Dióda

História

Prvé typy diód sa nazývali Flemingove ventily. Boli to vákuové elektrónky. Boli vo vnútri sklenenej trubice (podobne ako žiarovka). Vo vnútri sklenenej žiarovky bol malý kovový drôt a veľká kovová platňa. Malý kovový drôt sa zahrieval a vyžaroval elektrinu, ktorú zachytávala platňa. Veľká kovová doska sa nezahrievala, takže elektrina mohla prechádzať trubicou jedným smerom, ale nie druhým smerom. Flemingove ventily sa už veľmi nepoužívajú, pretože ich nahradili polovodičové diódy, ktoré sú menšie ako Flemingove ventily. Túto vlastnosť objavil aj Thomas Edison pri práci na svojich žiarovkách.

Konštrukcia

Polovodičové diódy sa skladajú z dvoch typov navzájom prepojených polovodičov. Jeden typ má atómy s elektrónmi navyše (nazývaný n-stranou). Druhý typ má atómy, ktoré chcú elektróny (nazývané p-strana). Z tohto dôvodu bude elektrina ľahko prúdiť zo strany s príliš veľkým počtom elektrónov na stranu s príliš malým počtom. Elektrina však nebude ľahko prúdiť opačným smerom. Tieto rôzne typy sa vyrábajú dopovaním (polovodič). Kremík s rozpusteným arzénom je dobrý polovodič na strane n, zatiaľ čo kremík s rozpusteným hliníkom je dobrý polovodič na strane p. Môžu fungovať aj iné chemikálie.

Konektor na strane n sa nazýva katóda, konektor na strane p sa nazýva anóda.

Štruktúra elektrónkovej diódy

Funkcia diódy

Kladné napätie na strane p

Ak dáte kladné napätie na stranu p a záporné napätie na stranu n, elektróny na strane n budú chcieť ísť na kladné napätie na strane p a diery na strane p budú chcieť ísť na záporné napätie na strane n. Z tohto dôvodu môže existovať tok prúdu, ale na jeho spustenie je potrebné určité množstvo napätia (veľmi malé množstvo napätia nestačí na to, aby začal tiecť elektrický prúd). Toto napätie sa nazýva zapínacie napätie. Zapínacie napätie kremíkovej diódy je približne na úrovni 0,7 V. Germániová dióda potrebuje zapínacie napätie približne 0,3 V.

Záporné napätie na strane p

Ak namiesto toho privediete záporné napätie na stranu p a kladné napätie na stranu n, elektróny strany n budú chcieť prejsť na zdroj kladného napätia namiesto na druhú stranu diódy. To isté sa deje na strane p. Prúd teda nebude tiecť medzi oboma stranami diódy. Zvýšenie napätia nakoniec prinúti elektrický prúd tiecť (to je rozkladné napätie). Mnohé diódy sa spätným tokom zničia, ale vyrábajú sa aj také, ktoré ho dokážu prežiť.

Vplyv teploty

Keď sa teplota zvýši, zapínacie napätie sa zníži. To uľahčuje prechod elektrickej energie cez diódu.

Typy diód

Existuje mnoho typov diód. Niektoré majú veľmi špecifické použitie a niektoré majú rôzne spôsoby použitia.

Symboly

Tu sú niektoré bežné symboly polovodičových diód používané v schémach:

Dióda	Zenerova dióda	Schottkyho dióda	Tunelová dióda
Svetelná dióda	Fotodióda	Varicap	Kremíkom riadený usmerňovač

Štandardná usmerňovacia dióda

Tým sa zmení striedavý prúd A/C (ako v zástrčke v domácnosti) na jednosmerný prúd D/C (používaný v elektronike). Štandardná usmerňovacia dióda má špecifické požiadavky. Mala by zvládnuť vysoký prúd, nemala by byť veľmi ovplyvnená teplotou, mať nízke vypínacie napätie a podporovať rýchle zmeny smeru toku prúdu. Moderná analógová a digitálna elektronika používa takéto usmerňovače.

Svetelná dióda

LED dióda produkuje svetlo, keď ňou prúdi elektrický prúd. Je to dlhšie trvajúci a účinnejší spôsob vytvárania svetla ako žiarovky. V závislosti od spôsobu výroby môže LED dióda vytvárať rôzne farby. LED diódy boli prvýkrát použité v 70. rokoch 20. storočia. Svetelná dióda môže časom nahradiť žiarovku, pretože vďaka vyvíjajúcej sa technológii je jasnejšia a lacnejšia (už teraz je účinnejšia a má dlhšiu životnosť). V 70. rokoch 20. storočia sa LED diódy používali na zobrazovanie číslic v prístrojoch, ako sú kalkulačky, a ako spôsob zobrazenia zapnutého napájania väčších spotrebičov.

Fotodióda

Fotodióda je fotodetektor (opak svetelnej diódy). Reaguje na prichádzajúce svetlo. Fotodiódy majú okienko alebo pripojenie optického vlákna, ktoré prepúšťa svetlo do citlivej časti diódy. Diódy majú zvyčajne silný odpor; svetlo tento odpor znižuje.

Zenerova dióda

Zenerova dióda je ako normálna dióda, ale namiesto toho, aby sa zničila veľkým spätným napätím, prepúšťa elektrinu. Napätie potrebné na tento účel sa nazýva prierazné napätie alebo Zenerovo napätie. Keďže je skonštruovaná so známym prierazným napätím, môže sa použiť na napájanie známym napätím.

Varaktorová dióda

Varikap alebo varaktorová dióda sa používa v mnohých spotrebičoch. Využíva oblasť medzi p-stranou a n-stranou diódy, kde sa vzájomne vyrovnávajú elektróny a diery. Táto oblasť sa nazýva deplečná zóna. Zmenou veľkosti spätného napätia sa mení veľkosť vyčerpávacej zóny. V tejto oblasti je určitá kapacita, ktorá sa mení v závislosti od veľkosti vyčerpávajúcej zóny. Toto sa nazýva premenlivá kapacita alebo skrátene varikap. Používa sa v PLL (Phase-locked loops), ktoré sa používajú na riadenie vysokorýchlostnej frekvencie čipu.

Krokový režim obnovy

Symbol je symbolom diódy s akýmsi zádrhelom. Používa sa v obvodoch s vysokými frekvenciami až do GHz. Veľmi rýchlo sa vypína, keď sa priame napätie zastaví. Využíva na to prúd, ktorý tečie po zmene polarity.

PIN dióda

Konštrukcia tejto diódy má vlastnú (normálnu) vrstvu medzi n- a p-stranou. Pri pomalších frekvenciách sa správa podobne ako štandardná dióda. Pri vysokých rýchlostiach však nestíha rýchle zmeny a začína sa správať ako rezistor. Vnútorná vrstva jej tiež umožňuje zvládnuť vysoké príkony a môže sa použiť ako fotodióda.

Schottkyho dióda

Jej symbolom je symbol diódy s písmenom "S" na vrchole. Namiesto toho, aby obe strany boli polovodičové (ako kremík), jedna strana je kovová, ako hliník alebo nikel. Tým sa znižuje vypínacie napätie na približne 0,3 V. To je približne polovica prahového napätia bežnej diódy. Funkcia tejto diódy spočíva v tom, že sa nevstrekujú žiadne menšinové nosiče - na strane n sú len diery, nie elektróny, a na strane p sú len elektróny, nie diery. Keďže je to čistejšie, môže reagovať rýchlejšie, bez difúznej kapacity, ktorá by ju mohla spomaliť. Vytvára tiež menej tepla a je efektívnejší. Má však určitý únik prúdu pri spätnom napätí.

Keď dióda prepína z pohyblivého prúdu na nepohyblivý, nazýva sa to spínanie. V typickej dióde to trvá desiatky nanosekúnd; vzniká tak určitý rádiový šum, ktorý dočasne zhoršuje rádiové signály. Schottkyho dióda sa prepne za malý zlomok tohto času, za menej ako nanosekundu.

Tunelová dióda

V symbole tunelovej diódy je na konci bežného symbolu akási dodatočná hranatá zátvorka.

Tunelová dióda pozostáva z vysoko dopovaného pn-prechodu. Kvôli tomuto vysokému dopovaniu existuje len veľmi úzka medzera, cez ktorú môžu prechádzať elektróny. Tento tunelový efekt sa prejavuje v oboch smeroch. Po prechode určitého množstva elektrónov sa prúd cez medzeru zmenšuje, až kým nezačne cez diódu prechádzať normálny prúd pri prahovom napätí. To spôsobuje oblasť záporného odporu. Tieto diódy sa používajú na riešenie naozaj vysokých frekvencií (100 GHz). Sú tiež odolné voči žiareniu, preto sa používajú v kozmických lodiach. Používajú sa aj v mikrovlnných rúrach a chladničkách.

Spätná dióda

Symbol má na konci diódy znak, ktorý vyzerá ako veľké I. Je vyrobená podobne ako tunelová dióda, ale n- a p-vrstva nie sú tak vysoko dopované. Umožňuje spätný tok prúdu pri malých záporných napätiach. Môže sa používať na usmerňovanie nízkych napätí (menej ako 0,7 V).

Kremíkom riadený usmerňovač (SCR)

Namiesto dvoch vrstiev ako bežná dióda má štyri vrstvy, sú to v podstate dve diódy spojené dohromady, s hradlom uprostred. Keď sa medzi hradlo a katódu dostane napätie, zapne sa spodný tranzistor. Tým sa prepustí prúd, ktorý aktivuje horný tranzistor, a potom sa nebude musieť zapínať napätím na hradle.