ELEKTROTEHNIKA SA ELEKTRONIKOM

SEMINARSKI RAD

DIODE

predmetni nastavnik: student:

dr Sajfert Vejskoslav Svirčev Predrag

mr Karleta Vojin broj indeksa:

22/10-10

Univerzitet u Novom Sadu

Tehnički fakultet “Mihajlo Pupin”

Zrenjanin

Zrenjanin, 1 godina

S A D R Ž A J

1. ISTORIJA…………………………………………………………………………………………………………. 1

2. TEHNOLOGIJA DIODA.......................................................................................1

3. OSNOVNE POJAVE U POLUPROVODNIČKOJ DIODI.............................................

2

4. FIZIČKO OBJAŠNJENJE POLUPROVODNIČKOG PONAŠANJA DIODE.....................4

5. TIPOVI POLUPROVODNIČKIH DIODA................................................................. 6

5.1. P-N dioda……………………………………………………………………………………………………….. 6

5.1.1

.Karakteristike diode……………………………………………………………………………………….. 7

5.1.2

.Modeli diode………………………………………………………………………………………………….. 11

5.1.3

.Otpornosti diode……………………………………………………………………………………………. 13

5.1.4

.Dioda kao upravljač……………………………………………………………………………………….. 14

5.2. Diode obogaćene zlatom………………………………………………………………………………… 15

5.3. Zener diode……………………………………………………………………………………………………. 15

5.4. Diode sa lavinskim efektom………………………………………………………………………….… 17

5.5. Dioda za potiskivanje prolaza napona……………………………………………………………. 17

5.6. Svetleća dioda (LED)………………………………………………………………………………………. 17

5.7. Foto dioda……………………………………………………………………………………………………… 18

5.8. Laserska dioda.................................................................................................. 18

1. ISTORIJA

Vakumske i kristalne diode su otkrivene skoro u isto vreme. Princip rada termojonske diode je otkrio Frederik Gutri 1873. godine. 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, za šta je priznat patent 1883. godine. Braun je patentirao kristalni ispravljač 1899. godine. Prvi radio prijemnik koji koristi kristalni ispravljač je napravio 1900. godine Pikar.

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, a patentirao je novembra 1905. godine.

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

2. TEHNOLOGIJA DIODA

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 vakum do druge (pozitivne, hladne) elektrode predstavlja protok električne struje. Usijana elektroda, izvor elektrona, se naziva anoda, a hladna se zove katoda. Neuporedivo manje elektrona može ići u suprotnom smeru, čak i ako je katoda negativno naelektrisana, jer ne postoji termojonska emisija elektrona koja se izaziva usijavanjem.

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

Mada se vakumske cevi, diode, koriste još u par specijalizovanih primena, većina savremenih dioda je zasnovana na poluprovodničkim p-n spojevima. Kod poluprovodničkih dioda struja teče od p-strane (anoda) ka n-strani (katoda), isto kao i kod vakumske cevi ali ne i u suprotnom smeru. 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.

3. OSNOVNE POJAVE U POLUPROVODNIČKOJ DIODI

Osnovna osobina p-n spoja, koji nastaje formiranjem p i n područja na istoj pločici poluprovodničkog materijala, je njegovo ispravljačko djelovanje. Kada se formira kontakt materijala p i n tipa, odnosno pn spoj, dolazi do prelaza slobodnih većinskih nosilaca preko spoja u drugu oblast. Prelaskom elektrona sa n strane na p stranu ostaju na n strani pozitivni joni. Takođe prelaskom šupljina sa p strane na n stranu ostaju u p području negativni joni. Pošto na n-strani ima mnogo više elektrona, oni difuzijom prelaze na p-stranu. Na p-strani je dospjeli elektron okružen sa šuplinama uslijed čega dolazi do rekombinacije. Kao posljedica difuzije i rekombinacije, dolazi do stvaranja, neposredno uz fizički p-n spoj, oblasti sa nekompezovanim donorskim i akceptorskim jonima, koja se naziva oblast prostornog naelektrisanja ili prostornog tovara.

Potencijalna barijera ili sloj prostornog naboja uspostavlja se na samom tehnološkom spoju p i n poluprovodnika. Ta oblast se naziva osiromašena oblast ili oblast prostornog naboja jer u njoj nema slobodnih nosilaca elektriciteta. U blizini spoja ostaju samo nepokretni naelektrisani atomi čije se električno polje suprostavlja daljem protoku nosilaca elektriciteta. Zbog postojanja različitih koncentracija primjesa na lijevoj i desnoj strani od granične ravni tada u trenutku zamišljenog uspostavljanja kontakta dolazi do difuzionog kretanja nosilaca sa mjesta više koncentracije prema mjestu niže koncentracije. Formirana oblast stvara unutrašnje električno polje Eu čiji je smjer takav da teži da zaustavi proces difuzije.

U ravnotežnom stanju, kada p-n spoj nije priključen na vanjski napon ukupna struja u kolu mora biti jednaka nuli što znači da je difuziona struja uravnotežena komponente struje uslijed električnog polja.

Ako se na krajeve p-n spoja priključi vanjski naponski izvor sa pozitivnim polom na p stranu a negativnim polom na n stranu (direktna polarizacija) dolazi do smanjenja potencijalne barijere na spoju. Tada se stvara spoljašnje električno polje Es čiji je smjer suprotan unutrašnjem električnom polju (slika 1).

Slika 1. Direktna polarizacija pn spoja.

Pošto je električno kolo zatvoreno postoji stalna difuzija nosilaca preko spoja odnosno postoji struja kroz p-n spoj. Stalno kretanje šupljina u smeru polja i elektrona suprotno od smera polja, koje potiče od spoljnog izvora, predstavlja struju kroz p-n spoj.

U suštini najprije treba spoljni izvor da nadvlada potencijalnu barijeru u p-n spoju i tek tada počinje da teče struja. Vrijednost napona pri kome struja počinje da protiče naziva se prag provođenja p-n spoja i kod silicijuma njegova vrijednost je oko 0,6 V, a kod germanijuma je taj napon oko 0,2 V.

Ako se na p-n spoj veže naponski izvor sa pozitivnim polom vezanim na n oblast u kojoj su dominantni elektroni, a sa negativnim polom vezanim na na p oblast, gdje su dominantne šupljine, dolazi do povećanja potencijalne barijere (inverzna polarizacija) što je prikazano na Slika 2. Sada električno polje od spoljnog izvora ima isti smjer kao i unutrašnje polje, koje potiče od potencijalne barijere. Vrijednost oba polja se sabiraju. Pri takvoj polarizaciji protiče veoma mala inverzna struja zasićenja Is.

Slika 2

Ako se inverzni napon povećava tada može doći do porasta inverzne struja kroz p-n spoj. Ta struja izaziva dodatno zagrijavanje p-n spoja jer je napona na njemu visok, pa je i snaga zagrijavanja velika. Zbog dodatnog zagrijavanja povećava se broj parova elektron-šupljina, tj. dodatno se povećava inverzna struja. Ove pojave se međusobno potpomažu, pa stalno raste temperatura p-n spoja. Kada temperatura pređe dozvoljenu granicu, dolazi do razaranja p-n spoja. Tada nastupa toplotni proboj koji se uglavnom javlja kod geranijumskih dioda, jer je kod silicijumskih inverzna struja obično zanemarljivo mala. Ako nije obezbijeđeno odgovarajuće hlađenje, temperatura poluprovodnika stalno raste i dolazi do njegovog razaranja.

Druga vrsta proboja je lavinski proboj koji takođe nastaje kod inverzne polarizacije p-n spoja. Naime, kod povećanja inverznog napona slobodni elektroni se ubrzavaju u smjeru suprotnog od smjera električnog polja, koje potiče od spoljnog inverznog napona. Ubrzani elektroni udaraju u atome i predaju im energiju. Primljena energija u atomu izaziva oslobađanje više novih elektrona, koji se takođe kreću pod dejstvom istogelektričnog polja. Oslobođeni elektroni se ubrzavaju i sudaraju se sa novim atomima i proizvode još više slobodnih elektrona. Broj slobodnih elektrona stalno raste što podsjeća na lavinu. Naglo povećanje broja elektrona, koji se kreću u određenom smjeru, dovodi do naglog povećanja struje. Povećana struja može da izazove razaranje p-n spoja

4. FIZIČKO OBJAŠNJENJE POLUPROVODNIČKOG PONAŠANJA DIODE

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 ugrađen električni potencijal u oblasti prostornog tovara. Ako se dovede spoljašnji napon na kontakte diode sa istim polaritetom kao i ugrađeno električno polje, oblast prostornog tovara se i dalje ponaša kao izolator sprečavajući protok struje. Ako je, pak, spolja dovedeni napon suprotan ugrađenom 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 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 n = 1 jednačina za struju diode postaje:

gde je Vγ = 25mV (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 dioda (LED) može biti 1.4 V ili više, zavisno od struje.

5. TIPOVI POLUPROVODNIČKIH DIODA

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 stuje 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:- obična p-n dioda;- diode obogaćene zlatom;- zener dioda;- diode sa lavinskim efektom;- dioda za potiskivanje prolaza napona;- svetleća dioda (LED) ;- foto dioda;- laserksa dioda:

5.1 P-N dioda(ispravljačka dioda)

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 napona 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.

Dioda, kao p-n spoj, ima dvije elektrode. Potencijalna barijera odnosno sloj prostornog naboja kao prelazno područje nalazi se između p i n poluprovodnika s obe strane metalurške granice. Na spoju se pojavljuje mala razlika napona, koja se naziva potencijalna barijera. Veličina

potencijalne barijere zavisi od poluprovodničkog materijala i nivoa dopiranja primesama. Kod silicijuma potencijalna barijera je u granicama od 0.6 V do 0.8 V a kod germanijuma svega 0.2 V. Veličina potencijalne barijere se ne može izmeriti merenjem napona između anode i katode, jer postoje i kontaktni potencijali na spojevima metal-poluprovodnik kod priključaka diode. Difuziono kretanje većinskih nosilaca, elektrona i šupljina, potiče od različitih koncentracija nosilaca sa obe strane pn spoja i čine difuzionu struju. Uslijed električnog polja takodje postoje dvije komponente struje manjinskih nosilaca, struja elektrona i struja šupljina. U ravnotežnom stanju, kada pn spoj nije vezan u električno kolo, ukupna struja kroz pn spoj mora biti jednaka nuli pa su difuzione struje uravnotežene strujama uslijed električnog polja. Takvo ravnotežno stanje se naziva ekvilibrijum.

Osnovna osobina p-n spoja je njegovo ispravljačko djelovanje. Dioda, kao p-n spoj, ima dvije elektrode (Slika 3). Anodu čini p tip poluprovodnika dok je katoda na strani n tipa poluprovodnika.

Slika 3

5.1.1. Karakteristike diode Ako se na krajeve pn spoja veže naponski izvor sa pozitivnim polom vezanim na p oblast

dolazi do smanjenja potencijalne barijere na spoju, suženja oblasti prostornog tovara i olakšanog kretanja većinskih nosilaca preko spoja. Većinski nosioci iz n oblasti, elektroni, difuzijom prelaze u p oblast, a većinski nosioci iz p oblasti, šupljine, difuzijom prelaze u n oblast, gde dolazi do njihove rekombinacije. Dakle, pošto je električno kolo zatvoreno, postoji stalna difuzija nosilaca preko spoja, odnosno postoji struja kroz pn spoj. Manjinski nosioci takođe prelaze preko spoja uslijed električnog polja, ali je zbog njihovog znatno manjeg broja njihov doprinos ukupnoj struji zanemarljiv.

Dakle, struja kroz direktno polarisanu diodu sastoji se od dvije komponente: struje većinskih nosilaca (difuziona struja) i struje manjinskih nosilaca (struja usled električnog polja). Ako se na pn spoj veže naponski izvor sa pozitivnim polom na n oblast dolazi do povećanja potencijalne barijere na spoju, proširenja oblasti prostornog tovara i otežanog kretanja većinskih nosilaca preko spoja. Struje manjinskih nosilaca ostaju skoro nepromenjene i ona predstavljaju struju kroz spoj.

Raspodjela nosilaca elektriciteta na p i na n strani diode predstavljena je na slijedećoj slici.

Slika 4. Raspodjela nosilaca elektriciteta na p i na n strani.

Statička karakteristika poluprovodničke diode daje zavisnost struje od napona kao ID = f(VD) a oblik zavisi od vrste materijala (Slika 5).

Slika 5. Karakteristike diode zavisne od vrste materijala.

Radni napon kod silicijumske diode nalazi se u opsegu od 0,65 V do 0,75 V. Statička karakteristika poluprovodničke diode daje zavisnost struje od napona ID=f(VD) i

definisana je izrazom za struju kroz p-n spoj:

gdje je ϕT= VT temperaturni potencijal dok je Is inverzna struja zasićenja.

Na slici 6 pretstavljena je familija statičkih karakteristika diode na temperaturi T = 300 K pri vrijednostima parametra η = 1,2; 1,4 i 1,6.

Slika 6

.

Napon na diodi, pri direktnoj polarizaciji, se određuje iz relacije:

Napon praga otvaranja diode VDP, (oznake su DTDPVVVγ==), definisan je kao napon pri kome

počinje da teče struja. Ako je najmanja struja koju može izmjeriti neki instrument I0 tada se taj napon

praga definiše sa:

Kod silicijumske diode ovaj napon iznosi 0,4 V do 0,6 V dok je kod geramnijumske dioda oko 0,05 do 0,1V.

Kod niskog nivoa injektiranja – malih struja korekcioni faktor iznosi η=2. Na slici 7 predstavljena je karakteristika realne i idelane diode pri širokom opsegu vrijednosti struje. (Na ordinati je logaritamska razmjera).

Slika7. Statičke karakteristike diode u funkciji parametra η

Struja kroz diodu, pri direktnoj polarizaciji, počinje da teče pri naponu praga otvaranja VDT =VDP koji kod germanijumske diode iznosi oko 0,2 V a za silicijumsku diodu od 0,5 V do 0,6 V.

Struja inverzno polarizovanog p-n spoja je reda nA ili pA (Slika 8).

Slika 8. Invezna struja pri inverznoj polarizaciji p-n spoja.

Pri inverznoj polarizaciji napon između p i n strane je negativan. Karakteritika se tada crta u trećem kvadrantu. U okolini koordinatnog početka pri malim vrijednostima napona inverzne polarizacije (0,1V do 0,2 V) inverzna struja počinje da raste. Daljim povećavanjem inverznog napona inverzna struja ima blagi porast.

5.1 .2. MODELI diode

Model diode predstavlja se linearnim ekvivalentnim kolom kojim se zamjenjuje dioda između anode A i katode K. Takva ekvivalentna šema sadrži izvor napona koji odgovara naponu praga otvaranja diode VDT =Vγ = VDP, te diferencijalnu otpornost rd. Električni model kojim se realizuje ovakva

karakteristika prikazan je na slici 9. U model je uključena i idealna dioda Di da bi se obezbjedilo da

struja teče samo pri direktnoj polarizaciji diode.

Slika 9. Model diode.

Linearizovana karakteristika diode dobija se tako što se na realnu karakteristiku u radnoj tački postavlja tangenta (slika 10)

Slika 10. Određivanje radne tačke diodnog kola i linearizacija karakteristike diode

Pri tome, nagib tangente određuje diferencijalnu otpornost rd dok presjek tangente sa

apscisnom osom daje napon VDTi koji je približno jednak naponu praga otvaranja diode VDT.

Izlomljeno linearni model diode je zasnovan na jednostavnoj linearizaciji nelinearne karakteristike diode i to u okolini radne tačke (slika 10). Na slici 10 data je statička karakteristika diode pri T = 300 K gdje se u presjeku sa statičkim radnim pravcem nalazi radna tačka Q određena naponom VD = 0,2

V i strujom kroz diodu ID = 2,2 mA.

Kada se izvrši linarizacija strujno-naponska karakteristika dobija se karakteristika idealizovane dioda koja prelazi u karakteristiku idealne diode kada se potpuno zanemari otpornost rd =0.

Idealna dioda predstavlja najjednostavniji model diode. Ako je dioda direktno polarisana, uzima se da je napon na njoj nula. Ako je dioda inverzno polarisana uzima se da je struja kroz nju nula. Dakle, direktno polarisana dioda približno odgovara kratkom spoju, dok inverzno polarisana dioda predstavlja otvorenu vezu. Napon praga otvaranja je tada takođe jednak nuli.

Slika 11. Karakteristika idealne diode

Realna dioda ima ukupnu otpornost između anode i katode povećanu za otpornost osnove koja obično iznosi Rs = 10 Ω do Rs = 100 Ω tako da je RD = rd + Rs. Pri većim strujama smanjuje se

uticaj diferencijalne otpornosti rd pa Rs postaje dominatnija veličina što se ogleda na strujno-

naponsku karakteristiku. Karakteristika takve realne diode može se opisati serijskom vezom p-n spoja i otpornika otpornosti Rs. Tada je napon takve realne diode:

Grafički oblik statičke karakteristike ekvivalentne diode dobija se tako da se pri jednoj odabranoj vrijednosti struje vrši sabiranje vrijednosti napona na otporniku i vrijednosti napona p-n spoja. Postupak se ponavlja u više tačaka pravca koji predstavlja statičku karakteristiku otpornika Rs i pripadajućih tačaka statičke karaktersitike p-n spoja. Spajanjem dobijenih tačaka dobija se karakteristika ekvivalentne diode. Na slika 12 dat je primjer za germanijumsku diodu.

Slika 12. Određivanje karakteristike ekvivaletne Ge diode.

5.1.3. OTPORNOSTI diode

Otpornost diode za jednosmjernu struju (statička otpornost diode) definiše se količnikom napona i struje u radnoj tački diode:

RD= VD /ID. RD = VDQ / IDQ .

Diferencijalna otpornost diode definiše se i određuje kao:

5.1.4. Dioda kao upravljač

Poluvalni ispravljač je sklop koji se služi za propuštanje samo jedne poluperiode izmjeničnog napona. Tipičan predstavnik poluvalnih ispravljača ja samo jedna dioda spojena serijski s trošilom. Budući da propušta samo jednu poluperiodu ulaznog izmjeničnog napona, učinkovitost ovakvog sklopa je manje od 50%.

Punovalni ispravljač može biti realiziran s dvije diode i transformatorom s dva sekundarna namotaja. Prilikom pozitivne poluperiode, na gornjem namotu je također pozitivna poluperioda, pa vodi dioda D1, dok u drugom slučaju, kada je negativna poluperioda, voditi će dioda D2. Tako se osigurava punovalno ispravljanje izmjeničnog napona.

Ukoliko mrežni transformator nema dva sekundarna namotaja, odnosno srednji izvod na sekundarnom namotaju, tada se redovito koriste četiri ispravljačke diode u Graetzovom spoju, gdje uvijek vode dvije diode. Poluvodičke diode, odn. Graetzov ispravljač u spoju ispravljača mora imati odgovarajuće karakteristike kako u pogledu probojnog napona, tako i u pogledu maksimalne opteretivosti.

5.2 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.

5.3 Zener 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.

Budući radno područje Zener diode predstavljaju negativni iznosi napona i struje, za Zener diodu se pretpostavljaju suprotni referentni polariteti i smjerovi napona i struja. Slika 13 prikazuje simbol Zener diode i njezinu naponsko-strujnu karakteristiku. Napon kod kojega dolazi do potrebnog ponašanja diode naziva se Zener-ovim naponom, UZ, i njime je postavljen prag karakteristike.

Slika 13. Simbol i naponsko-strujna karakteristika Zener diode

Zener-ova dioda nalazi primjenu u krugovima za održavanje stalnih iznosa napona. Primjer primjene Zener diode prikazuje slika 14.

Slika 14. Naponski regulator s Zener diodom

Krug je moguće analizirati na više načina. U analizi koja slijedi naglašava se primjena Zener diode. Pretpostavlja se da je dioda idealna, tj. da strujama koje teku kroz diodu u opsegu od IZ,min do IZ,max odgovara stalni iznos napona UZ. Uz napon izvora Ug koji se mijenja u rasponu od Ug,min do Ug,max regulator na slici 14 teži održati stalni pad napona iznosa UZ na otporniku RT čak i u slučaju promjene otpora trošila RT. To je moguće postići ako se Zener-ova struja uvijek nalazi unutar dozvoljenih krajnjih granica IZ,min i IZ,max. Do najvećeg iznosa struje kroz diodu dolazi kada trošilo nije priključeno, a napon izvora poprima najveću vrijednost, tj.

Najmanja struja teče kroz diodu kada je struja u grani trošila najvećeg iznosa, a napon izvora najmanji, tj.

 

a to zahtjeva da je

Zener diode se izrađuju s zener-ovim naponima od nekoliko volti do nekoliko stotina volti i snagama do nekoliko desetaka vata. Krivulja u Zener-ovom područje realnih dioda nije potpuno usporedna s osi struje, već postoji konačni pozitivni nagib. U zadanoj radnoj točki recipročna vrijednost nagiba se naziva dinamičkim otporom, RZ

(izraz 1)

Iznos otpora RZ se mijenja promjenom radne točke. Uz visoke iznose struje RZ iznosi samo nekoliko ohm-a. Uz niske iznose struje, RZ iznosi nekoliko stotina ohm-a. Približavanjem struje koljenu diode, RZ, postaje vrlo velikim.

Izraz 1 označava da mala promjena struje ( ) oko početne radne točke odgovara promjeni napona na diodi ( ), odnosno

(izraz 2)

Promjena napona u je u izravnom odnosu sa sposobnošću održavanja stalnog napona praktično upotrebljive diode.

Korisni nadomjesni krug Zener diode predstavljaju naponski izvor napona UZ i otpora RZ. Model dobro opisuje ponašanje Zener diode u području proboja za struje bliske radnoj vrijednosti utvrđenoj izrazom (izraz 2) za otpor RZ.

5.4 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.

5.5 Dioda za potiskivanje prolaza napona

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.

5.6 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. Napon potencijalne barijere dioda određuje boju svetlosti. Različiti materijali ili neuobičajeni poluprovodnici se koriste u tu svrhu. 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.

5.7 Foto dioda

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.

5.8 Laserske diode

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).

LITERATURA

Sav materijal je nađen na globalnoj mreži – internetu od nepozatih izvora.