Η δίοδος

Επαφή/Δίοδος ΡΝ – Φυσική λειτουργία

Όπως αναφέρθηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο, οι ημιαγωγοί με προσμίξεις είναι δυο τύπων. Οι ημιαγωγοί τύπου Ν έχουν περισσότερους αρνητικούς φορείς, δηλαδή έχουν περίσσεια ηλεκτρονίων και για το λόγο αυτό ονομάζονται τύπου Ν. Αντιθέτως οι ημιαγωγοί τύπου Ρ έχουν περίσσεια θετικών φορτίων ή οπών. Οι οπές είναι έλλειψη ηλεκτρονίων.

Όταν ένα μικρό κομμάτι ημιαγωγού τύπου Ν έλθει σ’ επαφή με κομμάτι ημιαγωγού τύπου Ρ, τότε δημιουργείται μια ένωση ΡΝ ή επαφή ΡΝ η οποία αποτελεί ένα ηλεκτρονικό εξάρτημα πολύ χρήσιμο και ονομάζεται δίοδος ΡΝ.

Η επαφή ΡΝ φαίνεται στο διπλανό σχήμα. Το σημείο της ένωσης παρίσταται με μια κάθετη διακεκομμένη γραμμή. Το τμήμα τύπου Ν αποτελείται από θετικά ιόντα πεντασθενούς στοιχείου και ελεύθερα ηλεκτρόνια. Υπάρχει επίσης μικρός αριθμός οπών. Στο τμήμα τύπου Ρ υπάρχουν αρνητικά ιόντα τρισθενούς στοιχείου, αρκετές οπές και μικρός αριθμός ηλεκτρονίων.

Την στιγμή της δημιουργίας της επαφής ΡΝ, τα ηλεκτρόνια από τον ημιαγωγό τύπου Ν που ευρίσκονται κοντά στο σημείο της ένωσης θα κινηθούν προς τον ημιαγωγό τύπου Ρ με σκοπό να επανασυνδεθούν με τις οπές που υπάρχουν εκεί. Έτσι δημιουργείται επανασύνδεση οπών και ηλεκτρονίων στα δυο τμήματα και έτσι δεξιά και αριστερά του σημείου επαφής και στο μεν ημιαγωγό τύπου Ν δημιουργείται ένα τμήμα με θετικά μόνο ιόντα χωρίς ηλεκτρόνια, στο δε ημιαγωγό τύπου Ρ δημιουργείται ένα τμήμα με αρνητικά μόνο ιόντα, χωρίς οπές. Αυτά τα δυο τμήματα είναι «απογυμνωμένα» από τους φορείς τους και αποτελούν μαζί την περιοχή απογύμνωσης όπως φαίνεται στο διπλανό σχήμα.

Έξω από την περιοχή απογύμνωσης η δομή των ημιαγωγών δεν έχει αλλάξει και αποτελείται από ιόντα και φορείς. Αυτό συμβαίνει διότι για να μπορέσει ένα ηλεκτρόνιο να επανασυνδεθεί με μια οπή ή αντίστροφα, πρέπει να υπερπηδήσει την περιοχή απογύμνωσης, η οποία όμως με τη συγκέντρωση των ιόντων σ’ αυτήν, αποτελεί ένα εμπόδιο και δημιουργεί ένα φραγμό δυναμικού. Το δυναμικό φραγμού παριστάνεται με V0 και είναι μια διαφορά δυναμικού που η πολικότητα της αντιτίθεται στη διάχυση των φορέων.

Η επαφή ΡΝ που δημιουργήθηκε με τον πιο πάνω τρόπο λέγεται δίοδος ΡΝ διότι αφήνει να διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα από αυτήν μόνο προς μια κατεύθυνση όπως θα δούμε στη συνέχεια.

Για να δημιουργηθεί μια δίοδος ΡΝ, συνδέονται τα άκρα των δυο ημιαγωγικών τμημάτων τύπου Ρ και Ν με μεταλλικές επαφές και έτσι δημιουργείται η άνοδος της διόδου από την πλευρά του ημιαγωγού Ρ και η κάθοδος της διόδου στην πλευρά Ν. Η δίοδος ΡΝ συμβολίζεται με ένα βέλος στην πλευρά Ρ και μια γραμμή στην πλευρά Ν.

Η δίοδος ΡΝ σε ορθή και ανάστροφη πόλωση

Στην προηγούμενη παράγραφο η επαφή ΡΝ ήταν ανοικτή, δηλαδή δεν υπήρχε εξωτερική τάση στα άκρα της. Όταν εφαρμοστεί εξωτερική τάση στα άκρα μιας διόδου, υπάρχουν δυο τρόποι σύνδεσης της πηγής: κατά την ορθή και κατά την ανάστροφη φορά.

Πόλωση κατά την ορθή φορά.

Μια δίοδος είναι πολωμένη κατά την ορθή φορά εάν η εξωτερική πηγή είναι συνδεμένη στο κύκλωμα ώστε ο θετικός πόλος της να είναι στο τμήμα Ρ της διόδου και ο αρνητικός πόλος στο τμήμα Ν της διόδου. Ως γνωστόν σε μια ηλεκτρική πηγή υπάρχει μεγάλος αριθμός ηλεκτρονίων στον αρνητικό πόλο και μεγάλος αριθμός θετικών φορτίων στο θετικό πόλο. Με την αγώγιμη σύνδεση της πηγής με τη δίοδο κατά την ορθή φορά, τα θετικά φορτία από τον θετικό πόλο της πηγής πηγαίνουν στο τμήμα Ρ της διόδου και τα ηλεκτρόνια πηγαίνουν στο τμήμα Ν.

Με τον τρόπο αυτό η συγκέντρωση των οπών στο τμήμα Ρ μεγαλώνει, η περιοχή απογύμνωσης γίνεται στενότερη και ορισμένες οπές με μεγάλη κινητική ενέργεια καταφέρνουν να υπερπηδήσουν το φραγμό δυναμικού και να μπούν στο τμήμα Ν της διόδου. Η ίδια διαδικασία συμβαίνει και με τα ηλεκτρόνια της περιοχής Ν που εισέρχονται στο τμήμα Ρ.

Όσο αυξάνει η εξωτερική τάση τόσο η περιοχή απογύμνωσης γίνεται μικρότερη μέχρι που μηδενίζεται και έχουμε ροή ρεύματος στο κύκλωμα που ονομάζεται ρεύμα ορθής φοράς ή ρεύμα διάχυσης ΙF.

Η τιμή της εξωτερικής τάσης που πρέπει να εφαρμοστεί στη δίοδο για να διέλθει ρεύμα στο κύκλωμα πρέπει να είναι μεγαλύτερη από το δυναμικό φραγμού που είναι μερικά δέκατα του Volt ( V>V0=0,3V για γερμάνιο και 0,5V για πυρίτιο). Το ρεύμα έχει μικρή τιμή μέχρι μια τάση που λέγεται τάση κατωφλίου ή γόνατος Vγ, μετά την οποία το ρεύμα αυξάνεται εκθετικά. Η τάση γόνατος για μεν το γερμάνιο είναι 0,3V για δε το πυρίτιο είναι 0,7V.

Όσον αφορά δε το ρεύμα του εξωτερικού κυκλώματος αυτό είναι: I=IF-I0 όπου I0 λέγεται ανάστροφο ρεύμα κόρου και είναι το ρεύμα που προέρχεται από την θερμική διέγερση του ημιαγωγού και η τιμή του είναι της τάξης των μικροαμπέρ (μΑ)

Πόλωση κατά την ανάστροφη φορά

Μια δίοδος ΡΝ είναι πολωμένη κατά την ανάστροφη φορά εάν ο θετικός πόλος της εξωτερικής πηγής είναι συνδεδεμένος με το τμήμα Ν της διόδου και ο αρνητικός πόλος με το τμήμα Ρ, όπως φαίνεται στο διπλανό σχήμα.

Μετά την αγώγιμη σύνδεση, τα θετικά φορτία από τον θετικό πόλο της πηγής εισέρχονται στο τμήμα Ν, σαν οπές και επανασυνδέονται με τα ηλεκτρόνια που υπάρχουν εκεί σε μεγάλη συγκέντρωση. Με τον ίδιο μηχανισμό, τα ηλεκτρόνια από τον αρνητικό πόλο της πηγής εισέρχονται στο τμήμα Ρ και επανασυνδέονται με τις οπές που υπάρχουν εκεί σε μεγάλη συγκέντρωση.

Με τις επανασυνδέσεις αυτές η περιοχή απογύμνωσης αυξάνει διότι δημιουργούνται περισσότερα «απογυμνωμένα» θετικά και αρνητικά ιόντα.

Ορισμένα ηλεκτρόνια που έχουν αρκετή κινητική ενέργεια διότι προκύπτουν από την διάσπαση των δεσμών των ατόμων του ημιαγωγού, υπερπηδούν και τη νέα περιοχή απογύμνωσης και έτσι στο κύκλωμα υπάρχει ρεύμα Ι0που λέγεται ανάστροφο ρεύμα κόρου και είναι πολύ μικρό (της τάξης μΑ). Το ρεύμα μπορεί να αυξηθεί με παροχή εξωτερικής ενέργειας όπως θερμική, ηλεκτρική ή φωτεινή.

Χαρακτηριστική καμπύλη διόδου ΡΝ

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, κατά την ορθή πόλωση της διόδου με την αύξηση της τάσης θα υπάρχει κατ΄ αρχή ένα μικρό ρεύμα και μετά την τάση γόνατος Vγ μια μεγάλη αύξηση του ρεύματος. Αντίθετα, κατά την ανάστροφη φορά θα υπάρχει ένα πολύ μικρό ρεύμα, σχεδόν σταθερό, το οποίο θα αυξήσει ελάχιστα την τιμή του μέχρις ότου η τάση θα φθάσει μια ορισμένη τιμή, που καλείται τάση διάσπασης ή Zener, όποτε το ρεύμα αυξάνεται απότομα. Συνεπώς υπάρχουν τρεις περιοχές στη χαρακτηριστική καμπύλη I-V μιας διόδου: η περιοχή ορθής πόλωσης, η περιοχή ανάστροφης πόλωσης και η περιοχή διάσπασης. Στο σχήμα φαίνεται η τυπική χαρακτηριστική πυριτίου.

Μέθοδοι κατασκευής διόδων

Μέθοδος ακίδας
Η δίοδος ακίδας κατασκευάζεται από μια ακίδα από λεπτό σύρμα βολφραμίου ή χρυσού πάνω σε μια πλάκα από κρύσταλλο γερμανίου ή πυριτίου τύπου Ν με λίγες προσμίξεις. Η πλάκα του κρυστάλλου στηρίζεται σε μια μεταλλική υποδοχή. Γύρω απο την αχμή της ακίδας τοποθετείται μικρή ποσότητα υλικού που περιέχει πρόσμιξη τύπου Ρ. Μεταξύ της ακίδας και του κρυστάλλου διαβιβάζεται ισχυρό ρεύμα για μικρό χρονικό διάστημα. Η θερμότητα που αναπτύσσεται γύρω από την ακίδα μετατρέπει μια μικρή περιοχή σε κρύσταλλο τύπου Ρ. Δημιουργείται μια κρυσταλλική επαφή ΡΝ αλλά με πολύ μικρή επιφάνεια.

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
Σ’ αυτή τη μέθοδο τα άτομα της πρόσμιξης αφού ιονιστούν, επιταχύνονται με υψηλή τάση αποκτώντας μεγάλη ταχύτητα και κατευθύνονται σε υπόστρωμα καθαρού ημιαγωγού. Με την πρόσκρουση εισχωρούν σ’ αυτό σε βάθος που εξαρτάται από τη μάζα και την κινητική ενέργεια των ατόμων της πρόσμιξης. Μ’ αυτό τον τρόπο δημιουργείται η επαφή Ρ-Ν.

Μέθοδος Planar
Με τη μέθοδο αυτή ένα υπόστρωμα ημιαγωγού τύπου Ρ ή Ν τοποθετείται σε ατμόσφαιρα υδρατμών ή οξυγόνου και έτσι η επιφάνεια του ημιαγωγού οξειδώνεται καλύπτοντας τη με Si2O. Το Si2O είναι πολύ σκληρό και ανθεκτικό υλικό και από ηλεκτρική άποψη είναι μονωτικό υλικό.

Στη συνέχεια γίνεται επιλεκτικά αφαίρεση τμημάτων Si2O με φωτολιθογραφικές μεθόδους και στα τμήματα του υποστρώματα που έχει αφαιρεθεί το Si2O με διάχυση ή εμφύτευση δημιουργούνται επαφές τύπου P-N.

Δίοδος ανόρθωσης

Η δίοδος ανόρθωσης είναι ο πιο συνηθισμένος τύπος διόδου, όπου αφήνει να περάσει ρεύμα προς μια μόνο κατεύθυνση. Αποτελείται από ένα ημιαγωγό τύπου Ν και ένα ημιαγωγό τύπου Ρ σε επαφή, ενώ συνδέονται ακροδέκτες στο σώμα του ημιαγωγού τύπου Ν που αποτελεί την κάθοδο και στο σώμα του ημιαγωγού τύπου Ρ που αποτελεί την άνοδο. Όταν εφαρμοστεί τάση στη δίοδο, έτσι ώστε να πολωθεί ορθά, η πτώση τάσης στα άκρα της είναι περίπου 0,7V και το ρεύμα καθορίζεται από το εξωτερικό κύκλωμα. Αν εφαρμοστεί τάση έτσι ώστε η δίοδος πολωθεί ανάστροφα, τότε το ρεύμα που την διαρρέι είναι σχεδόν μηδενικό και η πτώση τάσης της καθορίζεται από το εξωτερικό κύκλωμα. Αν η ανάστροφη τάση ξεπεράσει την τάση zener της διόδου, προκαλείται κατάρευση 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 πλήθως 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 μπλέ. 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 κατα 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 εκμπομπής 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