Diodi

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
Valoa säteilevä diodi	Fotodiodi	Varicap	Piiohjattu tasasuuntaaja

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.