Co to jest dioda i jak działa?

Gwałtowny rozwój elektroniki w ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat potrafi przywrócić o zawrót głowy – to, co jeszcze do niedawna wydawało się całkowicie abstrakcyjnym wymysłem futurologów, dziś stało się rzeczywistością, z którą każdy z nas ma na swój sposób do czynienia. Wszechobecne technologie IoT oraz IIoT, superwydajne urządzenia mobilne z obsługą sieci 5G, przystępne cenowo drukarki 3D, zdolne do produkcji detali o niemal dowolnym kształcie, czy wreszcie najnowocześniejsze systemy chmurowe i algorytmy sztucznej inteligencji – to wszystko nie powstałoby, gdyby na początku XIX wieku nie wynaleziono diody. Czym tak naprawdę jest ten element, jak działa i do czego można go wykorzystać? Dziś postaramy się odpowiedzieć na te pytania w przystępnej, ale możliwie zwięzłej formie. Zaczynajmy!

Złącze PN – klucz do elektroniki

Złącze PN stanowi podstawę całego świata elementów półprzewodnikowych, a jego podstawową realizacją praktyczną jest właśnie nasz dzisiejszy bohater - dioda.

Złącze PN tworzone jest przez połączenie dwóch różnych typów materiałów półprzewodnikowych: typu P (pozytywnego) i typu N (negatywnego). Nie chodzi tu jednak o ładunek elektryczny tych materiałów, ale raczej o sposób, w jaki zostały one domieszkowane, czyli – najprościej rzecz ujmując – „uzupełnione” atomami pierwiastków innych, niż bazowy. O ile bowiem podstawą zdecydowanej większości współczesnych półprzewodników jest krzem monokrystaliczny, to bez domieszkowania byłby on raczej mało przydatny w praktyce.

Materiał typu N jest domieszkowany w taki sposób, aby miał nadmiar elektronów (nazywanych dla ścisłości elektronami swobodnymi). I przeciwnie – w przypadku półprzewodnika typu P celem domieszkowania jest uzyskanie efektu niedoboru elektronów, w rezultacie czego posiada on tzw. dziury. Te dziury to w istocie nieobsadzone miejsca w powłokach elektronowych, które są „chętne” do przyjmowania elektronów.

Gdy dwa opisane materiały zostaną ze sobą połączone, stworzą złącze PN. W obszarze objętości półprzewodników, leżącym bezpośrednio przy złączu, elektrony z obszaru N zaczynają migrować do obszaru P, wypełniając dostępne dziury. Ten proces, nazywany rekombinacją, tworzy obszar tzw. warstwy zubożonej, gdzie nie ma ani swobodnych elektronów, ani „wolnych” dziur – w efekcie warstwa zubożona staje się całkiem dobrym izolatorem, praktycznie uniemożliwiającym przepływ prądu.

Gdy do złącza PN przyłoży się napięcie (z wyższym potencjałem, czyli – potocznie rzecz ujmując - „plusem” po stronie materiału P, warstwa zubożona kurczy się, umożliwiając przepływ prądu przez złącze. Z tego też względu taka polaryzacja napięcia jest nazywana kierunkiem przewodzenia.

Jeśli jednak napięcie zostanie podłączone odwrotnie (wyższy potencjał po stronie obszaru N), warstwa zubożona rozszerzy się, efektywnie blokując przepływ prądu – mówimy wtedy o polaryzacji zaporowej. I właśnie to jest podstawą prostowniczego działania diody, która wprowadza diametralnie inną rezystancję w obwodzie, w zależności od polaryzacji przyłożonego do niej napięcia.

Zastosowania diod prostowniczych

Najprostszy, praktyczny układ pracy diody to tzw. prostownik jednopołówkowy. Jeżeli podłączymy źródło napięcia przemiennego (np. uzwojenie wtórne transformatora sieciowego) do obciążenia za pomocą szeregowej diody, to prąd będzie mógł płynąć tylko w jednym kierunku – wtedy, gdy wyższy potencjał napięcia („+”) znajdzie się na anodzie naszej diody. W drugiej połowie okresu napięcia sieciowego dioda zablokuje przepływ prądu. W ten sposób uzyskamy niejako „impulsowe” działanie całego obwodu – aby nieco zmniejszyć wahania napięcia, równolegle do obciążenia wpina się zatem kondensatory o stosunkowo dużej pojemności, których zadaniem jest wygładzenie (zmniejszenie tętnień) napięcia.

Znacznie lepszą konstrukcją jest prostownik dwupołówkowy, który zawiera już cztery diody, połączone w układzie tzw. mostka Graetza – w każdym półokresie cyklu napięcia przewodzą tylko dwie diody, umieszczone niejako „po przeciwnych stronach mostka” – w drugiej połowie okresu sytuacja zmienia się i poprzednio włączone diody przestają przewodzić, a pozostałe dwie zaczynają przepuszczać prąd. W ten sposób uzyskujemy wprawdzie nadal silnie tętniące napięcie wyjściowe, ale nie mamy już problemu z „martwą” połową cyklu (w której – w przypadku prostownika jednopołówkowego – do wyjścia w ogóle nie dochodziło napięcie zasilania).

Inne odmiany diod półprzewodnikowych

Omawiając diody, koniecznie trzeba także wspomnieć o czterech wyspecjalizowanych odmianach tych elementów, przeznaczonych do rozmaitych zastosowań układowych.

1. Diody Schottky’ego to swego rodzaju podkategoria klasycznych diod prostowniczych, oferująca niezwykle krótkie czasy przełączania pomiędzy stanem przewodzenia oraz zaporowym. Dzięki temu diody Schottky’ego mogą być stosowane m.in. w szybkich układach impulsowych, zabezpieczeniach elementów indukcyjnych sterowanych sygnałami prostokątnymi czy też rozmaitych układach analogowych.
2. Diody Zenera w kierunku przewodzenia działają identycznie, jak zwykłe diody prostownicze, jednak różnica uwidacznia się dopiero w zakresie napięć o polaryzacji zaporowej. Do pewnego progu napięcia wstecznego dioda Zenera wprawdzie też nie przewodzi prądu, jednak po przekroczeniu wartości granicznej (tzw. napięcia Zenera) prąd zaczyna gwałtownie rosnąć. Co ważne, napięcie panujące na diodzie zmienia się w bardzo niewielkim stopniu w szerokim zakresie wartości prądu – ta cecha powoduje, że diody Zenera są stosowane w prostych układach stabilizacji napięcia.
3. Diody TVS to bardzo szybkie diody, stosowane do zabezpieczania obwodów wejściowych urządzeń elektronicznych przed przepięciami i wyładowaniami ESD. Po przekroczeniu napięcia progowego (w kierunku zaporowym) przewodnictwo gwałtownie wzrasta, a dioda jest w stanie zaabsorbować nawet sporą dawkę energii, co pozwala uchronić delikatne obwody elektroniczne przed uszkodzeniem.
4. Diody pojemnościowe – dawniej stosowane szeroko w układach radiowych do strojenia obwodów rezonansowych, dziś w dużej mierze wyparte przez znacznie nowocześniejsze techniki. Zmiana napięcia stałego, panującego na diodzie pojemnościowej, powodowała wzrost lub spadek jej pojemności, co pozwalało na modyfikację charakterystyki filtru LC stosownie do potrzeb układowych.

Świecące złącza, czyli… diody LED

Na koniec pozostawiliśmy kategorię diod, które każdy zna z życia codziennego – mowa oczywiście o diodach świecących, a ściślej rzecz ujmując – elektroluminescencyjnych (LED). Elementy te są zdolne do wytwarzania światła, a zjawisko opiera się na specyficznym rodzaju rekombinacji, zachodzącej w strukturze półprzewodnikowej pod wpływem przyłożonego do niej napięcia. Rzecz jasna, w tym przypadku są stosowane zupełnie inne materiały, niż krzem (będący podstawą znaczącej większości współczesnych układów scalonych, tranzystorów, diod i innych komponentów aktywnych), zaś odpowiednia kombinacja materiałów pozwala na uzyskanie pożądanego koloru świecenia. Na rynku dostępne są diody LED w kolorach czerwonym, żółtym, pomarańczowym, zielonym, niebieskim oraz białym, a także specjalistyczne diody, emitujące niewidzialne dla człowieka promieniowanie podczerwone (IR) oraz ultrafioletowe (UV). Diody LED stały się podstawą współczesnej technologii oświetleniowej, niemal całkowicie wypierając inne źródła światła (np. tradycyjne żarówki czy świetlówki) za sprawą bardzo wysokiej sprawności oraz doskonałej żywotności.