Dioda

S Vikipedije, slobodne enciklopedije
Dioda
Pogled na diodu izbliza. Prikazan je poluprovodnički kristal kvadratnog oblika (crni objekat s leve strane).
Vrstapasivna
Konfiguracija pinova anoda i katoda
Elektronski simboli
Ekstremna makro fotografija kineske diode iz sedamdesetih.
Razne poluprovodničke diode. Dole: Grecov spoj.[1] Kod većine dioda, belo ili crno obojeni bend označava katodu u kojoj elektroni teku kad dioda provodi. Elektronski protok je suprotan protoku konvencionalne struje.[2][3][4][5]
Struktura diode vakuumske cevi.[6][7][8] Lampa može biti gola, ili češće (kao što je prikazano ovde), ugrađena unutar i izolovana od okružujuće katode.

Dioda je elektronska komponenta koja dozvoljava protok električne struje u jednom smeru bez otpora (ili uz veoma mali otpor), dok u suprotnom smeru predstavlja beskonačan (ili bar veoma veliki) otpor. Zato se za diodu kaže da postoji provodni i neprovodni smer. Može se smatrati da za proticanje struje u provodnom smeru dioda ima otpornost koliko i žica provodnika (nula), a za neprovodni smer se može posmatrati kao prekid provodnika (beskonačno).

Diode se proizvode, uglavnom, od poluprovodničkih materijala kao što su silicijum ili germanijum. Međutim, još uvek postoje i diode sa termojonskom emisijom, nekada popularne elektronske cevi. Poluprovodnička dioda je kristalni komad poluprovodničkog materijala sa p–n spojem povezanog sa dva električna terminala.[9] Dioda vakuumske cevi ima dve elektrode, ploču (anodu) i zagrejanu katodu. Poluprovodničke diode su bile prvi poluprovodnički elektronski uređaji. Otkriće kristalnih ispravljačkih svojstava je zasluga nemačkog fizičara Ferdinanda Brauna iz 1874.[10] Prve poluprovodničke diode, zvane diode mačijih brkova, su bile razvijene oko 1906.[11] One su bile napavljene od mineralnih kristala kao što je galenit.[12] U današnje vreme, većina dioda je napravljena od silicijuma, mada se i drugi poluprovodnički materijali, koa što su selenijum i germanijum, ponekad koriste.[13]

Istorija[uredi | uredi izvor]

Vakuumske i kristalne diode su otkrivene skoro u isto vreme.[14] Princip rada termojonske diode je otkrio Frederik Gutri 1873. godine.[15][16] Princip rada kristalne diode je otkrio 1874. godine nemački naučnik Karl Ferdinand Braun.

Međutim, princip rada termojonske diode je ponovo otkrio Tomas Edison 13. februara 1880. godine,[17] za šta je priznat patent 1883. godine.[18] Braun je patentirao kristalni ispravljač 1899. godine.[19][20][21] Prvi radio-prijemnik koji koristi kristalni ispravljač je napravio 1900. godine Pikar.[22]

Prve diode su elektronske cevi (poznate kao termojonske vakuumske cevi), kod kojih su elektrode okružene vakuumom u staklenom balonu, slično sijalicama sa užarenim vlaknom. Pronalazač ovakve konstrukcije diode je Džon Ambroz Fleming, naučni savetnik u kompaniji Markoni, koji je 1904. godine na osnovu radova Tomasa Edisona uspešno demonstrirao ovu čudnu spravu,[23] a patentirao je novembra 1905. godine.

Izraz je smislio Viljem Henri Ekls[24] 1919. godine grčko-latinskom kombinacijom reči di-dva, ode-puta.[25]

Tehnologija dioda[uredi | uredi izvor]

Simbol vakuumske ili cevne diode
Simbol vakuumske ili cevne diode

Kao i sijalice sa užarenim vlaknom, tako i vakuumske cevi imaju nit koja se užari kada kroz nju teče električna struja. Nit užarena u vakuumu emituje elektrone a potom električni napon, razlika potencijala, između elektroda, pokreće elektrone od užarene elektrode ka drugoj, hladnoj. Tako tok (negativnog) elektrona od užarene niti kroz vakuum do druge (pozitivne, hladne) elektrode predstavlja protok električne struje. Usijana elektroda, izvor elektrona, se naziva katoda, a hladna se zove anoda. Neuporedivo manje elektrona može ići u suprotnom smeru, čak i ako je anoda na negativnijem potencijalu u odnosu na katodu, jer ne postoji termojonska emisija elektrona koja se izaziva usijavanjem.

Napomena: tok elektrona se odvija od katode ka anodi, ali pošto je elektron nosilac negativnog naelektrisanja, struja se označava tako da teče od anode ka katodi. To je provodni smer diode.

Mada se vakuumske cevi, diode, koriste još u par specijalizovanih primena, većina savremenih dioda je zasnovana na poluprovodničkim p-n spojevima.[26][27] Kod poluprovodničkih dioda struja teče od p-strane (anoda) ka n-strani (katoda), ali ne i u suprotnom smeru, kao i kod vakuumske cevi. U slučaju obrnute polarizacije diode dolazi do uklanjanja nosilaca naelektrisanja iz oblasti spoja i stvaranja oblasti prostornog tovara. Način nastanka i objašnjenje rada ovog čudno nazvanog otkrovenja je povezan sa kvantnim efektom prelaska elektrona preko potencijalne barijere ali, na svu sreću, postoje i jednostavnija objašnjenja.

Fizičko objašnjenje poluprovodničkog ponašanja diode[uredi | uredi izvor]

Kriva zavisnosti struje od napona, ponekad nazvana U-I dijagram, opisuje ponašanje oblasti prostornog tovara u poluprovodničkoj diodi. Ova oblast postoji na p-n spoju između različito dopiranih poluprovodnika. Kada se prvobitno kreira p-n spoj, slobodni elektroni iz N-dopirane oblasti se difuzno kreću ka P-dopiranoj oblasti koja obiluje šupljinama (to su mesta gde elektron nedostaje u spoljašnjoj orbiti atoma). Kada slobodni elektroni popune šupljine, nestaju šupljine ali nema više pokretnih elektrona. Tako su se neutralisala dva nosioca naelektrisanja. Oblast oko p-n spoja ostaje bez slobodnih nosilaca naelektrisanja i ponaša se kao izolator. Međutim, oblast prostornog tovara se ne širi beskonačno. Za svaki elektron koji popuni jednu šupljinu u P-delu ostaje u N-delu jedan pozitivno naelektrisan donorski jon. kako ovaj proces napreduje i sve je više pozitivnih jona u N-delu, raste jačina električnog polja kroz oblast prostornog tovara koja usporava i na kraju potpuno zaustavlja dalji tok elektrona.

U ovom trenutku postoji sopstveni električni potencijal u oblasti prostornog tovara. Ako se dovede spoljašnji napon na kontakte diode sa istim polaritetom kao i sopstveno električno polje, oblast prostornog tovara se i dalje ponaša kao izolator sprečavajući protok struje. Ako je, pak, spolja dovedeni napon suprotan sopstvenom električnom polju slobodni nosioci naelektrisanja, elektroni, nastavljaju da se kreću i rekombinuju sa šupljinama, što rezultuje tokom struje kroz p-n spoj. Za silicijumske diode ugrađeni napon iznosi oko 0.6 V. Znači, ako struja protekne kroz diodu, oko 0.6 V napona se pojavi između P-dela i N-dela a za diodu se kaže da je provela.

I-V karakteristika diode se može aproksimirati u dve odvojene oblasti delovanja. Ispod izvesne vrednosti razlike potencijala između izvoda diode, oblast prostornog tovara ima značajnu širinu a dioda se može smatrati otvorenim vodom odnosno prekidom električnog kola. Kako se razlika potencijala povećava, dolazi do stanja kada dioda postaje provodna i naelektrisanje protiče što se može smatrati kratkim spojem (realno postoji izvestan mali otpor). Precizno nacrtano, funkcija prenosa je logaritamska, ali sa veoma oštrim zavojem krive tako da podseća na prelom.

V-I karakteristika poluprovodničke diode (nije u srazmeri)

Šoklijeva jednačina idealne diode (nazvana po Viljemu Bredfordu Šokliju) može se upotrebiti za aproksimaciju I-V karakteristike p-n diode.

,

gde je I struja diode, a IS se zove struja zasićenja, q je naelektrisanje elektrona, k je Bolcmanova konstanta, T je apsolutna temperatura p-n spoja i VD je napon na diodi. Izraz kT/q je termalni napon, ponekad kraće zapisano kao VT, i približno iznosi 26 mV na sobnoj temperaturi. n (ponekad izostavljeno) je koeficijent emisije, koji varira između 1 i 2 zavisno od procesa proizvodnje i poluprovodnog materijala.

Moguće je upotrebiti kraći izraz. Stavljajući

i jednačina za struju diode postaje:

gde je (na sobnoj temperaturi) konstanta.

Kod običnih silicijumskih dioda, pri uobičajenim strujama pad napona u provodnoj diodi iznosi približno 0.6 do 0.7 V. Vrednost je različita za razne tipove dioda: kod Šotki dioda je taj napon oko 0.2 V, a kod svetlećih (LED) dioda može biti 1.4 V ili više, zavisno od tipa poluprovodničkog materijala od kog je izrađena i struje koja kroz nju protiče.

Poluprovodničke diode[uredi | uredi izvor]

Dioda Svetleća
dioda 		Cener
dioda 		Šotki
dioda
Neki simboli dioda

Najveći broj današnjih dioda su poluprovodničke diode bazirane na PN spojevima. U PN spoju električna struja može da teče od P-elektrode (anode) ka N-elektrodi (katodi) ali ne i u suprotnom smeru. Smer struje i elektrona je suprotan, tj. elektroni idu od katode ka anodi (tako je usvojeno mnogo pre neko što je nastala dioda).

Postoji nekoliko vrsta dioda sa poluprovodničkim spojem:

Obične (p-n) diode
rade na način kako je prethodno opisano. Proizvode se od monokristalnog silicijuma (ređe germanijuma) uz male primese 3-valentnih i 5-valentnih elemenata. Pre savremenih silicijumskih dioda za ispravljanje napona su se koristile diode sa bakaroksidom ili selenijumom. Međutim mala efikasnost je bila razlog velikog pada napona po diodi od 1.4-1.7V, što je u slučaju potrebe ispravljanja visokih struja i upotrebe višestruko na red vezanih dioda stvarao veliki pad napona, zbog čega je bilo potrebno imati velike hladnjake, značajno veće nego što je to danas slučaj kod silicijumskih dioda istih strujnih karakteristika.
Diode obogaćene zlatom
Zlato izaziva potiskivanje sporednih nosilaca naelektrisanja. Ovo umanjuje efektivnu kapacitivnost diode, omogućivši da dioda radi na većim frekvencijama. Tipičan primer je 1N914. Germanijumske i Šotki diode su istog reda brzine kao ove diode, a takođe i bipolarni tranzistori koji su vezani kao dioda. Ispravljačke diode se prave sa namerom da rade na najviše 2.5 x 400 Hz što je 1 kHz i nije im potreban ovoliki opseg.
Cenerove diode
Ove diode se nekad nazivaju i probojne diode. Posebna osobina ovih dioda je da mogu provesti u suprotnom smeru. Ovaj efekat, nazvan Cenerov proboj, na precizno određenoj vrednosti inverznog napona što je osobina značajna za konstrukciju referentnog naponskog izvora ili u kolima za stabilizaciju i ograničenje napona. Princip rada se zasniva na pojavi tunelovanja elektrona kroz tanku potencijalnu barijeru spoja. Usled ovoga je probojni napon kod ovih dioda relativno mali, od 2 do 6 V. Probojne diode mogu biti silicijumske i germanijumske, ali su silicijumske bolje zbog oštrijeg kolena karakteristike pri prelazu u oblast proboja. Ove diode imaju negativan temperaturni koeficijent probojnog napona.
Diode sa lavinskim efektom
diode koje provedu u inverznom smeru kada napon polarizacije izazove lavinsko umnožavanje slobodnih nosilaca elektriciteta usled dostizanja velikih brzina pri kretanju kroz jako električno polje prelazne oblasti. Ovaj princip je prisutan kod visokih vrednosti nepropusne polarizacije, preko 6.2 V do 1500 V. Ove diode imaju pozitivan temperaturni koeficijent probojnog napona, što se ublažava rednim dodavanjem obične diode polarisane u propusnom smeru i ima negativni temperaturni koeficijent.
Dioda za potiskivanje prolaza napona
su diode sa lavinskim probojem napravljene posebno radi zaštite drugih poluprovodničkih uređaja od elektrostatičkog pražnjenja. Poprečni presek prelazne oblasti njihovog p-n spoja je mnogo širi nego kod obične diode, što omogućuje da provedu velike struje ka uzemljenju bez oštećenja.
Svetleća dioda (LED)
svetli odnosno emituje fotone kada elektroni prolaze kroz spoj, tj kada se stavi pod napon. Većina dioda emituje zračenje, ali ono ne napušta poluprovodnik i nalazi se u frekventnom opsegu infracrvenog zračenja. Međutim, izborom odgovarajućeg materijala i geometrije svetlost postaje vidljiva. Izbor poluprovodničkog materijala dioda određuje boju svetlosti. Različiti materijali ili neuobičajeni poluprovodnici se koriste u tu svrhu, i imaju različit napon potencijalne barijere. Crvenoj boji odgovara napon od 1.2 V, a napon od 2.4 odgovara ljubičastoj. Danas postoje diode i za ultraljubičastu svetlost. Prve svetleće diode su bile crvene i žute, a druge su nastale kasnije. Sve svetleće diode su jednobojne; bele diode su u stvari kombinacija tri diode različitih boja ili plava obložena žutom. Što je niža frekvencija diode veća je efikasnost pa je za efekat jednake jačine svetla raznih dioda potrebno povećavati jačinu struje kod dioda viših frekvencija. Ovo se još više komplikuje činjenicom da je ljudsko oko najosetljivije na svetlost koja je negde između plave i zelene.
Fotodioda
je dioda sa širokim providnim spojem. Foto dioda reaguje na pojavu svetlosti generišući električnu struju. Fotoni izbijaju elektrone iz orbita u oblasti spoja što je uzrok pojave električne struje. Foto diode se mogu koristiti kao solarne ili fotonaponske ćelije i u fotometriji. Ako foton nema dovoljno energije neće pobuditi elektron i samo će proći kroz spoj. Čak se i svetleća dioda može upotrebiti ka foto dioda niske efikasnosti u nekim primenama. Nekada se svetleća dioda i foto dioda pakuju u isto kućište. Ovaj uređaj se tada zove „opto izolator“, „opto dekapler“ ili „opto razdvajač“. Za razliku od transformatora on dozvoljava galvansko razdvajanje jednosmernog napona. Ovo je izuzetno korisno, recimo kod zaštite pacijenata koji su priključeni na medicinske uređaje ili kada se osetljiva niskostrujna kola razdvajaju od problematičnih napojnih sklopova ili jakih elektromotora. Solarne ćelije su takođe jedna vrsta foto diode.
Laserske diode
su vrsta svetleće diode kod kojih se poliranjem paralelnih stranica materijala diode formira rezonantna šupljina što se manifestuje kao pojačavač usmerene svetlosti - laser. Laserske diode se koriste kod optičkih uređaja (CD i DVD čitači/pisači) i kao komunikacije izuzetno velikih kapaciteta (optička vlakna i optičke komunikacije).

Varikap diode imaju izraženu osobinu da se kapacitivnost PN spoja menja u zavisnosti od napona na diodi. Koriste kao naponski kontrolisani kondenzatori kod oscilatora.

Reference[uredi | uredi izvor]

  1. ^ Horowitz, Paul; Hill, Winfield (1989). The Art of Electronics (Second izd.). Cambridge University Press. str. 44–47. ISBN 978-0-521-37095-0. 
  2. ^ Tooley, Mike (2012). Electronic Circuits: Fundamentals and Applications, 3rd Ed. Routlege. str. 81. ISBN 1-136-40731-6. 
  3. ^ Lowe, Doug (2013). „Electronics Components: Diodes”. Electronics All-In-One Desk Reference For Dummies. John Wiley & Sons. Arhivirano iz originala 16. 01. 2013. g. Pristupljeno 4. 01. 2013. 
  4. ^ Crecraft, David; Stephen Gergely (2002). Analog Electronics: Circuits, Systems and Signal Processing. Butterworth-Heinemann. str. 110. ISBN 0-7506-5095-8. 
  5. ^ Horowitz, Paul; Winfield Hill (1989). The Art of Electronics, 2nd Ed. London: Cambridge University Press. str. 44. ISBN 0-521-37095-7. 
  6. ^ Reich, Herbert J. (13. 04. 2013). Principles of Electron Tubes. Literary Licensing, LLC. ISBN 978-1258664060. 
  7. ^ Fundamental Amplifier Techniques with Electron Tubes: Theory and Practice with Design Methods for Self Construction. Elektor Electronics. 1. 01. 2011. ISBN 978-0905705934. 
  8. ^ „RCA Electron Tube 6BN6/6KS6”. Pristupljeno 13. 04. 2015. 
  9. ^ „Physical Explanation – General Semiconductors”. 25. 05. 2010. Arhivirano iz originala 16. 05. 2016. g. Pristupljeno 6. 08. 2010. 
  10. ^ Braun, F. (1874), „Ueber die Stromleitung durch Schwefelmetalle” [On current conduction through metal sulfides], Annalen der Physik und Chemie (na jeziku: German), 153 (4): 556—563, Bibcode:1875AnP...229..556B, doi:10.1002/andp.18752291207 
  11. ^ Braun, Ernest; MacDonald, Stuart (1982). Revolution in Miniature: The history and impact of semiconductor electronics, 2nd Ed. UK: Cambridge University Press. str. 11—12. ISBN 978-0-521-28903-0. 
  12. ^ Lee, Thomas H. (2007). „The (Pre-)History of the Integrated Circuit: A Random Walk” (PDF). IEEE Solid-State Circuits Newsletter. 12 (2): 16—22. ISSN 1098-4232. doi:10.1109/N-SSC.2007.4785573. [mrtva veza]
  13. ^ „The Constituents of Semiconductor Components”. 25. 05. 2010. Arhivirano iz originala 16. 05. 2016. g. Pristupljeno 6. 08. 2010. 
  14. ^ Guarnieri, M. (2011). „Trailblazers in Solid-State Electronics”. IEEE Ind. Electron. M. 5 (4): 46—47. doi:10.1109/MIE.2011.943016. 
  15. ^ Guthrie, Frederick (October 1873) "On a relation between heat and static electricity," The London, Edinburgh and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, 4th series, 46 : 257–266.
  16. ^ 1928 Nobel Lecture: Owen W. Richardson, "Thermionic phenomena and the laws which govern them", December 12, 1929
  17. ^ Redhead, P. A. (1. 05. 1998). „The birth of electronics: Thermionic emission and vacuum”. Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films. 16 (3): 1394. ISSN 0734-2101. doi:10.1116/1.581157. 
  18. ^ Edison, Thomas A. "Electrical Meter" U.S. Patent 307.030 Issue date: Oct 21, 1884
  19. ^ Braun, Ferdinand (1874) "Ueber die Stromleitung durch Schwefelmetalle" (On current conduction in metal sulphides), Annalen der Physik und Chemie, 153 : 556–563.
  20. ^ Karl Ferdinand Braun. chem.ch.huji.ac.il
  21. ^ „Diode”. Encyclobeamia.solarbotics.net. Arhivirano iz originala 26. 04. 2006. g. Pristupljeno 26. 08. 2017. 
  22. ^ Pickard, Greenleaf Whittier "Means for receiving intelligence communicated by electric waves" U.S. Patent 836.531 Issued: August 30, 1906
  23. ^ „Road to the Transistor”. Jmargolin.com. Pristupljeno 22. 09. 2008. 
  24. ^ Ratcliffe, J. A. (1971). „William Henry Eccles. 1875-1966”. Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society. 17: 195. doi:10.1098/rsbm.1971.0008. 
  25. ^ Eccles, W. H. (1912). „On the Diurnal Variations of the Electric Waves Occurring in Nature, and on the Propagation of Electric Waves Round the Bend of the Earth”. Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 87 (593): 79. Bibcode:1912RSPSA..87...79E. doi:10.1098/rspa.1912.0061. 
  26. ^ Arora, Narain (2007). Mosfet modeling for VLSI simulation: theory and practice. World Scientific. str. 539. ISBN 978-981-256-862-5. 
  27. ^ Jean-Pierre Colinge, Cynthia A. Colinge (2002). Physics of semiconductor devices (2nd izd.). Springer. str. 149. ISBN 978-1-4020-7018-1. 

Literatura[uredi | uredi izvor]

Spoljašnje veze[uredi | uredi izvor]

Dioda na Vikimedijinoj ostavi.
Preuzeto iz „https://sr.wikipedia.org/w/index.php?title=Диода&oldid=26533136”