Диода

Диода е електронски уред што дозволува протекување на струјата во една насока без отпор (или со многу мал отпор) додека во спротивната насока претставува бесконечен (или барем многу голем) отпор. Затоа за диодата се вели дека има проводна и непроводна насока. Отпорноста на диодата во проводна насока е многу мала, додека во непроводната насока отпорноста на диодата е огромна. Поради тоа диодата може да се замисли како електронски еквивалент на еднонасочен вентил.

Современите диоди најчесто се прават од кристални полуспроводнички материјали како што се силициум или германиум. Меѓутоа, постојат и диоди со термионска емисија - електронски (вакуумски) цевки.

Историја

Вакумските и кристалните диоди се откриени речиси во исто време. Принципот на работа на вакуумските диоди се заснова врз термионската емисија откриена од Фредерик Гутри во 1873 година. Принципот на работа на кристалната диода е откриен во 1874 година од германскиот научник Карл Фердинанд Браун.

Принципот на работа на термионските диоди е повторно откриен од Томас Едисон на 13 февруари 1880 година додека тој се обидувал да ја пронајде причината за прегорување на влакното и за нееднаквото поцрнување на стаклото (посилно во близина на едниот крај на влакното) во неговите светилки. Сепак, најважниот чекор го направил Џон Амброз Флеминг, научен советник во компанијата Маркони, кој во 1904 година увидел дека Едисоновото откритие може да се употреби за детекција на радио-бранови. Флеминг ја конструирал електронската цевка со две електроди, денес позната како диода, и ја патентирал на 16 ноември 1904 година. Зборот диода го смислил Вилјем Хенри Еклс во 1919 година како грчко-латинска комбинација на зборовите: ди-два.

Вакуумска диода

Вакуумската диода е систем од две електроди во вакуумиран сад помеѓу кои се одржува потенцијална разлика (напон). Една од електродите, наречена катода, се држи на висока температура, така што таа е вжарена. Високата температура се постига исто како и кај светилките со вжарено влакно, со течење на електрична струја низ влакно коешто е дел од катодата. Вжарената катода емитира електрони во вакуумот. Другата електрода, наречена анода, се држи на далеку пониска температура, поради што, за разлика од катодата, не емитира електрони. Доколку анодата е попозитивна од катодата, електричното поле коешто владее во вакуумот ги забрзува електроните кон анодата. Потокот од електрони од катодата до анодата претставува течење на електрична струја (проводна насока). Ако пак анодата е понегативна од катодата, електричното поле ги забрзува електроните кон катодата и со тоа ги спречува да стигнат до анодата. Во овој случај нема течење на електрична струја (непроводна насока).

Во текот на 20иот век вакуумските диоди беа користени во кола за аналогна обработка на сигнали и за исправување на наизменичната струја во напојните уреди. Денес тие се користат само за некои специјални примени, како исправувачи во гитарски засилувачи и високонапонска опрема.

Полуспроводничка диода

Повеќето денешни диоди се засновани врз полуспроводнички п-н спој. Кај полуспроводничките диоди струјата може да тече (во смисла на конвенционалната насока) од п-страната (анода) кон н-страната (катода), но не може да тече во спротивната насока. Постои и друг вид полуспроводнички диоди, таканаречени шоткиеви диоди, коишто се засновани врз спој метал-полуспроводник.

Одлики на полуспроводничка диода

Кривата на зависноста на струјата од напонот, позната како U-I дијаграм, го опишува преносот на носители на електричен полнеж низ т.н. осиромашена област којашто постои околу п-н спојот помеѓу двата различно допирани полуспроводници. При создавањето на п-н спојот, електроните од проводната област на н-допираната страна дифундираат во п-допираната област којашто изобилува со шуплини (тоа се места каде што недостасуваат електрони во орбита на атомот), па дифундираните електрони се „рекомбинираат“ со шуплините. Кога слободен електрон се рекомбинира со шуплина, „исчезнуваат“ и електронот и шуплината, а како последица останува позитивно наелектризиран неподвижен дарител на н-страната и негативно наелектризиран примател на п-страната. Подрачјето околу п-н спојот станува сиромашно со носители на електричество, па се однесува како изолатор.

Меѓутоа, осиромашената област не може да се шири бесконечно. За секој пар електрон-шуплина којшто се рекомбинира, на н-страната останува еден позитивно наелектризиран допирачки јон, а на п-страната останува еден негативно наелектризиран допирачки јон. Како што тече рекомбинацијата и како се ствараат сѐ повеќе јони, во осиромашената област се засилува електричното поле коешто се спротивставува на дифузијата на носители. Во еден момент електричното поле ја запира дифузијата и во осиромашената област останува „вграден потенцијал“.

Ако диодата се приклучи на надворешен електричен напон со ист поларитет како вградениот потенцијал, осиромашената зона продолжува да се однесува како изолатор, не допуштајќи течење на значителна електрична струја. А пак ако поларитетот на надворешниот напон е спротивен на вградениот потенцијал, одново започнува рекомбинација, што резултира со значителна електрична струја низ п-н спојот. Вградениот потенцијал зависи од материјалот на полуспроводникот и е околу 0,6V кај силициумските диоди. Значи, ако низ диодата се пропушти струја, на краевите ќе има напон од околу 0,6V, и тоа така што п-допираната страна е позитивна во однос на н-допираната страна, а за диодата се вели дека „спроведува“, т.е дека е „директно поларизирана“.

Слика 1: U-I одлика на п-н диода.

U-I одликата на полуспроводничка диода може приближно да се претстави со крива како на сликата десно, разделена на 4 региони.

При длабока инверзна поларизација, лево од врвниот инверзен напон (ВИН), настанува процес наречен инверзен пробив. Тоа предизвикува лавинско зголемување на струјата што обично трајно ја оштетува диодата. Постојат специјално дизајнирани диоди (лавински диоди) коишто се употребуваат токму во овој режим. Поимот ВИН не е применлив кај „зенер“ диодата. Зенер диодите имаат силно допиран п-н спој што им овозможува на електроните да тунелираат од валентниот појас на п-полуспроводникот до спроводниот појас во н-полуспроводникот, со што инверзниот напон е ограничен на одредена вредност (наречена зенеров напон), при што не доаѓа до лавинско нараснување на струјата. Во подрачјето на ограничениот инверзен напон и двата вида диоди имаат ограничени максимална струја и моќност. А и при преминувањето од директна поларизација во инверзна, извесно кратко време протекува позначителна инверзна струја, што е всушност одлагање на поминувањето во непроводна состојба.

Вториот регион ги опфаќа инверзните напони десно од ВИН. Тука тече само мала струја на цурење, којашто е од редот на µA кај нормална п-н насочувачка диода.

Во третиот регион имаме мал напон во директна насока. Тука низ диодата тече мала струја во директната насока.

Ако напонот во директна насока се зголеми над „напонот на прагот“ или „напонот на вклучување“ или „падот на напон во проводната насока“, струјата низ диодата станува значителна (нивото на „значителност“ и вредноста на прагот зависат од конкретната примена), а диодата претставува мошне ниска отпорност.

Во овој регион струјно-напонската крива е експоненцијална. Кај нормалните силициумски диоди, при дозволени струи, напонскиот праг се дефинира на 0,6 до 0,7 волти. За други видови диоди таа вредност е различна - кај шотки-диодите може да биде и 0,2V, кај црвени ЛЕД може да биде 1,4V и повеќе, а кај сините ЛЕД може да биде и до 4,0V.

Со зголемување на струјата расте падот на напонот во проводна насока. Кај моќните насочувачки диоди, типичната вредност при максимално дозволената струја се движи од 1,0 до 1,5V.

Видови полуспроводнички диоди

Постојат неколку видови диоди со полуспроводнички споеви:

Обична (п-н) диода

Работи на начинот погоре опишан. Се произведува од монокристален силициум (наречен германиум) со мали примеси на тривалентни и петвалентни елементи. Пред современите силициумски диоди за исправување на напонот се користеле диоди со бакароксид или селен. Меѓутоа ефикасноста била причина за големиот пад на напонот по диоди од 1.4 - 1.7 В, што е во случајот потребно за исправување на високиот напон и употребување на врзаните диоди предизвикува голем пад на напонот, поради што е потребно да се има големо ладење, повеќе значајно отколку денес како што е случајот со силициумската диода со иста струјна одлика.

Диоди збогатени со злато

Златото предизвикува потиснување на споредните носители на електрони. Ова намалување на делотворната капацитативност кај диодите овозможува работење на диодата на поголема честота. Типичен пример е 1Н914. Германиумските и Шотки диодите се со иста брзина, а исто така и биполарните транзистори коишто се поврзани како диода. Исправувачките диоди се прават со цел да работат на најмногу 2.5 x 400 Hz што е 1 kHz и не им е потребен толкав опсег.

Зенер диоди

Овие диоди понекогаш се нарекуваат и пробијни диоди. Посебна особина кај овој тип на диода е што можат да протекуваат во спротивниот правец. Овој ефект, наречен како Зенеров пробој, на прецизно одредените вредности на спротивниот напон е значајна особина за конструкција на референтниот напонски извор или во колата за стабилизација и ограничување на напонот. Принципот на работа е заснован на појавата на поминување на електронот низ тенката потенцијална бариера на спојот. После ова е пробиен напонот кај овие релативно мали диоди, 2 до 6 В. Пробијните диоди можат да бидат силициумски или германиумски, но силициумските се подобри заради одликите при влегувањето во пробијната област. Овие диоди имаат негативен температурен коефициент на напонот.

Диоди со лавински ефект

Диодите што можат да спроведуваат во спротивниот правец кога напонот на поларизација предизвикува лавинско умножување на слободните честички што носат електрицитет со проследување на големата брзина при движењето низ силното електрично поле на прелазните области. Овој принцип е присутен кај високите вредности на изолираната поларизација, над 6.2 В до 1500 В. Овие диоди имаат позитивен температурен коефициент на пробојниот напон, што се ублажува со редно додавање на обичните диоди поларизирани во спротивниот правец и што имаат негативен температурен коефициент.

Диода за потиснување на излезниот напон

Диоди за потиснување на излезниот напон се диоди со лавински пробив направени за посебни работи за заштита на други полуспроводнички уреди од електростатичкото празнење.

Напречниот пресек на прелазните области во неговиот п-н спој се шири многу за разлика од обичните диоди, што овозможува да се спроведат големи струи како приземјувањето без никакво оштетување.

Светлечка диода (ЛЕД)

ЛЕД (анг: LED, Light-emitting Diode) е електролуминисцентен уред којшто емитува фотони кога електроните преминуваат низ спојот. Оваа диода емитува зрачење, но не го напушта полуспроводникот и се наоѓа во честотниот опсег на инфрацрвеното зрачење. Меѓутоа, изборот одговара на материјалот и геометриската светлост станува видлива. Напонот на потенцијалната бариера на диодата ја одредува бојата на светлината. Различните материјали или невообичаените полуспроводници се користат кај овие типови. Црвената боја одговара на напон од 1.2 В, а напонот од 2.4 В одговара на виолетовата боја. Денес постојат диоди и за ултравиолетова светлост. Првите светлечки диоди биле црвени и жолти, а другите настанале подоцна што се гледа од следнава слика дадена подолу.

Сите светлечки диоди се еднобојни; белите диоди се комбинација од три диоди со различни бои или сина обложена со жолта. Колку е помала честотата на диодата, толку поголема е ефикасноста, па за различни диоди потребно е да се зголемува силината на струјата кај диодата со поголема честота. Ова сѐ повеќе се компликува од причина што човечкото око е најосетливо на светлост којашто е некаде помеѓу сината и зелената боја.

Фото диода

Диода со широк провиден спој.Фотоните избиваат електрони од орбитата во областите на спојот, што е резултат на појавата на електрична струја. Фото диодите многу се користат кај сончевите или фотонапонските ќелии и кај фотометрите. Ако фотонот нема доволно енергија нема да ги побуди електроните и само ќе помине низ спојот. Дури и светлечката диода може да се употреби како фото диода со ниска ефикасност кај некои примени. Некогаш светлечката диода и фото диодата се пакуваат во исто куќиште. Овој уред затоа се нарекува „опто изолатор“ или „опто раздвојувач“. За разлика од трансформаторот, тој дозволува галванско раздвојување на едносмерниот напон. Ова е доста корисно, на пример кај заштитата на пациентите кои се приклучени на медицински уреди или кога се осетливи на ниско струјни кола раздвоени од проблематичниот напонски склоп или јакиот електромотор. Сончевите ќелии се една вид на фото диоди.

Ласерски диоди

Ласерски диоди се тип на светлечки диоди кај кои се полираат паралелни страни од диодните материјали коишто формираат резонантна шуплина што претставува засилувач на светлоста - ласер. Ласерските диоди се користат кај оптичките уреди (ЦД и ДВД читачи/режачи) и кај комуникациите со голем капацитет (оптички влакна и оптичка коминикација).

Варикап диоди

Се користат како напонски контролирани кондензатори кај осцилаторот.

Органска светлечка диода (ОЛЕД)

Органската светлечка диода (анг: OLED, Organic Light-emitting Diode) е специфичен тип на светлинско емитирачките диоди коишто на емисиониот слој содржат тенок слој на одредени органски состојки. Емисиониот електро луминисцентен слој може да содржи полимерен супстрат којшто овозможува исфрлање на погодни состојки, на пример, во редовите и колоните на рамен носител со земање на едноставен „принтинг“ метод да создаде матрица од пиксели коишто можат да емитираат различна боја на светлина. Некои системи можат да се користат во телевизиските екрани, компјутерските дисплеи, екраните кај персоналните системи во светлечките реклами и информации во информациски апликации и патокази и слично. Органските светлечки диоди исто така можат да бидат искористени како светлински извори за главна просторна илуминација. Органските светлечки диоди се имплиментираат во големи просторно-светлинско-емитирачки елементи. Тие диоди типично емитираат помалку светлина во просторот за разлика од неорганските светлечки диоди коишто обично се користат како главни светлински извори. Приоритет на стандардизацијата на органско светлинско емитирачка диодна технологија се должи на органската електро-луминисценција. Една од главните бенефиции на органските светлечки дисплеи за разлика од стандардните дисплеи со течни кристали е тоа што нема потреба од позадинско светло. Тоа значи дека тие користат далеку помалку енергија, т.е кога користат батерии со едно полнење имаат подолг временски период на користење. Исто така се знае дека дисплеите засновани на светлечките диоди полесно се изработуваат од плазма дисплеи и од течни кристали. Понатаму, распаѓањето на материјалот од којшто се направени органските светлечки диоди, го ограничува користењето на овие материјали.

Функционалност

Органските светлечки диоди работат на принцип на елктролуминисцентно заситување, коешто се состои од префрлање на заситени електрони и празнини со генерирање на емисиона подлога. Кога заситени електрони и празнини се комбинираат се емитира фотон. Главен предизвик на производството на органските светлечки диоди е да се подеси уред каде што ист број на електрони и протони се среќаваат во емисионата подлога. Тоа е многу тешко бидејќи кај органскиот спој (синтеза) подвижноста на електроните е многу помала од подвижноста на празнините. Материјалите коишто обично се користат во емисиониот слој се типични флуорофосфори коишто можат да емитират светлина само кога се формира синглед заситување ( заситувањето може да биде синглед и триплет - едно од четири заситувања е синглед со што се редуцира функционалноста на органско светлинско емитирачките диоди). Но за среќа, со вметнување на преодни метали во мали молекули во органските светлечки диоди, триплет и синглед методите можат да се измешаат од вртлив аголен момент, во кој е главна емисијата од триплед состојбата.