Δίοδος σε ορθή πόλωση
3.1 Επαφή / Δίοδος ΡΝ 3.1.1 Φυσική Λειτουργία
Όπως αναφέρθηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο, οι ημιαγωγοί με προσμίξεις είναι δυο τύπων. Οι ημιαγωγοί τύπου Ν έχουν περισσότερους αρνητικούς φορείς, δηλαδή έχουν περίσσεια ηλεκτρονίων και για το λόγο αυτό ονομάζονται τυπου Ν (negative). Αντιθέτως οι ημιαγωγοί τυπου Ρ (positive) έχουν περίσσεια θετικών φορέων η οπών. Οι οπές είναι έλλειψη ηλεκτρονίων. Αρκετές φορές στην βιβλιογραφία οι ημιαγωγοί με προσμίξεις αναφέρονται ως τυπου p και τυπου n.
Όταν μικρό κομμάτι ημιαγωγου τυπου Ν έλθει σ' επαφή με κομμάτι ημιαγωγού τύπου Ρ, τότε δημιουργείται μια ένωση ΡΝ ή επαφή ΡΝ η οποία αποτελεί ένα ηλεκτρονικό εξάρτημα πολύ χρήσιμο και ονομάζεται δίοδος ΡΝ. Τα κομμάτια αυτά των ημιαγωγών μπορεί να μην είναι διαφορετικά, αλλά μέρη του ίδιου κομματιού κρυστάλλου πυριτίου όπου στη μία πλευρά έχει δημιουργηθεί με κατάλληλο τρόπο τύπος Ρ, ενώ στην άλλη ο τύπος Ν.
Η επαφή ΡΝ φαίνεται στο σχήμα 3.1.1. Το σημείο της ένωσης παρίσταται με μία κάθετη διακεκομμένη γραμμή. Το τμήμα τυπου Ν αποτελείται από θετικά ιόντα πεντασθενους στοιχείου και ελεύθερα ηλεκτρόνια. Υπάρχει επίσης μικρός αριθμός οπών. Στο τμήμα τύπου Ρ υπάρχουν αρνητικά ιόντα τρισθενους στοιχείου, αρκετές οπές και μικρός αριθμός ηλεκτρονίων.
Την στιγμή της δημιουργίας της επαφής ΡΝ, τα ηλεκτρόνια από τον ημιαγωγό τύπου Ν που ευρίσκονται κοντά στο σημείο της ένωσης θα κινηθούν προς τον ημιαγωγό τύπου Ρ με σκοπό να επανασυνδεθούν με τις οπές που υπάρχουν εκεί. Έτσι δημιουργείται επανασύνδεση οπών και ηλεκτρονίων στα δυο τμήματα, δεξιά και αριστερά του σημείου επαφής και στο μεν ημιαγωγό τύπου Ν δημιουργείται ένα τμήμα με θετικά μόνο ιόντα χωρίς ηλεκτρόνια, στο δε ημιαγωγό τύπου Ρ δημιουργείται ένα τμήμα με αρνητικά μόνο ιόντα, χωρίς οπές. Αυτά τα δυο τμήματα είναι «απογυμνωμένα» από τους φορείς τους και αποτελουν μαζί την περιοχή απογύμνωσης όπως φαίνεται στο σχήμα 3.1.2(α).
Έξω από την περιοχή απογύμνωσης η δομή των ημιαγωγών δεν έχει αλλάξει και αποτελείται από ιόντα και φορείς. Αυτό συμβαίνει διότι για να μπορέσει ένα ηλεκτρόνιο να επανασυνδεθεί με μία οπή η αντίστροφα, πρέπει να υπερπηδήσει την περιοχή απογύμνωσης η οποία όμως με τη συγκέντρωση των ιόντων σ' αυτήν, αποτελεί ένα εμπόδιο και δημιουργεί ένα φραγμό δυναμικού. Το δυναμικό φραγμού παριστάνεται με Vο στο σχήμα 3.1.2(β) και είναι μιά διαφορά δυναμικού που η πολικότητα της αντιτίθεται στη διάχυση των φορέων.
Η επαφή ΡΝ που δημιουργήθηκε με τον πιο πάνω τρόπο λέγεται δίοδος ΡΝ διότι αφήνει να διέρχεται ηλεκτρικό ρευμα από αυτήν μόνο προς μία κατεύθυνση όπως θα δουμε στη συνέχεια.
3.1.2 Συμβολισμός διόδου και χωρητικότητα φραγμού.
Για να δημιουργηθεί μια δίοδος ΡΝ, συνδέονται τα άκρα των δυο ημιαγωγικών τμημάτων τύπου Ρ και Ν με μεταλλικές επαφές και έτσι δημιουργείται η άνοδος της διόδου στην πλευρά του ημιαγωγου Ρ και η κάθοδος της διόδου στην πλευρά Ν. Η δίοδος ΡΝ συμβολίζεται με ένα βέλος στην πλευρά Ρ και μία γραμμή στην πλευρά Ν για λόγους που θα εξηγήσουμε πιο κάτω.
Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, στην περιοχή απογύμνωσης υπάρχουν αρνητικά και θετικά φορτία, αποτελούμενα απο ιόντα, στα δυο τμήματά της. Τα φορτία αυτά συνδυαζόμενα με το δυναμικό φραγμού που επίσης υπάρχει στα άκρα της περιοχής αυτής, δημιουργεί ένα πυκνωτή του οποίου η χωρητικότητα δίδεται από τη σχέση (3.1.1)
Η διαφορά δυναμικού που υπάρχει στα άκρα της περιοχής απογύμνωσης εξαρτάται από την εξωτερική τάση V που τυχόν θα εφαρμοσθεί στα άκρα της διόδου και του δυναμικού φραγμού Vο σύμφωνα με τη σχέση
Η χωρητικότητα αυτή ονομάζεται χωρητικότητα επαφής ή στατική χωρητικότητα φραγμού και εξαρτάται, όπως και σε κάθε πυκνωτή, απο την γεωμετρία της περιοχής απογύμνωσης δηλαδή από το μήκος της L, την επιφάνειά της S καθώς και τη διηλεκτρική σταθερά του ημιαγωγού, ε, συμφωνα με τη σχέση
Η τιμή της χωρητικότητας επαφής CT κυμαίνεται από 1-100 pF.
3.2 Δίοδος PN σε ορθή και ανάστροφη πόλωση
Στην προηγούμενη παράγραφο η επαφή ΡΝ ήταν ανοικτή, δηλαδή δεν υπήρχε εξωτερική τάση στα άκρα της. Όταν εφαρμοσθεί εξωτερική τάση στα άκρα μιάς διόδου, υπάρχουν δύο τρόποι σύνδεσης της πηγής: κατά την ορθή και κατά την ανάστροφη φορά.
3.2.1 Πόλωση κατά την ορθή φορά.
Μια δίοδος είναι πολωμένη κατά την ορθή φορά εάν η εξωτερική πηγή είναι συνδεδεμένη στο κύκλωμα ώστε ο θετικός πόλος της να είναι στο τμήμα Ρ της διόδου και ο αρνητικός πόλος της στο τμήμα Ν της διόδου, όπως φαίνεται στο σχήμα 3.2.1(α). Ως γνωστόν σε μιά ηλεκτρική πηγή υπάρχει μεγάλος αριθμός ηλεκτρονίων στον αρνητικό πόλο και μεγάλος αριθμός θετικών φορτίων στο θετικό πόλο. Με την αγώγιμη σύνδεση της πηγής με τη δίοδο κατά την ορθή φορά, τα θετικά φορτία από τον θετικό πόλο της πηγής πηγαίνουν στο τμήμα Ρ της διόδου και τα ηλεκτρόνια πηγαίνουν στο τμήμα Ν αντίστοιχα.
Συνεπώς τα θετικά φορτία θα κινηθούν από το θετικό πόλο της πηγής προς το τμήμα P της διόδου. H μετακίνηση αυτή δίδει το ρεύμα Ip των οπών εντός του τμήματος P. H κίνηση των ηλεκτρονίων από τον αρνητικό πόλο της πηγής προς το τμήμα N της διόδου θα δώσει το ρεύμα ηλεκτρονίων In εντός του τμήματος N, το οποίο έχει την ίδια φορά με το ρεύμα των οπών λόγου αρνητικού φορτίου των ηλεκτρονίων.
Με τον τρόπο αυτό η συγκέντρωση των οπών στο τμήμα Ρ μεγαλώνει, η περιοχή απογύμνωσης γίνεται στενότερη και ορισμένες οπές με μεγάλη κινητική ενέργεια καταφέρνουν να υπερπηδήσουν το φραγμό δυναμικού και να μπούνε στο τμήμα Ν της διόδου. Η ίδια διαδικασία συμβαίνει και με τα ηλεκτρόνια της περιοχής Ν που εισέρχονται στο τμήμα Ρ.
Όσο αυξάνει η εξωτερική τάση τόσο η περιοχή απογύμνωσης γίνεται μικρότερη μέχρι που μηδενίζεται και έχουμε ροή ρεύματος στο κύκλωμα, που ονομάζεται κατευθείαν ρεύμα ή ρεύμα ορθής φοράς ή ρεύμα διάχυσης lF ( forward current) και έχει καθιερωθεί να έχει διεύθυνση αντίθετη αυτής των ηλεκτρονίων
Η τιμή της εξωτερικής τάσης που πρέπει να εφαρμοσθεί στη δίοδο για να διέλθει ρεύμα στο κύκλωμα πρέπει να είναι μεγαλύτερη από το δυναμικό φραγμού που είναι μερικά δέκατα του Volt ( V>V0 =0,1 για γερμάνιο και 0,5V για πυρίτιο). Το ρεύμα έχει μικρή τιμή μέχρι μια τάση που λέγεται τάση κατωφλίου < γόνατος νγ, μετά την οποία αυξάνεται εκθετικά. Η τάση γόνατος για μεν το γερμάνιο είναι 0,3V για δε το πυρίτιο είναι 0,7V. Όσον αφορά δε το ρεύμα του εξωτερικού κυκλώματος αυτό είναι:
οπου Ιο λέγεται ανάστροφο ρεύμα κόρου και είναι το ρεύμα που προέρχεται από την θερμική διέγερση του ημιαγωγού και η τιμή του είναι της τάξης των μικροαμπέρ (μΑ ).
Το ηλεκτροτεχνικό ισοδυναμο κυ- V R φαίνεται στο σχήμα 3.2.2:
Στον παρακάτω πίνακα αναγράφονται οι τάσεις φραγμού, κατωφλίου Σχήμα 3.2.2
και η αντίσταση διόδου κατά την ορθή πόλωση, Οταν η δίοδος θεωρείται ιδανικη και όταν είναι εμπορίου:
Ισοδύναμο κύκλωμα διόδου PΝ
Vγ = Τάση γόνατος,
Rf = αντίσταση ορθής φοράς.
κύκλωμα της διόδου σε ορθή πόλωση. 
Παράδειγμα 3.2.1
Μία ιδανική δίοδος πυριτίου συνδέεται σε ορθή πόλωση με πηγή τάσης Vi = 12 V, και αντίσταση φόρτου RL = 1 ΚΩ .
α) Να σχεδιασθεί το κύκλωμα.
β) Να υπολογισθεί το ρεύμα που διαρρέει το κύκλωμα.
γ) Να υπολογισθεί το ρεύμα, όταν η δίοδος δεν είναι ιδανική και έχει αντίσταση RF=200 Ω
Λύση
β) Επειδή η δίοδος θεωρείται ιδανική έχουμε RF= 0, V0 =0 οπότε δεν έχουμε πτώση τάσης στη δίοδο και εφαρμόζοντας το νόμο του Ohm για την αντίσταση φόρτου RL θα έχουμε:
γ) Για μη ιδανική δίοδο Vγ = 0.7 V και Rf =200 Ω οπότε έχουμε το
εξής ισοδύναμο κυκλωμα:
Σχήμα 3.2.4
