Dioda

Dioda – dwuzaciskowy (dwuelektrodowy) element elektroniczny, który przewodzi prąd elektryczny w sposób niesymetryczny, to jest w jednym kierunku bardziej 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 znaczne blokowanie jego przepływu w drugim (tu występuje wada diod, mają tzw. prąd wsteczny, prąd upływu). 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 LED (emitujące światło).

Historia

Detektor kryształkowy

• W 1897 Ferdinand Braun odkrył zjawisko prostowania na złączu metal-półprzewodnik, za co między innymi otrzymał w 1909 roku Nagrodę Nobla z fizyki.
• W 1904 John Ambrose Fleming skonstruował diodę próżniową.
• W 1922 Oleg Władimirowicz Łosiew zbudował radio z półprzewodnikowym wzmacniaczem (krystadyna) zawierającym złącze metal-półprzewodnik.
• W 1927 Lars Grondahl i Paul Geiger zbudowali prostownik kuprytowy, wkrótce uruchomiono ich seryjną produkcję.
• W 1939 Russell Shoemaker Ohl zbudował złącze p-n.
• W trakcie II wojny światowej rozpoczęto masową produkcję germanowych diod ostrzowych do celów radarowych.

Podział diod

Duodioda próżniowa AZ12

Lampy elektronowe

Próżniowe

Dioda próżniowa żarzona pośrednio	Dioda próżniowa żarzona bezpośrednio	Duodioda

Lampowe diody próżniowe składają się z dwóch elektrod umieszczonych w szklanej lub rzadziej metalowej bańce o wysokiej próżni. Katoda jest żarzona za pomocą prądu elektrycznego, a pod wpływem wysokiej temperatury zachodzi emisja termoelektronowa. W ten sposób katoda staje się źródłem elektronów, a ich przepływ jest możliwy tylko w jedną stronę: od katody do anody. Były produkowane w dwóch zasadniczych rodzajach: diody detekcyjne (do niewielkich sygnałów) i prostownicze (do układów zasilających).

Próżniowe diody prostownicze (zwłaszcza na wyższe napięcia) były nazywane kenotronami. Lampę złożoną z dwóch diod w jednej bańce nazywa się duodiodą.

Diody próżniowe wyszły z użycia i zostały zastąpione przez diody półprzewodnikowe.

Gazowane

Gazotron również składa się z dwóch elektrod (żarzonej katody i anody), ale są one umieszczone w bańce wypełnionej gazem (zwykle gazem szlachetnym, parami rtęci lub ich mieszaniną). Były stosowane w urządzeniach zasilających większej mocy (wyszły z użycia).

Półprzewodnikowe

Podział ze względu na materiał

Różne diody półprzewodnikowe; na samym dole mostek prostowniczy (Graetza)

Ogólny symbol diody

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 węgliku krzemu.
• Bardzo duża rozmaitość materiałów półprzewodnikowych występuje w diodach (elektroluminescencyjnych, laserowych i fotodiodach) będących przyrządami elektronowo-optycznymi, na przykład arsenek galu, azotek galu, antymonek indu.

Podział ze względu na budowę

Ze względu na budowę diody półprzewodnikowe możemy podzielić na:

Diody złączowe (dawniej warstwowe)

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

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 niedomieszkowaną. Charakteryzują się małą pojemnością złącza i są używane w układach wielkiej częstotliwości.

Ze względu na funkcję

Charakterystyka prądowo-napięciowa typowej diody uniwersalnej. Na wykresie zaznaczono obszary, w których dioda znajduje się w stanie przebicia (breakdown), jest spolaryzowana w kierunku zaporowym (reverse) oraz przewodzenia (forward). Na rysunku nie została zachowana skala – dla typowej diody napięcie przewodzenia $v_{d}$ jest małe w stosunku do wartości bezwzględnej napięcia przebicia $v_{br}.$

Diody uniwersalne

Diody uniwersalne charakteryzują się umiarkowanymi maksymalnymi napięciami wstecznymi i dopuszczalnymi prądami, średnimi częstotliwościami pracy i czasami przełączania. Są stosowane w obwodach sygnałowych jako detektory, przełączniki itp.

Diody prostownicze

Diody prostownicze służą do prostowania prądu przemiennego w układach zasilających. Charakteryzują się dużymi dopuszczalnymi napięciami wstecznymi i dopuszczalnymi prądami, natomiast zwykle mają niewielką maksymalną częstotliwość pracy.

Diody impulsowe

Diody impulsowe (przełączające) charakteryzują się niewielkim czasem przełączania przy zmianie polaryzacji pomiędzy kierunkiem przewodzenia i zaporowym.

Różnorakie diody specjalne spełniają w obwodach zadania inne niż jednokierunkowe przewodzenie prądu. Należą do nich:

Diody pojemnościowe

Symbol diody pojemnościowej

Diody pojemnościowe (warikapy, waraktory) pełniące rolę zmiennej pojemności sterowanej napięciem. Są wykorzystywane między innymi w przestrajanych elektronicznie obwodach rezonansowych.

Diody elektroluminescencyjne

Symbol LED

Do diod emitujących promieniowanie elektromagnetyczne o różnej charakterystyce, w zakresie ultrafioletu, podczerwieni i widzialnym, należą diody elektroluminescencyjne (LED) i diody superluminescencyjne (SLD).

Diody laserowe

Jedną z klas laserów półprzewodnikowych są lasery złączowe, zwane diodami laserowymi.

Diody mikrofalowe

Symbol diody tunelowej

Diody mikrofalowe to diody przeznaczone do prostowania, generacji i wzmacniania przebiegów elektrycznych w zakresie częstotliwości mikrofalowych. Należą do nich diody tunelowe (Esakiego), diody Gunna, diody ładunkowe i inne.

Diody Zenera

Symbol diody Zenera

Diody Zenera (stabilistory) mają określone napięcie w kierunku zaporowym, przy którym zaczyna gwałtownie wzrastać ich prąd wsteczny. Są wykorzystywane w układach stabilizacji napięcia. Podobne diody lawinowe stosuje się w układach zabezpieczających przed przepięciami, mają one dużą zdolność absorbowania energii.

Zobacz też

• pasmowa teoria przewodnictwa
• diak, transil, triak, tyrystor

Bibliografia

• Bogdan Maciej Wilamowski: Specjalne przyrządy półprzewodnikowe. Warszawa: Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, 1982. ISBN 83-206-0283-1. Brak numerów stron w książce
• Zenon Mendygrał: 1000 słów o radiu i elektronice. Warszawa: Wydawnictwo Ministerstwa Obrony Narodowej, 1985. ISBN 83-11-07123-3. Brak numerów stron w książce
• John Orton: The Story of Semiconductors. Oxford: Oxford University Press, 2004. ISBN 0-19-853083-8. Brak numerów stron w książce
• Robert Buderi: Radar – wynalazek, który zmienił świat. Warszawa: Prószyński i S-ka, 2006. ISBN 83-7469-188-3. Brak numerów stron w książce