Diod

Dalam elektronik, diod merupakan komponen yang menghalang atau menahan arah pergerakan pembawa cas. Sebenarnya, ia membenarkan arus elektrik mengalir dalam satu arah tetapi menghalangnya dalam arah bertentangan. Maka, diod boleh dikatakan sebagai injap dalam versi elektronik. Litar yang memerlukan arus dalam satu arah akan menggunakan satu atau lebiih diod dalam litar.

Diod awal termasuklah alat diod misai kucing dan tiub vakum (dipanggil injap termionik di England). Kini, kebanyakan diod dibuat daripada bahan semikonduktor seperti silikon atau germanium.

Sejarah

Diod termionik dan keadaan pepejal telah berkembang seiring. Prinsip operasi diod termionik telah dimulakan oleh Frederick Guthrie pada 1873 [1]. Prinsip opreasi diod hablur atau diod kristal ditemui pada 1874 oleh saintis Jerman, Karl Ferdinand Braun [2].

Prinsip diod termionik ditemui semula oleh Thomas Edison pada 13 Februari 1880 dan dia mengambil paten untuk itu pada 1883 tetapi tidak mengembangkan idea itu dengan lebih lagi. Braun mempatenkan penerus kristal pada 1899 [3]. Penerima radio pertama yang menggunakan diod kristal dibuat sekitar 1900 oleh Greenleaf Whittier Pickard. Diod termionik pertama telah dipatenkan di Britain oleh John Ambrose Fleming (penasihat saintifik kepada Marconi Company dan bekas pekerja Edison [4]) pada 16 November 1904. Pickard menerima paten bagi pengesan kristal silicon pada 20 November 1906 [5] Diarkibkan 2006-03-24 di Wayback Machine.

Pada ketika ciptaan mereka itu, peranti tersebut dikenali sebagai penerus atau rektifier. Pada 1919, William Henry Eccles menerbitkan perkataan diod dari perkataan Yunani; di bermaksud 'dua', dan ode bermaksud 'laluan'.

Diod termionik atau keadaan gas

Simbol diod tiub vakum

Diod termionik adalah peranti tiub vakum (juga dikenali sebagai injap termionik), yang susunan elektrod dikelilingi oleh vakum dalam sampul kaca, serupa seperti lampu pijar.

Dalam diod tiub vakum, arus berlalu melalui katod, filamen dari campuran barium dan strontium oksida, iaitu oksida logam alkali bumi. Arus akan memanaskan filamen, menyebabkan pancaran termionik electron ke dalam sampul vakum. Bagi operasi terbalik, elektrod yang dilitupu logam yang dipanggil anod adalah bercas positif. Maka ia adalah elektrostatik yang menarik electron yang terpancar. Walau bagaimanapun, elektron tidak mudah dilepaskan dari permukaan anod yang tidak panas apabila kekutuban voltan diterbalikkan dan mana-mana arus songsang adalah sangat sedikit.

Kebanyakan diod tiub vakum abad ke-20 digunakan untuk aplikasi isyarat analog, dan sebagai alat penerus dalam pembekal kuasa. Hari ini, diod tiub hanya digunakan dalam aplikasi relung, seperti sebagai penerus dalam gitar tiub dan amplifier hi-fi, dan dikhususkan dalam perkakasan bervoltan tinggi.

Diod semikondutor

Simbol skematik diod

Diod yang paling moden kini diasaskan dari simpang p-n semikonduktor. Dalam diod p-n diod, arus konvensional boleh mengalir dari sisi jenis-p (anod) ke sisi jenis-n (katod) tetapi bukan dalam arah yang bertentangan. Satu lagi jenis diod semikonduktor, diod Schottky, dibentuk dari hubungan antara logam dan semikonduktor berbanding simpang p-n.

Lengkok cirian arus-voltan atau I-V diod semikonduktor disebabkan oleh keadaan yang dipanggil lapisan runtuh atau medan runtuh yang wujud di simpang p-n antara semikonduktor yang berbeza. Apabila simpang p-n tercipta, jalur pengkonduksian elektron (bergerak) dari kawasan terdop-N ke kawasan terdop-P yang mempunyai banyak lohong (tempat bagi elektron mengisinya) yang "digabungkan semula" dengan elektron. Apabila elektron yang bergerak bergabung semula ke dalam lohong, lohong akan menghilang dan elektron tersebut tidak akan bergerak. Maka, dua pembawa cas telah hilang. Kawasan sekita simpang p-n menjadi runtuh atau berkurangan pembawa cas lalu bertindak sebagai penebat.

Walau bagaimanapun, lebar runtuh tidak boleh membesar tanpa had. Bagi setiap pasangan elektron-holong yang bergabung, ion pendopan bercas positif akan tertinggal di kawasan terdop-N dan ion pendopan bercas negatif akan tertinggal di kawasan terdop-P. Apabila penggabungan semual itu berlaku, semakin banyak ion dicippta dan meningkatkan medan elektrik melalui medan runtuh yang bertindak memperlahankan lalu memberhentikan penggabungan. Pada ketika ini, terdapat keupayaan 'terbina dalam' merentangi medan runtuh. Jika voltan luaran diletakkan merentangi diod dengan kekutuban yang sama dengan keupayaan terbina dalam, medan runtuh akan terus bertindak sebagai penebat yang menghalang pengaliran arus. Walau bagaimanapun, jika kekutuban voltan luar melebigi keupayaan terbina dalam, penggabungan semula masih boleh berlaku dalam arus elektrik yang besar yang melalui simpang p-n.

Bagi diod silikon, keupayaan terbina dalam dianggarkan 0.6V. Maka, jika arus luaran melalui diod, lebih kurang 0.6V akan terbentuk merentasi diod apabila kawasan terdop-P adalah positif terhadap kawasan terdop-N dan diod dikatakan 'terpasang'.

Cirian I-V bagi diod simpang P-N (tidak mengikut skala).

Cirian I-V diod boleh dianggarkan oleh dua kawasan operasi. Di bawah beza keupayaan tertentu di antara dua arah, lapisan runtuh mempunyai lebar yang jelas, dan diod boleh dianggap seperti litar terbuka (tidak mengalirkan arus). Apabila beza keupayaan meningkat, pada satu tahap, diod akan mula membenarkan cas mengalir yang kini ia boleh dianggap sebagai penghubung dengan rintangan sifar (atau sekurang-kurangnya sangat kecil). Lebih tepat lagi, (fungsi pindahan) adalah berentak logaritma, tetapi terlalu tajam sehingga ia kelihatan seperti lengkok sudut yang dilihat dari jauh.

Bagi diod silikon biasa pada arus yang tertentu, voltan yang merentasi diod adalah lebih kurang 0.6 hingga 0.7 volt. Nilai tersebut berbeza bagi diod jenis lain - diod Schottky boleh serendah 0.2 V dan diod pemancar cahaya (LED) boleh mencecah 1.4 V atau lebih (LED biru boleh mencecah 4.0 V).

Merujuk imej cirian I-V, pada kawasan pincang songsang bagi diod penerus P-N yang biasa, arus merentasinya sangat rendah (dalam julat µA) bagi semua voltan songsang hingga ke titik yang dipanggil voltan-songsang-puncak (PIV). Menjelang titik ini, satu proses yang dipanggil runtuhan songsang berlaku yang menyebabkan peranti dimusnahkan dengan penambahan arus yang tinggi. Bagi diod yang tertentu seperti diod runtuh atau zener, konsep PIV tidak digunapakai memandangkan ia mempunyai runtuhan sendiri melepasi arus songsang tertentu seolah-olah voltan songsang ditetapkan pada nilai yang diketahui (yang dikenali sebagai voltan zener). Peranti tersebut, walau bagaimanapun, mempunyai had maksimum bagi arus dan kuasa dalam medan Zener.

Persamaan diod Shockley

Persamaan diod Shockley (dinamakan sempena nama William Bradford Shockley) adalah cirian I-V bagi diod unggul sama ada pincang hadapan ataupun songsang (ataupun tidak berpincang). Ia diterbitkan dari andaian yang satu-satunya proses untuk meningkatkan arus dalam arus adalah hanyutan, pembauran, dan penjanaan-penggabungan-semula suhu. Ia juga mengandaikan yang arus penjanaan-penggabungan-semula dalam medan runtuh adalah tidak jelas. Ini bermakna yang persamaan Shockley tidak mengambil kira proses yang terlibat dalam runtuhan songsang dan penjanaan-penggabungan-semula yang melibatkan foton. Sebagai tambahan, ia tidak menerangkan "penidak-rataan" lengkok I-V bagi pincang hadapan yang tinggi yang disebabkan rintangan dalam dan tidak menerangkan sisihan yang praktikal pada pincang hadapan yang sangat rendah terhadap arus penjanaan-penggabungan-semula dalam medan runtuh.

$I=I_{\mathrm {S} }\left({e^{V_{\mathrm {D} } \over {nV_{\mathrm {T} }}}-1}\right)\,$,

di mana,

I adalah arus diod,

I_S adalah factor skala yang dipanggil arus tepi,

V_D adalah voltan merentasi arus

V_T adalah voltan suhu

dan n adalah pekali pemancaran.

Pekali pemancaran n berubah sekitar 1 dan 2 bergantung kepada proses pembuatan dan jenis bahan semikonduktor malah dalam banyak kes, ia dianggap lebih kurang satu. Voltan suhu V_T adalah sekita 25.2 mV pada suhu bilik (sekitar 25^oC atau 298K) dan sentiasa malar. Ia ditakrifkan sebagai:

$V_{\mathrm {T} }={\frac {kT}{e}}$ ,

di mana,

e adalah magnitud cas bagi satu elektron (cas asas),

k adalah pemalar Boltzmann,

T adalah suhu mutlak bagi simpang p-n.