Η δίοδος ή κρυσταλλοδίοδος είναι το ηλεκτρονικό εξάρτημα που επιτρέπει τη διέλευση του ηλεκτρικού ρεύματος στην μια κατεύθυνση ενώ απαγορεύει την διέλευση του ρεύματος στην αντίθετη κατεύθυνση. Αποτελείται από την επαφή ενός ημιαγωγού τύπου Ρ με ένα ημιαγωγό τύπου Ν. Ο ακροδέκτης που συνδέεται στο τμήμα Ρ λέγεται άνοδος, ενώ ο ακροδέκτης που συνδέεται στο τμήμα Ν κάθοδος.
Υλικά κατασκευής διόδων
Οι δίοδοι κατασκευάζονται από ημιαγώγιμα υλικά όπως το πυρίτιο (Si), το γερμάνιο (Ge), το αρσενικούχο γάλιο (GaAs), τα οποία σε θερμοκρασία δωματίου η αγωγιμότητα τους είναι ενδιάμεσα των μονωτών και αγωγών. Έχουν τέσσερα ηλεκτρόνια στην εξωτερική στοιβάδα (στοιβάδα σθένους) και καθένα σχηματίζει ομοιοπολικό δεσμό με τα τέσσερα γειτονικά άτομα για να σχηματίσουν σταθερή δομή.
Για να αυξήσουμε την αγωγιμότητα του ημιαγωγού τον θερμαίνουμε και στο τίγμα προσθέτουμε πεντασθενή ή τρισθενή άτομα που λέγονται προσμείξεις. Με την νόθευση με στοιχεία που έχουν 5 ηλεκτρόνια στη στοιβάδα σθένους, όπως το αρσενικό (As), το αντιμόνιο (Sb) και ο φώσφορος (Ρ) και με την ψύξη του εμπλουτισμένου ημιαγωγού τα άτομα των προσμίξεων σχηματίζουν δεσμούς με γειτονικά άτομα του ημιαγωγού. Επειδή στην εξωτερική στοιβάδα μπορούν να τοποθετηθούν έως 8 ηλεκτρόνια, από τη διαδικασία αυτή περισσεύει ένα ηλεκτρόνιο το οποίο έχει χαλαρούς δεσμούς με την κρυσταλλική δομή και επομένως λειτουργεί ως ελεύθερο ηλεκτρόνιο. Ο εμπλουτισμένος ημιαγωγός που σχηματίζεται με αυτό τον τρόπο έχει πλεόνασμα αρνητικών φορτίων δηλ. ηλεκτρόνια και έτσι ονομάζεται ημιαγωγός τύπου – n.
Ένας άλλος τρόπος της αύξησης της αγωγιμότητας του ημιαγωγού είναι ο εμπλουτισμός του με άτομα που έχουν 3 ηλεκτρόνια στη ζώνη σθένους, όπως είναι το αλουμίνιο (Al), το μπόρον (Β) και το γάλιο (Ga). Όταν το υλικό ψυχθεί και σχηματιστούν κρυσταλλικοί δεσμοί, απομένει στην εξωτερική στοιβάδα μια θέση κενή, δηλαδή υπάρχει στη στοιβάδα μια διαθέσιμη οπή. Ο εμπλουτισμένος ημιαγωγός που δημιουργείται με αυτό τον τρόπο έχει πλεόνασμα θετικών φορτίων δηλ. οπές και έτσι ονομάζεται ημιαγωγός τύπου – p.
Μέθοδοι κατασκευής διόδων
Στη βιομηχανία ημιαγωγών έχουν αναπτυχθεί πολλές μέθοδοι για την κατασκευή των διόδων που στην ουσία αποτελούνται από την επαφή ημιαγωγού τύπου Ρ με εκείνου τύπου Ν. Παρακάτω παρουσιάζονται οι κυριότερες.
Μέθοδος κράματος
Πάνω σε ένα εμπλουτισμένο υπόστρωμα ημιαγωγού Ge ή Si τύπου Ν τοποθετείται μικρή ποσότητα υλικού τρισθενούς στοιχείου όπως ίνδιο ή γάλλιο ή βόριο ή αργίλιο. Έπειτα αυτή η διάταξη θερμαίνεται σε θερμοκρασία τήξης του τρισθενούς στοιχείου. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα το τρισθενές υλικό να λειώσει και να εισχωρήσει ελαφρά στο αρχικό υπόστρωμα του γερμανίου ή πυριτίου. Στη συνέχεια ακολουθεί ψύξη όπου σχηματίζεται κράμα Ge με In ή Si με In δηλαδή ημιαγωγό τμήμα τύπου Ρ το οποίο σε συνδυασμό με το υπόστρωμα τύπου Ν δημιουργούν την επαφή Ρ – Ν.
Μέθοδος με διάχυση
Με την μέθοδο αυτή το υπόστρωμα του αρχικού ημιαγωγού τύπου Ρ ή Ν τοποθετείται σε περιβάλλον πεντασθενούς ή τρισθενούς στοιχείου αντίστοιχα και θερμαίνεται σε υψηλή θερμοκρασία. Τα άτομα του στοιχείου της πρόσμιξης λόγω του φαινομένου της διάχυσης εισχωρούν μέσα στο υπόστρωμα του ημιαγωγού δημιουργώντας με αυτό τον τρόπο την επαφή Ρ-Ν.
Μέθοδος με εμφύτευση
Σε αυτή την μέθοδο τα άτομα της πρόσμιξης ιονίζονται και επιταχύνονται με την χρήση υψηλής τάσης της τάξης δεκάδων χιλιάδων βολτ. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα τα ιόντα του στοιχείου της πρόσμιξης να αποκτούν μεγάλες ταχύτητες που με την πρόσκρουση στο υπόστρωμα του ημιαγωγού να εισχωρούν σε αυτό σε βάθος που εξαρτάται από τη μάζα και την κινητική ενέργεια που έχουν τα ιόντα της πρόσμιξης. Με τη ρύθμιση της ποσότητας των προσμίξεων καθώς επίσης και την τάση επιτάχυνσης που καθορίζει την ταχύτητα των ιόντων της πρόσμιξης καθώς επίσης και το χρόνο αυτής της διαδικασίας καταφέρνουμε την δημιουργία της επαφής Ρ – Ν με τις προδιαγραφές που απαιτούνται.
Μέθοδος Planar
Σύμφωνα με τη μέθοδο αυτή ένα υπόστρωμα Si ημιαγωγού τύπου Ρ ή Ν τοποθετείται μέσα σε ατμόσφαιρα υδρατμών ή οξυγόνου μέσα σε υψηλή θερμοκρασία. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να οξειδωθεί η επιφάνεια πυριτίου και να καλυφθεί με SiO2 με πάχος που εξαρτάται από την θερμοκρασία και το χρόνο παραμονής του υποστρώματος στην ατμόσφαιρα υδρατμών ή οξυγόνου. Το SiO2 σαν υλικό είναι σκληρό και ανθεκτικό υλικό και είναι άριστο ηλεκτρικά μονωτικό υλικό.
Στη συνέχεια της διαδικασίας, με φωτολιθογραφικές μεθόδους γίνεται επιλεκτικά αφαίρεση τμημάτων SiO2 Έπειτα στα τμήματα που έχει αφαιρεθεί το SiO2 , με διάχυση ή εμφύτευση δημιουργούνται επαφές τύπου Ρ – Ν ή Ν – Ρ. Μάλιστα στα σημεία που έχει αφαιρεθεί το SiO2 μπορούν τα άτομα προσμίξεων να εισχωρήσουν μέσα στο πυρίτιο. Επειδή το SiO2 είναι σκληρό και μονωτικό υλικό χρησιμοποιείται σαν επικάλυψη προστασίας.
ΤΥΠΟΙ ΔΙΟΔΩΝ Ή ΚΡΥΣΤΑΛΛΟΔΙΟΔΩΝ
Δίοδοι ακίδας
Οι δίοδοι ακίδας αναπτύσσονται όπως φαίνεται στο σχήμα. Σύρμα βολφραμίου ή χρυσού στο οποίο στην μια άκρη του έχει προσαρτηθεί ακίδα η οποία εφάπτεται σε ένα κομμάτι ημιαγωγού τύπου Ν. Στην άκρη της ακίδας τοποθετείται μικρό μέρος ημιαγωγού τύπου Ρ. Έπειτα στη διάταξη διαβιβάζονται για μικρό χρονικό διάστημα μεγάλα ρεύματα και με αυτό τον τρόπο δημιουργείται υψηλή θερμοκρασία με αποτέλεσμα να γίνει σύντηξη στο σημείο επαφής των ημιαγωγών και έτσι να δημιουργηθεί μια επαφή Ρ – Ν. Οι δίοδοι ακίδας χρησιμοποιούνται σε διατάξεις που απαιτούν ασθενή ρεύματα. Εξ’ αιτίας της μικρής επιφάνειας της επαφής Ρ – Ν οι δίοδοι ακίδας παρουσιάζουν μικρή χωρητικότητα που τις κάνουν εύχρηστες στα κυκλώματα ραδιοσυχνοτήτων.
Δίοδος ανόρθωσης
Η δίοδος ανόρθωσης είναι ο πιο συνηθισμένος τύπος διόδου, όπου αφήνει να περάσει ρεύμα προς μια μόνο κατεύθυνση ενώ δεν επιτρέπει την διέλευση του ρεύματος στην αντίθετη κατεύθυνση. Αποτελείται από ένα ημιαγωγό τύπου Ν και ένα ημιαγωγό τύπου Ρ σε επαφή. Κατασκευάζονται με τη μέθοδο επαφής κράματος, με τη μέθοδο της διάχυσης, με την μέθοδο εμφύτευσης ή με την μέθοδο Planar.
Ακροδέκτες τοποθετούνται στο σώμα του ημιαγωγού τύπου Ν που αποτελεί την κάθοδο και στο σώμα του ημιαγωγού τύπου Ρ που αποτελεί την άνοδο, στη συνέχεια τοποθετείται το περίβλημα προστασίας. Για να διακρίνουμε την άνοδο από την κάθοδο, οι κατασκευαστές δημιουργούν στην επιφάνεια του περιβλήματος της διόδου προς την πλευρά της καθόδου ένα δακτύλιο διαφορετικού χρώματος.
Αν εφαρμόσουμε τάση στους ακροδέκτες της διόδου με τρόπο ώστε ο θετικός πόλος της πηγής να συνδέεται στην άνοδο και ο αρνητικός πόλος της πηγής να συνδέεται στην κάθοδο, λέμε ότι η δίοδος είναι πολωμένη ορθά. Με την ανάστροφη σύνδεση, δηλαδή όταν η άνοδος έχει μικρότερο δυναμικό από την κάθοδο λέμε ότι η δίοδος είναι πολωμένη ανάστροφα. Με την ορθή πόλωση της διόδου (με τάση μεγαλύτερη από την τάση γόνατος) η δίοδος διαρρέεται με ρεύμα και εμφανίζει τάση 0,7V στα άκρα της για διόδους πυριτίου, ενώ με την ανάστροφη πόλωση η δίοδος εμφανίζει μεγάλη αντίσταση και δεν διαρρέεται από ρεύμα. Αν η ανάστροφη τάση ξεπεράσει την τάση zener της διόδου, προκαλείται κατάρρευση της διόδου, το ρεύμα που τη διαρρέει γίνεται μεγάλο και η τάση στα άκρα της είναι ίση με την τάση zener.
Δίοδος μεταβλητής χωρητικότητας Varicap
Η δίοδος Varicap είναι μια δίοδος επαφής που στην κανονική λειτουργία της είναι πολωμένη ανάστροφα. Σε κατάσταση ανάστροφης πόλωσης, η περιοχή απογύμνωσης αυξάνει και τα στατικά φορτία εμφανίζουν χωρητικότητα στην περιοχή αυτή.
Μεταβάλλοντας την ανάστροφη τάση, μεταβάλλεται το εύρος της περιοχής απογύμνωσης, συνεπώς και το πλήθος των στατικών φορτίων, έτσι έχουμε μεταβολή της χωρητικότητας της επαφής ΡΝ. Παρατηρείται αύξηση της χωρητικότητας με τη μείωση της ανάστροφης τάσης της διόδου. Συγκεκριμένα η χωρητικότητα μιας διόδου Varicap μεταβάλλεται αντιστρόφως ανάλογα της τετραγωνικής ή κυβικής ρίζας της ανάστροφης τάσης, ανάλογα τον τρόπο κατασκευής της διόδου.
Οι δίοδοι Varicap χρησιμοποιούνται σε κυκλώματα υψηλών συχνοτήτων, όπως είναι τα κυκλώματα επιλογής (Tuner) των δεκτών ραδιοφώνου, τηλεόρασης κλπ. Οι δίοδοι αυτές πλεονεκτούν απέναντι στους μεταβλητούς πυκνωτές, στο μικρό όγκο και βάρος. Ακόμα οι δίοδοι Varicap χρησιμοποιούνται σε κυκλώματα διαμόρφωσης FM σε κυκλώματα παραγωγής αρμονικών ταλαντώσεων κλπ.
Δίοδος Zener
Όταν μια συνηθισμένη δίοδος πολωθεί ανάστροφα και η ανάστροφη τάση φτάσει μια τιμή Vz που ονομάζεται τάση Zener εμφανίζεται το φαινόμενο της χιονοστιβάδας. Τότε η δίοδος άγει απότομα μεγάλα ρεύματα και καταστρέφεται.
Οι δίοδοι Zener είναι δίοδοι που είναι κατασκευασμένες να λειτουργούν ανάστροφα πολωμένες στην περιοχή της τάσης Zener. Χρησιμοποιούνται κυρίως στα κυκλώματα για σταθεροποίησης τάσης και για ψαλιδισμό κυματομορφών.
Οι δίοδοι Zener είναι δίοδοι με μεγάλη πυκνότητα προσμίξεων που η πυκνότητα τους καθορίζει το εύρος της περιοχής απογύμνωσης, συγκεκριμένα όσο το ποσοστό πρόσμιξης αυξάνεται, τόσο η τάση Zener ελαττώνεται.
Δίοδοι σήραγγας (Tunnel)
Οι δίοδοι σήραγγας είναι κατασκευασμένες με πολύ μεγαλύτερη ποσότητα προσμίξεων απ’ ότι είναι συνήθως κατασκευασμένες οι απλές δίοδοι. Η μεγάλη πυκνότητα προσμίξεων της διόδου σήραγγας έχει σαν αποτέλεσμα η περιοχή απογύμνωσης να είναι πάρα πολύ λεπτή, με αποτέλεσμα την εμφάνιση του φαινομένου σήραγγας, κατά το οποίο πολλά ηλεκτρόνια υπερνικούν το φραγμό δυναμικού χωρίς να έχουν την απαιτούμενη ενέργεια για το σκοπό αυτό.
Οι δίοδοι tunnel χρησιμοποιούνται σε πάρα πολλές εφαρμογές, κυρίως σε ταλαντωτές και ενισχυτές πολύ υψηλής συχνότητας, σε κυκλώματα μεγάλης ταχύτητας που τέτοια συναντάμε στους ηλεκτρονικούς υπολογιστές.
Φωτοδίοδος
Η φωτοδίοδος είναι μια ανάστροφα πολωμένη επαφή ΡΝ, στην οποία το ανάστροφο ρεύμα μεταβάλλεται ανάλογα με τη φωτεινή ροή της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Αυτό οφείλεται στο ότι η προσπίπτουσα ακτινοβολία έχει την ικανότητα να προκαλέσει μέσα στην περιοχή απογύμνωσης τη γένεση ζευγαριών οπών-ηλεκτρονίων με τη διάσπαση των ομοιοπολικών δεσμών.
Αν η φωτοδίοδος πολωθεί κατά την αντίστροφη φορά και δεν προσπίπτει φως, τότε το διερχόμενο ρεύμα στο εξωτερικό κύκλωμα είναι πολύ μικρό της τάξης των μΑ και λέγεται ρεύμα σκότους. Αν την φωτίσουμε με φως κατάλληλης συχνότητας, το αντίστροφο ρεύμα αυξάνει σημαντικά και είναι ανάλογο προς την φωτεινή ροή της προσπίπτουσας ακτινοβολίας.
Οι φωτοδίοδοι χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρονικές διατάξεις αυτομάτου ελέγχου, στον κινηματογράφο, σε μηχανήματα ελέγχου και ρύθμισης του φωτός, σε αυτόματους διακόπτες, στα συστήματα πυρασφάλειας κλπ.
Δίοδος LED
To LED είναι μια δίοδος η οποία αν πολωθεί ορθά εκπέμπει φως σ’ ένα από τα χρώματα: κόκκινο, πράσινο, κίτρινο, πορτοκαλί ή μπλε. Η αρχή λειτουργίας τους είναι η εξής: Όταν η δίοδος LED είναι πολωμένη κατά την ορθή φορά, δημιουργούνται επανασυνδέσεις ηλεκτρονίων-οπών στην επαφή της διόδου. Με την επανασύνδεση ελευθερώνεται ενέργεια από τα ηλεκτρόνια που επιστρέφουν στη ζώνη αγωγιμότητας. Η ενέργεια αυτή εμφανίζεται σαν κβαντική ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία.
Οι δίοδοι LED λειτουργούν με ορθή πόλωση. Ο ακροδέκτης της καθόδου βρίσκεται κοντά στο κοφτό μέρος του περιβλήματος του και συνδέεται με το αρνητικό σημείο του κυκλώματος. Πολλές φορές ο ακροδέκτης αυτός δείχνεται με το μικρότερο μήκος. Ο άλλος ακροδέκτης είναι αυτός της ανόδου και συνδέεται με το θετικό σημείο του κυκλώματος.
Η κανονική τάση λειτουργίας μιας διόδου LED είναι κατά μέσο όρο 2V. Η τιμή αυξάνεται όταν μεταβαίνουμε από το υπέρυθρο (1,5V) προς το μπλε (3,7V) και το κανονικό ρεύμα λειτουργίας για αρκετά ικανοποιητική φωτεινή ένταση εκπομπής είναι μεταξύ 10 και 20mA.
Οι δίοδοι LED χρησιμοποιούνται σήμερα κυρίως σαν ενδεικτικά στοιχεία σ’ ένα μεγάλο πλήθος ηλεκτρονικών διατάξεων, χρησιμοποιούνται σε όργανα μέτρησης, σε κυκλώματα ελέγχου, σε συστήματα επικοινωνιών, για την δημιουργία οπτικών εφέ κλπ.
Συμβολισμός διόδων
