Félvezetõ diódák fajtái

Egyenirányító diódák

A diódák elsõdleges alkalmazási területe az áramszelep jellegükbõl 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 felületû 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 felületû p-n rétegekkel, amely kis kapacitású. Legtöbbször a p típusú kristályra egy aranytût helyeznek és egy gyors áramimpulzussal, amelynek hatására a szabad elektronokat tartalmazó fémtû beleötvözõdik a félvezetõ kristályba, létrehozzák a p-n átmenetet, amely így nagyon kis felületû lesz. Az így kialakított nagyfrekvenciás diódát tûs diódának nevezzük.

Kapcsolókat is helyettesíthetnek a vezérlés és szabályozástechnika területén, valamint a logikai áramkörökben az úgynevezett kapcsolódiódák, ahol a gyors mûködés feltételeként nagyon kis töltésmennyiséget tartalmazhat a záróréteg, hogy képes legyen gyorsan kiürülni ill. nyitni. Ezt a be- ill. kikapcsolási idõt feléledési idõnek is nevezzük.

Zener diódák

Ha a dióda p-n átmeneti rétegének szennyezettségét megnövelik, a tértöltés növekszik és így a létrejövõ elektromos tér is nagyobb lesz. Ezt még növeli a külsõ záróirányú feszültség, és ha a térerõsség eléri a kritikus értéket, az elektronokra ható erõ képes lesz kiszakítani õket a kristálykötésbõl. 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 jellemzõ a letörési ú.n. Zener feszültség és a karakterisztika letörési szakaszából megállapítható differenciális (dinamikus) ellenállás, amely a munkaponthoz húzható érintõ iránytangensének reciproka: rz=dUz/dIz. Feszültségstabilizálásra és referenciafeszültségek elõállítására használják.

Fotodiódák

A záróirányban elõfeszített p-n átmeneten, mint már láttuk, csak a termikus gerjesztés hatására létrejövõ elektron-lyuk párok okozta visszáram folyik. A kötött elektronokat azonban nemcsak a hõmérsékletbõl származó energia szakíthatja ki a kötésbõl, és juttathatja a vezetési sávba, hanem a fény fotonjai (energiakvantumjai) is. Ha a záróréteget olyan módon helyezzük el, hogy a beesõ fény behatolási mélységével összemérhetõ legyen a vastagsága, a záróáram nagymértékben növelhetõ fény hatására. (FD15. ábra) Mivel az elektronok gejesztéséhez éppen a tiltott sáv energiakülönbségére van szükség, az ennek megfelelõ energiájú fotonok tudják létrehozni az elektron-lyuk párokat. Ennek az energiának megfelelõ 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 sûrûsége 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 megfelelõ energia szabadul fel. A felszabaduló energia vagy sugárzás (foton), vagy hõenergia (fonon, rácsrezgés) alakjában jelentkezik. A közvetlen félvezetõk az energiát általában foton formájában veszítik el. A GaAs félvezetõ kristálya ilyen közvetlen félvezetõ, ezért a legtöbb fényemittáló diódának ( Light Emitting Diode= LED) ez az alapanyaga. (A LED rajzjele az FD17.ábrán látható) A tiltott sáv szélességébõl 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 kettõ 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 függõen a látható tartományban a pirostól a sárgáig terjedõ fény keletkezik.

A fényemittáló diódák jellemzõje, hogy a kisugárzott fénykvantumok spektruma viszonylag keskeny, közel monokromatikus a sugárzás. Különleges megoldásokkal lehetséges (pl. kismértékû Al szennyezéssel) GaAlAs félvezetõ lézer készítése.

A fényemittáló diódákat elsõsorban kijelzõkben (pl. a közismert 7 elemes kijelzõknél), és optikai csatoló áramkörökben alkalmazzák, a lézerdiódákat pedig optikai kábeleknél jeladóként.

Kapacitásdiódák

A záróirányban elõfeszített p-n átmenetet már az elõzõekben kondenzátorhoz hasonlítottuk, ahol a lemezek távolsága (a kiürített réteg vastagsága) a zárófeszültség függvénye. Ezért a záróirányban elõfeszített dióda kapacitása a ráadott feszültséggel változtatható. A kapacitás-zárófeszültség függvény az FD19.ábrán látható. Rezgõkörök hangolására, adók frekvencia-modulálására, frekvencia-szabályozásra használják.

Schottky dióda

Egy fém-félvezetõ átmenetet tartalmazó Si dióda, nagyon gyors mûködésû. 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, (felfedezõjérõl Esaki diódának is nevezik.) Egy erõsen 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 külsõ nyitóirányú potenciál túllépi a diffúziós feszültséget. Az alagútdiódánál egész kis feszültségeknél is már meredeken nõ 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 elõ. 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. Erõsítõfokozatokban és oszcillátorokban használják a GHz-es frekvenciatartományokban.

Diódák alkalmazásai

Egyenirányítók

Az elektronikus áramkörök mûködtetéséhez egyenfeszültségre van szükség. Ezt általában a hálózati váltófeszültségbõl állítjuk elõ. 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 legegyszerûbb egyenirányító kapcsolás az egyetlen diódát tartalmazó ú.n. egyutas egyenirányító. (FD22.ábra) Itt a váltófeszültség pozitív félperiódusában folyik áram a terhelõellenálláson, amely egy lüktetõ egyenáram. (FD23.ábra) Az ilyen jellegû egyenfeszültség általában alkalmatlan elektronikus kapcsolások mûködtetésére, ezekhez igazi sima (idõben állandó) egyenfeszültségre van szükség. Legegyszerûbb megoldásként ú.n. szûrõkondenzátort 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 töltésébõl, kisül és csökken a feszültsége, ezért továbbra is megmarad kismértékben a lüktetõ 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 szûrõkondenzátor kapacitásával, és egyenesen arányos a terhelõ árammal. A lüktetõ váltókomponens frekvenciája azonos a bemenõ váltófeszültségével. A legtöbb áramkörnél az egyenfeszültségre ennél szigorúbb elõírások 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 ellenkezõ 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 töltõdik a kondenzátor. (FD27.ábra) Az idõdiagramon feltüntettük az U1 lüktetõ egyenfeszültséget, amelyet a szûrõkondenzátor nélkül kaphatnánk, ennek frekvenciája kétszerese a bemenõ feszültségének. A hullámosság igy jelentõsen csökken, hiszen a kondenzátor kisülése sokkal rövidebb ideig tart, mint az egyutas kapcsolás esetében. A periódus elsõ 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 tekercsû transzformátorral mûködik.

Egyetlen tekercs esetén is kihasználható mindkét félperiódus a négy diódát tartalmazó hídkapcsolás, az ú.n. Grätz kapcsolás alkalmazásával. (FD28.ábra) Ebben az esetben a terhelõellenállás elõtt és mögött mindkét félperiódusban kinyít egy-egy dióda, és ugyanúgy töltõdik 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 elõbbi egyenirányítókat további elemekkel egészíthetjük ki. A feszültségstabilizálást legegyszerûbben 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 lévõ 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 terhelõellenállás végtelen nagy (nincs terhelés), ezért a dióda elõtétellenállását 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 elõtét-ellenálláson a maximális áram hatására esõ feszültség összege az áramkör bemenetére adott feszültséggel (ill. annak legnagyobb értékével ) egyezik meg.

Az összefüggésbõl számíthatjuk ki az elõtétellenállás értékét. Ha terheljük a kimenetet, az elõtétellenálláson átfolyó áram egy része a zener dióda helyett a terhelõellenálláson folyik át, és a diódán átfolyó áram kisebb lesz. A terhelõellenállás csökkentése által addig növelhetjük a rajta átfolyó áramot míg a diódára jutó áram nullára csökken. Ekkor a zener dióda stabilizáló hatása megszûnik, lezárt állapotba kerül, és a kimenõfeszültség a két ellenállásnak megfelelõen leosztódva a zenerfeszültség alatti értékeket vesz fel. A stabilizálás tehát csak a 0 és az Imax terhelõáramértékek közt mûködik. A kimenetet rövidre zárva a diódára jutó feszültség ( és teljesítmény) zérus, a teljes bemeneti feszültség (és az ebbõl számítható teljesítmény) az elõtétellenálláson esik, amelyet méretezéskor számításba kell vennünk. Ezzel a stabilizáló kapcsolással már nagyon jó minõségû egyenfeszültséget tudunk biztosítani.

Feladatok

1. A következõképpen 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 elsõ kapcsolóval az elsõ 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 lévõ ellenálláson esõ feszültséget vizsgáljuk. Mekkora, és hogyan változik, ha bármelyik dióda, de csak egy zérus (rövidzár) ill. végtelen (szakadás) ellenállású lesz?