PN Prechod polovodičovej diódy: Princíp fungovania, typy a využitie

Polovodičové diódy sú základné elektronické súčiastky, ktoré majú široké využitie v rôznych elektronických obvodoch. Ich fungovanie je založené na vlastnostiach PN prechodu, ktorý umožňuje prúdenie elektrického prúdu len jedným smerom. V tomto článku sa podrobne pozrieme na princíp fungovania PN prechodu, vlastnosti polovodičových diód, ich rôzne typy a aplikácie.

Princíp fungovania PN prechodu

Polovodičová dióda sa skladá z dvoch typov polovodičov: polovodiča typu P (s prevahou dier) a polovodiča typu N (s prevahou elektrónov). Na rozhraní týchto dvoch polovodičov vzniká PN prechod, ktorý má unikátne elektrické vlastnosti.

Vznik PN prechodu

Pri spojení polovodičov typu P a N dochádza k difúzii nosičov náboja. Elektróny z N-oblasti difundujú do P-oblasti a diery z P-oblasti difundujú do N-oblasti. Pri tejto difúzii dochádza k rekombinácii elektrónov a dier v oblasti PN prechodu, čím sa vytvára oblasť bez voľných nosičov náboja, tzv. ochudobnená vrstva alebo hradlová vrstva. V tejto vrstve sa vytvára elektrické pole, ktoré bráni ďalšej difúzii nosičov náboja.

Polarizácia PN prechodu

PN prechod môže byť polarizovaný dvoma spôsobmi:

• Priama polarizácia: Anóda (P-oblasť) je pripojená na kladný pól zdroja a katóda (N-oblasť) na záporný pól zdroja. V tomto prípade sa znižuje šírka ochudobnenej vrstvy a potenciálová bariéra. Ak napätie vonkajšieho zdroja zruší potenciálovú bariéru, cez PN prechod začne prechádzať prúd.
• Záverná polarizácia: Anóda (P-oblasť) je pripojená na záporný pól zdroja a katóda (N-oblasť) na kladný pól zdroja. V tomto prípade sa rozširuje šírka ochudobnenej vrstvy a zvyšuje potenciálová bariéra. Cez PN prechod prechádza len veľmi malý prúd, tzv. záverný prúd.

Voltampérová charakteristika diódy

Voltampérová (VA) charakteristika diódy poskytuje základnú informáciu o jej vlastnostiach. Na VA charakteristike vidíme dve oblasti:

Prečítajte si tiež: Podmienky prechodu dôchodku

• Priamy smer (1. kvadrant): V tejto oblasti dióda vedie prúd. Prúd exponenciálne rastie s rastúcim napätím.
• Nepriamy smer (3. kvadrant): V tejto oblasti dióda nevedie prúd (okrem malého záverného prúdu).

Prahové napätie

V priamom smere začína dióda viesť prúd až po dosiahnutí určitého napätia, tzv. prahového napätia (U(TO)). Hodnota prahového napätia závisí od materiálu diódy a teploty. Pre kremíkové diódy je typická hodnota okolo 0,7 V, pre germániové diódy okolo 0,3 V.

Úbytok napätia v priepustnom smere

V priepustnom smere môže byť úbytok napätia na dióde (DUD) v rozmedzí 0,6 až 1,2 V.

Prierazné napätie

V nepriamom smere prechádza diódou len veľmi malý prúd až do dosiahnutia určitého záverného napätia, tzv. prierazného napätia. Pri prekročení prierazného napätia dochádza k prudkému nárastu prúdu a môže dôjsť k poškodeniu diódy.

Typy polovodičových diód

Existuje mnoho typov polovodičových diód, ktoré sa líšia svojimi vlastnosťami a použitím. Medzi najbežnejšie typy patria:

Usmerňovacia dióda

Je najjednoduchšia polovodičová súčiastka s jedným PN prechodom. Využíva sa na usmerňovanie striedavého prúdu, t.j. na premieňanie striedavého prúdu na jednosmerný.

Prečítajte si tiež: Kompletný sprievodca prechodom na starobný dôchodok

Zenerova dióda

Je špeciálny typ diódy, ktorý sa používa na stabilizáciu napätia. Jej charakteristika je podobná charakteristike obyčajnej diódy, až na prierazné napätie UZen (tzv. Zenerovo napätie). Pri prekročení Zenerovho napätia v závernom smere sa napätie na dióde takmer nemení.

Schottkyho dióda

Je polovodičová dióda využívajúca usmerňovacie vlastnosti priechodu kov-polovodič. Schottkyho diódy sú veľmi rýchle a majú nízky úbytok napätia v priepustnom smere (UP ≈ 0,25V). Používajú sa v spínaných zdrojoch a iných aplikáciách vyžadujúcich rýchle spínanie.

Tunelová dióda (Esakiho dióda)

Je polovodičová dióda, ktorá sa vyrába zo silne dotovaného germánia alebo arzenidu gália. Vyznačuje sa oblasťou so záporným dynamickým odporom vo VA charakteristike, čo sa využíva na zostrojenie oscilátorov a zosilňovačov až do veľmi vysokých frekvencií (f = 10GHz).

LED dióda (Light Emitting Diode)

Je elektronická polovodičová súčiastka, ktorá obsahuje P-N prechod a vyžaruje svetlo pri prechode prúdu v priepustnom smere. Farba vyžarovaného svetla závisí od chemického zloženia polovodiča. LED diódy sa používajú ako indikátory, zobrazovacie prvky a na osvetľovacie účely.

RGB LED dióda

Je zložená z troch LED čipov vyžarujúcich červené, zelené a modré svetlo. Pomocou tejto diódy je možné dosiahnuť široké spektrum rôznych farieb.

Prečítajte si tiež: Oznamovacia povinnosť pri rodičovskom príspevku

Fotodióda

Je plošná polovodičová dióda konštrukčne upravená tak, aby do oblasti PN priechodu prenikalo svetlo. Vplyv osvetlenia PN priechodu môžeme sledovať v polarizácii diódy v závernom smere, kedy dochádza k lineárnemu rastu anódového prúdu pri rovnomernom zväčšovaní osvetlenia. Dióda sa teda správa ako pasívna súčiastka, ktorej prúd v závernom smere je závislý na osvetlení. Používa sa na detekciu svetla a prenos dát prostredníctvom optických vláken.

Varikap (kapacitná dióda)

Je špeciálna polovodičová dióda slúžiaca ako napätím riadený kondenzátor. Šírka priechodu PN (hradlovej vrstvy) je v závernom smere závislá na napätí. S rastúcim napätím sa hradlová vrstva rozširuje, zatiaľ čo kapacita priechodu klesá. Používa sa v ladených obvodoch a iných obvodoch vyžadujúcich premennú kapacitu.

Použitie polovodičových diód

Polovodičové diódy majú široké využitie v rôznych elektronických obvodoch. Medzi najbežnejšie aplikácie patria:

• Usmerňovače: Na premieňanie striedavého prúdu na jednosmerný. Používajú sa v napájacích zdrojoch a iných zariadeniach vyžadujúcich jednosmerné napájanie.
• Ochranné obvody: Na ochranu obvodov pred prepätím a prepólovaním.
• Svetelné zdroje: LED diódy sa používajú ako energeticky úsporné a trvanlivé svetelné zdroje.
• Senzory: Fotodiódy sa používajú na detekciu svetla a meranie intenzity osvetlenia.
• Ladené obvody: Varikapy sa používajú na ladenie obvodov, napríklad v rozhlasových a televíznych prijímačoch.
• Logické obvody: Diódy sa používajú v jednoduchých logických obvodoch.

LED diódy: Princíp, konštrukcia a vlastnosti

LED diódy (Light Emitting Diodes) sú polovodičové súčiastky, ktoré vyžarujú svetlo pri prechode prúdu v priepustnom smere. Ich princíp fungovania je založený na elektroluminiscencii, čo je jav, pri ktorom dochádza k rekombinácii elektrónov a dier v PN prechode a uvoľňuje sa energia vo forme fotónov (svetla).

Konštrukcia LED diódy

LED dióda sa skladá z:

1. Anóda: Kladný pól diódy.
2. Katóda: Záporný pól diódy.
3. Vodiče: Na pripojenie diódy k obvodu.
4. Vlákno: Spojenie anódy s polovodičom.
5. Polovodič: Materiál, ktorý vyžaruje svetlo.
6. Epoxidová živica: Zapuzdrenie, ktoré chráni LED diódu a upravuje rozptyl svetla.
7. Vodivý rám: Spojenie katódy s polovodičom.

Farba svetla

O farbe vyžarovaného svetla rozhoduje chemické zloženie polovodiča. LED diódy môžu vyžarovať svetlo v rôznych farbách, napríklad červené, zelené, modré, žlté, biele a infračervené.

Vlastnosti LED diód

• Vysoká účinnosť: LED diódy premieňajú veľkú časť elektrickej energie na svetlo.
• Dlhá životnosť: LED diódy majú dlhú životnosť, ktorá sa pohybuje v rozmedzí 30 000 až 90 000 hodín.
• Nízka spotreba energie: LED diódy spotrebujú menej energie ako klasické žiarovky.
• Malé rozmery: LED diódy sú malé a kompaktné.
• Odolnosť voči otrasom: LED diódy sú odolné voči otrasom a vibráciám.
• Smerové svetlo: Svetlo z LED diódy je smerové, čo umožňuje lepšie sústredenie svetla.

Použitie LED diód

LED diódy sa používajú v širokej škále aplikácií, napríklad:

• Osvetlenie: LED žiarovky, LED pásy, LED reflektory.
• Indikátory: LED diódy sa používajú ako indikátory stavu v elektronických zariadeniach.
• Zobrazovacie prvky: LED displeje, LED obrazovky.
• Automobilový priemysel: LED svetlá v automobiloch.
• Dopravná signalizácia: LED semafory.
• Diaľkové ovládače: Infračervené LED diódy sa používajú v diaľkových ovládačoch.

Starostlivosť o LED diódy

Aby LED osvetlenie vydržalo čo najdlhšie, je potrebné zabezpečiť optimálne chladenie. Pri inštalácii viacerých LED diód na menšiu plochu je nutné počítať s odpadovým teplom. Ak existuje možnosť, že okolitá teplota bude prekračovať 60°C, je vhodné zvážiť možnosti chladenia.

tags: #pn #prechod #polovodičová #dióda #princíp #fungovania