Dióda

Dióda je elektrotechnická súčiastka s dvoma elektródami, označovanými ako anóda a katóda, ktorá sa vyznačuje veľmi odlišným tvarom Volt-Ampérovej charakteristiky v závislosti na polarite priloženého napätia.

Po pripojení anódy na kladnejšie napätie ako je na katóde, kladie dióda len malý odpor priechodu elektrickému prúdu, zatiaľ čo pri opačnom zapojení je dióda takmer nevodivá. Pozrime sa na to ako taká dióda funguje.

Schématická značka

Druhy polovodičových diód

Polovodičová dióda

Polovodičová dióda sa skladá z dvoch prímesových polovodičov - jeden polovodič je typu N (katóda) a druhý polovodič je typu P (anóda). Na rozhraní polovodičov vznikne priechod PN (hradlová vrstva), ktorý v ideálnom prípade prepúšťa prúd iba jedným smerom.

Základom diódy býva germániová alebo kremíková doštička, obohatená z jednej strany o prvok s piatimi valenčnými elektrónmi (fosfor, arzén), z druhej strany o prvok s tromi valenčnými elektrónmi (bór, hliník, gálium, indium). Vzájomným silovým pôsobením medzi časticami sa na priechode PN vytvorí vnútorné elektrické pole.

Prahové napätie U_P je napätie v priepustnom smere, pri ktorom diódou začína prechádzať prúd I_F (U_F> U_P). Ak dosiahne však záverné napätie U_R hodnoty označené U_BR (podľa typu diódy až niekoľko sto voltov), dôjde k prudkému nárastu záverného prúdu a nastáva proces vedúci až ku zničeniu diódy.

Tieto diódy sa najčastejšie využívajú na usmernenie striedavého prúdu buď samostatne alebo ako súčasť usmerňovača.

Zenerova dióda

Je kremíková plošná polovodičová dióda s veľmi tenkým priechodom PN. Pri pôsobení napätia U_R v závernom smere vzniká vo vyprázdnenej oblasti veľká intenzita elektrostatického poľa, že dochádza k vytrhávaniu elektrónov z väzieb kryštálovej mriežky. To má za následok prudký vzrast minoritných nosičov náboja.

Pri dosiahnutí určitého napätia U_R v závernom smere nastane nedeštruktívny prieraz - prudko stúpne prúd I_R. V tejto oblasti pripadá na malú zmenu napätia ∆U veľká zmena prúdu ∆I. Tento druh prierazu sa nazýva Zenerov prieraz. V závislosti od konštrukcie PN priechodu je to od napätia cca 3 V. Napätie, pri ktorom nastáva tento prieraz sa nazýva Zenerovo napätie U_z. Ale ak prúd I_R diódou prekročí určitú hranicu, dôjde k prehriatiu priechodu a tým k zničeniu diódy. Z tohto dôvodu sa u stabilizačných diód udáva tepelný odpor R_th (súvisí s prevedením diódy, typom púzdra atď.) a najväčšia prípustná anódová strata P_adov.

V priepustnom smere sa Zenerova dióda správa ako bežná usmerňovacia dióda.

Priemyselne vyrábané Zenerove diódy sa konštruujú s ohľadom na určitú konkrétnu hodnotu Zenerovho napätia U_Z. Využívajú sa v usmerňovačoch a stabilizátoroch napätia.

Schottkyho dióda

Je polovodičová dióda využívajúca usmerňovacie vlastnosti priechodu kov-polovodič. Má menší úbytok napätia v priepustnom smere ako obyčajné usmerňovacie diódy, je však schopná odolávať menším napätiam v závernom smere (10V až 150V) oproti normálnym diódam.

Schottkyho diódy sú veľmi rýchle (reverse recovery time v jednotkach ns). Vedenie prúdu sa v Schottkyho dióde zúčastňujú len majoritné nosiče a pri difúzii sa na okrajoch hradlovej vrstvy nekumulujú minoritné nosiče, preto je čas medzi vznikom a zánikom hradlovej vrstvy značne menšie. Z tohto dôvodu sa môžu Schottkyho diódy využiť pri usmerňovaní vyšších frekvencií.

V priepustnom smere sa blíži k ideálnemu spínaču (U_P ≈ 0,25V), v závernom smere má podstatne vyšší prúd než diódy s PN priechodom aj nižšie prierazné napätie U_BR (U_BR je maximálne niekoľko stoviek V). Spínacia doba je v rádoch pikosekúnd.

Vyššie spomenuté parametre predurčujú Schottkyho diódy pre využitie v extrémne rýchlych spínacích obvodoch vo výpočtovej technike, radarových zariadeniach či na usmernenie malých napätí s frekvenciou až do desiatok GHz.

Tiež boli vyvinuté výkonové verzie týchto diód, ktoré sa s obľubou využívajú na usmerňovanie malých napätí v spínaných zdrojoch (napríklad počítačové zdroje). Tu sa síce jedná len o kmitočty stoviek kHz, ale prúdy dosahujú desiatok ampér. Prípadne tieto diódy zvyčajne pracujú aj so signálmi obdĺžnikového priebehu a prechádzajú zo stavu vodivého do nevodivého a naopak.

Tunelová dióda

Tunelová dióda alebo Esakiho dióda je polovodičová dióda, ktorá sa vyrába zo silne dotovaného germánia alebo arzenidu gália. Je to dióda, ktorá vykazuje na Volt-Ampérovej charakteristike oblasť záporného diferenciálneho odporu.

Pri spätnom zapojení sa chová ako lineárny rezistor s malým odporom. Oblasť VA charakteristiky so záporným dynamickým odporom vzniká vplyvom tunelového javu. Tento jav vzniká pri veľmi úzkych priechodoch PN s veľmi vysokou koncentráciou prímesí po oboch stranách priechodu PN.

Tunelová dióda, ktorej VA-charakteristika je na obrázku, má v priepustnom smere medzi bodmi P a V záporný dynamický odpor, čo sa dá využiť na zostrojenie oscilátora. Napätie U_P je asi 0,1V, U_V asi 0,3V až 0,4V. V závernom smere sa tunelová dióda chová ako lineárny rezistor s malým odporom.

Tunelové diódy sa používajú v oscilátoroch a zosilňovačoch až do veľmi vysokých frekvencií (f = 10GHz). Avšak s rozvojom bipolárnych a unipolárnych tranzistorov sa tunelové diódy prestali sériovo vyrábať pre ich značné nedostatky.

LED dióda

Luminiscenčná dióda alebo svetelná dióda (LED light-emitting diode) je polovodičová elektronická súčiastka, ktorá vyžaruje úzkospektrálne svetlo, keď ňou prechádza elektrický prúd v priepustnom smere.

Svietiaci jav vzniká následkom žiarivej rekombinácie elektrónovo-dierového páru a je formou elektroluminiscencie. Farba vyžarovaného svetla závisí od štruktúry PN priechodu aj od použitého materiálu.

LED sa tradične používajú najmä ako indikátory a ako zobrazovacie prvky v segmentových zobrazovačoch a bodových maticových zobrazovačoch (známe ako „bežiace nápisy“). Známe je aj ich použitie vo veľkoplošných zobrazovačoch používaných na reklamné účely.

V poslednom čase s nástupom vysokosvietivých LED sa začalo ich využívanie na osvetľovacie účely a v dopravnej svetelnej signalizácii (cestné semafory, železničné návestidlá). Pre svoju dlhú životnosť a otrasuvzdornosť sa uplatňujú aj v automobiloch, dokonca aj ako náhrada koncových brzdových či smerových svetiel. Riešenia v interiéroch ako náhrada žiaroviek je zatiaľ veľmi drahá.

Infračervené LED a najmä laserové diódy sa používajú na prenos informácií prostredníctvom optických vláken. Laserové diódy našli hromadné uplatnenie aj v oblasti uchovávania údajov (CD, DVD). Najlacnejšie sa vyrábajú infračervené diódy, po nich najlacnejšie svietivé sú červené. Zelené sú o približne o 20% drahšie ako červené. Modré sú podľa výrobcu aj niekoľkonásobne drahšie ako červené, ale ich cena v poslednom čase prudko klesá. Samostatnou konštrukčnou kategóriou sú OLED (organické LED).

Fotodióda

Fotodióda je plošná polovodičová dióda konštrukčne upravená tak, aby do oblasti PN priechodu prenikalo svetlo. Ak nie je priechod osvetlený, má Volt-Ampérová charakteristika rovnaký priebeh, ako charakteristika bežnej diódy.

Vplyv osvetlenia PN priechodu môžeme sledovať v polarizácii diódy v závernom smere, kedy dochádza k lineárnemu rastu anódového prúdu pri rovnomernom zväčšovaní osvetlenia. Dióda sa teda správa ako pasívna súčiastka, ktorej prúd v závernom smere je závislý na osvetlení. Fotodióda reaguje na zmeny osvetlenia veľmi rýchlo, rádovo 10^-6-10^-9 s.

Pretože obyčajná fotodióda pri vyšších frekvenciách vykazuje dlhú dobu odozvy (nejaký čas trvá, než sa nosiče pri dopade svetla uvoľnia a tiež kým po zhasnutí svetla odtečú z vyprázdnenej oblasti), pre použitie predovšetkým na účely dátových prenosov cez optické vlákna je určená PIN fotodióda, ktorá má medzi priechod PN vloženou tenkú vrstvu takmer čistého polovodiča označovanú I. Táto vrstva umožňuje prevádzkovať diódu na väčšie napätie, ktorá viac urýchľuje svetlom uvoľnené nosiče a skracuje tak dobu odozvy fotodiódy.

Varikap

Varikap alebo kapacitná dióda je špeciálna polovodičová dióda slúžiaca ako napätím riadený kondenzátor. Využíva sa toho, že PN priechod, ktorý je polarizovaný v závernom smere, sa chová ako kondenzátor.

Šírka priechodu PN (hradlovej vrstvy) je v závernom smere závislá na napätí. S rastúcim napätím sa hradlová vrstva rozširuje, zatiaľ čo kapacita priechodu klesá. Tento efekt sa objavuje u všetkých polovodičových diód, ale varikap je pre tento účel špeciálne prispôsobený.

Varikap sa používa v ladených obvodoch (napríklad v rozhlasových a televíznych prijímačoch) a iných obvodoch vyžadujúcich premennú kapacitu. Vo väčšine aplikácií vytlačil varikap otočné kondenzátory.

Polovodičová dióda v elektrickom obvode

Priepustný smer

Na anóde je kladnejšie napätie ako na katóde - dióda spočiatku, až do určitého prahového napätia (pre bežnú kremíkovú diódu je to asi 0,6V) takmer nevedie prúd, potom ale začne prúd so zvyšujúcim sa napätím prudko rásť a ak nie je obmedzený ďalšími obvodovými prvkami, čoskoro dosiahne maximálneho priepustného prúdu (pre obvyklé usmerňovacie diódy sú to jednotky ampér, ale existujú aj výkonové diódy bežne znášajúce prúdy tisícov ampér) a dôjde k tepelnej deštrukcii diódy.

Záverný smer

Na anóde je zápornejšie napätie ako na katóde - diódou preteká len minimálny prúd (pre bežnú kremíkovú usmerňovaciu diódu ide o prúd v rádoch mikroampérov) prakticky bez ohľadu na napätie až do dosiahnutia záverného napätia (čo môžu byť rádovo volty pre LED alebo tisíce voltov pre špeciálne diódy) pri ktorom začne prúd opäť prudko rásť a ak nie je obmedzený ostatnými prvkami obvodu dôjde k deštrukcii diódy - pokiaľ je však prúd obmedzený na prípustnú hodnotu, je tento proces vratný a dióda v tejto oblasti môže pracovať (toho využívajú Zenerove a lavínové diódy).

Striedavý obvod

Zapojením diódy do obvodu striedavého prúdu dôjde k jednocestnému usmerneniu striedavého prúdu.

Prúd môže diódou prechádzať iba v jednom smere, tzn. iba v jednej polovici periódy.

Toto je princíp jednoduchého usmerňovača.

Grätzovo zapojenie

K dvojcestnému usmerneniu striedavého prúdu sa používajú štyri diódy zapojené podľa schémy, taktiež sa nazýva aj ako zapojenie do mostíka.

Striedavý prúd prechádza v jednej polovici periódy prvou dvojicou diód (1 a 2), v druhej polovici periódy druhou dvojicou diód (3 a 4), pričom smer prúdu vystupujúceho z mostíka je stále rovnaký. Veľkosť prúdu sa na výstupe mení.

Pre vyhladenie napätia sa používa tzv. filtračný kondenzátor, ktorého kapacita sa spočíta [mF] kde:

k je konštanta (pre dvojcestné zapojenie je rovné 200, pre jednocestné usmernenie 400)
I výst [A] prúd záťažou (určí sa podľa elektrického odporu alebo výkonu a napätia)
p [%] je tzv. činiteľ zvlnenia (ak je 0% tak požadujeme dokonale vyhladené napätie na výstupe)
Uss [V] je výstupné jednosmerné napätie

Parametre polovodičovej diódy

• Prahové napätie - elektrické napätie, pri ktorom dôjde k zrušeniu hradlovej vrstvy
• Prierazné napätie - elektrické napätie, ktoré spôsobí pri zapojení v závernom smere zničenie priechodu PN a priechod prúdu diódou
• VA charakteristika - závislosť prúdu pretekajúceho diódou na napätie medzi vývody
• Maximálne zaťaženie - najväčší možný výkon elektrického prúdu nepoškodzujúc diódu
• Maximálny prúd - najväčší prúd, ktorý môže prechádzať diódou
• Teplotné rozmedzie - rozmedzie teplôt, pri ktorých môže dióda pracovať

Ako funguje dióda

V nasledujúcom videu (od českého autora: ViaExplore - Tomáš Kamenický) sa dozviete ako funguje dióda.

Ako funguje polovodičová dióda

Ako funguje fotodióda a solárny článok