Symbol diody 1

Dioda - dwuzaciskowy element elektroniczny, który przewodzi prąd elektryczny w sposób niesymetryczny, to jest bardziej w jednym kierunku niż w przeciwnym.

Historycznie pierwszymi diodami były detektory kryształkowe i diody próżniowe. Obecnie najczęściej spotykanym rodzajem są diody półprzewodnikowe, zbudowane z dwóch warstw odmiennie domieszkowanego półprzewodnika, tworzących razem złącze p-n.

Istotą działania większości diod jest przewodzenie prądu w jednym kierunku (zwanym kierunkiem przewodzenia) i blokowanie jego przepływu w drugim. Właściwość tę wykorzystuje się do prostowania napięcia przemiennego oraz demodulacji sygnałów w odbiornikach radiowych.

Poprzez odpowiedni dobór materiałów oraz parametrów wytwarzania złącza p-n można zmienić charakterystykę diody, dzięki czemu może się ona zachowywać w sposób bardziej skomplikowany niż prosty zawór elektryczny. Przykładem są diody Zenera (używane do stabilizowania napięcia), diody pojemnościowe (używane w obwodach strojenia), diody tunelowe (używane w generatorach mikrofalowych) czy diody LED (emitujące światło).

Na różnych etapach rozwoju techniki półprzewodnikowej wprowadzano do użytku różne materiały.

Wczesne diody półprzewodnikowe, używane jako detektor kryształkowy, były wytwarzane głównie z kryształów galeny, rzadziej z innych minerałów. W latach 50 i 60 XX w. dominowały diody germanowe. Obecnie większość diod to diody krzemowe W diodach na duże napięcia i moce używa się też węglika krzemu. Bardzo duża rozmaitość materiałów półprzewodnikowych występuje w diodach będących przyrządami elektronowo-optycznymi (elektroluminescencyjnych, laserowych i fotodiodach), na przykład arsenek galu, azotek galu, antymonek indu.

Ze względu na budowę diody półprzewodnikowe możemy podzielić na:

Diody złączowe

Są zrealizowane jako złącze p-n składające się z dwóch obszarów półprzewodnika o różnym typie przewodnictwa. To współcześnie najpopularniejszy rodzaj diody półprzewodnikowej.

Diody Schottky'ego

Symbol diody Schottky'ego 1

Dioda Schottky'ego jest złączem metal-półprzewodnik. Formalnie do tej grupy zaliczyć można także detektory kryształkowe składające się z półprzewodnikowego kryształu i metalowego drucika. Złącze metal-półprzewodnik występuje także w pierwszych produkowanych wielkoseryjnie prostownikach: kuprytowym i selenowym. W prostowniku kuprytowym (produkowanym w latach 30 i 40 XX w. i wypartym przez prostowniki selenowe) było to złącze Cu-Cu₂O.

Diody ostrzowe

Diody ostrzowe to diody, w których jedną z elektrod stanowi metalowe ostrze będące w kontakcie z półprzewodnikiem. W zależności od technologii wytwarzania mogą mieć strukturę fizyczną złącza p-n albo złącza metal półprzewodnik. Obecnie mają znaczenie jedynie historyczne.

Diody PIN

Diody PIN (ang. p, intrinsic, n) posiadają pomiędzy warstwami złącza p i n warstwę nie domieszkowaną. Charakteryzują się małą pojemnością złącza i są używane w układach wielkiej częstotliwości.

Polaryzacja złącza

Jeśli do złącza zostanie przyłożone napięcie zewnętrzne, wówczas równowaga zostanie zaburzona. W zależności od biegunowości napięcia zewnętrznego rozróżnia się dwa rodzaje polaryzacji złącza:

• w kierunku przewodzenia, wówczas dodatni biegun napięcia jest dołączony do obszaru p;

• w kierunku zaporowym, wówczas dodatni biegun napięcia jest dołączany do obszaru n.

Bez względu na polaryzację dla większości złącz można przyjąć, że całe napięcie zewnętrzne odkłada się na obszarze zubożonym.

Polaryzacja w kierunku przewodzenia

W tym przypadku bariera potencjału zmniejsza się o wartość zewnętrznego napięcia U, zmniejsza się również szerokość obszaru zubożonego. Gdy U przekroczy wartość napięcia dyfuzyjnego, wówczas obszar zubożony znika i praktycznie bez przeszkód następuje dyfuzja nośników mniejszościowych z obszaru n do p i z p do n. Te dodatkowe nośniki (nazywane wstrzykniętymi nośnikami mniejszościowymi) rekombinują z nośnikami większościowymi w danym obszarze. Ze źródła zasilania jednak wciąż dopływają nowe nośniki większościowe, zatem dyfuzja nie zatrzymuje się jak w przypadku nie spolaryzowanego złącza, lecz ma miejsce cały czas. W efekcie w obwodzie płynie prąd dyfuzyjny. Jego wartość opisuje przybliżone równanie, zwane równaniem Shockleya:

I_sat - natężenie prądu nasycenia złącza, które zależy od konstrukcji złącza i parametrów materiałów

q - ładunek elektronu

T - temperatura (w kelwinach)

k - stała Boltzmana

U_T - potencjał elektrokinetyczny,
, który wynosi ok. 26 mV dla T = 300 K (27 °C)[2]

Polaryzacja w kierunku zaporowym

W tym przypadku bariera potencjału zwiększa się, gdyż do napięcia dyfuzyjnego dodaje się napięcie zewnętrzne, zwiększa się również szerokość obszaru zubożonego. Przy takiej polaryzacji płynie tylko niewielki prąd unoszenia, zwany tutaj prądem wstecznym. Wartość prądu wstecznego praktycznie nie zależy od wartości przyłożonego napięcia, zależy natomiast od temperatury i własności materiału, ponieważ to te parametry mają wpływ na ilość nośników mniejszościowych.

Charakterystyka diody

Charakterystyka diody 1

Na rysunku przedstawiona jest charakterystyka diody I_D=I_D(U_AK). Jak widać na rysunku już przy bardzo małych napięciach U_AK (jest to napięcie na diodzie) prąd płynący przez diodę I_D (prąd przewodzenia) bardzo mocno wzrasta do dużych wartości. Tak jak każdy element dioda ma również swoje parametry graniczne, których nie można przekroczyć bez jej uszkodzenia. Dlatego prąd przewodzenia diody nie może przekroczyć jej prądu maksymalnego I_Fmax. Napięcie przewodzenia diody U_F określa się przy prądzie przewodzenia I_F=0,1·I_Fmax. Dla diody germanowej Ge (diody mogą być zbudowane z różnych półprzewodników) napięcie to zawiera się w zakresie od 0,2V do 0,4V, a dla diody krzemowej Si - od 0,5V do 0,8V.

Jako "ciekawostkę" podam wzór na teoretyczną charakterystykę diody:

gdzie:

- I_S jest teoretycznym prądem wstecznym,

- m jest współczynnikiem korekcyjnym i wynosi od 1 do 2,

- U_T=kT/q jest potencjałem elektrokinetycznym.

Potencjał ten w temperaturze normalnej (pokojowej) wynosi:

Dioda Zenera (inaczej: stabilistor) - odmiana diody półprzewodnikowej, której głównym parametrem jest napięcie przebicia złącza p-n. Po przekroczeniu napięcia przebicia ma miejsce nagły, gwałtowny wzrost prądu. W kierunku przewodzenia (anoda spolaryzowana dodatnio względem katody) zachowuje się jak normalna dioda, natomiast przy polaryzacji zaporowej (katoda spolaryzowana dodatnio względem anody) może przewodzić prąd po przekroczeniu określonego napięcia na złączu, zwanego napięciem przebicia. Przy niewielkich napięciach (do ok. 5 V) podstawową rolę odgrywa zjawisko Zenera, w zakresie od 5 do 7 V zjawisko Zenera i przebicie lawinowe, a powyżej 7 V - wyłącznie przebicie lawinowe. Napięcie przebicia jest praktycznie niezależne od płynącego prądu i zmienia się bardzo nieznacznie nawet przy dużych zmianach prądu przebicia (dioda posiada w tym stanie niewielką oporność dynamiczną).

Należy podkreślić, że identycznie zachowuje się każda dioda półprzewodnikowa. Cechami, które pozwalają wydzielić diody Zenera jako oddzielną kategorię elementów, są:

• przebicie nie powodujące uszkodzenia diody,

• napięcie przebicia określone dokładnie, z niewielką tolerancją, typowo 5% (dla np. diod prostowniczych ważne jest aby nie było mniejsze od zadanej wartości),

• mała oporność dynamiczna,

• zapewnienie możliwie gwałtownego przejścia do stanu przebicia złącza (możliwe ostre "kolano" na charakterystyce I = f(U)).

Podstawowe zastosowanie diody Zenera to źródło napięcia odniesienia w stabilizatorach, ponadto używana bywa do przesuwania poziomów napięć oraz jako element zabezpieczający i przeciw przepięciowy (transil).

---