Түзеткіш шалаөткізгіш диод

Жасау және даму тарихы

Диодтарды дамыту бiрден екі бағытта XIX ғасырдың үшiншi ширегiнде басталды: 1873 жылы британдық ғалым Фредерик Гутри термиондық (вакуум шамды тікелей қыздыру арқылы), ал 1874 жылы германдық ғалым Карл Фердинанд Браун (қатты денелi ) кристалды диодтарды жұмыс істеу принципін ашты. 1880 жылдың 13 ақпанында Томас Эдисон термионды диодтың жұмыс істеу принципін қайта ашты және содан соң 1883 жылы патенттеген(№ 307031-шi АҚШ патентi). Дегенменде Эдисон жұмыстарын ары қарай дамытуға идея болмады. 1899 жылы германдық ғалым Карл Браун Фердинанд кристаллды түзеткiштi патенттеді.

1. Екі электродты электровакуумдық аспап немесе жартылай өткізгіштік диод, токты бір бағытта өткізетін құрал.Радиоаппаратураларда айнымалы токты түзету, модуляцияланған тербелістерді детекторлеу, жиіліктерді өзгерту, электр тізбектерін қайта қосу үшін қолданылады.

2. Екі электродты вакуумдық, газразрядты немесе шалаөткізгіш аспап; электр тогы бағытына байланысты өткізгіштігі әр түрлі болады: тура бағыттагы токтар үшін өткізгіштігі жоғары және кері бағыттағы токтар үшін — төмен. Электр және радиоэлектрондық аппараттарда айнымалы токты түзету, детекторлеу, электр тербелістерін түрлендіру, электр тізбектерін ажыратып-қосу үшін қолданылады.

Схемотехникалық кескінді электровакуумды диод: ортасындағы жылытқыш шыны лампалы — катод, шеткі жағындағы — анод. Оң жағындағы — лампалы диодтың сұлбадағы белгіленуі.
Сол жақтағы — жартылай өтізгішті диодтың қарапайым түрі. Жоғарғы және сол жақтағы — диодтың сұлбадағы шартты белгісі (ГОСТ 2.730-73 бойынша) .

Диодтың қолдануына мысал.

Диодтың қызметін қарастырайық. Бірінші мысал. Сурет 1, а көрсетілген сызбада L1 лампасы жанады, яғни диод ашық. Сурет 1,ә L1 жанбайды. Өйткені диод кері бағытта жалғанып тұр.

Сызба -1. Электр тізбегіне тура және кері бағытта қосылған диод.
Өз бетіңізбен сызба -2де көрсетілген электр сызбасында лампалардың қайсысы жанады, қайсысы сөнетін ажыратып көріңіз. Жауабын таба алмасыңыз осы жазбаның соңғы жағындағы «Электр сызбасымен жұмыс істеу тәртібі» тақырыпшасын оқып көріңіз.

Сызба -2. Электр сызбаның тізбегіндегі диодтардың қосылуына мысал.

Диодтарды айнымалы электр тоғын тұрақты тоқ көзіне түрлендіру үшін, радиоқабылдағышта детектор ретінде жұмыс істейді. Диодтар электроникада кеңінен қолданатын деталь.

Диодтық матрица.

Электронды есептеуіш техникасының жұмысының негізінде екілік санақ жүйесі қолданылады. Қалайша кәдімгі сандарымыз «1», «5», «7» екілік санға ауысады. Әрине автоматты түрде. Ондай автомат «ондық-екілік шифратор» атымен белгілі. Екілік сандар 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111 келесі ондық сандарға пара –пар келеді 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7.
Мысалы «5»-ші айырып — қосылғыш қана қосылуы тұрса «5» санына сәйкес келетін «101» екілік санына сәйкес L1, L3 лампалары жанады «1» — бейнелеп, L2 лампасы сөніп тұрады «0» бейнесіне сәйкес.

Сызба -3. Ондық-екілік шифратор. Әр мезетте тек бір ғана айырып-қосқыш қосылып тұрады. Соған сәйкес L1, L2, L3 лампалары жанады.

Электр сызбасымен жұмыс істеу тәртібі.

Электр сызбалар радио детальдердің бір – бірімен қалай байланысатынын көрсетеді. Детальдердің байланысы қосылыстар арқылы орнатылады. Қосылыстар тізбектей, параллель болуы мүмкін. Қосылыстар арасындағы электр өткізгішке жанынан басқа электр өткізгіш түйісуі мүмкін, оны «қосылыс» дейміз. Электр өткізгіштер деп электр тоғын жақсы өткізетін заттарды айтамыз. Ондай заттар қорғанысы бар «электр сымы» ретінде жиі кездесеміз.
Радио детальдер шартты түрде белгіленеді:
а) тұрақты электр тоғының көзі; ә) диод; б) қыздыру қылы бар лампа.

Сурет -1. Шартты белгілеулер.
Радиодетальдар сызбада бір –бірінен ажырату үшін шартты белгінің қасында латын алфавитінің бас әрібі қойылады. Кейде қысқартулар қойылады. Яғни бірнеше әріптен тұратын белгілеулер. Бір әріпті: R –кедергі, L –электр лампасы, D -диод. Бірнеше әріпті: GB –тұрақты электр қорек көзі, SB –электр тізбегін «тумблер» типті айырып-қосқыш. Сызбадағы саны бойынша қасына реттік сандар қойылады.
Электр сызбамен жұмыс істеу реті келесідей. Шартты түрде электр тоғы оң жақтан сол жаққа қарай жүреді деп қарастырамыз. Сурет 2, а көрсетілген сызбада L1 лампасына екі жақтан бірдей электр тоғы келгендіктен жанған жоқ. Сурет 2,ә энергия көзінің (батареядан) оң жақтағы электрондары сол жаққа айналып барып қайтқандықтан электр тоғы пайда болады. Электр лапасының қылының кедергісі жоғары болғандықтан оның бойымен электрондар жүргеннен қызып жанады.

Сурет -2. Қарапайым электр тізбегі электр сызбасы ретінде көрсетілген. а) электр тоғының шартты түрде жүруі дұрыс көрсетілмеген. ә) шартты түрде электр бағыты дұрыс көрсетілген.
Электротехника көзқарасынан сурет 2, а электр тоғының оң және теріс зарядтары электр лампасында кездескендіктен жанады деп ойлау қате.

Жартылай (шала) өткізді диодтың жұмысының физикалық негізі.

Диод электр өткіздіргіштігі екі түрлі қоспаны заттарын бір-біріне беттескенде «n-p» өтілімі пайда болу арқасында бір жақты өткіздік қасиетіне ие болатын радиодеталь.
— электронды өткізгіштігі бар қоспа, сызбада «n» белгіленген (negative);
— бос орындық өткізгіштігі бар қоспа, сызбада «р» белгіленген (positive);
Екі түрлі қоспаны электр өткізгіштігі келесідей түсіндірмесі бар:
«Егер табиғатта кездесетін барлық химиялық элементтерден электр өткіштігіне сай тізбек жасайтын болсақ, өзімізге белгілі өткізгіштер (металлдар) мен диэлектриктер екі жақ шетінде орналасқан болар еді. Олардың арасында өткізгіштерге де, диэлектриктерге де тән қасиеттері бар: графит, селен, германий, кремний, теллур т. б. ондаған элементтер сап түзейді. Бұлар шала өткізгіштер деп аталады. Солардың ішінде радиоэлектроникада ең көп қолданылатындары –германий мен кремний.
Қандай элемент болмасын –ол атомнан тұрады. Ал жеке атом –оң зарядты ядродан тұрады да, оны қабат-қабат болып қоршаған теріс зарядты электрондар айналып жүреді. Электрондардың зарядтарының жалпы шамасы қалыпты жағдайда атом ядросының зарядына тең.
Германий атомының сыртқы қабатындағы электрон саны — төртеу. Яғни оның кез келген атомы өзімен көрші төрт атоммен байланысады. Қалыпты жағдайда оның бос электрондары жоқ. Сондықтан да таза күйінде германий ток өткізбейді. Оған атомның сыртқы қабатында бес электроны бар күшала элементін қосайық. Бұл жағдайда күшала атомның төрт электроны көрші германийдің атомдарымен байланысады, бір электрон бос қалады. Байланыссыз қалған сол электрон атомдардың жылу қозғалысының арқасында атомнан оңай ажырап қала алады. Мұндай электрондар германий мен күшала қоспасын өткізгішке айналдырады. Ал ондай өткізгіштер –электронды өткізгіштер деп аталады.
Енді германийге сыртқы қабаты үш электроны бар индийді қосып көрейік. Бұл жағдайда германий атомының үш электроны байланыста болады да, бір электроны бос қалады. Бос қалған электрон, көршілес индий атомының сыртқы электрон қабатына кездейсоқ келіп орналасқан электронмен байланысқа түседі. Бірақ сол кездейсоқ электронның бұрынғы орны бос қалды емес пе? Ол орынды көршілес атомдардан ажыраған электрондар толықтырады. Сөйтіп, бұл қозғалыс шексіз қайталанумен болады да, қоспаның бойымен ток жүретін өткізгішке айналдырады. Мұндай өткізгіштер бос орындық өткізгіштер деп аталады.»
Диодтың бір жақты өткіздік қасиетін беретін «n-р» өтілімін қарастырайық:
«Енді шала өткізгіштердің электрондық өткізгіші мен бос орындық өткізгішін қатар орналастырып біртұтас кристалға айналдырып бағайық. Бұл жағдайда, электрондар кристалдың электрондық өткізгіш аймағынан бос орындық өткізгіш аймағына өте бастайды да, соңғы аймақты теріс зарядпен зарядтайды. Егер кристалдың электронды өткізгіш аймағына тоқтың оң көзін, бос орынды өткізгіш аймағына теріс көзін жалғастырсақ, тізбектен тоқ жүрмейді. Енді тізбекті керісінше жалғастырсақ, оның бойымен тоқ жүре бастайды.»

Сурет 3. Диодтың сызбадағы белгіленуі және «p-n» өтілімі көрсетілген

Диодтардың түрлері

Шалаөткізгіш диод

Шалаөткізгіш диод (орыс. Полупроводниковый диод) — бір электронды-кемтікті өткелі (р — n өткелі) немесе Шоттки өткелі (металл-шалаөткізгіш түйіспесі) бар екі электродты шалаөткізгіш аспап. Көбіне өткелдің бір жақты өткізгіштігі пайдаланылады және шалаөткізгіш диод тұрақты ток немесе төменгі жиілікті айнымалы тізбегіндегі әрекеті оның вольт-амперлік сипаттамасы бойынша анықталады. Шалаөткізгіш диодтың бір жақты өткізгіштігі мен вольтамперлік сызықты емес сипаттамасы түзеткіштік, детекторлық, түрлендіргіштік диодтарда пайдаланылады. р — n өткелінің тесіліп-ойылуына байланысты құбылыстар негізінде стабилитрондар, ағынды-ұшпалы-диодтар жұмыс істейді. Варикаптың жұмысы негізінде р — n өткелінің тосқауылдық сыйымдылығы пайдаланылады. Концентрациясы жоғары шалаөткізгіштегі р- n өткелінде пайда болатын туннельдік эффект, туннельдік және қайтарылған диодтарда қолданылады. Конструкциясы жагынан Шалаөткізгіш диодтың негізгі екі тобы бар: жалпақ және нүктелік. Жасалу технологиясы бойынша диодтар балқыма, диффузиялық, планарлық және т.б. болып белінеді.

Араластырғыш диод

Араластырғыш диод (Смесительный диод) — жоғары жиілікті сигналдарды аралық жиілік сигналына түрлендіруге арналған шалаөткізгіш диод. Сигнал және кернеу Араластырғыш диодқа арнайы генератор-гетеродиннен келіп түседі. Диодтың вольтамперлік сипаттамасы сызықты емес болғандықтан, аралық жиіліктегі сигналды әрі карай күшейту осы аралық жиілікте іске асырылады. Араластырғыш диодтың негізгі көрсеткіші түрлендіру шығындары, ол диодтың кірісіндегі өте жоғары жиіліктегі сигнал қуатының аралық жиіліктегі қуатына қатынасының логарифміне тең, Дб-мен беріледі.

Түзеткіш шалаөткізгіш диод

Түзеткіш шалаөткізгіш диод ( орыс. Выпрямительный полупроводниковый диод) — айнымалы токты бір таңбалы бұлкілдеген токқа түрлендіруге арналған шалаөткізгіш диод. Түзеткіш шалаөткізгіш диодтың жұмыс істеу әрекеті электронды-кемтіктік өткелдің (р-n өткелінің) немесе металл-шалаөткізгіш түйіспесі өткізгіштігінің сыртқа берілген кернеудің шамасы мен таңбасына тәуелділігін пайдалануға негізделген. Түзеткіш шалаөткізгіш диод тура кернеу бергеңде ШӨөткелдің потенциалдық тосқауылы төмендеп, диод арқылы ететін үлкен тура ток жүреді. Егер диодты кері бағыттағы кернеуге қоссақ, онда потенциалдық тосқауыл есіп, диод арқылы ететін ток нөлге жақындайды. Сөйтіп, түзеткіш шалаөткізгіш диод қосылған электр тізбегі арқылы ток тек қана бір бағытта жүреді. Түзеткіш шалаөткізгіш диодты, көбіне шалаөткізгіш кристалдан жасайды (Ge, Si, Se және т.б.). Түзеткіш шалаөткізгіш диод өнеркәсіптік радиоэлектрондық аспаптар мен жүйелерді қоректендіретін ток түзеткіштерінде, тұрмыстық электрондық аппараттарда, зарядтайтын құрылғыларда, электр сигналдарын түрлендіргіштерде және т.б. кеңінен қолданылады.

Сәуле шығаратын диод

Сәуле шығаратын диод — электронды-кемтіктік өткел немесе металл-шалаөткізгіш түйіспесі арқылы электр тогы жүргенде спектрдің Иқ көрінетін немесе УФ диапозонында оптикалық жарық шығаратын шалаөткізгіш диод. Сәуле шығарудың жиілік диапазонына сәйкес инфрақызыл Сәуле шығаратын диод және жарықтанатын сәулелік диодтар немесе сәуле диодтары деп ажыратылады.

Сәуле шығаратын диодтың әрекеті инжекциялық электролюминесценция құбылысына негізделген: сәуле шығару ШӨ өткелге іргелес жатқан шалаөткізгіштің аумағына (Сәуле шығаратын диодтың активті аумағына) берілген кернеудің әсерінен инжекция жасаған негізгі емес теңгерілмеген заряд тасымалдаушылардың тосын рекомбинациясы нәтижесінде пайда болады. Сәуле шығаратын диодты жасау үшін көбіне GaAs, GaP, SiC және қатты ертінділер пайдаланылады.

Сәуле шығаратын диод байланыс, есептеу, өлшеу және т.б. тұрмыстық техникада кеңінен қолданылады.

Лазерлі диод

Лазерлі диод (Лазерный диод; LD). Жарықтың когерентті шалаөткізгіш көзі, бірақ оның сөулелену спектрінің сәуле диодымен салыстырғанда әлдеқайда аз. Лазерлік диодтар әрекеті жоғары (10 ГГц-ке дейін), бірақ сәуле диодына қарағанда жұмыс істеу мерзімі әлдеқайда төмен жөне басқаруға өте күрделі. Лазерлік таратқышта сөулелену қуатының типтік мәні 0,2—1 мВт, ал бұл сәуле диоды сөйлеленуге қарағанда бір ретке төмен.