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^[1].
W 1904 John Ambrose Fleming skonstruował diodę próżniową^[2].
W 1922 Oleg Władimirowicz Łosiew zbudował radio z półprzewodnikowym wzmacniaczem (krystadyna) zawierającym złącze metal-półprzewodnik^[3].
W 1927 Lars Grondahl i Paul Geiger zbudowali prostownik kuprytowy^[4], wkrótce uruchomiono ich seryjną produkcję.
W 1939 Russell Shoemaker Ohl zbudował złącze p-n^[5].
W trakcie II wojny światowej rozpoczęto masową produkcję germanowych diod ostrzowych do celów radarowych^[6].

Podział diod

(c) Topory, CC-BY-SA-3.0

Duodioda próżniowa AZ12

Lampy elektronowe

Próżniowe

Dioda próżniowa żarzona pośrednio	Dioda próżniowa żarzona bezpośrednio	Duodioda
(c) Bastianow, CC BY-SA 4.0

Lampowe diody próżniowe składają się z dwóch elektrod umieszczonych w szklanej lub rzadziej metalowej bańce o wysokiej próżni^[7]. 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^[8]. 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)^[9]. 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^[10].
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^[11].

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^[12].

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

Przypisy

↑ Wykład Noblowski F. Brauna.
↑ J.A. Fleming, US patent 803684, Instrument for converting alternating electric currents into continuous currents.
↑ Victor Gabel, The crystal as a generator and amplifier, Wireless World and Radio Review, Oct. 1, 1924.
↑ Lars Grondahl, and Paul H. Geiger, A new electronic rectifier, Trans. AIEE, vol. 46, 1927, s. 357–366.
↑ R. Buderi, Radar..., s. 332–333.
↑ R. Buderi, Radar..., s. 334–339.
↑ Z.Mendrygał, „1000 słów...”, s. 80.
↑ Z.Mendrygał, „1000 słów...”, s. 165.
↑ Z.Mendrygał, „1000 słów...”, s. 120.
↑ CREE Power products. [dostęp 2010-12-18]. [zarchiwizowane z tego adresu (2010-12-24)].
↑ B. Wilamowski, Specjalne..., s. 50.
↑ B. Wilamowski, Specjalne..., s. 16–17.

Bibliografia

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

[1] Wykład Noblowski F. Brauna.

[2] J.A. Fleming, US patent 803684, Instrument for converting alternating electric currents into continuous currents.

[3] Victor Gabel, The crystal as a generator and amplifier, Wireless World and Radio Review, Oct. 1, 1924.

[4] Lars Grondahl, and Paul H. Geiger, A new electronic rectifier, Trans. AIEE, vol. 46, 1927, s. 357–366.

[5] R. Buderi, Radar..., s. 332–333.

[6] R. Buderi, Radar..., s. 334–339.

[7] Z.Mendrygał, „1000 słów...”, s. 80.

[8] Z.Mendrygał, „1000 słów...”, s. 165.

[9] Z.Mendrygał, „1000 słów...”, s. 120.

[10] CREE Power products. [dostęp 2010-12-18]. [zarchiwizowane z tego adresu (2010-12-24)].

[11] B. Wilamowski, Specjalne..., s. 50.

[12] B. Wilamowski, Specjalne..., s. 16–17.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

Navigation

Nawigacja

Portale tematyczne