Dioda

Rozbalit box

Obsah boxu

Dioda je dvojvývodová (dvouelektrodová) elektronická součástka, která se vyznačuje velmi odlišnou elektrickou vodivostí v závislosti na polaritě přiloženého elektrického napětí. V ideálním případě propouští elektrický proud pouze jedním směrem, zatímco v opačném směru proud nepropouští vůbec. Funguje tedy jako "elektronický jednosměrný ventil".

Její základní funkcí je usměrňování střídavého proudu. Název je odvozen z řeckých slov di (dva) a hodos (cesta), což odkazuje na dvě elektrody – anodu a katodu. Proud teče od anody ke katodě (v propustném směru). Dnes jsou nejrozšířenější polovodičové diody, jejichž funkce je založena na vlastnostech P-N přechodu.

📜 Historie

Historie diody sahá až do 19. století a je spjata s objevy v oblasti fyziky a elektrotechniky.

🌡️ Vakuové diody (Elektronky)

První diody nebyly polovodičové, ale vakuové. V roce 1873 britský vědec Frederick Guthrie objevil princip termionické emise (vyzařování elektronů z rozžhaveného kovu). Na tento objev navázal Thomas Alva Edison v roce 1883, když při experimentech se žárovkou zjistil, že mezi rozžhaveným vláknem a oddělenou kovovou destičkou ve vakuu může téct proud, ale pouze jedním směrem. Tento jev byl nazván Edisonův efekt, ale Edison pro něj nenašel praktické využití.

Praktické využití přišlo až v roce 1904, kdy britský fyzik John Ambrose Fleming, bývalý Edisonův spolupracovník, zkonstruoval první prakticky použitelnou vakuovou diodu, kterou nazval Flemingův ventil (Fleming valve). Tato součástka, tvořená vakuovou baňkou s rozžhavenou katodou a studenou anodou, se stala základem pro usměrňování a detekci rádiových vln a odstartovala éru elektroniky.

💎 Krystalové diody

Paralelně s vývojem vakuových diod probíhal výzkum v oblasti polovodičů. V roce 1874 německý fyzik Karl Ferdinand Braun objevil usměrňovací vlastnosti na kontaktu kovového hrotu a krystalu sulfidu olovnatého (galenitu). Tyto primitivní hrotové diody, známé jako krystalky, se staly srdcem prvních rádiových přijímačů – krystalek. Jejich nevýhodou byla nestabilita a nutnost hledat citlivé místo na krystalu.

⚛️ Moderní polovodičové diody

Skutečná revoluce přišla s rozvojem fyziky pevných látek a pochopením chování polovodičů. Klíčovým milníkem byl vynález tranzistoru v Bellových laboratořích v roce 1947. Výzkum, který vedl k tranzistoru, zároveň hluboce objasnil chování P-N přechodu, který je základem moderních diod. První polovodičové diody byly vyrobeny z germania, ale brzy je nahradil technologicky výhodnější a stabilnější křemík. Následoval vývoj mnoha specializovaných typů diod, jako jsou Zenerovy diody, LED, fotodiody a další.

⚙️ Princip funkce

Funkce nejběžnějšího typu diody, polovodičové diody, je založena na vlastnostech P-N přechodu.

🔬 Polovodičová dioda (P-N přechod)

Polovodič (nejčastěji křemík) se upravuje procesem zvaným dopování, kdy se do jeho krystalové mřížky přidávají cizí atomy (příměsi), které mění jeho elektrické vlastnosti.

Polovodič typu P (pozitivní): Vzniká přidáním trojmocných příměsí (např. bor). V materiálu vzniká nadbytek "děr" (míst s chybějícím elektronem), které se chovají jako kladné náboje a jsou majoritními (většinovými) nosiči náboje.
Polovodič typu N (negativní): Vzniká přidáním pětimocných příměsí (např. fosfor). V materiálu vzniká nadbytek volných elektronů, které jsou záporně nabité a jsou majoritními nosiči náboje.

Spojením polovodiče typu P a typu N vzniká P-N přechod. Na tomto rozhraní dochází k difúzi: volné elektrony z oblasti N přecházejí do oblasti P, kde rekombinují s dírami. Tím v blízkosti přechodu vzniká oblast bez volných nosičů náboje, nazývaná depleční (ochuzená) oblast nebo také hradlová vrstva. V této oblasti se vytvoří vnitřní elektrické pole, které brání další difúzi. Toto pole vytváří potenciálovou bariéru s napětím (difúzní napětí), které je u křemíkových diod přibližně 0,6–0,7 V a u germaniových asi 0,3 V.

▶️ Propustný směr (Forward Bias)

Pokud na diodu připojíme vnější napětí tak, že kladný pól zdroje je na anodě (typ P) a záporný pól na katodě (typ N), mluvíme o zapojení v propustném směru. Vnější elektrické pole působí proti vnitřnímu poli potenciálové bariéry. Pokud je vnější napětí větší než difúzní napětí (cca 0,7 V u Si), potenciálová bariéra se výrazně zmenší a majoritní nosiče náboje (díry z P a elektrony z N) mohou snadno procházet přes P-N přechod. Diodou začne protékat proud. Napětí, při kterém dioda začíná vodit, se nazývá prahové napětí.

◀️ Závěrný směr (Reverse Bias)

Pokud diodu připojíme opačně – záporný pól na anodu (P) a kladný pól na katodu (N) – mluvíme o zapojení v závěrném směru. Vnější elektrické pole nyní působí ve stejném směru jako vnitřní pole potenciálové bariéry. Tím se depleční oblast rozšíří, potenciálová bariéra se zvýší a majoritní nosiče náboje jsou od přechodu odtlačovány. Dioda je prakticky nevodivá. Protéká jí pouze velmi malý závěrný (unikající) proud (řádově nanoampéry až mikroampéry), který je tvořen minoritními nosiči náboje.

💥 Průraz diody

Pokud napětí v závěrném směru překročí určitou mez, tzv. závěrné napětí (U_R), dojde k prudkému nárůstu závěrného proudu. Tento jev se nazývá průraz diody a může být destruktivní (u běžných diod) nebo nedestruktivní (u speciálních diod). Existují dva hlavní mechanismy průrazu:

Zenerův průraz: Nastává u diod se silně dopovaným přechodem při nižších napětích (do cca 5 V). Silné elektrické pole v úzké depleční oblasti vytrhává elektrony z valenčních vazeb. Tento jev je základem funkce Zenerových diod.
Lavinový průraz: Nastává při vyšších závěrných napětích. Minoritní nosiče náboje jsou v silném elektrickém poli urychleny natolik, že při srážce s atomy krystalové mřížky vyrážejí další páry elektron-díra. Ty jsou také urychleny a proces se lavinovitě opakuje, což vede k prudkému nárůstu proudu.

📈 Voltampérová charakteristika

Voltampérová charakteristika (V-A charakteristika) je graf závislosti proudu protékajícího diodou na napětí, které je na ni přiloženo. Je to klíčový graf popisující chování diody.

Propustná větev: Pro napětí v propustném směru. Proud je zpočátku téměř nulový, dokud napětí nedosáhne prahové hodnoty (U_F, cca 0,7 V pro Si). Poté proud exponenciálně roste. Na diodě zůstává téměř konstantní úbytek napětí.
Závěrná větev: Pro napětí v závěrném směru. Protéká pouze malý, téměř konstantní závěrný proud (I_R).
Oblast průrazu: Po dosažení závěrného napětí (U_BR) proud v závěrném směru prudce vzroste.

🔧 Typy diod a jejich použití

Existuje mnoho druhů diod, které se liší konstrukcí, materiálem a účelem použití.

Usměrňovací dioda: Nejběžnější typ, určený pro přeměnu střídavého proudu na stejnosměrný proud v usměrňovačích. Jsou konstruovány pro různé proudy (od miliampérů po tisíce ampérů) a napětí.
Zenerova dioda: Speciálně konstruovaná pro provoz v oblasti nedestruktivního průrazu. Využívá se ke stabilizaci napětí, protože v oblasti průrazu se na ní udržuje téměř konstantní napětí (Zenerovo napětí) bez ohledu na protékající proud.
Schottkyho dioda: Místo P-N přechodu využívá přechod kov-polovodič. Má velmi malý úbytek napětí v propustném směru (cca 0,2–0,4 V) a velmi rychlé spínání. Používá se ve vysokofrekvenčních obvodech, spínaných zdrojích a logických obvodech.
Světelná dioda (LED): Při průchodu proudu v propustném směru emituje světlo. Rekombinace elektronů a děr uvolňuje energii ve formě fotonů. Barva světla závisí na použitém polovodičovém materiálu (např. arsenid gallitý). Dnes se masivně používají pro osvětlení, signalizaci a v displejích.
Fotodioda: Funguje opačně než LED. Je-li osvětlena, generuje v závěrném směru proud úměrný intenzitě dopadajícího světla. Používá se jako detektor světla v dálkových ovladačích, optických snímačích nebo solárních článcích (což je v podstatě velkoplošná fotodioda).
Varikap (Varaktor): Využívá závislost kapacity depleční oblasti na přiloženém závěrném napětí. Chová se jako napětím řízený kondenzátor. Používá se v ladicích obvodech rádiových přijímačů, oscilátorech a fázových závěsech.
Tunelová (Esakiho) dioda: Využívá kvantově-mechanický tunelový jev. Vyznačuje se oblastí záporného diferenciálního odporu na V-A charakteristice, což umožňuje její použití pro konstrukci velmi rychlých oscilátorů a zesilovačů v mikrovlnné technice.
PIN dioda: Mezi vrstvy P a N je vložena slabě dopovaná (intrinsická) vrstva I. Při nízkých frekvencích se chová jako běžná dioda, ale při vysokých frekvencích se chová jako rezistor, jehož odpor lze řídit stejnosměrným proudem. Používá se jako vysokofrekvenční spínač nebo atenuátor.
Laserová dioda: Podobná LED, ale konstrukčně upravená tak, aby emitovala koherentní (usměrněné) laserové světlo. Je základem CD, DVD a Blu-ray přehrávačů, laserových tiskáren a optických komunikací.

💡 Praktické aplikace

Díky své základní vlastnosti – jednosměrné vodivosti – mají diody široké uplatnění v elektronice.

Usměrňovače: Základní aplikace pro převod střídavého napětí na stejnosměrné. Používají se v napájecích zdrojích pro téměř všechna elektronická zařízení. Běžná zapojení jsou jednocestný, dvoucestný a Graetzův můstek.
Ochrana proti přepólování: Jednoduchá dioda zapojená sériově se spotřebičem zabrání jeho zničení při nesprávném připojení zdroje napětí.
Stabilizace napětí: Pomocí Zenerových diod lze vytvářet jednoduché stabilizátory napětí.
Detekce signálu (demodulace): V amplitudově modulovaných (AM) rádiových přijímačích dioda odděluje nízkofrekvenční (zvukový) signál od vysokofrekvenční nosné vlny.
Logická hradla: Z diod lze sestavit jednoduchá logická hradla jako OR a AND.
Spínání: Diody se používají jako rychlé spínače v digitálních i analogových obvodech.
Osvětlení a signalizace: LED diody zcela dominují v oblasti signalizačních kontrolek a stále více i v obecném osvětlení díky své vysoké účinnosti a dlouhé životnosti.

🔬 Pro laiky

Představte si diodu jako automatickou jednosměrnou branku nebo turniket pro elektrický proud.

Když se proud snaží projít správným směrem (od anody ke katodě), branka se snadno otevře a proud bez problémů projde. Je k tomu potřeba jen malá "síla" (napětí asi 0,7 V), aby se branka odjistila.
Když se ale proud snaží projít špatným směrem (od katody k anodě), branka se pevně zavře a proud nepropustí.

Tato jednoduchá vlastnost je nesmírně užitečná. Například střídavý proud z elektrické zásuvky neustále mění směr, jako by se dav lidí tlačil střídavě z jedné a druhé strany branky. Když do cesty postavíme diodu (branku), projde jen ta část davu, která se tlačí správným směrem. Výsledkem je proud tekoucí už jen jedním směrem – a přesně to potřebuje většina elektronických zařízení, jako jsou mobilní telefony nebo počítače. Dioda tak "usměrní" chaotický střídavý proud na spořádaný stejnosměrný.

Šablona:Aktualizováno