dioda
 
Encyklopedia PWN
dioda
[gr.],
przyrząd elektronowy o 2 elektrodach (anoda i katoda) odznaczający się nieliniową i niesymetryczną charakterystyką prądowo-napięciową;
po przyłożeniu napięcia elektr. do elektrod diody (polaryzacja diody) zwykle dobrze przewodzi ona prąd przy jednym kierunku przyłożenia napięcia (kierunek przewodzenia), a bardzo słabo przy kierunku przeciwnym (kierunek zaporowy, zw. też kierunkiem wstecznym). Współcześnie stosowane diody są najczęściej przyrządami półprzewodnikowymi, dawniej stosowano diody lampowe (lampa elektronowa).
Diody półprzewodnikowe zawierają zwykle złącze prostujące p-n lub m-s, a ich działanie opiera się na wykorzystaniu zjawisk zachodzących w obszarze złącza. Najczęściej są one wykonywane z krzemu (Si), rzadziej z germanu (Ge), arsenku galu (GaAs) lub innych półprzewodników (diody krzemowe, germanowe, z arsenku galu i in.). Właściwości diod ściśle wiążą się z jej konstrukcją i technologią wytwarzania podstawowego elementu struktury półprzewodnikowej, tj. złącza prostującego (półprzewodnikowe struktury); pod tym względem diody można podzielić przede wszystkim na: ostrzowe i warstwowe. Dioda ostrzowa składa się z płytki monokrystalicznego półprzewodnika (np. germanu) i igły metalowej (najczęściej z wolframu lub złota), której ostrze styka się z jego powierzchnią, natomiast dioda warstwowa, nazywana też diodą złączową — z co najmniej 2 warstw materiałów o różnym typie przewodnictwa, np. półprzewodników typu n oraz p, tworzących złącze prostujące. Diody warstwowe dzieli się z kolei na stopowe i dyfuzyjne, a te ostatnie na mesa (stopowo-dyfuzyjne), planarne i epitaksjalno-planarne (epiplanarne). Większość współcześnie wytwarzanych diod ma strukturę epiplanarną. Ze względu na istotę działania i wynikające stąd zastosowanie diody dzieli się na: prostownicze, sygnałowe, stabilizacyjne, impulsowe, pojemnościowe, mikrofalowe, tunelowe, elektroluminescencyjne i in. Dioda zamknięta w obudowie (oprawce) i zaopatrzona w końcówki, jest zwana diodą dyskretną, natomiast dioda stanowiąca nierozdzielną część układu scalonego — diodą monolityczną. Konstrukcja i materiał obudowy zależą od rodzaju diody i przewidywanych zastosowań.
Podstawowych informacji o zachowaniu i właściwościach diody dostarcza jej charakterystyka statyczna (prądowo-napięciowa); na jej podstawie można określić wartość napięcia w kierunku przewodzenia, odpowiadającą zadanemu natężeniu prądu przewodzenia, oraz natężenie prądu wstecznego przy określonym napięciu wstecznym; maks. dopuszczalne wartości tych wielkości są ograniczone (zwykle w katalogach są podawane jako tzw. parametry graniczne, np. maks. prąd przewodzenia, maks. napięcie wsteczne), a ich przekroczenie najczęściej powoduje nagłe i trwałe uszkodzenie diody; do parametrów granicznych diody, określających zakres ich praktycznego stosowania, zalicza się też m.in.: maks. częst. prądu przemiennego, przy której dioda spełnia swoje zadania, maks. moc strat (moc wydzieloną) i maks. dopuszczalną temperaturę w obszarze złącza, a także, stosownie do przewidywanych zastosowań — napięcie stabilizacji (w przypadku diody Zenera), czas przełączania (w przypadku diod pracujących w układach przełączających, głównie diod impulsowych), pojemność (w przypadku diod pojemnościowych).
Dioda prostownicza to dioda warstwowa, zwykle dyfuzyjna, wykonana z krzemu (dawniej stopowa, z germanu), o dużej powierzchni złącza prostującego; często stosuje się podział na diody prostownicze ogólnego przeznaczenia, stosowane gł. do prostowania prądu przemiennego małej częst. (np. z sieci energ.), oraz diody prostownicze szybkie, o krótkim czasie przełączania (<1µs), przeznaczone do pracy w zasilaczach impulsowych. W przebiegu charakterystyki prądowo-napięciowej diody prostowniczej można zaobserwować gwałtowny wzrost natężenia prądu w kierunku wstecznym po przekroczeniu napięcia granicznego; jest to spowodowane zjawiskiem lawinowego powielania nośników, prowadzącym na ogół do bardzo szybkiego zniszczenia diody wskutek wydzielania się dużej ilości energii i wywołanego tym silnego wzrostu temperatury. Diody prostownicze odznaczają się na ogół dużymi dopuszczalnymi wartościami napięcia wstecznego (kilkaset do kilku tys. V) oraz natężenia prądu przewodzenia (do kilku tys. A). Ze względu na wartość maks. prądu przewodzenia diody prostownicze dzieli się zwykle na: diody małej mocy, w których przypadku prąd przewodzenia jest mniejszy niż 1 A, średniej mocy, o prądzie 1–10 A, oraz dużej mocy, o prądzie większym od 10 A; diody prostownicze przewodzące prąd o większych natężeniach powinny być zaopatrzone w radiator. Diody prostownicze są przeznaczone do pracy w układach prostowniczych (prostownik) bloków zasilania różnych urządzeń elektr. i elektronicznych.
Dioda sygnałowa (dioda uniwersalna) to dioda warstwowa (rzadziej ostrzowa), krzemowa (niekiedy germanowa), o dużo mniejszej w porównaniu z diodą prostowniczą powierzchni złącza p-n lub m-s, co umożliwia wykorzystanie jej w układach o dużych częst. prądu przemiennego, nawet rzędu kilkudziesięciu MHz; odznacza się niezbyt dużą wartością granicznego napięcia wstecznego (kilkadziesiąt do kilkuset V) i natężenia prądu przewodzenia (do kilkuset mA); stosowana gł. w układach detekcyjnych, przełączających oraz prostowniczych małej mocy.
Dioda stabilizacyjna (dioda Zenera, stabilistor) jest diodą warstwową, zwykle krzemową, odznaczającą się nietypowym przebiegiem charakterystyki prądowo-napięciowej, tj. występowaniem w obszarze zaporowym odcinka o dużej stromości (odpowiadającego gwałtownemu narastaniu natężenia prądu); jest to spowodowane zachodzeniem zjawiska Zenera lub/i zjawiska lawinowego powielania nośników ładunku w warstwie zaporowej dość silnie domieszkowanego złącza. Podstawowym parametrem diody stabilizacyjnej jest tzw. napięcie stabilizacji, definiowane jako napięcie wsteczne (odpowiadające pewnej umownej wartości natężenia prądu wstecznego), którego przekroczenie zapoczątkowuje gwałtowny wzrost natężenia prądu w kierunku zaporowym (prostoliniowa część charakterystyki o dużej stromości); od tego momentu napięcie pozostaje prawie stałe niezależnie od zmian natężenia prądu (zakres stabilizacji); obecnie wytwarzane diody stabilizacyjne odznaczają się napięciem stabilizacji od 3 do kilkuset V; innymi ważnymi parametrami diod stabilizacyjnych są maks. dopuszczalne wartości natężenia prądu i mocy w zakresie stabilizacji. Diody stabilizacyjne są przeznaczone do stabilizacji napięcia elektr. prądu stałego, są stosowane gł. w stabilizatorach napięcia prądu stałego i źródłach napięcia odniesienia (źródłach referencyjnych), w ogranicznikach napięcia prądu przemiennego, a także w układach zabezpieczających.
Dioda impulsowa to dioda z epiplanarnym złączem p-n lub ze złączem m-s, najczęściej krzemowa (do niedawna gł. ostrzowa germanowa); dioda ze złączem m-s jest również zwana diodą Schottky’ego, diodą z barierą powierzchniową lub diodą z gorącymi elektronami; dioda impulsowa odznacza się bardzo małą pojemnością (nie większą niż kilka pF) i krótkim czasem przełączania ze stanu przewodzenia do stanu zaporowego (rzędu 10–9–10–12 s); do diod impulsowych zalicza się też diody ładunkowe ze złączem p-n o specjalnym profilu domieszkowania, odznaczające się m.in. bardzo krótkim czasem opadania prądu wstecznego (rzędu kilkunastu ps). Diody impulsowe są przeznaczone do pracy w układach impulsowych (impulsowa technika), np. w generatorach i selektorach impulsów.
Dioda pojemnościowa jest diodą warstwową (krzemową lub z arsenku galu) o specjalnie oprac. konstrukcji, umożliwiającej uzyskanie dużych zmian pojemności złączowej; jej działanie jest oparte na występowaniu zależności między pojemnością warstwy zaporowej złącza p-n a napięciem polaryzującym to złącze w kierunku wstecznym. Dioda pojemnościowa w obwodzie elektr. spełnia funkcję zmiennej pojemności, której wartość jest regulowana doprowadzonym z zewnątrz napięciem. Wartość pojemności maks. (Cmax) powszechnie produkowanych diod zawiera się w przedziale od kilku do kilkudziesięciu pF, natomiast wartość pojemności minim. (Cmin) jest kilkakrotnie (2–6 razy) mniejsza. Diody pojemnościowe dzieli się na warikapy i waraktory. Warikapy (ang. Variable Capacitance ‘zmienna pojemność’) są stosowane gł. do przestrajania obwodów rezonansowych generatorów i in. układów selektywnych w szerokim zakresie częst. (nawet do 109 Hz). Waraktory (ang. Variable Reactance ‘zmienna reaktancja’) znajdują gł. zastosowanie w układach techniki mikrofalowej.
Dioda tunelowa (dioda Esakiego) to dioda warstwowa (germanowa lub z arsenku galu, rzadziej z antymonku indu) o bardzo silnie domieszkowanym złączu p-n. Odznacza się następującym przebiegiem charakterystyki statycznej (prądowo-napięciowej) w kierunku przewodzenia: początkowo natężenie prądu ze wzrostem napięcia szybko rośnie do pewnej wartości, następnie (przy dalszym wzroście napięcia) maleje (odcinek charakterystyki o ujemnym nachyleniu, dI/dU < 0), po czym znów rośnie; taki przebieg charakterystyki jest związany z występowaniem zjawiska tunelowego w cienkiej (ok. 10–8 m) warstwie zaporowej złącza p-n; spadek natężenia prądu ze wzrostem napięcia elektr. w pewnym zakresie charakterystyki jest spowodowany zanikaniem prądu tunelowego (Esakiego) płynącego przez złącze; silne przewodzenie prądu elektr. przez diodę polaryzowaną w kierunku zaporowym jest natomiast wynikiem gwałtownego wzrostu prądu tunelowego Zenera (prąd tunelowy Esakiego w tym zakresie napięć polaryzacji zanika). Ważnymi parametrami diody tunelowej, wynikającymi z jej charakterystyki statycznej, są wartości natężenia prądu i napięcia w 2 punktach tej charakterystyki, tj. w punkcie szczytu (Ip, Up) oraz w punkcie doliny (Iv, Uv); w katalogach często obok wartości Up, Uv jest podawana tylko wartość stosunku Ip/Iv (silnie zależna od rodzaju półprzewodnika). Innymi ważniejszymi parametrami diody tunelowej są: pojemność złącza, czas przełączania oraz częst. graniczna pracy. Diody tunelowe są stosowane gł. w układach przełączających do kształtowania impulsów prostokątnych o stromych zboczach, a także w technice mikrofalowej do wzmacniania i generacji sygnałów mikrofalowych małej mocy (rzędu kilku mW). Konstrukcję bardzo podobną do diody tunelowej ma dioda wsteczna, zw. też diodą zwrotną; odznacza się ona nieco słabiej domieszkowanym złączem p-n niż klasyczna dioda tunelowa, co powoduje, że przy polaryzacji w kierunku przewodzenia prąd tunelowy Esakiego płynący przez złącze jest pomijalnie mały; przejawia się to małą wartością natężenia prądu przewodzenia przy małych wartościach napięcia (silne spłaszczenie charakterystyki prądowo-napięciowej w początkowej części jej przebiegu); gwałtowny wzrost prądu wstecznego, podobnie jak w diodzie tunelowej, jest wynikiem występowania prądu tunelowego Zenera. Istotną cechą diody wstecznej jest bardzo silne zakrzywienie charakterystyki statycznej przy napięciach polaryzacji bliskich zeru; umożliwia to bardzo efektywne wykorzystanie tej diody do pracy w układach detekcji i mieszania bardzo słabych sygnałów.
Pierwszą diodą lampową (z termokatodą) było urządzenie zbudowane 1904 przez J.A. Fleminga, wykorzystujące zjawisko Edisona (emisja elektronów). Historia diody półprzewodnikowej wiąże się natomiast z odkryciem zjawiska prostowania prądu przemiennego przez złącze (styk) metalu z półprzewodnikiem; badania nad tym zjawiskiem (1835 — prace M. Muncka, 1874 — A. Schustera) doprowadziły do skonstruowania 1901 (J.C. Bosem) prostownika galenowego, składającego się z płytki, wyciętej z kryształu siarczku ołowiu PbS (galeny), i stykającej się z nią igły metalowej; prostownik ten, nazywany detektorem kryształkowym, był pierwszą półprzewodnikową diodą ostrzową; do budowy tego rodzaju prostowników używano różnych półprzewodników i metali; jednocześnie wytwarzano układy warstwowe, m.in. zbudowano prostownik kuprytowy, składający się z płytki miedzi pokrytej tlenkiem miedzi Cu2O (półprzewodnikiem) i stykającej się z nią płytki metalu (miedzi, mosiądzu, ołowiu), oraz prostownik selenowy, w którym między 2 płytkami metalowymi znajdowała się warstwa selenu naniesiona na jedną z nich; detektory kryształkowe były stosowane w latach 20. i 30. w bezlampowych odbiornikach radiowych, a prostowników kuprytowych i selenowych, produkowanych od lat 20., używano jeszcze w latach 50. w różnych urządzeniach techn.; 1934 C. Zener wynalazł diodę stabilizacyjną; podczas II wojny światowej skonstruowano diody krzemowe (ostrzowe), które zastosowano do demodulacji i mieszania częst. w urządzeniach mikrofalowych (np. radarach); 1958 L. Esaki wynalazł diodę tunelową; w latach 50. i 60. wraz z rozwojem technologii materiałów półprzewodnikowych powstawały nowe rodzaje diod półprzewodnikowych (stopowe, mesa, epiplanarne).
Mirosław Rusek
Bibliografia
M. Rusek, J. Pasierbiński Elementy i układy elektroniczne, Warszawa 1999.
Przeglądaj encyklopedię
Przeglądaj tabele i zestawienia
Przeglądaj ilustracje i multimedia