Polovodičová dioda

Krystal, který se nečekaně rozsvítil

Roku 1907 zkoušel britský radiotechnik Henry Joseph Round různé krystaly karbidu křemíku. Kovovým hrotem hledal místo, které by v rádiovém přijímači dobře usměrňovalo proud. V jednom okamžiku si však všiml něčeho, co vůbec nehledal: v místě dotyku krystal slabě svítil. Podle použitého vzorku zahlédl žluté, zelené, oranžové i modré světlo.

Round svůj objev popsal jen v krátké poznámce. Nevěděl ještě přesně, proč krystal svítí, a praktickou světelnou diodu z něj nevytvořil. Ukázal však, že polovodičový přechod nemusí pouze řídit proud – může také přímo měnit elektrickou energii na světlo.

“On applying a potential of 10 volts … the crystal gave out a yellowish light.”

H. J. Round, A Note on Carborundum, Electrical World, 9 February 1907
Celá stránka časopisu Electrical World z 9. února 1907 s Roundovou krátkou zprávou A Note on Carborundum
Celá Roundova zpráva zabrala jedinou část stránky časopisu. Kliknutím otevřete nahrané PDF.

V minulé kapitole jsme zjistili, jak vzniká PN přechod a proč propouští proud v jednom směru mnohem snáze než ve druhém. Teď z něj uděláme skutečnou součástku: polovodičovou diodu.

Otázka na úvod: Co se změní, když stejnou diodu připojíme ke zdroji opačně?
Zobrazit odpověď
Změní se šířka hradlové vrstvy a výška potenciálové bariéry. V propustném směru může proud rychle růst, v závěrném směru zůstává za běžných podmínek velmi malý.

Co je polovodičová dioda?

Polovodičová dioda je dvojpólová součástka tvořená zpravidla jedním PN přechodem. Vývod připojený k oblasti P se nazývá anoda, vývod připojený k oblasti N katoda.

stavbaPNanoda Akatoda K schematická značkaanoda Akatoda K
Svislá čára ve značce označuje katodu. U mnoha válcových diod je katoda označena také proužkem na pouzdře.
Jak si zapamatovat označení: proud v propustném směru prochází značkou od anody ke katodě. Čára ve značce je na straně katody.

Jak poznat vývody běžné LED?

U nové vývodové LED bývá delší nožička anodou a připojuje se ke kladnému pólu; kratší nožička je katodou a připojuje se k zápornému pólu. Katodu zpravidla označuje také seříznutý (plochý) okraj plastového pouzdra. Přes průhledné pouzdro často vidíme větší kovovou část s čipem, její uspořádání se však může u některých LED lišit, a proto podle ní samotné polaritu neurčujeme. Nejjistější je použít test diody na multimetru nebo katalogový list.

Makrofotografie průhledné UV LED, na níž jsou vidět vývody, reflektor s polovodičovým čipem a spojovací drátek
Skutečná průhledná LED. Uvnitř je vidět větší reflektor s polovodičovým čipem a tenký spojovací drátek. Pro určení polarity je spolehlivější kratší vývod a plochá strana pouzdra (katoda); uspořádání vnitřních elektrod se může u některých LED lišit. Foto: Grapetonix / Ulfbastel, CC BY 3.0, Wikimedia Commons.

LED nemá jen jednu podobu

Různobarevné vývodové LED v několika tvarech a velikostech
Vývodové LED různých barev a pouzder. Foto: Afrank99, CC BY-SA 2.0, Wikimedia Commons.
Běžné velikosti miniaturních SMD LED na desce plošných spojů
Miniaturní SMD LED pro automatické osazování desek; vpravo nahoře je pro srovnání klasická 5mm LED. Foto: Volkan Yuksel, Wikimedia Commons.
Modrá výkonová LED Luxeon na kovové podložce
Výkonová modrá LED; kovová podložka pomáhá odvádět teplo. Foto: Windell Oskay, CC BY 2.0, Wikimedia Commons.

Od slabé záře k Nobelově ceně

Roundův krystal svítil jen slabě a jen v některých místech dotyku. Jednoduchou obdobu jeho pokusu lze v principu sestavit z krystalu karbidu křemíku a kovového hrotu, ale nejde o snadnou „domácí výrobu LED“. Aktivní místo se hledá obtížně, kontakt je nestálý a světlo může být sotva viditelné. Neúspěšný pokus proto nemusí znamenat špatné zapojení.

Ještě mnohem těžší bylo vytvořit účinnou modrou LED. Červené a zelené LED už existovaly, ale vhodný materiál pro jasné modré světlo dlouho vzdoroval výrobě. Isamu Akasaki, Hiroshi Amano a Shuji Nakamura uspěli s nitridem gallia a roku 2014 získali Nobelovu cenu za fyziku. Modrá LED byla chybějícím dílem pro bílé LED osvětlení.

Zajímavost: dioda může světlo nejen vysílat, ale i zachytit

V LED může rekombinace elektronu a díry uvolnit foton. Opačný děj je také možný: dopadající světlo může vytvořit pohyblivé nositele náboje a malý elektrický signál. LED proto může fungovat jako nepříliš citlivý světelný snímač. Praktická využití LED, fotodiody a solárního článku probereme v následující kapitole.

Ani LED není dokonalá: její vlastnosti silně závisí na teplotě a bez omezení proudu se může zničit. U hotových svítidel navíc záleží na napájecí elektronice a optice: nevhodný návrh může způsobovat blikání, oslnění nebo změnu barvy během životnosti. Nejde tedy pouze o vlastnost samotného PN přechodu.
Historická zajímavost – krystalka, elektronka a první diody

Krystalka je velmi jednoduchý rozhlasový přijímač, který může pracovat bez baterie: energii získává přímo z přijímané rádiové vlny. Anténa zachytí mnoho vysokofrekvenčních signálů, ladicí obvod vybere stanici a detektor z ní oddělí pomalu se měnící zvukový signál pro citlivé sluchátko. Jmenuje se podle krystalu používaného v detektoru, nikoli podle čistoty zvuku.

Ferdinand Braun už roku 1874 zjistil, že dotyk kovu s některými krystaly vede proud nesymetricky. V krystalkách se proto jemným drátkem zvaným kočičí vous přejíždělo po galenitu nebo jiném krystalu, dokud posluchač nenašel citlivé místo. Kontakt se choval jako hrotová polovodičová dioda, i když tehdejší fyzika ještě neuměla jeho činnost dnešním způsobem vysvětlit.

Před spolehlivými polovodičovými diodami existovala také vakuová dioda. John Ambrose Fleming ji patentoval roku 1904: ve vyčerpané skleněné baňce žhavená katoda uvolňuje elektrony a anoda je přijímá. Proud proto snadno teče jen jedním směrem. Vakuové a krystalové detektory se na počátku rádia vyvíjely vedle sebe; elektronka tedy nebyla jednoduše „předchůdcem krystalky“, ale konkurenční technologií.

Polovodiče elektronky téměř vytlačily, protože jsou menší, úspornější, levnější a nepotřebují žhavení. Elektronky se však dodnes vyrábějí například pro kytarové zesilovače, studiovou techniku a některé hi-fi přístroje. Při přebuzení mění signál plynule a vytvářejí spektrum harmonických spolu s přirozenou kompresí, které hudebníci často považují za příjemné. Není to automaticky „věrnější“ zvuk – je to žádané zabarvení a součást konstrukce nástroje. Vakuová technika zůstává důležitá i u některých velmi vysokých výkonů a mikrovlnných frekvencí.

Co se děje uvnitř diody?

Propustný směr

Anodu připojíme ke kladnému pólu a katodu k zápornému. Pole zdroje působí proti vnitřnímu poli PN přechodu, bariéra klesá a hradlová vrstva se zužuje. Elektrony z oblasti N a díry z oblasti P se pohybují k rozhraní a mohou je překonávat. Proud rychle roste.

Závěrný směr

Anodu připojíme k zápornému pólu a katodu ke kladnému. Pole zdroje podporuje vnitřní pole přechodu, bariéra roste a hradlová vrstva se rozšiřuje. Majoritní nositelé se od rozhraní vzdalují. Zůstává jen malý závěrný proud minoritních nositelů.

propustný směrA na +, K na −PN++−−tenká hradlová vrstvavětší proud závěrný směrA na −, K na +PN++−−široká hradlová vrstvavelmi malý proud
V propustném směru jsou majoritní nositelé tlačeny k rozhraní, v závěrném od něj. Schéma navazuje na skládání vnitřního pole přechodu a pole zdroje z minulé kapitoly.

Voltampérová charakteristika diody

Voltampérová charakteristika ukazuje závislost proudu I procházejícího diodou na napětí U mezi její anodou a katodou. Není to přímka: dioda proto není ohmický vodič a nelze jí přiřadit jediný stálý odpor.

U [V]I [A] propustný směrzávěrný směr UF−UBR malý závěrný proudprůraz
Kvalitativní charakteristika skutečné diody. V propustném směru proud neroste skokem, ale velmi strmě. U křemíkové diody bývá výrazný nárůst často pozorován přibližně kolem 0,6–0,7 V, nejde však o univerzální pevnou hodnotu. V závěrném směru teče malý proud až do průrazného napětí UBR.
  • Propustné napětí UF je napětí na diodě při zadaném propustném proudu; katalogový list vždy uvádí i podmínky měření.
  • Závěrný proud IR je malý proud v závěrném směru.
  • Průrazné napětí UBR je velikost závěrného napětí, při níž proud začne prudce růst. Běžná dioda se bez omezení proudu může poškodit.
Pozor na zjednodušení „0,7 V“: křemíková dioda se při 0,7 V náhle nezapne jako vypínač. Proud roste plynule a nelineárně; napětí závisí na typu diody, proudu a teplotě.

Experiment: změřte charakteristiku diody

Zapojte diodu sériově s ochranným rezistorem a ampérmetrem. Napětí zdroje zvyšujte po malých krocích, zapisujte napětí přímo na diodě a proud obvodem. Potom diodu otočte a měření několika bezpečných hodnot zopakujte v závěrném směru.

Aochranný rezistorRVnapětí na dioděnastavitelný zdrojproud obvodemAK
Ampérmetr měří proud obvodem, voltmetr napětí přímo na diodě. Rezistor omezuje proud a chrání diodu i zdroj.

Nastavujeme napětí zdroje US. Odečítáme napětí přímo na diodě UD a proud I. Pro charakteristiku pak do grafu vynášíme pouze dvojice UD, I.

  1. Do grafu vyneste naměřené body; automaticky je nespojujte úsečkami.
  2. Porovnejte tvar s kvalitativní charakteristikou výše.
  3. Určete napětí na diodě při zvoleném proudu, například 5 mA.
Poznámka pro učitele – bezpečné provedení
Pro běžnou křemíkovou signální diodu a zdroj do 5 V lze použít sériový rezistor přibližně 470 Ω až 1 kΩ. Nejprve nastavte proudový limit zdroje. Nepokoušejte se ve školním experimentu dosáhnout průrazu neznámé diody.

Ideální a skutečná dioda

ModelPropustný směrZávěrný směrKdy se hodí
Ideální diodanulový úbytek napětínulový proudrychlé kvalitativní uvažování
Model s konstantním úbytkemnapř. přibližně 0,7 V pro Sinulový proudjednoduché školní výpočty
Skutečná diodanelineární charakteristikamalý závěrný proud, možnost průrazuměření a návrh reálného obvodu

Model není tvrzení, že skutečná součástka se přesně tak chová. Je to záměrné zjednodušení. Před výpočtem proto vždy řekněme, který model používáme.

Kontrolní otázky

1. Který vývod diody připojíme v propustném směru ke kladnému pólu zdroje?
Zobrazit odpověď
Anodu. Oblast P je tedy připojena ke kladnému pólu a oblast N přes katodu k zápornému.
2. Proč musí být při zkoušení diody v obvodu ochranný rezistor?
Zobrazit odpověď
Po otevření diody roste proud velmi strmě. Rezistor převezme část napětí a omezí proud na bezpečnou hodnotu.
3. Znamená nulový údaj běžného školního ampérmetru v závěrném směru, že diodou neteče vůbec žádný proud?
Zobrazit odpověď
Ne nutně. Závěrný proud může být menší než rozlišení přístroje.

Časté omyly

  • „Dioda proud vyrábí.“ Dioda pouze určuje, jak snadno může proud protékat podle polarity a velikosti napětí.
  • „V propustném směru má dioda nulový odpor.“ Skutečná dioda má nenulový úbytek napětí a nelineární charakteristiku.
  • „Při 0,7 V se křemíková dioda skokem sepne.“ Proud roste plynule, pouze velmi strmě.
  • „V závěrném směru nikdy nic neprotéká.“ Existuje malý závěrný proud; při průrazu může být proud naopak velký.
  • „Katoda je vždy záporná.“ Je to název vývodu. V propustném zapojení je katoda na nižším potenciálu než anoda, ale v závěrném zapojení na vyšším.

Česko-anglický slovníček

polovodičová dioda
semiconductor diode
anoda
anode
katoda
cathode
propustný směr
forward bias
závěrný směr
reverse bias
voltampérová charakteristika
current-voltage characteristic
propustné napětí
forward voltage
závěrný proud
reverse current
průrazné napětí
breakdown voltage
usměrnění
rectification