Funkce polovodičové diody je založena na polovodičovém přechodu. V kapitole 1.1 byla diskutována základní problematika a rozdělení polovodičů. Polovodičový přechod tvoří dvojice nevlastních polovodičů tvořených čtyřmocným prvkem (nejčastěji křemíkem /Si/ nebo germaniem /Ge/), kde každému z nich byla dodána příměs atomů jiného prvku:
- Polovodič typu N – obsahuje příměs atomů pětimocného prvku (např. Arsenu /As/) – viz obr. 22. V pravidelné krystalové mřížce tak jeden elektron přebývá a k jeho vytržení z vazby postačuje jen velmi malé množství energie. Tím se elektron stává tzv. majoritním nosičem náboje schopným vedení elektrického proudu a zanechává po sobě kladný iont. Příměs pětimocného prvku se nazývá donor (dárce, který daruje svůj elektron).
Obr. 22. Krystalová mřížka tvořena atomy křemíku s příměsí prvků s pěti valenčními elektrony (atom příměsi je zvýrazněn modře)
- Polovodič typu P – obsahuje příměs atomů třímocného prvku (např. Indium /In/) viz obr. 23. V pravidelné krystalové mřížce tak jeden elektron schopný vazby s čtyřmocným atomem schází – to je tzv. díra. Ta je schopna přijmout (akceptovat) jiný elektron. Tím se díra stává tzv. majoritním nosičem náboje schopným vedení elektrického proudu a zanechává po sobě záporný iont. Příměs třímocného prvku se nazývá akceptor (příjemce, který přijímá cizí elektron).
img19.jpg
Obr. 23. Krystalová mřížka tvořena atomy křemíku s příměsí prvků se třemi valenčními elektrony (atom příměsi je zvýrazněn oranžově)
Poznámka
Nosiče náboje (elektrony či díry) vedoucí elektrický proud na základě vlastní vodivosti, tj. v materiálech s čistou krystalovou mřížkou (bez příměsi, viz kapitolu 1.1), se nazývají minoritní nosiče náboje.
Dojde-li ke spojení polovodiče typu P a typu N ve stavu bez vnějšího napětí, nastává v oblasti přechodu rekombinace volných elektronů z polovodiče typu N s volnými dírami z polovodiče typu P. V blízkém okolí PN přechodu tedy vzniká tzv. vyprázdněná oblast, ve které se nacházejí na jedné straně čtyřmocné atomy donorů s kladným a na druhé straně čtyřmocné atomy akceptorů se záporným potenciálem. Z kapitoly 1.1 víme, že elektrické napětí je dáno rozdílem potenciálů. V tomto případě vzniká difúzní napětí, které odpuzuje ostatní elektrony a díry. Děj znázorňuje obr. 24. Na následujících obrázcích jsou pro zjednodušení znázorněny místo kompletní krystalové mřížky pouze atomy příměsí (u typu polovodiče N jsou to díry, u typu P jsou to elektrony) a volné nosiče náboje v jejich okolí.
Obr. 24. PN přechod bez napětí. V oblasti přechodu proběhla rekombinace, díky níž vzniklo difúzní napětí, které odpuzuje zbylé volné elektrony a díry
Připojením vnějšího napětí v souladu s polaritou difúzního napětí dochází k rozšíření vyprázdněné oblasti a tím i ke zvýšení tohoto vnitřního napětí. Volné elektrony (se záporným nábojem) jsou přitahovány kladnou elektrodou a volné díry (s kladným nábojem) jsou přitahovány zápornou elektrodou – viz obr. 25.
Obr. 25. PN přechod po přiložení napětí v závěrném směru. Volné elektrony a díry jsou přitahovány k elektrodám, tím dochází i ke zvětšení vyprázdněné oblasti, a tedy zvýšení difúzního napětí
Připojením vnějšího napětí v rozporu s polaritou difúzního napětí dochází k postupnému snižování vyprázdněné oblasti. Zvýší-li se vnější napětí nad hodnotu difúzního napětí, vyprázdněná oblast zcela zaniká a volné elektrony (se záporným nábojem) se mohou volně pohybovat směrem ke kladné elektrodě a volné díry (s kladným nábojem) směrem k záporné elektrodě – viz obr. 26. Díky tomu může volně protékat elektrický proud.
Obr. 26. PN přechod po přiložení napětí v propustném směru. Volné elektrony a díry jsou přitahovány k elektrodám, tím dochází k jejich pohybu polovodičovým přechodem, a tedy průtoku elektrického proudu
Z výše uvedeného principu tedy vyplývá, že polovodičové diody propouštějí proud pouze v jednom směru. Provádějí tedy jeho usměrnění. Vývod z polovodiče typu P se nazývá anoda, vývod z polovodiče typu N se nazývá katoda.
- Usměrňovací dioda vede proud po překročení difúzního napětí do hodnoty napětí odpovídající maximálnímu proudu . Po jeho překročení dochází k nevratnému tepelnému poškození. V závěrném směru usměrňovací dioda nevede žádný proud, při takřka nulovém napětí až do hodnoty napětí , po jejímž překročení dochází k nevratnému průrazu způsobujícímu zničení diody. Voltampérová charakteristika je znázorněna na obr. 27.
img24.jpg
Obr. 27. Voltampérová charakteristika usměrňovací diody. Červeně je zvýrazněna pracovní oblast
- Schottkyho dioda je založena na přechodu kov – polovodič typu N. V kovu dochází k rychlejšímu pohybu nosičů náboje, pro rychlejší vyprázdnění přechodu při vysokých kmitočtech.
- Zenerova dioda se v propustném směru chová jako usměrňovací dioda a v závěrném směru je možné ji vratně prorazit. Po překročení závěrného napětí prudce roste hodnota elektrického proudu při takřka neměnné velikosti elektrického napětí. Dioda se v závěrném směru používá k udržování (stabilizaci) konstantního napětí. Jde o tzv. stabilizační diodu. Voltampérová charakteristika je znázorněna na obr. 28.
img25.jpg
Obr. 28. Voltampérová charakteristika Zenerovy diody. Červeně je zvýrazněna pracovní oblast
- Fotodioda je specifická svým otevřeným pouzdrem s čočkou směřující dopadající fotony do místa PN přechodu. Není-li osvětlena, chová se jako běžná usměrňovací dioda. Je-li osvětlena a je-li připojeno vnější napětí v souladu s difúzním napětím, energie dopadajících fotonů uvolňuje z vazeb rekombinované elektrony z děr ve vyprázdněné oblasti. Oba nosiče náboje se stávají volné a jsou přitahovány elektrodami. Hodnota závěrného proudu roste se zvyšující se intenzitou světla. V případě fotodiody bez napájení z vnějšího zdroje dodává do obvodu fotodioda proud při napětí o velikosti desetin V. Tento jev se nazývá vnitřním fotoelektrickým jevem. Je základem fotodetektorů včetně snímacích prvků kamer a scannerů.
Zajímavost
Při fotoelektrickém jevu dochází k přímé přeměně světelné energie na elektrickou. Vytvořením struktury o mnoha fotodiodách vzniká fotočlánek. Ten je často zdrojem napájení nejrůznějších přístrojů a také základem fotovoltaických elektráren.
- LED (Light Emitting Diode) se chová podobně jako usměrňovací dioda. Sestává však z polovodičů, které při průchodu elektrického proudu emitují viditelné světlo (barva světla závisí na konkrétním materiálu). Světlo vzniká v důsledku uvolnění energie ve formě fotonu při rekombinaci elektronů s dírami. Difúzní napětí je vyšší než u běžných usměrňovacích diod a liší se podle vyzařované barvy. Maximální závěrné napětí je většinou však pouze 5 V. Jas diody se mění regulací protékajícího proudu. Voltampérová charakteristika je znázorněna na obr. 29.
Obr. 29. Voltampérová charakteristika LED. Barevně jsou zvýrazněny pracovní oblasti diod jedotlivých barev
+
Obr. 30. LED různých barev
- Laserová dioda vyzařuje koherentní světlo v úzké spektrální oblasti. Struktura laserové diody tvoří rezonátor pro vyzařovanou vlnovou délku. Světelná energie na této vlnové délce způsobuje synchronně podstatně větší emisi fotonů (tzv. stimulovanou emisi). Laserová dioda proto vyzařuje koherentní světlo s mnohem vyšší intenzitou než LED. Paprsek jejího světla má malou rozbíhavost a lze ho zaostřit na velmi malou plochu. Je základním zdrojem světla ve vláknové optice a také v některých moderních projektorech. Lze předpokládat její použití i v budoucích holografických projekčních systémech.