Dioda (Diode)

Schématická značka:

Dioda je polovodičová součástka s dvěma elektrodama, která se vyznačuje vlastností propouštět el. proud pouze při propustné polaritě napětí na elektrodách.

Vlastnost propouštět el. proud pouze v jednom směru má dioda díky speciální polovodičové struktuře. Základním materiálem bývá obvykle 4-mocný křemík a ten je dotovaný v jedné části 5-mocným prvkem a v druhé části pak 3-mocným prvkem. Oblast s dotací 5-mocného prvku se nazývá oblastí typu N a ta druhá typu P. Elektroda připojená k oblasti typu P se nazývá Anoda a elektroda v oblasti N se nazývá katoda.

Diodou prochází el. proud pouze tehdy když napětí je polarizováno propustně, tedy když na anodě je "plus" a katodě "mínus". Je to z toho důvodu, že v oblasti typu N, na katodě, je jeden elektron u atomu dotovaného prvku jakoby navíc, nemá kovalentní vazbu s atomem základního materiálu, takže záporný potenciál na této elektrodě snadno "vytlačuje" tyto elektrony směrem do oblasti P a naopak kladný potenciál vytlačuje "kladný náboj", díry, směrem do oblasti N. V opačných oblastech si tyto náboje snadno přitáhne napětí na příslušné elektrodě a tak vzniká vodivostní proud. Jediný "zádrhel" nastává na hranici mezi oblastí P a N tj. tzv. oblast protorového náboje (hradlová oblast, depletiční vrstva). V této oblasti jsou na obou stranách rozdílné počty elektronů a děr, což vede k difůzi elektronů do oblasti P a naopak díry difundují do oblasti N a to tak dlouho dokud nevznikne jistý rovnovážný stav, kdy vzniklé ionty vytvoří intenzitu el. pole takovou, která již brání v difůzi dalších částic. Navíc tím v hradlové oblasti chybí volné náboje, říká se pak že přechod PN má velký odpor. Pokud má nastat propustný stav je nutné toto el. pole kompenzovat pomocí vnějšího napětí, které se také nazývá propustné napětí. U klasické křemíkové usměrňoací diody to bývá 0,7V.
Při závěrně orientovaném napětí se hradlová oblast ještě zvětší a není možné, aby přes tuto oblast protékal proud (kromě zanedbatelného závěrného proudu jelikož dochází i k nepatrné generaci/rekombinaci minoriotních částic).

Pro popis jevů v polovodičých strukturách se používá i tzv. pásový model nebo též pásový diagram.
Velmi zjednodušený výklad (a zřejmně ne zcela korektní) naznačím pro pásový diagram PN přechodu (PN junction band diagram):

Wv - horní hranice energie valenčního pásma
Wc - spodní hranice energie vodivostního pásma
Wf - Fermiho hladina
Ui - difůzní napětí PN přechodu

Kvantová fyzika říká, že elektron se může nacházet pouze v určitých energetických hladinách a mimo ně nemůže existovat - zakázané pásmo.
Aby se elektron dostal z valenčního pásma do vodivostního musíme mu dodat tzv. aktivační energii (Wc-Wv).
Fermiho hladina Wf naznačuje 50% pravděpodobnost, že bude tato hladina obsazena. Prakticky to znamená, že čím blíž je Wf vodivostnímu pásmu tím je větší pravděpodobnost, že majoritní nosič bude elektron, a čím blíž valenčnímu pásmu tak majoritní nosič bude díra.
Pro čistý polovodič bez příměsí a teplotě 0K se bude Wf nacházet přesně uprostřed obou pásem.
Jelikož v hradlové oblasti vzniká elektrické pole, dochází k zakřivení pásma. Rozdíl energie v důsledku zakřivení úměrně reprezentuje difůzní napětí přechodu PN. Přiložením propustného napětí se bude zakřivení zmenšovat (hradlová oblast bude tenčí) a závěrné napětí naopak zakřivení zvětší.

Příklady použití:
Jelikož kromě klasické usměrnovací diody se vyrábí různé druhy diod, je i jejich pouižití rozmanité. Uvedu jen některá využití:

Usměrnování střídavého signálu (výstup z transformátoru apod.).

Ochrana proti přepólování.

Oddělení dobíjené baterie od dobíjecího obvodu (aby dobíjená baterie zpetně nedodávala proud po vypnutí dobíjení).

Pro realizaci logické funkce AND nebo OR.

Zenerova dioda pro stabilizaci napětí.

Přepěťová ochrana pomocí tzv. transilů.

Využití vlivu teplotního koeficientu diody pro měření teploty.

Varikapy využívající jevu kdy se změnou napětí se mění vlastní kapacita diody čehož se využívá v ladících obvodech.

Dělení dle typu:

(využito dokumentace firmy VISHAY, skripta: Elektronické prvky - Jaromír Pištora, VŠB TU Ostrava, wikipedia)

Diody se vyrábějí v různem provedení, s různym typem materiálů, různými charakteristikami i odlišnou funkcí dle požadavků na ně kladených. Běžné typy diod ze kterými se lze v praxi setkat:

Usměrňovací diody (Rectifiers)

Nejčastěji používaný typ diody, pro svou základní funkci propouštět proud pouze v jednom směru. Základní materiál bývá obvykle křemík a na něm jsou dotováné oblasti P a N.
Mají prahové napětí obvykle okolo 0,7V, malý diferenciální odpor v propustném směru a velmi velký odpor v závěrném směru. Vyrábějí se pro širokou škálu max. dovolených propustných proudů, průrazných napětí, teplot i doby zotavení, ovšem vzhledem k existenci PN přechodu a tedy i nezanedbatelné kapacity přechodu nejsou vhodné pro VF aplikace.
Volt-amperová charakteristika usměrňovací diody:

Schottkyho diody (Schottky)

Narozdíl od klasické diody s PN přechodem se u schottkyho diod používá přechod kov-polovodič (obvykle typu N). Přenosu proudu se tedy účastní pouze majoritní nosiče. Na takovém přechodu také dochází k difůzi elektronů z oblasti N do oblasti kovové vrstvy, čímž vzniká oblast protorového náboje avšak výrazně užší než u PN diody, což má za následek potřebu menšího propustného napětí - obvykle 0,3V. Další výhodou tohoto uspořádání vrstvev je kratší doba zotavení, jelikož kovová vrstva rychleji "odsává" volné nosiče z hradlové oblasti. Tato výhoda předurčuje použití schottkyho diod zejména u VF aplikací. Nevýhodou je pak větší závěrný proud a menší průrazné napětí ve srovnání s klasickou PN diodou.

Zenerovy diody (Zener)

Dioda s PN přechodem u které využíváme nedestruktivního průrazu napětí v závěrné části VA charakteristiky.

Diferenciální odpor v závěrném směru je velmi malý (napětí se se změnou proudu téměř nemění) a koleno VA charakteristiky v oblasti průrazu je velmi ostré. Kvůli tepelného poškození je nutné kontrlovat maximální závěrný proud - velmi důležitý paramter zenerovy diody.
Dle velikosti průrazného zenerova napětí se liší konstrukce diody a typ průrazu. Pro zenerova napětí do cca 6V se používá silně dotované PN oblasti s ůzkým přechodem. Průraz vzniká tunelovým jevem, kdy díky závěrnému napětí dojde k zdeformování energetických hladin tak, že valenční vrstva oblasti P je nad vodivostní vrstvou oblasti N, proto valenční elektrony z P snadno spadnou do vodivostní vrstvy v N (do hladiny s nižší energií) a díry naopak. Teplotní koeficient bývá záporný.

Pro zenerova napětí větší jak cca 6V je už přechodová oblast dost široká na tunelový jev, takže se oblasti PN dotají naopak slabě, čímž vzniká široký přechod, který se se závěrným napětím ještě rozšíří a intenzita el. pole na přechodu tím tak vzroste, že elektron v tomto el. poli získá takovou energii, že je schopen vyrazit valenční elektron jiného atomu a dojde tak k další generaci páru elektron-díra a tento děj se stále rozšiřuje - Lavinový průraz. Teplotní koeficient bývá kladný.
Využití bývá např. jako zdroj referenčního napětí, omezování napětových špiček, ve stabilizátorech.

Ostaní typy diod:
- Varikap (Varicap) je kapacitní dioda, která vzniká speciální geometrickou úpravou PN přechodu. Využívá se v závěrném směru, kdy v závislosti na přiloženém závěrném napětí mění svou kapacitu přechodu.
- Transil (TVS - Transient Voltage Suppression) jsou používány pro potlačení přepěťových špiček. Reagují velmi rychle, jsou tedy vhodné i pro ohranu vysokorychlostních datových linek. Vyrabí se unipolární(ochrana v jednom směru) nebo bipolární (ochrana v obou směrech). Prakticky se chová jako zenerova dioda resp. jako dvě antisériově zapojené zenerovy diody.
- Svítící LED dioda je tvořena PN přechodem, kdy v propustném směru se v důsledku rekombinace u PN přechodu vyzařuje energie v podobě světelného záření.
- Fotodioda (Photodiode) se vyrábí konstrukčně tak aby na její PN přechod, přes optickou čočku, dopadalo světlo. Dopadající fotony mají dost energie na to aby vyrazily elektrony s valenční vrstvy do vodivostní, čímž ovlivňují odpor přechodové oblasti. Využíá se závěrné charakteritika, kdy s většímmnožstvím dopadajícího světla roste závěrný proud.

Parametry reálné diody:

(čerpáno ze skript: Elektronické prvky - Jaromír Pištora, VŠB TU Ostrava)
Dioda, resp.její PN přechod, má krom svého usměrňovacího účinku i parazitní vlastnosti - odpor, indukčnost a zejména kapacitu (přechodu PN). Tyto vlastnosti se projevují různě podle toho ve které části VA charakteristiky se nacházíme.
Náhradní schémata diody pro oblast průrazu, závěrnou, oblast kolene v propustném stavu a oblast za kolenem:

Katalogové paramtery:

(využito dokumentace firmy VISHAY, FairChild

Propustné napětí (Forward Voltage (drop)) U_F:
Úbytek napětí na diodě v propustném směru. Je to velikost napětí, které vykompenzuje opačně orientovanou el. intenzitu na PN přechodu (v důsledku difůze náboje do opačné oblasti viz. výše) a umožní tak průchod proudu diodou.
Velikost tohoto napětí závisí zejména na použitém materiálu, typu přechodu, teplotě a velikosti proudu.
- U germániové diody je Uf obvykle 0,3V a křemíkové 0,7V.
- Schotkyho dioda s přechodem kov-polovidič má velmi tenkou depletiční vrstvu, takže i propustné napětí je menší.
- S rostoucí teplotou Uf klesá, tohoto jevu se může využít i pro měření teploty.
- S rostoucím proudem v důsledku nenulového diferenciálního odporu Uf také roste.

Trvalý průměrný proud (Continuous average forward current) I_F(AV):
Maximální dovolený trvalý (průměrný) proud diodou v propustném směru. Důležité je brát ohled i na okolní teplotu resp. schopnost odvádět vzniklé teplo.

Špičkový proud (Peak (surge) forward current) I_FSM:
- Peak Forward: Maximální opakovatelný špičkový proud v propustném směru. Obvykle je specifikován typ opakování např. sinusový průběh s frekvencí alespoň 25Hz.
- Peak Surge Formward: Maximální špičkový proud bez opakovaní, který má specifikovanou dobu trvání a tvar jeho průběhu.

Závěrné napětí (Reverse Voltage) U_R:
Dovolené závěrné napětí na diodě aniž by ještě došlo k průrazu.
U_RRM je maximální opakovatelné špičkové závěrné napětí.
S rostoucím závěrným napětím roste taky i závěrný proud.

Závěrný proud (Reverse Leakage) U_R:
Proud diodu při závěrně orientovaném napětí. Bývá velmi malý již od řádů nA. Vzniká v důsledku nepatrné generace/rekombinace minoritních částic - tedy může se stát že např. v oblasti P se uvolní valenční elektron byť tvoří kovalentní vazbu.

Průrazné napětí (Breakdown voltage) U_BR:
Závěrné napětí při kterém dojde k průrazu a k prudkému nárustu závěrného proudu.
Průrazné napětí závisí hlavně na míře dotace (tím se také ovlivní typ průrazu - lavinový vs. zenerův(tunelový)) a vliv má i teplota.

Diferenciální odpor (Differential resistance) r_d:
je pomer zmeny napeti a proudu v propustne(pripadne zaverne) oblasti VA charakteristiky.
r_d = ΔU_F / ΔI_F

Tepelný odpor (Thermal Resistance) R_th:
Vyjadřuje jaký bude rozdíl teploty mezi okolím a povrchem (nebo jinou specifikovanou plochou) součástky na jeden Watt ztrátového výkonu. Pro dobrou schopnost odvádět ztrátové teplo je vhodné aby tato hodnota byla co nejmenší, proto zejména u výkonových diod je povrch kovový s možností jej přišroubovat k chladící ploše.

Kapacita přechodu (Junction Capacitance) C_J:
Pokud pomineme parazitní kapacitu samotného pouzdra diody a mezi vývody, pak se ještě hovoří k tzv. difůzní kapacitě a kapacitě přechodu (ta se obvykle jako jediná objevuje v datasheetu).
Difůzní kapacita souvisí s velikostí proudu v propustném směru, kdy v důsledku doby života generovaného páru elektron-díra pozorujeme jistou setrvačnost zániku proudu než volné nosiče opět rekombinují.
V katalogu se ale setkáme pouze s hodnotou kapacity PN přechodu. Oblast přechodu PN si lze představit jako deskový kondenzátor - čím větší je plocha a šířka přechodu menší o to je větší kapacita přechodu. Šířka přechodu je závislá na koncentraci donorů a akceptorů a na přiloženém napětí.

Kapacitu přechodu účelně využívá zejména varikap a varaktor.

Charakteristika během spínání (Switch-on characteristics):
- Doba zotavení v propustném směru(Forward Recovery Time) t_fr a Přechodné špičkové napětí (Transient Peak Voltage) U_FP:
Během sepnutí obvodu s diodou vykazuje dioda dočasně značný odpor. Při spínání velkých proudů se tedy dočasně objeví na diodě velké přepětí U_FP, které může diodu i zničit. Hádám, že to je v důsledku prodlení než dojde k odčerpání difundovaného náboje v přechodové oblasti?
Definuje se doba t_fr, kdy se na diodě, po sepnutí nebo s definovaného závěrného napětí, objeví 110% ustáleného napětí. Po tuto dobu se tedy objeví i výkonová špička.
Takže zejména ve výkonové elektronice je nutné na tento jev brát ohled.

Charakteristika během vypínání (Switch-off characteristics):
- Doba zotavení v závěrném směru (Reverse Recovery Time) t_rr a Špičkový závěrný proud (Peak Reverse Recovery Current) I_RM:
Při přechodu s propustného do závěrného stavu diody hovoříme o tzv. komutaci diody. V důsledku jisté doby života nosičů (páru elektron-díra) diodou prohází dočasně špičkový závěrný proud s max. hodnotou I_RM po dobu t_rr než se ustálí na hodnotě trvalého závěrného proudu.
Když vypínáme velké proudy pomocí velkého závěrného napětí tak se projeví i znatelný ztrátový výkon v závěrném směru.

V praxi se však závěrný překmit neutlumí plynule, ale projeví se tlumená oscilace, která je přinejmenším zdrojem rušení/zvlnění, proto se vyrábí i tzv. soft recovery diody:

Další oblastí kde se komutace negativně projevuje jsou vysokofrekvenční obvody, kdy se doba zotavení blíží době závěrné pulperiody a usměrňující účinek se tak vytrácí.

- Komutační náboj (Reverse recovery charge) Q_rr:
Při přechodu z propustného do závěrného směru je na PN přechodu naakumulovaný náboj, který se musí nejdřív vybít, aby mohl fungovat blokující účinek diody. To přímo souvisí s dobou zotavení: