Dioda

Dioda to dwuzaciskowy element elektroniczny o nieliniowej charakterystyce prądowo-napięciowej, który przewodzi prąd głównie w jednym kierunku. W typowej diodzie półprzewodnikowej działanie wynika ze złącza p-n: przy polaryzacji przewodzenia bariera potencjału maleje i prąd rośnie silnie nieliniowo, a przy polaryzacji zaporowej płynie tylko mały prąd wsteczny aż do przebicia.

Najprostsze wyjaśnienie mówi, że dioda działa jak „zawór dla prądu”. Technicznie ważniejsze jest jednak to, że dioda ma spadek napięcia, prąd wsteczny, pojemność złącza, ograniczoną moc strat, zależność od temperatury i kilka modeli obliczeniowych. Dlatego w analizie obwodu liczy się nie tylko symbol diody, ale też punkt pracy, parametry katalogowe i typ elementu.

Co to jest dioda?

Dioda ma dwa główne wyprowadzenia: anodę i katodę. Przy polaryzacji przewodzenia anoda ma wyższy potencjał niż katoda, a przez diodę może popłynąć znaczny prąd. Przy polaryzacji zaporowej napięcie jest przyłożone odwrotnie i przez diodę płynie tylko niewielki prąd wsteczny, dopóki nie zostanie przekroczone dopuszczalne napięcie zaporowe albo napięcie przebicia.

W obwodach dioda nie zachowuje się jak zwykły rezystor. Rezystor opisuje liniowa zależność między napięciem i prądem, natomiast dioda ma charakterystykę nieliniową. Jeżeli potrzebne jest porównanie z elementem liniowym, dobrym punktem odniesienia jest rezystancja oraz relacja napięcia, prądu i oporu.

Moc strat w diodzie można zapisać prosto:

P_D=U_D\cdot I_D

gdzie P_D oznacza moc strat diody, U_D napięcie na diodzie, a I_D prąd diody. Ten zapis jest potrzebny przy ocenie strat cieplnych, doborze obudowy i sprawdzaniu warunków pracy elementu.

Jak działa złącze p-n?

Typowa dioda półprzewodnikowa powstaje z połączenia obszaru typu p i obszaru typu n. W obszarze p większościowymi nośnikami są dziury, a w obszarze n elektrony. Po zetknięciu tych obszarów w pobliżu granicy powstaje warstwa zubożona, czyli obszar pozbawiony swobodnych nośników większościowych.

Warstwa zubożona tworzy barierę potencjału. Przy polaryzacji przewodzenia zewnętrzne napięcie obniża tę barierę, więc nośniki mogą przechodzić przez złącze i prąd rośnie. Przy polaryzacji zaporowej bariera rośnie, warstwa zubożona się poszerza, a prąd jest ograniczony głównie do małego prądu nośników mniejszościowych.

Ten mechanizm jest podstawą fizycznego opisu diody. Szersze tło daje temat półprzewodników niesamoistnych oraz charakterystyki prądowo-napięciowej złącza p-n, a prostsze omówienie praktyczne rozwija osobny wpis o tym, jak działa dioda półprzewodnikowa.

Polaryzacja przewodzenia i zaporowa

Dioda przewodzi silnie dopiero po spolaryzowaniu w kierunku przewodzenia. Dla diody krzemowej w prostych obliczeniach często przyjmuje się spadek napięcia około 0,6-0,7 V, ale nie jest to stała fizyczna. Rzeczywiste napięcie przewodzenia zależy od prądu, temperatury, konstrukcji i materiału.

W kierunku zaporowym dioda powinna blokować prąd, ale nie oznacza to idealnej przerwy. Występuje prąd wsteczny I_R, zwykle mały, lecz istotny w układach pomiarowych, bateryjnych, wysokotemperaturowych i optoelektronicznych. Po przekroczeniu określonego napięcia może dojść do przebicia. W diodach prostowniczych jest to zwykle stan niepożądany, a w diodach Zenera kontrolowany zakres pracy.

Charakterystyka prądowo-napięciowa diody

Charakterystyka I-V diody pokazuje zależność prądu diody od napięcia na jej zaciskach. Dla idealnego rezystora wykres I(U) jest liniowy. Dla diody jest wykładniczy w kierunku przewodzenia i prawie płaski w kierunku zaporowym aż do przebicia.

Podstawowy model matematyczny diody p-n opisuje równanie Shockleya:

I_D=I_S\left(e^{\frac{U_D}{nV_T}}-1\right)

gdzie I_D oznacza prąd diody, I_S prąd nasycenia, U_D napięcie na diodzie, n współczynnik idealności, a V_T napięcie termiczne.

Napięcie termiczne wynosi:

V_T=\frac{kT}{q}

W temperaturze pokojowej V_T ma wartość około 25,9 mV. Wzrost temperatury zmienia parametry diody, dlatego spadek napięcia przewodzenia i prąd wsteczny nie są stałe w każdych warunkach.

Punkt pracy diody w obwodzie wynika z przecięcia charakterystyki diody z ograniczeniami reszty układu. Przy diodzie z rezystorem szeregowym prąd można oszacować z modelu stałego spadku napięcia:

I_D\approx\frac{U_{\mathrm{zasil}}-U_F}{R}

W takim układzie napięcie elektryczne źródła, spadek napięcia na diodzie i rezystancja szeregowa wyznaczają prąd pracy elementu.

Modele diody w obliczeniach

Diodę można opisywać różnymi modelami. Wybór modelu zależy od celu: szybka analiza logiczna, obliczenia prądu LED, symulacja SPICE, model małosygnałowy albo projektowanie przetwornicy impulsowej wymagają innej dokładności.

Dla małych zmian sygnału wokół ustalonego punktu pracy używa się rezystancji dynamicznej:

r_d\approx\frac{nV_T}{I_D}

To nie jest rezystancja stała jak w rezystorze. Jest to lokalne nachylenie charakterystyki I-V wokół konkretnego punktu pracy. Właśnie dlatego dioda może być traktowana inaczej w analizie DC, a inaczej w analizie małosygnałowej.

Najważniejsze parametry z karty katalogowej diody

Dobór diody tylko po nazwie typu jest ryzykowny. W karcie katalogowej trzeba sprawdzić co najmniej dopuszczalny prąd przewodzenia, napięcie wsteczne, spadek napięcia, prąd wsteczny, moc strat, temperaturę złącza i parametry dynamiczne.

Parametry U_F i I_F są szczególnie ważne przy diodach LED i prostowniczych. Jeżeli trzeba szybko sprawdzić prąd albo moc, przydaje się także kalkulator prawa Ohma, bo wiele prostych obliczeń sprowadza się do relacji między napięciem, prądem, rezystancją i mocą.

Rodzaje diod i ich zastosowania

Różne diody wykorzystują różne cechy złącza albo konstrukcji półprzewodnikowej. Dioda prostownicza ma wytrzymać prąd i napięcie wsteczne, Zener pracuje w kontrolowanym przebiciu, Schottky ma niski spadek napięcia i szybkie przełączanie, LED emituje światło, a fotodioda zamienia światło na prąd.

Dioda LED i rezystor ograniczający prąd

Dioda LED nie powinna być podłączana bezpośrednio do źródła napięcia, jeżeli źródło nie ogranicza prądu. LED ma nieliniową charakterystykę, więc po przekroczeniu napięcia przewodzenia prąd może wzrosnąć bardzo szybko.

Dla prostego układu z rezystorem szeregowym:

R=\frac{U_{\mathrm{zasil}}-U_F}{I_F}

Przykład: zasilanie 5 V, czerwona LED o spadku około 2 V i prądzie 10 mA:

R=\frac{5\ \mathrm{V}-2\ \mathrm{V}}{0{,}01\ \mathrm{A}}=300\ \Omega

Najbliższa typowa wartość 330 Ω obniży prąd i da mały zapas. Moc wydzielana w LED:

P_D=2\ \mathrm{V}\cdot0{,}01\ \mathrm{A}=0{,}02\ \mathrm{W}

Moc wydzielana w rezystorze:

P_R=(5\ \mathrm{V}-2\ \mathrm{V})\cdot0{,}01\ \mathrm{A}=0{,}03\ \mathrm{W}

W takim przykładzie oprócz napięcia i rezystancji trzeba kontrolować także natężenie prądu elektrycznego, bo to ono bezpośrednio decyduje o jasności LED, grzaniu struktury i trwałości elementu.

Dioda w prostowniku

Jednym z klasycznych zastosowań diody jest prostowanie napięcia przemiennego. Dioda jednopołówkowa przepuszcza tylko jedną połówkę przebiegu, a mostek Graetza wykorzystuje cztery diody do prostowania pełnookresowego.

Dla prostowania jednopołówkowego idealną diodą, bez kondensatora filtrującego, średnie napięcie można zapisać orientacyjnie jako:

U_{\mathrm{DC}}\approx\frac{U_{\mathrm{MAX}}}{\pi}

Dla prostowania pełnookresowego idealnego:

U_{\mathrm{DC}}\approx\frac{2U_{\mathrm{MAX}}}{\pi}

Jeżeli za mostkiem jest kondensator filtrujący, napięcie na kondensatorze zbliża się do wartości szczytowej pomniejszonej o spadki na przewodzących diodach:

U_C\approx U_{\mathrm{MAX}}-2U_F

Przykład: dla transformatora 12 V AC RMS napięcie szczytowe wynosi:

U_{\mathrm{MAX}}=12\ \mathrm{V}\cdot\sqrt{2}\approx17\ \mathrm{V}

W mostku przewodzą zwykle dwie diody. Przy założeniu spadku 0,7 V na każdej:

U_C\approx17\ \mathrm{V}-2\cdot0{,}7\ \mathrm{V}=15{,}6\ \mathrm{V}

To wynik orientacyjny. Rzeczywiste napięcie zależy od obciążenia, tętnień, rezystancji uzwojeń, typu diod, pojemności kondensatora i tolerancji napięcia sieci.

Dioda Zenera jako prosty stabilizator

W prostym stabilizatorze równoległym dioda Zenera pracuje w kierunku zaporowym, a rezystor szeregowy ogranicza prąd. Dioda utrzymuje napięcie bliskie wartości U_Z tylko wtedy, gdy płynie przez nią odpowiedni prąd i nie jest przekroczona jej moc strat. Szerzej omawia to osobny tekst o tym, jak działa dioda Zenera.

Dla prostego doboru rezystora:

R=\frac{U_{\mathrm{IN}}-U_Z}{I_L+I_Z}

Moc diody Zenera:

P_Z=U_Z\cdot I_Z

Przykład: wejście 12 V, Zener 5,1 V, obciążenie 10 mA i zakładany prąd Zenera 5 mA:

R=\frac{12\ \mathrm{V}-5{,}1\ \mathrm{V}}{0{,}01\ \mathrm{A}+0{,}005\ \mathrm{A}}\approx460\ \Omega

Typowa wartość 470 Ω będzie blisko wyniku obliczeniowego. Moc wydzielana w Zenerze przy 5 mA wyniesie:

P_Z=5{,}1\ \mathrm{V}\cdot0{,}005\ \mathrm{A}=0{,}0255\ \mathrm{W}

Taki układ nadaje się do prostych odniesień i ograniczników, ale nie zastępuje pełnego regulatora zasilania. Przy większych wymaganiach trzeba rozważyć stabilizator napięcia albo bardziej rozbudowany voltage regulator.

Fotodioda, warikap i LED od strony równań

Fotodioda może być modelowana jako dioda, w której światło generuje dodatkowy prąd fotoelektryczny. Uproszczony zapis ma postać:

I_D=I_S\left(e^{\frac{U_D}{nV_T}}-1\right)-I_{\mathrm{ph}}

I_{\mathrm{ph}} oznacza prąd zależny od oświetlenia. Dlatego fotodioda nie jest po prostu „LED-em odwrotnie”; jest elementem, który wykorzystuje zjawisko generowania nośników przez światło.

W warikapie najważniejsza jest pojemność złącza zależna od napięcia wstecznego:

C_j(V_R)=\frac{C_{j0}}{\left(1+\frac{V_R}{V_{bi}}\right)^m}

Ten mechanizm jest rozwinięty w osobnym wpisie o tym, czym jest dioda pojemnościowa, czyli warikapowa.

W diodzie LED energia emitowanego fotonu wiąże się z długością fali:

E_{\mathrm{fotonu}}=\frac{hc}{\lambda}

Kolor LED zależy więc od energii przejścia nośników, a ta wynika z materiału półprzewodnikowego i jego przerwy energetycznej.

Dioda a tranzystor i inne elementy półprzewodnikowe

Dioda jest najprostszym praktycznym przykładem złącza p-n, ale nie jest jedynym elementem półprzewodnikowym opartym na zjawiskach nośnikowych. Tranzystor bipolarny zawiera dwa złącza p-n i pozwala sterować większym prądem kolektora za pomocą prądu bazy. Dioda nie ma takiego wejścia sterującego; jej zachowanie wynika głównie z napięcia między anodą i katodą oraz parametrów samego złącza.

Typowe pomyłki przy diodach

Pierwsza pomyłka to dobór diody tylko po prądzie średnim. W prostownikach i zasilaczach trzeba sprawdzić także I_{FSM}, czyli prąd udarowy, bo kondensator za mostkiem może w chwili ładowania wymusić impuls wielokrotnie większy niż prąd obciążenia. Sama wartość I_F nie mówi jeszcze, czy dioda przeżyje rozruch.

Druga pomyłka to ignorowanie parametrów dynamicznych. Czas odzyskiwania wstecznego t_{rr} i pojemność złącza C_j mogą być pomijalne w wolnym prostowniku sieciowym, ale w przetwornicy, układzie impulsowym, pomiarowym albo RF decydują o stratach, zakłóceniach i szybkości przełączania.

Trzecia pomyłka to mylenie diody Zenera, TVS i zwykłej diody zabezpieczającej. Zener może tworzyć proste odniesienie napięcia, TVS ma pochłaniać szybkie przepięcia, a dioda prostownicza ma przewodzić lub blokować prąd w normalnym torze zasilania. Te elementy mogą wyglądać podobnie w symbolu, ale mają inne parametry krytyczne.

Dioda — co trzeba zapamiętać?

Dioda to nieliniowy element półprzewodnikowy, którego nie da się poprawnie opisać jednym zdaniem o przewodzeniu w jedną stronę. Trzeba znać charakterystykę I-V, punkt pracy, model obliczeniowy, moc strat, temperaturę, napięcie wsteczne, pojemność złącza i parametry dynamiczne. W prostym układzie wystarczy model stałego spadku napięcia, ale w zasilaczach, przetwornicach, optoelektronice i układach pomiarowych liczy się już pełny zestaw danych z karty katalogowej.

---

Źródła i materiały

• MIT OpenCourseWare – p-n Junctions: I-V Relationship
• MIT OpenCourseWare – Integrated Microelectronic Devices
• Georgia Tech ECE 3040 – Diode Models, Small Signal and Zener
• Basic Diode Circuits – constant voltage drop model and examples
• Texas Instruments – Schottky Diode Selection in Asynchronous Boost Converters
• Texas Instruments – Basics of Ideal Diodes