Dioda – in topul celor mai utilizate componente electronice

Dioda (termen format din cuvintele grecesti “di” – doi/doua si “hodos” – cale, drum) este unul dintre cele mai vechi si mai importante dispozitive electronice, chiar daca nu este atat de faimoasa precum ruda sa apropiata, tranzistorul. Dispozitivul functioneaza ca o valva care permite trecerea curentului intr-o singura directie, fiind folosit in diverse sisteme electrice si electronice, pentru a transforma curentul alternativ (AC), in curent continuu (DC), pentru a procesa semnalele cu frecvente foarte inalte, pentru reglarea voltajelor etc. In acest moment, exista doua tipuri de diode – primul este reprezentat de un tub electronic, similar unei triode (amplificator al semnalului electric), iar al doilea tip foloseste semiconductori, ca si tranzistorii, ambele fiind inventate la inceputul secolului al XX-lea.

Prima dioda a fost un bec cu incandescenta modificat. Thomas Edison, celebrul inventator american, descopera ca includerea unui electrod in plus si conectarea acestuia la partea pozitiva a unei baterii vor duce la formarea unui curent electric care va trece din filament in spatiul liber din jur. Pentru ca nu a fost sigur de utilitatea acestei descoperiri, inventatorul abandoneaza proiectul, preocupandu-se de alte cercetari. Joseph J. Thompson anunta, in aprilie 1897, descoperirea electronului si explica efectul Edison, referitor la un curent care traverseaza, intr-o singura directie, un tub de vacuum. Pentru toate contributiile sale aduse cercetarii in domeniul conductivitatii electrice, Thompson primeste Premiul Nobel, in anul 1906.

Anterior lui Joseph J. Thompson, in 1874, germanul Ferdinand Braun (cel care a deschis drumul tehnicii televizoarelor, prin inventarea tubului vidat/tubul Braun) facuse o constatare interesanta, aceea ca de orientarea curentului depinde conductivitatea cristalelor de sulfat de cupru, lasand sa treaca mult curent intr-o parte si putin in alta, dar nu a putut sa si explice fenomenul. Totusi, pe baza acestei observatii, el a construit o dioda, ca supapa care lasa sa treaca, intr-o singura directie, curentul electric, transformand curentul alternativ in curent continuu.

Alti cercetatori si inventatori descopera noi modalitati de utilizare a diodelor. La inceputul anilor 1900, inginerul de origine britanica, John Ambrose Fleming, foloseste valva monodirectionala (dioda), pentru a converti undele radio intr-un flux de curent, care putea fi masurat cu ajutorul unui galvanometru. Valva Fleming este cunoscuta si astazi in istoria inventicii ca fiind primul dispozitiv de acest fel functional. Aceasta a fost folosita in transmisiile radio si a devenit, in scurt timp, componenta de baza a tubului cu electroni (lampa cu efect termoionic), cunoscut sub denumirea de “kenotron”,  pe care Fleming il inventeaza in anul 1904 – “stramosul” diodelor cu semiconductori. Numele lui Fleming a ramas in memoria specialistilor din domeniul electronicii si prin “regula mainii drepte”, care ajuta la memorarea diverselor directii, care tin de structura motorului electric (degetul mare indica sensul fluxului magnetic, aratatorul sensul curentului electric, degetul mijlociu – sensul miscarii etc.).

In 1906, inginerul de origine americana Greenleaf W. Pickard pune la punct un nou tip de dioda, preluand, in mare masura, descoperirile anterioare in ceea ce priveste electricitatea. Prin plasarea unui cristal de siliciu intre o baza metalica si un cablu electric foarte fin, asezat milimetric, Pickard concepe o valva care putea fi folosita si pentru detectarea undelor radio. Acest tip special de valva, supranumita si “mustati de pisica”, datorita firelor electrice care ieseau din ea, devine foarte populara, dupa ce americanul H. C. Dunwoody patenteaza o versiune care folosea un material special – carborundumul (carbura de siliciu), un mineral artificial, care functioneaza ca un semiconductor, cand este monocristalin, si ca o ceramica, atunci cand este alcatuit din mai multe cristale mici, orientate diferit (policristalin).

La inceputul anilor 1900, diodele“mustati de pisica” erau folosite in componenta radiotransmitatoarelor, reprezentand un progres veritabil fata de tuburile cu electroni. In ciuda popularitatii crescute a acestor dispozitive, “mustatile de pisica” aveau si ele defectele lor, necesitand o atentie sporita in privinta ajustarii si alinierii. Din cauza unor asemenea dezavantaje, folosirea respectivelor diode a scazut constant, chiar daca posibilitatea acestora de a lucra cu frecvente foarte puternice le-a facut extrem de utile in timpul celui de-al Doilea Razboi Mondial, cand erau valorificate in fabricarea radioemitatoarelor. Sute de astfel de dispozitive au fost realizate in cadrul Laboratoarelor Bell (din Statele Unite ale Americii), unde cercetatorul Russell Ohl, metalurgist care lucra cu mostre de siliciu, inventeaza o noua dioda, care era si un foarte bun convertor al energiei solare. In acea perioada, motivul pentru care dioda functiona fie ca valva, fie ca celula solara, era inca un mister pentru cercetatori. Pe parcurs, specialistii descopera ca mostra de siliciu continea o zona cu un grad foarte mare de impuritati, zona care, la locul de imbinare, forma o jonctiune, care ii permitea siliciului sa aiba proprietatile unei valve monodirectionale si sa poata, in acelasi timp, sa raspunda si la actiunea luminii. Intre timp, cercetatorii inventeaza si diodele cu jonctiuni semiconductoare, care incep sa fie fabricate pentru comercializarea pe scara larga, initial sub forma de celule solare.

Aplicatii ale diodelor

Astazi, diodele isi gasesc aplicatii in cele mai variate domenii. Valvele de tip tub cu electroni sunt folosite foarte rar, dar cele cu siliciu sunt valorificate pentru fabricarea echipamentelor responsabile de detectarea frecventelor undelor electromagnetice, pentru transformarea energiei solare in electricitate etc. In interiorul calculatoarelor, televizoarelor si al altor echipamente electrice se gasesc diode capabile sa converteasca tipul alternativ de curent (AC), in curent direct (DC) si sa regleze nivelul voltajului. Valvele de mare putere sunt folosite in structura automobilelor, unde convertesc curentul alternativ in curent direct, care va fi folosit, mai departe, de catre baterie si de catre echipamentele electronice de la bordul masinii. LED-urile (Light Emitting Diodes) au fost perfectionate incepand cu 1960, inlocuind lampele cu incandescenta si, in curand, vor inlocui becurile folosite la farurile masinilor, dar si pe cele folosite in locuinte, pentru iluminat.

De-a lungul timpului au fost create nenumarate variante de diode, in categaoria celor “istorice”, alcatuite din diferite tipuri de materiale si utilizate in diverse aplicatii, cele mai cunoscute fiind redresoarele chimice, numite si valve Nodon (cu electrozi din aluminiu), redresoarele din cupru (cu jonctiuni din cupru si plumb, dar si sulfit de cupru si de magneziu), redresoare din seleniu, electrolitice, gazoase (pe baza de argon), cu mercur, redresoare mecanice, detectorul de raze gama (cunoscut si ca fotocopiatorul) etc.

Dintre diodele in stare solida, frecvent s-au folosit cele din silicon, din germaniu, cele de tip tunel (IMPATT, Zener, Foto, emitatoare de lumina), valvele de tip metal-oxid-metal, inventate in jurul anilor 1975 s.c.

Redresoarele tubulare in S (alcatuite din mai multe valve interconectate) au fost dezvoltate de compania americana “Radio and Research Corporation” si sunt folosite, de cele mai multe ori, de catre amatori, in locul redresoarelor cu valve cu doi electrozi. Anodul este un electron din carbon plat, iar catodul este ca o cupa, cu o mica deschizatura circulara, sub forma unui tub care contine heliu la o presiune de 12 atmosfere. In momentul in care anodul se pozitiveaza, electronii liberi sunt atrasi din toate zonele de catre deschiderea din cupa catodica. Electronii ajung in contact cu atomii de heliu pe care ii ionizeaza. Redresoarele tubulare de tip S (alcatuite din mai multe diode interconectate) au, fiecare, cate 20 de watti, iar curentul este unul de 50 de miliamperi.

Diodele electroluminiscente (LED-urile) sunt in centrul preocuparilor specialistilor, astazi, in conditiile in care trebuie gandita o noua strategie de exploatare a resurselor energetice, bazata pe economisirea acestora. Led-urile par a fi o buna solutie, din acest punct de vedere, pentru iluminatul public, al locuintelor, in industria automobilelor s.c., Uniunea Europeana atribuind peste 12 milioane de euro, pana in 2013, pentru cercetarile din acest sector.