Δίοδος

Στην ηλεκτρονική, η δίοδος είναι ένα στοιχείο που περιορίζει τη κατευθυντήρια ροή των φορέων αγωγιμότητας (charge carriers). Ουσιαστικά, η δίοδος επιτρέπει στο ηλεκτρικό ρεύμα να περάσει από τη μια κατεύθυνση, αλλά μπλοκάρει την κίνηση από την αντίθετη κατεύθυνση. Έτσι, η δίοδος μπορεί να θεωρηθεί ως μια ηλεκτρονική εκδοχή της βαλβίδας, η οποία, για παράδειγμα, σε ένα σωλήνα νερού, δεν επιτρέπει ροή αντίθετη από την επιθυμητή. Οπότε, τα κυκλώματα που απαιτούν ροή προς μία μόνο κατεύθυνση περιλαμβάνουν μία ή περισσότερες διόδους στη σχεδίαση του κυκλώματος. Οι πρώτες δίοδοι περιλάμβαναν κρυστάλλους cat’s whisker και λυχνίες κενού. Σήμερα, οι περισσότερες δίοδοι είναι κατασκευασμένες από υλικά ημιαγωγών όπως πυρίτιο ή γερμάνιο.

 Οι θερμιονικές και στερεής κατάστασης δίοδοι αναπτύχθηκαν ταυτόχρονα. Η αρχή της λειτουργίας των θερμιονικών διόδων ανακαλύφθηκε από τον Frederick Guthrie το 1873. Η αρχή της λειτουργίας των κρυσταλλικών διόδων ανακαλύφθηκε το 1874 από το Γερμανό επιστήμονα Karl Ferdinand Braun.Οι αρχές της θερμιονικής διόδου ξαναανακαλύφθηκαν από τον Τόμας Έντισον (Thomas A. Edison) στις 13 Φεβρουαρίου το 1880 και απέκτησε την πατέντα το 1883, αλλά δεν ανέπτυξε περισσότερο την ιδέα. Ο Μπράουν πατεντάρισε τον κρυσταλλικό ανορθωτή το 1899.[1] Η ανακάλυψη του Μπράουν εξελίχθηκε περαιτέρω σε μια χρήσιμη συσκευή ανίχνευσης των ραδιοκυμάτων από τον Σερ Jagdish Bose. Ο πρώτος ραδιοδέκτης που χρησιμοποιούσε κρυσταλλική δίοδο κατασκευάστηκε γύρω στο 1900 από τον Greenleaf Whittier Pickard. Η πρώτη θερμιονική δίοδος πατενταρίστηκε στη Μεγάλη Βρετανία από τον John Ambrose Fleming (επιστημονικός συνεργάτης της εταιρείας Marconi και πρώην υπάλληλος του Έντισον[2]) στις 16 Νοεμβρίου 1904. Ο Pickard πήρε μια πατέντα για ένα κρυσταλλικό ανιχνευτη από πυρίτιο στις 20 Νοεμβρίου 1906.[3] Όταν κατασκευάστηκαν αυτές οι συσκευές ήταν γνωστές ως ανορθωτές. Το 1919 ο William Henry Eccles επινόησε τον όρο δίοδος που έχει ελληνικές ρίζες: το δι σημαίνει δύο και οδός σημαίνει μονοπάτι. Οι θερμιονικές δίοδοι είναι θερμιονικές βαλβίδες (γνωστές και ως λυχνίες κενού), οι οποίες είναι διατάξεις ηλεκτροδίων που βρίσκονται μέσα σε αεροστεγή γυάλινο σωλήνα και είναι παρόμοιες σε εμφάνιση με τους κοινούς λαμπτήρες πυρακτώσεως. Στις θερμιονικές διόδους, ηλεκτρικό ρεύμα περνά μέσα από το νήμα πυρακτώσεως. Αυτό θερμαίνει έμμεσα την κάθοδο, η οποία είναι ένα άλλο νήμα το όποιο είναι μίγμα από βάριο και οξείδια του στροντίου, τα οποία είναι οξείδια αλκαλικών γαιών. Αυτά τα συστατικά επιλέγονται επειδή έχουν μικρό έργο εξαγωγής. (Κάποιες λυχνίες χρησιμοποιούν απευθείας θέρμανση, στην οποία το ρεύμα περνάει μέσα από την ίδια την κάθοδο). Η θέρμανση προκαλεί θερμιονική εκπομπή ηλεκτρονίων μέσα στο κενό του σωλήνα. Στην ευθύ λειτουργία, ένα μεταλλικό ηλεκτρόδιο που ονομάζεται άνοδος, φορτίζεται θετικά έτσι ώστε να έλξει ηλεκτροστατικά τα εκπεμπόμενα ηλεκτρόνια. Παρόλ’ αυτά, τα ηλεκτρόνια δεν αφήνονται εύκολα από την επιφάνεια της μη θερμής ανόδου όταν η πολικότητα της τάσης αντιστραφεί και επομένως οποιαδήποτε αντίστροφη ροή έχει πολύ μικρή ένταση. Στο μεγαλύτερο μέρος του 20ου αιώνα οι θερμιονικές δίοδοι χρησιμοποιήθηκαν σε αναλογικές εφαρμογές σήματος καθώς και ως ανορθωτές σε παροχείς ενέργειας. Σήμερα, οι θερμιονικές δίοδοι χρησιμοποιούνται μόνο σε εφαρμογές όπως ανορθωτές σε κιθάρες και hi-fi ενισχυτές και σε ειδικά εξαρτήματα υψηλής τάσης. Οι περισσότερες σύγχρονες δίοδοι βασίζονται στον ημιαγωγό p-n επαφών. Σε μια p-n δίοδο, συμβατικό ρεύμα μπορεί να ρέει από τη μεριά τύπου p (η άνοδος) στην άλλη μεριά τύπου n (η κάθοδος), αλλά δεν μπορεί να ρέει κατά την αντίθετη κατεύθυνση. Ένας άλλος τύπος διόδου ημιαγωγών, η δίοδος Schottky, σχηματίζεται από την επαφή μεταξύ ενός μετάλλου και ενός ημιαγωγού παρά από μια επαφή p-n. Η χαρακτηριστική καμπύλη ρεύματος-τάσης ή I-V μιας διόδου ημιαγωγού αποδίδεται στη συμπεριφορά της περιοχής κατάρρευσης η οποία υπάρχει στην επαφή p-n μεταξύ των διαφορετικών ημιαγωγών. Όταν αρχικά δημιουργήθηκε η επαφή p-n, ηλεκτρόνια της ζώνης αγωγιμότητας (conduction band) της νοθευμένης-Ν (N-doped) περιοχής διαχέονται στη νοθευμένη-P (P-doped) περιοχή όπου υπάρχει ένας μεγάλος αριθμός από οπές (μέρη για τα ηλεκτρόνια στα οποία δεν βρίσκεται κανένα ηλεκτρόνιο) με τις οποίες τα ηλεκτρόνια ανασυνδυάζονται. Όταν ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο συνδυάζεται με μια οπή, η οπή εξαφανίζεται και το ηλεκτρόνιο παύει να είναι ελεύθερο. Επομένως δυο φορείς αγωγιμότητας εξαφανίστηκαν. Η περιοχή γύρω από την επαφή p-n ελλατώνεται από φορείς αγωγιμότητας και επομένως λειτουργεί ως μονωτής. Παρόλ’αυτά, το πλάτος κατάρρευσης (depletion width) δεν μπορεί να μεγαλώσει απεριόριστα. Για κάθε ζεύγος ηλεκτρονίο-οπής που ανασυνδυάζονται, ένα θετικά φορτισμένο ‘νοθευμένο’ (dopant) ιόν αφήνεται πίσω στη νοθευμένη-Ν περιοχή και ένα αρνητικά φορτισμένο ‘νοθευμένο’ ιόν αφήνεται στη νοθευμένη-P (P-doped) περιοχή. Καθώς προχωράνε οι ανασυνδυασμοί και περισσότερα ιόντα δημιουργούνται, δημιουργείται ένα αυξανόμενο ηλεκτρικό πεδίο στη ζώνη κατάρρευσης το οποίο επιδρά στην επιβράδυνση και τελικά στη διακοπή των ανασυνδυασμών. Σε αυτό το σημείο, υπάρχει μια ενσωματωμένη διαφορά δυναμικού στην ζώνη κατάρρευσης. Αν μια εξωτερική τάση εφαρμοστεί στη δίοδο με την ίδια πολικότητα με την ενσωματωμένη διαφορά δυναμικού, η ζώνη κατάρρευσης συνεχίζει να λειτουργεί ως μονωτής εμποδίζοντας τη διέλευση σημαντικής ποσότητας ηλεκτρικού ρεύματος. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται ανάστροφη πόλωση. Αντίθετα, αν η πολικότητα της εξωτερικής τάσης είναι αντίθετη με την ενσωματωμένη διαφορά δυναμικού, θα συνεχίσουν οι ανασυνδυασμοί με αποτέλεσμα να έχουμε διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος μέσω της επαφής p-n. Για τις διόδους από πυρίτιο, η εσωτερική τάση είναι περίπου ίση με 0.6 V. Επομένως, αν ένα εξωτερικό ρεύμα περάσει από τη δίοδο, θα δημιουργηθεί στη δίοδο μια τάση περίπου 0.6 V έτσι ώστε η νοθευμένη-P περιοχή να είναι θετική σε σχέση με τη νοθευμένη-Ν περιοχή και η δίοδος χαρακτηρίζεται ως ανοικτή, αφού έχει ορθή πόλωση. Η χαρακτηριστική καμπύλη I-V της διόδου μπορεί να προσεγγιστεί από δυο περιοχές λειτουργίας. Αν η τάση ανάμεσα στα δύο άκρα(leads) είναι κάτω από μια συγκεκριμένη τιμή, η ζώνη κατάρρευσης έχει σημαντικό πλάτος και η δίοδος μπορεί να θεωρηθεί ως ένα ανοικτό(μη αγώγιμο) κύκλωμα. Όσο η τάση αυξάνεται, σε κάποιο σημείο η δίοδος θα γίνει αγώγιμη και θα επιτρέψει τη διαρροή του ηλεκτρικού ρεύματος, και μπορεί να θεωρηθεί ως μια σύνδεση με μηδενική (ή τουλάχιστον πολύ μικρή) αντίσταση. Σε μια κανονική δίοδο από πυρίτιο, η πτώση τάσης σε μια αγώγιμη δίοδο είναι περίπου 0.6 με 0.7 volts. Η τιμή αυτή είναι διαφορετική για άλλους τύπους δίοδων – για τις διόδους Schottky μπορεί να είναι 0.2 V και για τις διόδους εκπομπής φωτός (LEDs) μπορεί να είναι 1.4 V ή μεγαλύτερη (στα γαλάζια LEDs μπορεί να φτάνει και τα 4.0 V). Σχετικά με το διάγραμμα της χαρακτηριστικής καμπύλης I-V, στην περιοχή ανάστροφης πόλωσης για μια κανονική ανορθωτική δίοδο P-Ν, το ρεύμα μέσω της συσκευής είναι πολύ μικρό (της τάξεως των μΑ) για όλες τις ανάστροφες τάσεις μέχρι ένα σημείο που ονομάζεται Κορυφή Ανάστροφης Τάσης (PIV). Μετά από αυτό το σημείο, συμβαίνει μια διαδικασία που ονομάζεται αντίστροφη κατάρρευση η οποία προκαλεί βλάβες στη συσκευή με ταυτόχρονη μεγάλη αύξηση στο ηλεκτρικό ρεύμα. Για ειδικές περιπτώσεις διόδων όπως η avalanche ή οι δίοδοι zener, η αρχή της Κορυφής Ανάστροφης Τάσης δεν είναι εφαρμόσιμη αφού έχουν μια εσκεμμένη κατάρρευση μετά από ένα γνωστό αντίστροφο ρεύμα έτσι ώστε η αντίστροφη τάση να φτάσει σε μια γνωστή τιμή (η οποία ονομάζεται τάση zener ή τάση κατάρρευσης). Αυτές οι συσκευές όμως έχουν ένα ανώτατο όριο στο ρεύμα και στην ισχύ στην περιοχή zener ή avalanche. Η ισότητα Shockley της ιδεατής διόδου ή ο νόμος της διόδου the diode law (που ονομάστηκε από τον συνεφευρέτη του τρανζίστορ William Bradford Shockley) είναι η χαρακτηριστική I-V characteristic μιας ιδανικής διόδου είτε σε ορθή είτε σε ανάστροφη πόλωση. Προκύπτει από την παραδοχή ότι οι μόνες διαδικασίες που προκαλούν ρεύμα σε μια δίοδο είναι η μετακίνηση(drift) (λόγω του ηλεκτρικού πεδίου), η διάδοση και ο θερμικός ανασυνδυασμός-παραγωγή. Επίσης θεωρεί ότι το ρεύμα του ανασυνδυασμού-παραγωγής (recombination-generation R-G) στο πεδίο κατάρρευσης είναι αμελητέο. Αυτό σημαίνει ότι η εξίσωση του Shockley δεν ισχύει για τις διαδικασίες που σχετίζονται με την αντίστροφη κατάρρευση και την φωτονιακή-βοηθούμενη R-G. Επιπρόσθετα, δεν περιγράφει την «πτώση επιπέδου» της καμπύλης I-V στην υψηλή ορθή πόλωση εξαιτίας της εσωτερικής αντίστασης, ούτε εξηγεί την πρακτική απόκλιση από την ιδανική στην περίπτωση της πολύ μικρής ορθής πόλωσης εξαιτίας του ρεύματος R-G στην περιοχή κατάρρευσης, I = I S ( e V D / ( n V T ) − 1 ) , {\displaystyle I=I_{\mathrm {S} }\left(e^{V_{\mathrm {D} }/(nV_{\mathrm {T} })}-1\right),\,} όπου I είναι το ρεύμα της διόδου, IS είναι ένα παράγοντας κλίμακας που ονομάζεται ρεύμα κορεσμού, VD είναι η τάση της διόδου, VT είναι η θερμική τάση, και n είναι ο παράγοντας εκπομπής, γνωστός και ως ιδεατός παράγοντας.Ο παράγοντας εκπομπής n διαφέρει από 1 μέχρι 2 ανάλογα με τη διαδικασία κατασκευής και το υλικό του ημιαγωγού και σε πολλές περιπτώσεις θεωρείται ότι είναι ίσο περίπου 1 (οπότε παραλείπεται. Η θερμική τάση VT είναι περίπου 25.7 mV σε θερμοκρασία δωματίου(25 °C ή 298 K) και θεωρείται ως μια γνωστή σταθερά. Ορίζεται ως: V T = k T q , {\displaystyle V_{\mathrm {T} }={\frac {kT}{q}},} όπου q είναι το μέτρο του φορτίου ενός ηλεκτρονίου, k είναι η σταθερά του Boltzmann, T είναι η απόλυτη θερμοκρασία της επαφής p-n. Υπάρχουν πολλοί τύποι διόδων ημιαγωγών, που είτε τονίζουν κάποια διαφορετικά φυσικά στοιχεία μιας διόδου συχνά με κλιμάκωση της γεωμετρίας και του επιπέδου νόθευσης, επιλέγοντας τα κατάλληλα ηλεκτρόδια, ή είναι τελείως διαφορετικές συσκευές όπως η δίοδος Gunn και laser και η JFET. Κανονικές δίοδοι (p-n) Δίοδοι διακόπτες Δίοδοι Schottkys Δίοδοι Υπερφράγματος(Super Barrier) Δίοδοι με μίγμα χρυσού Δίοδοι επαναφοράς βήματος ('step recovery') Δίοδοι επαφής σημείου Δίοδοι Cat's whisker ή κρυσταλλικοί δίοδοι Δίοδοι PIN Δίοδοι μεταβλητής χωρητικότητας Δίοδος Ζένερ Δίοδος Avalanche Φωτοδίοδοι Δίοδοι εκπομπής φωτός (LEDs) Δίοδοι Laser Δίοδοι Esaki ή δίοδοι σήραγγας Δίοδοι Gunns Δίοδοι Peltier Τρανζίστορ Thyristor ή ελεγχόμενος ανορθωτής πυριτίου TRIAC Diac Η πρώτη χρήση της διόδου ήταν η αποδιαμόρφωση των διαμορφωμένων κατά πλάτος(AM) ραδιοφωνικών εκπομπών. Συνοπτικά, ένα σήμα ΑΜ αποτελείται από θετικές και αρνητικές κορυφές που εναλλάσσονται, των οποίων το πλάτος είναι ανάλογο με το πλάτος του αρχικού ηχητικού σήματος, αλλά του οποίου η μέση τιμή είναι μηδέν. Η δίοδος (αρχικά μια κρυσταλλική δίοδος) ανορθώνει το σήμα ΑΜ, αφήνοντας ένα σήμα του οποίο η μέση τιμή είναι το επιθυμητό ηχητικό σήμα. Η μέση τιμή εξάγεται χρησιμοποιώντας ένα απλό ηλεκτρονικό φίλτρο και εισάγεται σε ένα ηχητικό transducer, ο οποίος παράγει ήχο. Οι ανορθωτές κατασκευάζονται από διόδους, οι οποίες χρησιμοποιούνται για να μετατρέψουν το εναλλασσόμενο ρεύμα (AC) σε συνεχές ρεύμα (DC). Οι δίοδοι χρησιμοποιούνται συχνά για να διοχετεύσουν καταστροφικές υψηλές τάσεις μακριά από ευαίσθητες ηλεκτρονικές συσκευές. Συνήθως, υπό κανονικές συνθήκες είναι ανάστροφης πολικότητας. Όταν η τάση αυξηθεί, η δίοδος γίνεται ορθής πολικότητας. Επίσης πολλά ολοκληρωμένα κυκλώματα χρησιμοποιούν διόδους στις επαφές σύνδεσης για να προστατεύσουν τα ευαίσθητα τραζίστορ τους από εξωτερικές υψηλές τάσεις Οι δίοδοι μπορούν να συνδυαστούν με άλλα στοιχεία για να κατασκευάσουν πύλες λογικής και ειδικά πύλες λογικού AND και λογικού OR. Μια δίοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί και ως συσκευή μέτρησης της θερμότητας, αφού η ορθή πτώση τάσης της διόδου εξαρτάται από τη θερμοκρασία. Αυτή η συσχέτιση με τη θερμοκρασία προκύπτει από τη σχέση της ιδανικής διόδου του Shockley και τυπικά είναι περίπου με -2.2 mV ανά βαθμό Κελσίου. Περιγραφή της διόδου