Diod

Historia

De första typerna av dioder kallades Flemingventiler. De var vakuumrör. De befann sig i ett glasrör (ungefär som en glödlampa). Inne i glaskolven fanns en liten metalltråd och en stor metallplatta. Den lilla metalltråden värmde upp och avgav elektricitet som fångades upp av plattan. Den stora metallplattan värmdes inte upp, så elektriciteten kunde gå i ena riktningen genom röret men inte i andra riktningen. Flemingventiler används inte mycket längre eftersom de har ersatts av halvledardioder, som är mindre än Flemingventiler. Thomas Edison upptäckte också denna egenskap när han arbetade med sina glödlampor.

Konstruktion

Halvledardioder består av två typer av halvledare som är kopplade till varandra. Den ena typen har atomer med extra elektroner (kallad n-sidan). Den andra typen har atomer som vill ha elektroner (kallas p-sidan). På grund av detta kommer elektriciteten lätt att flöda från sidan med för många elektroner till sidan med för få elektroner. Det är dock inte lätt att strömma i motsatt riktning. Dessa olika typer tillverkas genom dopning (halvledare). Kisel med arsenik löst i sig ger en bra halvledare på n-sidan, medan kisel med aluminium löst i sig ger en bra halvledare på p-sidan. Andra kemikalier kan också fungera.

Kontakten till n-sidan kallas katod, kontakten till p-sidan kallas anod.

Strukturen hos en rördiod

En diods funktion

Positiv spänning på p-sidan

Om du ger positiv spänning till p-sidan och negativ spänning till n-sidan kommer elektronerna på n-sidan att vilja gå till den positiva spänningen på p-sidan och hålen på p-sidan kommer att vilja gå till den negativa spänningen på n-sidan. På grund av detta kan det finnas ett strömflöde, men det krävs en viss mängd spänning för att få igång detta (en mycket liten mängd spänning räcker inte för att få den elektriska strömmen att flöda). Detta kallas för inkopplingsspänningen. Inkopplingsspänningen för en kiseldiod ligger på cirka 0,7 V. En germaniumdiod behöver en inkopplingsspänning på cirka 0,3 V.

Negativ spänning på p-sidan

Om du istället ger negativ spänning till p-sidan och positiv spänning till n-sidan vill elektronerna på n-sidan gå till den positiva spänningskällan i stället för till andra sidan av dioden. Samma sak händer på p-sidan. Så strömmen kommer inte att flöda mellan diodens två sidor. Om spänningen ökas kommer den elektriska strömmen så småningom att tvingas flöda (detta är nedbrytningsspänningen). Många dioder kommer att förstöras av ett omvänt flöde, men det tillverkas några som kan överleva det.

Temperaturens inverkan

När temperaturen ökar sjunker spänningen för inkoppling. Detta gör det lättare för elektriciteten att passera genom dioden.

Typer av dioder

Det finns många olika typer av dioder. Vissa har mycket specifika användningsområden och andra har många olika användningsområden.

Symboler

Här är några vanliga symboler för halvledardioder som används i schematiska diagram:

Diod	Zenerdiod	Schottky-diod	Tunneldiod
Ljusemitterande diod	Fotodiod	Varicap	Kiselstyrd likriktare

Standard likriktardiod

Detta ändrar A/C (växelström, som i en väggkontakt i ett hus) till D/C (likström, som används i elektronik). En vanlig likriktardiod har särskilda krav. Den ska kunna hantera hög ström, inte påverkas så mycket av temperatur, ha en låg brytspänning och klara snabba ändringar i strömriktningen. Modern analog och digital elektronik använder sådana likriktare.

Ljusemitterande diod

En lysdiod producerar ljus när elektricitet strömmar genom den. Det är ett mer långvarigt och effektivt sätt att skapa ljus än glödlampor. Beroende på hur den är tillverkad kan lysdioden ge olika färger. Lysdioder användes för första gången på 1970-talet. Den ljusemitterande dioden kan så småningom komma att ersätta glödlampan i takt med att utvecklingen av tekniken gör den ljusare och billigare (den är redan effektivare och håller längre). På 1970-talet användes lysdioder för att visa siffror i apparater som t.ex. miniräknare och som ett sätt att visa att strömmen var på för större apparater.

Fotodiod

En fotodiod är en fotodetektor (motsatsen till en lysdiod). Den reagerar på ljus som kommer in. Fotodioder har ett fönster eller en optisk fiberanslutning som släpper in ljus till den känsliga delen av dioden. Dioder har vanligtvis ett starkt motstånd; ljuset minskar motståndet.

Zenerdiod

En zenerdiod är som en vanlig diod, men i stället för att förstöras av en stor omvänd spänning släpper den igenom elektricitet. Den spänning som behövs för detta kallas för nedbrytningsspänning eller Zener-spänning. Eftersom den är byggd med en känd nedbrytningsspänning kan den användas för att leverera en känd spänning.

Varactor-diod

Varicap- eller varactordioden används i många apparater. Den utnyttjar området mellan p- och n-sidan av dioden där elektroner och hål balanserar varandra. Detta kallas för förbrukningszonen. Genom att ändra storleken på den omvända spänningen ändras storleken på utarmningszonen. Det finns en viss kapacitans i detta område, och den förändras beroende på storleken på utarmningszonen. Detta kallas variabel kapacitans, eller varicap förkortat. Den används i PLL:er (Phase-locked loops) som används för att styra höghastighetsfrekvensen som ett chip körs med.

Steg-återhämtningsdiod

Symbolen är symbolen för en diod med ett slags snäcka. Den används i kretsar med höga frekvenser upp till GHz. Den stängs av mycket snabbt när framspänningen upphör. Den använder den ström som flyter efter att polariteten har blivit omvänd för att göra detta.

PIN-diod

Konstruktionen av denna diod har ett inneboende (normalt) skikt mellan n- och p-sidorna. Vid lägre frekvenser fungerar den ungefär som en vanlig diod. Men vid höga hastigheter kan den inte hålla jämna steg med snabba förändringar och börjar agera som ett motstånd. Det inneboende skiktet gör också att den kan hantera hög effekt och kan användas som fotodiod.

Schottky-diod

Symbolen för detta är diodsymbolen, med ett S i toppen. I stället för att båda sidorna är halvledare (som kisel) är den ena sidan metall, som aluminium eller nickel. Detta minskar inbrytningsspänningen till cirka 0,3 volt. Detta är ungefär hälften av tröskelspänningen för en vanlig diod. Funktionen hos denna diod är att inga minoritetsbärare injiceras - n-sidan har bara hål, inte elektroner, och p-sidan har bara elektroner, inte hål. Eftersom detta är renare kan den reagera snabbare, utan diffusionskapacitet som kan bromsa den. Den skapar också mindre värme och är effektivare. Men den har ett visst strömläckage vid omvänd spänning.

När en diod växlar från att flytta ström till att inte flytta ström kallas detta för växling. Det tar dussintals nanosekunder i en typisk diod, vilket ger upphov till en del radiostörningar som tillfälligt försämrar radiosignalerna. Schottkydioden växlar på en liten del av denna tid, mindre än en nanosekund.

Tunneldiod

I symbolen för tunneldioden finns det ett slags extra fyrkantig parentes i slutet av den vanliga symbolen.

En tunneldiod består av en starkt dopad pn-övergång. På grund av den höga dopningen finns det bara ett mycket smalt gap där elektronerna kan passera. Denna tunneleffekt uppträder i båda riktningarna. Efter att en viss mängd elektroner har passerat minskar strömmen genom gapet, tills den normala strömmen genom dioden vid tröskelspänningen börjar. Detta orsakar ett område med ett negativt motstånd. Dessa dioder används för att hantera riktigt höga frekvenser (100 GHz). Den är också motståndskraftig mot strålning, så de används i rymdfarkoster. De används också i mikrovågor och kylskåp.

Bakåtriktad diod

Symbolen har i slutet av dioden ett tecken som ser ut som ett stort I. Den är tillverkad på samma sätt som tunneldioden, men n- och p-skiktet är inte lika högt dopat. Den gör det möjligt för strömmen att flöda bakåt med små negativa spänningar. Den kan användas för att likrikta låga spänningar (mindre än 0,7 volt).

Kiselstyrd likriktare (SCR)

Istället för två lager som en vanlig diod har den här fyra lager, det är i princip två dioder som sätts ihop, med en grind i mitten. När spänningen går mellan grinden och katoden aktiveras den nedre transistorn. Detta låter strömmen passera, vilket aktiverar den övre transistorn, och då behöver strömmen inte slås på av en gate-spänning.