Co to jest dioda?

Dioda to element elektroniczny, z jakim spotkamy się w praktycznie każdym urządzeniu, zarówno elektrycznym, jak i elektronicznym. Jest niezbędna, by zbudować wszelkiego rodzaju nowoczesny sprzęt. Praktycznie wszystkie diody są wykonane z półprzewodników, ale wbrew potocznej opinii – większość rodzajów diod nie świeci.

Diodę można opisywać na wiele sposobów, koncentrując się na jej różnych cechach. Zasadniczo jest to element stosowany w elektronice, który w jedną stronę prąd przepuszcza, a w drugą nie. Oznacza to, że starając się poszukać analogii w świecie bardziej namacalnym, jest to taki jednokierunkowy zawór. Ale to nie wszystko, bo istotne jest również to, w jaki sposób prąd ten jest przepuszczany, czyli tzw. charakterystyka elementu.

Jak działa dioda?

Ponieważ dioda jest asymetryczna – składa się z dwóch części, które pozwalają wyróżnić anodę i katodę. Ma więc dwa wyprowadzenia metalowe, podłączone bezpośrednio do struktury półprzewodnikowej. Za półprzewodnik może posłużyć krzem, ale jeśli producent chce uzyskać nieco inne parametry diody, może ją równie dobrze wykonać z innego półprzewodnika – np. z germanu.

Schemat działania diody

Czym się różnią od siebie poszczególne części diody?

Są to półprzewodniki o innym stopniu domieszkowania. Zwyczajowo domieszkowanie określa się literami p i n, gdzie p oznacza wzbogacenie przykładowego krzemu takimi atomami, że wystąpi tam niedobór elektronów, które to naturalnie przejdą do obszaru typu n, a więc domieszkowanego tak, że ściąga on do siebie elektrony z obszaru p.

Z właściwości fizykochemicznych pierwiastków wynika, że dobrymi domieszkami są m.in. atomy fosforu i boru, ale dlaczego tak jest, nie będziemy omawiać w niniejszym artykule.

Miejsce, w którym fizycznie styka się obszar domieszkowany typu p z obszarem domieszkowanym typu n, nazywa się złączem p-n i w praktyce stanowi podstawę całej elektroniki. W obszarze złącza powstaje tzw. różnica potencjałów, wynikająca z różnych proporcji protonów i elektronów po jednej i drugiej stronie złącza.

To właśnie ta różnica sprawia, że po podłączeniu do diody napięcia (spolaryzowaniu jej) w jednym kierunku, prąd nie chce płynąć, a w przy odwrotnej polaryzacji płynie bardzo chętnie.

Jakie są rodzaje diod?

W zależności od tego, jakie domieszki zastosowano (czyli jakich pierwiastków użyto i jak wiele) oraz jak zbudowano samo złącze, dioda będzie miała różne parametry. Zasadniczo po polaryzacji – jak to się mówi – w kierunku przewodzenia, prąd zaczyna płynąć w bardzo dużych ilościach. Charakterystyka diod jest nieliniowa, a więc nawet niewielki wzrost napięcia polaryzacji spowoduje znaczący wzrost przepływającego prądu, o ile tylko podłączone do diody źródło jest w stanie tyle prądu dostarczyć. Inaczej mówiąc, opór stawiany przez diodę bardzo szybko spada wraz ze wzrostem podanego napięcia w przypadku polaryzacji w kierunku przewodzenia.

Mechanizm ten wykorzystuje się np. w najbardziej podstawowym typie diod: w diodach prostowniczych. Jeśli podłączymy do takiej diody napięcie przemienne, np. z gniazdka sieciowego, a więc takie, gdzie prąd raz płynie w jedną stronę, a raz w drugą, dioda zablokuje przepływ w jedną ze stron i będzie przepuszczać prąd tylko przez połowę okresu zmian napięcia.

Oczywiście stanie się tak, jeśli wybierzemy diodę o odpowiednich parametrach. Jest bowiem coś takiego, jak napięcie przebicia, które można w uproszczeniu nazwać wytrzymałością diody na napięcie podawane w kierunku przeciwnym (zaporowym). Jeśli przekroczy ono wartość graniczną, nastąpi przebicie i dioda nagle zacznie przewodzić prąd również w kierunku zaporowym.

Co ciekawe, bywa, że jest to cecha pożądana w obwodzie. To dlatego, że po przebiciu prąd, jaki może płynąć przez strukturę diody, wzrasta lawinowo, nie powodując zmiany napięcia, jakie na diodzie się odkłada. A to oznacza, że mając taki element, możemy przykładowo ustalić, jakie napięcie będzie w danym fragmencie obwodu, co ma znaczenie dla działania całego układu.

Napięcie przebicia diody to jeden z parametrów diod. Inną ważną cechą jest pojemność diody, która decyduje przede wszystkim o tym, jak szybko podzespół może przełączyć się z trybu przewodzenia do trybu zaporowego.

Diody szybkie będą miały tę pojemność znacznie niższą niż inne diody, co będzie miało znaczenie w sytuacjach, gdy chcemy np. „prostować” bardzo szybko zmieniające się sygnały.

Oprócz tego warto wymienić takie rodzaje diod jak diody pojemnościowe, diody Zenera, Gunna, Schottky'ego, Shockleya i w końcu świecące.

Diody pojemnościowe

Dioda pojemnościowa to dobra odpowiedź na pytanie, co to jest warikap. Jest to dioda zaprojektowana z myślą o wykorzystaniu faktu, że jej wewnętrzna pojemność zmienia się pod wpływem napięcia przyłożonego w kierunku zaporowym.

Choć zmiany te są w praktyce bardzo nieduże, mają znaczenie szczególnie w systemach, w których potrzeba dostroić obwody rezonansowe. Pracują one z założenia w polaryzacji zaporowej, a więc nie przepuszczają prądu stałego, a prąd przemienny niejako przepływa przez to, że powoduje ciągłe ładowanie i rozładowywanie się tych niewielkich pojemności diody.

Zdjęcie diód pojemnościowych - źródło: Allegro

Diody Zenera

Kolejną z omawianych w artykule diod o nazwie pochodzącej od nazwiska twórcy jest dioda Zenera. Wyróżnia się ona niezwykle ostrym wzrostem przepływającego prądu w przypadku polaryzacji zaporowej. Oznacza to, że jeśli podłączymy do takiej diody odpowiednio wysokie napięcie, to przepuści ona tak dużo prądu, że nie wystarczy go do podtrzymania napięcia powyżej określonego poziomu i w ten sposób sprawi, że na diodzie tej odłoży się zawsze takie samo napięcie. Stąd dioda ta ma właściwości stabilizujące – wszystko, co przekracza napięcie przebicia, zostanie „przycięte” do napięcia przebicia.

Zdjęcie diód Zenera - źródło: Botland

Diody Gunna

Pomysłodawca diod Gunna zauważył, że w niektórych materiałach półprzewodnikowych, takich jak np. arsenek galu, przepływ elektronów w określonych warunkach zmienia się, dając wrażenie, że rezystancja komponentu jest ujemna. To niezwykłe zjawisko może poskutkować generowaniem drgań, które prowadzą do powstawania sygnałów o częstotliwościach mikrofalowych. Diody Gunna wykorzystuje się więc właśnie do pracy z mikrofalami, w tym do generowania fal o częstotliwościach nawet terahercowych.

Zdjęcie diody Gunna - źródło: Wikipedia

Diody Schottky'ego

W diodach Schottky’ego zamiast jednego z półprzewodników zastosowano od razu metal, co spowodowało, że szybkość przepływu prądu do złącza jest szybsza, a pojemność takich diod jest mniejsza. Dodatkowym efektem jest mniej więcej dwukrotne zmniejszenie spadku napięcia na takiej diodzie w kierunku przewodzenia. Diody te są używane albo tam, gdzie trzeba szybko i skutecznie zmieniać polaryzację, albo tam, gdzie mamy niezbyt duży „zapas” napięcia powyżej tego, co chcemy uzyskać na wyjściu. Mały spadek w kierunku przewodzenia pozwala nam niewiele stracić na samej diodzie.

Zdjęcie diód Schottky'ego - źródło: Botland

Diody Shockleya

To tak naprawdę dwie połączone ze sobą diody, bez metalizacji pomiędzy nimi. Zamiast złącza p-n, mamy trzy sąsiadujące złącza, tworzące strukturę p-n-p-n. Liczba końcówek jest taka sama, jak w innych diodach, czyli dwie. Fakt, że na trasie pomiędzy złączami p-n znajduje się jeszcze złącze n-p, sprawia, że przyłożone napięcie musi przekroczyć większą wartość, by dioda zaczęła przewodzić.

Zdjęcie diody Shockleya - źródło: Electrical Technology

Diody świecące

Gdy już spolaryzujemy diodę w kierunku przewodzenia i zacznie przepływać przez nią prąd oraz odkładać się na niej jakieś napięcie, moc się na niej wydzielająca zmienia się w ciepło.

Moc ta wynika z ruchu elektronów i z ich przeskakiwania pomiędzy poziomami energetycznymi w atomach. Jednakże zjawisko to nierzadko wiąże się z oddawaniem przez elektrony kwantów energii – fotonów. A więc oznacza to, że podczas pracy diody może być emitowane światło.

Twórcy diod LED zauważyli to zjawisko i postanowili je wykorzystać, tak konstruując strukturę diodową, żeby wydzielające się fotony nie ginęły wewnątrz przestrzeni półprzewodnika, lecz wręcz przeciwnie – by mogły łatwo uchodzić na zewnątrz struktury. Dodatkowo diody te pokrywa się soczewkami, które pozwalają skupić światło. I choć samą strukturę tak opracowaną już można nazwać diodą LED, nierzadko określenie to stosuje się do podzespołu już razem z soczewką.

Zdjęcie diody LED - źródło: Allegro

Jak działa dioda LED?

Diody LED, w zależności od materiałów, z których są wykonane, będą powodować przeskoki elektronów pomiędzy różnymi poziomami elektronowymi, a więc emitujące kwanty światła o różnej ilości energii.

Wartości te bezpośrednio przekładają się na długości emitowanych fal świetlnych, zgodnie z zasadą, że światło o fali krótszej wymaga większej energii, by je wytworzyć. Różne długości fal to jednocześnie różne barwy światła, stąd można spotkać się z diodami o różnych barwach generowanego światła.

Warto dodać, że światło białe składa się ze światła różnych barw i uzyskuje się je na dwa różne sposoby: albo łącząc w jednej obudowie diody różnych barw, np. czerwoną, zieloną i niebieską, co ludzkie oko z większej odległości odbiera jako kolor biały, albo pokrywa się strukturę emitującą światło niebieskie (a dawniej, ultrafioletowe) odpowiednim luminoforem, z którego wybijane są już fotony odpowiadające szeregowi barw, tworząc światło efektywnie białe.

Schemat działania diody LED

Diody laserowe

Pewną odmianą diod LED są diody laserowe, a więc takie, w których barwa emitowanego światła jest bardzo precyzyjnie określona i gdzie światło to jest skierowane wyraźnie w jedną stronę. W efekcie powstaje coś, co można nazwać laserem półprzewodnikowym.

Schemat działania diód półprzewodnikowych

Podsumowanie — czym jest dioda?

Diody, jako podstawowe elementy elektroniczne, są niezbędnymi komponentami w pracy każdego elektronika, a bywa, że i w pracy elektryków – szczególnie jeśli chodzi o diody mocy. W praktyce spotykamy się z diodami w dużych ilościach najczęściej w ramach większych struktur półprzewodnikowych, gdzie stanowią one integralne elementy układów scalonych.

Przeczytaj więcej:

• Na co zwrócić uwagę wykonując rozdzielnicę elektryczną?
• Jak wybrać zasilacz do LED?
• Co to jest PWM i jakie ma zastosowania w elektronice?