Diodă

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Diodă
Diode-photo.JPG
Tipuri de diode, de jos: podul Graetz , joncțiunea Zener și pn de diferite puteri
Tip pasiv
Simbol electric
Diode01.svg
Configurarea pinului Anod și catod
Vezi: componentă electronică

Dioda este o componentă electronică pasivă neliniară cu două terminale ( bipol ), a cărei funcție ideală este de a permite curgerea curentului electric într-o direcție și de a o bloca aproape complet în cealaltă (în schimb, alte caracteristici sunt exploatate în cazul Diode Zener , diodă de tunel sau pin, diodă de tunelare rezonantă diodă varicap).

Din această structură inițială, ambele componente cu o structură mai complexă bazată pe un principiu diferit, cum ar fi diodele de timp de tranzit, precum și noile dispozitive cu trei terminale, precum SCR-urile și triac-urile , care au abandonat numele diodei, au evoluat în timp.

Istorie

Cele două forme principale, supapa termionică și dispozitivul semiconductor , au suferit o dezvoltare paralelă.

În 1873, fizicianul britanic Frederick Guthrie a ilustrat principiul funcționării diodei termionice. În 1880, Edison a dat peste efectul termionic (atât de mult încât este numit și efectul Edison ) în timp ce lucra la perfecționarea lămpii incandescente , încercând să înțeleagă motivul ruperii filamentelor. El a descoperit că un curent invizibil curgea din filament către o placă metalică introdusă în bec atunci când era conectat la polul pozitiv. El a brevetat-o ​​câțiva ani mai târziu, fără a indica totuși o utilizare concretă. [1]

Douăzeci de ani mai târziu britanicul John Ambrose Fleming , care a colaborat cu compania Marconi, dar care fusese angajat de Edison, și-a dat seama că efectul Edison ar putea fi folosit ca detector de frecvență radio de precizie și a brevetat prima diodă termionică, „Fleming”, în noiembrie. 1904. [2] Doar doi ani mai târziu, Lee De Forest a inventat trioda .

În ceea ce privește dioda în stare solidă, încă din 1874 germanul Karl Ferdinand Braun , experimentând contactele dintre metale și cristale (cum ar fi galena și pirolusita ), a descoperit capacitatea acestor joncțiuni de a face curentul să curgă într-o singură direcție.

În 1897, indianul Jagadish Chandra Bose a fost primul care a prezentat un aparat care utilizează un detector radio galena. [3]

Diodă ideală

În multe aplicații de interes, caracteristica tensiune-curent a unei diode ideale , obținută în condiții statice, poate fi aproximată cu o funcție liniară în bucăți. În această aproximare, curentul poate fi considerat nul dacă tensiunea dintre anod și catod este mai mică sau egală cu o valoare precisă a tensiunii V γ (prag sau tensiune la genunchi); dacă, pe de altă parte, tensiunea este mai mare, dioda poate fi aproximată la un generator de tensiune cu valoarea V γ , al cărui curent este impus de circuitul la care este supusă. Valoarea lui V γ este o valoare a tensiunii astfel încât curentul real să fie mai mare decât un curent foarte specific util pentru analiza circuitului și, în general, este obișnuit să se utilizeze valoarea convențională de 0,6 V capabilă să se caracterizeze cu suficient precizia este căderea de tensiune pe diodă atunci când curenți semnificativi curg prin ea.

Când valorile tensiunilor circuitului sunt suficient de mari (zeci, sute de V și mai mult), astfel încât să se considere neglijabilă căderea de tensiune V γ pe diodă, se adoptă în mod obișnuit o aproximare și mai puternică folosind o diodă ideală decât în ​​conducție este comparabil cu un scurtcircuit. Această aproximare face posibilă simplificarea în continuare a analizei circuitului practic fără nicio eroare semnificativă.

Când diferența de potențial între dioda ideală este mai mare de 0 (adică atunci când curentul electric curge în direcția convențională pozitivă, de la anod la catod), se spune că dioda se află într-o stare de polarizare directă . În timp ce, atunci când diferența de potențial este negativă, se spune că aceasta este invers părtinitoare . Aceste definiții sunt, de asemenea, utilizate pentru a identifica regiunile de funcționare ale diodelor reale.

Diodă de curent continuu

Când un curent continuu trece prin diodă, acesta poate fi urmărit înapoi la o rezistență sau la un generator de tensiune în funcție de polarizare. Valorile rezistenței sunt definite în mod evident de producător, precum și tensiunea generatorului.

Diodă în curent alternativ

Dioda traversată de curent alternativ trece doar jumătatea de undă pozitivă (dacă este direct influențată) a sinusoidului și blochează jumătatea de undă negativă. Cu configurația diodei de pod Graetz, se generează o undă rectificată formată numai din jumătăți de undă pozitive și, prin urmare, se numește redresor cu undă sinusoidală, formând o undă pulsantă.

Diodă de joncțiune

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: dioda de joncțiune și ecuația ideală a diodei lui Shockley .
Caracteristica tensiunii curente a diodei reale

Diodele de joncțiune pn sunt diode realizate prin procese metalurgice care asigură difuzia impurităților de tip acceptor în cristalele de siliciu dopate anterior de atomii donatorului (sau invers) și curentul lor de tensiune caracteristic poate fi aproximat prin ecuația diodei ideale a lui Shockley . Caracteristica tensiunii curente a dispozitivului este o funcție neliniară; pentru valori de polarizare suficient de mari în raport cu tensiunea termică (la temperatura ambiantă 26mV) relația se menține:

unde I este intensitatea curentului, I 0 indică curentul de saturație inversă , V D este tensiunea aplicată peste diodă și V T tensiunea termică .

Dioda, direct polarizată, începe să conducă odată ce tensiunea aplicată depășește tensiunea de prag ; aceasta variază în funcție de tipul de material cu care este fabricată dioda și valorează aproximativ 0,6 V în diode de siliciu; atunci când această diodă conduce în calcule, este mai bine să folosiți valoarea aproximativă de 0,7 V.

Este întotdeauna necesar să limitați curentul condus de o diodă, astfel încât să nu depășească niciodată curentul maxim prevăzut pentru acea diodă specifică, dincolo de care poate avea loc defectarea fizică a dispozitivului.

Diodele de joncțiune pn reale au un curent de tensiune caracteristic similar cu cel ideal, cu unele diferențe: atunci când sunt polarizate invers, în loc să împiedice complet trecerea curentului, acestea sunt traversate de Io, curentul de saturație inversă, a cărui valoare este legată de zona dispozitivului și concentrațiile de dopanți. Pe măsură ce magnitudinea tensiunii inverse crește până la o anumită valoare (numită tensiune Zener , așa cum se poate vedea în al treilea și al patrulea cadran al caracteristicii diodei reale din lateral), care poate varia de la câțiva volți la câteva zeci de volți, curentul crește în modul foarte rapid: acest regim de funcționare, numit tensiune de avarie sau avarie pentru modul de generare de electroni de conducție în interiorul diodei, nu este dăunătoare componentei atâta timp cât puterea disipată rămâne în limitele tolerate: diodele Zener, de exemplu, sunt proiectate expres pentru a funcționa în tensiune de avarie sau tensiune Zener. Cu toate acestea, datorită caracteristicii foarte abrupte, funcționarea de rupere în diode normale este foarte periculoasă și duce, în general, la defectarea componentelor.

Diodă de germaniu

Dioda de germaniu este formată dintr-o joncțiune semiconductoare realizată cu germaniu ; are o tensiune de prag mai mică (de obicei 0,3 V) ceea ce îl face deosebit de potrivit pentru detectarea semnalelor radio (demodulator sau detector pentru modularea amplitudinii).

Diodă Schottky

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: dioda Schottky .
SchottkySymbol.png

Dioda Schottky constă dintr-o barieră de redresare metal-semiconductor în loc de o joncțiune semiconductoare . Bariera rectificatoare metal-semiconductoare se obține prin depunerea unui metal (de obicei aluminiu ) pe un material semiconductor , care poate fi de tip P sau N prin intermediul unor sisteme de placare sau evaporare. În acest tip de joncțiuni, electronii , adică purtătorii majoritari, au o durată de viață extrem de redusă datorită metalului prezent în bariera de redresare, această particularitate permite un timp de comutare extrem de redus (trecerea din zona de conducere în zona de interdicție), chiar mai jos.la ordinea noastră Caracteristica curent-tensiune este aceeași ca și pentru diodele de siliciu, dar tensiunea tipică de prag este de 0,35 V în loc de 0,6 V. Printre cele mai frecvente aplicații se numără utilizarea sa ca redresor la comutarea surselor de alimentare și a dispozitivelor. STTL .

Diodă Varicap sau varactor

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: diodă Varicap .
Varicap diode.png
Tip de circuit de implementare cu două diode varicap

În timpul polarizării inverse, sarcina electrică se acumulează pe cele două laturi ale zonei de joncțiune, în care se creează un câmp electric puternic dând naștere unei anumite capacități parazite : în practică dioda se comportă ca și când ar fi în paralel cu un condensator mic. Particularitatea care face această mică capacitate a diodei interesantă este că aceasta scade pe măsură ce crește tensiunea inversă.

Diodele Varicap sunt special concepute pentru a exploata acest fenomen și se comportă ca condensatoare variabile controlate de tensiune: capacitatea maximă este de aproximativ 500 pF la modelele mai mari, dar poate coborî la 1pF. Legea dependenței de capacitate-tensiune a diodelor varicap nu este liniară, ci se liniază în combinație cu un inductor într-un circuit LC ca cel opus, făcând frecvența de rezonanță a circuitului proporțională cu tensiunea de control V c .

Aplicațiile diodelor varicap sunt, în general, în etapele de acordare a receptoarelor radio și în oscilatoarele cu tensiune controlată (VCO).

diodă Zener

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: dioda Zener .
Diode Zener.png

Dioda Zener este construită special pentru a profita de funcționarea diodei în polarizare inversă. De fapt, este o diodă construită în funcție de caracteristici particulare pentru a disipa puterea cu utilizarea în zona de avarie. În această stare, tensiunea pe diodă rămâne aproximativ constantă, deoarece curentul variază, astfel încât dioda poate oferi o tensiune de referință relativ constantă: Zener este o diodă optimizată pentru această utilizare, în care tensiunea Zener este făcută cât mai mult posibil. la curentul de avalanșă, chiar dacă în orice caz o tensiune inversă excesivă determină ruperea diodei. Motivul pantei mari a curentului invers se datorează în principal a două cazuri: efectul de avalanșă și efectul Zener .

Creșterea tensiunii inverse determină o accelerare a electronilor care, prin creșterea energiei lor, ionizează rețeaua cristalină (avalanșă); dar pot rupe și legături covalente pentru a extrage electroni (Zener). Aceste două efecte compensează o tensiune aproximativ egală cu 6 V (în funcție de dioda Zener utilizată, pot fi obținute tensiuni diferite). Peste 6 V prevalează efectul avalanșă, sub efectul Zener.

Cu toate acestea, oricât de ușoară, dependența de curent este întotdeauna prezentă și, mai rău, tensiunea Zener variază semnificativ în funcție de temperatura mediului ambiant: din acest motiv, Zener sunt utilizate mai ales pentru a genera tensiuni de polarizare și stabilizare a surselor de alimentare și nu ca probe de Voltaj. Deoarece diodele Zener sunt utilizate în polarizare inversă, există un efect capacitiv asociat cu zona de epuizare în apropierea joncțiunii, această capacitate numită tranziție variază între valorile neglijabile ale unor nF și este relevantă pentru diodele de mare putere, deoarece condiționează funcționarea maximă frecvență.

LED

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: LED .
LED diode.png
Culoare Tensiune directă
Infraroşu 1,3 V
roșu 1,8 V
Galben 1,9 V
portocale 2,0 V
Verde 2,0 V
Albastru deschis 3,0 V
Albastru 3,5 V
Ultraviolet 4.0-4.5V

Aceste diode emit lumină vizibilă atunci când sunt polarizate direct: sunt de obicei utilizate pentru semnalizarea pe panourile de control și ca indicatoare luminoase sau ca emițătoare pentru telecomenzi și fibre optice. De la începutul anilor 2000, au fost dezvoltate modele cu luminozitate ridicată adecvate tehnologiei de iluminat, iar astăzi există numeroase dispozitive de iluminat pe piață care utilizează LED-uri ca surse ca alternativă la lămpile incandescente tradiționale și lămpile fluorescente, cu avantaje considerabile în ceea ce privește energia economisire, durabilitate și redare a culorilor. Tensiunea lor de polarizare directă variază în funcție de lungimea de undă a luminii pe care o emit și emit cu atât mai multă lumină cu cât trece mai mult curent: în general este necesar un curent minim de 4 mA (curent prag) pentru a emite lumină în cantitate perceptibilă.

Curentul variază în funcție de tipul de LED utilizat. LED-urile normale necesită în medie 15 mA pentru a emite o luminozitate bună. În cazul LED-ului HL (luminozitate ridicată), curentul crește până la valori de aproximativ 20-25 mA. Noile LED-uri concept, cu luminozitate foarte mare, sunt capabile să absoarbă curenții multor amperi. Pentru a disipa căldura produsă, acestea trebuie montate pe un radiator adecvat, care poate fi și aer forțat.

Diodă laser

Imagine generată de computer a unei diode laser

La fel ca diodele LED, diodele laser emit, de asemenea, lumină prin recombinarea electronilor și a găurilor din zona de barieră a diodei: diferența fundamentală este că această emisie este stimulată de lumina însăși și că lumina emisă este coerentă.

Acest lucru se realizează cu o structură a diodei sandwich cu trei zone diferite dopate (n - p - p +) care au și un indice de refracție optic diferit: în practică, zonele limită np și p-p + se comportă ca două oglinzi care reflectă lumina emisă în dioda și restrângeți-o în interior. În acest fel, fotonii care călătoresc în diodă stimulează electronii și găurile din atomii semiconductori să se recombine emițând un alt foton cu aceeași lungime de undă și aceeași fază ca cea incidentă, adică stimulează o emisie coerentă.

În mod normal, diodele laser sunt fabricate din arsenidă de galiu și aluminiu , pentru a obține o diferență de indici de refracție între cele trei zone cât mai mare posibil. Emisia laserului este stabilită prin polarizarea diodei, aducându-l în conducție directă, numai atunci când se depășește un curent de prag variabil, în funcție de modelele de la 20 la 30 mA.

Diodă tunel

Tunnel diode.png
I (V) caracteristică diodei tunelului

Inventat în 1957 de Leo Esaki în laboratoarele din Tokyo Tsushin Kogyo, numit acum Sony , în această diodă dopajul celor doi semiconductori pn este atât de puternic încât degenerează în doi conductori separați de o barieră de potențial extrem de mare și îngustă. Cu toate acestea, în aceste condiții, unii electroni sunt încă capabili să treacă, prin fenomenul cuantic al efectului tunel , atunci când dispozitivul este polarizat cu o tensiune directă, dar încă insuficient pentru a aduce dioda într-un regim de conducție clasic: prin creșterea tensiunii, curentul tunelului „crește, apoi scade la minimum (în acest interval dioda are o rezistență negativă), dincolo de care mecanismul de conducere termică a diodei normale preia și curentul începe să crească din nou.

Această caracteristică caracteristică a pantei negative permite diodei să transfere energie la semnalele care trec prin ea: utilizările tipice ale diodelor tunel sunt în domeniul microundelor de la 30 MHz la 300 GHz în circuite de putere redusă, cum ar fi oscilatoarele locale și PLL-urile cu microunde. Viteza de comutare și a marginilor ascendente și descendente în tensiuni sub 50 mV este încă inaccesibilă cu tehnologiile de comutare a tranzistorilor.

Cea mai răspândită utilizare civilă a componentei este în instrumentarea de măsurare și în special în etapa de declanșare a osciloscoapelor profesionale și a generatoarelor de impulsuri, unde au fost utilizate milioane de unități.

Diodă înapoi

În această anumită diodă tunel, unul dintre cei doi semiconductori este mai puțin dopat și se află la limita cazului degenerat: acest lucru face ca dioda inversă (numită în multe moduri, inclusiv dioda din spate ) să se comporte ca o diodă normală dacă este direct polarizată, dar conduce chiar și dacă invers polarizat; de fapt dioda inversă (de aici și numele) se comportă mult mai bine în polarizarea inversă decât în ​​polarizarea directă. Utilizarea sa principală este în detectarea semnalelor mici sau ca mixer.

Diodă PiN

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: dioda PIN .
Simbolul diodei și structura diodei PN și dioda PiN.png

Dioda PiN este un dispozitiv electronic care aparține categoriei dispozitivelor electronice de putere. Denumirile utilizate în mod obișnuit pentru aceeași componentă sunt: dioda de putere și dioda P-ν-N . Dioda PiN se caracterizează prin capacitatea sa de a rezista la tensiuni mari de inversare (> 50 V) și este, în general, capabilă să conducă curenți mari înainte (> 1 A).

Structura diodei PiN are o regiune foarte groasă, nedopată sau foarte slab dopată, regiunea intrinsecă menționată este indicată de i în codul dispozitivului și interpusă între cele două zone P și N, de unde și numele; această regiune intrinsecă este necesară pentru a crește tensiunea de avarie . În principiu, regiunea intrinsecă, fiind puțin dopată, ar trebui să se opună unei rezistențe puternice la trecerea curentului care ar face dioda inutilizabilă. Totuși, acest lucru nu este cazul, deoarece în timpul fazei de conducere directă, regiunile P și N injectează purtători de sarcină ( găuri și, respectiv, electroni ) care reduc foarte mult rezistența regiunii intrinseci.

Caracteristicile specifice care diferențiază dioda PiN de dioda de joncțiune PN (numită și diodă de semnal pentru a o deosebi de dioda de putere) sunt fenomenele de recuperare inversă și recuperare directă. Acest tip de diodă este utilizat în circuite care funcționează la tensiuni ridicate, cum ar fi puterea de rețea, generatoarele EAT pentru anodii de accelerație în tuburile cu raze catodice, unde gestionează cantități semnificative de energie. Ele sunt, de asemenea, utilizate în primele etape RF ale receptoarelor radio profesionale ca atenuatoare de semnal, făcând posibil parte dintr-un circuit de câștig automat (CAG).

Diodele de timp de tranzit

Aceste dispozitive se numesc diode în mod necorespunzător, deoarece nu se bazează (sau nu în principal) pe efectul de barieră și nu au structura pn a diodelor, ci sunt alcătuite din trei sau mai multe zone cu dopaj variat la diferite intensități; sunt construite pe semiconductori compoziti, de obicei fosfura de indiu sau arsenura de galiu .

IMPATT.Diodă

IMPATT înseamnă ionizarea actului IMP A valanche T ransit T ime. Această diodă are o structură complexă (n + - p - i - p +) și, după cum sugerează și numele, funcționează în polarizare inversă folosind efectul avalanșă. Mai precis, este influențat foarte aproape de tensiunea sa Zener, de obicei în jur de o sută de volți, și închis într-o cavitate rezonantă în domeniul microundelor: debutul efectului de avalanșă în diodă determină un impuls radio care se reflectă în cavitate și modulează trecerea ulterioară a sarcinilor prin diodă.

Mișcarea dezordonată a purtătorilor în efectul avalanșă generează un zgomot de fundal foarte mare care se adaugă semnalului util, limitând câmpul de utilizare la surse de energie cu microunde numai în intervalul de până la 300 GHz, cu o eficiență de 30% la 10 GHz care scade odată cu frecvența, în care IMPATT-urile se comportă foarte bine.

Diodă TRAPATT

TRAPATT înseamnă TRA pped P lasma A valanche T ransit T ime. Sunt diode IMPATT deosebite, în care cavitatea rezonantă este obținută direct în diodă: câmpurile electromagnetice din regiunea avalanșei sunt, prin urmare, atât de intense încât să vorbească despre o plasmă de electroni și găuri din interiorul regiunii intrinseci.

Aceste diode sunt capabile să depășească limitările de frecvență ale IMPATT-urilor normale, generând frecvențe de până la 1000 GHz, la limita spectrului infraroșu.

Dioda BARITT

BARITT înseamnă BAR rier I njection T ransit T ime. Este un derivat al diodei IMPATT, de structură (p + - n - n + - n - p +), care oferă o eficiență și o putere mai mici, dar și un nivel mai mic de zgomot generat, deoarece funcționarea sa se bazează pe timpul de tranzit al transportatorilor se încarcă printr-o barieră și nu pe efectul avalanșă: dioda BARITT funcționează în polarizare directă.

Datorită nivelului mai mic de zgomot și a stabilității mai mari a frecvenței generate, BARITT sunt utilizate în oscilatoarele locale și în detectoarele de microunde Doppler.

Fotodiodă

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Fotodiodă .
Simbolul circuitului unei fotodiode.png

Scopul fotodiodelor este de a detecta radiația luminoasă (vizibilă sau infraroșie) care lovește corpul diodei în sine. Structura internă a unei fotodiode este foarte similară cu cea a diodelor PIN: zona intrinsecă este proiectată să reacționeze la lumină prin generarea unei perechi de purtători (un electron și o gaură) care contribuie la trecerea curentului prin diodă. Acestea sunt utilizate în polarizare inversă: în această condiție, curentul care curge prin diodă se datorează (aproape) exclusiv luminii incidente și este proporțional cu intensitatea luminii.

Superdiodă (sau redresor de precizie )

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Superdiode .
Superdiode.png

Spre deosebire de cele anterioare, aceasta nu este o componentă simplă, ci un circuit compus dintr-o diodă și un amplificator operațional : în practică, operaționalul amplifică starea de conducere a diodei. Prin urmare, circuitul în ansamblu se comportă aproape ca o diodă ideală cu tensiune de polarizare directă foarte mică, aproape de 0 V.

Acest circuit este utilizat în redresoare de precizie, în circuite pentru măsurători electrice și în acele cazuri în care semnalul care trebuie rectificat are o amplitudine mai mică decât 0,7 volți, care reprezintă pragul de conducere al diodelor normale. Cu toate acestea, nu este utilizat în aparatele radio, din cauza limitărilor amplificatoarelor operaționale de înaltă frecvență.

Polaritate

În majoritatea pachetelor de diode, știftul sau cablul conectat la catod sunt indicate printr-o bandă. Unele excepții sunt diodele ambalate foarte mici (cum ar fi SOT-23 ) și diodele de putere ambalate, cum ar fi TO-220, pe care este imprimat uneori întregul simbol.

În simbolul grafic pentru diagrame de circuit, triunghiul indică direcția convențională a curentului continuu care circulă în diodă, anodul este, prin urmare, reprezentat de latura triunghiului în timp ce catodul de bară.

Notă

  1. ^ V. Cantoni și colab., 2011 , p.416 .
  2. ^ Jed Margolin, Drumul către tranzistor , la jmargolin.com . Adus pe 19 noiembrie 2012 .
  3. ^ V. Cantoni și colab., 2011 , p.28 .

Bibliografie

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității Thesaurus BNCF 42892 · LCCN ( EN ) sh85038101 · GND ( DE ) 4131470-0 · BNF ( FR ) cb119313236 (data) · NDL ( EN , JA ) 00561213