Diode

Šis raksts ir par pusvadītāju diodēm. Par vienkāršāko elektronu lampu ar diviem elektrodiem skatīt rakstu diode (elektronu lampa).

Diode

Tips	pusvadītāju ierīce
Darbības princips	maiņstrāvas taisngriešana, signālu modulācija, sprieguma stabilizācija, gaismas emisija
Elektroniskais simbols
Diodes shematisks apzīmējums

Diode (sengrieķu: δι-, di- — divi; ὁδός, hodós — ‘ceļš’) ir elektroniska ierīce ar diviem izvadiem, kas elektrisko strāvu vada vienā virzienā. To veido viena elektronu-caurumu (p-n) pāreja, kas ļauj strāvai plūst tiešā polarizācijā un bloķē to pretējā virzienā. Diodes ir būtiska elektronikas sastāvdaļa un tiek plaši izmantotas maiņstrāvas taisngriešanā, signālu modulācijā, sprieguma stabilizācijā un gaismas emisijā (LED). Lai gan pastāv arī vakuuma diodes (elektronu lampas), mūsdienās ar jēdzienu ‘diode’ galvenokārt saprot pusvadītāju diodes, jo elektronu lampas tiek izmantotas reti. Atkarībā no konstrukcijas un pielietojuma izšķir vairākus diodes veidus, tostarp punkta diodes, kurās veidojas maza laukuma pussfēriska p-n pāreja, un virsmas diodes ar relatīvi lielu plakanu robežvirsmu starp p un n apgabaliem.

Diodes attīstība aizsākās 20. gadsimta sākumā. Pirmās diodes bija vakuuma diodes, ko 1904. gadā izgudroja britu fiziķis Džons Ambrouzs Flemings (John Ambrose Fleming). Šīs ierīces darbojās, izmantojot termoelektronu emisiju, un tika plaši pielietotas radiosakaru tehnoloģijās, radio uztvērējos un agrīnajos elektroniskajos aparātos. 20. gadsimta vidū, attīstoties pusvadītāju tehnoloģijām, tika izgudrotas pusvadītāju diodes, kas bija kompaktākas, efektīvākas un uzticamākas nekā vakuuma diodes. Mūsdienās diodes tiek ražotas no silīcija, germānija un gallija arsenīda, un tām ir nozīmīga loma plašajā elektronikas un optoelektronikas pielietojumu klāstā.

Vēsture

Diodes attīstība aizsākās 20. gadsimta sākumā, taču tās principi tika pētīti jau 19. gadsimtā. Pirmās diodes bija kristāldetektori un vakuuma diodes, kas bija būtiskas agrīnajā elektronikas attīstībā. 20. gadsimta sākumā kristāldetektors, kas sastāvēja no metāla adatas un pusvadītāja kristāla (parasti galenīta — svina sulfīda), radio uztvērējos tika izmantota kā primitīva diode. Tas ļāva demodulēt radio signālus, taču tam bija nestabili elektriskie parametri un tas bija jutīgs pret mehāniskiem traucējumiem. Vakuuma diode tika izgudrota 1904. gadā, kad britu fiziķis Džons Ambrouzs Flemings (John Ambrose Fleming) radīja divu elektrodu lampu jeb Fleminga lampu. Tā darbojās, izmantojot termoelektronu emisiju, kur elektroni tika izstaroti no uzkarsēta katoda un pārvietojās uz anodu, ja tam tika pielikts pozitīvs spriegums. Šī tehnoloģija bija ļoti nozīmīga agrīnajos radiosakaru un elektronikas attīstības posmos.

Pusvadītāju diodes attīstījās 20. gadsimta vidū līdz ar pusvadītāju fizikas un ražošanas tehnoloģiju attīstību. 1935. gadā vācu zinātnieks Oskars Heils (Oskar Heil) patentēja lauktranzistora darbības principu, kas vēlāk attīstījās modernākās un efektīvākās ierīcēs. 1940. gados un 1950. gados tika pilnveidotas silīcija un germānija diodes, kas bija mazākas, efektīvākas un uzticamākas par vakuuma diodēm. Mūsdienās diodes ir plaši izplatītas dažādās elektroniskās ierīcēs, sākot no barošanas avotiem un sprieguma stabilizatoriem līdz optoelektroniskām ierīcēm, piemēram, LED un lāzera diodēm.

Uzbūve un darbības princips

Diodes darbība balstās uz elektronu-caurumu pārejas (p-n pārejas) vai metāla-pusvadītāja kontakta īpašībām, kas veidojas, savienojot divus dažāda tipa pusvadītāju apgabalus — p-tipa pusvadītāju, kurā dominē pozitīvi lādēti caurumi, un n-tipa pusvadītāju, kurā dominē negatīvi lādēti elektroni. Kā pusvadītāju materiālu diodēs izmanto četrvērtīgo germāniju vai silīciju. Pusvadītājā pozitīvos (p) un negatīvos (n) lādiņus iegūst, piejaucot citu vielu. Ja piejauc piecvērtīgas vielas, piemēram, antimonu vai arsēnu, tad piejaukuma atomi četri elektroni veido saites ar pamatmateriāla elementiem, bet piektais elements atbrīvojas. Šāda veida piejaukumu sauc par donorpiejaukumu un rezultātā veidojas pusvadītājs ar lielu brīvu elektronu koncentrāciju — n tipa pusvadītājs. Ja piejauc trīsvērtīgas vielas, piemēram, alumīniju vai indiju, tad piejaukuma atoma visi trīs elektroni veido saites ar pamatmateriāla atomiem, izbrīvējot pamatpusvadītājā pozitīvu lādiņnesēju — caurumu. Šādu piejaukumu sauc par akceptorpiejaukumu un rezultātā rodas pusvadītājs ar brīvu pozitīvu caurumu koncentrāciju — p tipa pusvadītājs.

Saskares vietā starp p un n apgabaliem izveidojas deplēcijas zona, kurā brīvie lādiņnesēji tiek izkliedēti, radot iekšējo elektrisko lauku, kas kavē turpmāku lādiņu pārvietošanos. Pievienojot diodei ārēju spriegumu, tā uzvedība mainās atkarībā no polarizācijas virziena. Tiešajā polarizācijā, kad pozitīvais spriegums tiek pielikts p-apgabalam un negatīvais n-apgabalam, barjeras zona samazinās, un, sasniedzot noteiktu spriegumu, ko sauc par barjeras spriegumu, lādiņnesēji sāk brīvi kustēties, ļaujot strāvai plūst caur diodei. Pretējā polarizācijā, kad polaritāte ir apvērsta, barjeras zona paplašinās, ievērojami samazinot strāvas plūsmu, izņemot nelielu reverso strāvu, ko rada termiskie lādiņnesēji. Barjeras spriegums, pie kura diode sāk vadīt strāvu, atkarīgs no pusvadītāja materiāla — silīcija diodēm tas ir aptuveni 0,7 volti, germānija diodēm 0,3 volti, bet gallija arsenīda diodēm apmēram 1,2 volti.

Diodēm ir būtiska loma elektrisko signālu apstrādē, jo to galvenā funkcija ir taisngriešana, kas tiek izmantota maiņstrāvas pārveidošanai līdzstrāvā. Taisngriešanas shēmās diodes neļauj plūst maiņstrāvas negatīvajai pusei, ļaujot cauri tikai pozitīvajai daļai. Mūsdienās diodes tiek izgatavotas no dažādiem pusvadītāju materiāliem, kas ietekmē to īpašības un pielietojumu. Silīcijs ir visbiežāk izmantotais materiāls, jo tas nodrošina augstu stabilitāti un labu temperatūras izturību. Germānijs agrāk tika plaši izmantots, taču mūsdienās tas ir mazāk populārs zemākas termiskās stabilitātes dēļ. Gallija arsenīds tiek izmantots ātrgaitas elektronikā un optoelektronikas ierīcēs, piemēram, LED un lāzera diodēs, jo tas ir īpaši efektīvs gaismas emisijā.

Veidi

Dažāda veida pusvadītāju diodes

Diodes pastāv dažādos veidos, un katram veidam ir specifiskas īpašības un pielietojums. Lai gan mūsdienās visbiežāk sastopamās ir pusvadītāju diodes, joprojām tiek izmantoti arī citi diožu veidi, piemēram, vakuuma diodes un specializētās diodes ar unikālām elektriskajām īpašībām. Katrai diodes kategorijai ir savs unikālais darbības princips un pielietojums, padarot tās par neaizstājamu komponenti mūsdienu elektronikā.

• Pusvadītāju diodes sastāv no p-n pārejas un tiek izmantotas kā pamatelements daudzās elektroniskajās shēmās. Tās ļauj elektriskajai strāvai plūst tikai vienā virzienā, un to galvenais pielietojums ir taisngriešanā un signālu apstrādē.
• Taisngriežu diodes tiek izmantotas maiņstrāvas (AC) pārveidošanai līdzstrāvā (DC). Tās atrodas barošanas blokos un spēlē svarīgu lomu elektronisko ierīču barošanā. Parasti taisngriežu diodes tiek izgatavotas no silīcija, jo tas nodrošina augstu efektivitāti un izturību pret temperatūras svārstībām.
• Šotkija diodes izmanto metāla-pusvadītāja pāreju, kas samazina sprieguma kritumu un nodrošina ļoti ātru darbību. Tās tiek izmantotas augstfrekvences shēmās, impulsu elektronikas ierīcēs un strāvas stabilizācijā.
• Zenera diodes, atšķirībā no parastajām diodēm, spēj vadīt strāvu arī reversajā virzienā, ja spriegums pārsniedz noteiktu robežvērtību (Zenera spriegumu). Tās tiek plaši izmantotas sprieguma stabilizācijā un pārsprieguma aizsardzības shēmās.
• Superaugsto frekvenču diodes
• Optoelektroniskās diodes:
  • Gaismas diodes (LED) izstaro gaismu, kad caur tām plūst elektriskā strāva. Šīs diodes tiek izmantotas apgaismojumā, displejos un signālu indikācijās. LED tehnoloģijas attīstība ir padarījusi tās par energoefektīvu alternatīvu tradicionālajām kvēlspuldzēm.
  • Fotodiodes spēj pārveidot gaismu elektriskajā strāvā, tāpēc tās tiek izmantotas sensoriem, kamerām un optiskās sakaru sistēmās. Tās bieži darbojas reversajā polarizācijā, kur gaismas absorbcija izraisa elektronu-caurumu pāru veidošanos un strāvas plūsmu.
  • Lāzerdiodes.
• Vakuuma diodes bija agrīnie elektronikas elementi, kas darbojās, izmantojot termoelektronu emisiju. Tās sastāvēja no katoda un anoda noslēgtā vakuuma kolbā. Lai gan mūsdienās tās ir aizstātas ar pusvadītāju diodēm, tās joprojām tiek izmantotas dažās augstsprieguma un radiofrekvenču ierīcēs.
• Ganna diodes (Ganna ģeneratori) ir īpašas pusvadītāju ierīces, kas darbojas, izmantojot negatīvās diferenciālās pretestības efektu. Tās tiek izmantotas mikroviļņu ģeneratoros un augstfrekvences oscilatoros.
• Tuneļdiodes izmanto kvantu tuneļošanas efektu, lai darboties ļoti lielā ātrumā. Tām ir negatīvā diferenciālā pretestība, kas padara tās noderīgas augstfrekvences un mikroviļņu signālu apstrādē.
• Varikapi (kapacitātes diodes) ir īpašas diodes, kuru kapacitāte mainās atkarībā no pieliktā sprieguma. Tās tiek izmantotas radiofrekvenču shēmās, frekvenču modulācijā un signālu filtrēšanā.
• Impulsdiodes
• Stabilitroni

Skatīt arī

• Tranzistors
• Triode
• Pentode

Ārējās saites

• Vikikrātuvē par šo tēmu ir pieejami multivides faili. Skatīt: Diode.

• Latvijas Nacionālās enciklopēdijas šķirklis
• Encyclopædia Britannica raksts (angliski)
• Krievijas Lielās enciklopēdijas raksts (krieviski)
• Krievijas Lielās enciklopēdijas raksts (2004-2017) (krieviski)
• Encyclopædia Universalis raksts (franciski)
• Datuve.lv — Pusvadītāju struktūras. Diode. (latviski)
• Tony R. Kuphaldt. Lessons In Electric Circuits, Volume III, Chapter 3, Diodes and rectifiers