Budowa, zasada pracy, rodzaje i najważniejsze parametry**
Dioda półprzewodnikowa to najprostszy, a zarazem jeden z najważniejszych elementów elektronicznych. Jej podstawową funkcją jest przewodzenie prądu w jednym kierunku i blokowanie go w drugim. Choć wydaje się to proste, w rzeczywistości za działaniem diody stoi fascynująca fizyka złącza p–n oraz ogromna różnorodność konstrukcji stosowanych w elektronice małej i dużej mocy.
Ten artykuł opisuje dokładnie, krok po kroku, jak działa dioda, jakie wyróżniamy rodzaje i co oznaczają najważniejsze parametry (IF, VF, IR).
Złącze p–n – fundament działania diody
Dioda powstaje przez połączenie dwóch rodzajów półprzewodnika:
- warstwa p – domieszkowana pierwiastkami trójwartościowymi (np. bor), zawiera nośniki dodatnie: dziury
- warstwa n – domieszkowana pierwiastkami pięciowartościowymi (np. fosfor), zawiera nośniki ujemne: elektrony
Na styku tych dwóch warstw powstaje złącze p–n, a w nim warstwa zaporowa (bariera potencjału). Jest to obszar, w którym elektrony z części n rekombinują z dziurami z części p, tworząc strefę pozbawioną swobodnych nośników. Właśnie ta warstwa decyduje o kierunkowości diody.
Kierunek przewodzenia i kierunek zaporowy
Kierunek przewodzenia
Dioda przewodzi prąd, gdy:
- anoda ma potencjał dodatni względem katody
- napięcie przewodzenia zostanie przekroczone
Wtedy bariera potencjału maleje, nośniki ładunku mogą przepływać, a dioda zaczyna przewodzić.
Typowe spadki napięcia przewodzenia:
- dioda krzemowa Si: 0,65–0,75 V
- dioda germanowa Ge: 0,25–0,35 V
- dioda Schottky’ego: 0,15–0,45 V
- dioda LED: 1,6–3,5 V (zależnie od koloru)
Kierunek zaporowy
Dioda jest spolaryzowana zaporowo, gdy:
- katoda ma wyższy potencjał niż anoda
W tym trybie warstwa zaporowa się poszerza, prąd praktycznie nie płynie — oprócz minimalnego prądu upływu IR.
Jeżeli jednak napięcie zaporowe przekroczy dopuszczalną wartość VRRM, dioda ulega przebiciu (trwałemu lub kontrolowanemu – jak w diodzie Zenera).
Rodzaje diod półprzewodnikowych i ich zastosowania
Dioda prostownicza
Najbardziej klasyczny typ diody, stosowany głównie w zasilaczach AC/DC.
Cechy:
- wysoka wytrzymałość prądowa
- większe spadki napięcia
- stosunkowo wolne czasy przełączania
Zastosowania:
- mostki Graetza
- prostowniki transformatorowe
- zasilacze liniowe
- zabezpieczenia przed odwrotną polaryzacją
Dioda Zenera
Specjalna dioda pracująca w kierunku zaporowym, wykorzystująca kontrolowane przebicie.
Cechy:
- stałe napięcie stabilizacji (3–200 V)
- stosowana jako referencja napięcia
Zastosowania:
- stabilizatory napięcia
- zabezpieczenia przeciwprzepięciowe
- układy regulacji i pomiarowe
Dioda Schottky’ego
Zbudowana ze złącza metal–półprzewodnik (a nie p–n).
Cechy:
- bardzo niski spadek napięcia (0,15–0,45 V)
- bardzo wysoka szybkość przełączania
- większy prąd upływu IR
Zastosowania:
- zasilacze impulsowe
- przetwornice DC/DC
- układy logiczne
- zabezpieczenia przed spadkiem napięcia
Dioda LED
Dioda elektroluminescencyjna emitująca światło przy przewodzeniu.
Cechy:
- świecenie zależne od materiału półprzewodnikowego
- różne barwy światła
- wysoka efektywność
- wymaga ograniczenia prądu (np. rezystorem)
Zastosowania:
- oświetlenie
- sygnalizacja
- wyświetlacze LED, OLED
- oświetlenie przemysłowe i architektoniczne
Dioda szybka (Fast Recovery / Ultra Fast)
Używana w obwodach o wysokiej częstotliwości.
Cechy:
- bardzo krótki czas odzyskiwania nośników
- odporne na wysokie napięcia
- do kilkudziesięciu kiloherców i więcej
Zastosowania:
- falowniki
- przetwornice impulsowe
- zasilacze SMPS
- silniki BLDC
- systemy fotowoltaiczne
Najważniejsze parametry diod
1. IF – Forward Current (prąd przewodzenia)
Maksymalny prąd, jaki dioda może przewodzić w kierunku przewodzenia bez uszkodzenia.
Przykłady:
- 1N4148 – 200 mA
- 1N4007 – 1 A
- diody mocy – 10–600 A
Przekroczenie IF powoduje:
- przegrzanie
- uszkodzenie struktury
- trwałe zwarcie diody
2. VF – Forward Voltage Drop (spadek napięcia przewodzenia)
Napięcie, które „traci się” na diodzie podczas jej przewodzenia.
Typowe wartości:
- krzemowa: 0,65–0,75 V
- Schottky’ego: 0,15–0,45 V
- germanowa: 0,25–0,35 V
- LED: 1,6–3,5 V (zależnie od koloru)
W praktyce VF rośnie wraz z temperaturą i prądem.
3. IR – Reverse Current (prąd wsteczny / upływu)
Niewielki prąd płynący w kierunku zaporowym.
Wartości przykładowe:
- klasyczne diody krzemowe: 1–10 μA
- szybkie diody: 10–100 μA
- diody Schottky’ego: 0,1–10 mA
Zbyt wysoki IR może oznaczać:
- przegrzanie
- uszkodzenie struktury
- starzenie elementu
Dlaczego dioda przewodzi tylko w jedną stronę? (prosty przykład)
Wyobraź sobie złącze p–n jako „bramkę”, którą otwiera różnica potencjałów:
- w kierunku przewodzenia bariera zaporowa maleje → prąd płynie
- w kierunku zaporowym bariera rośnie → prąd prawie nie płynie
Z tego powodu diody stosuje się do:
- ochrony przed odwrotnym podłączeniem
- prostowania napięcia AC
- stabilizacji
- generowania światła
- przetwarzania impulsów
- filtracji tętnień
Gdyby diody nie istniały — nie istniałyby zasilacze, ładowarki, ani jakiekolwiek układy elektroniczne.
Przykłady zastosowań diod w praktyce
W instalacjach elektrycznych i energetycznych:
- prostowniki dużej mocy
- falowniki PV
- regulatory napięcia w pojazdach
- UPS-y
- sterowniki silnikowe
W elektronice użytkowej:
- ładowarki
- zasilacze impulsowe
- zabezpieczenia USB
- wskaźniki LED
- układy logiczne
W elektronice precyzyjnej:
- stabilizatory napięć odniesienia
- układy pomiarowe
- ograniczniki przepięć
Podsumowanie
Dioda półprzewodnikowa to jeden z najprostszych, ale absolutnie kluczowych elementów elektroniki. Jej działanie opiera się na właściwościach złącza p–n, a różne typy — prostownicze, Zenera, LED, Schottky’ego czy diody szybkie — pozwalają na realizację wielu funkcji: od prostowania napięcia, przez stabilizację, po emisję światła i pracę z wysokimi częstotliwościami.
Najważniejsze parametry, na które zawsze trzeba patrzeć to:
- IF – maksymalny prąd przewodzenia
- VF – spadek napięcia w kierunku przewodzenia
- IR – prąd upływu w kierunku zaporowym