Dioda (din grecescul di doi, duble; odos cale, cale) este o componentă electronică . Este un dipol neliniar și polarizat (sau nesimetric). Direcția de conectare a unei diode are deci o importanță asupra funcționării circuitului electronic în care este plasată.
Fără precizie, acest cuvânt desemnează un dipol care permite curentului electric să treacă doar într-o singură direcție. Acest dipol se numește diodă redresoare atunci când este utilizat pentru a face redresoarele care fac posibilă transformarea curentului alternativ în curent continuu .
Primul dispozitiv capabil să lase curentul electric să curgă într-o direcție, în timp ce îl blochează în cealaltă, a fost descoperit în 1874 de Karl Ferdinand Braun cu un cristal de galenă . Acest dispozitiv este cunoscut astăzi ca o diodă cu vârf , deși termenul diodă nu a fost propus până în 1919 pentru dioda de vid . Jagadish Chandra Bose folosit pentru detectarea de unde radio , iar acest sistem a fost utilizat pe scară largă din primele zile de difuzare în anii 1920 în stația Galena .
La începutul XX - lea secol , au fost folosite redresoarele oxid de cupru sau seleniu pentru a converti curentul alternativ în curent continuu . Această utilizare a persistat în cea mai mare parte a secolului pentru încărcarea bateriei .
În 1901, Peter Cooper Hewitt a inventat redresorul cu vapori de mercur , folosit pentru aplicații de energie până în anii 1970.
În același timp, încercând să îmbunătățească detectarea undelor radio, John Fleming dezvolta primul tub de electroni , dioda de vid , al cărui catod , atunci când este încălzit, emite electroni pe care anodul îi poate prelua, în timp ce opusul n nu este posibil. În momentul primei explozii în industria electronică , în jurul industriilor telefonice și radio, inginerii au adoptat termenul diodă pentru un tub de electroni cu doi electrozi, în timp ce trioda , inventată în 1906, are trei.
Semiconductorul cu diodă către germaniu sau siliciu înlocuiește tuburile de vid după cel de- al doilea război mondial . Căderea lor de tensiune în direcția înainte (direcția de trecere) este mai mică la un curent egal și sunt mai practice de implementat, fără a necesita un curent de încălzire. Cu toate acestea, diodele de vid persistă atâta timp cât tubul de electroni rămâne elementul activ al dispozitivelor: ele furnizează o tensiune compatibilă cu celelalte tuburi, iar sursa de alimentare a circuitelor trebuie să furnizeze oricum un curent pentru încălzirea filamentelor.
Dezvoltarea semiconductoarelor a condus la crearea multor varietăți de diode, exploatând caracteristicile joncțiunii PN sau, în cazul diodelor emițătoare de lumină , proprietăți auxiliare ale materialului.
Standardul IEC 60617 definește simbolurile pentru diagramele electronice.
Diagrama standard IEC, simbol general al diodei semiconductoare, apare în figura opusă pe a doua linie sub reprezentarea mai comună. Există încă o variantă cu triunghiul umplut în negru și înconjurat de un cerc.
Notele de aplicare de la producătorii de diode reflectă o varietate de utilizări, cu forma standardizată, forma fără o linie centrală sau cea cu triunghiul negru.
Diodele sunt realizate din semiconductori . Principiul lor fizic de funcționare este utilizat în multe componente active din electronică.
O diodă este creată prin îmbinarea unui substrat deficient de electroni, adică bogat în găuri (semiconductor de tip P) la un substrat bogat în electroni liberi (semiconductor de tip N sau metal).
Cele mai multe diode sunt produse de joncțiunea a doi semiconductori : unul „P” dopat celălalt „N” dopat.
Schottky Dioda este alcătuit dintr - un nod de semiconductor / metal.
Conexiunea de pe partea P se numește anod; cea de pe latura N sau metalică se numește catod.
Numai dioda Gunn scapă complet de acest principiu: fiind alcătuită doar dintr-o bară monolită de arsenidă de galiu , denumirea sa diodă poate fi considerată un nume greșit.
Pentru diode cilindrice, latura catodului este de obicei marcată cu un inel colorat. Alte forme de identificare există în funcție de natura încapsulării acestor componente.
Dioda este un dipol semiconductor ( joncțiune PN ), care are două regimuri de funcționare: oprit și pornit.
Aceste regimuri de funcționare nu pot fi controlate direct, dar depind de tensiunea V AK la bornele diodei și de intensitatea curentului I D (curent continuu, poate fi scris și I F cu F pentru înainte ) care trece prin el.
Diodă blocată | starea diodei atunci când pragul V AK < V , care împiedică fluxul de curent prin diodă; I D = 0 . |
Diodă de trecere | starea diodei atunci când V AK ≥ V prag , rezultând I D ≠ 0 . |
Când dioda este blocată, I D nu este complet zero, dar valorează câteva nA (curent de scurgere).
Pragul V este datele furnizate de producători și este de obicei egal cu:
Curentul I care curge prin diodă este dat de ecuația Shockley (în) (a se vedea „ William Shockley ”):
sau:
Folosind caracteristica se poate modela o diodă de trecere prin asocierea unei forțe electromotoare U S (tensiunea de prag) care se opune trecerii curentului în serie cu o rezistență R D (rezistența dinamică).
Dioda a cărei caracteristică în direcția de trecere este reprezentată mai sus poate fi modelată prin asocierea U S = 0,72 V și R D = 25 mΩ .
Inversul rezistenței dinamice a diodei este panta caracteristicii sale.
În unele cazuri, va fi înțelept să neglijăm unul sau altul dintre acești parametri:
Când se spune că dioda este ideală , se presupune că acești ultimi doi parametri sunt zero.
Caracteristică unei diode ideale Caracteristici tehniceV prag | Valoarea tensiunii de prag, notată V F în documentele producătorului (F pentru înainte , direct). |
I D (sau I F ) | I D este intensitatea curentului continuu care curge prin dioda de la A la K. |
V R | V R este tensiunea pe diodă atunci când este blocată, V R = V KA (R pentru inversare ). |
Când cele două cristale se reunesc, electronii superabundanți ai părții N tind să migreze către partea P pentru a acoperi „ găurile ” de acolo (fenomene de difuzie și recombinare). Prin fiecare renunțare la un electron, atomii dopați ai părții N devin ioni pozitivi în timp ce atomii dopați ai părții P adiacente joncțiunii devin ioni negativi prin câștigarea acestor electroni. Acești ioni sunt fixi și se creează astfel o barieră electrostatică în creștere care se opune, în echilibru, fenomenului de difuzie. Această zonă, situată de ambele părți ale joncțiunii fără un suport de încărcare mobil și izolant, se numește zonă de epuizare . Și, prin urmare, există, de asemenea, la echilibru termodinamic, o diferență de potențial între partea N și partea P (numită potențial de joncțiune ); aceasta este de ordinul 0,7 V pentru diodele cu substrat de siliciu, 0,3 V pentru diodurile de germaniu și Schottky ; este mai important pentru anumite substraturi de tip III-V precum GaAs sau diode emițătoare de lumină . Câmpul electric este maxim în apropierea joncțiunii, într-o zonă numită zonă de încărcare spațială, ZCE .
Dacă aplicăm acum o tensiune pozitivă pe partea N și negativă pe partea P, polarizarea diodei se spune că este „inversă” și joncțiunea „se lărgește”: electronii secțiunii N sunt atrași spre capătul barei , un fenomen simetric apare pe partea P cu găurile: ZCE se extinde, nu poate curge curent, se spune că dioda este „blocată”; apoi se comportă ca un condensator , o proprietate folosită în varicaps , diode a căror capacitate variază în funcție de tensiunea inversă care li se aplică; acestea sunt utilizate, printre altele, în producția de oscilatoare cu tensiune controlată (OCT, VCO engleză).
Când tensiunea inversă devine suficient de mare, observăm două fenomene cu cauze distincte:
Aceste două fenomene, a căror predominanță rezultă din concentrația de dopanți, dau naștere la apariția unui curent invers mare și nerestricționat, care duce adesea la distrugerea (defalcarea) cristalului prin efectul Joule . De fapt, dioda are o rezistență foarte mică în acest domeniu de funcționare. Tensiunea inversă la care apare fenomenul de avalanșă se numește tensiune de avalanșă (adesea notată VBR din engleză Voltage Breakdown Reversed )
Dacă acest curent este limitat prin intermediul rezistențelor externe, dioda de avalanșă se comportă atunci, din cauza rezistenței sale interne scăzute, ca o referință de tensiune aproape perfectă (un receptor de tensiune): această proprietate se află la originea utilizării așa-numitului Zener diode în reglarea tensiunii directe .
Pe de altă parte, când se aplică o tensiune „directă”, adică se aplică o tensiune pozitivă pe partea P și negativă pe partea N (polarizare directă), cu condiția ca această tensiune să fie mai mare decât bariera potențială prezentă la echilibru, electronii injectați pe partea N traversează interfața NP și își termină cursul fie prin recombinare cu găuri, fie la anodul prin care pot ajunge la sursa de alimentare: curentul circulă, dioda se spune că este „pornită” .
Când un electron „cade” într-o gaură (recombinare), acesta trece de la o stare liberă la o stare legată; pierde energie (diferența dintre nivelul de valență și nivelul de conducere) prin emiterea unui foton; acest principiu se află la originea diodelor sau LED-urilor care emit lumină , a căror eficiență o depășește considerabil pe cea a surselor de lumină domestice: lămpi cu incandescență, lămpi cu halogen. Un LED al cărui substrat a fost modelat pentru a acționa ca un reflector pentru fotoni poate fi pompat optic , rezultând radiații laser ( diodă laser ).
Funcționarea unei diode nu este ușor de înțeles atunci când nu ați făcut studii științifice. O modalitate mai simplă și mai colorată de a înțelege funcționarea unei diode este de a face o analogie cu hidrodinamica . Sau o țeavă prevăzută cu o supapă de reținere: într-o direcție, dintr-o anumită presiune a fluidului, supapa va lăsa fluidul să treacă (analogie cu tensiunea de prag), în cealaltă direcție, fluidul nu va deschide supapa, decât dacă presiunea este prea mare (analogie cu tensiunea inversă maximă). Analogia poate fi împinsă și se pot găsi corespondențe cu toate celelalte caracteristici ale unei diode (putere, apariția caracteristicii ...).
Schottky diode constă dintr - un nod de metal / semiconductor care dă o cădere redusă de tensiune înainte ( aproximativ 0,3 V ) și o dinamică îmbunătățită semnificativ datorită absenței transportatorilor minoritari implicați în procesul de conducție. Pe de altă parte, este incapabil să reziste la tensiuni de peste aproximativ cincizeci de volți.
diodă ZenerDiodă Zener este mai puternic dopat decât o diodă convențională. Efectul Zener are loc atunci când, sub efectul aplicării unei tensiuni inverse suficiente, creșterea câmpului electric determină eliberarea purtătorilor de sarcină, astfel încât curentul crește brusc și ca tensiunea la terminale să rămână practic constantă. Alte diode, oricum clasificate ca diode Zener, funcționează în funcție de efectul avalanșei . Aceste diode permit stabilizarea tensiunii și decuparea. De asemenea, este posibilă utilizarea unei diode Zener ca sursă de zgomot.
Diodă transilTransil diodă este o componentă a supratensiunii protector de tip destinat circuit de protecție. Această diodă a fost creată datorită optimizării funcționării diodelor în zona lor de avalanșă .
Dioda electro luminiscentaDioda emițătoare de lumină, limitată inițial la dispozitivele de semnalizare care economisesc lumina , a fost utilizată pentru iluminat încă din anii 2000 . La începutul anilor 1990, cercetările au condus la crearea diodelor albastre, apoi albe, care emit lumină. Unele (nitrură de galiu sau GaN) sunt suficient de puternice pentru farurile auto și luminile stradale (posibil solare). Un proiect european își propune să le transforme în iluminat de uz casnic capabil să concureze cu lămpile cu consum redus din anii 1990-2000.
Partea de transmisie a sistemelor de legătură cu fibră optică , cum ar fi unele codificatoare optice, pot utiliza diode emițătoare de lumină.
Diodele emițătoare de lumină care emit în principal în infraroșu sunt utilizate în componente electronice, cum ar fi fotocuplaje . Permit transmiterea unui semnal între circuite izolate electric .
Pentru unele sisteme de transmisie, sunt adesea utilizate diode emițătoare de lumină care emit infraroșu. Această radiație de lumină invizibilă evită deranjarea celor prezenți. Transmisia se oprește la pereții camerei. Sistemele pot funcționa fără interferențe în locații învecinate. În dispozitiv remotes , aceste diode transmite și în afara secvențelor care formează un cod de control, de multe ori ca urmare a protocolului RC5 . Unele emițătoare fără fir pentru uz casnic sau instituțional, cum ar fi cele destinate difuzării simultane de interpretare , utilizează difuzoare cu diode emițătoare de lumină care emit o frecvență purtătoare care modulează semnalul care trebuie transmis sau un semnal digital codat de un modem .
Diodele cu emisie în infraroșu, a căror radiație este detectată de senzorii CCD ai camerelor video, sunt de asemenea utilizate pentru „iluminarea” invizibilă a sistemelor de supraveghere sau a fotografiilor nocturne.
Diode emițătoare de lumină sunt de asemenea folosite pentru iluminarea de ecrane cu cristale lichide de televizoare , laptop - uri , camere video , telefoane inteligente , tablouri de bord in aeronautica , automobile , etc. O variantă, dioda emițătoare de lumină organică (OLED), care face posibilă renunțarea la iluminarea din spate și îmbunătățirea, printre altele, a întinderii gamei gri a imaginilor, își găsește aplicațiile în aceleași domenii; în plus, acestea permit construirea de ecrane mai subțiri, precum și ecrane flexibile.
Diodă laserDe diode cu laser emite lumină monocromatică coerente. Este folosit, printre altele, pentru a transporta un semnal de telecomunicații peste fibra optică , unde radiația lor coerentă promovează transmisiile de mare viteză și la distanță lungă sau pentru a furniza energie luminoasă pentru pomparea anumitor lasere și amplificatoare optice . Dioda laser este o componentă esențială a cititorilor și scriitorilor de discuri optice , în acest caz emite un fascicul de lumină a cărui reflexie pe disc este detectată de o fotodiodă sau un fototranzistor . Este, de asemenea, utilizat în imprimarea cu laser , dispozitive electronice pentru măsurarea distanței , vitezei , ghidării și orientării precise.
FotodiodăFotodiodei generează un curent de perechi electron-gol produse de incidența unui suficient energetic foton în cristal. Amplificarea acestui curent face posibilă efectuarea comenzilor în funcție de intensitatea luminii percepută de diodă (comutator crepuscul de exemplu).
Diodă GunnGunn dioda constă dintr - un simplu bar de galiu arseniura (GaAs) și exploatează o proprietate fizică a substratului: electronii se deplasează acolo la viteze diferite (masa efectivă diferită) în funcție de energia lor (există mai multe minimele locale de energie în conducție , urmărind mișcarea electronilor). Curentul se propagă apoi sub formă de explozii de electroni, ceea ce înseamnă că un curent continuu dă naștere unui curent alternativ; Exploatat în mod adecvat, acest fenomen face posibilă producerea de oscilatoare cu microunde a căror frecvență este controlată atât de dimensiunea barei AsGa, cât și de caracteristicile fizice ale rezonatorului în care este plasată dioda.
Diodă PINDioda PIN este o diodă în care este interpus, între zonele P și N, o zonă nedopată, numită intrinsecă (deci I). Această diodă, polarizată invers, are o capacitate extrem de redusă, o tensiune de rupere mare. Pe de altă parte, în direct, prezența zonei I crește rezistența internă; aceasta, în funcție de numărul de purtători, scade atunci când curentul crește: avem deci o impedanță variabilă, controlată de o intensitate (continuă). Aceste diode sunt, prin urmare, fie utilizate în rectificarea tensiunilor ridicate, fie în comutare UHF (datorită capacității lor reduse de inversare), sau ca atenuator variabil (controlat de un curent de control direct).
Diodă tunelTunelare Dioda desemnează o diodă ale căror zone de N și P sunt hiper dopată. Înmulțirea purtătorilor duce la apariția unui curent datorită traversării cuantice a barierei potențiale prin efect de tunel (o astfel de diodă are o tensiune Zener zero). Pe o zonă slabă de tensiune directă, dioda prezintă o rezistență negativă (curentul scade atunci când tensiunea crește, deoarece conducta tunelului se usucă în favoarea conducerii „normale”), o caracteristică exploatată pentru a produce oscilatoare. Acest tip de diodă nu mai este folosit astăzi.
Diodă de vidDioda vacuum , strămoșul diode semiconductoare moderne, este un tub de electroni care utilizează efectul thermionic pentru a -și îndeplini sarcina de a rectifica curent. Deși a căzut în desuetudine datorită dimensiunii și consumului de curent, acest tip de diodă este căutat de iubitorii restaurării dispozitivelor vechi cu tuburi.
În serie într-un circuit:
În paralel :
O diodă în serie, cealaltă în paralel:
Așa - numitele diode cu roată liberă sunt un element esențial al sursei de comutare .
Acestea sunt utilizate pentru compensarea variațiilor de temperatură și în termometrie (măsurarea temperaturii în funcție de variația caracteristicii).
Diodele permit realizarea circuitelor logice cablate simple.
Folosite pentru a „ocoli” ( bypass în engleză) asigură protecția generatoarelor ( panouri solare fotovoltaice de masă etc. )
Diodele sunt folosite în procesarea semnalelor în photocouplers .
De diode Gunn permit producerea de radiații foarte înaltă frecvență la putere mică.
De Varactors au aplicarea lor pentru aprobarea receptoarelor de radio și televiziune .
Diodele sunt unul dintre dipolii de bază ai electronicii de putere .
Diodele sunt frecvent utilizate în domeniul rectificării curentului alternativ , de exemplu în monofază :
În iluminat , invenția diodelor emițătoare de lumină aproximativ albe , prin asocierea unui produs fluorescent cu radiațiile diodelor emițătoare de lumină albastră, le oferă numeroase aplicații .
Diodele care emit lumină, utilizate în afișare și semnalizare, sunt o aplicație deosebit de vizibilă.