Diody: k čemu jsou, katody a anody, klasifikace a účel

Dioda je jednou z nejjednodušších polovodičových součástek. Má dvě oblasti s různými typy vodivosti: kladnou a zápornou elektrodu. Z těchto částí se dioda skládá: anoda, katoda a p-n přechod. Existuje několik typů součástek.

Vakuové diody

Vakuová dioda je zařízení ve tvaru skleněné nebo kovově-keramické baňky. Z ní je odsáván vzduch a uvnitř jsou umístěny dvě elektrody s vláknem – vodičem. Je připojena ke katodě a zahřívána vnějším proudem.

Princip fungování

Princip fungování diody je založen na jednosměrném vedení. U elektronek se toho dosahuje následovně:

1. Vlákno se zahřívá a přenáší teplo na katodu, která začíná emitovat elektrony.
2. Anoda přitahuje částice pouze na kladném pólu.
3. Anoda připojená k zápornému pólu začne odpuzovat elektrony a v obvodu nebude protékat proud.

Vzhledem k principu fungování diody, založenému na řízení toku elektronů, se taková zařízení nazývají také elektronková zařízení.

Konstrukce zařízení předpokládá přítomnost elektrodových vývodů připojených ke kontaktním plochám. Dioda může mít dva stavy: otevřený a zavřený.

Přímé připojení diody

Na anodu diody je přivedeno kladné napětí a na katodu záporné napětí. Co se stalo:

• elektrony se pohybují směrem k hranici pn;
• odpor na spoji se snižuje, vodivost se zvyšuje;
• v důsledku toho vzniká stejnosměrný proud.

Pokud je dodržena polarita, dioda bude považována za přímo připojenou.

Přímé připojení diody

Zpětné spínání diody

Pokud zapojíte svorky obráceně, částice se budou pohybovat směrem od pn vrstvy. Odpor se zvýší a protékající proud bude malý, neboli opačný. Ve výpočtech se to nebere v úvahu – jednosměrná vodivost znamená přítomnost stejnosměrného proudu.

Druhy napětí

Podle stavů se rozlišují dva typy napětí: stejnosměrné a zpětné. Hlavním určujícím parametrem je odpor rozhraní elektrodových oblastí.

Voltampérová charakteristika (VAC)

Jednou z odpovědí na otázku, co je diodový VAC, je závislost proudu procházejícího hranicí pn na polaritě dodávaného napětí a jeho velikosti.

Je to znázorněno na grafu:

• svislá osa – proud vpřed a vzad (horní a dolní část) v ampérech;
• horizontální – zpětné a dopředné napětí (levá a pravá strana).

Vytvoří se křivka znázorňující hodnoty dopředného a zpětného proudu.

Polovodičové diody

Jak funguje polovodičová dioda? Její činnost je založena na interakci náboje s elektromagnetickým polem. Podmíněná konstrukce:

• prvek vyrobený z polovodičového materiálu;
• strana, která přijímá elektrony, je anoda, vodivost typu p;
• katoda s donorem částic (vodivost typu n).

Mezi oběma vrstvami se vytvoří rozhraní – pn přechod.

Voltampérová charakteristika

Na grafu má křivka větve v obou částech:

1. Přímka – na pravé straně grafu. Směrem nahoru ukazuje nárůst stejnosměrného proudu se zvyšujícím se napětím.
2. Reverzní – na levé straně. Ukazuje růst zpětného proudu – menší než stejnosměrný, takže větev se nachází blízko osy napětí.

Čím blíže je větev k svislé ose vpravo a k vodorovné ose vlevo, tím lepší jsou usměrňovací vlastnosti.

Mezní hodnoty parametrů

Na grafu každého zařízení je moment, kdy proud silněji roste. To závisí na konstrukci diody – různé materiály se „otevírají“ při různých hodnotách. Proud se zvyšuje a polovodičový krystal se zahřívá.

Teplo se buď samo odvádí, nebo se odvádí pomocí radiátorů. Pokud proud překročí povolený parametr, vodič se vlivem vysoké teploty zničí. Proto jsou maximální povolené parametry určeny účelem diody a také materiálem.

Typy polovodičových diod

Polovodič je široká definice, popisuje samotnou myšlenku a obecnou strukturu. V praxi existuje mnoho vysoce specializovaných variant.

Usměrňovače a jejich vlastnosti

Někdy je nutné transformovat proud v obvodu, k čemuž je potřeba dioda s usměrňovacími vlastnostmi nebo diodový můstek. Vzhledem k principu činnosti bude střídavý proud na vstupu zařízení dávat pouze jednu půlvlnu – v otevřeném stavu.

Polovodičové Zenerovy diody

Účelem těchto zařízení je stabilizace napětí. Jak se to stane:

• v normálním stavu má spoj vysoký odpor, téměř neprotéká žádný proud;
• Pokud dojde k průrazu, propustnost se zvýší, odpor se sníží.

Zařízení pracují v poruchových podmínkách a často se používají k prevenci přepětí.

Zenerova dioda

Často se můžete setkat s názvem „Zenerova dioda“, co to je? Je to jen jiný název pro Zenerovu diodu – na počest vědce Clarence Zenera, který objevil tunelový průraz. Jedná se o efekt průchodu nabitých částic pn bariérou, když se elektrodové zóny překrývají. Objev umožnil vývoj prvních Zenerovy diody, odtud název.

Princip fungování detektorů

Na základě konvenčního usměrňovače můžete sestavit jednoduchý detektor amplitudy. Jak funguje dioda (například se Schottkyho bariérou):

• pokud jsou poloperiody vyšší než napětí na kondenzátoru, začíná nabíjení;
• Jakmile amplituda klesne pod svou hodnotu, dioda se uzavře.

Kondenzátor se vybije a nízkofrekvenční signál se obnoví.

LED

Na rozdíl od konvenčních zařízení vytvářejí LED diody optické záření, když jimi prochází proud. K tomu dochází, když se nosiče náboje rekombinují s emisí fotonů na hranici elektrod. Tento jev byl poprvé objeven v roce 1907 a technologie se dodnes neustále zlepšuje.

Vlastnosti LED

Spektrum optického záření je úzké – požadovaná barva je zpočátku vložena do krystalu diody. Rozsah se však může lišit v závislosti na složení polovodičového materiálu:

• zelená – fosfid galia;
• modrá – karbid křemíku;
• červená – arsenid galia.

Zároveň mají LED diody vysokou světelnou účinnost, spektrální čistotu, pevnost a odolnost.

Tunel

Funguje na základě stejnojmenného jevu. Degenerované polovodiče se používají ve výrobě. Používá se jako zesilovač.

Reverzní dioda

Mají vysoké hodnoty zpětného proudu, které převyšují proud vpřed. Vyznačují se nízkou citlivostí na ionizující záření.

Varikap

Nejjednodušší způsob, jak to vysvětlit, je na kondenzátoru s proměnnou tloušťkou dielektrické vrstvy. Při nízkém napětí na pn přechodu je tloušťka vrstvy při vysoké kapacitě malá, při vysoké kapacitě by se vrstva měla zvětšovat. K čemu se takové diody používají? Používají se jako prvky s řízenou kapacitou, například v systémech automatického ladění frekvence v rádiových zařízeních.

Fotodioda

Zařízení, ve kterých dochází k zpětnému proudu, když na ně dopadnou fotony. Principem jsou podobná běžnému solárnímu článku.

Označení

Moderní diodové značení obsahuje čtyři prvky:

• výrobní materiál;
• označení třídy diody;
• účel nebo vlastnosti;
• vývojové číslo.

Například KD202A je křemíková (K) usměrňovací (D) dioda.

Triody

Dříve se používaly místo tranzistorů; v moderní elektrotechnice se téměř nepoužívají. Skládají se ze tří elektrod: katody s přímým nebo nepřímým ohřevem, anody a mřížky. V závislosti na napětí je tok elektronů regulován, čímž vzniká zesilovací efekt.

Pro a proti

Polovodičové diody mají své výhody i nevýhody. Mezi první patří:

• dostupnost – prvky jsou levné;
• zaměnitelnost – pokud se jeden porouchá, je snadné vybrat a nainstalovat podobný;
• vysoká propustnost;
• jednoduchý princip fungování.

Mezi nevýhody patří zranitelnost vůči vnějším vlivům a možné poruchy. Mohou to být:

• přechodová přestávka;
• porušení těsnosti;
• rozpad přechodu.

Není však obtížné opravit poškození a vyměnit zařízení, takže nevýhody lze považovat za nevýznamné.

Použití v každodenním životě

Díky jednoduché struktuře diod jsou rozšířené. Používají se téměř v každém zařízení, které lze doma vidět. Například LED televizory, jejichž samotný princip fungování je založen na použití LED diod. Dalšími příklady jsou napájecí zdroje, relé, amatérské elektrické obvody.

Hlavní závady diod

Hlavním problémem, se kterým se setkáváme při používání diod, je průrazný efekt. Existuje několik typů poruch.

Průraz na grafu VAC

průraz pn přechodu

Během průrazu se odpor snižuje a vzniká zpětný proud. Dochází k lavinovému průrazu, který je doprovázen řetězcem průrazů, a k průrazu pole.

Elektrická porucha

Hlavní výhodou elektrických průrazů je jejich reverzibilita (stav se vrátí do normálu). To znamená, že spoj není poškozen. To umožňuje použít průraz jako základní princip fungování – jako u zenerových diod.

Tepelné rozložení

Dochází k němu při zvýšení teploty. Je charakterizován výskytem nevratného poškození: krystalová mřížka polovodiče je zničena.

Navzdory jednoduchosti konstrukce se dioda stále používá v moderních zařízeních. Není vždy možné k ní najít alternativu. Navíc pokračuje práce na technologickém vylepšování diod pro různé účely.