Dioda je dvouelektrodové elektronické zařízení, které má různou vodivost v závislosti na směru elektrického proudu. Diodová elektroda připojená ke kladnému pólu zdroje proudu, když je dioda otevřená (tedy má malý odpor), se nazývá anoda, připojená k zápornému pólu – katodě. (Wikipedia)
Všechny diody lze rozdělit do dvou velkých skupin: polovodičové a nepolovodičové. Zde budu zvažovat pouze první z nich.
Polovodičová dioda je založena na tak známé věci, jako je pn přechod. Myslím, že většině čtenářů o něm vyprávěli v hodinách fyziky ve škole a některým podrobněji i v ústavu. Pro každý případ však uvedu obecný princip jeho fungování.
Dvě slova o pásové teorii vodivosti pevných látek
Před zahájením rozhovoru o přechodu pn stojí za to diskutovat o některých teoretických bodech.
Předpokládá se, že elektrony v atomu jsou umístěny v různých vzdálenostech od jádra. V souladu s tím, čím blíže je elektron k jádru, tím silnější je vazba mezi nimi a tím více energie musí být aplikováno, aby se dostal “do volného plavání”. Říká se, že elektrony jsou umístěny na různých místech energetické hladiny. Plnění těchto hladin elektrony probíhá zdola nahoru a každá z nich může obsahovat maximálně přesně definovaný počet elektronů (Bohrův atom). Pokud je tedy hladina plná, pak do ní nový elektron nemůže vstoupit, dokud pro něj není místo. Aby se elektron mohl přesunout na vyšší úroveň, musí mu být předána další energie. A pokud elektron “spadne” dolů, pak se přebytečná energie uvolní ve formě záření. Elektrony mohou v atomu obsazovat pouze přesně definované dráhy s určitými energiemi. Tyto oběžné dráhy se nazývají povoleno. Respektivně zakázáno pojmenujte ty dráhy (zóny), ve kterých se elektron nemůže nacházet. Více si o tom můžete přečíst na výše uvedeném odkazu na Bohrův atom, ale zde to bereme jako axiom.
Nejvyšší energetická hladina je tzv mocenství. Ve většině látek je vyplněna jen částečně, proto si na ní vždy najdou místo elektrony vnějších podúrovní jiných atomů. A skutečně náhodně migrují z atomu na atom, čímž mezi nimi vzniká spojení. Spodní vrstva, ve které se mohou pohybovat volné elektrony, se nazývá vodivé pásmo. Pokud je valenční pás částečně vyplněn a elektrony v něm se mohou pohybovat od atomu k atomu, pak se shoduje s vodivostním pásem. Tento vzor je pozorován u vodičů. U polovodičů je valenční pásmo zcela vyplněno, ale energetický rozdíl mezi valenční a vodivou hladinou je malý. Proto jej elektrony mohou překonat jednoduše díky tepelnému pohybu. A pro izolanty je tento rozdíl velký a aby došlo k poruše, musíte použít významnou energii.
Toto je obecný obraz energetické struktury atomu. Můžete skočit přímo na pn křižovatku.
p-n přechod
Za prvé, polovodiče jsou typu n a typu p. První jmenované se získávají dotováním čtyřmocného polovodiče (nejčastěji křemíku) pětimocným polovodičem (například arsenem). Tato pětimocná nečistota se nazývá dárce. Jeho atomy tvoří čtyři chemické vazby s atomy křemíku a pátý valenční elektron zůstává volný a může se přesunout z valenčního pásma do vodivostního pásma, pokud se například mírně zvýší teplota látky. Ve vodiči typu n se tedy objevuje přebytek elektronů.
Polovodiče typu P se také získávají dopováním křemíku, ale s trojmocnou příměsí (například borem). Tato nečistota se nazývá akceptor. Může tvořit pouze tři ze čtyř možných chemických vazeb. A zbývající nevyplněná valenční vazba se nazývá otvor. Tito. díra není skutečná částice, ale abstrakce přijatá pro pohodlnější popis procesů probíhajících v polovodiči. Předpokládá se, že jeho náboj je kladný a rovný náboji elektronu. Takže v polovodiči typu p získáme přebytek kladných nábojů.
U polovodičů obou typů se kromě hlavních nosičů náboje (elektrony pro typ n, otvory pro typ p) drobné nosiče náboje: díry pro n-oblast a elektrony pro p-oblast.
Pokud jsou p- a n-polovodiče umístěny vedle sebe, pak na hranici mezi nimi, difuzní proud. To se stane, protože na jedné straně máme příliš mnoho záporných nábojů (elektronů) a na druhé straně kladných nábojů (děr). V souladu s tím budou elektrony proudit do blízké hraniční oblasti p-polovodiče. A protože je díra místem nepřítomnosti elektronu, vznikne pocit, že se díry pohybují opačným směrem – k hranici n-polovodiče. Dostat se do p- a n-oblastí, elektrony a díry se rekombinují, což vede ke snížení počtu mobilních nosičů náboje. Na tomto pozadí jsou stacionární kladně a záporně nabité ionty jasně viditelné na hranicích polovodičů (ze kterých „odešly“ rekombinované díry a elektrony). V důsledku toho dostaneme dvě úzké nabité oblasti na hranici látek. Jedná se o pn přechod, který se také nazývá vyčerpaná vrstva kvůli nízké koncentraci mobilních nosičů náboje v ní. Přirozeně zde vznikne elektrické pole, jehož směr brání dalšímu šíření elektronů a děr. Vyvstává potenciální bariéra, které hlavní nosiče náboje dokážou překonat pouze tehdy, mají-li k tomu dostatek energie. Ale vznikající elektrické pole naopak pomáhá menším nosičům. V souladu s tím bude proud protékat přechodem v opačném směru, než je směr difúzní. Tento proud se nazývá drift. Při absenci vnějšího působení se difúzní a driftový proud vzájemně vyrovnají a tok nábojů se zastaví.
Šířka oblasti vyčerpání a rozdíl kontaktních potenciálů hranic přechodu (potenciální bariéry) jsou důležité charakteristiky přechodu pn.
Je-li vnější napětí aplikováno tak, že jeho elektrické pole „podporuje“ difúzní proud, potenciálová bariéra se sníží a oblast vyčerpání se zúží. V souladu s tím bude snazší, aby proud procházel spojem. Toto připojení externího napětí se nazývá předpětí.
Můžete se ale připojit i obráceně, aby vnější elektrické pole podporovalo driftový proud. V tomto případě se však šířka zóny vyčerpání zvětší a potenciální bariéra se zvýší. Přechod se uzavře. Toto spojení se nazývá reverzní zkreslení. Pokud hodnota přiloženého napětí překročí určitou mezní hodnotu, dojde k průrazu přechodu a protéká jím proud (elektrony budou urychleny natolik, že mohou proklouznout potenciálovou bariérou). Tato hraniční hodnota se nazývá průrazné napětí.
To je vše, konec teorie, je čas přejít k její praktické aplikaci.
Konečně diody
Dioda je v podstatě jeden pn přechod. Pokud je spojen s dopředným předpětím, protéká jím proud, a pokud je zpětně předpětí, neteče (ve skutečnosti stále zůstává malý driftový proud, ale to lze zanedbat). Tento princip je znázorněn na symbolu diody: pokud je proud nasměrován podél šipky trojúhelníku, pak s ním nic neruší, ale pokud je to naopak, pak „narazí“ na svislou čáru. Tato svislá čára na diodách rádiového prvku je označena širokým pruhem na okraji.
Pamatuji si, že když jsem byl hloupý student a poprvé jsem přišel do práce v plničce desek s plošnými spoji, nejprve jsem rozsvítil diody, jak mi Bůh nasadil na duši. Až později jsem se dozvěděl, že správné umístění tohoto prvku hraje velmi, velmi významnou roli. Ale je to tak, lyrická odbočka.
Diody mají nelineární charakteristiku proud-napětí.
Aplikace diod
- Usměrnění AC. Je založeno právě na vlastnosti diody „uzamknout“ se při zpětném předpětí. Dioda jakoby „odřízne“ záporné půlvlny.
- jako proměnná kapacita. Tyto diody se nazývají varicaps.
Zde je využita závislost kapacity přechodové bariéry na zpětném předpětí. Čím větší je jeho hodnota, tím širší je oblast vyčerpání pn přechodu. Lze si ho představit jako plochý kondenzátor, jehož desky jsou hranicemi oblasti, a sám působí jako dielektrikum. V souladu s tím, čím silnější je “vrstva dielektrického pláče”, tím nižší je kapacita bariéry. Změnou přiloženého napětí je tedy možné elektricky měnit kapacitu varikapu.
V dopředném režimu bude fungovat jako normální usměrňovací dioda. Ale v opačném předpětí nepovede proud, dokud použité napětí nedosáhne takzvaného zenerova napětí, při kterém může dioda vést významný proud, a napětí bude omezeno úrovní napětí zenerovy diody.
Světelná kvanta přenášejí další energii na atomy v n-oblasti, což vede ke vzniku velkého počtu nových párů elektron-díra. Když dosáhnou pn přechodu, otvory jdou do p-oblasti a elektrony se hromadí na okraji přechodu. Dochází tedy ke zvýšení driftového proudu a mezi p- a n-oblastmi vzniká potenciální rozdíl, nazývaný fotoEMF. Jeho hodnota je tím větší, čím větší je světelný tok.
Když se díry a elektrony rekombinují (dopředné zkreslení), elektrony přecházejí na nižší energetickou hladinu. „Přebytek“ energie se uvolňuje ve formě energetického kvanta. A v závislosti na chemickém složení a vlastnostech konkrétního polovodiče vyzařuje vlny jednoho nebo druhého rozsahu. Radiační účinnost závisí také na složení.
Trochu exotiky
Nezapomeňte, že přechod pn je jedním z fenoménů mikrokosmu, kde kvantová fyzika vládne show a divné věci se stávají možnými. Například, tunelový efekt – když částice může projít potenciálovou bariérou a má méně energie. To je umožněno neurčitostí vztahu mezi hybností a souřadnicemi částice (ahoj, Heisenberg!). Tento efekt je základem tunelové diody.
Aby umožnily „únik“ nábojů, jsou vyrobeny z degenerovaných polovodičů (obsahujících vysokou koncentraci nečistot). Výsledkem je ostrý pn přechod s tenkou bariérovou vrstvou. Takové diody mají nízkou spotřebu a nízkou setrvačnost, takže je lze použít v mikrovlnném rozsahu.
Existuje další neobvyklá řada polovodičových diod – Schottkyho diody.
Nepoužívají tradiční pn přechod, ale kov-polovodičový přechod jako Schottkyho bariéru. Tato bariéra vzniká, když se hodnoty pracovní funkce elektronů z kovu a polovodiče liší. Pokud má n-polovodič pracovní funkci menší než kov, který je s ním v kontaktu, pak bude mezní vrstva kovu záporně nabitá a polovodič bude nabit kladně (pro elektrony je snazší přejít z polovodiče na kov než naopak). Pokud máme kontakt kov / p-polovodič a pracovní funkce pro druhý je vyšší než pro první, dostaneme kladně nabitou kovovou vrstvu v blízkosti hranice a záporně nabitou polovodičovou vrstvu. V každém případě budeme mít potenciální rozdíl, pomocí kterého se pracovní funkce obou kontaktujících látek vyrovnají. To povede ke vzniku rovnovážného stavu a vytvoření potenciální bariéry mezi kovem a polovodičem. A stejně jako v případě pn přechodu lze na přechod kov/polovodič aplikovat dopředné a zpětné předpětí se stejným výsledkem.
Schottkyho diody se od pn protějšků liší nízkým úbytkem napětí při přímém zapojení a nižší elektrickou kapacitou přechodu. Tím se zvýší jejich pracovní frekvence a sníží se úroveň rušení.
Závěr
Samozřejmě zde nejsou uvažovány všechny existující typy diod. Doufám ale, že podle výše napsaného si lze o těchto elektronických součástkách udělat docela úplný úsudek.
Dioda je dvouelektrodové polovodičové zařízení. Tomu odpovídá Anoda (+) nebo kladná elektroda a Cathode (-) nebo záporná elektroda. Běžně se říká, že dioda má oblasti (p) a (n), jsou připojeny ke svorkám diody. Společně tvoří pn křižovatku. Podívejme se blíže na to, co je tento pn přechod. Polovodičová dioda je čištěný krystal křemíku nebo germania, ve kterém je akceptorová nečistota zavedena do oblasti (p) a donorová nečistota je zavedena do oblasti (n). Ionty mohou působit jako donorové nečistoty Arsena jako akceptor ionty nečistot Indie. Hlavní vlastností diody je schopnost propouštět proud pouze v jednom směru. Zvažte obrázek níže:
Příklad jednosměrného vedení diody
Tento obrázek ukazuje, že pokud je dioda zapnutá Anoda k plusu výživy a Katoda do mínusu zdroje, pak je dioda v otevřeném stavu a vede proud, protože její odpor je zanedbatelný. Pokud dioda svítí Anoda do mínusu a Katoda Pozitivní je, že odpor diody bude velmi vysoký a v obvodu nebude prakticky žádný proud, nebo spíše bude, ale tak malý, že jej lze zanedbat.
Ilustrace dopředné zpětné proudové diody
Více se dozvíte v následujícím grafu Volt-Amp charakteristika diody:
Proudově-napěťová charakteristika diody
V přímém zapojení, jak vidíme z tohoto grafu, má dioda malý odpor a podle toho dobře propouští proud a v opačném zapojení je do určité hodnoty napětí dioda uzavřená, má vysoký odpor a prakticky nevede. aktuální. To lze snadno ověřit, pokud máte po ruce diodu a multimetr, musíte zařízení přepnout do polohy audio test, nebo nastavením přepínače multimetru naproti ikoně diody, v krajním případě můžete zkusit test dioda nastavením přepínače do polohy 2 KOhm pro měření odporu. Dioda je znázorněna na schématech zapojení jako na obrázku níže, je snadné si zapamatovat, kde je každá svorka: proud, jak víme, vždy teče z plusu do mínusu, takže se zdá, že trojúhelník na obrázku diody ukazuje svým vrcholem směr proudu, tedy od plus do mínus.
Připojením červené sondy multimetru k anodě se můžeme ujistit, že dioda prochází proudem v propustném směru; na obrazovce zařízení budou čísla rovna ~ 800-900 nebo blízko tomu. Připojením sond opačně, černé sondy k anodě, červené sondy ke katodě, uvidíme na obrazovce jednotku, která potvrzuje, že diodou při obráceném přepnutí neprochází proud. Diody diskutované výše jsou buď planární nebo bodové diody. Planární diody jsou určeny pro střední a vysoký výkon a používají se především v usměrňovačích. Bodové diody jsou určeny pro malý výkon a používají se v rádiových detektorech, mohou pracovat na vysokých frekvencích.
Planární a bodová dioda
Jaké typy diod existují?
Schematické znázornění diod
Foto usměrňovací diody
A) Na fotografii je dioda, o které jsme hovořili výše.
Obrázek Zenerovy diody na schématu
B) Tento obrázek ukazuje Zenerova dioda, (cizí název Zenerova dioda), používá se při opětovném zapnutí diody. Hlavní cíl: udržení stabilního napětí.
Dvouuzlová zenerova dioda – obrázek schématu
C) Двухсторонний (nebo dvouanodová) zenerova dioda. Výhodou této zenerovy diody je, že ji lze zapnout bez ohledu na polaritu.
G) Tunelová dioda, lze použít jako výztužný prvek.
D) Reverzní dioda, používané ve vysokofrekvenčních detekčních obvodech.
E) Varicap, který se používá jako proměnný kondenzátor.
Ж) Fotodioda, když je zařízení osvětleno, v obvodu, který je k němu připojen, vzniká proud v důsledku vytváření párů elektronů a děr.
З) LED diody, známá a po klasických usměrňovacích diodách asi nejpoužívanější zařízení. Používají se v mnoha elektronických zařízeních pro zobrazování a další.
Usměrňovací diody Vyrábějí se také ve formě diodových můstků, podívejme se, jaké to jsou – jedná se o čtyři diody zapojené pro výrobu stejnosměrného (usměrněného) proudu v jednom pouzdře. Jsou spojeny pomocí Mostový okruh, standard pro usměrňovače:
Schéma diodového můstku
Mají čtyři označené svorky: dvě pro připojení střídavého proudu a plus a mínus. Na fotografii je diodový můstek CC405:
Foto diodový můstek
Nyní se podívejme blíže na oblast použití LED. LED (nebo spíše LED svítidla) se vyrábí v průmyslu a pro vnitřní osvětlení jako ekonomický a odolný zdroj světla s paticí, která umožňuje jejich našroubování do běžné objímky žárovky.
LED se dodávají v různých baleních, včetně SMD.
Vyrábějí se i tzv. RGB LED, uvnitř jsou tři LED krystaly s různou luminiscencí Red-Green-Blue, respektive Red – Green – Blue, tyto LED mají čtyři výstupy a umožňují získat libovolnou barvu viditelnou mícháním barev.
Připojovací RGB pásek
Tyto SMD LED se často dodávají ve formě pásků s již nainstalovanými odpory a umožňují jejich přímé připojení k 12voltovému zdroji energie. K vytvoření světelných efektů můžete použít speciální ovladač:
LED diody se při použití nerady napájejí vyšším napájecím napětím, než pro které jsou určeny, a mohou se okamžitě nebo po nějaké době spálit, proto je třeba napětí zdroje vypočítat pomocí vzorců. U sovětských LED typu AL-307 by mělo být napájecí napětí přibližně 2 volty, u importovaných 2-2,5 voltů, samozřejmě s proudovým omezením. Pro napájení LED pásků, pokud není použit speciální ovladač, je potřeba stabilizovaný zdroj. Připravil materiál – AKV.
