Dióda

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából


1. ábra: Különböző félvezető diódák

A dióda olyan – rendszerint két kivezetéses – elektronikai alkatrész, amelyet többségében egyenirányításra, híradástechnikai célra (például rádióvevő készülékekben demodulálásra) illetve egyszerűbb kapuáramkörökben alkalmaznak.

Kialakítását tekintve lehet elektroncső vagy félvezető eszköz. Az (ideális) dióda az egyik irányban az áramot átengedi, míg a másik irányban nem: a visszacsapószelep[1] elektronikai megfelelője. A valóságos dióda némileg eltérően működik. Diódákat tartalmaz például a hajszárító, mobiltelefon vagy számítógép töltő, rádiókészülék, gépjármű generátor. Gyakorlati okokból néha több diódát is összeépítenek (1. ábra legalsó eszköze). A polgári célra szánt diódák napjainkban szinte kizárólag félvezető anyagúak. Egyes speciális diódák nem a fentebb vázolt egyenirányító hatás céljából készülnek: nem egyenirányítási célú dióda például a fényérzékelő fotodióda vagy a világító dióda, a LED.

Története[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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.

Típusai[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Konstrukció szempontjából az alábbi két fő típust lehet megkülönböztetni:

  • elektroncsöves diódák és
  • félvezető diódák.

Elektroncsöves diódák[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az elektroncsöves (vákuumcső, rádiócső, rádiólámpa) diódák a polgári életben mindinkább visszaszorulóban vannak a magas gyártási költség és a korlátozott élettartamuk miatt. Polgári célokra napjainkban már csupán retro-rádiók, képcsöves televíziók és -monitorok, továbbá röntgen-berendezések tápegységeiben használatos. Katonai eszközökben továbbra is előszeretettel alkalmazzák, mivel az elektromágneses sugárzással szemben érzéketlenebbek, mint a félvezetők[2]. Gyakori, hogy egy közös üvegbura több diódát (vagy a dióda mellett más célra készült eszközt, például triódát, pentódát) is tartalmaz. Az elektroncsöves (vákuumcsöves) diódák közül a legfontosabbak:

  • híradástechnikai célra készült diódák (2. ábra, A és B jel, pl. EABC 80[4][5]),
  • hálózati egyenirányítók, mint pl. EZ80 (3. ábra)[6][7][8]),
  • nagyfeszültségű diódák, mint pl. PY 88(4. ábra)[9][10], és
  • egyéb speciális diódák, mint pl. a mikrohullámú diódák (kommunikáció, radartechnológia), higanygőz-egyenirányítók(5. ábra).

Félvezető diódák[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Számos anyag és kristály mutat félvezető tulajdonságokat, így például a galenit, kalkopirit, rézoxidul (kuprox), karborundum(szilícium-karbid), szelén, germánium, szilícium, gallium-arzenid, stb. A germánium és a szilícium önmagában nem alkalmas diódának, a megfelelő átmenet létrejöttéhez szabályozott mértékben ötvözni (szennyezni) kell az alapfémet.

6. ábra: Kristálydetektor (1919-es illusztráció)

Tűs diódák[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A félvezető diódák sok változáson mentek keresztül. Előfutáruknak tekinthetők a különböző ásványokból készített tűs detektorok, amelyeket rádióvétel-technikai célra házilag is el lehetett készíteni[11]. Nagy hátrányuk volt a szálló porra való érzékenység és az, hogy a kristály egy idő után elvesztette érzékenységét, ami miatt időről-időre új helyet kellett keresni. Érzékeny volt továbbá a rugóerő beállítására is (6. ábra). A germániumot felfedezése után félvezető diódákban kezdték el alkalmazni (7. ábra), kiváló elektromos tulajdonságai miatt.

7. ábra: Germánium tűs dióda

A germánium dióda kis nyitóirányú feszültséggel rendelkezik (harmada a szilíciumnak), így rendkívül gyenge jelek demodulálására is képes, továbbá akár mikrohullámú frekvenciákon is működik. Hátrányaként kell megemlíteni a germánium alapfém viszonylagos ritkaságát, továbbá a hőre való érzékenységét. Ez utóbbi tulajdonsága lehetetlenné teszi az automatizált, főként felületszerelt technológiákban való alkalmazását, mert az eszköz már beépítéskor tönkremenne a beforrasztásakor kapott hősokktól. A nem megfelelő körülmények között beépített germánium félvezetők között gyakori volt a véletlenszerű meghibásodás. A germánium félvezetők a pillanatnyi elektromos túlterhelésekre is érzékenyek, továbbá az alapanyag is drága. A szilícium nagy tömegben áll rendelkezésre, emellett a hőmérsékleti vagy elektromos túlterhelésre kevésbé érzékeny. A tűs diódák konstrukciójukból adódóan mindössze néhány milliamper áram átvezetésére alkalmasak, záróirányú feszültségük 100-600V között van.

Rétegdiódák és teljesítmény-diódák[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A rétegdiódákat a tűs diódákkal egyenirányítható nagyobb teljesítményigény hozta életre. A rétegdióda felülete 1-50 mm^2 között van az alkalmazás céljától függően. A megengedhető áramsűrűség megközelíti a fémekét: 1-2 A/mm^2. A keletkezett hőt a dióda fémháza adja át a környezetnek. Nagyobb teljesítmények esetén a dióda csavarral rögzíthető a hűtőbordára (l. 1. ábra legfelső képe). A másik elektróda beforrasztott üveg szigetelőn át van kivezetve. A rétegdiódákat számos célra gyártják, mint például hálózati egyenirányítók, kapcsoló- és védő (szabadonfutó) diódák, stb.

Egyenirányító diódák[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Egyenirányító diódákról akkor beszélnek, ha a teljesítmény-dióda egyenirányító szerepét külön ki szeretnék hangsúlyozni. Egyenirányítás céljára általában nagyobb teljesítményű rétegdiódát alkalmaznak. Gyakori, hogy a közös hűtőfelület miatt egyes diódákat fordított polaritással tokoznak(8. ábra). A fordított polaritásra a típusjel utolsó tagja után álló R-betű (reverse) utal.

  • Szelén egyenirányítók: A szelén egyenirányítók (9. ábra) gyártása során a szelén réteget elgőzölögtetéssel viszik fel a kívánt méretű alumínium lemezre. A szelénrétegre alacsony olvadáspontú ón-kadmium ötvözetű ellenelektróda réteget visznek fel. A záróréteg a szelénréteg és az ellenelektróda határán alakul ki megfelelő villamos formálás után. Végül a cellát megfelelő fedőfestéssel védik a környezeti hatásoktól. A szükséges teljesítményt több cella soros és párhuzamos csatlakoztatásával érik el. A félvezetők szinte teljesen kiszorították.
  • Dióda-hidak: Olyan egyenirányító dióda-kombinációk, amelyeket gyárilag (megbonthatatlanul) közös tokba szereltek (10. ábra) a szerelés és huzalozás egyszerűsítése céljából.

Speciális diódák[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • Kuprox dióda

A kuprox diódákat a Siemens cég is gyártotta az 1930-as években Sirutor néven. Az átmenet a réz és a rézoxidul között jön létre[13][14] Kuprox diódákat detektoros vevőkben és méréstechnika területén alkalmazzák, mert nagyon kicsi a küszöbfeszültségük: 0,1-0,15 V. Nyitóirányú árama függ a geometriai méreteitől. Áramterhelhetősége kicsi: max. 50 mA/cm^2, záróirányú árama függ a rákapcsolt feszültségtől. A maximális záróirányú feszültség 5-10 V.

Félvezető diódák gyártása[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az ötvözött rétegdiódákat szilíciumból (ritkábban germániumból) állítják elő, úgy, hogy a megolvasztott - és n-típusúra szennyezett - alapanyagot folyamatos, lassú és egyenletes húzásnak vetik alá. A lassú húzás következtében homogén rácsszerkezetű, úgynevezett egykristály jön létre. Az egykristályt vékony tárcsákra szeletelik, s a tárcsákból a dióda teljesítményének megfelelő méretű (rendszerint néhány négyzetmilliméter felületű) lapkákat állítanak elő. Ezután a p-típusú szennyezőanyagot a lapka felszínére helyezik és a lapkát a reá helyezett adalékanyag[15] olvadáspontja felé hevítik és pontosan kikísérletezett ideig adott hőmérsékleten tartják. A megolvadt szennyezőanyag belediffundál a lapkába, semlegesítve az n-típusú szennyezést: így létrejön a p-n átmenet. Az n-típusú réteg kivezetését fémgőzöléssel és forrasztással, míg a p-réteg (anód) kivezetését pedig az anyag olvadt állapotában rögzítik.

Tűs diódák esetén az átmenet a n-réteg és a felületére támasztott tű között jön létre. Egyes tűs diódák tűit a gyártás során a dióda kivezetéseire adott impulzusokkal a kristály felületére hegesztik, míg más típusoknál a tű rugószerű kiképzése biztosítja a megfelelő kontaktust. Amennyiben a tű nincs hegesztve a kristály felületére, az érintkező felület is lényegesen kisebb. A kisebb érintkező felület hátránya a kisebb terhelhetőség; előnye a kisebb kapacitás, amely lehetővé teszi nagyfrekvenciás alkalmazásukat is.

Kapcsolási idő[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Egy dióda kapcsolási ideje alatt azt az időt értik, amíg a teljesen lezárt dióda a reá kapcsolt feszültség hatására kinyit. Más szavakkal: milyen gyorsan képes követni a feszültség polaritásának megváltozását. A kapcsolási idő két részből tevődik össze:

  • a tértöltési területen a töltéshordozók kiürülésétől és
  • a p-n átmenet, mint kondenzátor feltöltési/kisütési idejétől.

Bár a p-n átmenet kapacitása még rétegdiódák esetén is ritkán éri el az 50 pF értéket, a p-n átmenet közötti kapcacitások kiürítése/feltöltése valamekkora rövid időt mindenképpen igénybe vesz. Emellett a töltések kiürítése is bizonyos idővel jár, amely rétegdiódák esetén jellemzően 10 mikroszekundum körüli idő. Fentiek miatt a rétegdiódák általában nem használhatók 10-100 KHz frekvenciák feletti tartományban, mert ezek a frekvenciák már összemérhetőek a dióda kapcsolási idejével. Kisfrekvenciák (például 50 Hz-es hálózati áram) egyenirányítására viszont kiválóak.

Tűs diódák esetén a p-n átmenet 1 pF körüli kapacitása és a kisebb geometriai méretek jóval gyorsabb kapcsolási időket tesznek lehetővé. Konstrukciótól függően ezért a tűs diódák lényegesen ,,gyorsabban kapcsolnak: 10-100 MHz frekvenciákon működőképesek, ha a tű hegesztése elmarad, a tűs diódák akár mikrohullámú tartományban is működőképesek.

Az alkalmazható frekvenciák felső határát egy adott diódatípusra az adott dióda katalóguslapjából lehet megállapítani.

A diódák működési elve[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A diódák működése a visszacsapó szelepekéhez hasonlatos, így a visszacsapó szelepek[16] szemléletesen mutatják a velük analóg módon működő diódák áramirányait is. A 11.-12. ábrákon az áramlás a sötétkék részek irányából történik. Ha az áramlás iránya megfordul, a szelep minden külső beavatkozás nélkül elzárja az áramlás útját. Az ideális dióda is pontosan így működik - természetesen a megfelelő elektromos analógiával. A valóságos diódák működése ettől némileg eltér (l. Nyitó- és záróirányú karakterisztika, 13. ábra)

Nyitóirányú karakterisztika[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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 0,7V, germánium félvezető esetén 0,2V. 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:

13. ábra: 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.

Elektroncső diódák esetén nincs nyitóirányú küszöbfeszültség, ugyanis az izzó katódból kirepülő elektronok elegendő energiával rendelkeznek a néhány mm-re lévő anódlemez eléréséhez. Így az elektroncső diódán anódfeszültség nélkül is folyik áram.[17] A jelenség azonban legfeljebb demodulációra, detektálásra használható. A konkrét értékek az adott elektroncső katalóguslapjából olvashatóak le.

Záróirányú karakterisztika[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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 helytelenül (Clearence Melvin Zener) Zener-effektusnak nevezik. Ezt a jelenséget feszültségstabilizációra lehet felhasználni. A Zener-effektust alkalmazó diódát Z-diódának vagy stabilizátor-diódának nevezik

A növelt méretű p-n átmenettel átmenettel gyártott Z-diódákat szupresszor diódáknak nevezik, amelyeket a túlfeszültség-védelemben alkalmaznak.

Ha 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 nyitóirányú feszültsége (0,4V), mint a Si (0,6V) diódának. Elsősorban tranzisztorok telítődésének megakadályozására alkalmazzák.

Ha szilícium helyett n-típusúra szennyezett gallium-arzenid félvezetőt alkalmaznak, akkor megfelelő körülmények esetén mikrohullámú rezgések keltésére alkalmas eszköz (gunn-dióda) készíthető.[18]

Félvezető diódák jelölése[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Európában a következő dióda jelölést használják[19]:

Első betű - a félvezető anyaga:

  • A Germánium
  • B Szilícium
  • C Gallium-arzenid
  • D Fotodióda

Második betű - alkalmazási terület:

  • A Általános (polgári) célú
  • B Varikap
  • E Esaki
  • P Fotodióda
  • Q LED
  • T Egyenirányító
  • X Varaktor
  • Y Teljesítmény egyenirányító
  • Z Zéner

A betűket számok követik, melyek egyszerű termékszámok. A számok nem utalnak a termék minőségére, csupán azonosítók. Például az AA 116 típusjelű dióda Ge-alapanyagú, általános célú dióda.

A félvezető diódák rajzjelei[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Dióda áramköri rajzjele (alapjel)

A félvezető diódák áramköri rajzjele a jobb oldali számozatlan ábrán látható: alapjel, amelyhez az egyes típusoknak megfelelően további kiegészítő jelek csatlakoznak. A jel egy egyenlő oldalú háromszögből áll, amely csúcsával egy (a háromszög oldalhosszával megegyező hosszúságú) vonal közepéhez csatlakozik. Minden nagyobb méretű diódán megtalálható az elektromos bekötést segítő rajzjel a 14. ábra szerinti értelemben. Ha a dióda kis méretű, akkor megállapodás szerint a vonal a katódot jelöli.

Változatok[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az 1960-as években a félvezető diódák jelképeit vastagabb vonallal rajzolták és a tranzisztorokhoz hasonlóan még egy körrel is körbevették. A félvezetők elterjedésével a jelkép egyszerűsödött: először a kör maradt el, majd a kontúrvonalak kihangsúlyozása szűnt meg.

Jegyzetek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  1. Visszacsapószelep például a kutak „lábszelepe” vagy a forróvíztárolók biztonsági szelepe
  2. Atomtámadás esetén a robbanás során kialakuló nagy energiájú elektromágneses sugárzás véglegesen tönkreteszi a félvezetőket.
  3. Tartalmaz egy magányos diódát, egy kettős diódát és egy triódát
  4. EABC 80: Duó-dióda-trióda közös tokban.
  5. http://www.r-type.org/exhib/aaa0405.htm EABC 80
  6. Kettős dióda az 1950 után gyártott asztali rádiókban.
  7. http://www.r-type.org/exhib/aaa0050.htm EZ 80
  8. http://duncanamps.com/tdsl/show.php?des=EZ80
  9. Nagyfeszültségű dióda a képcsöves televíziókban
  10. http://www.r-type.org/exhib/aaa0390.htm
  11. http://bizarrelabs.com/foxhole.htm
  12. A képen sárga vezeték csatlakozik a diódákra.
  13. http://oldtimer.ezermester.hu/issue.php?issue=625 Ezermester 1957/2 64. oldal.
  14. Elektrotechnika folyóirat, 1933. XII. 261. oldal (Schottky záróréteg elmélete)
  15. Az ipari szóhasználatban szennyezőanyag a neve annak az adalékanyagnak, amelyet szándékosan adagolnak a nagy tisztaságú félvezetőhöz, mintegy „szennyezve” azt.
  16. pl. kutak lábszelepei
  17. http://www.elektroncso.hu/cikkek/dioda.php Bozó Balázs: A vákuum dióda
  18. http://www.hiradastechnika.hu/data/upload/file/1977/02/1977_02_04.PDF Andrási Andorné et al.: GaAs alapú Gunn-diódák a 7—10 GHz-es frekvenciasávra, Híradástechnika, XXVIII. évf. 2. sz. 42-49. o.
  19. http://www.sentex.ca/~mec1995/tutorial/diodes/diodes.html

Kapcsolódó szócikkek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

További információk[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]