Budowa diody

Najprostsza, klasyczna dioda prostownicza zbudowana jest z dwóch obszarów półprzewodnika o domieszkowaniu typu N oraz typu P. Musisz wiedzieć, że półprzewodnik niedomieszkowany, np. „czysta” płytka krzemowa, nie przedstawia dla elektroniki praktycznie żadnej wartości. Dopiero chemiczne domieszkowanie, czyli wprowadzenie pewnych dodatkowych atomów do struktury krystalicznej krzemu powoduje diametralną zmianę jego właściwości. Półprzewodnik typu N to materiał domieszkowany w taki sposób, że przewodzi on prąd elektryczny głównie za pośrednictwem nadmiaru elektronów. Natomiast w półprzewodniku typu P przewodnikiem są tzw. dziury, to znaczy wolne przestrzenie, nieobsadzone elektronami, ale gotowe na ich przyjęcie. W literaturze określa się je mianem akceptorów, ponieważ mogą przyjmować elektrony, które dopłyną do tego obszaru.

Połączenie dwóch obszarów półprzewodnika prowadzi do powstania tzw. złącza P-N. Taka warstwa przejściowa zyskuje nowe właściwości i to właśnie na nich opiera się cała współczesna elektronika: złącze P-N może bowiem przewodzić prąd praktycznie tylko w jednym kierunku. Elementy, w których zastosowane zostanie tego typu złącze, mają zdolność do prostowania sygnałów przemiennych – dlatego właśnie klasyczne diody nazywa się prostowniczymi. Pewne dodatkowe modyfikacje w strukturach krzemowych P-N pozwalają na uzyskanie innych bardzo interesujących właściwości, wychodzących poza ramy samej elektryczności – możemy stworzyć choćby elementy, których pojemność elektryczna jest regulowana za pomocą napięcia (działają tak np. diody pojemnościowe, zwane warikapami). Natomiast w fotodiodach przewodzenie prądu jest uzależnione od natężenia oświetlenia padającego na odpowiednio odsłoniętą strukturę półprzewodnikową elementu. Diody LED z kolei są to elementy, które mogą generować światło dzięki zjawisku tzw. rekombinacji promienistej.

Parametry i rodzaje diod

Jak już wspomnieliśmy, najprostsza dioda (czyli krzemowa dioda prostownicza) jest elementem dwukońcówkowym. Wyprowadzenie połączone z półprzewodnikiem typu P nazywamy anodą, natomiast wyprowadzenie połączone z półprzewodnikiem typu N – katodą. Jeżeli dioda prostownicza zostanie podłączona do układu zasilania (baterii) poprzez rezystor, w taki sposób, że potencjał anody będzie wyższy („bardziej dodatni”) niż potencjał katody, wówczas cały element znajdzie się w stanie przewodzenia. Ważne jednak, aby różnica napięcia pomiędzy anodą a katodą była wyższa niż ok. 0,5 V. Napięcie rzędu 0,6..0,7 V, charakterystyczne dla krzemu, określamy mianem napięcia przewodzenia i oznaczamy jako Uf albo Vf (w literaturze anglojęzycznej, od wyrazu forward). Dioda podłączona odwrotnie nie będzie przewodziła prądu i wystąpi na niej pełne napięcie zasilania, czyli zachowa się ona tak, jakby w obwodzie nastąpiła przerwa. Mówimy wtedy o polaryzacji zaporowej. Opisaną właściwość wykorzystujemy w praktyce do prostowania przebiegów napięcia przemiennego. (tu wstawmy schemat z prostym wykresem prostowania jednopołówkowego)

Maksymalny prąd przewodzenia

Dla każdej diody możemy określić maksymalny prąd przewodzenia. Jego wartość bierze się z faktu, że struktura krzemowa diody ma niewielkie wymiary i nie jest w stanie rozproszyć większych ilości ciepła w momencie, gdy będzie płynął przez nią zbyt duży prąd. W związku z tym, jeśli nie chcemy, aby dioda uległa zniszczeniu (przegrzaniu), które doprowadziłoby w efekcie do przepalenia i nieodwracalnego zniszczenia struktury półprzewodnikowej, musimy zadbać, by nigdy nie pracowała z większym prądem przewodzenia, niż określił to producent. Co bardzo ważne, diody krzemowe najczęściej są w stanie przenieść impulsy prądowe o znacznie wyższej wartości, niż maksymalny, ciągły prąd przewodzenia, jednak impulsy te muszą być odpowiednio krótkie i niezbyt często powtarzane. Oczywiście te parametry również znajdziemy w notach katalogowych producentów, gdyż stosowanie diody dużej mocy w układzie, w którym mogą się pojawić jedynie rzadkie impulsy prądowe o wyższym natężeniu, nie miałoby ekonomicznego sensu.

Maksymalne napięcie wsteczne

Każda dioda ma także określone maksymalne napięcie wsteczne. Jest to napięcie panujące na diodzie pracującej w kierunku zaporowym, czyli włączonej w taki sposób, że katoda znajduje się na wyższym potencjale niż anoda. Przekroczenie maksymalnego napięcia zaporowego – podobnie jak maksymalnego napięcia przewodzenia – również powoduje uszkodzenie diody. W tym przypadku dochodzi do przebicia napięciowego jej struktury.

W niektórych typach elementów, np. w diodach Zenera, podłączenie diody w kierunku zaporowym i przekroczenie pewnego, granicznego napięcia nie powoduje uszkodzenia, ale wprowadza ją w inny stan pracy. Dioda Zenera, oznaczona nieco innym symbolem niż pozostałe (tutaj symbol diody Zenera), ma za zadanie stabilizację napięcia w niektórych rodzajach układów i może pracować niejako w dwóch kierunkach. W kierunku przewodzenia, czyli w klasycznym ustawieniu, gdy potencjał anody jest wyższy niż potencjał katody, dioda Zenera zachowuje się jak zwykła dioda krzemowa o napięciu przewodzenia ok. 0,6 – 07 V. Natomiast przy podłączeniu diody Zenera w kierunku zaporowym, uzyskamy stabilizację napięcia – jego wartość wyniesie np. 12 V lub 5,1 V. Diody Zenera stanowiły przed laty najprostszą i chętnie stosowaną formę stabilizacji napięcia, natomiast z uwagi na pewne ograniczenia takiego rozwiązania, dziś nie są już one tak chętnie stosowane. Obecnie do stabilizacji napięcia zasilania stosujemy najczęściej układy scalone, stąd też pochodzi ich nazwa – stabilizatory.

Diody Schottky’ego

W wielu układach pracujących impulsowo, szczególnie przy wykorzystaniu sygnałów o wysokiej częstotliwości, chcemy, aby dioda maksymalnie szybko się otwierała, czyli zaczynała przewodzić prąd w momencie, gdy napięcie na anodzie przewyższy napięcie na katodzie o wartość napięcia przewodzenia, a także zamykała w momencie, gdy wartość napięcia spadnie. Jednak zwykła dioda prostownicza, np. popularna 1N4007, nie jest w stanie pracować z sygnałami o bardzo dużej częstotliwości. W takiej sytuacji sięgamy zatem po diody Schottky’ego, które pozwalają na pracę z częstotliwościami rzędu nawet MHz (milionów herców). Diody Schottky’ego są stosowane wszędzie tam, gdzie musimy nie tylko przenosić sygnały o danej częstotliwości, ale także szybko reagować na powstające impulsy. Elementy te znajdziemy zatem np. w układach zabezpieczających tranzystory wejściowe, układach sterowania przekaźników, silników prądu stałego oraz silników krokowych. We wszystkich wymienionych sytuacjach konieczne jest zastosowanie diody włączonej równolegle do elementu indukcyjnego w kierunku zaporowym. Dzięki takiemu rozwiązaniu impulsy samoindukcji, powstające w momencie wyłączenia przepływu prądu, są redukowane przez diodę i nie pozwalają na wysokonapięciowe przebicie, a więc uszkodzenie tranzystora sterującego.

Diody LED

Diody LED różnią się od klasycznych diod krzemowych nie tylko tym, że są w stanie generować światło o określonym kolorze. Charakteryzują się także innymi, znacznie wyższymi napięciami przewodzenia. Dla klasycznej diody jest to zazwyczaj 0,6 – 0,7 V, natomiast dla diod LED napięcie przewodzenia może wynosić od ok. 1,2 V dla diod podczerwieni, poprzez ok. 1,8 – 2 V dla diod czerwonych, do ponad 3V dla diod białych. Napięcia przewodzenia elementów LED zmieniają się nieznacznie w funkcji prądu przewodzenia, jednak w przybliżeniu, w normalnym zakresie prądów pracy diody LED, jej napięcie przewodzenia jest stałe.

Rodzaje diod LED

W zależności od przeznaczenia diody LED, zwracamy uwagę przede wszystkim na jej kolor. Na rynku powszechnie dostępne są diody świecące w kolorach czerwonym, zielonym, żółtym, niebieskim, a od kilkunastu lat także białym (te ostatnie stosowane są szczególnie chętnie w branży oświetleniowej). Nieco rzadziej korzystamy z diod podczerwieni – używamy ich np. w układach zdalnego sterowania sprzętu audio-video czy też w interfejsie IrDA, popularnym niegdyś w telefonach komórkowych, które poprzedzały generację smartfonów. Natomiast diody UV, czyli świecące częściowo (także niewidocznym dla człowieka) światłem ultrafioletowym, są wykorzystywane np. do rozpoznawania znaków zabezpieczających na banknotach, czy też nawet do dezynfekcji powierzchni skażonych materiałem biologicznym.

Popularne są także diody laserowe, stosowane bardzo chętnie nie tylko w tanich wskaźnikach laserowych, ale także w instalacjach profesjonalnych, m.in. w szybkich sieciach komputerowych i telekomunikacji światłowodowej jako nadajniki (gwarantują bowiem bardzo wysoką jakość sygnału optycznego, transmitowanego przez światłowody), a także w wysokiej klasy instalacjach audio. Lasery diodowe o dużej mocy używane są nawet do cięcia materiałów i grawerowania powierzchni różnych przedmiotów, np. drewnianych czy metalowych. Warto jednak pamiętać, że z diodami laserowymi, niezależnie od tego, jaką moc generują, należy obchodzić się bardzo ostrożnie. Oczywiście ryzyko uszkodzenia wzroku za pomocą lasera o mocy rzędu poniżej jednego mW (miliwata) jest znikome, jednakże nawet w takim przypadku należy mieć się na baczności i unikać patrzenia bezpośrednio w wiązkę lasera diodowego lub na wiązkę odbitą od błyszczących powierzchni (jak choćby luster czy szyb). W przypadku laserów o mocy 5 mW i więcej ryzyko nieodwracalnego uszkodzenia siatkówki drastycznie wzrasta. Dlatego warto wyrabiać w sobie właściwe nawyki i z dużą ostrożnością podchodzić do pracy z wszelkimi diodami laserowymi.