Dióda

Különböző diódák

A dióda két kivezetéssel ellátott, egy p-n átmenetet tartalmazó félvezető eszköz, amely egyenirányításra, rádióvevő készülékekben demodulálásra alkalmas. William Henry Eccles fizikus nevezte el, a görög dia (keresztül) és odosz (út) szavakból. A félvezető diódákban a p-n átmenet tulajdonságait használjuk ki. A félvezető kristályban donor és akceptor atomokkal egy p és egy n típusú réteget alakítanak ki. A két szennyezés határán egy p-n átmenet jön létre. Ez az átmenet ideális esetben az egyik irányban az áramot átengedi, másik irányban nem – emiatt az elzárószelep elektronikus hasonmásának szokták nevezni. A valóságos dióda ezt a feladatot kissé eltérően valósítja meg.

Története

A korai diódák elektroncsövek voltak, manapság gyakorlatilag kivétel nélkül félvezetőket (például szilícium, germánium) használnak erre a célra.

A vákuumcsöves és szilárdtest (félvezető) diódákat párhuzamosan fejlesztették ki. Frederick Guthrie, brit professzor fedezte fel az elektroncsöves dióda működésének alapjait 1873-ban. A kristály-alapú diódát 1874-ben Karl Ferdinand Braun, német kutató fedezte fel.

Thomas Edison 1880. február 13-án újra felfedezte az elektroncsöves dióda működésének elvét, és bár az ötletet szabadalmaztatta, nem foglalkozott vele tovább. Braun 1899-ben szabadalmaztatta a „kristály-egyenirányító”-t. Nem sokkal később, 1900-ban Greenleaf Whittier Pickard megépítette az első kristály-diódás rádió készüléket. John Ambrose Fleming (korábban Edisonnak dolgozott) 1904-ben szabadalmaztatta az első elektroncsöves diódát.

Ezeket a szerkezeteket „egyenirányító”-nak nevezték akkoriban. William Henry Eccles, brit fizikus, 1919-ben kreálta a dióda szót. A szó görög eredetű: di-ode ~ két-út.

Elektroncsöves diódák

Elektroncsöves dióda

Az elektroncsöves diódák olyan vákuum-csövek, ahol a katód egy bárium- és stroncium-oxidokkal kezelt fűtőszál. Az áthaladó áram felhevíti a fűtőszálat, így termikus emisszió során elektronok lépnek ki belőle. A katódot körbevevő pozitív töltésű fém anód elektrosztatikusan magához vonzza ezeket a negatív töltésű szabad elektronokat. Így katód→anód irányban áram folyik. Ellenkező irányban viszont a fűtetlen anód felületéről az elektronok nem tudnak leszakadni, így anód→katód irányban csak elhanyagolható mennyiségű áram tud folyni.

A 20. század jó részében analóg jelfeldolgozó berendezésekben, illetve tápegységek egyenirányítójaként használtak vákuumcsöves diódákat. Manapság a csöves diódákat csak rendkívül szűk területen, például gitár-erősítőkben és hi-fi erősítőkben ^[forrás?], valamint nagyfeszültségű berendezésekben alkalmazzák.

Félvezető diódák

Nyitóirányú karakterisztika

A dióda p-n átmenete kis feszültségen a diffúziós hatás miatt az áram útjában gátat képez. Nyitóirányú feszültség növekedése esetén, ha a külső feszültség eléri a küszöbfeszültséget, a zárórétegben megindul az elektronok áramlása. A küszöbfeszültség szilícium félvezető esetén 0,7 V, germánium félvezető esetén 0,2 V. A feszültség növekedés hatására az áram növekedése kezdetben exponenciális jellegű, később lineárissá válik. A görbült karakterisztika miatt meg kell különböztetni az egyenáramú és a differenciális ellenállást. Az egyenáramú ellenállás értéke a diódán eső pillanatnyi feszültség és a hatására átfolyó áram hányadosa:

A dióda feszültség-áram karakterisztikája

$R_e=\frac{U_m}{I_m}$

Ahol:

$U_m=$ munkaponti feszültség
$I_m=$ munkaponti áram

A differenciális ellenállás a karakterisztika adott m munkapontjához húzható érintő iránytangense. Ezt közelítőleg a feszültség kis megváltozásának és a hozzátartozó áramváltozásnak a hányadosa adja:

$R_d=\frac{dU}{dI}$

Ahol: $dU=$ Feszültségváltozás a munkapont körül
$dI=$ Áramváltozás a munkapont körül.

Záróirányú karakterisztika

A dióda p-n átmenetére záró feszültséget kapcsolva, a p-n átmenetben a kiürített réteg szélessége nagyobb lesz. A kristály hőmérsékletének hatására kisebbségi töltéshordozók keletkeznek, amelyeket a kialakult térerősség a határréteg irányába sodor, ami az átmeneten keresztül záróáramot hoz létre. Az előfeszített p-n átmenet értéke egy erősen hőmérsékletfüggő áramgenerátort alkot. Szilícium félvezetőn keresztül csak néhány nanoamper, germánium esetén mikroamper nagyságrendű áram áthaladása lehetséges.

A záróirányban előfeszített dióda egy kondenzátort alkot. Fegyverzetekként a p és az n réteg viselkedik, a köztük lévő kiürített záróréteg a dielektrikum. Mivel a kiürített réteg szélessége a rákapcsolt záróirányú feszültséggel nő, a dióda-kondenzátor kapacitása ezzel csökken, így olyan kondenzátor jön létre, amelynek a kapacitása a rákapcsolt feszültséggel fordítottan arányos. Azt a diódatípust, amely ezt a hatást felhasználja, változó kapacitású diódának, vagy „varicap” diódának nevezzük.

Növelve a zárófeszültséget, a kiürített rétegben az elektromos térerősség akkora értéket érhet el, amely kiszakítja a kristálykötésből az elektronokat. A töltéshordozók megnövekedett száma miatt a záróirányú áram növekedni kezd. A szabad elektronok a nagy térerősség hatására gyorsulnak, mozgási energiájuk nő. A kristály atomjaiba ütközve a leadott energia újabb elektronokat szakít ki a kötésből, ami lavina-effektust eredményez, és a záróréteget hirtelen elárasztják az elektronok és a lyukak, az áram ugrásszerűen megnő. Az áram korlátozása nélkül a kristály túlmelegszik és tönkremegy. Ezt a jelenséget felfedezőjéről (Clarence Melvin Zener) Zener-effektusnak nevezik. Ezt a jelenséget feszültségstabilizációra lehet felhasználni. A Zener-effektust alkalmazó diódát Zener-diódának vagy stabilizátor-diódának nevezik.

Alagút (Tunnel vagy Esaki) dióda

Jellegzetessége, hogy negatív karakterisztika szakasszal rendelkezik. Itt a differenciális ellenállás negatív. Oszcillátorokban a veszteség ellensúlyozására használható.

Schottky-dióda

A határréteget fém és félvezető között alakítják ki, úgy hogy az Si-lapkára aranyat gőzöltetnek. Előnye, hogy nagyon kicsi záró irányú árama: nyitó irányú telítődés nem következik be, és kisebb a nyitó irányú feszültsége (0,4V), mint az Si (0,6V) diódának. Elsősorban tranzisztorok telítődésének megakadályozására alkalmazzák.

Diódatípusok

• Zener-dióda
• Schottky dióda
• Szupresszor dióda
• Fényt kibocsátó dióda (Light-emitting Diode – LED)
• Fotodióda
• Napelem
• Varicap dióda (változó kapacitású)
• Alagút dióda