Polovodičová dióda s jedným PN prechodom: Princíp, typy a aplikácie

Polovodičové diódy sú základné elektronické súčiastky, ktoré majú široké využitie v rôznych elektronických obvodoch. Ich fungovanie je založené na vlastnostiach PN prechodu, ktorý umožňuje prúdenie elektrického prúdu len jedným smerom. Dióda je dvojpólové polarizované elektronické polovodičové zariadenie. Jeden terminál je anóda (-) a druhý je katóda (+). Katóda je označená striebornou farbou alebo farebným pásom.

Princíp fungovania PN prechodu

Polovodičová dióda sa skladá z dvoch typov polovodičov: polovodiča typu P (s prevahou dier) a polovodiča typu N (s prevahou elektrónov). PN prechod je oblasť v polovodiči, v ktorej sa mení typ vodivosti P na N. Fungujúci PN priechod nemôže vzniknúť iba spojením (priložením) polovodiča typu P a typu N. PN sa vytvára v jednom monokryštály polovodiča rôznymi technologickými operáciami. Na rozhraní týchto dvoch polovodičov vzniká PN prechod, ktorý má unikátne elektrické vlastnosti.

Vznik PN prechodu

Pri spojení polovodičov typu P a N dochádza k difúzii nosičov náboja. Elektróny z N-oblasti difundujú do P-oblasti a diery z P-oblasti difundujú do N-oblasti. Pri tejto difúzii dochádza k rekombinácii elektrónov a dier v oblasti PN prechodu, čím sa vytvára oblasť bez voľných nosičov náboja, tzv. ochudobnená vrstva alebo hradlová vrstva. V tejto vrstve sa vytvára elektrické pole, ktoré bráni ďalšej difúzii nosičov náboja. Vzniknuté elektrické pole zabraňuje ďalšej difúzii majoritných voľných častíc s nábojom. Oblasť prechodu PN je takmer bez voľných nabitých častíc. Elektróny nezotrvávajú vo vodivostnom pásme donekonečna. Elektrón prejde po určitom čase do valenčného pásma a znova sa začlení do elektrónového obalu atómu (čím zanikne aj jedna diera - hovoríme o rekombinácii elektrónu a diery). Zvláštnym prípadom rekombinácie je, keď elektrón vyžiari prebytočnú energiu vo forme fotónu.

Polarizácia PN prechodu

PN prechod môže byť polarizovaný dvoma spôsobmi:

• Priama polarizácia: Anóda (P-oblasť) je pripojená na kladný pól zdroja a katóda (N-oblasť) na záporný pól zdroja. V tomto prípade sa znižuje šírka ochudobnenej vrstvy a potenciálová bariéra. Ak napätie vonkajšieho zdroja zruší potenciálovú bariéru, cez PN prechod začne prechádzať prúd. Ak kladnú svorku zdroja pripojíme k polovodiču typu P a zápornú svorku k polovodiču typu N, tak elektrické pole prechodu PN sa účinkom elektrického poľa zo zdroja napätia zoslabí. Voľné elektróny a diery prejdú do oblasti prechodu a odpor prechodu sa tak zmenší.
• Záverná polarizácia: Anóda (P-oblasť) je pripojená na záporný pól zdroja a katóda (N-oblasť) na kladný pól zdroja. V tomto prípade sa rozširuje šírka ochudobnenej vrstvy a zvyšuje potenciálová bariéra. Cez PN prechod prechádza len veľmi malý prúd, tzv. záverný prúd. Ak kladnú svorku zdroja pripojíme k polovodiču typu N a zápornú svorku k polovodiču typu P, tak elektrické pole prechodu PN sa účinkom elektrického napätia zo zdroja napätia zosilní. Odpor prechodu sa tak podstatne zmenší. Obvodom prechádza iba veľmi malý prúd tvorený iba menšinovými voľnými časticami. Závislosť elektrického odporu polovodiča s prechodom PN od polarity vonkajšieho zdroja napätia pripojeného k polovodiču nazývame diódový jav.

Voltampérová charakteristika diódy

Voltampérová (VA) charakteristika diódy poskytuje základnú informáciu o jej vlastnostiach.

• Priamy smer (1. kvadrant): V tejto oblasti dióda vedie prúd. Prúd exponenciálne rastie s rastúcim napätím.
• Nepriamy smer (3. kvadrant): V tejto oblasti dióda nevedie prúd (okrem malého záverného prúdu).

Prahové napätie

V priamom smere začína dióda viesť prúd až po dosiahnutí určitého napätia, tzv. prahového napätia (U(TO)). Hodnota prahového napätia závisí od materiálu diódy a teploty. Pre kremíkové diódy je typická hodnota okolo 0,7 V, pre germániové diódy okolo 0,3 V.

Úbytok napätia v priepustnom smere

V priepustnom smere môže byť úbytok napätia na dióde (DUD) v rozmedzí 0,6 až 1,2 V.

Prierazné napätie

V nepriamom smere prechádza diódou len veľmi malý prúd až do dosiahnutia určitého záverného napätia, tzv. prierazného napätia. Pri prekročení prierazného napätia dochádza k prudkému nárastu prúdu a môže dôjsť k poškodeniu diódy.

Typy polovodičových diód

Existuje mnoho typov polovodičových diód, ktoré sa líšia svojimi vlastnosťami a použitím. Dióda je elektronická súčiastka s dvoma elektródami, ktorá (ideálne) vedie elektrický prúd len jedným smerom. Hovoríme, že prúd usmerňuje. Medzi najbežnejšie typy patria:

Usmerňovacia dióda

Je najjednoduchšia polovodičová súčiastka s jedným PN prechodom. Využíva sa na usmerňovanie striedavého prúdu. Usmerňovacie diódy sú určené na usmerňovanie striedavých prúdov. Vyznačujú sa zanedbateľným odporom pri prechode prúdu jednej polarity a veľkým odporom pri prechode prúdu opačnej polarity. Je určená na výkonové usmernenie striedavého napätia. Znesie do tisíc voltov v závernom smere a bežne jednotky až desiatky ampérov v priepustnom smere. Výkonové usmerňovacie diódy, ktoré sa montujú na chladiče, znesú stovky ampérov v priepustnom smere.

Zenerova dióda

Je špeciálny typ diódy, ktorý sa používa na stabilizáciu napätia. Jej charakteristika je podobná charakteristike obyčajnej diódy, až na prierazné napätie UZen (tzv. Zenerovo napätie). Pri prekročení Zenerovho napätia v závernom smere sa napätie na dióde takmer nemení. V spätnom smere pracujú v oblasti nedeštruktívneho prierazu spôsobeného prevažne lavínovým javom alebo Zennerovým javom.

Schottkyho dióda

Je polovodičová dióda využívajúca usmerňovacie vlastnosti priechodu kov-polovodič. Schottkyho diódy sú veľmi rýchle a majú nízky úbytok napätia v priepustnom smere (UP ≈ 0,25V). Používajú sa v spínaných zdrojoch a iných aplikáciách vyžadujúcich rýchle spínanie. V porovnaní s bežnými polovodičovými diódami sa Schottkyho diódy porovnateľných rozmerov vyznačujú kratším časom zotavenia v spätnom smere a menším úbytkom napätia v priamom smere. Schottkyho diódy majú veľmi dobré dynamické a statické vlastnosti. Používajú sa ako detektory, ako spínacie diódy, tiež na usmerňovanie a pod. Ďalej sa využívajú v integrovaných obvodoch na zvýšenie spínacej rýchlosti tranzistorov a v optoelektronike.

Tunelová dióda (Esakiho dióda)

Je polovodičová dióda, ktorá sa vyrába zo silne dotovaného germánia alebo arzenidu gália. Vyznačuje sa oblasťou so záporným dynamickým odporom vo VA charakteristike, čo sa využíva na zostrojenie oscilátorov a zosilňovačov až do veľmi vysokých frekvencií (f = 10GHz).

LED dióda (Light Emitting Diode)

Je elektronická polovodičová súčiastka, ktorá obsahuje P-N prechod a vyžaruje svetlo pri prechode prúdu v priepustnom smere. Ich princíp fungovania je založený na elektroluminiscencii, čo je jav, pri ktorom dochádza k rekombinácii elektrónov a dier v PN prechode a uvoľňuje sa energia vo forme fotónov (svetla). Keď elektrón v dióde zapojenej v priepustnom smere prejde prechodom a zaplní dieru, jeho energia sa zníži. Keďže sa jeho energia zníži, tak v zmysle zákona zachovania energie sa nejaká energia musí vypustiť von. To sa v dióde deje jej vyžiarením vo forme elektromagnetického vlnenia. Vlnová dĺžka vyžiareného elektromagnetického vlnenia závisí najmä od druhu prímesových atómov v polovodičoch, z ktorých sa dióda skladá. Pri správnej kombinácii týchto atómov vieme dosiahnuť, aby dióda vyžiarila viditeľné svetlo. Farba vyžarovaného svetla závisí od chemického zloženia polovodiča. LED diódy sa používajú ako indikátory, zobrazovacie prvky a na osvetľovacie účely.

Konštrukcia LED diódy

LED dióda sa skladá z:

• Anóda: Kladný pól diódy.
• Katóda: Záporný pól diódy.
• Vodiče: Na pripojenie diódy k obvodu.
• Vlákno: Spojenie anódy s polovodičom.
• Polovodič: Materiál, ktorý vyžaruje svetlo.
• Epoxidová živica: Zapuzdrenie, ktoré chráni LED diódu a upravuje rozptyl svetla.
• Vodivý rám: Spojenie katódy s polovodičom.

Vlastnosti LED diód

• Vysoká účinnosť: LED diódy premieňajú veľkú časť elektrickej energie na svetlo.
• Dlhá životnosť: LED diódy majú dlhú životnosť, ktorá sa pohybuje v rozmedzí 30 000 až 90 000 hodín.
• Nízka spotreba energie: LED diódy spotrebujú menej energie ako klasické žiarovky.
• Malé rozmery: LED diódy sú malé a kompaktné.
• Odolnosť voči otrasom: LED diódy sú odolné voči otrasom a vibráciám.
• Smerové svetlo: Svetlo z LED diódy je smerové, čo umožňuje lepšie sústredenie svetla.

RGB LED dióda

Je zložená z troch LED čipov vyžarujúcich červené, zelené a modré svetlo.

Fotodióda

Je plošná polovodičová dióda konštrukčne upravená tak, aby do oblasti PN priechodu prenikalo svetlo. Vplyv osvetlenia PN priechodu môžeme sledovať v polarizácii diódy v závernom smere, kedy dochádza k lineárnemu rastu anódového prúdu pri rovnomernom zväčšovaní osvetlenia. Dióda sa teda správa ako pasívna súčiastka, ktorej prúd v závernom smere je závislý na osvetlení. Používa sa na detekciu svetla a prenos dát prostredníctvom optických vláken. Pôsobením dopadajúceho žiarenia vznikajú v polovodiči dvojice elektrón - diera. Na svorkách vzniká pôsobením žiarenia fotoelektromotorické napätie a dopadajúce žiarenie ovplyvňuje odpor PN priechodu v spätnom smere. Z princípu fotodiódy vyplýva, že môže pracovať bez vonkajšieho zdroja elektrického napätia - hradlové fotodiódy (fotoelektrické články) alebo s vonkajším predpätím v spätnom smere - odporové fotodiódy. Hradlové fotodiódy sa využívajú na konštrukciu kremíkových slnečných batérií (premena žiarivej - svetelnej energie na elektrickú). Odporové fotodiódy sa používajú na zaznamenávanie modulovaného svetla, ako detektory v meracej a regulačnej technike atď.

Varikap (kapacitná dióda)

Je špeciálna polovodičová dióda slúžiaca ako napätím riadený kondenzátor. Šírka priechodu PN (hradlovej vrstvy) je v závernom smere závislá na napätí. S rastúcim napätím sa hradlová vrstva rozširuje, zatiaľ čo kapacita priechodu klesá. Používa sa v ladených obvodoch a iných obvodoch vyžadujúcich premennú kapacitu.

Použitie polovodičových diód

Polovodičové diódy majú široké využitie v rôznych elektronických obvodoch. Medzi najbežnejšie aplikácie patria:

• Usmerňovače: Na premieňanie striedavého prúdu na jednosmerný. Používajú sa v napájacích zdrojoch a iných zariadeniach vyžadujúcich jednosmerné napájanie.
• Ochranné obvody: Na ochranu obvodov pred prepätím a prepólovaním.
• Svetelné zdroje: LED diódy sa používajú ako energeticky úsporné a trvanlivé svetelné zdroje.
• Senzory: Fotodiódy sa používajú na detekciu svetla a meranie intenzity osvetlenia.
• Ladené obvody: Varikapy sa používajú na ladenie obvodov, napríklad v rozhlasových a televíznych prijímačoch.
• Logické obvody: Diódy sa používajú v jednoduchých logických obvodoch.
• Obvod klipera: Na orezávanie signálu (zmena tvaru vlny).
• Obvod svorky: Na obnovenie jednosmernej signálovej vlny.
• Násobiče napätia.
• V demodulačných obvodoch.

Polovodiče a ich vlastnosti

Polovodič je materiál, ktorý sa v čistej podobe zaraďuje elektrickou vodivosťou medzi vodiče a nevodiče. V tuhých látkach sú viazané jednotlivé atómy navzájom do kryštalickej mriežky s viac či menej rozsiahlou usporiadanosťou. Na jadrá atómov sú viazané elektróny, pričom elektróny bližšie k jadru sú viazané väčšou silou než elektróny vzdialenejšie od jadra. Táto „sila“ sa vyjadruje ako väzbová energia - energia potrebná na úplné osamostatnenie daného elektrónu z látky. Elektróny s najmenšou väzbovou energiou sa nazývajú valenčné elektróny; ich väzbová energia vytvára v energetickom diagrame pásmo nazývané valenčné pásmo. Niektoré elektróny sú však schopné sa od jadra odtrhnúť a voľne sa pohybovať v látke. Tieto elektróny sú na látku viazané menej a tvoria tzv. vodivostné pásmo. Šírka zakázaného pásma určuje aj pravdepodobnosť, že sa za danej teploty dokáže odtrhnúť dostatočné množstvo elektrónov, čiže priamo určuje elektrickú vodivosť danej látky. U vodičov je šírka zakázaného pásma nulová, valenčné a vodivostné pásmo sa prekrývajú. U nevodičov (izolantov) je šírka zakázaného pásma veľká, viac než asi 3 eV. Keď sa elektrón odtrhne od jadra - opustí valenčné pásmo a prejde do vodivostného pásma - a začne sa pohybovať v látke, ostane v okolí jadra akési voľné miesto s kladným nábojom. Do tohto miesta sa môže presunúť valenčný elektrón zo susedného atómu, pri ktorom sa takto vytvorí miesto s kladným nábojom, do ktorého môže prejsť elektrón z nasledujúceho atómu atď. - vzniká nový mechanizmus elektrickej vodivosti. Základným zdrojom energie vďaka ktorej prechádzajú elektróny z valenčného do vodivostného pásma je teplo. Zmenou teploty látky sa menia energetické vzťahy medzi pásmami a mení sa aj ich obsadenie. Toto je príčinou zmeny vodivosti polovodičov vplyvom zmeny teploty.

Doping polovodičov

Pridaním malého množstva prímesí do polovodičov sa výrazne menia ich vlastnosti. Proces pridávania nečistôt do čistého (vnútorného materiálu) sa nazýva doping na zmenu ich elektrických vlastností. Vo všeobecnosti sa trojmocné a päťmocné prvky používajú na dotovanie polovodičov. Pridaním prvku ktorý má viac valenčných elektrónov než pôvodný polovodič - donor - sa zvyšuje pravdepodobnosť, že sa akoby „nadbytočný“ elektrón odtrhne. Polovodič typu N sa typicky robí prvkami s 5 elektrónmi vo valenčnej vrstve, napr. fosfor a arzén. Podobne pri prímesi s menším počtom valenčných elektrónov - akceptor - sa ľahko vytvorí diera. Polovodič typu P sa obvykle robí s prvkami s 3 elektrónmi (bór, hliník, gálium, indium) vo valenčnej vrstve.

Vlastnosti materiálov

tags: #napiste #nazov #polovodicovej #suciastky #jednym #pn