Dioda — definicja, zasada działania i zastosowania (LED, prostownik)

Historia

Pierwsze typy diod nosiły nazwę zaworów Fleminga. Były to lampy próżniowe. Znajdowały się one wewnątrz szklanej rurki (podobnie jak żarówka). Wewnątrz szklanej bańki znajdował się mały metalowy drucik i duża metalowa płytka. Mały metalowy drut nagrzewał się i emitował elektryczność, która była przechwytywana przez płytkę. Duża metalowa płytka nie była podgrzewana, więc elektryczność mogła przepływać w jednym kierunku przez rurkę, ale nie w drugim. Zawory Fleminga nie są już zbyt często używane, ponieważ zostały zastąpione przez diody półprzewodnikowe, które są mniejsze niż zawory Fleminga. Thomas Edison również odkrył tę właściwość podczas pracy nad swoimi żarówkami.

Budowa

Diody półprzewodnikowe zbudowane są z dwóch rodzajów półprzewodników połączonych ze sobą. Jeden typ posiada atomy z dodatkowymi elektronami (tzw. strona n). Drugi typ posiada atomy, które nie posiadają elektronów (tzw. strona p). Z tego powodu elektryczność będzie łatwo przepływać od strony ze zbyt dużą ilością elektronów do strony ze zbyt małą ilością elektronów. Jednak w odwrotnym kierunku prąd nie popłynie łatwo. Te różne typy są wytwarzane przez domieszkowanie (półprzewodnik). Krzem z rozpuszczonym w nim arsenem jest dobrym półprzewodnikiem po stronie n, a krzem z rozpuszczonym w nim aluminium jest dobrym półprzewodnikiem po stronie p. Inne substancje chemiczne mogą również działać.

Złącze po stronie n nazywane jest katodą, złącze po stronie p nazywane jest anodą.

Funkcja diody

Dodatnie napięcie po stronie p

Jeżeli podasz dodatnie napięcie na stronę p i ujemne na stronę n, elektrony na stronie n będą chciały przejść do dodatniego napięcia na stronie p, a dziury na stronie p będą chciały przejść do ujemnego napięcia na stronie n. Z tego powodu przepływ prądu jest możliwy, ale potrzeba pewnej ilości napięcia, aby to się zaczęło (bardzo mała ilość napięcia nie wystarczy, aby prąd elektryczny zaczął płynąć). Napięcie to nazywane jest napięciem włączenia. Napięcie włączenia dla diody krzemowej wynosi około 0,7 V. Dioda germanowa potrzebuje napięcia włączającego na poziomie około 0,3 V.

Ujemne napięcie po stronie p

Jeśli zamiast tego podasz ujemne napięcie na stronę p i dodatnie na stronę n, to elektrony ze strony n będą chciały iść do źródła dodatniego napięcia zamiast na drugą stronę diody. To samo dzieje się po stronie p. Tak więc prąd nie będzie płynął pomiędzy obiema stronami diody. Zwiększanie napięcia w końcu zmusi do przepływu prądu (jest to napięcie przebicia). Wiele diod zostanie zniszczonych przez przepływ wsteczny, ale są też takie, które mogą go przetrwać.

Wpływ temperatury

Gdy temperatura wzrasta, napięcie włączenia spada. Dzięki temu prąd łatwiej przepływa przez diodę.

Rodzaje diod

Istnieje wiele rodzajów diod. Niektóre z nich mają bardzo specyficzne zastosowania, a niektóre mają różnorodne zastosowania.

Symbole

Oto kilka popularnych symboli diod półprzewodnikowych używanych w schematach ideowych:

Standardowa dioda prostownicza

Zmienia ona A/C (prąd zmienny, jak we wtyczce ściennej w domu) na D/C (prąd stały, używany w elektronice). Standardowa dioda prostownicza ma specyficzne wymagania. Powinna radzić sobie z dużym prądem, nie ulegać dużym wpływom temperatury, mieć niskie napięcie włączenia i obsługiwać szybkie zmiany kierunku przepływu prądu. Nowoczesna elektronika analogowa i cyfrowa używa takich prostowników.

Dioda emitująca światło

Dioda LED wytwarza światło, gdy przepływa przez nią prąd elektryczny. Jest to trwalszy i bardziej wydajny sposób wytwarzania światła niż żarówki żarowe. W zależności od tego, jak została wykonana, dioda LED może mieć różne kolory. Diody LED zostały po raz pierwszy użyte w latach 70-tych XX wieku. Dioda elektroluminescencyjna może ostatecznie zastąpić żarówkę, ponieważ rozwój technologii sprawia, że staje się ona jaśniejsza i tańsza (już teraz jest bardziej wydajna i ma dłuższą żywotność). W latach 70-tych diody LED były używane do wyświetlania liczb w urządzeniach takich jak kalkulatory, oraz jako sposób na pokazanie, że zasilanie jest włączone w większych urządzeniach.

Fotodioda

Fotodioda to fotodetektor (przeciwieństwo diody elektroluminescencyjnej). Reaguje ona na światło, które do niej dociera. Fotodiody mają okienko lub połączenie światłowodowe, które przepuszcza światło do czułej części diody. Diody zazwyczaj mają silną rezystancję; światło zmniejsza rezystancję.

Dioda Zenera

Dioda zenera jest jak zwykła dioda, ale zamiast zostać zniszczona przez duże napięcie wsteczne, przepuszcza prąd. Napięcie potrzebne do tego celu nazywane jest napięciem przebicia lub napięciem Zenera. Ponieważ jest ona zbudowana ze znanym napięciem przebicia, może być użyta do zasilania znanego napięcia.

Dioda waraktora

Dioda varicap lub varactor jest używana w wielu urządzeniach. Wykorzystuje ona obszar pomiędzy stroną p i n diody, gdzie elektrony i dziury równoważą się nawzajem. Jest to tak zwana strefa zubożenia. Zmieniając wielkość napięcia wstecznego, zmienia się wielkość strefy zubożenia. W tym obszarze znajduje się pewna pojemność, która zmienia się w zależności od wielkości strefy zubożenia. Nazywa się to zmienną pojemnością, lub w skrócie varicap. Jest ona używana w PLL (Phase-locked loops), które są używane do kontrolowania szybkiej częstotliwości, z jaką pracuje układ scalony.

Step-Recovery-Diode

Symbol ten jest symbolem diody z rodzajem trzasku. Stosuje się ją w obwodach o wysokich częstotliwościach do GHz. Wyłącza się bardzo szybko po ustaniu napięcia przewodzenia. Wykorzystuje do tego prąd, który płynie po odwróceniu polaryzacji.

Dioda PIN

Konstrukcja tej diody posiada wewnętrzną (normalną) warstwę pomiędzy stroną n i p. Przy niższych częstotliwościach zachowuje się ona jak standardowa dioda. Jednak przy dużych prędkościach nie nadąża za szybkimi zmianami i zaczyna zachowywać się jak rezystor. Warstwa wewnętrzna pozwala również na obsługę dużych mocy wejściowych i może być używana jako fotodioda.

Dioda Schottky'ego

Symbolem tego jest symbol diody, z literą "S" na szczycie. Zamiast obu stron półprzewodnika (jak krzem), jedna strona jest metalowa, jak aluminium lub nikiel. Zmniejsza to napięcie włączenia do około 0,3 V. Jest to około połowa napięcia progowego zwykłej diody. Działanie tej diody polega na tym, że nie są wstrzykiwane żadne nośniki mniejszościowe - po stronie n znajdują się tylko dziury, nie elektrony, a po stronie p tylko elektrony, nie dziury. Ponieważ jest to czystsze, może reagować szybciej, bez pojemności dyfuzyjnej, która może go spowolnić. To również tworzy mniej ciepła i jest bardziej wydajny. Ale to ma jakieś bieżące wycieki z odwrotnym napięciem.

Kiedy dioda przełącza się z prądu płynącego na prąd nie płynący, nazywa się to przełączaniem. W przypadku typowej diody trwa to dziesiątki nanosekund; powoduje to powstawanie szumów radiowych, które chwilowo pogarszają sygnał radiowy. Dioda Schottky'ego przełącza się w niewielkim ułamku tego czasu, poniżej jednej nanosekundy.

Dioda tunelowa

W symbolu diody tunelowej na końcu zwykłego symbolu znajduje się jakby dodatkowy nawias kwadratowy.

Dioda tunelowa składa się z wysoce domieszkowanego złącza pn-junction. Z powodu tego wysokiego domieszkowania, istnieje tylko bardzo wąska szczelina, przez którą elektrony są w stanie przejść. Ten efekt tunelowy występuje w obu kierunkach. Po przepuszczeniu pewnej ilości elektronów, prąd przez szczelinę maleje, aż do momentu, gdy zaczyna płynąć normalny prąd przez diodę przy napięciu progowym. Powoduje to powstanie obszaru o ujemnej rezystancji. Diody te są wykorzystywane do pracy z naprawdę wysokimi częstotliwościami (100 GHz). Jest ona również odporna na promieniowanie, dlatego stosuje się je w statkach kosmicznych. Stosuje się je również w mikrofalówkach i lodówkach.

Dioda wsteczna

Symbol ma na końcu znak przypominający duże I. Wykonana jest podobnie jak dioda tunelowa, ale warstwa n i p nie są tak wysoko domieszkowane. Pozwala ona na przepływ prądu do tyłu przy małych ujemnych napięciach. Może być używana do prostowania niskich napięć (poniżej 0,7 V).

Prostownik sterowany krzemem (SCR)

Zamiast dwóch warstw jak normalna dioda, ta ma cztery warstwy, to są w zasadzie dwie diody połączone razem, z bramką w środku. Kiedy napięcie przechodzi między bramką a katodą, dolny tranzystor włącza się. To pozwala na przepływ prądu, który aktywuje górny tranzystor, a wtedy prąd nie będzie musiał być włączany przez napięcie bramki.