Diode

'n Diode is 'n tweeterminaal- elektriese komponent wat die rigting van die beweging van elektrone beperk. 'n Diode laat die vloei van stroom toe in een rigting deur die komponent maar nie in die teenoorgestelde rigting nie. Elektriese stroombane wat benodig dat stroom net in een rigting vloei, maak gebruik van diodes.

Ou diodes sluit "katsnorbaard"-kristalle en vakuumbuistoestelle in. Moderne diodes word van halfgeleiers soos silikon en germanium vervaardig.

Geskiedenis Termiese diodes en halfgeleierdiodes het in parallel ontwikkel. Fredrick Gurhrie het die beginsel van termiese diodes reeds in 1873 beskryf. Karl Ferdinand Braun het die beginsel van kristaldiodes in 1874 beskryf.

Die termiese diode is herontdek deur Thomas Edison op 13 Februarie 1880. Hy het 'n patent uitgeneem in 1883, maar het nie die idee verder ontwikkel nie. Braun het 'n patent op die kristaldiode uitgeneem in 1899. Die eerste radio-ontvangers wat van 'n kristaldiode gebruik gemaak het, is deur Greenleaf Whittier Pickard in 1900 vervaardig. Die eerste termiese diodes is in Brittanje gepatenteer deur John Ambrose Flemming op 16 November 1904. Pickard het die patent vir die silikon-kristaldiode ontvang op 20 November 1906.

Destyds het sulke toestelle bekend gestaan as gelykrigters. In 1919 het William Henry Eccles die term diode geskep van die Griekse wortels di, wat 'twee' beteken, en ode, wat 'pad' beteken.

Termiese- of gasdiodes regs|150px|duimnael|Die simbool van 'n vakuumdiode. Van bo na onder: die anode, die katode en die verhitterfilament.

Termiese diodes is vakuumbuistoestelle, wat bestaan uit 'n aantal elektrodes omhul in 'n glasvakuumbuis.

In vakuumbuisdiodes vloei stroom deur die katode, 'n filament wat behandel is met 'n mengsel van barium- en stronsiumoksiede. Die stroom verhit die filament, wat termiese emissie van elektrone binne die vakuumbuis veroorsaak. Tydens meevoorspanning is die metaalelektrode, wat die anode genoem word, positief, dus word die elektrone na die anode aangetrek. Wanneer die spanningspolariteit omgekeer word (teenvoorspanning), word elektrone nie maklik van die onverhitte anode afgeskei nie, daar vloei dus net 'n baie klein lekstroom.

Vir die meeste van die 20ste eeu is vakuumbuisdiodes gebruik vir analoogtoepassings en as gelykrigters in kragbronne. Vandag word vakuumbuisdiodes slegs in gespesialiseerde toepassings, soos gelykrigters in buiskitaar en hoëtrouversterkers, en gespesialiseerde hoëspanningtoestelle gebruik.

Halfgeleierdiodes regs|180px|duimnael|Diodesimbool. Stroom vloei van die anode na die katode, maar nie in die ander rigting nie.

Moderne diodes is gebaseer op die halfgeleier pn-voegvlak. In pn-voegvlakdiodes kan gewone stroom van die p-tipe kant (die anode) na die n-tipe kant (die katode) laat vloei, maar nie in die teenoorgestelde rigting nie. Die Schottky-diode word gevorm deur die kontak van 'n metaal en 'n halfgeleier in plaas van 'n pn-voegvlak.

'n Halfgeleierdiode stoomspanning, of I-V, eienskapkurwe word toegeskryf aan die sperlaag wat ontstaan by die pn-voegvlak tussen die verskillende halfgeleiers. Wanneer die halfgeleier die eerste keer geskep, word versprei die geleidendsband elektrone van die N-doteerde gebied na die P-doteerde gebied waar daar 'n groot aantal 'holtes' (plekke vir elektrone waar geen elektron teenwoordig is nie) is waarmee die elektrone herkombineer. Wanneer 'n elektron met die holtes herkombineer, verdwyn die holte en is die elektron nie meer mobiel nie. Die gebied om die pn-voegvlak word uitgeput van lading en tree op as 'n isolator. Hierdie gebied staan bekend as die sperlaag.

Hierdie gebied kan nie oneindig groei nie. Elke elektronholtepaar wat herkombineer vorm 'n positief-gelaaide doteerde ioon in die N-doteerde gebied en 'n negatief-gelaaide doteerde ioon in die P-doteerde gebied. Soos herkombinasie plaasvind vorm meer ione. Dit veroorsaak 'n toename in die elektriese veld oor die spergebied wat teen die herkombinasie van elektronholtepare werk totdat 'n ewewig bereik word en die sperlaag nie verder groei nie. Op hierdie punt is daar 'n ingeboude spanningsverskil oor die sperlaag.

Wanneer 'n eksterne spanning van dieselfde polariteit as die ingeboude spanning oor die diode geplaas word sal die sperlaag aanhou optree as 'n isolator was stroomvloei verhoed. Dit staan bekend as teenvoorspanning van die diode. Wanneer die eksterne spanning se polariteit die ingeboude spanning teenstaan kan herkombinasie weer plaasvind wat veroorsaak dat die stroom deur die diode drasties toeneem. Dit staan bekend as meevoorspanning van die diode. Die ingeboude spanning vir silikon diodes is ongeveer 0.6 V. Dus sal daar 'n spanningsval van ongeveer 0.6 V oor die diode wees wanneer daar 'n eksterne stroom deur die diode vloei.

Die diode se I-V eienskappe kan benader word deur te onderskei tussen twee gebiede. Onder 'n sekere spanningsval oor die diode het die sperlaag 'n bedydende wydte en kan die diode beskou word as 'n oopbaan (nie-geleidende stroombaan). Soos die spanningsval groter word sal die diode op 'n sekere spanningsval geleidend word en kan dit beskou word as 'n geleier met geen weerstand of baie klein weerstand. Die oordragfunksie van die diode is in werklikheid logaritmies, maar so skerp dat dit lyk soos 'n skerp hoek as die grafiek van ver af beskou word.

In die teenvoorspanninggebied van die I-V eienskapgrafiek is die stroom deur die diode baie klein (in die µA omgewing) vir alle voorspannings tot die deurslagspanning bereik word. Na hierdie punt vind elektronestorting plaas wat veroorsaak dat die diode beskadig word saam met 'n skielike toename in die stroom. Zenerdiodes en stortdiodes word vervaardig om 'n opsetlike deurslagspunt te hê na 'n voorafbepaalde trustroom sodat die truspanning vasgepen word by 'n bekende waarde. Hierdie toestelle het wel 'n maksimumlimiet op die stroom en drywingvermoë in die elektronestortingsgebied.

Lig-emissie Diodes (LEDs) thumb|300px|LED-spektra vir verskeie halfgeleiers Die onderliggende fisika van halfgeleierdiodes bepaal dat die energie wat deur die diode versprei is, is as elektromagnetiese straling . Hierdie straling is deur die diode se beskermbedekking vasgevang. Die vergelyking wat die uitgestraalde straling beheer is

waar is die energie wat duur een foton afgegee is (gemeet in joules in SI) is die konstante van Planck (in SI ) is ligsnelheid (in SI ) is die golflengte van die uitgestraalde foton (gemeet in meter in SI). Deur hierdie vergelyking te manipuleer, is dit maklik om aan te toon dat

waar is die foton energie in elektronvolts en dus ook die diode dryfspanning is die golflengte in nanometers (nm). Die dryfspanning vir silikondiodes is 0.6 V, wat ooreenstem met infrarooilig met 'n golflengte van ongeveer 2000 nm of 2 μm. Liguitstralende diodes (LEDs) gebruik verskillende materiale en, anders as silikondiodes, het hulle 'n deursigtige beskermbedekking en daarom word die elektromagnetiese emissie as sigbare lig versprei. Tipies sal 'n LED met 'n dryfspanning van 2 V rooi lig produseer met 'n golflengte van ongeveer 600 nm, terwyl die produksie van blou lig (golflengte ongeveer 400 nm) 'n dryfpotensiaal van 3 V vereis.

Shockley diode vergelyking Die Shockley ideale diode- vergelyking (vernoem na William Bradford Shockley), ook bekend as die diodewet, beskryf die I-V eienskap van 'n ideale diode in beide meevoorspanning en teenvoorspanning (of geen voorspanning). Die vergelyking is afgelei met die aannames dat die enigste prosesse wat aanleiding gee tot stroom deur die diode drifstroom, diffusiestroom en termiese herkombinasie-generasie is. Dit word ook aangeneem dat die herkombinasie-generasie stroom in die sperlaag niksbeduidend is. Dit beteken dat die vergelyking elektronestorting buite rekening laat. Die nie-ideale effek van interne weerstand by hoë meevoorspanning word ook buite rekening gelaat, sowel as afwyking van die ideale as gevolg van herkombinasie-generasie in die sperlaag by lae meevoorspanning.

waar I die stroom deur die diode is, IS die versadigingstroom is, VD die spanningsval oor die diode is, VT die termiese spanning is en n die emissiekoëffisiënt is.

Die emissiekoëffisiënt n word bepaal deur die vervaardigingproses en halfgeleiermateriaal van die diode en wissel tussen 1 en 2. In die meeste gevalle is die waarde naby 1 en word dus weggelaat. Die termiese spanning VT is ongeveer 25.2 mV teen kamertemperatuur (25 oC of 298 K) en is 'n bekende konstante waarde gedefinieer deur:

waar e die elementêrlading van 'n elektron (1.602 176 53 × 10-19 C) is, k die konstante van Boltzmann (1.380 6505 × 10-23 J/K) is en T die temperatuur van die pn-voegvlak is.

Daar is 'n verskeie tipe halfgeleiervoegvlakdiodes: Normale (pn-voegvlak) diodes Hierdie diode werk soos hierbo beskryf is. Die diode word gewoonlik van gedoteerde silikon of germanium vervaardig. Germaniumdiodes is uiters skaars. Gouddoteerdediodes As 'n doteermiddel reageer goud of platinum as 'n sentrum vir herkombinasie wat minderheidsdraers vinniger laat herkombineer. Dit laat die diode toe om teen hoë frekwensies te werk, teen die koste van 'n hoër meevoorspanningval. 'n Tipiese voorbeeld is die 1N914. Zenerdiodes Zenerdiodes gelei stroom van die katode na die andode wanneer die deurslagspanning oorskryf word (diode is teenvoorgespan). Dit laat toe dat die diode as 'n spanningsverwysing gebruik kan word. In praktiese spanningsverwysing stroombane word 'n skakeldiode in series, maar teenoorgestelde rigting, met die zenerdiode geplaas sodat die temperatuurkoëffisiënt gebalenseer word naby zero. 'n Enkelpakkie waar twee Zenerdiodes in series, maar teenoorgestelde rigting, geplaas is staan bekend as 'n oorgangdemper (Engels transorb). Die Zenerdiode is vernoem na die toestel se uitvinder dr. Clarence Melvin Zener. Sommige hoëspanning Zenerdiodes is in werklikheid Stortdiodes. Stortdiodes Net soos die Zennerdiode gelei stroom van die katode na die andode wanneer die deurslagspanning oorskryf word in 'n Stortdiode. Die proses wat die spanningsdeurbraak veroorsaak verskil tussen Zener- en Stortdiodes. Nog 'n verskil tussen die twee diodes is dat die temperatuurkoëffisiënt teenoorgestelde tekens het. Oorgangspanningdiodes Oorgangspanningdiodes is stortdiodes wat ontwerp is om halfgeleiertoestelle te beskerm teen hoë oorgangspannings. Die pn-voegvlak deursnee-oppervlakte van die oorgangspanningdiode is baie groter as die van normale diodes wat toelaat dat hulle meer stroom kan gelei sonder om beskadig te word. Fotodiodes Halfgeleiers is onderworpe aan optiese ladingdraer generasie en word dus verpak in ligversperrings material. As die lig toegelaat word om die halfgeleier te bereik kan die fotosensitiwiteit gebruik word. Fotodiodes word gebruik vir sonselle of fotometrie (ligmeting). Ligemissiediodes (LEDs)

Diode

Bron en licentie