Dioda: definicija, delovanje, vrste (LED) in uporabe

Prve vrste diod so se imenovale Flemingovi ventili. To so bile vakuumske cevi. Bile so v stekleni cevi (podobno kot žarnica). V stekleni žarnici sta bili majhna kovinska žica in velika kovinska plošča. Majhna kovinska žica se je segrevala in oddajala elektriko, ki jo je zajemala plošča. Velika kovinska plošča se ni segrevala, zato je elektrika lahko šla v eno smer skozi cev, v drugo pa ne. Flemingovih ventilov ne uporabljamo več pogosto, saj so jih nadomestile polprevodniške diode, ki so manjše od Flemingovih ventilov. To lastnost je odkril tudi Thomas Edison, ko je delal na svojih žarnicah.

Polprevodniške diode so sestavljene iz dveh vrst polprevodnikov, povezanih med seboj. Ena vrsta ima atome z dodatnimi elektroni (imenovana n-stran). Druga vrsta ima atome, ki si želijo elektronov (imenovana p-stran). Zaradi tega bo elektrika zlahka tekla s strani s preveč elektroni na stran s premalo elektroni. V obratni smeri pa elektrika ne teče zlahka. Te različne vrste so narejene z dopiranjem (polprevodnik). Silicij z raztopljenim arzenom je dober polprevodnik na strani n, medtem ko je silicij z raztopljenim aluminijem dober polprevodnik na strani p. Delujejo lahko tudi druge kemikalije.

Priključek na n-strani se imenuje katoda, priključek na p-strani pa anoda.

Pozitivna napetost na strani p

Če damo pozitivno napetost na stran p in negativno na stran n, bodo elektroni na strani n želeli iti na pozitivno napetost na strani p, luknje na strani p pa na negativno napetost na strani n. Zaradi tega lahko pride do pretoka električnega toka, vendar je potrebna določena napetost, da se to začne (zelo majhna napetost ne zadostuje za pretok električnega toka). To se imenuje vklopna napetost. Vklopna napetost silicijeve diode je približno 0,7 V. Germanijeva dioda potrebuje vklopno napetost pri približno 0,3 V.

Negativna napetost na strani p

Če namesto tega damo negativno napetost na stran p in pozitivno na stran n, elektroni na strani n želijo iti na vir pozitivne napetosti namesto na drugo stran diode. Enako se zgodi na strani p. Tok torej ne bo tekel med obema stranema diode. Povečanje napetosti bo sčasoma prisililo električni tok, da steče (to je napetost preboja). Veliko diod bo uničenih zaradi povratnega toka, vendar so narejene tudi takšne, ki ga lahko preživijo.

Ko se temperatura poveča, se vklopna napetost zniža. Tako elektrika lažje prehaja skozi diodo.

Obstaja veliko vrst diod. Nekatere imajo zelo specifično uporabo, druge pa so zelo raznolike.

Simboli

Tukaj je nekaj običajnih simbolov polprevodniških diod, ki se uporabljajo v shematskih shemah:

Standardna usmerniška dioda

Pri tem se izmenični tok (A/C, kot je v hišnem vtiču) spremeni v enosmerni tok (D/C, ki se uporablja v elektroniki). Standardna usmerniška dioda ima posebne zahteve. Prenašati mora velik tok, temperatura nanjo ne sme preveč vplivati, imeti mora nizko vklopno napetost in podpirati hitre spremembe smeri toka. Sodobna analogna in digitalna elektronika uporablja takšne usmernike.

Svetlobna dioda

Svetlobna dioda LED proizvaja svetlobo, ko skozi njo teče elektrika. To je dolgotrajnejši in učinkovitejši način ustvarjanja svetlobe kot žarnice z žarilno nitko. Odvisno od načina izdelave lahko dioda LED ustvarja različne barve. Svetleče diode so bile prvič uporabljene v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja. Svetleča dioda bo morda sčasoma nadomestila žarnico, saj bo zaradi razvoja tehnologije postala svetlejša in cenejša (že zdaj je učinkovitejša in traja dlje). V sedemdesetih letih prejšnjega stoletja so se diode LED uporabljale za prikazovanje številk v napravah, kot so kalkulatorji, in za prikazovanje vklopljenega napajanja pri večjih napravah.

Fotodioda

Fotodioda je fotodetektor (nasprotje svetleče diode). Odziva se na svetlobo, ki prihaja. Fotodiode imajo okence ali povezavo z optičnim vlaknom, ki prepušča svetlobo do občutljivega dela diode. Diode imajo običajno močan upor; svetloba zmanjša upor.

Zenerjeva dioda

Zenerjeva dioda je podobna običajni diodi, vendar namesto da bi jo velika povratna napetost uničila, prepušča elektriko. Napetost, ki je za to potrebna, se imenuje prebojna napetost ali Zenerjeva napetost. Ker je izdelana z znano prebojno napetostjo, jo je mogoče uporabiti za napajanje z znano napetostjo.

Varaktorska dioda

Varikap ali varaktorska dioda se uporablja v številnih napravah. Uporablja območje med p-stranjo in n-stranjo diode, kjer se elektroni in luknje medsebojno uravnovešajo. To se imenuje območje izčrpavanja. S spreminjanjem velikosti povratne napetosti se spreminja velikost območja izčrpavanja. Na tem območju je nekaj kapacitivnosti, ki se spreminja glede na velikost izčrpalne cone. To se imenuje spremenljiva kapacitivnost ali na kratko varikap. Uporablja se v PLL (Phase-locked loops), ki se uporabljajo za nadzor visoke frekvence, s katero deluje čip.

Korak-povratna-dioda

Simbol je simbol diode z nekakšno zaskočitvijo. Uporablja se v vezjih z visokimi frekvencami do GHz. Zelo hitro se izklopi, ko se napetost naprej ustavi. Za to uporablja tok, ki teče po tem, ko je bila polariteta obrnjena.

Dioda PIN

Konstrukcija te diode ima med n- in p-stranico notranjo (normalno) plast. Pri nižjih frekvencah deluje podobno kot standardna dioda. Pri visokih hitrostih pa ne more slediti hitrim spremembam in začne delovati kot upor. Intrinzična plast ji omogoča, da prenese tudi velike vhodne moči in se lahko uporablja kot fotodioda.

Schottkyjeva dioda

Simbol za to je simbol diode s črko "S" na vrhu. Namesto da bi bila obe strani polprevodnika (kot je silicij), je ena stran kovina, kot je aluminij ali nikelj. To zmanjša vklopno napetost na približno 0,3 volta. To je približno polovica napetosti praga običajne diode. Funkcija te diode je, da se manjšinski nosilci ne vbrizgavajo - na strani n so samo luknje, ne elektroni, na strani p pa samo elektroni, ne luknje. Ker je dioda čistejša, lahko reagira hitreje, brez difuzijske kapacitivnosti, ki bi jo lahko upočasnila. Poleg tega ustvarja manj toplote in je učinkovitejši. Vendar pa ima pri povratni napetosti nekaj uhajanja toka.

Ko dioda preklopi s tekočega toka na netekoči tok, to imenujemo preklapljanje. Pri tipični diodi to traja več deset nanosekund; pri tem nastane nekaj radijskega šuma, ki začasno poslabša radijske signale. Schottkyjeva dioda preklopi v majhnem delu tega časa, manj kot v nanosekundi.

Tunelska dioda

V simbolu tunelske diode je na koncu običajnega simbola nekakšen dodatni kvadratni oklepaj.

Tunelska dioda je sestavljena iz močno dopiranega pn-prehoda. Zaradi te visoke dopingacije obstaja le zelo ozka vrzel, skozi katero lahko prehajajo elektroni. Ta tunelski učinek se pojavlja v obeh smereh. Po prehodu določene količine elektronov se tok skozi vrzel zmanjšuje, dokler se ne začne normalen tok skozi diodo pri napetosti praga. To povzroči območje negativne upornosti. Te diode se uporabljajo za res visoke frekvence (100 GHz). Odporne so tudi na sevanje, zato se uporabljajo v vesoljskih plovilih. Uporabljajo se tudi v mikrovalovnih pečicah in hladilnikih.

Dioda za nazaj

Simbol ima na koncu diode znak, ki je videti kot velik I. Narejena je podobno kot tunelska dioda, vendar n- in p-sloj nista tako visoko dopirana. Omogoča pretok toka nazaj z majhnimi negativnimi napetostmi. Uporablja se lahko za usmerjanje nizkih napetosti (manj kot 0,7 volta).

Silicijev krmiljeni usmernik (SCR)

Namesto dveh plasti, kot jih ima običajna dioda, ima ta štiri plasti, v bistvu sta to dve diodi skupaj, z vrati na sredini. Ko pride napetost med vrata in katodo, se vklopi spodnji tranzistor. To prepusti tok, ki aktivira zgornji tranzistor, in potem toka ne bo treba vklopiti z napetostjo na vratih.