Mrugając do ludzi od 1919. Co to jest dioda, albo krótka historia małej diody

Share on facebook
Share on twitter
Share on linkedin
Czas czytania: 4 min.

Jak tu podzielić diody? Oto jest pytanie. To nie tak, że świat naukowy się kłóci – podział jest jasny. Elektrycy, fizycy i wszelacy praktycy to potrafią, ale my poradziliśmy sobie po swojemu inaczej: czasem po prostu lepiej wrócić do korzeni, aby zrozumieć coś od podstaw. Zanim przejdziemy do podziałów, musimy dowiedzieć się najpierw… 

Co to jest dioda i jak powstała?

Dioda to element elektroniczny, który przewodzi prąd głównie w jednym kierunku. Owo zjawisko to przewodnictwo asymetryczne. Posiada niewielką, a idealnie byłoby, żeby zerową, rezystancję w jednym kierunku i wysoką, a najlepiej, to żeby nieskończoną, w drugim kierunku. Diodowa lampa elektronowa lub dioda termionowa to lampy próżniowe z dwiema elektrodami, podgrzewaną katodą i płytą. Elektrony mogą w niej płynąć tylko w jednym kierunku – od katody do płyty. Natomiast dioda półprzewodnikowa, często stosowany obecnie typ diody, jest krystalicznym kawałkiem materiału półprzewodnikowego ze złączem p-n połączonym z dwoma elektrycznymi zaciskami. 

Ale nie bylibyśmy też sobą bez grama historii. Odkrycia asymetrycznego przewodnictwa elektrycznego na styku krystalicznego minerału i metalu dokonał niemiecki fizyk Ferdinand Braun w 1874 roku, dzięki czemu powstały diody półprzewodnikowe. Obecnie większość diod wykonana jest z krzemu, ale stosuje się również inne materiały półprzewodzące, takie jak arsenek galu i german. W 1897 roku dzięki pracy Brauna powstał już pierwszy oscyloskop wyposażony w kineskop. Współpracował z Guglielmo Marconim, pionierem radia i przemysłu elektronicznego, również laureatem nagrody Nobla z dziedziny fizyki. 

Dioda nie od razu była diodą. Pierwotnie nazywano ją prostownikiem ze względu na jej zdolność do przekształcania prądu zmiennego (AC) na prąd stały (DC). Została przemianowana na diodę w 1919 roku przez angielskiego fizyka Williama Henry’ego Ecclesa, który ukuł ten termin z greckiego rdzenia di, oznaczającego „dwa”, i ode, skróconej formy „elektrody”, słowa autorstwa Michaela Faradaya  – i tak powstało angielskie słówko diode. Dlaczego warto o tym wiedzieć? Bo to pozwala lepiej skojarzyć sposób działania diody – elektron pochodzi od greckiego ἤλεκτρον, elektron, które oznacza bursztyn i od którego pochodzi słowo elektryczność, i hodos: ścieżka, droga lub połączenie. A zatem – droga prądu? 

Laureat Nobla Karl Ferdinand Braun przyczynił się do rozwoju technologii radiowej i telewizyjnej.

Diod istnieje bardzo wiele, tak jak i różne bywają sposoby podziału. Na początku zawsze należy zastanowić się, czy zajmuje nas podział bardziej strukturalny według parametrów, czy raczej funkcjonalny według zastosowań. Taki częsty błąd klasyfikacji często wprowadza bałagan i ostatecznie sprawia, że sami już nie wiemy, czego szukamy. Są zatem diody takie jak dioda Zenera, dioda Schottky’ego (błędnie: Schottkiego), dioda LED, dioda prostownicza, dioda powiadomień, czyli „migająca” albo nie, dioda laserowa, żółta, niebieska, czerwona… przez wielu mylnie stawiane do porównań w jednym rzędzie, a to tak, jakby porównywać… niebieskiego jeepa z fioletowym rowerem. ¯\_(ツ)_/¯

Trioda

Trioda to pierwotniak wśród diod i trudno o niej nie wspomnieć. Trio, bo ma trzy elektrody – anodę, katodę i siatkę. Powstała w 1906 roku i trafiła m.in. do generatorów i wzmacniaczy. Przyczyniła się także do wynalezienia pompy dyfuzyjnej do osiągania próżni i poprawy parametrów lamp elektronowych. W 1911 użyto triody jako wzmacniacza, a w 1914 zastosowano triody we wzmacniaczach linii telefonicznej na trasie Nowy Jork – San Francisco. W Polsce pierwszy był warszawski Radjopol – ku radości szalejących w kulturze futurystów rozpoczął produkcję triod na niewielką skalę w roku 1921.

W wielu miejscach królował jeszcze taki widok - dobrze znane z filmów słupy telegraficzne.

Dioda półprzewodnikowa

Wróćmy do 24-letniego wówczas Ferdinanda Brauna. Młody absolwent Uniwersytetu Berlińskiego badał na Uniwersytecie w Würzburgu właściwości elektrolitów i kryształów przewodzących prąd. W 1874 roku, badając kryształy galenu (siarczku ołowiu) za pomocą cienkiego metalowego drutu zauważył, że prąd płynie swobodnie tylko w jednym kierunku. Braun odkrył w ten sposób efekt prostowania elektrycznego, który zachodzi w miejscu styku metali i niektórych materiałów krystalicznych. Zademonstrował to urządzenie półprzewodnikowe w Lipsku w 1876 roku, ale nie znalazło ono żadnego użytecznego zastosowania aż do pojawienia się radia na początku 1900 roku.

Chociaż urządzenia półprzewodnikowe pozwalały prostym odbiornikom radiowym działać bez zewnętrznego zasilania, w połowie lat dwudziestych bardziej przewidywalne działanie diod lamp próżniowych zastąpiło je w większości zastosowań radiowych. Półprzewodniki odzyskały popularność w czasie II wojny światowej jako detektory radarowe ze względu na ich zdolność do pracy na częstotliwościach mikrofalowych. Radar wpłynął na losy II wojny światowej, ale nie zrobiłby tego bez diody. Miliony kryształowych diod prostowniczych, z metalowym punktem stykającym się z maleńkim kawałkiem krzemu lub germanu w środku, zostały wyprodukowane do użytku w alianckich odbiornikach radarowych. U schyłku wojny w laboratoriach Dupont Chemical Company dostępny był krzem o czystości 99,9%, a w 1947 roku dzięki pracom z Purdue w stanie Indiana i oczyszczonemu germanowi powstał pierwszy tranzystor ostrzowy. 

Radar z II wojny światowej
Druga wojna światowa przyśpieszyła rozwój technologii półprzewodników.

Light emitting diodes, czyli diody LED

Brzmi bardziej znajomo, prawda? Lub mniej odstręczająco tych, którzy z fizyką mają niewiele wspólnego. Dziedzina diod elektroluminescencyjnych była szczególnie bogata w pionierskie prace. W liście do Electrical World z 1907 roku, H. J. Round, angielski pionier radiokomunikacji pracujący dla Guglielmo Marconiego w Nowym Jorku, opisał elektroluminescencję z kryształu karborundu (węglika krzemu). Jest to pierwsze znane doniesienie o emisji światła z półprzewodnika, na której opiera się współczesna lampa LED. W latach 1922-23 rosyjski inżynier Oleg Łosiew zgłosił emisję światła z kryształu radiowego, a w 1927 r. złożył patent na „przekaźnik świetlny”, w którym zaproponował swoje urządzenia „do szybkiej komunikacji telegraficznej i telefonicznej”. Rosjanie i Sowieci mieli do nazw fantazję, nie da się ukryć. Praca zapowiedziała właściwie rozwój diod, który miał fundamentalne znaczenie dla nowoczesnych łączy światłowodowych. 

Twórca diody Nick Holonyak
Nick Holonyak Jr. - ojciec diody LED.

Pierwsze komercyjne diody LED o długości fali widzialnej były powszechnie stosowane jako zamienniki żarówek i neonów oraz w wyświetlaczach siedmiosegmentowych, w drogich urządzeniach takich jak sprzęt laboratoryjny i testowy do elektroniki, a następnie w nam już nieco bliższych takich jak kalkulatory, telewizory, radia, telefony i zegarki. Do 1968 r. diody LED w zakresie światła widzialnego i podczerwonego były niezwykle kosztowne, rzędu 200 USD za sztukę, i dlatego też miały niewielkie zastosowanie praktyczne. Wczesne czerwone diody LED były jasne tylko na tyle, aby mogły być używane co najwyżej jako wskaźniki, ponieważ, mówiąc ogólnie, moc światła nie była wystarczająca do oświetlenia większego obszaru. Odczyty w kalkulatorach były tak małe (rozmiarami, nie wartościami), że nad każdą cyfrą montowano plastikowe soczewki, aby były czytelne. Później inne kolory stały się powszechnie dostępne i pojawiły się w urządzeniach i sprzęcie AGD, aż do przełomu związanego z trudną do osiągnięcia niebieską diodą LED w 1992 roku i nagrodzonego Noblem dopiero w 2014 roku. 

Diody LED dały początek bardziej wyspecjalizowanym technologiom pokroju OLED i AMOLED, których osiągi są coraz chętniej i powszechniej stosowane w elektronice konsumenckiej. 

Inne rodzaje diod

Diody
Kontrolki - neonówki
Dioda Zenera
Dioda Zenera

Rodzajów diod jest bardzo wiele, jednak przy poszukiwaniach warto stosować prosty podział:

  • ze względu na materiał (krzemowe czy germanowe),
  • ze względu na konstrukcję (np, ostrzowe i warstwowe, stopowe i dyfuzyjne, Schottky’ego),
  • ze względu na zastosowanie (np. prostownicze, impulsowe, uniwersalne),
  • ze względu na przebiegające zjawiska (np., Zenera, Gunna, lawinowe).

Dlaczego nie ma linku do wszystkich? W ofercie rodzajów diod, przynajmniej w czasie, w którym powstaje ten artykuł, posiadamy ponad 300, więc na pewno niczego nie zabraknie. Tam, gdzie szukacie czegoś precyzyjnego – a trudno, żeby nie, wszak projekty elektroniczne to dopieszczone technicznie sprawy – pomoże precyzyjne filtrowanie według specyfikacji.

Dioda Schottky Botland
Wszystkie diody

Podziel się:

Share on facebook
Share on linkedin
Share on twitter
Oskar Pacelt

Oskar Pacelt

Autor i redaktor ponad 200 wpisów na Botland Blog. Wierzy, że udany tekst jest jak list wysłany w przyszłość. W życiu najbardziej interesuje go prawda, pozostałych zainteresowań zliczyć nie sposób. Zajmuje się ciekawostkami ze świata technologii i nauki. Najlepszy pływak w Botland.

Zobacz więcej:

Ciekawostki
Oskar Pacelt

Nowości w Botland #39

Raspberry Pi, Arduino, Qobo i Coding Express, podręczniki Helion – coś do warsztatu, coś do biblioteczki, coś do wspólnej zabawy.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany.