Przeczytaj
Warto przeczytać
Dioda jest dwuelektrodowym elementem elektronicznym przewodzącym dobrze prąd w jedną stronę.
Budowa diody półprzewodnikowej
Działanie diod półprzewodnikowych bazuje na właściwości złącza między półprzewodnikami typu p i n, nazywanego złączem p‑n. Półprzewodniki n i p różnią się dominującymi nośnikami prądu. W półprzewodnikach typu p za przewodzenie prądu odpowiadają dziury, będące nośnikami ładunku dodatniego. Natomiast w półprzewodnikach typu n nośnikami prądu są elektrony przenoszące ładunek ujemny. Szerzej o właściwości złącza p‑n, możesz się dowiedzieć z e‑materiałów: „Budowa diody” i „Zasada działania diody”.
Dobierając odpowiednio materiały, z których wytwarza się diody i modyfikując ich strukturę odpowiednią ilością domieszek, można uzyskiwać różnorodne efekty na złączu i wynikające z tego różnorodne zastosowania diod.
Dioda w obwodzie elektrycznym
Najczęściej diody spotykamy w prostownikach prądu (diody prostownicze) i oświetleniu (diody LED).
Podstawowy symbol graficzny diody, stosowany w schematach obwodów elektrycznych, jest pokazany na Rys. 1a. Elektroda po lewej strony na schemacie jest wyprowadzona z półprzewodnika p. Jest ona nazywana anodą. Katoda jest wyprowadzona z półprzewodnika n.
(c) Dioda podłączona do zewnętrznego źródła napięcia w kierunku przewodzenia. Płynie przez nią prąd elektryczny o natężeniu .
(d) Dioda podłączona do napięcia w kierunku zaporowym. Natężenie płynącego przez nią prądu jest w przybliżeniu zerowe.
Źródło: Politechnika Warszawska, Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.
Nazwy te odnoszą się do jednego z dwóch możliwych podłączeń diody w obwodzie elektrycznym, do kierunku przewodzenia. Zapewnia on efektywny przepływ prądu przez diodę (Rys. 1 c.). Anoda (diody) jest wtedy połączona z dodatnim biegunem zewnętrznego źródła napięcia, zaś katoda z biegunem ujemnym.
Diodę można także podłączyć przeciwnie, w kierunku zaporowym (Rys. 1 d.). Nie powoduje to zmiany nazw elektrod – po prostu anoda (półprzewodnik p) podłączona zostaje do ujemnego bieguna, zaś katoda (półprzewodnik n) do bieguna dodatniego zasilacza. Płynący w tym połączeniu prąd ma natężenie pomijalnie małe wobec prądu płynącego w kierunku przewodzenia.
Charakterystyka diody
Właściwości diody dobrze opisuje charakterystyka prądowo–napięciowa, czyli zależność natężenia prądu płynącego przez diodę od przyłożonego napięcia (Rys. 2).
Jak widać na wykresie, przebieg charakterystyki diody można podzielić na trzy zakresy:
I. Zakres przewodzenia, w którym natężenie prądu, już przy niewielkim napięciu –zazwyczaj poniżej 1 V, zaczyna szybko rosnąć wraz ze wzrostem napięcia, osiągając wysokie natężenia. Wielkość stosowanych w praktyce natężeń zależy od przeznaczenia diody.
II. Zakres zaporowy. Po zmianie kierunku napięcia przyłożonego do diody, przez diodę płynie bardzo mały prąd o natężeniu poniżej 10Indeks górny -6-6 A, związany z przepływem tak zwanych nośników mniejszościowych. Natężenie prądu jest w tym zakresie ponad milion, a nawet ponad miliard razy mniejsze niż w zakresie przewodzenia.
III. Zakres przebicia. Po osiągnięciu napięcia przebicia, które w zależności od rodzaju diody wynosi od kilku do kilku tysięcy wolt, natężenie prądu gwałtownie rośnie, a wartość natężenia praktycznie nie zależy od przyłożonego napięcia.
Efekt prostowniczy diody
Prostowniki prądu wykorzystuje się wszędzie tam, gdzie istnieje konieczność zamiany prądu przemiennegoprądu przemiennego dostarczanego przez elektrownię, czy też wytwarzanego przez prądnice – na przykład w samochodach – na prąd jednokierunkowy.
W prostownikach prądu wykorzystywane są zakresy I – zakres dobrego przewodzenia i zakres II – zaporowy.
Efekt, jaki powoduje włączenie diody do obwodu prądu przemiennegoprądu przemiennego przedstawia schematycznie Rys. 3.
Po lewej stronie rysunku przedstawiony jest wykres ilustrujący zmiany w czasie wartości i kierunku napięcianapięcia wytwarzanego przez źródło prądu przemiennegoprądu przemiennego, a po prawej natężenie prądu płynącego przez odbiornik. Źródło prądu wytwarza tak zwane napięcie przemienne – zmieniające cyklicznie zarówno wartość, jak i kierunek – cyklicznie zmieniają się bieguny źródła. Zmiany kierunku napięcia powodują, że przez połowę cyklu pracy napięcie na źródle jest zgodne z kierunkiem przewodzenia prądu przez diodę, a przez drugą połowę zgodne z kierunkiem zaporowym. Dlatego prąd w obwodzie płynie tylko przez połowę tego cyklu – gdy napięcie na źródle jest zgodne z kierunkiem przewodzenia diody. Ilustruje to wykres po prawej stronie rysunku.
Diody i światło
Diody LED (ang. light‑emitting diode), jak sama nazwa wskazuje, to przede wszystkim źródła światła. Emitują one światło dzięki zjawisku rekombinacji promienistej, czyli łączenia się elektronów z dziurami, zachodzącym na złączu p‑n. W trakcie tego zjawiska elektrony zmniejszają swoją energię, a ubytek energii jest emitowany w postaci promieniowania elektromagnetycznego. Energia porcji (kwantu) tego promieniowania jest w przybliżeniu równa wartości przerwy wzbronionej – , czyli różnicy między energią elektronów z zakresu pasma przewodnictwa i pasma walencyjnego w materiale półprzewodnikowym, z którego została wykonana dioda. O pasmowej teorii przewodnictwa możesz przeczytać w e‑materiałach: „Jak zbudowane są metale?” i „Co to są półprzewodniki?”. O zasadzie działania diod LED możesz przeczytać w e‑materiale „Dioda elektroluminescencyjna”.
Graficzny symbol diody LED, stosowany w schematach obwodów elektrycznych, jest pokazany na rys. 4a. Bardzo podobnym symbolem oznaczana jest tzw. fotodioda (rys. 4b). Nie należy jednak mylić tych dwóch rodzajów diod.
Źródło: Politechnika Warszawska, Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.
Fotodiody, przeciwnie do diod LED, korzystają ze światła by „uaktywnić” swoje złącze p‑n. W nieobecności światła złącze praktycznie nie wykazuje właściwości prostowniczych. Oświetlenie obu półprzewodników powoduje pochłanianie kwantów światła i wzbudzanie elektronów kosztem energii promienistej. Wskutek tego w pasmie przewodnictwa półprzewodnika n pojawiają się elektrony swobodne, a w półprzewodniku p pojawiają się swobodne dziury w pasmie walencyjnym. Złącze nabiera wtedy właściwości pożądanych dla diody. Stan ten zanika bardzo szybko po ustaniu dopływu światła.
Takie działanie predysponuje fotodiodę do roli czujnika obecności światła (lub jego braku), który steruje przepływem prądu w obwodzie.
Badanie charakterystyki prądowo‑napięciowej diody
Charakterystykę prądowo–napięciową diody bada się w obwodzie przedstawionym na Rys. 5.
Zadaniem opornika suwakowego jest umożliwienie zmiany napięcia zasilającego badany element od 0 do napięcia maksymalnego, jakie może dać źródło prądu. Zamiast opornika suwakowego może być stosowany zasilacz z regulowanym napięciem.
Przesuwając suwak w lewo zwiększamy stopniowo napięcie począwszy od 0. Zapisujemy wynik pomiarów napięcia i natężenia prądu. Pomiary prowadzimy tak, aby nie przekroczyć natężenia, które mogłoby uszkodzić badany element. Następnie zmieniamy kierunek ustawienia diody – dioda będzie spolaryzowana zaporowo i powtarzamy pomiary. Na podstawie pomiarów sporządzamy wykres stanowiący wynik eksperymentu.
Z charakterystyki prądowo‑napięciowej odczytujemy jedną z podstawowych właściwości elementów obwodów elektrycznych – opór elektrycznyopór elektryczny . Z przebiegu charakterystyki odczytujemy, czy opór elektryczny jest niezależny od napięcia - w takim przypadku wykresem zależności natężenia od napięcia jest linia prosta, czy też napięcie wpływa na opór elektryczny – wówczas wykres nie jest linią prostą. Przebieg charakterystyki pozwala wnioskować o budowie wewnętrznej elementu i przewidywać możliwości zastosowania.
Słowniczek
(ang.: resistance electric (active)) – wielkość charakteryzująca relację między napięciem a natężeniem prądu elektrycznego w obwodach prądu stałego. Zazwyczaj opór elektryczny oznacza się literą i definiuje się wzorem gdzie: – opór przewodnika elektrycznego, – napięcie między końcami przewodnika, – natężenie prądu elektrycznego.
(ang.: electric voltage) – napięcie elektryczne między dwoma punktami pola elektrycznego jest równe różnicy energii potencjalnej ładunku w tych dwóch punktach pola, podzielonej przez wartość tego ładunku.
(ang.: alternating current, AC) – charakterystyczny przypadek prądu elektrycznego okresowo zmiennego, w którym wartości chwilowe podlegają zmianom w powtarzalny, okresowy sposób, z określoną częstotliwością. Wartości chwilowe natężenia prądu przemiennego przyjmują naprzemiennie wartości dodatnie i ujemne (stąd nazwa przemienny). Największe znaczenie praktyczne mają prąd i napięcie o przebiegu sinusoidalnym. W żargonie technicznym nazwa prąd przemienny często oznacza po prostu prąd sinusoidalny.
