Dioda i elementy nieliniowe

Półprzewodniki – to ciała krystaliczne mające własności pośrednie pomiędzy przewodnikami a izolatorami. Do wytwarzania elementów półprzewodnikowych stosowane są na ogół monokryształy. Dzięki jednorodnej strukturze istnieje możliwość uzyskania powtarzalności parametrów wytwarzanych elementów. Spośród innych materiałów używanych do wytwarzania półprzewodników warto wymienić:
- german (jego zastosowanie jest niewielkie; wadą jest niewielka szerokość pasma zabronionego)
- arsenek galu ( charakteryzuje się wysoką szerokością pasma zabronionego).

W elektronice znalazły zastosowanie półprzewodniki niesamoistne.
Jeśli do monokryształu krzemu doprowadzi się niewielką domieszkę pierwiastka V grupy układu okresowego, to jeden z elektronów walencyjnych domieszki nie jest powiązany siłami sieci krystalicznej. Wystarczy niewielka energia, aby przenieść ten elektron do pasma przewodnictwa. Jeśli do monokryształu krzemu doprowadzi się niewielką domieszkę III grupy układu okresowego, to jeden z elektronów walencyjnych krzemu położony w sąsiedztwie atomu domieszki nie jest powiązany siłami sieci krystalicznej z sąsiednimi atomami. Wystarczy niewielka energia, aby elektron ten opuścił pasmo walencyjne, pozostawiając po sobie swobodną dziurę.

Złącze p-n
Jest to wąski obszar graniczny, w którym występuje zmiana typu przewodnika niesamoistnego. Przez złącze wskutek różnicy koncentracji dyfundują nośniki większościowe (dziury z obszaru typu p do n i elektrony w odwrotnym kierunku). Nośniki te po przejściu do obszaru o przeciwnym typie przewodnictwa rekombinują. W wyniku dyfuzji i rekombinacji w obszarze złącza powstaje warstwa zaporowa, pozbawiona nośników i składająca się wyłącznie z jonów donorowych i akceptorowych. Na złączu pojawia się napięcie bariery potencjału oddziałujące hamująco na ruchy nośników większościowych.
Złącze p-n może być spolaryzowane w kierunku:
- przewodzenia – napięcie bariery potencjału ulega obniżeniu i przez złącze płynie duży prąd przy niewielkim spadku napięcia.
- zaporowym – napięcie bariery potencjału wzrasta i przez złącze płynie niewielki prąd przy stosunkowo wysokim napięciu.

Rodzaje diod:
- prostownicza – stosowana do prostowania prądu przemiennego. Dla kierunku przewodzenia następuje przepływ wysokiego prądu przy niskim napięciu. Dla kierunku zaporowego płynie niewielki prąd przy napięciu mniejszym od napięcia przebicia.
- specjalne – wykorzystywane np. w układach impulsowych, gdzie spełniają rolę kluczy elektronicznych przepuszczających impulsy tylko w jednym kierunku
- tunelowa – ze względu na silnie domieszkowanie następuje generacja nośników mniejszościowych nawet przy niewielkim napięciu zewnętrznym. Diody tunelowe budowane są najczęściej z arsenku galu lub germanu. Wykorzystywane są w układach generatorów i wzmacniaczy bardzo wielkiej częstotliwości.
- elektroluminescencyjna – jest przetwornikiem prądu elektrycznego na prom cieniowanie elektromagnetyczne. Długość fali λ zależy od szerokości pasma zabronionego ∆W:
λ = 1240/ ∆W [nm]
Dla diod z arsenku galu otrzymuje się źródło promieniowania podczerwonego a dla diod zbudowanych z mieszaniny arsenku galu i fosforku galu – różne barwy światła widzialnego.
- Zenera - odmiana diody półprzewodnikowej, której głównym parametrem jest napięcie przebicia złącza PN. W kierunku przewodzenia (anoda spolaryzowana dodatnio względem katody) zachowuje się jak normalna dioda, natomiast przy polaryzacji zaporowej (katoda spolaryzowana dodatnio względem anody) może przewodzić prąd po przekroczeniu określonego napięcia na złączu, zwanego napięciem przebicia. Przy niewielkich napięciach (do ok. 6 woltów) podstawową rolę odgrywa zjawisko Zenera, powyżej - przebicie lawinowe. Napięcie przebicia jest praktycznie niezależne od płynącego prądu i zmienia się bardzo nieznacznie nawet przy dużych zmianach prądu przebicia

Warystor - jest rezystorem półprzewodnikowym nieliniowym, którego rezystancja zależy od wartości doprowadzonego napięcia. Warystory stosuje się do zabezpieczania obwodów elektrycznych przed przepięciami, do stabilizacji napięcia, ochrony styków.

Termistor - to opornik półprzewodnikowy, którego rezystancja (opór) zależy od temperatury.
Rodzaje termistorów:
• NTC - o ujemnym współczynniku temperaturowym - wzrost temperatury powoduje zmniejszanie się rezystancji;
• PTC - o dodatnim współczynniku temperaturowym - wzrost temperatury powoduje wzrost rezystancji.

Żarówka - wykorzystuje ok. 5% energii na światło widzialne, a reszta energii jest wykorzystywana w emisji ciepła.

MultiFuse - używany jest szeregowo ze źródłem zasilania i obwodem lub elementem, który ma być chroniony przed uszkodzeniem lub niebezpieczeństwem zapalenia w przypadku przepływu nadmiernego prądu. W MultiFuse zachodzi gwałtowna zmiana rezystancji, kiedy nadmierny prąd rozgrzewa go do temperatury samoczynnego wyłączenia.