Diode - Diode

Nærbilde av en silisiumdiode. Anoden er på høyre side; katoden er på venstre side (der den er markert med et svart bånd). Den firkantede silisiumkrystall kan sees mellom de to ledningene.

Ulike halvlederdioder. Nederst: En bro -likeretter . I de fleste dioder identifiserer et hvitt eller svart malt bånd katoden som elektroner vil strømme inn i når dioden ledes. Elektronstrøm er motsatt av konvensjonell strømstrøm.

Strukturen til en vakuumrørsdiode . Selve filamentet kan være katoden, eller oftere (som vist her) brukes til å varme et separat metallrør som fungerer som katoden.

En diode er en to- terminal elektronisk komponent som driver strøm hovedsakelig i en retning (asymmetrisk konduktans ); den har lav (ideelt sett null) motstand i den ene retningen, og høy (ideelt uendelig) motstand i den andre. En diode vakuumrør eller termi-diode er et vakuum-rør med to elektroder , en oppvarmet katode og en plate , i hvilken elektroner kan strømme i bare en retning, fra katoden til platen. En halvlederdiode , den mest brukte typen i dag, er et krystallinsk stykke halvledermateriale med et p – n -kryss som er koblet til to elektriske terminaler. Halvlederdioder var de første halvlederelektroniske enhetene . Oppdagelsen av asymmetrisk elektrisk ledning over kontakten mellom et krystallinsk mineral og et metall ble gjort av den tyske fysikeren Ferdinand Braun i 1874. I dag er de fleste dioder laget av silisium , men andre halvledende materialer som galliumarsenid og germanium brukes også.

Hovedfunksjoner

Den vanligste funksjonen til en diode er å la en elektrisk strøm passere i en retning (kalt dioden forover ), mens den blokkeres i motsatt retning ( motsatt retning). Som sådan kan dioden sees på som en elektronisk versjon av en tilbakeslagsventil . Denne enveis oppførselen kalles rektifikasjon , og brukes til å konvertere vekselstrøm (ac) til likestrøm (dc). Former for likerettere , dioder kan brukes til oppgaver som å trekke ut modulering fra radiosignaler i radiomottakere.

Imidlertid kan dioder ha mer komplisert oppførsel enn denne enkle på-av-handlingen, på grunn av deres ikke - lineære strømspenningsegenskaper. Halvlederdioder begynner bare å lede elektrisitet hvis en viss terskelspenning eller innkoblingsspenning er tilstede i fremoverretningen (en tilstand der det sies at dioden er forspent ). Spenningsfallet over en forspenningsdiode varierer bare litt med strømmen, og er en funksjon av temperaturen; denne effekten kan brukes som en temperatursensor eller som en spenningsreferanse . Diodenes høye motstand mot strøm som strømmer i motsatt retning, faller plutselig til en lav motstand når omvendt spenning over dioden når en verdi som kalles nedbrytningsspenningen .

Strømspenningskarakteristikken til en halvlederdiode kan skreddersys ved å velge halvledermaterialene og dopingforurensningene som blir introdusert i materialene under produksjonen. Disse teknikkene brukes til å lage spesialdioder som utfører mange forskjellige funksjoner. For eksempel brukes dioder til å regulere spenning ( Zener-dioder ), for å beskytte kretser mot høyspenningsspenninger ( skreddioder ), for elektronisk innstilling av radio- og TV-mottakere ( varaktordioder ), for å generere radiofrekvente svingninger ( tunneldioder , Gunn-dioder) , IMPATT-dioder ), og for å produsere lys ( lysdioder ). Tunnel-, Gunn- og IMPATT -dioder viser negativ motstand , noe som er nyttig i mikrobølgeovn og kretser.

Dioder, både vakuum og halvleder, kan brukes som skuddstøygeneratorer .

Historie

Thermionic ( vakuum-rør ) dioder og solid-state (halvlederdioder) ble utviklet separat, omtrent på samme tid, i 1900, som Mottaker detektorer . Fram til 1950-årene ble vakuumdioder brukt oftere i radioer fordi halvlederdiodene med tidlig kontakt var mindre stabile. I tillegg hadde de fleste mottakssett vakuumrør for forsterkning som lett kunne ha termioniske dioder inkludert i røret (for eksempel 12SQ7 dobbeltdiodetriode ), og vakuumrørlikriktere og gassfylte likerettere var i stand til å håndtere noen høyspenninger /høyfast utbedringsoppgaver bedre enn halvlederdiodene (for eksempel selen-likerettere ) som var tilgjengelige på den tiden.

Vakuumrørdioder

I 1873 observerte Frederick Guthrie at en jordet, hvitglødende metallkule brakt i nærheten av et elektroskop ville utlade et positivt ladet elektroskop, men ikke et negativt ladet elektroskop.

I 1880 observerte Thomas Edison enveis strøm mellom oppvarmede og uoppvarmede elementer i en pære, senere kalt Edison -effekt , og ble gitt patent på bruk av fenomenet for bruk i et DC -voltmeter .

Omtrent 20 år senere innså John Ambrose Fleming (vitenskapelig rådgiver for Marconi Company og tidligere Edison -ansatt) at Edison -effekten kan brukes som radiodetektor . Fleming patenterte den første sanne termioniske dioden, Fleming -ventilen , i Storbritannia 16. november 1904 (etterfulgt av US patent 803.684 i november 1905).

Gjennom vakuumrøretiden ble ventildioder brukt i nesten all elektronikk som radioer, fjernsyn, lydsystemer og instrumentering. De mistet sakte markedsandeler som begynte på slutten av 1940 -tallet på grunn av selen -likeretterteknologi og deretter på halvlederdioder i løpet av 1960 -årene. I dag brukes de fremdeles i noen få høyeffektsapplikasjoner der deres evne til å motstå forbigående spenninger og robusthet gir dem en fordel i forhold til halvledere, og i musikkinstrumenter og audiofile applikasjoner.

Solid-state dioder

I 1874 oppdaget den tyske forskeren Karl Ferdinand Braun den "ensidige ledningen" over en kontakt mellom et metall og et mineral . Jagadish Chandra Bose var den første som brukte en krystall for å oppdage radiobølger i 1894. Krystalldetektoren ble utviklet til en praktisk enhet for trådløs telegrafi av Greenleaf Whittier Pickard , som oppfant en silisiumkrystalldetektor i 1903 og mottok patent på den i november 20, 1906. Andre eksperimenter prøvde en rekke andre mineraler som detektorer. Halvlederprinsipper var ukjente for utviklerne av disse tidlige likeretterne. I løpet av 1930 -årene avanserte fysikkforståelsen, og på midten av 1930 -tallet kjente forskere ved Bell Telephone Laboratories potensialet til krystalldetektoren for bruk i mikrobølgeovnteknologi. Forskere ved Bell Labs , Western Electric , MIT , Purdue og i Storbritannia utviklet intensivt punktkontaktdioder ( krystallliktere eller krystalldioder ) under andre verdenskrig for bruk i radar. Etter andre verdenskrig brukte AT&T disse i mikrobølgeovnstårnene som krysset USA, og mange radarsett bruker dem selv på 2000-tallet. I 1946 begynte Sylvania å tilby 1N34 krystalldiode. I begynnelsen av 1950 -årene ble veikryssdioder utviklet.

Etymologi

På tidspunktet for oppfinnelsen ble asymmetriske ledningsinnretninger kjent som likerettere . I 1919, året tetroder ble oppfunnet, laget William Henry Eccles begrepet diode fra de greske røttene di (fra δί ), som betyr "to" og ode (fra οδός ), som betyr "sti". Ordet diode , men så vel som triode , tetrode , pentode , hexode , allerede var i bruk som når det gjelder multipleks telegrafi .

Likerettere

Selv om alle dioder retter opp , brukes uttrykket likeretter vanligvis på dioder beregnet for strømforsyning for å skille dem fra dioder beregnet på små signalkretser .

Vakuumrørdioder

Symbolet for en indirekte oppvarmet vakuumrørsdiode. Fra topp til bunn er elementnavnene: plate , katode og varmeapparat .

En termionisk diode er en termionventil som består av en forseglet, evakuert glass- eller metallkonvolutt som inneholder to elektroder : en katode og en plate . Katoden er enten indirekte oppvarmet eller direkte oppvarmet . Hvis indirekte oppvarming brukes, er en varmeapparat inkludert i konvolutten.

Under drift blir katoden oppvarmet til rød varme , rundt 800–1 000 ° C (1.470–1.830 ° F). En direkte oppvarmet katode er laget av wolframtråd og varmes opp av en strøm som passerer gjennom den fra en ekstern spenningskilde. En indirekte oppvarmet katode oppvarmes av infrarød stråling fra en varmeapparat i nærheten som er dannet av Nichrome -tråd og forsynes med strøm fra en ekstern spenningskilde.

Et vakuumrør som inneholder to strømdioder

Katodens driftstemperatur får den til å frigjøre elektroner til vakuumet, en prosess som kalles termionisk utslipp . Katoden er belagt med oksyder av jordalkalimetaller , slik som barium og strontium- oksyder . Disse har en lav arbeidsfunksjon , noe som betyr at de lettere avgir elektroner enn den ubelagte katoden.

Platen, som ikke blir oppvarmet, avgir ikke elektroner; men er i stand til å absorbere dem.

Vekselspenningen som skal utbedres påføres mellom katoden og platen. Når platespenningen er positiv i forhold til katoden, tiltrekker platen elektrostatisk elektronene fra katoden, så en strøm av elektroner strømmer gjennom røret fra katode til plate. Når platespenningen er negativ i forhold til katoden, sendes ingen elektroner ut av platen, så ingen strøm kan passere fra platen til katoden.

Halvlederdioder

Nærbilde av en EFD108 germanium punktkontaktdiode i DO7 glasspakke, som viser den skarpe metalltråden ( katthår ) som danner halvlederforbindelsen.

Punktkontaktdioder

Punktkontaktdioder ble utviklet fra 1930-tallet, fra den tidlige krystalldetektorteknologien , og brukes nå generelt i 3 til 30 gigahertz-serien. Punktkontaktdioder bruker en metalltråd med liten diameter i kontakt med en halvlederkrystall, og er av enten ikke-sveiset kontakttype eller sveiset kontakttype . Ikke-sveiset kontaktkonstruksjon benytter Schottky-barriereprinsippet. Metalsiden er den spisse enden av en tråd med liten diameter som er i kontakt med halvlederkrystallet. I den sveisede kontakttypen dannes et lite P-område i den ellers N-type krystallen rundt metallpunktet under produksjon ved midlertidig å føre en relativt stor strøm gjennom enheten. Punktkontaktdioder viser generelt lavere kapasitans, høyere fremovermotstand og større revers lekkasje enn koblingsdioder.

Koblingsdioder

p – n kryssdiode

En p – n -kryssdiode er laget av en krystall av halvleder , vanligvis silisium, men germanium og galliumarsenid brukes også. Urenheter legges til den for å lage et område på den ene siden som inneholder negative ladningsbærere (elektroner), kalt en halvleder av n-typen , og et område på den andre siden som inneholder positive ladningsbærere ( hull ), kalt en halvleder av p-typen . Når n-type og p-type materialer er festet sammen, oppstår en kortvarig strøm av elektroner fra n til p-siden, noe som resulterer i et tredje område mellom de to der det ikke er ladningsbærere tilstede. Denne regionen kalles uttømmingsregionen fordi det ikke er ladningsbærere (verken elektroner eller hull) i den. Diodens terminaler er festet til n-type og p-type regioner. Grensen mellom disse to områdene som kalles et p – n -kryss , er diodens virkning. Når et tilstrekkelig høyere elektrisk potensial påføres P-siden ( anoden ) enn på N-siden ( katoden ), tillater det elektroner å strømme gjennom tømmingsområdet fra N-typen til P-typen. Krysset tillater ikke strøm av elektroner i motsatt retning når potensialet påføres omvendt, og på en måte skaper en elektrisk tilbakeslagsventil .

Schottky -diode

En annen type koblingsdiode, Schottky -dioden , er dannet av et metall -halvlederkryss i stedet for ap -n -kryss, som reduserer kapasitans og øker koblingshastigheten.

Strømspenningskarakteristikk

I – V (strøm mot spenning) egenskaper ved ap – n -kryssdiode

En halvlederdiodes oppførsel i en krets er gitt av dens strømspenningskarakteristikk , eller I – V -graf (se grafen nedenfor). Kurvens form bestemmes av transporten av ladningsbærere gjennom det såkalte uttømmingslaget eller uttømmingsområdet som eksisterer i p-n-krysset mellom forskjellige halvledere. Når ap-n-krysset først opprettes, diffunderer ledningsbånd (mobile) elektroner fra det N- dopede området til det P- dopede området der det er en stor populasjon av hull (ledige steder for elektroner) som elektronene "rekombinerer" med . Når et mobilt elektron rekombinerer med et hull, forsvinner både hull og elektron, og etterlater en immobil positivt ladet donor (dopant) på N -siden og negativt ladet akseptor (dopant) på P -siden. Området rundt p – n -krysset blir oppbrukt av ladningsbærere og oppfører seg dermed som en isolator .

Imidlertid kan bredden på tømmingsområdet (kalt tømmingsbredden ) ikke vokse uten grenser. For hver rekombinasjon av elektronhullspar blir et positivt ladet dopantion igjen i N-dopet region, og et negativt ladet dopantion opprettes i P-dopet region. Etter hvert som rekombinasjonen fortsetter og flere ioner opprettes, utvikler et økende elektrisk felt seg gjennom tømmingssonen som virker for å bremse og til slutt stoppe rekombinasjon. På dette tidspunktet er det et "innebygd" potensial over tømmingssonen.

En PN -koblingsdiode i forspenningsmodus, nedbrytningsbredden reduseres. Både p og n forbindelsene dopet med et 1e15 / cm3 doping nivå, som fører til innebygget i potensialet i ~ 0,59V. Observer de forskjellige kvasi Fermi -nivåene for ledningsbånd og valensbånd i n og p -regioner (røde kurver).

Omvendt skjevhet

Hvis en ekstern spenning plasseres over dioden med samme polaritet som det innebygde potensialet, fortsetter tømmingssonen å fungere som en isolator, og forhindrer enhver betydelig elektrisk strømstrøm (med mindre det skapes elektronhullspar aktivt i krysset av for eksempel lys; se fotodiode ). Dette kalles omvendt skjevhet .

Fremover skjevhet

Imidlertid, hvis polariteten til den eksterne spenningen motsetter seg det innebygde potensialet, kan rekombinasjon igjen fortsette, noe som resulterer i en betydelig elektrisk strøm gjennom p-n-krysset (dvs. et betydelig antall elektroner og hull rekombinerer i krysset). For silisiumdioder er det innebygde potensialet omtrent 0,7 V (0,3 V for germanium og 0,2 V for Schottky). Således, hvis en ekstern spenning større enn og motsatt den innebygde spenningen blir påført, vil en strøm strømme og det sies at dioden er "slått på" ettersom den har fått en ekstern forspenning fremover . Dioden sies vanligvis å ha en "terskel" spenning fremover, over hvilken den leder og under hvilken ledningen stopper. Dette er imidlertid bare en tilnærming ettersom fremoverkarakteristikken er jevn (se IV -grafen ovenfor).

En diodes I – V -karakteristikk kan tilnærmes av fire operasjonsområder:

1. Ved veldig stor omvendt forspenning, utover toppen av invers spenning eller PIV, oppstår en prosess som kalles omvendt sammenbrudd som forårsaker en stor økning i strøm (dvs. et stort antall elektroner og hull blir opprettet ved og beveger seg bort fra p – n -krysset ) som vanligvis skader enheten permanent. Den skred dioden er bevisst utformet for bruk på denne måte. I Zener -dioden er ikke begrepet PIV aktuelt. En Zenerdiode inneholder et sterkt dopet p-n-kryss som lar elektroner tunnelere fra valensbåndet til materialet av p-typen til ledningsbåndet til materialet av n-typen, slik at reversspenningen "klemmes" til en kjent verdi ( kalt Zener -spenningen ), og det oppstår ikke skred. Begge enhetene har imidlertid en grense for maksimal strøm og effekt de kan tåle i det klemte omvendte spenningsområdet. Etter slutten av videresendingskonduksjonen i en hvilken som helst diode er det også reversstrøm for en kort stund. Enheten oppnår ikke sin fulle blokkeringsevne før reversstrømmen opphører.
2. For en skjevhet mindre enn PIV, er reversstrømmen veldig liten. For en normal P-N likeretterdiode er reversstrømmen gjennom enheten i mikro-ampere (μA) -området veldig lav. Dette er imidlertid temperaturavhengig, og ved tilstrekkelig høye temperaturer kan en betydelig mengde reversstrøm observeres (mA eller mer). Det er også en liten overflatelekkasjestrøm forårsaket av elektroner som bare går rundt dioden som om den var en ufullkommen isolator.
3. Med en liten forspenning, der bare en liten fremoverstrøm utføres, er strømspenningskurven eksponentiell i samsvar med den ideelle diodelegningen. Det er en bestemt fremspenning der dioden begynner å lede betydelig. Dette kalles knespenningen eller innkoblingsspenningen og er lik barrierepotensialet til pn-krysset. Dette er et trekk ved den eksponentielle kurven og ser skarpere ut på en nåværende skala som er mer komprimert enn i diagrammet vist her.
4. Ved større fremoverstrømmer begynner strømspenningskurven å bli dominert av den ohmiske motstanden til bulk halvlederen. Kurven er ikke lenger eksponentiell, den er asymptotisk til en rett linje hvis helning er bulkmotstanden. Denne regionen er spesielt viktig for strømdioder. Dioden kan modelleres som en ideell diode i serie med en fast motstand.

I en liten silisiumdiode som opererer ved sine nominelle strømmer, er spenningsfallet omtrent 0,6 til 0,7 volt . Verdien er forskjellig for andre diodetyper— Schottky-dioder kan vurderes så lavt som 0,2 V, germaniumdioder 0,25 til 0,3 V, og røde eller blå lysemitterende dioder (LED) kan ha verdier på henholdsvis 1,4 V og 4,0 V.

Ved høyere strømmer øker forspenningsfallet til dioden. Et fall på 1 V til 1,5 V er typisk ved full nominell strøm for effektdioder.

Shockley diode ligning

Den Shockley ideell diode ligning eller diode lov (oppkalt etter bipolar junction transistor medoppfinner William Bradford Shockley ) gir I-V som er karakteristisk for en ideell diode i enten forover eller revers forspenning (eller ingen skjevhet). Følgende ligning kalles Shockley ideal diode ligning når n , idealitetsfaktoren, er satt til 1:

${\ displaystyle I = I _ {\ mathrm {S}} \ left (e^{\ frac {V _ {\ text {D}}} {nV _ {\ text {T}}}}-1 \ høyre)}$

hvor

Jeg er diodestrømmen,

I _S er motsatt forspenningen metningsstrøm (eller skala strøm),

V _D er spenningen over dioden,

V _T er termisk spenning , og

n er idealitetsfaktoren , også kjent som kvalitetsfaktor eller noen ganger utslippskoeffisient . Idealitetsfaktoren n varierer vanligvis fra 1 til 2 (men kan i noen tilfeller være høyere), avhengig av fabrikasjonsprosessen og halvledermaterialet og er satt lik 1 for en "ideell" diode (dermed blir n noen ganger utelatt ). Idealitetsfaktoren ble lagt til for å gjøre rede for ufullkomne veikryss som observert i virkelige transistorer. Faktoren står hovedsakelig for rekombinasjon av transportører ettersom ladningsbærerne krysser uttømmingsområdet .

Den termiske spenningen V _T er omtrent 25,85 mV ved 300 K, en temperatur nær "romtemperatur" som vanligvis brukes i enhetssimuleringsprogramvare. Ved enhver temperatur er det en kjent konstant definert av:

${\ displaystyle V _ {\ text {T}} = {\ frac {kT} {q}} \ ,,}$

hvor k er Boltzmann -konstanten , T er den absolutte temperaturen i p – n -krysset, og q er størrelsen på ladningen til et elektron ( elementærladningen ).

Den omvendte metningsstrømmen, I _S , er ikke konstant for en gitt enhet, men varierer med temperaturen; vanligvis mer signifikant enn V _T , slik at V _D vanligvis synker når T øker.

Den Shockley ideell diode ligning eller diode lov er avledet med den forutsetning at de eneste prosesser som gir opphav til at strømmen i dioden er drift (på grunn av elektrisk felt), diffusjon og termiske rekombinasjon-generasjon (R-G) (denne ligning er avledet ved å sette n = 1 ovenfor). Den antar også at R – G -strømmen i utarmingsregionen er ubetydelig. Dette betyr at Shockley ideelle diode-ligning ikke tar hensyn til prosessene som er involvert i omvendt sammenbrudd og fotonassistert R – G. I tillegg beskriver den ikke "utjevning" av I - V -kurven ved høy forspenning på grunn av intern motstand. Introduserer idealitetsfaktoren, n, står for rekombinasjon og generering av bærere.

Under sperreforspenning spenningene eksponentielle i dioden ligning er ubetydelig, og strømmen er en konstant (negativ) verdi omvendt strøm av - I _S . Omvendt sammenbruddsområde er ikke modellert av Shockley -diodelegningen.

For selv ganske små forspenningsforspenninger er eksponentiell veldig stor siden termisk spenning er veldig liten i sammenligning. Den subtraherte '1' i diodelegningen er da ubetydelig, og fremoverdiodestrømmen kan tilnærmes med

${\ displaystyle I = I _ {\ text {S}} e^{\ frac {V _ {\ text {D}}} {nV _ {\ text {T}}}}}}$

Bruken av diodelegningen i kretsproblemer er illustrert i artikkelen om diodemodellering .

Atferd med lite signal

Ved fremoverspenninger mindre enn metningsspenningen, er kurven for spenning versus strøm karakteristisk for de fleste dioder ikke en rett linje. Strømmen kan tilnærmes som nevnt i forrige seksjon. ${\ displaystyle I = I _ {\ text {S}} e^{\ frac {V _ {\ text {D}}} {nV _ {\ text {T}}}}}}$

I detektor- og mikserapplikasjoner kan strømmen estimeres av en Taylors serie. De merkelige begrepene kan utelates fordi de produserer frekvenskomponenter som er utenfor passbåndet til mikseren eller detektoren. Selv termer utover det andre derivatet trenger vanligvis ikke å være inkludert fordi de er små sammenlignet med andre ordens term. Den ønskede strømkomponenten er omtrent proporsjonal med kvadratet av inngangsspenningen, så responsen kalles firkantlov i denne regionen.

Reverse-recovery-effekt

Etter slutten av videresendingskonduksjonen i diode av ap -n -typen, kan en revers strøm strømme over kort tid. Enheten oppnår ikke sin blokkeringsevne før mobilladningen i krysset er oppbrukt.

Effekten kan være betydelig når du bytter store strømmer veldig raskt. En viss mengde av "reverse recovery time" t _r (i størrelsesorden flere titalls nanosekunder til noen få mikrosekunder), kan det være nødvendig å fjerne den reverse recovery ladning Q _r fra dioden. I løpet av denne utvinningstiden kan dioden faktisk lede i motsatt retning. Dette kan gi opphav til en stor konstant strøm i motsatt retning for en kort stund mens dioden er omvendt forspent. Størrelsen på en slik reversstrøm bestemmes av driftskretsen (dvs. seriemotstanden) og det sies at dioden befinner seg i lagringsfasen. I visse virkelige tilfeller er det viktig å vurdere tapene som oppstår ved denne ikke-ideelle diodeeffekten. Men når slew rate på strømmen er ikke så alvorlig (f.eks Linje frekvens) effekten kan trygt ignoreres. For de fleste applikasjoner er effekten også ubetydelig for Schottky -dioder .

Reversstrømmen opphører brått når den lagrede ladningen er oppbrukt; dette brå stoppet utnyttes i trinngjenopprettingsdioder for generering av ekstremt korte pulser.

Typer halvlederdiode

Normale (p – n) dioder, som fungerer som beskrevet ovenfor, er vanligvis laget av dopet silisium eller germanium . Før utviklingen av silisium -likeretterdioder ble kobberoksid og senere selen brukt. Deres lave effektivitet krevde en mye høyere fremspenning (vanligvis 1,4 til 1,7 V per "celle", med flere celler stablet for å øke maksimal invers spenning for bruk i høyspennings likerettere), og krevde en stor kjøleribbe (ofte en forlengelse av diodenes metallsubstrat ), mye større enn den senere silisiumdioden med samme strømverdier ville kreve. De aller fleste dioder er p -n -dioder som finnes i CMOS -integrerte kretser , som inkluderer to dioder per pin og mange andre interne dioder.

Skreddioder

Dette er dioder som leder i motsatt retning når omvendt forspenning overstiger nedbrytningsspenningen. Disse ligner elektrisk veldig på Zener -dioder (og kalles ofte feilaktig Zener -dioder), men brytes ned av en annen mekanisme: skredeffekten . Dette skjer når det omvendte elektriske feltet påført over p -n -krysset forårsaker en ioniseringsbølge som minner om et skred, som fører til en stor strøm. Skreddioder er designet for å bryte ned ved en veldefinert revers spenning uten å bli ødelagt. Forskjellen mellom skreddioden (som har en omvendt sammenbrudd over omtrent 6,2 V) og Zener er at kanallengden til den tidligere overstiger den gjennomsnittlige frie banen til elektronene, noe som resulterer i mange kollisjoner mellom dem på vei gjennom kanalen. Den eneste praktiske forskjellen mellom de to typene er at de har temperaturkoeffisienter med motsatt polaritet.

Konstantstrømdioder

Dette er faktisk JFETer med porten kortsluttet til kilden, og fungerer som en to-terminal strømbegrensende analog til den spenningsbegrensende Zener-dioden. De lar en strøm gjennom dem stige til en bestemt verdi, og deretter jevne seg ut med en bestemt verdi. Også kalt clds , konstant-strøm-dioder , diode-transistorer , eller strømbegrensende dioder .

Krystalllikriktere eller krystalldioder

Dette er punktkontaktdioder. 1N21 -serien og andre brukes i mikser- og detektorapplikasjoner i radar- og mikrobølge -mottakere. 1N34A er et annet eksempel på en krystalldiode.

Gunn -dioder

Disse ligner tunneldioder ved at de er laget av materialer som GaAs eller InP som viser et område med negativ differensialmotstand . Med passende forspenning, dipol-domener form og reise over dioden, slik at høy frekvens mikrobølge oscillatorer som skal bygges.

Lysemitterende dioder (LED)

I en diode dannet fra en direkte båndgap- halvleder, for eksempel galliumarsenid , avgir ladingsbærere som krysser krysset fotoner når de rekombinerer med majoritetsbæreren på den andre siden. Avhengig av materialet kan det produseres bølgelengder (eller farger) fra infrarød til nær ultrafiolett . De første lysdiodene var røde og gule, og høyere frekvenser har blitt utviklet over tid. Alle lysdioder produserer usammenhengende, smalspektret lys; "hvite" lysdioder er faktisk en blå LED med et gult scintillatorbelegg , eller kombinasjoner av tre lysdioder i en annen farge. Lysdioder kan også brukes som laveffektive fotodioder i signalapplikasjoner. En LED kan kobles sammen med en fotodiode eller fototransistor i samme pakke for å danne en opto-isolator .

Laserdioder

Når en LED-lignende struktur er inneholdt i et resonanshulrom dannet ved polering av de parallelle endeflatene, kan det dannes en laser . Laserdioder brukes ofte i optiske lagringsenheter og for høyhastighets optisk kommunikasjon .

Termiske dioder

Dette begrepet brukes både for konvensjonelle p -n -dioder som brukes til å overvåke temperaturen på grunn av deres varierende fremspenning med temperatur, og om Peltier varmepumper for termoelektrisk oppvarming og kjøling . Peltier varmepumper kan være laget av halvledere, selv om de ikke har noen utbedrende veikryss, bruker de den forskjellige oppførselen til ladingsbærere i N og P-type halvleder for å flytte varme.

Fotodioder

Alle halvledere er underlagt generering av optiske ladere . Dette er vanligvis en uønsket effekt, så de fleste halvledere er pakket i lysblokkerende materiale. Fotodioder er ment å føle lys ( fotodetektor ), så de er pakket i materialer som lar lys passere, og er vanligvis PIN (den typen diode som er mest følsom for lys). En fotodiode kan brukes i solceller , i fotometri eller i optisk kommunikasjon . Flere fotodioder kan pakkes i en enkelt enhet, enten som en lineær matrise eller som en todimensjonal matrise. Disse matrisene skal ikke forveksles med ladningskoblede enheter .

PIN -dioder

En PIN-diode har et sentralt, ikke-dopet eller iboende lag, som danner en struktur av p-type/iboende/n-type. De brukes som radiofrekvensbrytere og dempere. De brukes også som detektorer for store volumer, ioniserende stråling og som fotodetektorer . PIN -dioder brukes også i kraftelektronikk , ettersom det sentrale laget tåler høye spenninger. Videre kan PIN -strukturen finnes i mange halvledere for strøm , for eksempel IGBT , power MOSFET og tyristorer .

Schottky -dioder

Schottky -dioder er konstruert fra metall til halvlederkontakt. De har et lavere spenningsfall fremover enn p – n -kryssdioder. Deres spenningsfall fremover ved fremoverstrømmer på omtrent 1 mA er i området 0,15 V til 0,45 V, noe som gjør dem nyttige i spenningsklemme -applikasjoner og forhindring av transistormetning. De kan også brukes som likerettere med lav tap , selv om deres omvendte lekkasjestrøm generelt er høyere enn for andre dioder. Schottky -dioder er majoritetsbærerenheter og lider derfor ikke av lagringsproblemer fra minoritetsbærere som bremser mange andre dioder - så de har en raskere omvendt gjenoppretting enn p -n -kryssdioder. De har også en tendens til å ha mye lavere forbindelseskapasitans enn p-n-dioder, noe som sørger for høye koblingshastigheter og bruk i høyhastighetskretser og RF-enheter som strømforsyning i vekslet modus , miksere og detektorer .

Superbarriere dioder

Superbarrierdioder er likeretterdioder som inneholder det lave fremspenningsfallet til Schottky-dioden med overspenningshåndteringsevne og lav omvendt lekkasjestrøm til en normal p-n-koblingsdiode.

Gull dopet dioder

Som doping fungerer gull (eller platina ) som rekombinasjonssentre, noe som hjelper rask rekombinasjon av minoritetsbærere. Dette gjør at dioden kan fungere ved signalfrekvenser, på bekostning av et høyere spenningsfall fremover. Gull-dopede dioder er raskere enn andre p-n-dioder (men ikke så raske som Schottky-dioder). De har også mindre omvendt strømlekkasje enn Schottky-dioder (men ikke så gode som andre p-n-dioder). Et typisk eksempel er 1N914.

Snap-off eller Step recovery-dioder

Begrepet trinngjenoppretting angår formen for den omvendte gjenopprettingsegenskapen til disse enhetene. Etter at en fremoverstrøm har passert i en SRD og strømmen er avbrutt eller reversert, vil den omvendte ledningen opphøre veldig brått (som i en trinnbølgeform). SRD -er kan derfor gi svært raske spenningsoverganger ved at ladebærerne forsvinner veldig plutselig.

Stabistors eller Viderereferanse Dioder

Uttrykket stabistor refererer til en spesiell type av dioder med ekstrem stabile fremover spenningskarakteristikker. Disse enhetene er spesielt designet for lavspenningsstabiliseringsapplikasjoner som krever en garantert spenning over et stort strømområde og svært stabil over temperatur.

Transient spenningsundertrykkelsesdiode (TVS)

Disse er lavinedioder som er spesielt beregnet for å beskytte andre halvlederkomponenter fra høyspent transienter . P-n-kryssene deres har et mye større tverrsnittsareal enn de til en normal diode, slik at de kan lede store strømmer til bakken uten å påføre skade.

Tunneldioder eller Esaki -dioder

Disse har et operasjonsområde som viser negativ motstand forårsaket av kvantetunnel , noe som tillater forsterkning av signaler og veldig enkle bistabile kretser. På grunn av den høye bærerkonsentrasjonen er tunneldioder veldig raske, kan brukes ved lave (mK) temperaturer, høye magnetfelt og i miljøer med høy stråling. På grunn av disse egenskapene brukes de ofte i romfartøyer.

Varicap- eller varactordioder

Disse brukes som spenningsstyrte kondensatorer . Disse er viktige i PLL ( faselåst sløyfe ) og FLL ( frekvenslåst sløyfe ) kretser, slik at tuningskretser, for eksempel de i fjernsynsmottakere, raskt kan låses til frekvensen. De muliggjorde også tunable oscillatorer i den tidlige diskrete tuningen av radioer, der en billig og stabil, men fastfrekvent, krystalloscillator ga referansefrekvensen for en spenningsstyrt oscillator .

Zenerdioder

Disse kan gjøres til å utføre i omvendt skjevhet (bakover), og kalles riktig omvendte nedbrytningsdioder. Denne effekten som kalles Zener -sammenbrudd , forekommer ved en nøyaktig definert spenning, slik at dioden kan brukes som en presisjonsspenningsreferanse. Begrepet Zener -dioder brukes i daglig tale om flere typer nedbrytningsdioder, men strengt tatt har Zener -dioder en nedbrytningsspenning på under 5 volt, mens skreddioder brukes til sammenbruddsspenninger over denne verdien. I praktiske spenningsreferansekretser er Zener og koblingsdioder koblet i serie og motsatt retning for å balansere temperaturkoeffisientresponsen til dioder til nær null. Noen enheter merket som høyspent Zener-dioder er faktisk skreddioder (se ovenfor). To (ekvivalente) Zenere i serie og i omvendt rekkefølge, i samme pakke, utgjør en forbigående absorber (eller Transorb , et registrert varemerke).

Andre bruksområder for halvlederdioder inkluderer registrering av temperatur og beregning av analoge logaritmer (se Driftsforsterker -applikasjoner#Logaritmisk utgang ).

Grafiske symboler

Symbolet som brukes til å representere en bestemt type diode i et kretsdiagram formidler den generelle elektriske funksjonen til leseren. Det er alternative symboler for noen typer dioder, selv om forskjellene er små. Trekanten i symbolene peker mot foroverretningen, dvs. i retning av konvensjonell strømstrøm.

• 

  Diode

• 

  Lysemitterende diode (LED)

• 

  Fotodiode

• 

  Schottky -diode

• 

  Transient-voltage-suppression diode (TVS)

• 

  Tunneldiode

• 

  Varicap

• 

  Zenerdiode

• 

  Typiske diodepakker i samme linje som diodesymbolet. Tynn bar viser katoden .

Nummererings- og kodingsordninger

Det finnes en rekke vanlige, standard- og produsentdrevne nummererings- og kodingsordninger for dioder; de to vanligste er EIA / JEDEC -standarden og European Pro Electron -standarden:

EIA/JEDEC

Det standardiserte 1N-serienummerering EIA370- systemet ble introdusert i USA av EIA/JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council) rundt 1960. De fleste dioder har en 1-prefiksbetegnelse (f.eks. 1N4003). Blant de mest populære i denne serien var: 1N34A/ 1N270 (germaniumsignal), 1N914/ 1N4148 (silisiumsignal), 1N400x (silisium 1A effektlikretter ) og 1N580x (silisium 3A strømlikretter ).

JIS

Den JIS halvledere betegnelsen system har alle halvlederdiode betegnelser som begynner med "1S".

Pro Electron

Det europeiske Pro Electron -kodingssystemet for aktive komponenter ble introdusert i 1966 og består av to bokstaver etterfulgt av delkoden. Den første bokstaven representerer halvledermaterialet som brukes for komponenten (A = germanium og B = silisium) og den andre bokstaven representerer delens generelle funksjon (for dioder, A = lav effekt/signal, B = variabel kapasitans, X = multiplikator, Y = likeretter og Z = spenningsreferanse); for eksempel:

• AA-serien germanium lav effekt/signaldioder (f.eks. AA119)
• BA-serien silisiumdioder med lav effekt/signal (f.eks. BAT18 silisium RF-koblingsdiode)
• BY-serien silisium likeretterdioder (f.eks. BY127 1250V, 1A likeretterdiode)
• BZ-serien silikon zener dioder (f.eks. BZY88C4V7 4.7V zener diode)

Andre vanlige nummererings-/kodingssystemer (vanligvis produsentdrevne) inkluderer:

• GD-serien germaniumdioder (f.eks. GD9)-dette er et veldig gammelt kodingssystem
• OA-serien germaniumdioder (f.eks. OA47)-en kodesekvens utviklet av Mullard , et britisk selskap

Relaterte enheter

• Likeretter
• Transistor
• Tyristor eller silisiumstyrt likeretter (SCR)
• TRIAC
• DIAC
• Varistor

I optikk vil en ekvivalent enhet for dioden, men med laserlys, være den optiske isolatoren , også kjent som en optisk diode, som lar lys bare passere i en retning. Den bruker en Faraday -rotator som hovedkomponent.

applikasjoner

Radio demodulering

En enkel konvolutt demodulator krets.

Den første bruken for dioden var demodulering av amplitude -modulerte (AM) radiosendinger. Historien til denne oppdagelsen er grundig behandlet i artikkelen om krystalldetektorer . Oppsummert består et AM -signal av alternerende positive og negative topper for en radiobærerbølge, hvis amplitude eller konvolutt er proporsjonal med det originale lydsignalet. Dioden retter opp AM -radiofrekvenssignalet, og etterlater bare de positive toppene i bærebølgen. Lyden trekkes deretter ut fra den utbedrede bærebølgen ved hjelp av et enkelt filter og mates inn i en lydforsterker eller transduser , som genererer lydbølger.

Innen mikrobølgeovn og millimeterbølgeteknologi, som begynte på 1930 -tallet, forbedret og miniatyriserte forskerne krystalldetektoren. Punktkontaktdioder ( krystalldioder ) og Schottky -dioder brukes i radar-, mikrobølge- og millimeterbølgedetektorer.

Strømkonvertering

Skjematisk grunnleggende AC-til-DC strømforsyning

Likriktere er konstruert av dioder, hvor de brukes til å konvertere vekselstrøm (AC) til likestrøm (DC). Automotive dynamoer er et vanlig eksempel, hvor dioden, som liker AC til DC, gir bedre ytelse enn den kommutator eller tidligere, dynamo . På samme måte brukes dioder også i Cockcroft - Walton spenningsmultiplikatorer for å konvertere AC til høyere DC -spenninger.

Omvendt spenningsbeskyttelse

Siden de fleste elektroniske kretser kan bli skadet når polariteten til strømforsyningsinngangene er reversert, brukes noen ganger en seriediode for å beskytte mot slike situasjoner. Dette konseptet er kjent med flere navnevariasjoner som betyr det samme: omvendt spenningsbeskyttelse, omvendt polaritetsbeskyttelse og omvendt batteribeskyttelse.

Overspenningsbeskyttelse

Dioder brukes ofte til å lede skadelige høyspenninger vekk fra følsomme elektroniske enheter. De er vanligvis omvendt-partisk (ikke-ledende) under normale omstendigheter. Når spenningen stiger over det normale området, blir dioder forspente (ledende). For eksempel brukes dioder i ( trinnmotor og H-bro ) motorstyring og relékretser for å slå av spoler raskt uten de skadelige spenningsspissene som ellers ville oppstå. (En diode som brukes i en slik applikasjon kalles en flyback -diode ). Mange integrerte kretser har også dioder på tilkoblingspinnene for å forhindre at eksterne spenninger skader deres følsomme transistorer . Spesialiserte dioder brukes til å beskytte mot overspenning ved høyere effekt (se diodetyper ovenfor).

Logiske porter

Dioder kan kombineres med andre komponenter for å konstruere AND og OR logiske porter . Dette kalles diodelogikk .

Ioniserende strålingsdetektorer

I tillegg til lys, nevnt ovenfor, er halvlederdioder følsomme for mer energisk stråling. I elektronikk , kosmiske stråler og andre kilder for ioniserende stråling forårsaker støy pulser og med enkle eller flere bit-feil. Denne effekten blir noen ganger utnyttet av partikkeldetektorer for å oppdage stråling. En enkelt partikkel av stråling, med tusenvis eller millioner av elektron volt , s energi, genererer mange ladningsbærerpar, ettersom energien blir avsatt i halvledermaterialet. Hvis tømmelaget er stort nok til å fange hele dusjen eller stoppe en tung partikkel, kan det gjøres en ganske nøyaktig måling av partikkelens energi, ganske enkelt ved å måle ladningen som utføres og uten kompleksiteten til et magnetisk spektrometer, etc. Disse halvledere stråledetektorer trenger effektiv og jevn ladning og lav lekkasjestrøm. De blir ofte avkjølt med flytende nitrogen . For partikler med lengre rekkevidde (omtrent en centimeter) trenger de en veldig stor nedbrytningsdybde og stort område. For kortdistanspartikler trenger de enhver kontakt eller uforarmet halvleder på minst en overflate for å være veldig tynn. Ryggspenningen er nær sammenbrudd (rundt tusen volt per centimeter). Germanium og silisium er vanlige materialer. Noen av disse detektorene registrerer posisjon så vel som energi. De har en begrenset levetid, spesielt når de oppdager tunge partikler, på grunn av strålingsskader. Silisium og germanium er ganske forskjellige i deres evne til å konvertere gammastråler til elektrondusjer.

Halvlederdetektorer for høyenergipartikler brukes i stort antall. På grunn av svingninger i energitap, er nøyaktig måling av energien som avsettes mindre nyttig.

Temperaturmålinger

En diode kan brukes som en temperaturmåler , siden forspenningsfallet over dioden avhenger av temperaturen, som i en silisiumbåndgap temperatursensor . Fra Shockley ideal diode -ligningen gitt ovenfor, kan det se ut til at spenningen har en positiv temperaturkoeffisient (ved konstant strøm), men vanligvis er variasjonen av den omvendte metningsstrømmen mer signifikant enn variasjonen i termisk spenningsterm. De fleste dioder har derfor en negativ temperaturkoeffisient, typisk −2 mV/° C for silisiumdioder. Temperaturkoeffisienten er omtrent konstant for temperaturer over ca 20 kelvin . Noen grafer er gitt for 1N400x -serien og CY7 -kryogen temperatursensor.

Nåværende styring

Dioder forhindrer strømmer i utilsiktede retninger. For å levere strøm til en elektrisk krets under strømbrudd, kan kretsen trekke strøm fra et batteri . En avbruddsfri strømforsyning kan bruke dioder på denne måten for å sikre at strømmen bare trekkes fra batteriet når det er nødvendig. På samme måte har små båter vanligvis to kretser hver med sitt eget batteri/batterier: en som brukes til motorstart; en som brukes til husholdninger. Normalt lades begge fra en enkelt generator, og en kraftig delt ladningsdiode brukes for å forhindre at batteriet med høyere ladning (vanligvis motorbatteriet) lades ut gjennom det lavere ladet batteri når dynamoen ikke er i gang.

Dioder brukes også i elektroniske musikalske tastaturer . For å redusere kabelmengden som trengs i elektroniske musikalske tastaturer, bruker disse instrumentene ofte tastaturmatrisekretser . Tastaturkontrolleren skanner radene og kolonnene for å finne ut hvilken tone spilleren har trykket på. Problemet med matrisekretser er at når flere toner trykkes samtidig, kan strømmen strømme bakover gjennom kretsen og utløse " fantomtaster " som får "spøkelsesnoter" til å spille. For å unngå å utløse uønskede notater, har de fleste tastaturmatrisekretser dioder loddet med bryteren under hver tast på det musikalske tastaturet . Det samme prinsippet brukes også for brytermatrisen i fastball- flipperspillmaskiner .

Bølgeformklipper

Dioder kan brukes til å begrense den positive eller negative ekskursjonen av et signal til en foreskrevet spenning.

Klatre

Denne enkle diodeklemmen vil klemme de negative toppene i den innkommende bølgeformen til common rail -spenningen

En diode klemme krets kan ta en periodisk vekselstrøm signal som oscillerer mellom positive og negative verdier, og vertikalt forskyve denne slik at enten den positive eller negative topper opptrer ved et foreskrevet nivå. Klemmeren begrenser ikke topp-til-topp utflukt av signalet, den beveger hele signalet opp eller ned for å plassere toppene på referansenivået.

Forkortelser

Dioder blir vanligvis referert til som D for diode på PCB . Noen ganger brukes forkortelsen CR for krystalllikter .

Se også

• Aktiv utbedring
• Diodemodellering
• Lambdadiode
• krysset p – n
• Modell med lite signal
• Flammeoppretning
• Rask/UltraFast Diode

Referanser

Videre lesning

Tidsskrifter

• Solid-state dioder ; alder; 2001. (arkiv)
• Silicon Rectifier Handbook ; 1. utgave; Bob Dale; Motorola; 213 sider; 1966. (arkiv)
• Elektronisk utbedring ; FG Spreadbury; D. Van Nostrand Co; 1962.
• Zener Diode Handbook ; Internasjonal likeretter; 96 sider; 1960.
• FT Selen Rectifier Handbook ; 2. utgave; Føderal telefon og radio; 80 sider; 1953. (arkiv)
• ST Selen Rectifier Handbook ; 1. utgave; Sarkes Tarzian; 80 sider; 1950. (arkiv)

Kretsbøker

• 50 enkle LED -kretser ; 1. utgave; RN Soar; Babani Press; 62 sider; 1977; ISBN  978-0859340434 . (arkiv)
• 38 Praktiske testede diodekretser for hjemmekonstruktøren ; 1. utgave; Bernard Babani; Krisson Printing; 48 sider; 1972. (arkiv)
• Diode Circuits Handbook ; 1. utgave; Rufus Turner; Howard Sams & Co; 128 sider; 1963; LCCN 63-13904. (arkiv)
• 40 bruk for Germanium -dioder ; 2. utgave; Sylvania elektriske produkter; 47 sider; 1949. (arkiv)

Databøker

• Diskret databok ; 1985; Fairchild (nå ON Semiconductor)
• Diskret databok ; 1982; SGS (nå STMicroelectronics)
• Diskret databok ; 1978; National Semiconductor (nå Texas Instruments)
• Semiconductor Databook ; 1965; Motorola (nå ON Semiconductor)

Eksterne linker

• Struktur og funksjonell oppførsel av PIN -dioder - PowerGuru

Interaktiv og animasjoner

• Interaktiv forklaring på Semiconductor Diode , University of Cambridge
• Schottky Diode Flash Tutorial Animation