Puslaidininkis diodas

Istorija

Pirmieji diodų tipai buvo vadinami Flemingo vožtuvais. Tai buvo vakuuminiai vamzdžiai. Jie buvo stiklinio vamzdelio viduje (panašiai kaip lemputė). Stiklinės lemputės viduje buvo mažas metalinis laidas ir didelė metalinė plokštelė. Maža metalinė vielutė įkaista ir skleidžia elektrą, kurią sugauna plokštelė. Didelė metalinė plokštelė nebuvo įkaitusi, todėl elektra vamzdžiu galėjo sklisti viena kryptimi, bet ne kita. Flemingo vožtuvai dabar mažai naudojami, nes juos pakeitė puslaidininkiniai diodai, kurie yra mažesni už Flemingo vožtuvus. Tomas Edisonas taip pat atrado šią savybę dirbdamas su savo elektros lemputėmis.

Statyba

Puslaidininkiniai diodai yra pagaminti iš dviejų tipų puslaidininkių, sujungtų tarpusavyje. Vieno tipo puslaidininkiai turi atomų su papildomais elektronais (vadinamoji n pusė). Kitas tipas turi atomų, kuriems trūksta elektronų (vadinamųjų p pusių). Dėl šios priežasties elektra lengvai tekės iš pusės, kurioje yra per daug elektronų, į pusę, kurioje jų per mažai. Tačiau atvirkštine kryptimi elektra tekės nelengvai. Šie skirtingi tipai gaminami dopingo būdu (puslaidininkis). Silicis, kuriame ištirpintas arsenas, yra geras n puslaidininkis, o silicis, kuriame ištirpintas aliuminis, yra geras p puslaidininkis. Gali veikti ir kitos cheminės medžiagos.

Jungtis prie n pusės vadinama katodu, o jungtis prie p pusės - anodu.

Elektroninio diodo struktūra

Diodo funkcija

Teigiama įtampa p pusėje

Jei į p pusę įjungsite teigiamą įtampą, o į n pusę - neigiamą įtampą, n pusės elektronai norės pereiti į teigiamą p pusės įtampą, o p pusės skylės norės pereiti į neigiamą n pusės įtampą. Dėl to gali tekėti srovė, tačiau tam reikia tam tikros įtampos (labai mažos įtampos nepakanka, kad elektros srovė pradėtų tekėti). Tai vadinama įjungimo įtampa. Silicio diodo įjungimo įtampa yra apie 0,7 V. Germanio diodui reikia maždaug 0,3 V įjungimo įtampos.

Neigiama įtampa p pusėje

Jei vietoj to į p pusę duosite neigiamą įtampą, o į n pusę - teigiamą įtampą, n pusės elektronai norės patekti į teigiamos įtampos šaltinį, o ne į kitą diodo pusę. Tas pats vyksta ir p pusėje. Taigi srovė tarp abiejų diodo pusių neteka. Didinant įtampą, galiausiai elektros srovė bus priversta tekėti (tai yra lūžio įtampa). Daugelis diodų bus sunaikinti atvirkštinės srovės, tačiau yra pagaminta ir tokių, kurie gali ją atlaikyti.

Temperatūros įtaka

Padidėjus temperatūrai, įjungimo įtampa sumažėja. Dėl to elektrai lengviau praeiti pro diodą.

Diodų tipai

Yra daugybė diodų tipų. Kai kurie jų naudojami labai konkrečiai, o kai kurie - įvairiai.

Simboliai

Čia pateikiami kai kurie įprasti puslaidininkinių diodų simboliai, naudojami principinėse schemose:

Diodas	Zenerio diodas	Šotkio diodas	Tunelinis diodas
Šviesos diodas	Fotodiodas	Varicap	Silicio valdomas lygintuvas

Standartinis lygintuvo diodas

Tai keičia A/C (kintamąją srovę, pvz., namų kištukinį lizdą) į D/C (nuolatinę srovę, naudojamą elektronikoje). Standartiniam lygintuvo diodui keliami specifiniai reikalavimai. Jis turi atlaikyti didelę srovę, jam neturi daryti didelės įtakos temperatūra, turėti mažą įjungimo įtampą ir greitai keisti srovės tekėjimo kryptį. Šiuolaikinėje analoginėje ir skaitmeninėje elektronikoje naudojami tokie lygintuvai.

Šviesos diodas

Šviesos diodas skleidžia šviesą, kai per jį teka elektros srovė. Tai ilgiau veikiantis ir efektyvesnis šviesos generavimo būdas nei kaitrinės lemputės. Priklausomai nuo to, kaip jis pagamintas, šviesos diodas gali būti skirtingų spalvų. Šviesos diodai pirmą kartą pradėti naudoti XX a. 7-ajame dešimtmetyje. Šviesą skleidžiantis diodas ilgainiui gali pakeisti elektros lemputę, nes tobulėjant technologijoms jis tampa ryškesnis ir pigesnis (jau dabar yra efektyvesnis ir ilgiau tarnauja). Septintajame dešimtmetyje šviesos diodai buvo naudojami skaičiams rodyti prietaisuose, pavyzdžiui, skaičiuotuvuose, ir kaip būdas parodyti, kad įjungta elektros energija didesniuose prietaisuose.

Fotodiodas

Fotodiodas yra fotodetektorius (šviesos diodo priešingybė). Jis reaguoja į patenkančią šviesą. Fotodiodai turi langelį arba optinio pluošto jungtį, kuri praleidžia šviesą į jautrią diodo dalį. Diodai paprastai turi didelę varžą; šviesa sumažina varžą.

Zenerio diodas

Zenerio diodas yra toks pat kaip įprastas diodas, tačiau, užuot sunaikintas didelės atgalinės įtampos, jis praleidžia elektros srovę. Tam reikalinga įtampa vadinama pramušimo įtampa arba Zenerio įtampa. Kadangi jo konstrukcija turi žinomą pramušimo įtampą, jį galima naudoti žinomai įtampai tiekti.

Varaktoriaus diodas

Varikapas arba varaktoriaus diodas naudojamas daugelyje prietaisų. Jis naudoja sritį tarp diodo p ir n pusių, kurioje elektronai ir skylės atsveria vienas kitą. Tai vadinama išeikvojimo zona. Keičiant atvirkštinės įtampos dydį, keičiasi išeikvojimo zonos dydis. Šioje zonoje yra tam tikra talpa, kuri kinta priklausomai nuo nuskurdinimo zonos dydžio. Tai vadinama kintamąja talpa, sutrumpintai - varikapas. Jis naudojamas PLL (fazės užrakinimo kilpose), kurios naudojamos lusto greitaveikai valdyti.

Žingsnio atkūrimo diodas

Šis simbolis yra diodo su tam tikra užuomina simbolis. Jis naudojamas grandinėse, kurių dažniai siekia iki GHz. Jis labai greitai išsijungia, kai tiesioginė įtampa sustoja. Tam jis naudoja srovę, kuri teka pakeitus poliškumą.

PIN diodas

Šio diodo konstrukcija turi vidinį (normalųjį) sluoksnį tarp n ir p pusių. Esant mažesniems dažniams, jis veikia panašiai kaip standartinis diodas. Tačiau esant dideliems greičiams jis negali suspėti su greitais pokyčiais ir pradeda veikti kaip rezistorius. Vidinis sluoksnis taip pat leidžia valdyti didelės galios įėjimus ir gali būti naudojamas kaip fotodiodas.

Šotkio diodas

Tai simbolizuoja diodo simbolis, kurio viršūnėje yra raidė "S". Vietoj to, kad abi puslaidininkio pusės būtų puslaidininkis (pvz., silicis), viena pusė yra metalas, pvz., aliuminis arba nikelis. Dėl to įjungimo įtampa sumažėja maždaug iki 0,3 V. Tai maždaug pusė įprasto diodo slenksčio įtampos. Šio diodo funkcija yra ta, kad nėra įšvirkščiami mažumos nešikliai - n pusėje yra tik skylės, o ne elektronai, o p pusėje yra tik elektronai, o ne skylės. Kadangi šis diodas yra švaresnis, jis gali reaguoti greičiau, be difuzinės talpos, kuri gali jį sulėtinti. Taip pat susidaro mažiau šilumos ir yra efektyvesnis. Tačiau jis turi tam tikrą srovės nuotėkį, esant atvirkštinei įtampai.

Kai diodas persijungia nuo judančios srovės į nejudančią srovę, tai vadinama perjungimu. Tipiniame diode tai trunka keliasdešimt nanosekundžių; dėl to susidaro radijo triukšmas, kuris laikinai pablogina radijo signalus. Šotkio diodas persijungia per nedidelę šio laiko dalį - mažiau nei nanosekundę.

Tunelinis diodas

Tunelinio diodo simbolyje įprasto simbolio pabaigoje yra tarsi papildomas kvadratinis skliaustelis.

Tunelinį diodą sudaro stipriai legiruota pn sandūra. Dėl tokio didelio dopingo elektronai gali praeiti tik per labai siaurą tarpą. Šis tunelinis efektas pasireiškia abiem kryptimis. Praėjus tam tikram elektronų kiekiui, srovė per tarpą mažėja, kol esant slenkstinei įtampai prasideda įprastinė srovė per diodą. Dėl to atsiranda neigiamos varžos sritis. Šie diodai naudojami tikrai dideliems dažniams (100 GHz). Jie taip pat atsparūs spinduliuotei, todėl naudojami kosminiuose laivuose. Jie taip pat naudojami mikrobangų krosnelėse ir šaldytuvuose.

Atgalinis diodas

Simbolio gale yra ženklas, panašus į didelę I. Jis pagamintas panašiai kaip tunelinis diodas, tačiau n ir p sluoksniai nėra taip stipriai legiruoti. Jis leidžia tekėti srovei atgal, esant nedidelėms neigiamoms įtampoms. Jį galima naudoti mažoms įtampoms (mažesnėms nei 0,7 V) ištiesinti.

Silicio valdomas lygintuvas (SCR)

Vietoj dviejų sluoksnių, kaip įprastas diodas, šis turi keturis sluoksnius, iš esmės tai yra du kartu sudėti diodai su užtūra viduryje. Kai įtampa patenka tarp užtūros ir katodo, įsijungia apatinis tranzistorius. Taip praleidžiama srovė, kuri įjungia viršutinį tranzistorių, ir tada srovės nereikės įjungti vartų įtampa.