דיודה (באנגלית:Diode), היארכיב אלקטרוני בעל שני חיבורים, שפועל כשסתום חד-כיווני ומאפשר מעברזרם חשמלי בכיוון אחד בלבד. בתרשימי חשמל, הדיודה מסומנת בצורת חץ, שקודקודו נפגש עם קו אנכי, בכיוון הזרימה של החשמל. שני הדקי הדיודה קרוייםאנודה (הדק חיובי) וקתודה (הדק שלילי), כאשר כיוון הזרם החשמלי הוא מהאנודה לקתודה.
בשנת1880, במהלך ניסויים בנורת הליבון שהמציא, הלחיםתומאס 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 להעבירזרם 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 רשםפטנט על שימוש בתופעה זו (שנקראה אז "אפקט אדיסון", וכיום קרויהפליטה 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 יוצרשדה 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.
חוקרים אשר עסקו במחקר על חומריםמוליכים למחצה הציגו תופעות הדומות להתנהגות של דיודה כבר במאה ה-19. ב-1926 ל. גרונדל ופ. וגייגר הציגו דיודה המבוססת על חיבור ביןנחושת לתחמוצת נחושת (חומר מוליך למחצה). ב-1938 נתןולטר שוטקי הסבר תאורטי להתנהגות זו. דיודה זו, המבוססת על חיבור בין מוליך למחצה ומתכת, נקראת על שמודיודת שוטקי. דיודה המבוססת על חיבור בין מוליכים למחצה בעליאילוח שונה (דיודת PN) תוארה על ידיויליאם 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.
בשפופרות ריק, חוט תיל (הקתודה) פלט אלקטרונים כתוצאה מחימומו (פליטה תרמיונית) כאשר התופעה לכך מוסברתבקרינה 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 מחיבורמוליכים למחצה בעלי אילוח שונה
בדיודת PN הרעיון מיושם בדרך שונה לחלוטין. דיודת PN היא בעצםצומת 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.
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 הנקראזרם זליגה. זרם זה זניח בדרך כלל, אולם הוא יוצר בעיות רבות בתכנונים קטנים (בעיקר בעיות של בזבוזהספק). 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 אינוליניארי, וייחודו מתבטא בעובדה שההתנגדות תלויה בכיוון שבו מנסים להזרים את הזרם ובמתח ההפעלה – התנגדות נמוכה בכיוון ההולכה וגבוהה מאוד בכיוון ההפוך.
בנוסף, קיימת תופעה הנקראתפריצה. באמצעות הפעלת מתח אחורי חזק מספיק, ניתן לפרוץ דיודה ולגרום לה להזרים זרם בכיוון ההפוך. ישנם כמה גורמים לפריצת דיודה, וכמה דיודות (כמודיודת זנר, ראו בהמשך) מתוכננות בהתאם לגורמים אלו. באופיין המופיע באיור לא ניתן לראות פריצה.
משוואת האופיין היא:כאשר
הוא הזרם בדיודה
הוא זרם הזליגה בדיודה (זהו הזרם החלש שזורם בדיודה כאשר היא בממתח אחורי)
הוא המתח על הדיודה
הוא מקדם שתלוי בחומר ממנו עשויה הדיודה (בדרך כלל ערכו 1 או 2)
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.
יצירתשערים לוגיים – בעבר השתמשו בדיודות ליצירת שערים לוגיים כגון שעריNAND ו-NOR. המחשבים הראשונים שנבנו היו מבוססים על שערי דיודות. כיום משתמשים בעיקר בטרנזיסטורים ליצירת שערים לוגיים.
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 בחומריםמוליכים למחצה, שבמהלכם נפלטיםפוטונים. 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), ליצירתלייזר 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 שלקלרנס 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 ליצירתאנרגיה 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 בעיקרוןהקוונטי שלמנהור (Tunneling) כדי להשיג התנגדות דיפרנציאלית שלילית (כלומר זרם הקטן עם הגדלת המתח). בעבר השתמשו בדיודות כאלה ליצירתמתנדים 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).
