Diood: pooljuht, mis juhib voolu ühes suunas — kasutus ja tüübid

Esimest tüüpi dioodid nimetati Flemingi klappideks. Need olid vaakumtorud. Nad olid klaasist toru sees (nagu lambipirn). Klaaslambi sees oli väike metalljuhe ja suur metallplaat. Väike metalltraat kuumenes ja kiirgas elektrit, mida plaat püüdis kinni. Suur metallplaat ei olnud kuumutatud, nii et elekter võis minna ühes suunas läbi toru, kuid mitte teises suunas. Flemingi klappe ei kasutata enam palju, sest need on asendatud pooljuhtdioodidega, mis on Flemingi klappidest väiksemad. Thomas Edison avastas selle omaduse samuti oma lambipirnide kallal töötades.

Pooljuhtdioodid koosnevad kahte tüüpi pooljuhtidest, mis on omavahel ühendatud. Ühel tüübil on aatomid, millel on lisaelektronid (nn n-pool). Teisel tüübil on aatomeid, mis tahavad elektrone (nn p-pool). Selle tõttu voolab elekter kergesti selle poole pealt, kus on liiga palju elektrone, selle poole pealt, kus on liiga vähe elektrone. Vastupidises suunas ei voola elekter aga kergesti. Neid erinevaid tüüpe valmistatakse dopinguga (pooljuht). Räni, milles on lahustatud arseeni, on hea n-poolne pooljuht, samas kui räni, milles on lahustatud alumiiniumi, on hea p-poolne pooljuht. Ka muud kemikaalid võivad toimida.

N-poolset pistikut nimetatakse katoodiks, p-poolset pistikut anoodiks.

Positiivne pinge p-poolel

Kui anda p-poolele positiivne pinge ja n-poolele negatiivne pinge, tahavad n-poolel olevad elektronid minna p-poolel oleva positiivse pinge juurde ja p-poolel olevad augud tahavad minna n-poolel oleva negatiivse pinge juurde. Selle tõttu on võimalik voolu olemasolu, kuid selle käivitamiseks on vaja teatud suurust pinget (väga väikesest pingest ei piisa, et elektrivool hakkaks voolama). Seda nimetatakse sisselülituspingeks. Ränidioodi sisselülituspinge on umbes 0,7 V juures. Germaaniumdioodi sisselülituspinge peab olema umbes 0,3 V juures.

Negatiivne pinge p-poolel

Kui anda selle asemel p-poolele negatiivne pinge ja n-poolele positiivne pinge, tahavad n-poole elektronid minna dioodi teise poole asemel positiivsesse pingeallikasse. Sama juhtub ka p-poolel. Seega ei voola voolu dioodi kahe poole vahel. Pinge suurendamine sunnib lõpuks elektrivoolu voolama (see on katkestuspinge). Paljud dioodid hävivad pöördvoolu korral, kuid tehakse ka selliseid, mis suudavad selle üle elada.

Kui temperatuur tõuseb, väheneb sisselülituspinge. See muudab elektri läbimise läbi dioodi kergemaks.

Dioodide tüüpe on palju. Mõnel on väga spetsiifiline kasutusotstarve ja mõnel on mitmesuguseid kasutusviise.

Sümbolid

Siin on mõned tavalised pooljuhtdioodide sümbolid, mida kasutatakse skeemides:

Standardne alaldaja diood

See muudab vahelduvvoolu (vahelduvvool, nagu maja seinapistik) alalisvooluks (alalisvool, mida kasutatakse elektroonikas). Standardne alaldaja diood on spetsiifiliste nõuetega. See peab taluma suurt voolu, seda ei tohi temperatuur oluliselt mõjutada, sellel peab olema madal sisselülituspinge ja see peab toetama kiireid muutusi voolu suunas. Kaasaegne analoog- ja digitaalelektroonika kasutab selliseid alaldajaid.

Valgusdiood

LED toodab valgust, kui seda läbib elekter. See on kauem kestev ja tõhusam viis valguse loomiseks kui hõõglambid. Sõltuvalt sellest, kuidas see on valmistatud, võib LED toota erinevaid värve. Esimest korda kasutati LEDe 1970ndatel aastatel. Valgusdiood võib lõpuks asendada lambipirni, kuna arenev tehnoloogia muudab selle heledamaks ja odavamaks (see on juba praegu tõhusam ja kestab kauem). 1970ndatel kasutati LEDe numbrite näitamiseks seadmetes, näiteks kalkulaatorites, ja suuremate seadmete puhul voolu näitamiseks.

Fotodiood

Fotodiood on fotodetektor (valgusdioodi vastand). See reageerib sissetulevale valgusele. Fotodioodidel on aken või optilise kiu ühendus, mis laseb valguse sisse dioodi tundlikku osasse. Dioodidel on tavaliselt tugev takistus; valgus vähendab takistust.

Zenerdiood

Zenerdiood on nagu tavaline diood, kuid selle asemel, et suure pöördpinge tõttu hävida, laseb see elektrit läbi. Selleks vajalikku pinget nimetatakse läbilöögipingeks või Zenerpingeks. Kuna see on ehitatud teadaoleva läbilöögipingega, saab seda kasutada teadaoleva pinge andmiseks.

Varaktori diood

Varicap ehk varaktordioode kasutatakse paljudes seadmetes. See kasutab dioodi p- ja n-poole vahelist piirkonda, kus elektronid ja augud tasakaalustavad teineteist. Seda nimetatakse ammendumistsooniks. Pöördpinge suurust muutes muutub ammendumistsooni suurus. Selles piirkonnas on teatav mahtuvus ja see muutub sõltuvalt kahanemistsooni suurusest. Seda nimetatakse muutuvaks mahtuvuseks või lühendatult varicapiks. Seda kasutatakse PLL-ides (Phase-locked loop), mida kasutatakse kiibi kiire sageduse kontrollimiseks.

Step-Recovery-Diode

Sümboliks on mingisuguse tigedusega dioodi sümbol. Seda kasutatakse kõrgete sagedustega kuni gigahertsini ulatuvate vooluahelate puhul. See lülitub väga kiiresti välja, kui otsepinge lõpeb. See kasutab selleks voolu, mis voolab pärast polaarsuse ümberpööramist.

PIN-diood

Selle dioodi konstruktsioonis on n- ja p-külje vahel sisemine (normaalne) kiht. Aeglasematel sagedustel toimib see nagu tavaline diood. Kuid suurtel kiirustel ei suuda ta kiirete muutustega sammu pidada ja hakkab käituma nagu takisti. Sisemine kiht võimaldab taluda ka suure võimsusega ja seda saab kasutada fotodioodina.

Schottky diood

Selle sümboliks on dioodi sümbol, mille tipus on "S". Selle asemel, et mõlemad pooled oleksid pooljuhid (nagu räni), on üks pool metall, nagu alumiinium või nikkel. See vähendab sisselülituspinget umbes 0,3 voltini. See on umbes pool tavalise dioodi lävepingest. Selle dioodi funktsioon seisneb selles, et vähemuskandjaid ei süstita - n-poolel on ainult augud, mitte elektronid, ja p-poolel on ainult elektronid, mitte augud. Kuna see on puhtam, saab see reageerida kiiremini, ilma difusioonimahtuvuseta, mis võib seda aeglustada. Samuti tekitab see vähem soojust ja on tõhusam. Kuid sellel on mõningane voolu leke pöördpinge korral.

Kui diood lülitub liikuvast voolust mitteliikuvale voolule, nimetatakse seda ümberlülitumiseks. Tüüpilises dioodis võtab see aega kümneid nanosekundeid; see tekitab mõningast raadiomüra, mis ajutiselt halvendab raadiosignaali. Schottky diood lülitub ümber väikese osa sellest ajast, vähem kui nanosekundi jooksul.

Tunneldiood

Tunneldioodi sümbolil on tavalise sümboli lõpus mingi täiendav kandiline sulg.

Tunneldiood koosneb kõrgelt legeeritud pn-ühendusest. Selle kõrge dopingu tõttu on ainult väga kitsas lõhe, millest elektronid saavad läbida. See tunneliefekt ilmneb mõlemas suunas. Pärast teatava hulga elektronide läbimist väheneb vool läbi lõhe, kuni lävepinge juures algab normaalne vool läbi dioodi. See põhjustab negatiivse takistuse ala. Neid dioode kasutatakse väga kõrgete sageduste (100 GHz) puhul. Samuti on see vastupidav kiirgusele, mistõttu neid kasutatakse kosmosesõidukites. Neid kasutatakse ka mikrolainedes ja külmikutes.

Tagurpidi diood

Sümboli lõpus on dioodi sümbol, mis näeb välja nagu suur I. See on valmistatud sarnaselt tunneldioodiga, kuid n- ja p-kihti ei ole nii kõrgelt legeeritud. See võimaldab voolu voolata tagasi väikese negatiivse pinge korral. Seda saab kasutada madalate pingete (alla 0,7 volti) rektifitseerimiseks.

Räni kontrollitud alaldaja (SCR)

Tavalise dioodi kahe kihi asemel on sellel neli kihti, see on põhimõtteliselt kaks kokku pandud dioodi, mille keskel on värav. Kui pinge läheb värava ja katoodi vahele, lülitub alumine transistor sisse. See laseb voolu läbi, mis aktiveerib ülemise transistori, ja siis ei pea voolu sisse lülitama värava pinge.