Dioda

Historie

První typy diod se nazývaly Flemingovy ventily. Byly to vakuové elektronky. Byly uvnitř skleněné trubice (podobně jako žárovka). Uvnitř skleněné baňky byl malý kovový drátek a velká kovová destička. Malý kovový drátek se zahříval a vyzařoval elektřinu, kterou zachycovala deska. Velká kovová deska se nezahřívala, takže elektřina mohla trubicí procházet jedním směrem, ale ne směrem opačným. Flemingovy ventily se dnes již příliš nepoužívají, protože byly nahrazeny polovodičovými diodami, které jsou menší než Flemingovy ventily. Tuto vlastnost objevil také Thomas Edison při práci na svých žárovkách.

Konstrukce

Polovodičové diody se skládají ze dvou typů polovodičů vzájemně propojených. Jeden typ má atomy s elektrony navíc (tzv. n-strana). Druhý typ má atomy, které chtějí elektrony (nazývané p-strana). Z tohoto důvodu bude elektřina snadno proudit ze strany s příliš mnoha elektrony na stranu s příliš malým počtem elektronů. Elektřina však nebude snadno proudit opačným směrem. Tyto různé typy se vyrábějí dopováním (polovodič). Křemík s rozpuštěným arsenem tvoří dobrý polovodič na straně n, zatímco křemík s rozpuštěným hliníkem tvoří dobrý polovodič na straně p. Mohou fungovat i jiné chemické látky.

Konektor na straně n se nazývá katoda, konektor na straně p se nazývá anoda.

Struktura trubicové diody

Funkce diody

Kladné napětí na straně p

Pokud přivedete kladné napětí na stranu p a záporné na stranu n, elektrony na straně n budou chtít přejít na kladné napětí na straně p a díry na straně p budou chtít přejít na záporné napětí na straně n. Díky tomu může existovat tok proudu, ale k jeho spuštění je zapotřebí určitého napětí (velmi malé napětí nestačí k tomu, aby elektrický proud začal téct). Toto napětí se nazývá zapínací napětí. Vypínací napětí křemíkové diody je přibližně na úrovni 0,7 V. U germaniové diody je třeba zapínací napětí přibližně 0,3 V.

Záporné napětí na straně p

Pokud místo toho přivedete záporné napětí na stranu p a kladné na stranu n, elektrony strany n budou chtít přejít na zdroj kladného napětí místo na druhou stranu diody. Totéž se děje na straně p. Mezi oběma stranami diody tedy nepoteče proud. Zvyšování napětí nakonec donutí elektrický proud protékat (to je průrazné napětí). Mnoho diod se zpětným tokem zničí, ale jsou vyrobeny i takové, které to přežijí.

Vliv teploty

Při zvýšení teploty se vypínací napětí sníží. To usnadňuje průchod elektřiny diodou.

Typy diod

Existuje mnoho typů diod. Některé z nich mají velmi specifické použití a některé mají různá použití.

Symboly

Zde jsou uvedeny některé běžné symboly polovodičových diod používané ve schématech:

Dioda	Zenerova dioda	Schottkyho dioda	Tunelová dioda
Světelná dioda	Fotodioda	Varicap	Křemíkový řízený usměrňovač

Standardní usměrňovací dioda

Tím se mění střídavý proud (A/C, jako v zásuvce v domě) na stejnosměrný proud (D/C, používaný v elektronice). Standardní usměrňovací dioda má specifické požadavky. Měla by zvládat velký proud, nebýt příliš ovlivněna teplotou, mít nízké vypínací napětí a podporovat rychlé změny směru toku proudu. Moderní analogová a digitální elektronika takové usměrňovače používá.

Světelná dioda

LED dioda vydává světlo, když jí protéká elektrický proud. Jedná se o déle trvající a účinnější způsob vytváření světla než žárovky. V závislosti na způsobu výroby může LED dioda vytvářet různé barvy. LED diody byly poprvé použity v 70. letech 20. století. Světelná dioda může časem nahradit žárovku, protože díky vyvíjející se technologii je jasnější a levnější (již nyní je účinnější a má delší životnost). V 70. letech 20. století se LED diody používaly k zobrazování čísel v přístrojích, například v kalkulačkách, a jako ukazatel zapnutého napájení u větších spotřebičů.

Fotodioda

Fotodioda je fotodetektor (opak světelné diody). Reaguje na přicházející světlo. Fotodiody mají okénko nebo připojení optického vlákna, které propouští světlo do citlivé části diody. Diody mají obvykle silný odpor; světlo tento odpor snižuje.

Zenerova dioda

Zenerova dioda je jako normální dioda, ale místo toho, aby se zničila velkým zpětným napětím, propouští elektrický proud. Napětí, které je k tomu potřeba, se nazývá průrazné napětí nebo Zenerovo napětí. Protože je konstruována se známým průrazným napětím, lze ji použít k napájení známým napětím.

Varaktorová dioda

Varikap nebo varaktorová dioda se používá v mnoha spotřebičích. Využívá oblast mezi p-stranou a n-stranou diody, kde se vzájemně vyrovnávají elektrony a díry. Tato oblast se nazývá vyčerpávací zóna. Změnou velikosti zpětného napětí se mění velikost vyčerpávací zóny. V této oblasti je určitá kapacita, která se mění v závislosti na velikosti depleční zóny. Tomu se říká proměnná kapacita, zkráceně varikap. Používá se v obvodech PLL (Phase-locked loops), které se používají k řízení vysokorychlostní frekvence, na níž čip pracuje.

Krok-obnovovací režim

Symbol je symbolem diody s jakýmsi zádrhelem. Používá se v obvodech s vysokými frekvencemi až do GHz. Po zastavení dopředného napětí se velmi rychle vypne. Využívá k tomu proud, který teče po přepólování.

PIN dioda

Konstrukce této diody má vlastní (normální) vrstvu mezi n- a p-stranou. Při pomalejších frekvencích se chová podobně jako standardní dioda. Při vysokých rychlostech však nestíhá rychlé změny a začíná se chovat jako rezistor. Vnitřní vrstva jí také umožňuje zvládat vysoké příkony a lze ji použít jako fotodiodu.

Schottkyho dioda

Symbolem je symbol diody s písmenem "S" ve vrcholu. Místo toho, aby obě strany byly polovodičové (jako křemík), je jedna strana kovová, například hliník nebo nikl. To snižuje vypínací napětí na přibližně 0,3 V. To je přibližně polovina prahového napětí běžné diody. Funkce této diody spočívá v tom, že se nevstřikují žádné minoritní nosiče - na straně n jsou pouze díry, nikoli elektrony, a na straně p jsou pouze elektrony, nikoli díry. Díky tomu, že je čistší, může reagovat rychleji, bez difuzní kapacity, která by ji mohla zpomalit. Také vytváří méně tepla a je účinnější. Má však určité úniky proudu při zpětném napětí.

Když dioda přechází z pohyblivého proudu na nepohyblivý proud, nazývá se to spínání. U typické diody to trvá desítky nanosekund; vzniká tak určitý rádiový šum, který dočasně zhoršuje rádiové signály. Schottkyho dioda přepne za malý zlomek této doby, za méně než nanosekundu.

Tunelová dioda

V symbolu tunelové diody je na konci obvyklého symbolu jakási další hranatá závorka.

Tunelová dioda se skládá z vysoce dopovaného pn přechodu. Kvůli tomuto vysokému dopování existuje pouze velmi úzká mezera, kterou mohou elektrony procházet. Tento tunelový jev se projevuje v obou směrech. Po průchodu určitého množství elektronů se proud mezerou snižuje, až začne diodou při prahovém napětí procházet normální proud. Tím vzniká oblast záporného odporu. Tyto diody se používají k řešení opravdu vysokých frekvencí (100 GHz). Jsou také odolné vůči záření, takže se používají v kosmických lodích. Používají se také v mikrovlnných troubách a chladničkách.

Zpětná dioda

Symbol má na konci diody značku, která vypadá jako velké I. Je vyrobena podobně jako tunelová dioda, ale n- a p-vrstva nejsou tak vysoko dopovány. Umožňuje zpětný tok proudu při malých záporných napětích. Lze ji použít k usměrnění nízkých napětí (méně než 0,7 V).

Křemíkem řízený usměrňovač (SCR)

Namísto dvou vrstev jako normální dioda má tato čtyři vrstvy, jsou to v podstatě dvě diody spojené dohromady, s hradlem uprostřed. Když se mezi hradlo a katodu dostane napětí, spodní tranzistor se zapne. Tím propustí proud, který aktivuje horní tranzistor, a ten pak nebude muset být zapínán napětím na hradle.