דיודה

קובץ:Diode in durchlass.png

למעלה, דיודה בממתח קדמי - תעביר זרם. למטה דיודה בממתח אחורי - לא תעביר זרם

דיודה (Diode) היא רכיב אלקטרוני בעל שני חיבורים, שפועל כשסתום חד-כיווני ומאפשר מעבר זרם חשמלי בכיוון אחד בלבד. בתרשימי חשמל, הדיודה מסומנת בצורת חץ, שקודקודו נפגש עם קו אנכי, בכיון הזרימה של החשמל. שני הדקי הדיודה קרויים אנודה וקתודה, כאשר כיוון הזרם החשמלי הוא מהאנודה לקתודה.

רקע

דיודות שונות

בשנת 1904 סר ג'ון פלמינג רשם פטנט על הדיודה העשויה שפופרת ריק. יעודה היה ליישר זרם חשמל מזרם חילופין לזרם ישר. השם דיודה נבע מהעובדה שהיו להתקן שתי אלקטרודות (די = 2). פלמינג הכניס לוחית מתכת לתוך נורה חשמלית וגילה שחוט הלהט פולט אלקטרונים לעבר לוחית המתכת, והאלקטרונים "לכודים" בלוחית, ואינם יכולים לנוע בכיוון הנגדי.

ב1907, על בסיס פטנט זה, לי דה פורסט האמריקני הפך את הדיודה למגבר, כאשר מיקם רשת מתכת בין התיל הלוהט לבין לוחית המתכת. הרשת תיווכה במעבר האלקטרונים בהתאם לדפוס האותות החלשים שקלטה מהאנטנה , הגבירה אותם באמצעות מטח האלקטרונים שזרם בכיוון אחד והפכה למעשה ל"שער" הגברה חשמלי. ב- 1907 הוא רשם פטנט על שפופרת הריק הטריודית, שבה ניתן לאפנן זרם של אלקטרונים, הזורם בין שתי אלקטרודות, באמצעות שינוי המתח על הרשת הנמצאת ביניהן. פטנט זה קידם רבות את המצאת הרדיו והפך אותו להיות למעשה "אבי הרדיו".

חוקרים אשר עסקו במחקר על חומרים מוליכים למחצה הציגו תופעות הדומות להתנהגות של דיודה כבר במאה ה-19. ב1926 ל. גרונדל ופ. וגייגר הציגו דיודה המבוססת על חיבור בין נחושת לתחמוצת נחושת (חומר מוליך למחצה). ב-1938 נתן וולטר שוטקי הסבר תיאורתי להתנהגות זו. דיודה זו, המבוססת על חיבור בין מוליך למחצה ומתכת, נקראת על שמו דיודת שוטקי. דיודה המבוססת על חיבור בין מוליכים למחצה בעלי סימום שונה (דיודת PN) תוארה על ידי ויליאם שוקלי ב1949.

למרות שדיודות העשויות משפופרות ריק עדיין נמצאות בשימוש (לדוגמה במגברי שמע) מרבית הדיודות המיוצרות כעת עשויות מחומרים מוליכים למחצה. ייצורן זול יותר, הן קטנות יותר, הן כמעט ולא צורכות הספק וביצועיהן טובים יותר. מאז 1949 הומצאו סוגים חדשים רבים של דיודות המיועדות למגוון רחב של שימושים.

עקרון פעולה

שפופרת דיודה

בשפופרות ריק, חוט תיל (הקתודה) פלט אלקטרונים כתוצאה מחימומו, אלה נמשכו ללוח המתכת (האנודה) המצוי במתח חשמלי נמוך יותר. תנועה בכוון השני לא הייתה אפשרית מכוון שהלוח לא חומם ולכן לא פלט אלקטרונים.

דיודת PN, מורכבת מחיבור מוליך למחצה בעלי סימום שונה

בדיודת PN הרעיון מיושם בדרך שונה לחלוטין. דיודת PN היא בעצם צומת PN, כלומר חיבור בין חומר מוליך למחצה מסוג P לחומר מוליך למחצה מסוג N. נקודת החיבור מהווה מחסום לזרימת זרם. הפעלת מתח בכיוון אחד מקטינה מחסום זה (מתח קידמי) ומאפשרת להזרים זרם בכיוון זה. הפעלת מתח בכיוון השני (מתח אחורי) מגדילה את המחסום ובכך לא מאפשרת זרימת זרם בכיוון זה.

אופיין הפעולה של דיודות

אופיין מתח-זרם של דיודה

דיודה אידאלית היא דיודה המתנהגת כהדק מושלם. כלומר מהווה נתק מושלם בממתח אחורי וקצר בממתח קדמי. דיודות כאלו אינן קיימות - הדיודות האמיתיות מציגות כמה סטיות מאידאל זה. ראשית, כאשר הדיודה נמצאת בממתח אחורי בכל זאת זורם דרכה זרם חלש מאוד הנקרא זרם זליגה. ניתן לראות זאת באופיין, כאשר המתח שלילי ישנו זרם שלילי קטן. זרם זה זניח בדרך כלל אבל יוצר בעיות רבות בתכנונים קטנים (בעיקר בעיות של בזבוז הספק). שנית, אופיין מתח-זרם הוא מעריכי, כפי שניתן לראות באיור. הזרם גדל בצורה מעריכית עם הגדלת המתח. יכולת ההעברה של הדיודה משתפרת עם הגדלת המתח אך עדיין אין מדובר בקצר אידאלי. במילים אחרות אופיין המתח-זרם בדיודה אינו לינארי, וייחודו מתבטא בעובדה שההתנגדות תלויה בכיוון שבו אנו מנסים להזרים את הזרם ובמתח ההפעלה, התנגדות נמוכה בכוון ההולכה וגבוהה מאוד בכוון ההפוך.

בנוסף, קיימת תופעה הנקראת פריצה. באמצעות הפעלת מתח אחורי חזק מספיק, ניתן לפרוץ דיודה ולגרום לה להזרים זרם בכיוון ההפוך. ישנם כמה גורמים לפריצת דיודה וכמה דיודות (כמו דיודת זנר, ראו בהמשך) אף מתוכננות מראש כדי לספק תכונות מסוימות לאחר הפריצה. באופיין המופיע באיור לא ניתן לראות פריצה.

ישומים

תכונה זו של הדיודה מאפשרת שימושים מגוונים, כגון:

• יישור זרם מזרם חילופין לזרם ישר - מאחר ודיודה מעבירה זרם בכיוון אחד בלבד מוצאה יהיה זרם חיובי תמיד (זרם הזליגה זניח) וכך ניתן לאפס את חצי המחזור השלילי של זרם חילופין, פעולה הנקראת half wave rectification. שימוש במספר דיודות מאפשר לנצל את כל המחזור, כלומר להעביר חצי מחזור ולהפוך את החצי השני, פעולה הנקראת full wave rectification.
• איפנון ושחזור - השימוש הראשון של הדיודה היה בתהליך השחזור של אותות שאופננו באיפנון משרעת (AM). הורדת חצי המחזור השלילי מהאות הנקלט איפשר למצא את המשרעת שלו (כלומר את המידע המאופנן) בעזרת ממוצע. לפני כן, חצי מחזור היה שלילי ולכן הממוצע היה אפס. הדיודות גם משתתפות באיפנון תדר (FM).
• הגנה מפני פרצי זרם וייצוב מתח - ניתן להשתמש בדיודות כדי להגן על מכשור עדין מפני פרצי זרם. התכנון מציב את הדיודה בממתח אחורי ואילו כאשר המתח עובר גבול מסוים הדיודה עוברת למצב קדמי ומתחילה להוליך.
• יצירת שערים לוגיים - בעבר השתמשו בדיודות ליצירת שערים לוגיים כגון שערי NAND ו NOR. המחשבים הראשונים שנבנו היו מבוססים על שערי דיודות. כיום משתמשים בעיקר בטרנזיסטורים ליצירת שערים לוגיים.

סוגי דיודות

בנוסף לדיודת PN שתוארה לעיל, ישנם עוד סוגים רבים של דיודות:

• דיודה פולטת אור (בראשי תיבות: דפ"א) - דיודה זו ידועה גם בשם LED (ראשי תיבות של Light Emitting Diode). דיודה זו עושה שימוש בתהליכי הרקומבינציה שמתרחשים בחומרים מוליכים למחצה, שבמהלכם נפלטים פוטונים. בשונה משאר הדיודות, אורך הגל של הפוטונים הנפלטים מדיודות אלו נמצא בתחום הנראה. ניתן לתכנן דיודות מחומרים שונים כך שיפלטו אור בצבע שונה. ללדים שימושים רבים כמו נורות בקרה על מכשירים, כאמצעי להעברת מידע בשלט רחוק, לחיישני תנועה (לדוגמה בעכבר מחשב אופטי) ולאחרונה אף החל שימוש בלדים לתאורה מלאכותית.

• דיודת זנר ודיודת מפולת - דיודות אלו מתוכננות כך שתהליך הפריצה יתרחש בהן בצורה מבוקרת. הן נקראות על שם מנגנון הפריצה שלהן - פריצת זנר (על שמו של קלרנס מלווין זנר) ופריצת מפולת. הזרם האחורי שהן מעבירות לאחר הפריצה לא משתנה כמעט עם המתח ולכן משתמשים בהן כדי להשיג זרם יציב. לעתים מתבלבלים בין דיודות אלו בגלל השימושים הדומים שלהן אולם הפריצה מתרחשת מסיבות שונות.

• פוטודיודה - זוהי דיודה שהאופיין שלה משתנה בעקבות חשיפה לאור, וחוזר למצבו הרגיל עם תום החשיפה. דיודות כאלה משמשות לייצור גלאי אור ולוחות סולאריים המשמשים ליצירת אנרגיה סולארית.

• דיודת וריקאפ - היא דיודה שמשמשת כקבל בעל קיבול המבוקר על ידי מתח, תפקודה כדיודה הוא משני. דיודות בממתח אחורי הן בעלות קיבול התלוי במתח העבודה. בעזרת שינוי המתח המופעל על הדיודה ניתן לשנות את הקיבול של הרכיב וזה בתורו משנה את תדר התהודה של המעגל בו מותקנת הדיודה. דיודה זו משחקת תפקיד חשוב במקלטי רדיו לברירת תחנות, איפנון ושחזור אותות אך גם במגברים ובמיתוג.

• דיודת שוטקי - זוהי דיודה הנוצרת ממגע חשמלי בין מתכת ומוליך למחצה. דיודה זו מציגה תכונות קצת שונות מדיודות אחרות, בעיקר מתח הפעלה נמוך יותר.

• דיודת מינהור - דיודה המשתמשת בעיקרון הקוונטי של מינהור (Tunneling) כדי להשיג התנגדות דפרנציאלית שלילית (כלומר זרם הקטן עם הגדלת המתח). בעבר השתמשו בדיודות כאלה ליצירת מתנדים אולם, עם התקדמות הטכנולוגיה, התקבלו ביצועים טובים יותר עם דיודות רגילות. יתרון חשוב של דיודה זו הוא עמידותה היחסית לקרינה גרעינית, מה שהופך אותה למתאימה יותר לסביבות מסוימות (כגון החלל).

קישורים חיצוניים

• מידע רב על דיודות (באנגלית)
• מדענים וממציאים - סר ג'והן אמברוז פלמינג, אתר מוזיאון המדע בירושלים
• ספר מקיף על מוליכים למחצה (באנגלית)

---