Diodi – määritelmä, toiminta ja yleisimmät tyypit
Tutustu diodin määritelmään, toimintaan ja yleisimpiin tyyppeihin — selkeät esimerkit LED:istä, tasasuuntaajista ja puolijohdediodeista käytännön sovelluksineen.
Diodi on elektroniikkakomponentti, jossa on kaksi elektrodia (liitintä) ja joka sallii sähkön kulkea sen läpi yhteen suuntaan mutta ei toiseen suuntaan. Diodin perusrakenne perustuu yleensä p‑tyypin ja n‑tyypin puolijohteen liitokseen (p–n‑rajapintaan). Kun diodiin kytketään jännite, sen läpi kulkeva virta riippuu jännitteen suunnasta: etusuunnassa (forward bias) diodi johtaa kun etujännite ylittää niin sanotun kynnysjännitteen, ja vastasuuntaisesti (reverse bias) diodi estää virran paitsi hyvin pienen vuotovirran verran.
Diodien avulla vaihtovirta voidaan muuttaa tasavirraksi (diodisilta). Niitä käytetään virtalähteissä ja joskus amplitudimodulaatioradiosignaalien purkamiseen (kuten kideradiossa). Valodiodit (LEDit) ovat eräänlaisia diodeja, jotka tuottavat valoa. Lisäksi diodit toimivat esimerkiksi kytkimenä, suojana jännitepiikkejä vastaan, taajuuden tai amplitudin mittauksissa sekä taajuusmuokkauksessa ja signaalin sekoituksessa.
Toimintaperiaate
P‑ ja n‑tyypin puolijohteet muodostavat rajapinnassa varautuneen vyöhykkeen (depletion region). Tämä alue estää elektronien ja aukkojen vapaan kulun ilman ulkoista jännitettä. Kun diodiin kytketään etusuuntajännite, vyöhyke kapenee ja virta pääsee kulkemaan, kun taas vastasuunta supistaa virran ja kasvattaa vyöhykettä. Jos vastasuuntaista jännitettä kasvatetaan liikaa, diodi saattaa rikkoontua ja alkaa johtaa voimakkaasti käänteissuuntaan — tätä rajaa kutsutaan murtumisjännitteeksi (breakdown). Joissakin diodityypeissä (esim. Zener‑ eli jännitesäätödiodi) tätä ilmiötä hyödynnetään hallitusti jännitteen säätöön.
Tärkeimmät ominaisuudet ja sähköiset käyrät
- I–V‑käyrä: kuvaa virran riippuvuutta jännitteestä. Etusuunnassa tyypillinen käyrä nousee jyrkästi kynnysjännitteen jälkeen.
- Etukynnys (forward voltage): tyypillisesti noin 0,7 V piidiodilla, ~0,3 V germanium‑diodilla ja ~0,2–0,4 V Schottky‑diodilla.
- Käänteisvuoto (reverse leakage): pieni virta, joka kulkee vastasuuntaan; lämpötilariippuvainen.
- Murtumisjännite (reverse breakdown): jännite, jossa diodi alkaa johtaa käänteissuuntaan; Zener‑diodissa tämä on hallittu ominaisuus.
- Käänteissopeutumisaika / palautumisaika: erityisen tärkeä nopeille signaaleille ja kytkennöille (esim. Schottky‑ ja nopeilla signaaleilla mitoitetut signaalidiodit).
- Kapasitanssi: diodin p–n‑rajapinnan kapasitanssi vaikuttaa korkeataajuisessa käytössä.
Yleisimmät diodityypit
- Perusdiodi / tasasuuntausdiodi: käytetään virtalähteissä ja tehopiireissä. Esimerkiksi suuret kuormakenttädiot ja siirtoakkujen diodit.
- Signaalidiodi: pienitehoinen, nopea diodi matalille virroille ja korkeille taajuuksille.
- Zener‑diodi: suunniteltu johdattamaan käänteissuuntaan tietylle jännitteelle, käytetään jännitteensäädössä ja ylijännitesuojana.
- Schottky‑diodi: metallipuolijohderakenne, matala etukynnys ja nopea palautuminen – hyvä muun muassa tasaussovelluksiin ja kytkentöihin.
- Tunnel‑diodi (Esaki‑diodi): erittäin nopea ja sisältää negatiivisen resistanssialueen, käytetty erikoiselektroniikassa ja signaaligeneraattoreissa.
- Avalanche‑diodi: mitoitetaan kestämään ja käyttämään hyödyksi hallittua purkausilmiötä suurilla kääntejännitteillä.
- Varaktoridiodi (varicap): toimii jännitteellä säätyvänä kondensaattorina, käytetään radiovastaanottimien virityspiireissä.
- Fotodiodi: muuntaa valon sähkövirraksi, käytetään valodetektoreina ja optisissa tiedonsiirtoyhteyksissä.
- LED (light‑emitting diode): tuottaa valoa virran vaikutuksesta; väri ja hyötysuhde riippuvat materiaalista ja rakenneratkaisusta. Katso myös LEDit.
Käyttökohteet
- Tasasuuntaukseen ja diodisilta-ratkaisuihin virtalähteissä.
- Suojakomponentteina jännitepiikkejä vastaan (esim. transienttisuoja‑diodit).
- Signaalin muokkaamiseen: leikkaus (clipping), kytkentä (clamping) ja rajaaminen.
- Signaalin havaitsemiseen ja demodulointiin radioissa ja antureissa (fotodiodit, detektorit).
- Jännitteensääntöön Zener‑diodilla ja tehoelektroniikan kytkinpiireissä Schottky‑diodilla.
- Valonlähteenä LED‑diodeja käytetään näyttötekniikassa, valaistuksessa ja ilmoitusvaloissa.
Merkinnät, symboli ja testaus
Diodin symboli on nuoli, joka osoittaa virran suunnan etusuunnassa (nuoli osoittaa kohti viivaa/viivaa vasten). Diodin liittimet kutsutaan anodiksi (nuolen lähtö) ja katodiksi (viiva tai raita kotelossa). Useimmissa koteloissa katodi on merkitty raidalla.
Diodin toimivuuden voi tarkistaa yleismittarilla (diode test ‑tila): mittari näyttää etujännitetasoa tai pätkii virran etusuunnassa ja avoimen piirin vastasuuntaan. Huomioi, että diodi voi rikkoontua murtumistilassa tai sisältää piiloisia vioittumia, joita pelkkä mittaus ei aina paljasta.
Materiaalit ja pakkaus
Nykyään yleisimmät diodit valmistetaan puolijohdemateriaaleista, kuten piistä tai joskus germaniumista. LED‑diodit ja fotodiodit voivat käyttää myös III–V‑yhdisteitä kuten GaAs, GaP tai InGaN, joilla saavutetaan halutut aallonpituudet ja ominaisuudet. Teho‑ ja signaalidiodit toimitetaan eri kotelomuodoissa (lämpöä johtavat tehopaketit, SMD‑pakkaukset pintaliitoskääreet ym.), ja niiden tehohäviöt sekä lämmönhallinta on suunniteltava käyttötarkoituksen mukaan (lämmönlevitin, jäähdytysrivat).
Yhteenvetona: diodi on yksinkertainen mutta monipuolinen komponentti, jonka eri tyypit ja materiaalit mahdollistavat laajan valikoiman sähköisiä ja optisia sovelluksia elektroniikassa.
Diodi
Anodi ja katodi. Katodi on merkitty koteloon.
Historia
Ensimmäisiä diodityyppejä kutsuttiin Flemingin venttiileiksi. Ne olivat tyhjiöputkia. Ne olivat lasiputken sisällä (kuten hehkulamppu). Lasipolttimon sisällä oli pieni metallilanka ja suuri metallilevy. Pieni metallilanka kuumeni ja synnytti sähköä, joka tarttui levyyn. Suuri metallilevy ei kuumentunut, joten sähkö saattoi kulkea putken läpi yhteen suuntaan mutta ei toiseen suuntaan. Fleming-venttiilejä ei enää juurikaan käytetä, koska ne on korvattu puolijohdediodeilla, jotka ovat Fleming-venttiilejä pienempiä. Myös Thomas Edison havaitsi tämän ominaisuuden työskennellessään hehkulamppujensa parissa.
Rakentaminen
Puolijohdediodit koostuvat kahdenlaisista puolijohteista, jotka on kytketty toisiinsa. Toisessa tyypissä on atomeja, joissa on ylimääräisiä elektroneja (n-puoli). Toisessa tyypissä on atomeja, jotka haluavat elektroneja (p-puoli). Tämän vuoksi sähkö virtaa helposti puolelta, jolla on liikaa elektroneja, puolelle, jolla on liian vähän elektroneja. Sähkö ei kuitenkaan kulje helposti päinvastaiseen suuntaan. Nämä eri tyypit valmistetaan seostamalla (puolijohde). Pii, johon on liuotettu arseenia, on hyvä n-puolen puolijohde, kun taas pii, johon on liuotettu alumiinia, on hyvä p-puolen puolijohde. Myös muut kemikaalit voivat toimia.
N-puolen liitintä kutsutaan katodiksi ja p-puolen liitintä anodiksi.
Putkidiodin rakenne
Diodin toiminta
Positiivinen jännite p-puolella
Jos annat positiivisen jännitteen p-puolelle ja negatiivisen jännitteen n-puolelle, n-puolen elektronit haluavat mennä p-puolen positiiviseen jännitteeseen ja p-puolen reiät haluavat mennä n-puolen negatiiviseen jännitteeseen. Tämän vuoksi virran kulku on mahdollista, mutta tämän käynnistämiseen tarvitaan tietty määrä jännitettä (hyvin pieni määrä jännitettä ei riitä saamaan sähkövirtaa kulkemaan). Tätä kutsutaan katkaisujännitteeksi. Piidiodin katkaisujännite on noin 0,7 V. Germaniumdiodin katkaisujännite on noin 0,3 V.
Negatiivinen jännite p-puolella
Jos sen sijaan annat negatiivisen jännitteen p-puolelle ja positiivisen jännitteen n-puolelle, n-puolen elektronit haluavat mennä positiiviseen jännitelähteeseen diodin toisen puolen sijaan. Sama tapahtuu p-puolella. Virta ei siis kulje diodin kahden puolen välillä. Jännitteen kasvattaminen pakottaa lopulta sähkövirran virtaamaan (tämä on katkaisujännite). Monet diodit tuhoutuvat käänteisvirran vaikutuksesta, mutta on tehty myös sellaisia, jotka voivat selvitä siitä.
Lämpötilan vaikutus
Kun lämpötila nousee, katkaisujännite laskee. Tämä helpottaa sähkön kulkua diodin läpi.
Diodityypit
Diodityyppejä on monenlaisia. Joillakin on hyvin erityisiä käyttötarkoituksia, ja joillakin on monenlaisia käyttötarkoituksia.
Symbolit
Seuraavassa on joitakin yleisiä puolijohdediodisymboleja, joita käytetään kaaviokuvissa:
|
|
|
|
|
| Diodi | Zeneridiodi | Schottky-diodi | Tunnelidiodi |
|
|
|
|
|
| Fotodiodi | Varicap |
Tavallinen tasasuuntausdiodi
Tämä muuttaa A/C-virran (vaihtovirta, kuten talon seinäpistokkeessa) D/C-virraksi (tasavirta, jota käytetään elektroniikassa). Tavallisella tasasuuntausdiodilla on erityisvaatimukset. Sen on kestettävä suurta virtaa, lämpötilan ei pitäisi vaikuttaa siihen paljon, sen on oltava alhainen katkaisujännite ja sen on tuettava virran kulkusuunnan nopeita muutoksia. Nykyaikaisessa analogisessa ja digitaalisessa elektroniikassa käytetään tällaisia tasasuuntaajia.
Valoa lähettävä diodi
LED tuottaa valoa, kun sen läpi virtaa sähköä. Se on pitkäikäisempi ja tehokkaampi tapa tuottaa valoa kuin hehkulamput. Riippuen siitä, miten se on valmistettu, LED voi tuottaa eri värejä. LED-valoja käytettiin ensimmäisen kerran 1970-luvulla. Valodiodi saattaa lopulta korvata hehkulampun, kun kehittyvä teknologia tekee siitä kirkkaamman ja halvemman (se on jo nyt tehokkaampi ja kestää kauemmin). 1970-luvulla ledejä käytettiin näyttämään numeroita laitteissa, kuten laskimissa, ja osoittamaan suurempien laitteiden virransaantia.
Fotodiodi
Fotodiodi on valonilmaisin (valoa lähettävän diodin vastakohta). Se reagoi sisään tulevaan valoon. Fotodiodissa on ikkuna tai optinen kuituliitäntä, joka päästää valon sisään diodin herkkään osaan. Diodeilla on yleensä voimakas vastus; valo pienentää vastusta.
Zeneridiodi
Zeneridiodi on kuin tavallinen diodi, mutta sen sijaan, että suuri käänteisjännite tuhoaisi sen, se päästää sähkön läpi. Tähän tarvittavaa jännitettä kutsutaan läpilyöntijännitteeksi tai Zener-jännitteeksi. Koska se on rakennettu tunnetulla läpilyöntijännitteellä, sitä voidaan käyttää tunnetun jännitteen syöttämiseen.
Varaktori-diodi
Varicap- tai varaktori-diodia käytetään monissa laitteissa. Se käyttää diodin p- ja n-puolen välistä aluetta, jossa elektronit ja reiät tasapainottavat toisiaan. Tätä kutsutaan tyhjennysvyöhykkeeksi. Muuttamalla käänteisjännitteen määrää tyhjennysvyöhykkeen koko muuttuu. Tällä alueella on jonkin verran kapasitanssia, ja se muuttuu poistovyöhykkeen koon mukaan. Tätä kutsutaan muuttuvaksi kapasitanssiksi tai lyhyesti varicapiksi. Sitä käytetään PLL:ssä (Phase-locked loops), joita käytetään sirun nopean taajuuden ohjaamiseen.
Step-Recovery-Diode
Symboli on diodin symboli, jossa on eräänlainen nakki. Sitä käytetään piireissä, joissa on korkeat taajuudet GHz:iin asti. Se sammuu hyvin nopeasti, kun eteenpäin suuntautuva jännite lakkaa. Se käyttää tähän virtaa, joka virtaa napaisuuden kääntämisen jälkeen.
PIN-diodi
Tämän diodin rakenteessa on n- ja p-puolen välissä sisäinen (normaali) kerros. Hitaammilla taajuuksilla se toimii kuten tavallinen diodi. Mutta suurilla nopeuksilla se ei pysy mukana nopeissa muutoksissa ja alkaa toimia vastuksen tavoin. Sisäisen kerroksen ansiosta se voi myös käsitellä suuria tehoja, ja sitä voidaan käyttää valodiodina.
Schottky-diodi
Tämän symboli on diodisymboli, jonka kärjessä on S-kirjain. Sen sijaan, että molemmat puolet olisivat puolijohteita (kuten pii), toinen puoli on metallia, kuten alumiinia tai nikkeliä. Tämä vähentää katkaisujännitettä noin 0,3 volttiin. Tämä on noin puolet tavallisen diodin kynnysjännitteestä. Tämän diodin tehtävänä on, että vähemmistökantajia ei ruiskuteta - n-puolella on vain reikiä, ei elektroneja, ja p-puolella on vain elektroneja, ei reikiä. Koska tämä on puhtaampi, se voi reagoida nopeammin ilman diffuusiokapasitanssia, joka voi hidastaa sitä. Se tuottaa myös vähemmän lämpöä ja on tehokkaampi. Mutta sillä on jonkin verran virtavuotoa käänteisjännitteellä.
Kun diodi vaihtaa virran liikkeestä virran pysähtymiseen, tätä kutsutaan kytkennäksi. Tyypillisessä diodissa se kestää kymmeniä nanosekunteja; tämä aiheuttaa jonkin verran radiokohinaa, joka heikentää tilapäisesti radiosignaaleja. Schottky-diodi kytkeytyy pienessä murto-osassa tästä ajasta, alle nanosekunnissa.
Tunnelidiodi
Tunnelidiodin symbolissa on tavallisen symbolin lopussa eräänlainen ylimääräinen hakasulku.
Tunnelidiodi koostuu voimakkaasti seostetusta pn-liitoksesta. Korkean dopingpitoisuuden vuoksi on vain hyvin kapea rako, jonka läpi elektronit pääsevät kulkemaan. Tämä tunneli-ilmiö ilmenee molempiin suuntiin. Kun tietty määrä elektroneja on kulkenut, virta raon läpi pienenee, kunnes kynnysjännitteellä alkaa normaali virta diodin läpi. Tämä aiheuttaa alueen negatiivisen vastuksen. Näitä diodeja käytetään todella korkeilla taajuuksilla (100 GHz). Se kestää myös säteilyä, joten niitä käytetään avaruusaluksissa. Niitä käytetään myös mikroaalloissa ja jääkaapeissa.
Taaksepäin suuntautuva diodi
Symbolin päässä on merkki, joka näyttää isolta I:ltä. Se on tehty samalla tavalla kuin tunnelidiodi, mutta n- ja p-kerrosta ei ole seostettu yhtä voimakkaasti. Se sallii virran kulkemisen taaksepäin pienillä negatiivisilla jännitteillä. Sitä voidaan käyttää pienten jännitteiden (alle 0,7 volttia) tasasuuntaamiseen.
Piiohjattu tasasuuntaaja (SCR)
Normaalin diodin kahden kerroksen sijasta tässä on neljä kerrosta, eli periaatteessa kaksi diodia, jotka on koottu yhteen ja joiden keskellä on portti. Kun jännite menee portin ja katodin väliin, alempi transistori kytkeytyy päälle. Tämä päästää virran läpi, mikä aktivoi ylemmän transistorin, ja sitten virtaa ei tarvitse kytkeä päälle porttijännitteellä.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on diodi?
A: Diodi on elektroniikkakomponentti, jossa on kaksi elektrodia ja joka sallii sähkön kulkea sen läpi yhteen suuntaan, mutta ei toiseen suuntaan.
K: Mihin diodeja käytetään?
V: Diodeja voidaan käyttää vaihtovirran muuttamiseen tasavirraksi (diodisilta). Niitä käytetään virtalähteissä ja joskus amplitudimodulaatioradiosignaalien purkamiseen.
K: Mitä ovat valoa säteilevät diodit?
V: Valoa säteilevät diodit (LEDit) ovat eräänlaisia diodeja, jotka tuottavat valoa.
K: Mitä materiaaleja käytetään useimmiten diodien valmistuksessa?
V: Nykyään yleisimmät diodit valmistetaan puolijohdemateriaaleista, kuten piistä tai joskus germaniumista.
K: Kuinka monta elektrodia diodissa on?
V: Diodissa on kaksi elektrodia (liitintä).
K: Voiko sähkö kulkea diodin läpi molempiin suuntiin?
V: Ei, sähkö voi kulkea diodin läpi vain yhteen suuntaan.
K: Mikä on diodien tarkoitus muuttaa vaihtovirta tasavirraksi?
V: Kun diodeja käytetään vaihtovirran muuttamiseen tasavirraksi, tarkoituksena on helpottaa tasavirtaa tarvitsevien elektronisten laitteiden virransyöttöä.
Etsiä