Диод

Диодът е нашето първо полупроводниково устройство и то е много важно. Всяко друго полупроводниково устройство е изградено от комбинация от диоди. Това тук е снимка на диод, който можеш да купиш. Това е малка стъклена "опаковка" и това разстояние тук е около четири милиметра. Вътре има малък силициев чип, който е изработен като диод. Въпросът е какво е диод. Диодът е нещо, което провежда ток в едната посока и не провежда ток в другата посока. Символът, който използваме за диод, изглежда ето така. (чертае) Тук има голяма стрелка, която сочи в посоката, в която протича ток. Един начин да разберем как работи един диод е чрез волт-амперната му характеристика (или IV-диаграма). Ще начертая волт-амперната характеристика на един диод. Ако това е идеален диод, направен по някаква неизвестна технология, то тогава тук в обратната посока – ако напрежението между краищата на диода беше отрицателно, ще отбележим напрежението насам, ако напрежението между краищата на диода беше отрицателно, тоест, този извод е с по-високо напрежение от този извод, щеше да протича нула ток. После при всяко положително напрежение диодът ще изглежда като проводник. Наричаме това диод с идеална волт-амперна характеристика. Когато изграждаме реални диоди всъщност не стигаме точно до перфектното поведение. Ако диодът е направен от силиций, ще наблюдаваме поведение съгласно модел №1. Силициевият диод не провежда ток, докато не се появи леко положително напрежение, а после токът ще се покачи ето така, като това напрежение тук е около 0,6 волта. За много прости вериги, които изграждаме, това е доста удобна волт-амперна характеристика на диод. Да си припомним, че при волт-амперната характеристика на резисторите кривата на тока и напрежението на резистори изглежда ето така – тя е права, която преминава през нула и има постоянен наклон, така че диодът е наистина различен елемент, нелинеен уред, както можем да видим от графиката. Ще се преместя и ще покажа следващия вид волт-амперна характеристика, за която ще говорим най-много. Това е волт-амперната характеристика на диода, който използваме най-често, ще го означа като номер две. Този модел се използва при симулиране на вериги или симулиране на диоди, за което ще говорим по-нататък. Ако ти дам един диод, ето така, и те попитам каква е неговата волт-амперна характеристика, тогава ще намеря някакъв вид кутия, която осигурява напрежение, захранване, и може да се регулира, а после също ще имам някакъв уред, който измерва тока. Това е амперметър, а това е захранването. И го свързваме ето така. Ще получим тази крива на тока и напрежението, като направим реални измервания на I и V. Първо поставям напрежението да е нула, това ми дава тази точка тук. Надявам се, че измервам ток от нула, иначе това би генерирало мощност, което няма да направи. След това леко увеличавам напрежението и забелязвам, че няма ток, няма ток, когато е при 0,1 волта или при 0,2 волта. Когато напрежението стигне до около 0,6 волта – ето това тук е напрежението на диода, това VD, когато напрежението на диода е около 0,6 волта, забелязвам, че токът се покачва. Стига до 5 милиампера и после малко по-нависоко, до десет милиампера, като мога да поставя тези точки в тази част от кривата. Обратно тук – ако променя напрежението в другата посока, това означава, че се движа в тази посока на оста на напрежението, амперметърът ми ще отчете нула милиампера. Нула, нула, нула, нула, нула. Всички тези показания са в тази част на правата тук. Ако направя това напрежение много, много отрицателно, да кажем, -50 волта, това е тази точка тук, виждам рязко увеличаване на тока, ето така, тук и продължава. Това се нарича разпад. При силициевите диоди -50 волта е типичната стойност за това. Тази графика тук показва разпад, това е -1 волт, -2 волта, а после стигаме чак до -50 волта и тук имаме разпад. В повечето случаи, когато използваме диоди, ги използваме при напрежение между + или -1 волт между изводите на диода. Така узнаваме каква е IV-характеристика на един диод. И можем... за тази част от кривата тук, за тази част от кривата... мога да моделирам това с уравнение. Уравнението изглежда ето така. Това е IV уравнението за диод, това е като закона на Ом за диод. I е равно на Is, това е токът, то е^q, това е зарядът на един електрон, по V на диода, това е напрежението на диода, делено на kT - 1. k е константата на Болцман, а Т е температурата на уреда, измерена в келвини. Това уравнение описва тази част от кривата за реален диод, това е напасваща се крива. Ще разгледаме тези константи една по една. Is е нарича ток на насищане. Ток на насищане. За силиция той е от порядъка на около 10^-12 ампера, което е един пикоампер – толкова е Is. q е зарядът на един електрон, равно е на 1,602*10-19 кулона. Vd е напрежението между краищата на диода. k е константата на Болцман и е равна на 1,38 по 10^-23 джаула на келвин. Последната променлива е Т, а това е температурата и се измерва в келвини, К. Келвин е скалата за абсолютната температура, така че нула келвина са равни на -273 градуса по Целзий. Много, много студено. Това тук е уравнението на диода, това е IV уравнението на диода. Това е показателно уравнение, има експоненциален член, но когато погледнем кривата, тя не изглежда като експоненциална крива. Но това е само трик с мащаба на този чертеж, така че сега ще увелича и ще погледнем много отблизо тази начална точка, ще видим какво е влиянието на този експоненциален член, и ще видим какво е значението на Is. I равно на Is по (е на степен (qV/kT) -1). Тук гледаме от много близко областта около началната точка от кривата на диода. Скалата за напрежението е с увеличение около 10 пъти, това е 1/10-та от един волт напред през диода. И скалата на тока е супер увеличена, това сега е в пикоампери, това е 10^-12 ампера, вместо 10^-3. Както виждаш сега, това повече прилича на експоненциална крива. Тук има малко изкривяване, има малък ток в обратна посока, когато напрежението е отрицателно. И това количество тук, това е Is, (означава го на диаграмата) течащ в отрицателната посока в диода. Ако разгледаме уравнението на диода и поставим V да е отрицателно, този член тук в уравнението на диода (подчертава го) става много, много по-малък от единица. Остава Is по 1, което виждаме ето тук (отляво). Това е много малък ток, както можеш да видиш от скалата тук, той е в ниската област на пикоамперите. Почти винаги можеш да игнорираш този ток и да приемеш, че е нула. Когато използваме диод в една верига, по-нататък ще видим как решаваме вериги, които включват такива нелинейни диоди.