Dióda: működése, típusai és alkalmazásai (LED, egyenirányító)

Az első diódatípusokat Fleming-szelepeknek nevezték. Ezek vákuumcsövek voltak. Egy üvegcsőben voltak (hasonlóan az izzóhoz). Az üveghagyma belsejében egy kis fémhuzal és egy nagy fémlemez volt. A kis fémhuzal felmelegedett és elektromosságot bocsátott ki, amelyet a lemez befogott. A nagy fémlemez nem melegedett fel, így az elektromosság az egyik irányba mehetett a csövön keresztül, de a másik irányba nem. A Fleming-szelepeket ma már nem nagyon használják, mert felváltották őket a félvezető diódák, amelyek kisebbek, mint a Fleming-szelepek. Thomas Edison is felfedezte ezt a tulajdonságot, amikor a villanykörtéin dolgozott.

A félvezető diódák kétféle félvezetőből állnak, amelyek egymással összekapcsolódnak. Az egyik típusban az atomok plusz elektronokkal rendelkeznek (az úgynevezett n-oldal). A másik típusnak olyan atomjai vannak, amelyek elektronokat akarnak (az úgynevezett p-oldal). Emiatt az elektromosság könnyen áramlik a túl sok elektronnal rendelkező oldalról a túl kevés elektronnal rendelkező oldalra. Az elektromosság azonban nem áramlik könnyen a fordított irányba. Ezeket a különböző típusokat adalékolással (félvezető) állítják elő. A szilícium arzénnel oldva jó n-oldali félvezető, míg az alumíniummal oldva jó p-oldali félvezető. Más vegyi anyagok is működhetnek.

Az n-oldalra csatlakozót katódnak, a p-oldalra csatlakozót anódnak nevezzük.

Pozitív feszültség a p-oldalon

Ha pozitív feszültséget adunk a p-oldalra és negatív feszültséget az n-oldalra, akkor az n-oldalon lévő elektronok a p-oldalon lévő pozitív feszültségre, a p-oldal lyukai pedig az n-oldalon lévő negatív feszültségre akarnak majd menni. Emiatt az áramáramlás képes létezni, de egy bizonyos mennyiségű feszültségre van szükség ahhoz, hogy ez elinduljon (nagyon kis mennyiségű feszültség nem elég ahhoz, hogy az elektromos áram folyjon). Ezt nevezzük a bekapcsolási feszültségnek. A szilíciumdióda bekapcsolási feszültsége körülbelül 0,7 V-nál van. Egy germánium diódának körülbelül 0,3 V-os bekapcsolási feszültségre van szüksége.

Negatív feszültség a p-oldalon

Ha ehelyett negatív feszültséget adunk a p-oldalra és pozitív feszültséget az n-oldalra, akkor az n-oldal elektronjai a dióda másik oldala helyett a pozitív feszültségforrás felé akarnak menni. Ugyanez történik a p-oldalon is. Tehát az áram nem fog áramlani a dióda két oldala között. A feszültség növelése végül az elektromos áram áramlását kényszeríti ki (ez a leszakadási feszültség). Sok diódát tönkretesz a fordított áramlás, de vannak olyanok, amelyek túlélhetik azt.

Ha a hőmérséklet emelkedik, a bekapcsolási feszültség csökken. Ezáltal az elektromosság könnyebben áthalad a diódán.

Sokféle dióda létezik. Néhányuknak nagyon speciális felhasználási módjai vannak, néhányuk pedig sokféleképpen használható.

Szimbólumok

Íme néhány általános félvezető dióda szimbólum, amelyet a kapcsolási rajzokban használnak:

Szabványos egyenirányító dióda

Ez az A/C (váltakozó áram, mint a házi konnektorban) D/C-re (egyenáram, az elektronikában használatos) változik. A szabványos egyenirányító diódának különleges követelményei vannak. Nagy áramot kell kezelnie, a hőmérsékletnek nem szabad nagymértékben befolyásolnia, alacsony bekapcsolási feszültséggel kell rendelkeznie, és támogatnia kell az áramáramlás irányának gyors megváltoztatását. A modern analóg és digitális elektronika ilyen egyenirányítókat használ.

Fénykibocsátó dióda

A LED fényt termel, amikor áram áramlik rajta keresztül. Ez egy hosszabb élettartamú és hatékonyabb módja a fény előállításának, mint az izzók. Attól függően, hogy hogyan készült, a LED különböző színeket tud létrehozni. A LED-eket először az 1970-es években használták. A fénykibocsátó dióda idővel felválthatja az izzót, mivel a fejlődő technológia fényesebbé és olcsóbbá teszi (már most is hatékonyabb és hosszabb ideig tart). Az 1970-es években a LED-eket a számok megjelenítésére használták a készülékekben, például a számológépekben, és a nagyobb készülékeknél a bekapcsolt áram jelzésére.

Fotodióda

A fotodióda egy fotodetektor (a fénykibocsátó dióda ellentéte). A beérkező fényre reagál. A fotodiódáknak van egy ablaka vagy optikai szálcsatlakozása, amely beengedi a fényt a dióda érzékeny részébe. A diódák általában erős ellenállással rendelkeznek; a fény csökkenti az ellenállást.

Zener dióda

A zenerdióda olyan, mint egy normál dióda, de ahelyett, hogy egy nagy fordított feszültség tönkretenné, átengedi az áramot. Az ehhez szükséges feszültséget átütési feszültségnek vagy Zener-feszültségnek nevezik. Mivel ismert áttörési feszültséggel van felépítve, ismert feszültséget lehet vele táplálni.

Varaktor dióda

A varicap vagy varaktor diódát számos készülékben használják. A dióda p- és n-oldala közötti területet használja, ahol az elektronok és a lyukak egyensúlyban vannak egymással. Ezt nevezik kimerülési zónának. A fordított feszültség mértékének változtatásával a kimerülési zóna mérete változik. Ezen a területen van némi kapacitás, és ez a kimerülési zóna mérete alapján változik. Ezt nevezzük változó kapacitásnak, vagy röviden varicapnak. Ezt használják a PLL-ekben (Phase-locked loops, fázishurok), amelyeket a chip nagysebességű frekvenciájának szabályozására használnak.

Step-Recovery-dióda

A szimbólum egy dióda szimbóluma egyfajta gubancgátlóval. Ezt nagy frekvenciájú áramkörökben használják, akár GHz-ig. Nagyon gyorsan kikapcsol, amikor az előremenő feszültség megszűnik. Ehhez azt az áramot használja, amely a polaritás megfordítása után folyik.

PIN dióda

Ennek a diódának a felépítése egy intrinsic (normál) réteggel rendelkezik az n- és a p-oldal között. Lassabb frekvenciákon úgy viselkedik, mint egy hagyományos dióda. Nagy sebességnél azonban nem tud lépést tartani a gyors változásokkal, és elkezd ellenállásként viselkedni. Az intrinsic réteg lehetővé teszi a nagy teljesítményű bemenetek kezelését is, és fotodiódaként is használható.

Schottky dióda

Ennek szimbóluma a dióda szimbólum, a csúcsán egy "S" betűvel. Ahelyett, hogy mindkét oldala félvezető lenne (mint a szilícium), az egyik oldal fém, mint az alumínium vagy a nikkel. Ez csökkenti a bekapcsolási feszültséget körülbelül 0,3 voltra. Ez körülbelül a fele a szokásos dióda küszöbfeszültségének. Ennek a diódának az a funkciója, hogy nem injektálódnak kisebbségi hordozók - az n-oldalon csak lyukak vannak, elektronok nem, a p-oldalon pedig csak elektronok vannak, lyukak nem. Mivel ez tisztább, gyorsabban tud reagálni, a diffúziós kapacitás nélkül, amely lelassíthatja. Emellett kevesebb hőt is termel, és hatékonyabb. De van némi áramszivárgás a fordított feszültséggel.

Amikor egy dióda átvált a mozgó áramról a nem mozgó áramra, ezt nevezzük kapcsolásnak. Ez egy tipikus diódában több tucat nanoszekundumot vesz igénybe; ez némi rádiózajt okoz, ami átmenetileg rontja a rádiójeleket. A Schottky-dióda ennek az időnek a töredéke, kevesebb mint egy nanoszekundum alatt kapcsol.

Alagútdióda

Az alagútdióda szimbólumában a szokásos szimbólum végén van egyfajta kiegészítő szögletes zárójel.

Az alagútdióda egy erősen adalékolt pn-átmenetből áll. A magas doppingtartalom miatt csak egy nagyon keskeny résen tudnak az elektronok áthaladni. Ez az alagút-effektus mindkét irányban megjelenik. Miután egy bizonyos mennyiségű elektron áthaladt, a résen átfolyó áram csökken, amíg a küszöbfeszültségen a diódán átfolyó normál áram be nem indul. Ez egy negatív ellenállású területet okoz. Ezeket a diódákat igazán magas frekvenciák (100 GHz) kezelésére használják. A sugárzásnak is ellenállnak, ezért űrhajókban használják őket. Mikrohullámú készülékekben és hűtőszekrényekben is használják őket.

Hátrameneti dióda

A szimbólum végén a dióda végén egy nagy I-re hasonlító jel van. Az alagútdiódához hasonlóan készül, de az n- és a p-réteget nem adalékolják olyan magasan. Kis negatív feszültséggel lehetővé teszi az áram visszafelé történő áramlását. Kis feszültségek egyenirányítására használható (0,7 voltnál kisebb).

Szilíciumvezérelt egyenirányító (SCR)

A normál diódákhoz hasonló két réteg helyett ez négy rétegű, alapvetően két dióda van egymás mellett, középen egy kapuval. Amikor a kapu és a katód közé feszültség kerül, az alsó tranzisztor bekapcsol. Ez átengedi az áramot, ami aktiválja a felső tranzisztort, és akkor az áramot nem kell bekapcsolni a kapufeszültséggel.