Dioda (z řeckého di dva, dvojité; odos cesta, cesta) je elektronická součástka . Je to nelineární a polarizovaný (nebo nesymetrický) dipól . Směr připojení diody má proto význam pro provoz elektronického obvodu, ve kterém je umístěna.
Toto slovo bez přesnosti označuje dipól, který umožňuje průchod elektrického proudu pouze jedním směrem. Tento dipól se nazývá usměrňovací dioda, pokud se používá k výrobě usměrňovačů, které umožňují transformovat střídavý proud na stejnosměrný .
První zařízení schopné nechat proudit elektrický proud v jednom směru, zatímco ho blokovat v druhém, objevil v roce 1874 Karl Ferdinand Braun s krystalem galenity . Toto zařízení je dnes známé jako bodcová dioda , ačkoli termín dioda byl navržen až v roce 1919 pro vakuovou diodu . Jagadish Chandra Bose jej použít pro detekci všech rádiových vln , a tento systém byl široce používán od prvních dnů vysílání v roce 1920 ve stanici Galena .
Na začátku XX th století , bylo použito usměrňovače oxid mědi nebo selen pro převod střídavého proudu na stejnosměrný proud. Toto používání přetrvávalo po většinu století pro nabíjení baterie .
V roce 1901 vynalezl Peter Cooper Hewitt usměrňovač rtuťových par , používaný pro energetické aplikace až do 70. let.
Současně ve snaze zlepšit detekci rádiových vln vyvinul John Fleming první elektronovou trubici , vakuovou diodu , jejíž katoda po zahřátí emituje elektrony, které může anoda zachytit, zatímco opačný n není možný. Bylo to v době prvního rozmachu elektroniky v telefonním a rádiovém průmyslu , kdy inženýři přijali termín dioda pro elektronovou trubici se dvěma elektrodami, zatímco trioda , vynalezená v roce 1906, má tři.
Diodový polovodič k germanu nebo křemíku nahrazuje vakuové trubice po druhé světové válce . Jejich pokles napětí v dopředném směru (směr průchodu) je menší při stejném proudu a je praktičtější je implementovat, aniž by byl vyžadován topný proud. Vakuové diody však přetrvávají, dokud elektronová trubice zůstává aktivním prvkem zařízení: poskytují napětí kompatibilní s ostatními trubicemi a napájení obvodů musí stejně zajišťovat proud pro ohřev vláken.
Vývoj polovodičů vedl k vytvoření mnoha druhů diod, využívajících vlastnosti PN přechodu , nebo, v případě světelných diod , pomocných vlastností materiálu.
Norma IEC 60617 definuje symboly pro elektronická schémata .
Standardní schéma IEC, obecný symbol polovodičové diody, se objevuje na obrázku naproti na druhém řádku pod běžnějším znázorněním. Stále existuje varianta s trojúhelníkem vyplněným černě a obklopeným kruhem.
Poznámky k aplikacím od výrobců diod odrážejí různá použití, se standardizovaným tvarem, tvarem bez středové čáry nebo tvarem s černým trojúhelníkem.
Diody jsou vyrobeny z polovodičů . Jejich fyzikální princip činnosti se používá v mnoha aktivních součástech v elektronice.
Dioda se vytvoří spojením substrátu s nedostatkem elektronů, to znamená bohatého na díry (polovodič typu P), na substrát bohatý na volné elektrony (polovodič typu N nebo kov).
Většina diod je vyráběna spojením dvou polovodičů : jedna „P“ dopovaná druhá „N“ dopovaná.
Schottkyho dioda se skládá z polovodičového / kovové spojení.
Spojení na straně P se nazývá anoda; ten na N nebo kovové straně se nazývá katoda.
Pouze Gunnova dioda zcela uniká tomuto principu: protože je tvořena pouze monolitickou tyčí arsenidu gália , její název dioda může být považován za nesprávné pojmenování.
U válcových diod je strana katody obvykle označena barevným prstencem. Existují i jiné formy identifikace v závislosti na povaze zapouzdření těchto složek.
Dioda je polovodičový dipól ( PN přechod ), který má dva provozní režimy: vypnuto a zapnuto.
Tyto provozní režimy nelze ovládat přímo, ale závisí na napětí V AK na svorkách diody a na intenzitě procházejícího proudu I D (stejnosměrný proud, lze také zapsat I F s F pro dopředu ).
Blokovaná dioda | stav diody, když V AK < V prahová hodnota , která brání toku proudu diodou; I D = 0 . |
Procházející dioda | stav diody, když V AK ≥ V práh , což má za následek I D ≠ 0 . |
Když je dioda zablokovaná, I D není úplně nula, ale má hodnotu několik nA (svodový proud).
Prahová hodnota V je údaj poskytovaný výrobci a obvykle se rovná:
Proud I protékající diodou je dán rovnicí Shockley (in) (viz „ William Shockley “):
nebo:
Pomocí charakteristiky lze modelovat procházející diodu sdružením elektromotorické síly U S (prahové napětí), která je proti průchodu proudu v sérii s odporem R D (dynamický odpor).
Diodu, jejíž charakteristika v průchozím směru je znázorněna výše, lze modelovat asociací U S = 0,72 V a R D = 25 mΩ .
Inverzní hodnota dynamického odporu diody je sklon její charakteristiky.
V některých případech bude rozumné jeden nebo druhý z těchto parametrů zanedbat:
Když se říká, že dioda je ideální , předpokládá se, že tyto poslední dva parametry jsou nulové.
Charakteristika ideální diody Technická charakteristikaPrahová hodnota V. | Hodnota mezního napětí, uvedená V F v dokumentaci výrobce (F pro přímý , přímý). |
I D (nebo I F ) | I D je intenzita stejnosměrného proudu protékajícího diodou od A do K. |
V R | V R je napětí na diodě, když je blokována, V R = V KA (R pro reverzní chod ). |
Když se tyto dva krystaly spojí, mají nadbytečné elektrony části N tendenci migrovat směrem k části P, aby tam zastrčily „ díry “ (difúzní a rekombinační jevy). Když se každý vzdá elektronu, z dotovaných atomů části N se stanou kladné ionty, zatímco dotované atomy části P sousedící se spojením se stanou zápornými ionty získáním těchto elektronů. Tyto ionty jsou fixovány a vytváří se tak rostoucí elektrostatická bariéra, která je v rovnováze proti fenoménu difúze. Tato zóna, která se nachází na obou stranách křižovatky bez mobilního a izolačního nosiče nákladu, se nazývá zóna vyčerpání . A proto při termodynamické rovnováze existuje také potenciální rozdíl mezi částí N a částí P (tzv. Spojovací potenciál ); to je řádově 0,7 V pro diody se silikonovým substrátem, 0,3 V pro germania a Schottkyho diody ; je to důležitější pro určité substráty typu III-V, jako jsou GaAs nebo světelné diody . Elektrické pole je maximální v blízkosti křižovatky, v oblasti zvané zóny prostorového náboje, ZČE .
Pokud nyní použijeme kladné napětí na straně N a záporné na straně P, zkreslení diody se říká „obrácené“ a spojení „se rozšiřuje“: elektrony sekce N jsou přitahovány ke konci tyče „Symetrický jev nastává na straně P s otvory: ZCE se prodlužuje, nemůže proudit žádný proud, o diodě se říká, že je„ zablokovaná “; potom se chová jako kondenzátor , vlastnost dobře využívaná ve varikapsech , diody, jejichž kapacita se mění v závislosti na zpětném napětí, které je na ně aplikováno; používají se mimo jiné při výrobě napěťově řízených oscilátorů (OCT, anglicky VCO).
Když je zpětné napětí dostatečně velké, pozorujeme dva jevy se zřetelnými příčinami:
Tyto dva jevy, jejichž převaha vyplývá z koncentrace dopantu, vedou ke vzniku velkého a neomezeného reverzního proudu, který často vede ke zničení (rozpadu) krystalu Jouleovým efektem . Dioda má ve skutečnosti v tomto provozním rozsahu velmi nízký odpor. Reverzní napětí, při kterém dochází k lavinovému jevu, se nazývá lavinové napětí (často označované VBR z anglického Voltage Breakdown Reversed )
Pokud je tento proud omezen pomocí externích odporů, chová se lavinová dioda kvůli svému nízkému vnitřnímu odporu jako téměř dokonalá reference napětí (napěťový přijímač): tato vlastnost má původ v použití takzvaného Zenerova diody v přímé regulaci napětí .
Na druhou stranu, když je aplikováno „dopředné“ napětí, to znamená, že je kladné napětí přivedeno na stranu P a záporné na stranu N (předpětí), za předpokladu, že toto napětí je větší než přítomná potenciální bariéra v rovnováze elektrony vstřikované na straně N procházejí přes rozhraní NP a končí svůj průběh buď rekombinací s otvory, nebo na anodě, přes kterou se mohou dostat ke zdroji energie: proud cirkuluje, dioda se říká „zapnutá“ .
Když elektron „spadne“ do díry (rekombinace), přejde z volného stavu do vázaného; ztrácí energii (rozdíl mezi valenční úrovní a úrovní vedení) emitováním fotonu; tento princip je původem světelných diod nebo LED diod, jejichž účinnost značně převyšuje účinnost domácích světelných zdrojů: žárovky, halogenové žárovky. LED, jejíž substrát byl tvarován tak, aby fungoval jako reflektor pro fotony, lze opticky čerpat , což vede k laserovému záření ( laserová dioda ).
Provoz diody není snadné pochopit, pokud jste neprovedli vědecké studie. Jednodušší a barevnější způsob, jak pochopit provoz diody, je vytvořit analogii s hydrodynamikou . Nebo potrubí vybavené zpětným ventilem: v jednom směru, od určitého tlaku kapaliny, ventil nechá kapalinu projít (analogicky s prahovým napětím), v opačném směru kapalina neotevře ventil, pokud tlak je příliš vysoký (analogie s maximálním zpětným napětím). Analogii lze posunout a lze najít shodu se všemi ostatními charakteristikami diody (výkon, vzhled charakteristiky…).
Schottkyho dioda se skládá z kovu / polovodičového spojení, které mu dává sníženou přední úbytek napětí ( přibližně 0,3 V ) a zřetelně lepší dynamiku v důsledku nepřítomnosti minoritních nosičů zapojených do procesu vedení. Na druhou stranu není schopen odolat napětí nad asi padesát voltů.
Zenerova diodaZenerova dioda je více těžce dopovaného než konvenční diodou. Zenerův efekt nastává, když v důsledku aplikace dostatečného zpětného napětí způsobí zvýšení elektrického pole uvolnění nosičů náboje, takže se proud náhle zvýší a napětí na svorkách zůstane prakticky konstantní. Ostatní diody, jakkoli klasifikované jako Zenerovy, fungují podle lavinového efektu . Tyto diody umožňují stabilizaci a ořezávání napětí. Jako zdroj hluku je také možné použít Zenerovu diodu.
Transil diodaTRANSIL je složkou přepěťovou ochranu typu, určené pro ochranu obvodu. Tato dioda byla vytvořena díky optimalizaci provozu diod v jejich lavinovém pásmu .
Světelná diodaSvětelná dioda, původně omezená na světelná signalizační zařízení , se používá k osvětlení od roku 2000 . Na počátku 90. let vedl výzkum k vytvoření modrých, poté bílých, světelných diod. Některé (nitrid galia nebo GaN) jsou dostatečně silné pro světlomety automobilů a pouliční osvětlení (případně solární). Cílem evropského projektu je přeměnit je na osvětlení domácnosti schopné konkurovat lampám s nízkou spotřebou v letech 1990–2000.
Vysílací část z optických vláken propojení systémů , jako jsou některé optické snímače mohou použít světelné diody.
Světelné diody vyzařující primárně v infračervené oblasti se používají v elektronických součástkách, jako jsou fotočlánky . Umožňují přenos signálu mezi elektricky izolovanými obvody .
U některých přenosových systémů se často používají světelné diody emitující infračervené záření. Toto neviditelné světelné záření se vyvaruje rušení přítomných. Přenos se zastaví na stěnách místnosti. Systémy mohou fungovat bez rušení v sousedních místech. V dálkových ovladačích zařízení tyto diody vysílají sekvence zapnutí a vypnutí, které tvoří kontrolní kód, často podle protokolu RC5 . Některé bezdrátové vysílače pro domácí nebo institucionální použití, například vysílače určené pro vysílání simultánního tlumočení , používají difuzory diod emitujících světlo, které vysílají nosnou frekvenci, která moduluje přenášený signál, nebo digitální signál kódovaný modemem .
Diody emitující infračervené záření, jejichž záření je detekováno CCD senzory videokamer, se také používají k neviditelnému „osvětlení“ sledovacích systémů nebo nočních záběrů.
Světelné diody se také používají pro podsvícení z tekutých obrazovek krystalu o televizory , notebooky , fotoaparáty , smartphony , informačních panelů v letectví , automobily , atd. Varianta, organická světelná dioda (OLED), která umožňuje upustit od podsvícení a mimo jiné vylepšuje rozsah šedé oblasti obrazů, nachází své aplikace ve stejných polích; navíc umožňují konstrukci tenčích obrazovek i flexibilních obrazovek.
Laserová diodaTyto laserové diody vyzařuje koherentní monochromatické světlo. Používá se mimo jiné k přenosu telekomunikačního signálu přes optické vlákno , kde jejich koherentní záření podporuje vysokorychlostní a dálkové přenosy, nebo k poskytování světelné energie pro čerpání určitých laserů a optických zesilovačů . Laserová dioda je podstatnou složkou z optických čtenáři a spisovatelé , v tomto případě, že vyzařuje světelný paprsek, jehož odraz na disku je detekováno fotodiodou nebo fototranzistor . Používá se také v laserovém tisku , elektronických zařízeních pro měření vzdálenosti , rychlosti , vedení a přesného zaměřování.
FotodiodaFotodioda generuje proud z párů elektron-díra produkovaných výskytem a dostatečně energetického fotonu v krystalu. Zesílení tohoto proudu umožňuje provádět povely podle intenzity světla vnímané diodou (například soumrakový spínač).
Gunnova diodaGunn dioda sestává z jednoduchého řádku arsenid galia (GaAs) , a využívá fyzikální vlastnosti substrátu: elektrony pohybovat se při různých rychlostech (různé efektivní hmotnost) v závislosti na jejich energii (existuje několik lokální minima energie ve vedení pásmo, sledující pohyb elektronů). Proud se poté šíří ve formě výbuchů elektronů, což znamená, že stejnosměrný proud vede ke střídavému proudu; Tento jev, který je vhodně využíván, umožňuje vyrábět mikrovlnné oscilátory, jejichž frekvence je řízena jak velikostí tyče AsGa, tak fyzickými vlastnostmi rezonátoru, ve kterém je dioda umístěna.
PIN diodaPIN dioda je dioda, ve které je vložen, mezi její oblasti P a N, což je nedotovaného prostoru, tzv vnitřní (tedy I). Tato dioda s reverzním předpětím má extrémně nízkou kapacitu , vysoké průrazné napětí. Na druhou stranu přítomnost zóny I zvyšuje vnitřní odpor; toto, v závislosti na počtu nosných, klesá, když se zvyšuje proud: máme tedy proměnnou impedanci, řízenou (spojitou) intenzitou. Tyto diody se proto používají buď k usměrnění vysokého napětí, nebo k spínání UHF (kvůli jejich nízké zpětné kapacitě), nebo jako variabilní útlum (řízený stejnosměrným řídicím proudem).
Tunelová diodaTunelování dioda označuje diodu, jejíž N a P oblasti jsou hyper-dopovaný. Násobení nosných vede k vzniku proudu v důsledku kvantového překročení potenciální bariéry tunelovým efektem (taková dioda má nulové Zenerovo napětí). Ve slabé zóně dopředného napětí má dioda negativní odpor (proud klesá, když se napětí zvyšuje, protože vedení tunelu vysychá ve prospěch „normálního“ vedení), což je charakteristika využívaná k výrobě oscilátorů. Tento typ diody se dnes téměř nepoužívá.
Vakuová diodaVakuové diody , předchůdce moderních polovodičových diod, je elektronka , který používá thermionic účinek plnit svůj úkol a usměrňování proudu. Ačkoli tento typ diody přestal být používán kvůli své velikosti a spotřebě proudu, je vyhledáván milovníky obnovy starých trubicových zařízení.
V sérii v obvodu:
V souběžně :
Jedna dioda v sérii, druhá paralelně:
Tzv. Volnoběžné diody jsou podstatným prvkem spínacího zdroje .
Používají se pro kompenzaci teplotních změn a v termometrii (měření teploty jako funkce změny charakteristiky).
Diody umožňují realizaci jednoduchých drátových logických obvodů.
Používá se k „bypass“ ( bypass v angličtině), které zajistí ochranu generátory ( panely fotovoltaické solární hmotu, atd. )
Světlo emitující diody jsou používány zpracování signálu v optočlenů .
Tyto Gunnovy diody umožňují výrobu velmi vysokofrekvenčního záření s nízkým výkonem.
Tyto varaktory mají žádosti o schválení rozhlasových a televizních přijímačů .
Diody jsou jedním ze základních dipólů výkonové elektroniky .
Diody se často používají v oblasti usměrňování střídavého proudu , například v jedné fázi :
V osvětlení jim vynález přibližně bílých světelných diod spojením fluorescenčního produktu se zářením modrých světelných diod poskytuje mnoho aplikací .
Zvláště viditelnou aplikací jsou světelné diody používané k zobrazování a signalizaci.