Diody

Diody przepuszczaja prad tylko w jednym kierunku; sluza do prostowania. W tym celu uzywa sie ich w prostownikach wchodzacych w sklad zasilaczy. Ogólnie rozpowszechnione sa dzisiaj diody swiecace tzw. LED-y. Zastapily one wszelkiego rodzaju kontrolki. Sa praktyczne dzieki malym wymiarom oraz niskiej cenie.

Pólprzewodniki
Najwieksza grupe elementów aktywnych stanowia urzadzenia zbudowane w oparciu o materialy pólprzewodnikowe. Do materialu pólprzewodnikowego dodaje sie domieszke pewnego rodzaju. W zaleznosci od typu domieszki otrzymuje sie pólprzewodnik typu P lub N
Diody, tranzystory i uklady scalone sa zbudowane z materialów pólprzewodnikowych.

German
byl historycznie pierwszym pólprzewodnikiem. Material ten ma slabe wlasnosci dla wyzszych czestotliwosci, duza niestabilnosc temperaturowa i duzo mniejsza odpornosc na wysokie temperatury niz powszechnie stosowany krzem. Zaleta jego jest niskie napiecie progowe, które powoduje, ze tranzystory germanowe mozna stosowac w obwodach mocy np. w przetwornicach napiecia.

Krzem
jest dzisiaj dominujacym materialem pólprzewodnikowym. Jest tani. Obecnie mozna zbudowac tranzystory duzej mocy o duzym wzmocnieniu i czestotliwosci granicznej ( f_T) az do kilku GHz, o napieciach ok. 1000 V lub wiecej. Zdarza sie równiez w ukladach duzej mocy stosowanie tranzystorów krzemowych o pradach do 1000 A. Nie mozna jednak tych wszystkich cech uzyskac jednoczesnie. Tranzystory sa na ogól optymalizowane w grupach jako tranzystory malej mocy, przelaczajace albo duzej mocy. Krzem jest materialem tanim w odróznieniu od pierwiastków z grupy III-V ukladu okresowego.

Materialy grupy III-V.
Nazwa wynika z polozenia pierwiastków znajdujacych sie w trzeciej i piatej kolumnie ukladu okresowego. Sa to zwiazki materialów takich jak arsenek galu (GaAs) i fosforek indu (InP). Arsenek galu stosuje sie przede wszystkim dla zakresu mikrofalowego. Tranzystory polowe zrobione z Arsenki Galu AsFET, posiadaja niskie szumy i dlatego sa szczególnie przydatne w stopniach wejsciowych np. w odbiornikach radarowych lub satelitarnych. Posiadaja niska modulacje skrosna, ale sa czule na przepiecia, a szczególnie na rozladowania elektrostatyczne. Fosforku indu Uzywa sie przede wszystkim w optoelektronice.


No i wreszcie cos o diodach...

Podstawowym elementem skladowym kazdej diody jest zlacze P-N. Przewodzi ono prad w jednym kierunku i nie przewodzi w drugim. W rezultacie nadaje sie doskonale do prostowania pradu zmiennego, co tez jest jego najczestszym zastosowaniem. Do innych celów stosuje sie wiele diod rózniacych sie odpowiednim doborem parametrów zlacza p-n.

Dioda krzemowa wystepuje dzisiaj najczesciej. Diody przeznaczone do pracy przy malych pradach maja napiecie progowe (spadek napiecia w kierunku przewodzenia) ok. 0,7 V, podczas gdy diody mocy maja napiecie progowe 1V lub wiecej. Gdy napiecie zaporowe ("odwrotne") przekroczy wartosc katalogowa, dioda ulega zniszczeniu.

Szczególny typ diody - dioda lawinowa nie zostanie uszkodzona po przekroczeniu napiecia zaporowego. Nadmiar napiecia zostaje zaabsorbowany przez diode i dlatego nadaje sie doskonale jako zabezpieczenie przeciwko krótkotrwalym impulsom i przepieciom.

Fast recovery, czyli dioda o krótkim czasie wylaczania, przeznaczona jest do ukladów przelaczajacych. Czas przelaczania wynosi od 1 do 500 ns. Innym wariantem sa diody o niskiej uplywnosci z bardzo niskim pradem wstecznym.

Dioda germanowa dominowala w zastosowaniach zanim zostala wyparta w latach 60-tych przez diody krzemowe. Diody germanowe stosowane sa nadal jako czesci zamienne, oraz w niektórych ukladach, gdzie przede wszystkim potrzebne jest niskie napiecie progowe np. w detektorach, w sprzecie radiowym i video. Dla diod niskopradowych, spadek napiecia w kierunku przewodzenia zawiera sie w przedziale 0,2 - 0,5 V. Napiecie to zalezy od wartosci pradu ale w mniejszym stopniu niz dla diod krzemowych, które maja wyzsza "rezystancje" w kierunku przewodzenia. Spadek napiecia w kierunku przewodzenia w diodach germanowych jest z kolei bardziej zalezny od temperatury niz s diodach krzemowych.

Dioda Schottky'ego stanowia w wiekszosci wypadków alternatywe dla diod germanowych, gdy niezbedne jest niskie napiecie progowe. Wynosi ono ok 0,4 V. Diody te dzialaja na nosnikach wiekszosciowych, odznaczaja sie zatem bardzo krótkimi czasami przelaczania i nadaja sie doskonale do zastosowan w ukladach bardzo wielkiej czestotliwosci i ukladach przelaczajacych. Diody Schottky'ego sa powszechnie stosowane w zakresie czestotliwosci do 100 Ghz.

Dioda Zenera zachowuje sie w kierunku przewodzenia jak dioda, ale ma bardzo dokladnie okreslone napiecie przebicia w kierunku wstecznym. Diod tych uzywa sie do pracy w kierunku zaporowym i wykorzystuje sie tzw. napiecie Zenera tj. napiecie, przy którym prad wsteczny diody gwaltownie rosnie. Dlatego szeregowo z dioda Zenera nalezy laczyc rezystor lub inny element ograniczajacy prad.

Dioda Zenera ma precyzyjnie okreslone napiecie przebicia. Charakterystyka diody w kierunku zaporowym musi wykazac bardzo wyrazne przegiecie. Poza tym zmiany napiecia Zenera w funkcji temperatury powinny byc mozliwie male. Najlepsze parametry termiczne maja diody w zakresie napiec Zenera 5,6 - 6,2 V. Dla napiec nizszych wspólczynnik temperaturowy napiecia Zenera jest ujemny, dla napiec wyzszych dodatni. Czesto dla otrzymania elementów stabilizacyjnych o bardzo malym wspólczynniku temperaturowym napiecia, laczy sie diody o dodatnim i ujemnym wspólczynniku w celu ich wzajemnej kompensacji. Czasami laczy sie zwykla diode krzemowa (posiada ujemny wspólczynnik temperaturowy przy pracy w kierunku przewodzenia) produkowana seryjnie, z wysokonapieciowa dioda Zenera. Wypadkowa rezystancja szeregowa diod, powoduje jednak, ze charakterystyka przebicia Zenera bedzie mniej stroma. Istnieja równiez diody stabilizacyjne o napieciu ponizej 2 V. Nosza nazwe stabilitronów. Sa to diody pracujace w kierunku przewodzenia, nie sa wiec diodami Zenera.

Diody zabezpieczajace sa w zasadzie diodami Zenera, które tlumia krótkotrwale napieciowe impulsy zaklócajace. Uzywa sie ich do ochrony elementów i ukladów elektronicznych. Ograniczanie maksymalnego napiecia jest precyzyjne i bardzo szybkie. Diody wytrzymuja wysokie prady chwilowe, które powstaja przy ograniczaniu przepiec.

Diody pojemnosciowe, warikapowe lub waraktorowe, w których wykorzystuje sie zjawisko zmiany pojemnosci zlacz P-N pod wplywem polaryzacji w kierunku wstecznym. Ten mechanizm wystepuje w kazdej diodzie pólprzewodnikowej spolaryzowanej zaporowo, ale dioda pojemnosciowa jest specjalnie przystosowana do tego zadania. To co je rózni to sposób domieszkowania pólprzewodnika w obszarze zlacza P-N i w zwiazku z tym odpowiednia koncentracja nosników pradu. W zasadzie mozna wyodrebnic zlacze o liniowym i skokowym rozkladzie nosników pradu. W praktycznym dzialaniu uwidacznia sie to w róznych wartosciach czulosci zmian pojemnosci w funkcji napiecia.

Diody pojemnosciowe zastepuja kondensatory obrotowe w obwodach strojeniowych. Moga byc równiez stosowane w powielaczach czestotliwosci, w przelacznikach systemów waskopasmowych oraz we wzmacniaczach parametrycznych.

Diak jest triakiem bez wyprowadzonej bramki. Kiedy podane na diak napiecie przekroczy wartosc graniczna, zaczyna on przewodzic do czasu, kiedy prad stanie sie dostatecznie maly. Przewodzi on w obu kierunkach i uzywany jest do sterowania triakami.

Dioda stalopradowa jest wlasciwie tranzystorem polowym FET, w którym zródlo i dren sa ze soba polaczone.

Dioda tunelowa zawiera silnie domieszkowane zlacze P⁺ - N⁺ które ty sie wyróznia, ze jego charakterystyka pradowo - napieciowa zawiera odcinek o rezystancji ujemnej. Dioda zaczyna przewodzic juz przy bardzo niskim napieciu ok. 0,1 V w kierunku przywodzenia. Wzrost napiecia powoduje silny wzrost pradu do momentu, w którym krzywa charakterystyki ulega przegieciu, po czym zaczyna on malec mimo dalszego wzrostu napiecia tzn. ze wystepuje tzw. ujemna rezystancja. Gdy napiecie na diodzie wzrosnie do ok. 0,3 V, nastepuje ponowne przegiecie charakterystyki diody i rezystancja powtórnie staje sie dodatnia. Diody tunelowe dzieki swojej ujemnej rezystancji, wykorzystywane sa jako elementy aktywne generatorów. Ujemna rezystancja kompensuje rezystancje strat obwodu rezonansowego, czego efektem jest generacja drgan.

Diody PIN sa uzywane jako elementy o zmiennej impedancji w ukladach elektronicznych bardzo wielkich czestotliwosci. Posiadaja mala rezystancje w kierunku przewodzenia i mala pojemnosc w kierunku zaporowym. W rezultacie odznaczaja sie niskim tlumieniem gdy sa zalaczone, a wysokim tlumieniem kiedy nie przewodza. Charakterystyczna dla tej diody jest bezwladnosc przy przelaczaniu. Oznacza to, ze dioda nie nadaza ze swoja charakterystyka za zmianami sygnalów wejsciowych. W zasadzie dioda ta funkcjonuje jak rezystor dla wysokich czestotliwosci. Bezwladnosc, czas powrotu do napiecia zaporowego, zalezy od czasu zycia nosników mniejszosciowych. Diody PIN dla zakresu mikrofal, moga miec  równe kilka ns, ale istnieja równiez diody PIN, które mozna stosowac az do kilku MHz z  równym ms. Dolna granica czestotliwosci = 1/2. Ponizej tej granicy dioda funkcjonuje jak zwykle zlacze P-N.

Rezystancja diody PIN w kierunku przewodzenia moze sie zmieniac od 1 do 10 000  w zaleznosci od polaryzacji. Stosowana jest w tlumikach sterowanych pradowo.

Dioda PIN posiada wbudowana warstwe wewnetrzna i (w idealnym przypadku warstwa pólprzewodnika samoistnego), która znajduje sie miedzy obszarem materialu P i materialu N.

Dioda ladunkowa (step recovery) jest typem diody, który podobnie do diody PIN, ma trzy warstwy. Rózni sie jednak tym, ze zmiana rezystancji odbywa sie gwaltownie przy minimalnej zmianie ladunku miedzy P i N. Umozliwia to uformowanie impulsów pradu o bardzo stromych zboczach i pozwala otrzymac wiele czestotliwosci harmonicznych przebiegu podstawowego. Typowym przykladem zastosowania jest powielacz czestotliwosci dla zakresu wielkich czestotliwosci.

Dioda Gunna. Uzywana glównie w generatorach mikrofalowych. Na powierzchnie arsenku galu o grubosci ok 0,5 mm, naniesiona jest metoda epitaksji cienka warstwa arsenku galu typu N o niskiej rezystancji. Do drugiej strony struktury, od strony anody, dolaczony jest metalowy radiator. Katoda diody znajduje sie po stronie warstwy epitaksjalnej. Po dolaczeniu do diody odpowiedniego napiecia, takiego by natezenie pola elektrycznego w warstwie epitaksjalnej przekroczylo 350 V/mm, nastapi generacja obszaru o wysokim natezeniu pola nazwanego "domena". Powstajaca przy katodzie domena bedzie sie powoli przemieszczala w kierunku anody. Droga, po której sie ona porusza decyduje o czasie powtarzania sie impulsów. Dioda Gunna dla 10 GHz ma warstwe epitaksjalna ok. 10 m. Przy polaczeniu diody z rezonatorem, mozna uzyskac napiecie sinusoidalne. Jednym z wariantów diod Gunna sa diody wykonane z silnie domieszkowanego pólprzewodnika. Nazywaja sie diodami LSA i moga generowac impulsy mocy wielu kW.

Dioda IMPATT (Avalanche Transition- Time Diod) stosowana jest w generatorach mikrofalowych. Wykorzystuje sie w niej czas przelotu przez warstwe ladunku przestrzennego, podobnie jak w diodach Gunna i diodach TRAPATT.

Diody TRAPATT jest wariantem diody IMPATT. Nazwa diody jest skrótem od ang. Trapped Plasma Avalanche Triggered Transit. Ze wzgledu na wartosci czasów przelaczenia diody Gunna i IMPATT na ogól nie wytrzymuja wyzszych czestotliwosci niz 3 GHz. Diody TRAPATT moga jednak byc stosowane az do ok. 500 Mhz i posiadac moce do 600 W.

Dioda BARITT (Barrier Injection Transit Time) jest zbudowana z dwóch przeciwnie skierowanych zlacz P-N, rozdzielonych wspólnym obszarem typ n. Opóznienie czasowe powstajace w obszarze n powoduje ujemna rezystancje.

---