DIODY PÓŁPRZEWODNIKOWE

Dioda jest elementem półprzewodnikowym i aby wyjaśnić jej działanie musiałbyś poznać budowę złącza p-n, a tutaj kłania się fizyka ciała stałego. Żeby można było skorzystać z właściwości diody nie jest to niezbędne.

Dioda podobnie jak elementy, RLC jest elementem dwukońcówkowym, biernym (lub, jak kto woli - pasywnym), ale w odróżnieniu od nich jest elementem nieliniowym.
W przypadku diody nie ma zastosowania prawo Ohma, ale za to ma ona bardzo pożyteczną cechę, a mianowicie prąd może przez nią płynąć tylko w jednym kierunku.

rys. 3.1

Symbol graficzny diody przedstawiony jest na rys. 3.1, jak widać jest on podobny do strzałki, która w tym przypadku wyznacza kierunek przepływu prądu przez diodę.
Wyprowadzenie diody A jest nazywane anodą, a wyprowadzenie K jest nazywane katodą. Jeżeli do anody diody doprowadzi się napięcie dodatnie względem katody, czyli U_AK>0 to będzie ona spolaryzowana w kierunku przewodzenia i prąd popłynie od anody do katody. W przypadku, gdy napięcie U_AK<0 dioda jest spolaryzowana zaporowo i prąd przez nią nie płynie. Tak naprawdę to płynie tak zwany prąd wsteczny, ale jest on zwykle o kilka rzędów mniejszy niż prąd przewodzenia, dlatego przyjmuje się, że jest on równy zeru. Oczywiście tak jest do czasu, gdy napięcie zaporowe nie przekroczy pewnej granicy tak zwanego napięcia przebicia, a wówczas popłynie prąd porównywalny z prądem w kierunku przewodzenia. Zwykle powoduje to uszkodzenie diody, chyba, że mamy do czynienia ze specjalnym rodzajem diody tak zwanej diody Zenera, w której wykorzystywana jest napięcie przebicia do stabilizacji (inna nazwa takiej diody to stabilistor).

Charakterystyka diody

Na rys. 3.2 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.

rys. 3.2

   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:

Charakterystyki diody krzemowej i germanowej przedstawione na rys. 3.3 powstały na podstawie przedstawionego wyżej wzoru.

Typowe dane dla diody germanowej i krzemowej wynoszą:

          - dioda krzemowa     I_S=10 pA,     mU_T=30 mV,   I_Fmax=100 mA

          - dioda germanowa   I_S=100 nA,   mU_T=30 mV,   I_Fmax=100 mA.

Z charakterystyki można odczytać wartości napięcia przewodzenia U_F dla prądu przewodzenia I_F=0,1·I_Fmax. Dla diody germanowej napięcie przewodzenia jest równe 0,35V, a dla diody krzemowej 0,62V.

rys. 3.3

Przełączanie diody

Oprócz napięcia przewodzenia, napięcia wstecznego czy też prądu przewodzenia, bardzo ważnym parametrem diody jest jej czas magazynowania ładunku t_m. Proces wyłączania diody pokazany jest na przebiegach czasowych na rys. 3.4. Dioda D włączona w układ z źródłem napięcia U_g nie wyłącza się od razu po zmianie napięcia U_g z dodatniego na ujemne. Jak widać na rysunku napięcie na diodzie spada z opóźnieniem równym czasowi magazynowania ładunku w złączu p-n. Typowe wartości tego czasu są dla diod małej mocy równe od ok. 10ns do 100ns, a dla diod dużej mocy nawet rzędu µs.
   Przy pracy diody w obwodach z sygnałami szybkozmiennymi należy zwracać uwagę na to, aby czas magazynowania był znacznie mniejszy od okresu sygnału, który ma ulec wyprostowaniu na diodzie.

rys. 3.4

Dioda Schottky'ego

W przypadku, gdy chcemy włączyć diodę w układ z sygnałem o dużej częstotliwości to lepiej jest zastosować diodę Schottky'ego. Symbol graficzny takiej diody jest przedstawiony na rys. 3.5. W diodzie Schottky'ego miejsce złącza p-n zajmuje złącze metal-półprzewodnik, które też ma właściwości prostownicze (przepuszczanie prądu w jednym kierunku). Ładunek magazynowany w takim złączu jest bardzo mały i dlatego typowy czas przełączania jest rzędu 100ps. Oprócz tego diody Schottky'ego mają mniejsze napięcie przewodzenia (U_F=0,3V) niż diody krzemowe.

rys. 3.5

Dioda Zenera

Dioda Zenera wykorzystuje tę właściwość złącz p-n, która w przypadku zwykłych diod jest zgubna, a mianowicie przekroczenie maksymalnego napięcia wstecznego, przy którym prąd bardzo szybko wzrasta. W przypadku diod Zenera napięcie to jest dokładnie określone i nazywane jest napięciem Zenera U_Z.

Symbol graficzny diody Zenera przedstawiony jest na rys. 3.6, a charakterystyka tej diody na rys. 3.7. Jak widać na rys. 3.7 stabilizacja na diodzie zenera polega na tym, że dużym zmianom prądu diody ΔI_D towarzyszą bardzo małe zmiany spadku napięcia ΔU_AK i przyjmuje się, że napięcie na diodzie nie zmienia się i jest równe napięciu Zenera U_Z.
Diody takie stosuje się do stabilizacji napięć stałych. Produkuje się diody na napięcia Zenera od 1,5V do 200V, ale trzeba pamiętać, że im mniejsze jest to napięcie tym gorsza stabilizacja.
  Najprostszy układ stabilizacji napięcia stałego z wykorzystaniem diody Zenera przedstawiony jest na rys. 3.8. Rezystor R1 ustala wartość prądu płynącego przez diodę i do obciążenia. Wartość tego rezystora musi być tak dobrana, aby zapewnić właściwe warunki stabilizacji dla danego typu diody Zenera. Właściwy prąd można zawsze odczytać z danych katalogowych diody. Przedstawiony układ może służyć jako źródło napięcia odniesienia. Taki układ ma jednak kilka wad np. takich jak wpływ temperatury czy wpływ zmian prądu płynącego przez diodę na napięcie stabilizacji. Kilka układów przedstawiających lepsze rozwiązania przedstawiłem w dziale Ciekawe rozwiązania układowe.

rys. 3.6

rys. 3.7

rys. 3.8

Diody półprzewodnikowe. Strona 2

---