Diode

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
Onder een bruggelijkrichter, boven losse diodes

Een diode is een elektronisch onderdeel dat de elektrische stroom zeer goed in één richting geleidt, maar praktisch niet in de andere.

Een diode functioneert als het ware als een elektronisch terugslagventiel. De geleidende richting noemt men de doorlaatrichting en de andere richting de sperrichting.

Dit is echter een enigszins vereenvoudigde voorstelling van zaken. Ook in de doorlaatrichting van een diode gaat pas stroom vloeien als de spanning over de diode een bepaalde waarde heeft bereikt. Pas boven deze waarde gaat de diode zich als een laagohmige weerstand gedragen. Deze doorlaatspanning is afhankelijk van het type diode.

Diodes worden soms ook gelijkrichters genoemd omdat ze gebruikt kunnen worden voor het omzetten van een wisselstroom in een gelijkstroom. Men onderscheidt daarbij enkelfasige gelijkrichting en meerfasige gelijkrichting.

De eerste diodes waren radiobuizen in de vorm van een vacuümdiode. Ze gebruikten het effect van de emissie van elektronen rond een gloeidraad. In een normale gloeilamp werd een extra elektrode geplaatst, anode genaamd, die de vrije elektronen elektrostatisch kon aantrekken en opvangen. Omdat de elektronen alleen van de gloeidraad naar de anode kunnen vloeien en niet omgekeerd, werkt deze constructie als diode.

Deze combinatie van gloeidraad en elektrode werd in 1904 uitgevonden door John Ambrose Fleming, de wetenschappelijke adviseur van de Marconi Company en was gebaseerd op een observatie van Thomas Edison.

Alhoewel de vacuümdiode nog steeds voor speciale toepassingen wordt gebruikt, zijn de meeste diodes tegenwoordig halfgeleiderdiodes. Een dergelijke diode bestaat uit een n-gedoteerd gebied, direct grenzend aan een p-gedoteerd gebied, waardoor er een pn-overgang ontstaat met de gewenste diode-eigenschap.

Werking junctiediode[bewerken]

Een diode combineert door middel van een speciale bereidingsmethode een n-type en p-type halfgeleider. De twee halfgeleiders zijn elektrisch neutraal. Ten gevolge van het ladingsgradiënt aan het contactoppervlak gaan de ladingen diffunderen door de grenslaag. De vrije elektronen van het n-type halfgeleider gaan diffunderen naar het p-type. Gelijktijdig diffunderen de gaten uit het p-type met de vrije elektronen door de grenslaag naar het n-type.

Door deze diffusie ontstaat er als gevolg van de diffusiespanning tussen beide materialen een elektrisch veld dat verdere diffusie tegenwerkt. Er ontstaat een dynamisch evenwicht tussen het aantal gaten in het p-type en het aantal vrije elektronen in het n-type. Hierdoor wordt er een barrière tussen de twee halfgeleiders gecreëerd die de verdere overgang van gaten uit het p-type en elektronen uit het n-type verhindert.

Om van zo'n grenslaag af te komen, moeten de vrije elektronen aan de n-type-zijde van de diode naar de p-type zijde kunnen migreren en het omgekeerde met de gaten. Om dit te kunnen realiseren wordt de p-type-zijde met de positieve zijde verbonden en de n-type-zijde met de negatieve zijde van eenzelfde elektrische circuit. De zin van het aangelegd veld E2 is nu tegengesteld aan E1. De sterkte van dit veld overtreft dat van E1 en hierdoor kan de barrière voor de overgang van gaten en elektronen worden opgeheven. De vrije elektronen uit het n-type komen in het p-type en verlaten de halfgeleider. Een elektrische stroom kan door de kring vloeien doordat de gaten en vrije elektronen voortdurend worden aangevuld.

Hoe groter de aangelegde spanning, hoe verder de barrière kan worden verlaagd en hoe meer stroom er kan vloeien. De stroom kan dus slechts vloeien als de barrière, gevormd door diffusie van gaten en elektronen, kan worden overwonnen. Wanneer de polen van de spanningsbron worden omgedraaid, dan wordt ook het aangelegde veld E2 tegengesteld van zin en zal het dezelfde zin hebben als E1.

Hierdoor worden de vrije elektronen aangetrokken door de positieve pool en de gaten door de negatieve pool. De elektronen en de gaten worden uiteengeduwd en ontstaat er een steeds groeiende barrière tussen de twee halfgeleiders. Hierdoor kan er geen stroom meer vloeien door de diode. De diode kan dus maar in één richting worden doorstroomd: een doorlaatrichting en een sperrichting.

Hoe produceert een diode licht?[bewerken]

De gaten van de p-type-halfgeleider worden gevormd op de valentieband en liggen dus op een lager energieniveau ten opzichte van de vrije elektronen in de geleidingsband. Wanneer een vrij elektron uit de geleidingsband in zo'n gat van de valentieband valt, gaat het dus naar een lager energieniveau en verliest daarbij een deel van zijn energie. Tijdens de recombinatie van elektronen en gaten wordt er energie uitgezonden in de vorm van fotonen. Elke diode produceert licht, maar het verschil in energie tussen de geleidingsband en de valentieband is voor elke stof anders. Hoe groter de val, hoe energierijker de fotonen en hoe groter de frequentie, hoe blauwer het licht.

Bij het terugvallen van de elektronen naar hun oorspronkelijke lagere energieniveau wordt het energieverschil omgezet in licht. De kloof tussen de schillen is bij gewone diodes zo klein dat de uitgezonden energie zo'n lange golflengte heeft dat het licht niet meer zichtbaar is voor het menselijk oog. Dit infraroodlicht vindt toepassing in allerlei afstandsbedieningen. Bij een led is de terugval van de elektronen groot genoeg om zichtbaar licht uit te zenden, met golflengten tussen 4×10-7m en 7×10-7m.

Verschillende types halfgeleiderdiodes[bewerken]

Symbolen voor enkele typen diode voor gebruik in elektronische schema's
  1. De gelijkrichterdiode zoals hierboven beschreven.
  2. De lawinediode, berustend op het lawine-effect; in sperrichting gebruikt als overspanningsbeveiliging.
  3. De zenerdiode gedraagt zich in doorlaatrichting als een normale diode, maar in sperrichting kan hij boven een bepaalde spanning óók gaan geleiden. Deze 'doorbraak' geschiedt op een exact bepaald spanningsniveau, de zenerspanning genaamd. Daardoor kan de zenerdiode worden gebruikt als spanningsreferentie. Natuurlijk kunnen ook normale diodes geen onbeperkte sperspanning verdragen. Bij een zeer hoge (maar niet exact bepaalde) spanning zal er stroom gaan vloeien. Dit verschijnsel berust echter op een ander principe en de diode zal daarbij meestal vernield worden. Een zenerdiode blijft echter heel op voorwaarde dat de stroom beperkt blijft (dit wordt meestal opgelost door een weerstand in serie te plaatsen).
  4. Als elektronen de p-n-overgang oversteken, emitteren de atomen in het silicium fotonen. Bij de meeste diodes worden deze fotonen echter weer opgenomen. Bovendien heeft het opgewekte licht een frequentie buiten het zichtbare gebied, meestal infrarood. Gebruikmakend van het juiste materiaal en de juiste constructiemethode, is het mogelijk om een diode licht te laten uitstralen in het zichtbare gebied. Het moeilijkste is om licht in hogere frequenties te laten uitstralen; vandaar dat blauwe leds nog steeds moeilijk zijn te fabriceren en daardoor duur zijn.
  5. De fotodiode voert in sperrichting een lekstroom die afhankelijk is van de hoeveelheid licht die erop valt. Hij kan daardoor als lichtdetector gebruikt worden.
  6. De Schottkydiode wordt toegepast als gelijkrichterdiode, maar heeft een lagere doorlaat- en sperspanning en is sneller.
  7. De snapdiode kan zeer snel reageren op spanningsovergangen.
  8. De Esaki- of tunneldiode heeft in de spanning-stroomkarakteristiek een gedeelte met een negatieve differentieweerstand. Dit effect wordt veroorzaakt door kwantumtunneling. Hierdoor kan men dit onderdeel gebruiken voor het compenseren van demping in een trillingskring in een oscillator.
  9. De variabele-capaciteitsdiode of varicap heeft in de sperrichting een capaciteit die afhankelijk is van de spanning. Door middel van een variabele gelijkspanning kan de frequentie van een oscillator of de kantelfrequentie van een filter worden ingesteld. De varicap vindt zijn voornaamste toepassing als afstemcondensator in radio- en televisieontvangers en FM-modulatie.
  10. De gunndiode is een schakeldiode in het microgolf gebied.
  11. De PIN-diode is een schakeldiode in het infrarood gebied. Er bestaan ook speciale PIN-diodes die als variabele weerstand (vaak in verzwakkers) in hoogfrequent schakelingen gebruikt worden.

Er bestaan nog meer typen diodes, die alle als basis hebben dat ze elektrische stromen maar in één richting toestaan, maar die op andere werkingsprincipes berusten.

Een ervan, de elektronenbuis, hebben we al besproken, een andere, de puntcontactdiode heeft eigenlijk een heel primitieve bouw. In het algemeen bestaat een dergelijke diode uit een blokje halfgeleidermateriaal van het n-type, waarop een naaldpunt van een metaal uit groep 3 van het periodiek systeem der elementen wordt geplaatst. Zie verder bij Puntcontactdiode.

Een andere methode om een diode te construeren is de gasontladingsdiode. In een glazen omhulsel, gevuld met een inert gas, worden twee elektroden geplaatst. Eén elektrode is een simpel metalen vlak, de andere elektrode heeft een pijlvorm die naar een punt midden in het vlak van de andere elektrode wijst. De pijlvormige elektrode is geslepen tot een zeer scherpe punt. Het werkingsprincipe van deze diode berust op het feit dat elektrische ladingen zich verzamelen rond puntvormige delen van een elektrische geleider. Als het verschilpotentiaal tussen de elektroden groot genoeg is kan de puntvormige elektrode een voldoende groot elektrostatisch veld opwekken om zich spontaan naar de vlakke elektrode te ontladen. Omgekeerd echter kan de vlakke elektrode geen potentiaalveld opwekken dat groot genoeg is om zich naar de puntvormige elektrode te ontladen. Daarom gedraagt deze constructie zich als diode. Dergelijke diodes worden soms gebruikt als gelijkrichter in hoogspanningstoepassingen.

Een gasontladingsdiode voor grote vermogens is de kwikdampgelijkrichter.

Doorlaatspanning[bewerken]

In een gebruikelijke halfgeleiderdiode die op silicium is gebaseerd, zal de spanning over een geleidende diode ongeveer 0,6 à 0,7 volt bedragen. Deze waarde is anders voor andere typen diodes. Bij zogenaamde Schottkydiodes en bij germaniumdiodes kan deze doorlaatspanning ongeveer 0,2 volt zijn. Bij leds, die niet op silicium maar op gallium als halfgeleider zijn gebaseerd, kan deze spanning 1,4 tot 3,6 volt bedragen. De kleur van het uitgestraalde licht is afhankelijk van het gebruikte halfgeleidermateriaal.

Een halfgeleiderdiode kan in doorlaatrichting gebruikt worden als temperatuursensor. De spanning over de diode hangt af van de temperatuur, maar dat is niet erg nauwkeurig. Bij goedkope elektronische binnen/buiten-thermometers wordt dit principe wel toegepast. Als vuistregel geldt een doorlaatspanningsafname van 2 mV per °C temperatuurstijging.

Bruggelijkrichters[bewerken]

Brugcellen voor 1 en 3 fasen

Een speciale opstelling van vier diodes die beide halve periodes van een wisselspanning kunnen omzetten in een pulserende gelijkspanning, noemt men een bruggelijkrichter of Graetzbrug, of een dubbelzijdige gelijkrichter. Er bestaan ook speciale versies van diodebruggen (met meer dan vier diodes) die gebruikt worden voor het gelijkrichten van driefasenspanning. Deze noemt men dubbelzijdige meerfasige gelijkrichters.

Zie ook[bewerken]

Zenerdiode