Diode

Geschiedenis

De eerste soorten dioden werden Fleming-kleppen genoemd. Het waren vacuümbuizen. Ze zaten in een glazen buis (net als een gloeilamp). Binnenin de glazen bol bevond zich een klein metaaldraadje en een grote metalen plaat. De kleine metalen draad werd verhit en zond elektriciteit uit, die door de plaat werd opgevangen. De grote metalen plaat werd niet verhit, zodat de elektriciteit wel in de ene richting door de buis kon gaan, maar niet in de andere richting. Fleming-kleppen worden niet veel meer gebruikt omdat zij zijn vervangen door halfgeleiderdioden, die kleiner zijn dan Fleming-kleppen. Thomas Edison ontdekte deze eigenschap ook toen hij aan zijn gloeilampen werkte.

Bouw

Halfgeleiderdioden zijn gemaakt van twee soorten halfgeleiders die met elkaar verbonden zijn. Het ene type heeft atomen met extra elektronen (de n-kant genoemd). Het andere type heeft atomen die elektronen willen (de p-kant genoemd). Hierdoor zal de elektriciteit gemakkelijk stromen van de kant met te veel elektronen naar de kant met te weinig elektronen. In de omgekeerde richting zal de elektriciteit echter niet gemakkelijk stromen. Deze verschillende soorten worden gemaakt door dotering (halfgeleider). Silicium met arseen erin opgelost is een goede n-zijde halfgeleider, terwijl silicium met aluminium erin opgelost een goede p-zijde halfgeleider is. Andere chemicaliën kunnen ook werken.

De connector aan de n-zijde wordt de kathode genoemd, de connector aan de p-zijde wordt de anode genoemd.

Structuur van een buisdiode

Functie van een diode

Positieve spanning aan p-zijde

Als je positief voltage geeft aan de p-kant en negatief voltage aan de n-kant, zullen de elektronen in de n-kant naar het positieve voltage aan de p-kant willen en de gaten van de p-kant zullen naar het negatieve voltage aan de n-kant willen gaan. Hierdoor kan er stroom lopen, maar er is een bepaalde spanning voor nodig om dit op gang te brengen (een heel klein beetje spanning is niet genoeg om de elektrische stroom te laten lopen). Dit wordt de inschakelspanning genoemd. De cut-in spanning van een silicium diode ligt bij ongeveer 0,7 V. Een germanium diode heeft een inschakelspanning nodig van ongeveer 0,3 V.

Negatieve spanning aan p-zijde

Als u in plaats daarvan negatieve spanning aan de p-zijde en positieve spanning aan de n-zijde geeft, willen de elektronen van de n-zijde naar de positieve spanningsbron in plaats van naar de andere kant van de diode. Hetzelfde gebeurt aan de p-zijde. Er zal dus geen stroom vloeien tussen de twee zijden van de diode. Het verhogen van de spanning zal er uiteindelijk toe leiden dat er elektrische stroom gaat lopen (dit is de doorslagspanning). Veel diodes zullen worden vernietigd door een omgekeerde stroom, maar er zijn er ook die dit kunnen overleven.

Invloed van de temperatuur

Wanneer de temperatuur stijgt, daalt de inschakelspanning. Dit maakt het gemakkelijker voor elektriciteit om door de diode te gaan.

Soorten diodes

Er zijn vele soorten diodes. Sommige hebben zeer specifieke toepassingen en sommige hebben een veelheid van toepassingen.

Symbolen

Hier volgen enkele veel voorkomende halfgeleiderdiodesymbolen die in schematische diagrammen worden gebruikt:

Diode	Zener-diode	Schottky diode	Tunnel diode
Licht-emitterende diode	Fotodiode	Varicap	Silicium-gestuurde gelijkrichter

Standaard gelijkrichterdiode

Deze verandert A/C (wisselstroom, zoals in een stopcontact in een huis) in D/C (gelijkstroom, gebruikt in de elektronica). De standaard gelijkrichterdiode stelt specifieke eisen. Hij moet een hoge stroomsterkte aankunnen, weinig gevoelig zijn voor temperatuur, een lage inschakelspanning hebben en snelle veranderingen van de stroomrichting mogelijk maken. Moderne analoge en digitale elektronica maken gebruik van dergelijke gelijkrichters.

Licht-emitterende diode

Een led produceert licht wanneer er elektriciteit doorheen stroomt. Het is een duurzamere en efficiëntere manier om licht te produceren dan gloeilampen. Afhankelijk van hoe hij is gemaakt, kan de led verschillende kleuren maken. LED's werden voor het eerst gebruikt in de jaren 1970. De light-emitting diode kan uiteindelijk de gloeilamp vervangen, aangezien de ontwikkelingstechnologie hem helderder en goedkoper maakt (hij is al efficiënter en gaat langer mee). In de jaren 1970 werden de LED's gebruikt om getallen weer te geven in apparaten zoals rekenmachines, en als een manier om aan te geven dat de stroom was ingeschakeld voor grotere apparaten.

Fotodiode

Een fotodiode is een fotodetector (het tegenovergestelde van een lichtuitzendende diode). Hij reageert op licht dat binnenvalt. Fotodiodes hebben een venster of een optische vezelverbinding, die licht binnenlaat op het gevoelige deel van de diode. Diodes hebben gewoonlijk een sterke weerstand; het licht vermindert de weerstand.

Zener-diode

Een zenerdiode is als een normale diode, maar in plaats van vernietigd te worden door een grote sperspanning, laat hij elektriciteit door. De spanning die hiervoor nodig is, wordt de doorslagspanning of Zenerspanning genoemd. Omdat hij gebouwd is met een bekende doorslagspanning kan hij gebruikt worden om een bekende spanning te leveren.

Varactor diode

De varicap of varactor-diode wordt in veel apparaten gebruikt. Hij maakt gebruik van het gebied tussen de p- en de n-zijde van de diode waar elektronen en gaten elkaar compenseren. Dit wordt de depletiezone genoemd. Door de hoeveelheid sperspanning te veranderen, verandert de grootte van de depletiezone. Er is enige capaciteit in deze zone, en deze verandert op basis van de grootte van de depletiezone. Dit wordt variabele capaciteit genoemd, of kortweg varicap. Het wordt gebruikt in PLL's (Phase-locked loops) die worden gebruikt om de hoge-snelheidsfrequentie van een chip te regelen.

Step-Recovery-Diode

Het symbool is het symbool van een diode met een soort snag. Hij wordt gebruikt in schakelingen met hoge frequenties tot GHz. Hij schakelt zeer snel uit wanneer de voorwaartse spanning stopt. Hij gebruikt daarvoor de stroom die vloeit nadat de polariteit is omgepoold.

PIN-diode

De constructie van deze diode heeft een intrinsieke (normale) laag tussen de n- en de p-zijde. Bij langzamere frequenties gedraagt hij zich als een standaard diode. Maar bij hoge snelheden kan hij de snelle veranderingen niet bijhouden en begint hij zich als een weerstand te gedragen. Door de intrinsieke laag kan hij ook hoge vermogens aan en kan hij als fotodiode worden gebruikt.

Schottky diode

Het symbool hiervan is het diodesymbool, met een 'S' op de top. In plaats van dat beide zijden een halfgeleider zijn (zoals silicium), is één zijde van metaal, zoals aluminium of nikkel. Hierdoor daalt de inschakelspanning tot ongeveer 0,3 volt. Dit is ongeveer de helft van de drempelspanning van een gebruikelijke diode. De functie van deze diode is dat er geen minderheidsdragers worden geïnjecteerd - de n-zijde heeft alleen gaten, geen elektronen, en de p-zijde heeft alleen elektronen, geen gaten. Omdat dit schoner is, kan hij sneller reageren, zonder diffusie-capaciteit die hem kan vertragen. Het creëert ook minder warmte en is efficiënter. Maar het heeft wel wat stroomlekkage bij sperspanning.

Wanneer een diode overschakelt van bewegende stroom naar niet-bewegende stroom, wordt dit schakelen genoemd. In een typische diode duurt dit tientallen nanoseconden; hierdoor ontstaat enige radiostoring, waardoor radiosignalen tijdelijk worden aangetast. De Schottky-diode schakelt in een klein deel van die tijd, minder dan een nanoseconde.

Tunnel diode

In het symbool van de tunneldiode is er een soort extra vierkant haakje aan het eind van het gebruikelijke symbool.

Een tunneldiode bestaat uit een hooggedoteerde pn-overgang. Door deze hoge doping is er slechts een zeer smalle spleet waar de elektronen doorheen kunnen. Dit tunneleffect treedt in beide richtingen op. Nadat een bepaalde hoeveelheid elektronen is gepasseerd, neemt de stroom door de spleet af, totdat de normale stroom door de diode bij de drempelspanning begint. Hierdoor ontstaat een gebied met een negatieve weerstand. Deze diodes worden gebruikt voor echt hoge frequenties (100 GHz). Ze zijn ook bestand tegen straling, zodat ze worden gebruikt in ruimtevaartuigen. Ze worden ook gebruikt in magnetrons en koelkasten.

Achterwaartse diode

Het symbool heeft aan het eind van de diode een teken dat lijkt op een grote I. Hij wordt gemaakt zoals de tunneldiode, maar de n- en de p-laag zijn niet zo hoog gedoteerd. Hij laat stroom terugvloeien met kleine negatieve spanningen. Hij kan worden gebruikt om lage spanningen (minder dan 0,7 volt) gelijk te schakelen.

Silicium-Gecontroleerde Gelijkrichter (SCR)

In plaats van twee lagen zoals een normale diode, heeft deze vier lagen, het zijn in feite twee diodes naast elkaar, met een gate in het midden. Als er spanning tussen de gate en de kathode komt, gaat de onderste transistor aan. Dit laat de stroom door, die de bovenste transistor activeert, en dan hoeft de stroom niet te worden aangezet door een gatespanning.