Dioda jest to przyrząd elektroniczny z dwiema elektrodami mający

Diody
Dioda jest to przyrząd elektroniczny z dwiema elektrodami mający niesymetryczna
charakterystykę prądu płynącego na wyjściu w funkcji napięcia na wejściu.
Symbole graficzne diody, półprzewodnikowej (a) i
próżniowej (b) oraz charakterystyka diody (c)
Dzięki takiej charakterystyce diody można stosować w wielu układach jako element ,
który łatwo przepuszcza prąd w jednym kierunku i prawie nie przepuszcza go w
kierunku przeciwnym.
Rozróżnia się diody półprzewodnikowe pracujące na zasadzie wykorzystania
właściwości złącza p-n powstałego z połączenia półprzewodnika typu n i typu p.
Złącza p-n
Złącze p-n powstaje wtedy, gdy w krysztale półprzewodnika wytworzone
zostaną dwa obszary o odmiennym typie przewodnictwa p i n.
Nośniki większościowe
Koncentracja elektronów swobodnych w obszarze n jest znacznie, większa niż w
obszarze p, w którym stanowią one nośnik mniejszościowe. Podobnie w obszarze n
następuje większa koncentracja dziur. Wskutek różnicy koncentracji ładunków
następuje dyfuzja nośników większościowych: elektronów z obszaru n do p i dziur z
obszaru p do n.
Nośniki miejszościowe
Obszar zubożony
W wyniku procesu dyfuzji w warstwie granicznej po stronie obszaru n zanikają
elektrony swobodne, a pozostaje niezrównoważone elektrycznie dodatnie jony
donorów, tworząc dodatni ładunek przestrzenny. W analogiczny sposób powstaje
ujemny ładunek przestrzenny po stronie obszaru p.
Na złączu powstaje pole elektryczne i bariera potencjału. Pole elektryczne
przeciwdziała dyfuzji nośników większościowych, natomiast sprzyja przepływowi
nośników mniejszościowych: elektronów swobodnych z obszaru p do n i dziur z
obszaru n do p.
W warunkach równowagi dynamicznej złącza prądy te wzajemnie
się kompensuje.
Złącze p-n spolaryzowane w kierunku przewodzenia
Złącze p-n spolaryzowane w kierunku zaporowym
Gdy do złącza p-n doprowadzone zostanie z zewnątrz napięcie dodatnie: biegun
źródła połączony z obszarem p, a ujemny biegun z obszarem n to bariera potencjału
obniża się o wartość tego napięcia. Przez obszar przejściowy przepływa duży prąd
dziurowy z p do n i prąd elektronowy z n do p. Ten sposób polaryzacji złącza
nazywa się polaryzacją w kierunku przewodzenia (dobre przewodzenie prądu) co
oznacza mała rezystancję wewnętrzna. W przypadku polaryzacji odwrotnej bariera
potencjału zwiększa się o wartość tego napięcia na wejściu, co powoduje
hamowanie przepływu nośników większościowych (tworzy się warstwa zaporowa).
Ten sposób polaryzacji złącza nazywa się polaryzacja w kierunku zaporowym
(przez złącze przypływa nieznaczny prąd wsteczny wywołany ruchem nośników
mniejszościowych) co oznacza duża rezystancję wewnętrzna. Prąd wsteczny zależy
od temperatury złącza, gdyż jego główna składowa jest prąd termiczny.
Rodzaje diod półprzewodnikowych
Rozróżnia się diody prostownicze, diody Zenera, diody tunelowe, fotodiody,
diody luminescencyjne, pojemnościowe itp.
Diody prostownicze: Dioda prostownicza może być wytworzona w płytce
monokryształu germanu lub krzemu w technologii dyfuzyjnej.
Z charakterystyki diody prostowniczej (dioda krzemowa) przy różnych temperaturach
złącza wynika, że w stanie przewodzenia na diodzie występuje nieznaczny spadek
napięcia rzędu 1 V, a w stanie zaporowym przez diodę przepływa nieznaczny prąd
wsteczny silnie zależy od temperatury złącza. Przy przekroczeniu pewnej wartości
napięcia wstecznego Umax prąd wsteczny szybko wzrasta, co może spowodować
uszkodzenie diody. Dopuszczalna temperatura złącza p-n diod germanowych jest
rzędu 90°C, a złącz krzemowych około 150°C. Diody prostownicze dużej mocy są
zwykle zaopatrzone w radiatory, chłodzone wymuszonym obiegiem powietrza.
Diody Zenera: Diody Zenera są to specjalne diody krzemowe, w których
wykorzystuje się zakrzywienie charakterystyki prądowo-napięciowej w obszarze
przebicia.
Kierunek
przewodzenia
Kierunek
zaporowy
Przebicie to nie jest niszczące, jeżeli nie zostanie przekroczona moc admisyjna
diody. Przyczyną gwałtownego wzrostu prądu jest nadmierny wzrost natężenia pola
elektrycznego w warstwie zaporowej wywołujący dwa zjawiska: jonizację zenera
oraz jonizację lawinową.
W przypadku złączy wąskich powstających przy dużym domieszkowaniu już dla
napięć kilku Voltów natężenie pola elektrycznego staje się tak duże, że następuje
tzw. jonizacja zenera polegająca na przechodzeniu elektronów z pasma
walencyjnego materiału p i przenoszeniu ich przez barierę do pasma przewodnictwa
materiału n. Z kolei jonizacja lawinowa występująca w złączach szerokich, gdzie
domieszkowanie jest niewielkie, jest spowodowana bombardowaniem atomów siatki
krystalicznej przez rozpędzone elektrony powodujące lawinowy proces tworzenia się
nowych nośników zwiększających szybko prąd wsteczny. Napięcia wsteczne UZ,
przy którym następuje gwałtowne zakrzywienie charakterystyki zależy od
rezystywności użytego krzemu (od kilku do kilkudziesięciu Voltów). Spadek napięcia
na diodzie w obszarze przebicia zwanym napięciem stabilizacji, prawie nie zależy od
prądu przepływającego przez diodę a jedynie od rezystancji dynamicznej rZ,
wyrażającej stosunek przyrostu napięcia stabilizacji ∆US do przyrostu prądu ∆IS: rZ=
∆US/∆IS. W rzeczywistości rZ diody Zenera w zakresie stabilizacji jest bardzo mała i
dlatego przejmuje się, że napięcie stabilizacji jest równe wartości napięcia Zenera
UZ.
Maksymalna wartość prądu Ismax, przy której dioda Zenera może pracować bez
uszkodzeń, jest ograniczona jej mocą dopuszczalną Pmax zgodnie z zależnością:
Ismax = Pmax / Uz.
Diody Zenera znajdują szerokie zastosowanie w układach stabilizacyjnych,
ograniczających napięcie, jako wysoko stabilne źródła napięć wzorcowych itp.
Diody tunelowe: Dioda tunelowa jest to dioda półprzewodnikowa, w której dzięki
zastosowaniu bardzo dużej koncentracji domieszek powstaje bardzo wąska bariera
pozwalająca na wstąpienie tzw. przejścia tunelowego.
Symbol graficzny diody tunelowej (a) i jej
charakterystyka (b)
W charakterystyce napięciowo-prądowej diody tunelowej występuje gałąź
odpowiadająca ujemnej rezystancji dynamicznej (spowodowana wzrostem napięcia i
ujemnym przyrostem prądu). Przejścia elektronów przez barierę występuje zarówno
przy polaryzacji wstecznej jak i przy małych napięciach polaryzacji w kierunku
przewodzenia, przy której występuje maksimum prądu. Dalsze zwiększenie napięcia
powoduje iż przechodzenie elektronów przez barierę zanika (małe pola elektryczne).
Nazwa "tunelowy" wynika z dokładniejszej interpretacji złożonych zjawisk w złączu,
która zakłada, że elektrony nie mogąc przejść w normalny sposób ponad bariera
potencjału przechodzi pod barier, tzn. tunelem. Diody tunelowe są stosowane w
układach wzmacniających bardzo wysokie częstotliwości.
Charakterystyka
diody tunelowej
napięciowo-prądowa
Fotodiody: Fotodiodę stanowi złącze p-n, w którym wykorzystuje się zjawisko
generowania mniejszościowych nośników ładunku pod wpływem energii świetlnej.
Fotodioda jest spolaryzowana napięciem stałym w kierunku zaporowym i oświetlona
przez specjalne okienko w obudowie, wykonane w postaci soczewki. Przez fotodiody
w stanie nieoświetlonym przypływa nieznaczny prąd wsteczny zwanym prądem
ciemnym powstały wskutek istnienia w złączu nośników mniejszościowych,
generowanych termicznie. oświetlenie fotodiody zarówno w złączu jak i na granicy
między obszarami p i n powoduje wzrost liczby nośników mniejszościowych, a
zatem - wzrost prądu w obwodzie (kwanty energii świetlnej generują w złączu p-n
pary: elektron-dziura).
Fotodioda: a) schemat układu pracy, b) symbol graficzny, c) widok zewnętrzny
Charakterystyki napięciowo-prądowe fotodiody
germanowej
Charakterystyki widmowe fotodiody germanowej (Ce) i
krzemowej (Si)
Fotodiody wykonywane są najczęściej z germanu lub krzemu. Zaletą germanu jest
większy prąd fotoelektryczny, a zaletą krzemu mniejszy prąd ciemny. Czułość
fotodiody jest największa dla promieniowania o długości 1.5 µm dla germanu i 0,7
µm dla krzemu.
Diody luminescencyine (elektrotuminescencyine) LED:
Zjawisko elektroluminescencji w diodach półprzewodnikowych polega na
wytwarzaniu światła pod wpływem pola elektrycznego w wyniku rekombinacji dziur i
elektronów w spolaryzowanym złączu p-n (wprowadzanie dużej liczby nośników
mniejszościowych przez złącze spolaryzowane w kierunku przewodzenia do
obszaru, w którym mogą one łatwo rekombinować z nośnikami większościowymi).
Przechodzenie elektronów z wyższego poziomu energetycznego na niższy powoduje
wydzielanie energii w postaci światła.
Dioda luminescencyjna: a) budowa, b) symbol graficzny, c) charakterystyka
napięciowo-prądowa, d) zależność mocy promienistej od prądu
Istnieją diody elektroluminescencyjne próżniowe, gazowane i półprzewodnikowe.
Ostatnie najczęściej stosowane np. arsenku galu GaAs, którego częstotliwość
promieniowania leży w paśmie podczerwieni. Przez odpowiednie dozowanie
domieszek fosforu można przesunąć częstotliwość promieniowania do pasma
widzialnego.
W zależności od materiału, z którego wykonano diodę, otrzymuje się diody święcące
czerwono, zielono itp. Diody ty stosuje się m.in. w kalkulatorach, zegarkach,
przyrządach pomiarowych, jako wskaźniki poziomu sygnału ze względu na ich duża
wydajność i trwałość.
Diody pojemnościowe (warikapy): Struktura złącza p-n diody pojemnościowej
przypomina kondensator płaski. Okładkami tego kondensatora są obszary p i n o
małej rezystywności, a dielektrykiem-warstwa zaporowa. Szerokość warstwy
zaporowej (pojemność złącza), można zmieniać przez zmianę napięcia
zewnętrznego polaryzującego złącza w kierunku zaporowym. Jeżeli napięcie
zaporowe wzrośnie, to obszar dielektryczny złącza ulegnie rozszerzeniu, a
pojemność złącza maleje jak w kondensatorze przy rozsuwaniu jego okładek.
Przy napięciu U = 0 pojemność warikapu jest największa, a przy wzroście napięcia
polaryzacji zaporowej - maleje. Warikapy wykonuje się jako diody krzemowe
stosowane do automatycznego dostrajania obwodów rezonansowych, w układach
wzmacniających.