Polovodičová dioda

Polovodičové diody; shora: výkonová dioda pro usměrňovače; křemíková dioda, hrotová germaniová dioda, hrotová křemíková dioda, čtveřice diod v Graetzově zapojení ve společném pouzdře

Polovodičová dioda je elektrotechnická součástka, dioda, jejímž úkolem v elektrickém obvodu je propouštět elektrický proud jedním směrem. Podle konstrukce slouží k usměrňování elektrického proudu (přeměna střídavého proudu na stejnosměrný proud), ke stabilizaci elektrického napětí nebo k signalizaci průchodu proudu.

Stavba polovodičové diody

Polovodičová dioda se skládá ze dvou příměsových polovodičů - jeden polovodič je typu N (katoda) a druhý polovodič je typu P (anoda). Na rozhraní polovodičů vznikne přechod P-N (hradlová vrstva), který v ideálním případě propouští proud pouze jedním směrem.

Základem diody bývá křemíková nebo germaniová destička, obohacená z jedné strany o prvek s pěti valenčními elektrony (fosfor, arsen), z druhé strany o prvek s třemi valenčními elektrony (bor, hliník, gallium, indium). Vzájemným silovým působením mezi částicemi se na přechodu P-N vytvoří vnitřní elektrické pole.

Druhy polovodičových diod

Kromě základního druhu polovodičové diody existují diody se speciálním chováním přechodu P-N:

Fotodioda - dopadající světelné nebo jiné záření způsobí v oblasti přechodu P-N vytvoření dvojice elektron - kladná díra, a tím podle způsobu zapojení dojde ke zvýšení vodivosti nebo ke zvýšení napětí na přechodu P-N
LED - rekombinace v oblasti přechodu P-N způsobují vydávání světelného záření
Varikap - změnou napětí na diodě v závěrném směru se mění její kapacita, varikap je vyroben tak, aby tato změna byla co nejvýraznější
Zenerova dioda - má nízké napětí, při kterém v závěrném směru dochází k nedestruktivnímu průrazu, a dá se tak v jednoduchém zapojení využít ke stabilizaci napětí
Tunelová dioda - její voltampérová charakteristika obsahuje v propustném směru při napětí několika desetin voltu oblast záporného diferenciálního odporu. Lze s ní vyrobit oscilátor na velmi vysokých kmitočtech.

Dále se diody dělí podle schopnosti snést různý proud v propustném směru globálního a napětí v závěrném směru, nebo podle frekvence střídavého proudu (vysoko- a nízkofrekvenční diody), pro který jsou určeny.

Parametry polovodičové diody

Prahové napětí - elektrické napětí, při kterém dojde ke zrušení hradlové vrstvy
Průrazné napětí - elektrické napětí, které způsobí při zapojení v závěrném směru zničení přechodu P-N a průchod proudu diodou
VA charakteristika - závislost proudu protékajícího diodou na napětí mezi vývody
Maximální zatížení - největší možný výkon elektrického proudu nepoškozující diodu
Maximální proud - největší proud, který může procházet diodou
Teplotní rozmezí - rozmezí teplot, při kterých může dioda pracovat

Shockleyho rovnice diody

Voltampérovou charakteristiku běžných polovodičových diod lze popsat rovnicí pojmenovanou podle spoluobjevitele tranzistoru Williama Bradforda Shockleyho. Rovnice popisuje základní chování diody v propustném i v závěrném směru:

I=I_{\mathrm {0} }\left(e^{U_{\mathrm {D} }/(nU_{\mathrm {T} })}-1\right),\,

kde

I je proud diodou,

I₀ je závěrný saturační proud,

U_D je napětí přiložené na diodu,

U_T je tzv. tepelné napětí

n je činitel kvality, který se pohybuje od 1 do 2 v závislosti na výrobním procesu a materiálu polovodiče. V mnoha případech se dá uvažovat jako přibližně rovný 1 (pak n z rovnice vypadne).

Tepelné napětí U_T je při běžných "pokojových teplotách" okolo 300 K přibližně 25.85 mV. Obecně je definováno vzorcem:

U_{\mathrm {T} }={\frac {kT}{q}}\,,

kde k je Boltzmannova konstanta, T je teplota p-n přechodu v Kelvinech, a q je velikost náboje elektronu (elementární náboj).

Shockleyho rovnice ideální diody počítá s tím, že v diodě působí pouze drift (daný elektrickým polem), dále difuze a tepelná rekombinace. Ostatní jevy včetně R-G proudů a fotoelektrických jevů jsou zde zanedbány. Také je zanedbán vnitřní ohmický odpor diody, projevující se při vysokých proudech v propustném směru. Tato rovnice rovněž nemodeluje oblast zpětného průrazu.

Polovodičová dioda v elektrickém obvodu

Propustný směr

Při zapojení kladného pólu zdroje k anodě (typ P) a záporného pólu zdroje ke katodě (typ N) se přechod P-N v diodě, bránící průchodu částic, zmenší nebo úplně zruší. Diodou protéká elektrický proud, elektrický odpor diody může být velmi nízký, ale na diodě vždy vzniká určitý úbytek napětí.

Závěrný směr

Při zapojení kladného pólu zdroje ke katodě (typ N) a záporného pólu k anodě (typ P) se přechod P-N v diodě rozšíří, elektrický odpor diody se zvětší. Elektrický proud v ideálním případě neprochází. Ve skutečnosti diodou prochází proud způsobený minoritními nosiči nábojů, tento proud je však velmi malý.

Dioda ve střídavém obvodu

Zapojením diody do obvodu střídavého proudu dojde k jednocestnému usměrnění střídavého proudu. Proud může diodou procházet pouze v jednom směru, tzn. pouze v jedné polovině periody. Takový proud se nazývá tepavý.

Graetzovo zapojení

K dvojcestnému usměrnění střídavého proudu se používají čtyři diody zapojené podle schématu, také se nazývá zapojení do můstku:

Střídavý proud prochází v jedné polovině periody první dvojicí diod (1 a 2), v druhé polovině periody druhou dvojicí diod (3 a 4), přičemž směr proudu vystupujícího z můstku je stále stejný. Velikost proudu se na výstupu mění.

Pro vyhlazení tepavého napětí se používá tzv. filtrační kondenzátor, jehož kapacita se spočítá
$C={\frac {k\cdot I_{vyst}}{p\cdot U_{ss}}}$ [mF] kde^[zdroj?]
k........je konstanta (pro dvoucestné zapojení je rovna 200, pro jednocestné usměrnění 400)
I výst...[A] proud zátěží (určí se podle elektrického odporu, nebo výkonu a napětí)
p........[%] je tzv. činitel zvlnění (je-li 0% pak požadujeme dokonale vyhlazené napětí na výstupu)
Uss......[V] je výstupní stejnosměrné napětí

Použití polovodičové diody

Usměrňovací dioda - usměrnění střídavého proudu (samostatně nebo jako součást usměrňovače)
Stabilizační (Zenerova) dioda - vyrovnávání průběhu napětí ve stabilizačních obvodech
LED - signalizace průchodu proudu (s nízkým nárokem na spotřebu) nebo zdroj světla např. v optických myších
Fotodioda - součást fotobuněk, polovodičových detektorů záření nebo fotovoltaických článků

Související články

Dioda
Elektřina
Elektrotechnická součástka
Polovodič
Diody v učebnici Praktická elektronika ve Wikiknihách
Voltampérová charakteristika