Dioda próżniowa

Na il. 6.21 przedstawiono schematycznie diodę próżniową – lampową. W szklanej bańce opróżnionej z powietrza znajdują się dwie elektrody (oznaczone „+” i „–”), do których doprowadzone są druciki – przewody wychodzące na zewnątrz. Elektroda „-” to katoda, elektroda „+” to anoda.

Przy polaryzacji elektrod jak na il. 6.21 przewodnictwo prądu elektrycznego jest duże, natomiast przy polaryzacji odwrotnej – przewodnictwo jest małe. Spowodowane jest to tym, że katoda jest podgrzewana (zwykle za pomocą odpowiednio ukształtowanego drucika wolframowego), do którego doprowadza się tzw. napięcie żarzenia $U_{ż}$. Pod wpływem wysokiej temperatury z katody wylatują elektrony (zjawisko to nazywa się termoemisją), które w próżniowej bańce mogą swobodnie się poruszać. Gdy anoda spolaryzowana jest dodatnio, to elektrony są do niej przyciągane. W przeciwnym wypadku, przy polaryzacji odwrotnej anoda odpycha elektrony i prąd prawie nie płynie między elektrodami. Oto zasada działania diody próżniowej. Na il. 6.22 przedstawiono zdjęcie lampowej diody próżniowej stosowanej we wzmacniaczach akustycznych wysokiej klasy w połowie ubiegłego wieku.

Dioda półprzewodnikowa

Obecnie w różnych urządzeniach elektronicznych powszechnie stosuje się diody półprzewodnikowe. Istotą działania diody półprzewodnikowej, tak jak i innych diod, jest przewodzenie prądu w jednym kierunku i blokowanie jego przepływu w kierunku przeciwnym. Dioda półprzewodnikowa jest zbudowana z dwóch warstw półprzewodnika o różnych własnościach – tzw. złącza $p\text{-}n$ (od positive-negative).

Aby zrozumieć działanie diody półprzewodnikowej, należy najpierw zapoznać się z podstawowymi pojęciami fizyki półprzewodników. Niezbędne wiadomości na ten temat podajemy poniżej.

Nośniki prądu w półprzewodnikach, elektrony i dziury

Jeżeli elektron znajdujący się w atomie w sieci krystalicznej półprzewodnika zostanie wzbudzony i opuści swoje miejsce, powstaje puste miejsce, które nazywamy dziurą elektronową. Ten uwolniony elektron może się swobodnie poruszać między jonami sieci krystalicznej i reaguje na zewnętrzne pole elektryczne. Dlatego może brać udział w przewodnictwie elektrycznym. Nazywamy go elektronem przewodnictwa. Na miejsce zwolnione przez elektron – dziurę – może przeskoczyć sąsiedni elektron, pozostawiając po sobie nową dziurę, która może być zapełniona przez nowy elektron itd. Taki „ruch” dziury jest równoważny przejściu elektronów w kierunku przeciwnym. Sytuacja ta jest podobna do przemieszczania się luki w rzędzie samochodów stojących w korku na jezdni (il. 6.23). Dziura zachowuje się jak ładunek dodatni równy ładunkowi elektronu.

Półprzewodniki domieszkowane $n$ i $p$

Półprzewodniki czyste z bardzo małą ilością domieszek – atomów obcych – w temperaturach pokojowych mają bardzo mało swobodnych elektronów i dziur (swobodnych, tzn. takich, które mogą swobodnie się przemieszczać wewnątrz półprzewodnika). Jednakże celowe dodanie domieszki do półprzewodnika powoduje zwykle, że półprzewodnik uzyskuje stosunkowo dużą liczbę swobodnych elektronów albo dziur. W zależności od rodzaju domieszki mamy możliwość uzyskania półprzewodników ze swobodnymi elektronami albo ze swobodnymi dziurami (zależnie od rodzaju domieszki). Półprzewodnik, w którym przeważają swobodne elektrony, nazywamy półprzewodnikiem typu $n$ $\text{(}n$ – negative). Z kolei półprzewodnik, w którym przeważają swobodne dziury, nazywamy półprzewodnikiem typu $p$ $\text{(}p$ – positive).

Zasadniczą częścią w elementach półprzewodnikowych jest tzw. złącze $p\text{-}n$. Jest to warstwa półprzewodnika typu $p$ połączona z warstwą półprzewodnika typu $n$ (il. 6.24).

Złącze $p\text{-}n$ – dioda

Przy połączeniu półprzewodnika typu $n$ z półprzewodnikiem typu $p$ część elektronów z obszaru $n$ przechodzi do obszaru $p$, a dziury przechodzą w kierunku odwrotnym. Ten ruch ładunków zachodzi wskutek zjawiska dyfuzji. W przypadku braku pola zewnętrznego w obszarze $p$ bezpośrednio przylegającym do złącza powstanie nadmiar elektronów. Po przeciwnej stronie złącza powstanie niedobór elektronów i utworzy się nadmiarowy ładunek dodatni w obszarze $n$. W ten sposób powstaje w obszarze złącza podwójna warstwa ładunku o pewnej grubości $d$ (il. 6.25), która będzie powstrzymywać dalsze przechodzenie elektronów i dziur przez granicę złącza. Warstwę tę nazywamy warstwą zaporową (lub inwersyjną).

Warstwa ta może poszerzać się lub zwężać pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego. Jeżeli podłączymy obszar $n$ z biegunem dodatnim źródła, a biegun ujemny – z obszarem $p$, to zarówno elektrony, jak i dziury przemieszczą się w kierunkach przeciwnych od granicy złącza. Poszerzy się w ten sposób warstwa zaporowa (il. 6.26a). Wypadkowa koncentracja elektronów i dziur w warstwie zaporowej będzie znacznie mniejsza niż w pozostałych częściach półprzewodnika. W wyniku tego zwiększa się opór całkowity półprzewodnika. Prąd przy takim podłączeniu źródła jest mały. Jeżeli podłączymy źródło odwrotnie, tzn. dodatnim biegunem do obszaru $p$, a ujemnym do $n$, to warstwa zaporowa zawęzi się, gdyż zarówno elektrony (z obszaru $n$), jak i dziury (z obszaru $p$) będą kierować się do granicy złącza (il. 6.26b). Warstwa zaporowa będzie stanowiła mały opór dla prądu. Przy takiej polaryzacji złącza będzie płynął duży prąd. Widzimy, że złącze w jedną stronę przepuszcza duży prąd, zaś w przeciwną – mały prąd. Dlatego złącza $p\text{-}n$ stosowane są jako prostowniki prądu.

Złącze półprzewodnikowe $p\text{-}n$ działa prostowniczo na prąd przemienny; łatwo go przepuszcza przy polaryzacji w kierunku prostym, ale słabo – przy polaryzacji przeciwnej, zaporowej (il. 6.27). Zwykle maksymalna wartość prądu zaporowego nie przekracza kilku miliamperów na centymetr kwadratowy złącza. Jednakże przy znacznym wzroście napięcia zaporowego (od kilku do kilkuset woltów, zależnie od konstrukcji złącza) może dojść do lawinowego przejścia elektronów w kierunku zaporowym, a w efekcie – do zniszczenia diody. W kierunku prostym natężenie prądu osiąga wartość wielu amperów już przy napięciu kilku woltów. Prąd w kierunku prostym nie może być też zbyt duży, gdyż przegrzanie złącza doprowadziłoby do jego zniszczenia, dlatego w prostownikach dużej mocy stosuje się specjalne radiatory odprowadzające ciepło.

Na il. 6.28 przedstawiono zdjęcia różnych diod półprzewodnikowych. Wprawdzie tylko pierwsza od lewej jest diodą prostowniczą (pozostałe to diody świecące), ale diody prostownicze występują w bardzo różnych typach.

Jednym z podstawowych zastosowań diody (półprzewodnikowej lub lampowej) jest uzyskiwanie przepływu prądu w jednym kierunku, w sytuacji gdy obwód (il. 6.29) jest zasilany napięciem zmiennym.

Ze względu na właściwości prostownicze diody prąd w obwodzie płynie praktycznie tylko w jednym kierunku, choć nie jest to prąd stały (il. 6.30). Przez połowę okresu zmian napięcia $T$ ma on charakter sinusoidalny, przez drugą połowę jego natężenie wynosi zero. Taki prąd nazywamy „jednopołówkowo wyprostowanym”. Amplituda natężenia prądu $I_{\text{max}}$ dana jest wzorem (6.6), gdyż opór diody w kierunku przewodzenia jest na ogół pomijalny wobec oporu $R$ opornika:

W obwód napięcia przemiennego możemy włączyć, w punktach „A” i „B”, układ czterech diod (tzw. mostek Gretza, il. 6.31a). Jego zastosowanie pozwala uzyskać „dwupołówkowo wyprostowany” prąd $I_{\text{j}}$, płynący w obwodzie między punktami „+” i „-” mostka. Zależność natężenia tego prądu od czasu dana jest funkcją $I_{\text{j}}\text{(}t\text{)}=I_{\text{max}}\left|sin\text{(}\omega t\text{)}\right|$ (il. 6.31b). Odpowiednie dołączenie kondensatora do obwodu zbliżyłoby ten przebieg do przebiegu prądu stałego.

By jeszcze bardziej zbliżyć przebieg prądu wyprostowanego $I_{\text{j}}$ do funkcji stałej, stosuje się specjalne układy elektroniczne.

Fotodioda działa jak detektor światła, czyli podobnie jak fotokomórka, o której wspomnieliśmy w rozdziale 2.2 Zjawisko fotoelektryczne, fotony, w I tomie podręcznika. Zasada działania fotodiody jest prosta. Jej złącze p-n jest spolaryzowane zaporowo. W związku z tym przy braku oświetlenia prąd w całym obwodzie jest bardzo mały (nazywa się go prądem ciemnym).

Wystarczy złącze oświetlić, aby prąd wzrósł wielokrotnie. Padające na złącze światło wywołuje bowiem tzw. zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne. W rozdziale 2.2 Zjawisko fotoelektryczne, fotony, w I tomie podręcznika, mowa była o zjawisku fotoelektrycznym zewnętrznym. Różnica między tymi dwoma typami zjawisk fotoelektrycznych polega na tym, że w omawianym tutaj przypadku elektrony pozostają we wnętrzu półprzewodnika, a w drugim są wybijane poza jego obszar. W wyniku pochłonięcia fotonu elektron uzyskuje jednak na tyle dużą energię, że staje się – pozostając wewnątrz kryształu – elektronem swobodnym (elektronem przewodnictwa). Wzbudzeniu każdego elektronu towarzyszy pojawienie się swobodnej dziury.

Powstałe w ten sposób dodatkowe swobodne nośniki uczestniczą w przewodzeniu prądu w kierunku zaporowym. Przemieszczają się one w taki sam sposób, jak podczas pierwotnego połączenia półprzewodnika typu $n$ z półprzewodnikiem typu $p$ – wskutek dyfuzji. Jednak dopóki złącze jest oświetlone, dyfuzja się nie zatrzymuje, gdyż w miarę uchodzenia swobodnych elektronów z obszaru $n$ (odpowiednio – swobodnych dziur z obszaru $p$), pojawiają się kolejne pary elektron-dziura. Płynący tzw. fotoprąd będzie więc proporcjonalny do natężenia światła, czyli do liczby fotonów padających na jednostkę powierzchni złącza w jednostce czasu.

Diody emitujące światło

Diody wysyłające światło nazywamy diodami luminescencyjnymi (LED). Diody te są stosowane m.in. w technice oświetleniowej (patrz przykład: il. 6.32). Są one również powszechnie stosowane w różnego rodzaju urządzeniach elektronicznych jako wskaźniki w postaci świecących punktów świetlnych.

Złącze $p\text{-}n$, spolaryzowane w kierunku przewodzenia, przez które przepływa prąd, wysyła promieniowanie elektromagnetyczne. Dlaczego złącze w diodzie tej świeci? Otóż podczas przepływu prądu elektrony przewodnictwa z obszaru $n$ przechodzą do obszaru $p$, gdzie napotykają dziury, czyli puste miejsca. Elektrony, „zapełniając” te dziury (mówimy, że elektrony rekombinują z dziurami), muszą oddać energię. Zjawisko rekombinacji elektron-dziura jest pod pewnymi względami podobne do przejścia elektronu w atomie ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego, o którym była mowa w rozdziałach 2.3 Widma promieniowania gazów i 2.4 Budowa atomu I tomu podręcznika. Przejściom elektronowym w atomie praktycznie zawsze towarzyszy emisja fotonu. Aktom rekombinacji – nieco podobnie – może towarzyszyć emisja fotonu, choć nie zawsze musi.

Jednym z często stosowanych półprzewodników do konstrukcji diod luminescencyjnych jest arsenek galu. Jest on stosunkowo prosty do uzyskania. Ponadto cechuje go wysoka sprawność przetwarzania energii elektrycznej w energię świetlną, większą kilka, a nawet kilkanaście, razy od klasycznej żarówki. Podstawową przyczyną takiej różnicy sprawności jest brak konieczności rozgrzania elementu emitującego światło do temperatury rzędu 3000 K.

Lasery półprzewodnikowe

Przy małej koncentracji nośników prądu płynącego w diodzie luminescencyjnej, światło zostaje wysłane spontanicznie. Przy dużych koncentracjach przekraczających wartość progową dla danego półprzewodnika może wystąpić emisja wymuszona. W przypadku gdy kryształ, z którego jest wykonana dioda luminescencyjna, jest oszlifowany tak, by odległość przeciwległych ścianek $l$ odpowiadała warunkowi wzmocnienia światła laserowego $l=\frac{n\lambda }{2}$ (tak aby powstała fala stojąca, patrz rozdział 5.12. Fale stojące), dioda wysyła światło spójne i staje się laserem półprzewodnikowym.