предава по тази линия се определя от импеданса на PIN диода. PIN диодите се използват за регулиране на СВЧ мощност за комутация на СВЧ сигнали при честотна лента от 1 до 12 GHz, за амплитудна модулация с различна дълбочина и др.

 

• стабистор – полупроводников диод, при който напрежението в правата част на волт-амперната характеристика зависи съвсем слабо от тока. Този вид диод също служи за стабилизиране на напрежението. Разликата между стабистора и ценеровия диод е малкото напрежение на стабилизация. За получаване на по-голямо напрежение, стабисторите се свързват последователно.

 

• лавинно-дрейфов диод – работят в режим на лавинен пробив и се използват за генериране на свръхвисокочестотни трептения. Ако на диода се подаде постоянно обратно напрежение, по-малко от напрежението на пробив, върху което се наслагва променлив сигнал с амплитуда превишаваща в единия си полупериод пробивното напрежение в определена тясна област, в нея се създават условия за лавинно умножение. При повтаряне на този полупериод, в диода се генерира ново количество лавинни електрони, които започват да дрейфуват към N областите. Токът през диода се модулира с честотата на сигнала насложен върху входното напрежение. Поради инертността на лавината, се получава дефазиране между напрежението и протичащия през диода ток, като фазовият ъгъл е приблизително равен на n/4. Като n е високоомния тесен участък наречен слой на умножение на електрони. Получава се област с отрицателно диференциално съпротивление, която позволява генериране на незатихващи СВЧ трептения.

 

Приложение на диодите

Диодите намират много и  разнообразни приложения като често се използват за защита на чувствителни и скъпи електронни устройства от свръхнапрежение, тъй като при нормални условия са непроводими, а при свръхнапрежения стават проводими. Диодите в съчетание с други електронни елементи образуват също така логически елементи. Могат да се използват и за измерване на температура, защото в повечето случаи характеристиките им пряко зависят от нея. Най-ранното им използване е било за амплитудна демодулация на радиосигнал. Всеки диод има характерна за него волт-амперна характерисдтика. В практиката приложение намират и високомощни диоди за напрежение достигащи до 1200 V и ток 200 А. Този тип диоди се монтират върху охладител.