Dioda: definīcija, darbības princips un pielietojums (LED, pusvadītāji)
Uzzini, kas ir dioda, tās darbības princips un pielietojumi — no LED apgaismojuma līdz pusvadītāju shēmām. Skati praktiskus piemērus un pielietojuma padomus.
Dioda ir elektroniska detaļa ar diviem elektrodiem (savienotājiem) — anodu un katodu — kas veido p‑n pāreju un ļauj elektrībai plūst galvenokārt vienā virzienā. Parasti, kad dioda tiek polarizēta pareizajā virzienā (uz priekšu), caur to plūst strāva; pretējā virzienā strāva ir ļoti maza līdz tiek sasniegts sadalījuma (breakdown) spriegums.
Kā darbojas dioda
Diodas darbības pamatā ir p‑n pāreja. P‑tipa materiālā ir pāri ar pozitīvām "caurumiem", n‑tipa materiālā — brīvie elektroni. Ja uz anodu tiek uzlikts pozitīvs spriegums attiecībā pret katodu (uz priekšu polarizācija), pāreja tiek novērsta un elektroni var šķērsot robežu — dioda vada. Ja spriegums mainīts pretējā virzienā (apgriezta polarizācija), p‑n pāreja bloķē strāvu, izņemot mazu noplūdes strāvu.
Diodes strāvas‑sprieguma raksturojumu aptuveni apraksta Šoklija (Shockley) vienādojums: I = I_s (e^{V/(nV_T)} − 1), kur I_s ir noplūdes strāva, V_T ir termiskais spriegums un n ir ideāluma koeficients. Praktiski svarīgi parametri ir priekšējā sliekšņa spriegums (piem., silīcija diodām ~0,7 V), atpakaļējā izlādes spriegums (breakdown) un noplūdes strāva.
Biežākie diodu veidi un īss raksturojums
- Standarta taisnošanas dioda — izmanto maiņstrāvas pārvēršanai līdzstrāvā (piem., diodu tilts), barošanas blokos un aizsardzībai.
- Šotkija dioda (Schottky) — zems sprieguma kritums priekšējā virzienā (~0,2–0,4 V), ātra pārslēgšanās; lieto barošanas regulatoros un ātras elektronikas ķēdēs.
- Zenera dioda — īpaši izstrādāta strādāt apgrieztā režīmā līdz noteiktam sabrukuma spriegumam; izmanto sprieguma regulēšanai un stabilizācijai.
- Gaismu izstarojošā dioda (LED) — LED pārveido elektrisko enerģiju gaismā; atšķiras pēc krāsas, priekšējā sprieguma un efektivitātes.
- Fotodioda — darbojas pretēji LED: reaģē uz iedarbinošu gaismu, ģenerējot strāvu; izmanto optiskajās sensoru un sakaru ierīcēs.
- Tunelējuma (Tunnel) dioda — ātra ar negatīvu pretestības apgabalu, izmantojama augstas ātruma oscilatoros un pastiprinātājos.
- Kapacitatīvā (varikaps) dioda — maina kapacitāti atbilstoši pielietotajam apgrieztajam spriegumam; bieži lieto frekvenču regulēšanas ķēdēs (VCO).
Materiāli un iepakojums
Visizplatītākie pusvadītāju materiāli ir pusvadītāji kā silīcijs un germānijs, kā arī III–V grupas savienojumi (piem., GaAs) LED un speciālām diodām. Diodes tiek ražotas dažādos iepakojumos: caurcauruma (through‑hole), SMD (virsmas montāža) un īpašos augstas jaudas korpusos ar dzesēšanas iespēju.
Praktiskie parametri un īpašības
- Priekšējā sliekšņa spriegums: silīcija ~0,6–0,8 V, germānija ~0,2–0,3 V, Šotkija zemāks, LED parasti 1,8–3,3 V atkarībā no krāsas.
- Atpakaļējā izturība un noplūde: apgrieztajā režīmā strāva ir ļoti maza, bet pie pārāk liela sprieguma var notikt iznīcinošs sabrukums (vai kontrolēts Zenera režīms).
- Jauda un temperatūra: diodes siltumu ierobežo jaudas zudumi; jaudas diodām nepieciešami radiatoru elementi.
- Ātrums: signāldažiem un frekvenču lietojumiem svarīga diodes atšķirība starp klasiskajām šuntēšanas un ātrajām (fast recovery, Schottky) diodām.
- Kapacitāte: apgrieztā režīmā diodai ir neliela p‑n pārejas kapacitāte, kas ietekmē augsto frekvenču darbību.
Pielietojumi
- Maiņstrāvas taisnošana un barošanas avoti (piem., diodu tilts).
- Sprieguma regulēšana un stabilizācija (Zenera diodas).
- Signālu klipēšana, ierobežošana un aizsardzība pret pārspriegumu.
- Ātra pārslēgšanās elektronikā un digitālajās ķēdēs.
- Gaismas avoti un indikatori — LED (apgaismojums, displeji, signālindikatūra).
- Optiskie sensori un sakaru ierīces (fotodiodas, optoizolatori).
- Radio signālu demodulācija (piemēram, kristāla radio), kur dioda izved kā detektors.
Praktiski padomi
- Pievērs uzmanību polaritātei: diodas ķermeņos parasti ir svītra, kas apzīmē katodu.
- LED izmanto kopā ar ierobežojošo rezistoru, lai neļautu caur to plūst pārmērīgai strāvai.
- Ja nepieciešama zemas sprieguma nokrišana un ātra darbība, izvēlies Šotkija diodu.
- Augstas jaudas diodām nodrošini pareizu dzesēšanu, lai nepieļautu termisku bojājumu.
Apkopojot: dioda ir pamatelements elektroniskajās ķēdēs ar daudzveidīgām īpašībām un pielietojumiem — no vienkāršas taisnošanas līdz optiskai pārvēršanai un precīzai sprieguma regulācijai. Mūsdienās visizplatītākās diodes ir izgatavotas no pusvadītāju materiāliem, piemēram, silīcija vai dažkārt no germānija, un tās ir neatņemama daļa no plaša spektra elektronisko ierīču.
Diodes
Anoda un katoda. Katods ir marķēts uz korpusa.
Vēsture
Pirmo diodu veidu sauca par Fleminga vārstiem. Tās bija vakuuma lampas. Tās atradās stikla caurulītes iekšpusē (līdzīgi kā spuldzīte). Stikla spuldzes iekšpusē bija neliels metāla vads un liela metāla plāksne. Mazā metāla stieple sakarst un izstaro elektrību, ko uztver plāksne. Lielā metāla plāksne nesasilda, tāpēc elektrība caur caurulīti varēja plūst vienā virzienā, bet ne otrā. Fleminga vārstus vairs daudz neizmanto, jo tos ir aizstājušas pusvadītāju diodes, kas ir mazākas par Fleminga vārstiem. Šo īpašību atklāja arī Tomass Edisons, strādājot pie savām spuldzēm.
Būvniecība
Pusvadītāju diodes ir izgatavotas no divu veidu pusvadītājiem, kas savienoti viens ar otru. Vienā no tiem ir atomi ar papildu elektroniem (to sauc par n-pusi). Otram tipam ir atomi, kuriem trūkst elektronu (to sauc par p-vidi). Tāpēc elektrība viegli plūst no puses, kurā ir pārāk daudz elektronu, uz pusi, kurā to ir pārāk maz. Tomēr elektrība nevar viegli plūst pretējā virzienā. Šos dažādos veidus veido, izmantojot dopingu (pusvadītāju). Silīcijs ar tajā izšķīdušu arsēnu veido labu n-pusvadītāju, savukārt silīcijs ar tajā izšķīdušu alumīniju veido labu p-pusvadītāju. Var izmantot arī citas ķīmiskās vielas.
Savienotāju n pusē sauc par katodu, bet savienotāju p pusē - par anodu.
Caurules diodes struktūra
Diodes funkcija
Pozitīvs spriegums p pusē
Ja p pusē tiek pielikts pozitīvs spriegums, bet n pusē - negatīvs spriegums, n pusē esošie elektroni vēlēsies doties uz pozitīvo spriegumu p pusē, bet p pusē esošie caurumi vēlēsies doties uz negatīvo spriegumu n pusē. Tāpēc var pastāvēt strāvas plūsma, bet, lai tā sāktos, ir nepieciešams zināms spriegums (ar ļoti mazu spriegumu nepietiek, lai elektriskā strāva plūstu). To sauc par ieslēgšanas spriegumu. Silīcija diodes ieslēgšanās spriegums ir aptuveni 0,7 V. Savukārt germānija diodei ir nepieciešams ieslēgšanās spriegums aptuveni 0,3 V.
Negatīvs spriegums p pusē
Ja tā vietā p pusei tiek pievadīts negatīvs spriegums, bet n pusei - pozitīvs spriegums, n puses elektroni vēlas doties uz pozitīvā sprieguma avotu, nevis uz otru diodes pusi. Tas pats notiek p pusē. Tātad strāva starp abām diodes pusēm plūdīs. Sprieguma palielināšana galu galā piespiedīs elektrisko strāvu plūst (tas ir pārrāvuma spriegums). Daudzas diodes tiks iznīcinātas ar pretplūsmu, bet ir izgatavotas arī tādas, kas to var pārdzīvot.
Temperatūras ietekme
Temperatūrai paaugstinoties, ieslēgšanas spriegums samazinās. Tas atvieglo elektrības plūsmu caur diodi.
Diodu veidi
Ir daudz diodu veidu. Dažām ir ļoti specifiski lietojumi, bet dažām ir dažādi lietojumi.
Simboli
Šeit ir daži kopīgi pusvadītāju diodu simboli, ko izmanto shematiskajās shēmās:
|
|
|
|
|
| Diodes | Zenera diode | Šotkija diode | Tuneļa diode |
|
|
|
|
|
| Fotodiode | Varicap |
Standarta taisngrieža diode
Tas maina A/C (maiņstrāvu, piemēram, mājas sienas kontaktdakšu) uz D/C (līdzstrāvu, ko izmanto elektronikā). Standarta iztaisnotāja diodēm ir īpašas prasības. Tai ir jāiztur liela strāva, to nedrīkst ietekmēt temperatūra, tai ir jābūt ar zemu ieslēgšanās spriegumu un tai jāatbalsta ātras strāvas plūsmas virziena maiņas. Mūsdienu analogajā un digitālajā elektronikā izmanto šādus taisngriežus.
Gaismu izstarojoša diode
LED rada gaismu, kad caur to plūst elektrība. Tas ir ilglaicīgāks un efektīvāks gaismas radīšanas veids nekā kvēlspuldzes. Atkarībā no tā, kā tā ir izgatavota, LED var radīt dažādas krāsas. Gaismas diodes pirmo reizi sāka izmantot pagājušā gadsimta 70. gados. Gaismu izstarojošā diode ar laiku var aizstāt spuldzīti, jo, attīstoties tehnoloģijām, tā kļūst spilgtāka un lētāka (jau tagad tā ir efektīvāka un ilgāk kalpo). Pagājušā gadsimta 70. gados gaismas diodes izmantoja, lai rādītu skaitļus ierīcēs, piemēram, kalkulatoros, un kā veidu, kā parādīt, ka lielākās ierīcēs ir ieslēgta strāva.
Fotodiode
Fotodiods ir fotodetektors (pretstats gaismas diodei). Tas reaģē uz ienākošo gaismu. Fotodiodēm ir logs vai optiskās šķiedras savienojums, kas caurlaiž gaismu uz diodes jutīgo daļu. Diodēm parasti ir spēcīga pretestība; gaisma samazina pretestību.
Zenera diode
Zenera diode ir līdzīga parastajai diodei, taču tā vietā, lai to iznīcinātu liels atpakaļgaitas spriegums, tā caurlaiž elektrību. Šim nolūkam nepieciešamo spriegumu sauc par sadalīšanās spriegumu jeb Zenera spriegumu. Tā kā tā ir veidota ar zināmu sadalīšanās spriegumu, to var izmantot, lai nodrošinātu zināmu spriegumu.
Varaktora diode
Varikapsli jeb varaktora diodi izmanto daudzās ierīcēs. Tā izmanto apgabalu starp diodes p- un n- pusi, kur elektroni un caurumi līdzsvaro viens otru. To sauc par noplicināšanas zonu. Mainot reversā sprieguma lielumu, mainās noplicināšanas zonas lielums. Šajā apgabalā ir zināma kapacitāte, un tā mainās atkarībā no noplicināšanas zonas lieluma. To sauc par mainīgo kapacitāti jeb saīsināti - varikaps. To izmanto PLL (Phase-locked loops), ko izmanto, lai kontrolētu mikroshēmas ātrdarbības frekvenci.
Soli-atjaunošanas-diode
Simbols ir diodes simbols ar sava veida aizķeršanos. To izmanto shēmās ar augstām frekvencēm līdz pat GHz. Tā ļoti ātri izslēdzas, kad pārtraucas tiešais spriegums. Lai to izdarītu, tā izmanto strāvu, kas plūst pēc polaritātes maiņas.
PIN diode
Šīs diodes konstrukcijā ir iekšējs (normāls) slānis starp n- un p-pusēm. Lēnākās frekvencēs tā darbojas tāpat kā standarta diode. Bet pie lieliem ātrumiem tā nespēj tikt galā ar ātrām izmaiņām un sāk darboties kā rezistors. Iekšējais slānis ļauj arī apstrādāt lielas jaudas ieejas, un to var izmantot kā fotodiodiodi.
Šotkija diode
Tā simbols ir diodes simbols ar "S" virsotnē. Tā vietā, lai abas puses būtu pusvadītājs (piemēram, silīcijs), viena puse ir metāls, piemēram, alumīnijs vai niķelis. Tas samazina ieslēgšanas spriegumu līdz aptuveni 0,3 voltiem. Tas ir aptuveni puse no parastās diodes sliekšņa sprieguma. Šīs diodes funkcija ir tāda, ka netiek ievadīti mazākuma nesēji - n pusē ir tikai caurumi, nevis elektroni, un p pusē ir tikai elektroni, nevis caurumi. Tā kā tā ir tīrāka, tā var reaģēt ātrāk, bez difūzijas kapacitātes, kas to var palēnināt. Tas arī rada mazāk siltuma un ir efektīvāks. Taču tam ir zināma strāvas noplūde ar reverso spriegumu.
Kad diode pārslēdzas no kustīgas strāvas uz nekustīgu strāvu, to sauc par pārslēgšanos. Tipiskā diodē tas aizņem desmitiem nanosekunžu; tas rada zināmu radio troksni, kas uz laiku pasliktina radio signālus. Šotkija diode pārslēdzas nelielā laika daļā, mazāk nekā nanosekundē.
Tuneļa diode
Tuneļa diodes simbolā parastā simbola beigās ir sava veida papildu kvadrātveida iekavās.
Tuneļa diode sastāv no augsti leģēta pn-veida savienojuma. Augstā dopinga dēļ ir tikai ļoti šaura sprauga, caur kuru var izplūst elektroni. Šis tuneļa efekts izpaužas abos virzienos. Pēc tam, kad caur spraugu ir izgājis noteikts daudzums elektronu, strāva caur spraugu samazinās, līdz sākas normāla strāva caur diodi pie sliekšņa sprieguma. Tas rada negatīvas pretestības apgabalu. Šādas diodes tiek izmantotas ļoti augstām frekvencēm (100 GHz). Tās ir arī izturīgas pret starojumu, tāpēc tās izmanto kosmosa kuģos. Tās izmanto arī mikroviļņu krāsnīs un ledusskapjos.
Atpakaļgaitas diode
Simbolī diodes galā ir zīme, kas izskatās kā liela I. Tā ir veidota līdzīgi kā tuneļdiodes, bet n- un p-slānis nav tik augstu leģēti. Tā ļauj strāvai plūst atpakaļ ar nelielu negatīvu spriegumu. To var izmantot zemu spriegumu (mazāk nekā 0,7 V) iztaisnošanai.
Silikona vadāms izlādētājs (SCR)
Tā vietā, lai veidotu divus slāņus kā parastai diodei, tai ir četri slāņi, būtībā tās ir divas kopā saliktas diodes ar vārtiem pa vidu. Kad spriegums nonāk starp vārtiem un katodu, apakšējais tranzistors ieslēdzas. Tas ļauj strāvai iet cauri, kas aktivizē augšējo tranzistoru, un tad strāva nebūs jāieslēdz ar aizvara spriegumu.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir diode?
A: Diode ir elektroniska detaļa ar diviem elektrodiem, kas ļauj elektrībai iet caur to vienā virzienā, bet ne citā.
J: Kādam nolūkam izmanto diodes?
A: Diodes var izmantot, lai maiņstrāvu pārvērstu līdzstrāvā (diodes tilts). Tās izmanto barošanas avotos un dažkārt amplitūdas modulācijas radio signālu dekodēšanai.
J: Kas ir gaismas diodes?
A: Gaismu izstarojošās diodes (LED) ir gaismas diodes, kas rada gaismu.
J: No kādiem materiāliem visbiežāk izgatavo diodes?
A: Mūsdienās visizplatītākās diodes izgatavo no pusvadītāju materiāliem, piemēram, silīcija vai dažkārt no germānija.
J: Cik daudz elektrodu ir diodei?
A: Diodē ir divi elektrodi (savienotāji).
J: Vai caur diodi elektrība var plūst abos virzienos?
A: Nē, elektrība caur diodi var plūst tikai vienā virzienā.
J: Kādam nolūkam izmanto diodes, lai maiņstrāvu pārvērstu līdzstrāvā?
A: Diodes maiņstrāvas pārveidošanai līdzstrāvajā strāvā izmanto, lai atvieglotu elektronisko ierīču, kurām nepieciešama līdzstrāvas strāva, barošanu.
Meklēt