דיודה

דיודות שונות

דיודה (באנגלית: 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, בכיוון הזרימה של החשמל. שני הדקי הדיודה קרויים אנודה (הדק חיובי) וקתודה (הדק שלילי), כאשר כיוון הזרם החשמלי הוא מהאנודה לקתודה.

רקע

בשנת 1880, במהלך ניסויים בנורת הליבון שהמציא, הלחים תומאס אדיסון טבלת מתכת, הקרויה אלקטרודה, בנוסף לחוט הלהט שבנורה. לאחר מכן, רוקנה הנורה מאוויר (תהליך שעברו כל נורות הליבון שבהן עסק אדיסון). הנורה הופעלה בדרך הרגילה, כאשר חוט הלהט התחמם והפיץ אור. אדיסון גילה, שלאחר שחוט הלהט חומם, אפשר היה להעביר זרם חשמלי בין חוט הלהט והאלקטרודה, אך בכיוון אחד בלבד – אם חוט הלהט חובר להדק השלילי של סוללה והאלקטרודה להדק החיובי. אם המתח חובר בכיוון ההפוך, דהיינו כאשר לחוט הלהט היה מתח גבוה יותר מזה של האלקטרודה, לא זרם כל זרם. אדיסון רשם פטנט על שימוש בתופעה זו (שנקראה אז "אפקט אדיסון", וכיום קרויה פליטה תרמיונית) לצורך מדידת מתח ישר וייצובו, אך לא עשה בה שימוש מעשי.

ההסבר לתופעה ניתן רק לאחר גילוי האלקטרון. הזרם החשמלי הוא תנועה של אלקטרונים בריק השורר בשפופרת, מהקתודה (האלקטרודה החמה) אל האנודה (האלקטרודה הקרה). התופעה מתרחשת מכיוון שכתוצאה מחימום חוט הלהט, האלקטרונים שבאטומי החומר המרכיב אותו משתחררים מהאטומים לזמן קצר. המתח של הסוללה יוצר שדה חשמלי במרחב בין הקתודה והאנודה, שאם הוא בכיוון הנכון, הוא גורם להאצת האלקטרונים לכיוון האנודה בה הם יכולים להיקלט ולהמשיך לזרום במעגל החשמלי. אם המתח מחובר בכיוון ההפוך, השדה החשמלי ההפוך יאיץ את האלקטרונים בחזרה אל הקתודה, והם לא יוכלו להגיע לאנודה, ולכן בכיוון זה הזרימה נחסמת.

בשנת 1904 סר ג'ון פלמינג רשם פטנט על שימוש באפקט אדיסון במקלט טלגרף אלחוטי, על ידי המרת זרם חילופין לזרם ישר. ההתקן נקרא מיישר זרם (rectifier). השם דיודה ניתן רק בשנת 1919 להתקן שבו שתי אלקטרודות ("די" פירושו שתיים), יחד עם השמות טריודה להתקן שבו שלוש אלקטרודות, טטרודה להתקן של ארבע אלקטרודות, וכן הלאה.

חוקרים אשר עסקו במחקר על חומרים מוליכים למחצה הציגו תופעות הדומות להתנהגות של דיודה כבר במאה ה-19. ב-1926 ל. גרונדל ופ. וגייגר הציגו דיודה המבוססת על חיבור בין נחושת לתחמוצת נחושת (חומר מוליך למחצה). ב-1938 נתן וולטר שוטקי הסבר תאורטי להתנהגות זו. דיודה זו, המבוססת על חיבור בין מוליך למחצה ומתכת, נקראת על שמו דיודת שוטקי. דיודה המבוססת על חיבור בין מוליכים למחצה בעלי אילוח שונה (דיודת PN) תוארה על ידי ויליאם שוקלי ב-1949.

אף שדיודות העשויות משפופרות ריק עדיין נמצאות בשימוש (לדוגמה במגברי שמע), מרבית הדיודות המיוצרות כיום 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

למעלה, דיודה בממתח קדמי – הדיוה תעביר זרם. למטה, דיודה בממתח אחורי – הדיודה לא תעביר זרם

אופיין מתח-זרם של דיודה

שפופרת דיודה

בשפופרות ריק, חוט תיל (הקתודה) פלט אלקטרונים כתוצאה מחימומו (פליטה תרמיונית) כאשר התופעה לכך מוסברת בקרינה של גוף שחור, אלה נמשכו ללוח המתכת (האנודה) המצוי במתח חשמלי נמוך יותר. תנועה בכיוון השני לא הייתה אפשרית מכוון שהלוח לא חומם ולכן לא פלט אלקטרונים.

דיודת PN, מורכבת מחיבור מוליכים למחצה בעלי אילוח 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 (ממתח קדמי) ומאפשרת להזרים זרם בכיוון זה. הפעלת מתח בכיוון השני (ממתח אחורי) מגדילה את המחסום ובכך לא מאפשרת זרימת זרם בכיוון זה.

אופן הפעולה של דיודות

דיודה אידיאלית היא דיודה המתנהגת כהדק מושלם, כלומר מהווה נתק מושלם בממתח אחורי וקצר בממתח קדמי. דיודות כאלו אינן קיימות – הדיודות האמיתיות סוטות מאידיאל זה. ראשית, כאשר הדיודה נמצאת בממתח אחורי, בכל זאת זורם דרכה זרם חלש מאוד הנקרא זרם זליגה. זרם זה זניח בדרך כלל, אולם הוא יוצר בעיות רבות בתכנונים קטנים (בעיקר בעיות של בזבוז הספק). שנית, אופיין המתח-זרם הוא מעריכי, כפי שניתן לראות באיור. יכולת ההעברה של הדיודה משתפרת עם הגדלת המתח אך עדיין אין מדובר בקצר אידיאלי. אופיין המתח-זרם בדיודה אינו ליניארי, וייחודו מתבטא בעובדה שההתנגדות תלויה בכיוון שבו מנסים להזרים את הזרם ובמתח ההפעלה – התנגדות נמוכה בכיוון ההולכה וגבוהה מאוד בכיוון 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) מתוכננות בהתאם לגורמים אלו. באופיין המופיע באיור לא ניתן לראות פריצה.

משוואת האופיין היא: $I=I_{\mathrm {S} }\left(e^{\frac {V_{\mathrm {D} }}{\eta V_{\mathrm {T} }}}-1\right)$ כאשר

$I$ הוא הזרם בדיודה

$I_{s}$ הוא זרם הזליגה בדיודה (זהו הזרם החלש שזורם בדיודה כאשר היא בממתח אחורי)

$V_{D}$ הוא המתח על הדיודה

$\eta$ הוא מקדם שתלוי בחומר ממנו עשויה הדיודה (בדרך כלל ערכו 1 או 2)

$V_{\mathrm {T} }={\frac {kT}{q}}$

$k$ קבוע בולצמן

$T$ הטמפרטורה (במעלות קלווין)

$q$ הוא מטען האלקטרון

יישומים

תכונות הדיודה מאפשרות שימושים מגוונים, כגון:

• יישור זרם מזרם חילופין לזרם ישר – מאחר שדיודה 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 יישור חצי גל (half wave rectification). שימוש במספר דיודות מאפשר לנצל את כל המחזור, כלומר להעביר חצי מחזור ולהפוך את החצי השני, פעולה הנקראת יישור גל מלא (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 למצוא 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 וכאשר המתח עובר גבול מסוים הדיודה עוברת למצב קדמי ומתחילה להוליך, וכך הזרם עובר דרכה ולא דרך המכשיר.
• 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. לדיודות אלו שימושים רבים כמו נורות בקרה על מכשירים, כאמצעי להעברת מידע בשלט רחוק, לחיישני תנועה (לדוגמה בעכבר מחשב אופטי), ליצירת לייזר דיודה 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 זנר) ופריצת מפולת. הזרם האחורי שהן מעבירות לאחר הפריצה לא משתנה כמעט עם המתח ולכן משתמשים בהן כדי להשיג זרם יציב. לעיתים 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 הפועלת על עיקרון מתחי זליגה בקיטובים הפוכים. דיודה זו מציגה תכונות קצת שונות מדיודות אחרות, בעיקר מתח הפעלה נמוך יותר וזמן תגובה קצר יותר, אשר שימושי ברכיבים דיגיטליים.
• דיודת מנהור – דיודה העושה שימוש בעיקרון הקוונטי של מנהור (Tunneling) כדי להשיג התנגדות דיפרנציאלית 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 מייננת, מה שהופך אותה למתאימה יותר לסביבות מסוימות (כגון החלל).

ראו גם

• גשר דיודות
• לייזר דיודה

קישורים חיצוניים

• מדענים וממציאים - סר ג'והן אמברוז פלמינג, אתר מוזיאון המדע בירושלים
• ספר מקיף על מוליכים למחצה (באנגלית)
• דיודה, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)