Diode: Hvad er det? Typer, funktion og anvendelser

De første typer dioder blev kaldt Fleming-ventiler. De var vakuumrør. De befandt sig i et glasrør (ligesom en glødepære). Inde i glaspæren var der en lille metaltråd og en stor metalplade. Den lille metaltråd blev varm og afgav elektricitet, som blev opfanget af pladen. Den store metalplade blev ikke opvarmet, så elektriciteten kunne gå i den ene retning gennem røret, men ikke i den anden retning. Fleming-ventiler bruges ikke meget længere, fordi de er blevet erstattet af halvlederdioder, som er mindre end Fleming-ventiler. Thomas Edison opdagede også denne egenskab, da han arbejdede på sine glødepærer.

Halvlederdioder består af to typer halvledere, der er forbundet med hinanden. Den ene type har atomer med ekstra elektroner (kaldet n-siden). Den anden type har atomer, der mangler elektroner (kaldet p-siden). På grund af dette vil elektriciteten let strømme fra den side med for mange elektroner til den side med for få elektroner. Elektriciteten vil dog ikke let strømme i den modsatte retning. Disse forskellige typer fremstilles ved hjælp af dotering (halvleder). Silicium med arsen opløst i det giver en god n-sidehalvleder, mens silicium med aluminium opløst i det giver en god p-sidehalvleder. Andre kemikalier kan også fungere.

Kontakten til n-siden kaldes katode, kontakten til p-siden kaldes anode.

Positiv spænding på p-siden

Hvis du giver positiv spænding til p-siden og negativ spænding til n-siden, vil elektronerne på n-siden søge mod den positive spænding på p-siden, og hullerne på p-siden vil søge mod den negative spænding på n-siden. På grund af dette er der mulighed for strømgennemstrømning, men det kræver en vis mængde spænding at få dette i gang (en meget lille mængde spænding er ikke nok til at få den elektriske strøm til at flyde). Dette kaldes cut-in-spændingen. Cut-in-spændingen for en siliciumdiode ligger ved ca. 0,7 V. En germaniumdiode har brug for en indkoblingsspænding på ca. 0,3 V.

Negativ spænding på p-siden

Hvis du i stedet giver negativ spænding til p-siden og positiv spænding til n-siden, vil elektronerne på n-siden gå til den positive spændingskilde i stedet for til den anden side af dioden. Det samme sker på p-siden. Så der vil ikke løbe strøm mellem de to sider af dioden. En forøgelse af spændingen vil i sidste ende tvinge elektrisk strøm til at flyde (dette er nedbrydningsspændingen). Mange dioder vil blive ødelagt af en omvendt strøm, men der findes nogle, som kan overleve det.

Når temperaturen stiger, falder spændingen ved indkoblingen. Dette gør det lettere for elektriciteten at passere gennem dioden.

Der findes mange typer af dioder. Nogle har meget specifikke anvendelsesmuligheder, og andre har mange forskellige anvendelsesmuligheder.

Symboler

Her er nogle almindelige halvlederdiodesymboler, der anvendes i diagrammer:

Standard ensretterdiode

Dette ændrer A/C (vekselstrøm, som i et vægstik i et hus) til D/C (jævnstrøm, som bruges i elektronik). En standard ensretterdiode har særlige krav. Den skal kunne håndtere høj strøm, ikke påvirkes meget af temperatur, have en lav indgangsspænding og kunne klare hurtige ændringer i strømretningen. Moderne analog og digital elektronik anvender sådanne ensrettere.

Lysemitterende diode

En lysdiode producerer lys, når der strømmer elektricitet igennem den. Det er en længerevarende og mere effektiv måde at skabe lys på end glødepærer. Afhængigt af hvordan den er lavet, kan LED'en give forskellige farver. LED'er blev først brugt i 1970'erne. Den lysemitterende diode kan med tiden erstatte glødepæren, da udviklingen af teknologien gør den lysstærkere og billigere (den er allerede mere effektiv og holder længere). I 1970'erne blev lysdioderne brugt til at vise tal i apparater som f.eks. lommeregnere og som en måde at vise, at der var strøm på i større apparater.

Fotodiode

En fotodiode er en fotodetektor (det modsatte af en lysemitterende diode). Den reagerer på lys, der kommer ind. Fotodioder har et vindue eller en optisk fiberforbindelse, som lader lys trænge ind til den følsomme del af dioden. Dioder har normalt en stærk modstand; lyset reducerer modstanden.

Zenerdiode

En zenerdiode er som en normal diode, men i stedet for at blive ødelagt af en stor omvendt spænding lader den strømmen passere i stedet for at blive ødelagt af en stor omvendt spænding. Den spænding, der er nødvendig for dette, kaldes nedbrydningsspændingen eller Zener-spændingen. Fordi den er bygget med en kendt nedbrydningsspænding, kan den bruges til at levere en kendt spænding.

Varactor-diode

Varicap- eller varactordioden anvendes i mange apparater. Den bruger området mellem p- og n-siden af dioden, hvor elektroner og huller balancerer hinanden. Dette kaldes udtyndingszonen. Ved at ændre størrelsen af den omvendte spænding ændres størrelsen af udtyndingszonen. Der er en vis kapacitans i dette område, og den ændrer sig afhængigt af størrelsen af udtyndingszonen. Dette kaldes variabel kapacitet, forkortet varicap. Det bruges i PLL'er (Phase-locked loops), som bruges til at styre den højhastighedsfrekvens, som en chip kører med.

Step-Recovery-Diode

Symbolet er symbolet på en diode med en slags snask. Den anvendes i kredsløb med høje frekvenser op til GHz. Den slukker meget hurtigt, når den fremadrettede spænding stopper. Den bruger den strøm, der løber efter at polariteten er blevet vendt om, til at gøre dette.

PIN-diode

Konstruktionen af denne diode har et iboende (normalt) lag mellem n- og p-siden. Ved lavere frekvenser fungerer den som en almindelig diode. Men ved høje hastigheder kan den ikke følge med i de hurtige ændringer og begynder at opføre sig som en modstand. Det intrinsiske lag gør det også muligt for den at håndtere høje strømindgange og kan bruges som fotodiode.

Schottky-diode

Symbolet for dette er diodesymbolet med et "S" på toppen. I stedet for at begge sider er en halvleder (som f.eks. silicium), er den ene side et metal, som f.eks. aluminium eller nikkel. Dette reducerer indskæringsspændingen til ca. 0,3 volt. Dette er ca. halvdelen af tærskelspændingen for en almindelig diode. Funktionen af denne diode er, at der ikke injiceres minoritetsbærere - n-siden har kun huller, ikke elektroner, og p-siden har kun elektroner, ikke huller. Fordi dette er renere, kan den reagere hurtigere, uden diffusionskapacitet, der kan bremse den. Det skaber også mindre varme og er mere effektivt. Men den har en vis strømlækage ved omvendt spænding.

Når en diode skifter fra at bevæge strøm til ikke at bevæge strøm, kaldes dette for switching. Det tager snesevis af nanosekunder i en typisk diode; dette skaber en vis radiostøj, som midlertidigt forringer radiosignalerne. Schottky-dioden skifter på en lille brøkdel af denne tid, mindre end et nanosekund.

Tunneldiode

I symbolet for tunneldioden er der en slags ekstra firkantet parentes i slutningen af det sædvanlige symbol.

En tunneldiode består af en højt doteret pn-forbindelse. På grund af denne høje dotering er der kun et meget smalt hul, som elektronerne kan passere. Denne tunneleffekt forekommer i begge retninger. Efter at en vis mængde elektroner er passeret, falder strømmen gennem spalten, indtil den normale strøm gennem dioden ved tærskelspændingen begynder at strømme. Dette medfører et område med en negativ modstand. Disse dioder anvendes til at håndtere meget høje frekvenser (100 GHz). Den er også modstandsdygtig over for stråling, så de anvendes i rumfartøjer. De anvendes også i mikrobølger og køleskabe.

Bagudrettet diode

Symbolet har for enden af dioden et tegn, der ligner et stort I. Den er lavet på samme måde som tunneldioden, men n- og p-laget er ikke så højt doteret. Den gør det muligt at lade strømmen løbe baglæns med små negative spændinger. Den kan bruges til at ensrette lave spændinger (mindre end 0,7 volt).

Siliciumstyret ensretter (SCR)

I stedet for to lag som en normal diode har denne fire lag, det er i princippet to dioder sat sammen med en gate i midten. Når der kommer spænding mellem gaten og katoden, tænder den nederste transistor. Dette lader strømmen gå igennem, hvilket aktiverer den øverste transistor, og så behøver strømmen ikke at blive tændt af en gatespænding.