Félvezető diódák fajtái
Egyenirányító diódák
A diódák elsődleges alkalmazási területe az áramszelep jellegükből adódik, ez a váltakozó feszültségek egyenirányítása. Ha a hálózat 50 Hz-es (esetleg 60 Hz-es) feszültségét egyenirányítjuk - hálózati egyenirányító diódákat használunk. Ezeknél a p-n átmeneten általában nagy áramok folynak nyitóirányban (és aránylag nagy feszültségek jelenhetnek meg záróirányban a negatív félperiódusban, ezért nagy felületű átmeneti réteget kell kialakítani. Ezek a diódák általában rétegdiódák, a nagy rétegfelület miatt a kapacitásuk nagy.
Ha nagyfrekvenciás jeleket akarunk egyenirányítani (általában kis áramokról van szó, pl. rádiófrekvenciás jel demodulálása esetén) ú.n. nagyfrekvenciás diódákat alkalmazunk kis felületű p-n rétegekkel, amely kis kapacitású. Legtöbbször a p típusú kristályra egy aranytűt helyeznek és egy gyors áramimpulzussal, amelynek hatására a szabad elektronokat tartalmazó fémtű beleötvöződik a félvezető kristályba, létrehozzák a p-n átmenetet, amely így nagyon kis felületű lesz. Az így kialakított nagyfrekvenciás diódát tűs diódának nevezzük.
Kapcsolókat is helyettesíthetnek a vezérlés és szabályozástechnika területén, valamint a logikai áramkörökben az úgynevezett kapcsolódiódák, ahol a gyors működés feltételeként nagyon kis töltésmennyiséget tartalmazhat a záróréteg, hogy képes legyen gyorsan kiürülni ill. nyitni. Ezt a be- ill. kikapcsolási időt feléledési időnek is nevezzük.
Zener diódák
Ha a dióda p-n átmeneti rétegének szennyezettségét megnövelik, a tértöltés növekszik és így a létrejövő elektromos tér is nagyobb lesz. Ezt még növeli a külső záróirányú feszültség, és ha a térerősség eléri a kritikus értéket, az elektronokra ható erő képes lesz kiszakítani őket a kristálykötésből. Ez a Zener effektus. Ezután a lavinaeffektus hatására létrejön a záróirányú letörés, mint azt a p-n átmenet záróirányú viselkedésénél láthattuk. (A 14.ábrán a zener dióda szokásos rajzjelei láthatók). Ha a záróirányú feszültség a kritikus érték alá csökken, a dióda visszatér a zárt állapotba és újra nagy ellenállású lesz. A Zener diódára jellemző a letörési ú.n. Zener feszültség és a karakterisztika letörési szakaszából megállapítható differenciális (dinamikus) ellenállás, amely a munkaponthoz húzható érintő iránytangensének reciproka: rz=dUz/dIz. Feszültségstabilizálásra és referenciafeszültségek előállítására használják.
Fotodiódák
A záróirányban előfeszített p-n átmeneten, mint már láttuk, csak a termikus gerjesztés hatására létrejövő elektron-lyuk párok okozta visszáram folyik. A kötött elektronokat azonban nemcsak a hőmérsékletből származó energia szakíthatja ki a kötésből, és juttathatja a vezetési sávba, hanem a fény fotonjai (energiakvantumjai) is. Ha a záróréteget olyan módon helyezzük el, hogy a beeső fény behatolási mélységével összemérhető legyen a vastagsága, a záróáram nagymértékben növelhető fény hatására. (FD15. ábra) Mivel az elektronok gejesztéséhez éppen a tiltott sáv energiakülönbségére van szükség, az ennek megfelelő energiájú fotonok tudják létrehozni az elektron-lyuk párokat. Ennek az energiának megfelelő hullámhosszúságú fényre - a spektrum egy tartományára - lesz érzékeny az így kialakított dióda.
(Az FD16. ábrán a fotodióda rajzjele látható)
Fénykibocsátó diódák
A nyitóirányban igénybevett dióda zárórétegében mind a lyukak mind az elektronok sűrűsége nagy, így intenzív rekombináció megy végbe. A rekombinációk száma az áram nagyságától függ, hiszen az áramot a p rétegben a lyukak, az n rétegben az elektronok hozzák létre. Minden rekombinációnál egy elektron megy át a vezetési sávból a vegyértéksávba, és közben a két sáv energiakülönbségének megfelelő energia szabadul fel. A felszabaduló energia vagy sugárzás (foton), vagy hőenergia (fonon, rácsrezgés) alakjában jelentkezik. A közvetlen félvezetők az energiát általában foton formájában veszítik el. A GaAs félvezető kristálya ilyen közvetlen félvezető, ezért a legtöbb fényemittáló diódának ( Light Emitting Diode= LED) ez az alapanyaga. (A LED rajzjele az FD17.ábrán látható) A tiltott sáv szélességéből kiszámítható a fény hullámhossza, amely a GaAs -nél 898 nm-re adódik, amely a közeli infravörös tartományba esik, tehát láthatatlan. Ezért tiszta GaAs-ot csak optikai csatolókban használnak. A Si fotodióda érzékenységének maximuma ebben a tartományban van, ezért, ha közös zárt tokban egymás mellé helyezünk egy LED-et és egy fotodiódát, ú.n. optikai csatolót kapunk, ahol a bemenet a LED , a kimenet a fotodióda (esetleg fototranzisztor). (FD18.ábra) Galvanikus csatolás nincs a kettő között, (azaz elektromosan nincsenek összekötve) tehát egyenáramú szempontból néhány kV-os feszültségkülönbség is lehet a két rendszer között.
Ha a GaAs-ban az As egy részét foszforral helyettesítik, a foszfor arányától függően a látható tartományban a pirostól a sárgáig terjedő fény keletkezik.
A fényemittáló diódák jellemzője, hogy a kisugárzott fénykvantumok spektruma viszonylag keskeny, közel monokromatikus a sugárzás. Különleges megoldásokkal lehetséges (pl. kismértékű Al szennyezéssel) GaAlAs félvezető lézer készítése.
A fényemittáló diódákat elsősorban kijelzőkben (pl. a közismert 7 elemes kijelzőknél), és optikai csatoló áramkörökben alkalmazzák, a lézerdiódákat pedig optikai kábeleknél jeladóként.
Kapacitásdiódák
A záróirányban előfeszített p-n átmenetet már az előzőekben kondenzátorhoz hasonlítottuk, ahol a lemezek távolsága (a kiürített réteg vastagsága) a zárófeszültség függvénye. Ezért a záróirányban előfeszített dióda kapacitása a ráadott feszültséggel változtatható. A kapacitás-zárófeszültség függvény az FD19.ábrán látható. Rezgőkörök hangolására, adók frekvencia-modulálására, frekvencia-szabályozásra használják.
Schottky dióda
Egy fém-félvezető átmenetet tartalmazó Si dióda, nagyon gyors működésű. Nyitófeszültsége hasonló a Ge diódáéhoz, azaz kb. 0.3 V, záróárama és differenciális ellenállása viszont a Si diódáé. (A 20.ábrán egy Schottky, egy Ge és egy Si dióda karakterisztika összehasonlítását láthatjuk) Nagyon gyors kapcsolóáramkörökben alkalmazzák, pl. logikai áramköröknél.
Alagútdióda
A kvantummechanikából ismert algúteffektusból kapta a nevét, (felfedezőjéről Esaki diódának is nevezik.) Egy erősen szennyezett (adalékolt) germánium kristályban vékony p-n réteget alakítanak, ki ahol az intenzív töltéshordozó diffúzió miatt rendkívül keskeny záróréteg jön létre. A diódákon általában akkor folyik csak áram, ha a külső nyitóirányú potenciál túllépi a diffúziós feszültséget. Az alagútdiódánál egész kis feszültségeknél is már meredeken nő az áram, mert az elektronok a nagyon keskeny potenciálgáton alagúteffektussal át tudnak jutni, (ahogy egy gáton alagutat fúrva a víz is átjuthat, bár a gát magasabb a víz szintjénél.) Az áram a feszültség növelésével maximumot ér el, majd az alagúteffektus csökkenése miatt egyre kisebb lesz, és egy minimum elérése után a szokásos nyitóirányú karakterisztika áll elő. A 21.ábrán található jelleggörbének van egy szakasza a maximum és a minimum között, ahol a differenciális ellenállás negatív, ezért itt aktív áramköri elemként viselkedik az eszköz. Erősítőfokozatokban és oszcillátorokban használják a GHz-es frekvenciatartományokban.
Diódák alkalmazásai
Egyenirányítók
Az elektronikus áramkörök működtetéséhez egyenfeszültségre van szükség. Ezt általában a hálózati váltófeszültségből állítjuk elő. Transzformátor segítségével a 220 V-os feszültséget a kívánt nagyságúvá változtatjuk, majd egyenirányítjuk, hogy egyenfeszültséget kapjunk. Ehhez az egyenirányító diódák áramszelep tulajdonságát használjuk ki.
Egyutas egyenirányító
A legegyszerűbb egyenirányító kapcsolás az egyetlen diódát tartalmazó ú.n. egyutas egyenirányító. (FD22.ábra) Itt a váltófeszültség pozitív félperiódusában folyik áram a terhelőellenálláson, amely egy lüktető egyenáram. (FD23.ábra) Az ilyen jellegű egyenfeszültség általában alkalmatlan elektronikus kapcsolások működtetésére, ezekhez igazi sima (időben állandó) egyenfeszültségre van szükség. Legegyszerűbb megoldásként ú.n. szűrőkondenzátort alkalmazhatunk, amely a negatív félperiódusok okozta szünetekben biztosítja a feszültséget a benne tárolt töltés által. (FD24.ábra) Áram természetesen ilyenkor is folyik a terhelésen, tehát a kondenzátor veszít a töltéséből, kisül és csökken a feszültsége, ezért továbbra is megmarad kismértékben a lüktető jellege. (FD25.ábra) A feszültség relatív változását, azaz a legnagyobb és legkisebb érték közti különbség okozta váltófeszültség (váltókomponens) effektív értékének és a feszültség átlagának (az egyenfeszültségnek) a hányadosát hullámosságnak nevezzük. Ennek értéke fordítottan arányos a szűrőkondenzátor kapacitásával, és egyenesen arányos a terhelő árammal. A lüktető váltókomponens frekvenciája azonos a bemenő váltófeszültségével. A legtöbb áramkörnél az egyenfeszültségre ennél szigorúbb előírások vannak, ennek egy diódával nem tehetünk eleget.
Kétutas egyenirányítók
Két dióda alkalmazásával a hálózati feszültség mindkét félperiódusát kihasználhatjuk, ha olyan transzformátort alkalma-zunk, amelynek két egyforma féltekercsén a középkivezetéshez képest ellenkező fázisú feszültség jelenik meg. (FD26.ábra) Így a két tekercsvéghez kötött diódák egyike az egyik félperiódusban vezet míg a másik dióda ilyenkor zárva van, majd a másik félperiódusban szerepet cserél a két dióda, és igy minden félperiódusban töltődik a kondenzátor. (FD27.ábra) Az idődiagramon feltüntettük az U1 lüktető egyenfeszültséget, amelyet a szűrőkondenzátor nélkül kaphatnánk, ennek frekvenciája kétszerese a bemenő feszültségének. A hullámosság igy jelentősen csökken, hiszen a kondenzátor kisülése sokkal rövidebb ideig tart, mint az egyutas kapcsolás esetében. A periódus első felében csak az egyik tekercsfélen és a hozzá tartozó diódán, a másik félperiódusban pedig csak a másik féltekercsen és diódán folyik áram. Hátránya. hogy csak középleágazásos tekercsű transzformátorral működik.
Egyetlen tekercs esetén is kihasználható mindkét félperiódus a négy diódát tartalmazó hídkapcsolás, az ú.n. Grätz kapcsolás alkalmazásával. (FD28.ábra) Ebben az esetben a terhelőellenállás előtt és mögött mindkét félperiódusban kinyít egy-egy dióda, és ugyanúgy töltődik a kondenzátor, mint a kétutas egyenirányítónál, csak egyszerre két diódán folyik át az áram. A jelalakok megegyeznek a kétutas egyenirányítóéval, de itt a periódus mindkét felében folyik áram a transzformátortekercsen.
Zener diódás stabilizátor
Ha a hullámosságot még kisebbé kell tennünk, az előbbi egyenirányítókat további elemekkel egészíthetjük ki. A feszültségstabilizálást legegyszerűbben az FD29.ábrán látható zener diódás kapcsolással oldhatjuk meg. A hullámos egyenfeszültséggel (Ube) sorba kötött ellenállás és a zener dióda egy feszültségosztót alkotnak, ahol a kimeneten lévő egyenfeszültség a zener feszültség, de váltóáramú szempontból az osztó kimeneti tagja a zener dióda dinamikus ellenállása, amely általában nagyságrendekkel kisebb a diódával sorosan kapcsolt Re ellenállásnál, így a feszültség változásait (a váltókomponenst) nagymértékben leosztja, csökkenti. (FD30.ábra) Az ábrán feltüntettük még a transzformátor szekunder tekercsének feszültségét is. A diódán akkor folyik a legnagyobb áram, ha a terhelőellenállás végtelen nagy (nincs terhelés), ezért a dióda előtétellenállását úgy kell méreteznünk, hogy a megengedett legnagyobb áramérték a diódát ne károsíthassa. Ezt a katalógusok a dióda határértékadatai közt közlik. Ekkor a zener-feszültség és az előtét-ellenálláson a maximális áram hatására eső feszültség összege az áramkör bemenetére adott feszültséggel (ill. annak legnagyobb értékével ) egyezik meg.
Ubemax = Imax Re + Uz
Az összefüggésből számíthatjuk ki az előtétellenállás értékét. Ha terheljük a kimenetet, az előtétellenálláson átfolyó áram egy része a zener dióda helyett a terhelőellenálláson folyik át, és a diódán átfolyó áram kisebb lesz. A terhelőellenállás csökkentése által addig növelhetjük a rajta átfolyó áramot míg a diódára jutó áram nullára csökken. Ekkor a zener dióda stabilizáló hatása megszűnik, lezárt állapotba kerül, és a kimenőfeszültség a két ellenállásnak megfelelően leosztódva a zenerfeszültség alatti értékeket vesz fel. A stabilizálás tehát csak a 0 és az Imax terhelőáramértékek közt működik. A kimenetet rövidre zárva a diódára jutó feszültség ( és teljesítmény) zérus, a teljes bemeneti feszültség (és az ebből számítható teljesítmény) az előtétellenálláson esik, amelyet méretezéskor számításba kell vennünk. Ezzel a stabilizáló kapcsolással már nagyon jó minőségű egyenfeszültséget tudunk biztosítani.
Feladatok
1. A következőképpen kapcsolunk össze egy germánium és egy szilíciumdiódát:
Milyen lesz az áram-feszültség függvény?
?
2. Egy 110 V 100 W-os izzólámpával sorba kapcsolunk egy diódát. Mekkora lesz az izzón a teljesítmény, ha a hálózati 220 V-os feszültségre kapcsoljuk?
3. Két izzólámpa és két kapcsoló van sorba kötve a 220 V-os hálózatra a rajz szerint. Hová helyezne el diódákat, hogy az első kapcsolóval az első izzót lehessen ki-be kapcsolni, és a második kapcsolóval a második izzót kapcsolhassuk ki-be egymástól teljesen függetlenül?
4. Az ábrán látható "dióda-híd" közepén lévő ellenálláson eső feszültséget vizsgáljuk. Mekkora, és hogyan változik, ha bármelyik dióda, de csak egy zérus (rövidzár) ill. végtelen (szakadás) ellenállású lesz?