Alles over Diodes
Een diode is een elektrisch apparaat waardoor stroom er in de ene richting veel gemakkelijker doorheen kan lopen dan in de andere richting. De meest gebruikte soort diode in moderne schakelingen is de halfgeleiderdiode, hoewel er ook andere diodetechnologieën bestaan. Halfgeleiderdioden worden gesymboliseerd in schematische diagrammen zoals de onderstaande figuur. De term “diode” wordt gewoonlijk gebruikt voor apparaten met een klein signaal, I ≤ 1 A. De term gelijkrichter wordt gebruikt voor apparaten met een vermogen, I > 1 A.
Hemiconductordiode schematisch symbool: Pijlen geven de richting van de stroom aan.
Wanneer de diode in een eenvoudige batterij-lampschakeling wordt geplaatst, zal hij stroom door de lamp toelaten of verhinderen, afhankelijk van de polariteit van de aangelegde spanning. (onderstaande figuur)
Diodewerking: (a) De stroom is toegestaan; de diode heeft een voorwaartse bias. (
Wanneer de polariteit van de batterij zodanig is dat er stroom door de diode kan lopen, wordt gezegd dat de diode in voorwaartse bias staat. Omgekeerd, wanneer de batterij “naar achteren” staat en de diode stroom blokkeert, wordt gezegd dat de diode in sperrichting staat. Een diode kan worden gezien als een schakelaar: “
De richting van de “pijlpunt” van het diodesymbool wijst naar de richting van de stroom in conventionele stroom. Deze conventie geldt voor alle halfgeleiders met “pijlpunten” in hun schema’s. Het omgekeerde is waar bij elektronenstroom, waar de stroomrichting tegen de “pijlpunt” in ligt.
Hydraulische terugslagklep-analogie
Diodegedrag is analoog aan het gedrag van een hydraulisch apparaat, een terugslagklep. Een terugslagklep laat slechts in één richting vloeistof door, zoals in de onderstaande figuur.
Hydraulische terugslagklep-analogie: (a) Stroom toegestaan. (b) Stroomdoorgang verboden.
Afsluiters zijn in wezen drukgestuurde apparaten: ze openen en laten stroom toe als de druk erover de juiste “polariteit” heeft om de klep te openen (in de getoonde analogie: grotere vloeistofdruk rechts dan links). Als de druk tegengesteld is, zal het drukverschil over de terugslagklep de klep sluiten en vasthouden, zodat er geen stroming optreedt.
Net als terugslagkleppen zijn dioden in wezen “druk”-bediende apparaten (voltage-operated). Het essentiële verschil tussen voorwaartse en tegenwaartse druk is de polariteit van de spanning die over de diode valt. Laten we de eerder getoonde eenvoudige batterij-diode-lampschakeling eens nader bekijken, waarbij we de spanningsval over de verschillende componenten in de onderstaande figuur onderzoeken.
Spanningsmetingen van de diodeschakeling: (a) In voorwaartse richting. (
Forward Bias Diode Configuration
Een diode met voorwaartse bias geleidt stroom en laat er een kleine spanning over vallen, waardoor het grootste deel van de accuspanning over de lamp valt. Als de polariteit van de batterij wordt omgekeerd, wordt de diode omgekeerd, en valt alle spanning van de batterij weg, zodat er geen spanning overblijft voor de lamp. Als we de diode beschouwen als een zelf-activerende schakelaar (gesloten in de voorwaartse-bias modus en open in de omgekeerde-bias modus), is dit gedrag logisch. Het belangrijkste verschil is dat de diode in geleiding veel meer spanning laat vallen dan de gemiddelde mechanische schakelaar (0,7 volt tegen tientallen millivolts)
De spanningsval in de voorwaartse-bias-stand van de diode is het gevolg van de werking van het depletiegebied dat door de P-N junctie wordt gevormd onder invloed van een toegepaste spanning. Als er geen spanning wordt aangelegd over een halfgeleiderdiode, bestaat er een dun depletiegebied rond het gebied van de P-N junctie, waardoor er geen stroom kan vloeien. (Onderstaande figuur (a)) Het depletiegebied is bijna verstoken van beschikbare ladingsdragers, en werkt als een isolator:
Diode-voorstellingen: PN-junction model, schematisch symbool, fysisch onderdeel.
Het schematisch symbool van de diode is weergegeven in bovenstaande figuur (b), zodanig dat de anode (puntig uiteinde) overeenkomt met de P-type halfgeleider in (a). De kathodestreep, niet-wijzend uiteinde, bij (b) komt overeen met het N-type materiaal bij (a). Merk ook op dat de kathodestreep op het fysische deel (c) overeenkomt met de kathode op het symbool.
Reverse Bias Diode Configuration
Als een reverse-biasing spanning wordt aangelegd over de P-N junctie, breidt dit depletiegebied zich uit, waardoor het nog meer weerstand biedt aan elke stroom er doorheen. (Figuur hieronder)
Depletiegebied wordt groter bij omgekeerde bias.
Voorwaartse spanning
Aan de andere kant, als er een voorwaartse basisspanning over de P-N junctie wordt gezet, wordt het depletiegebied kleiner en dunner. De diode wordt minder bestand tegen stroom er doorheen. Om echter een constante stroom door de diode te laten lopen, moet het depletiegebied volledig worden samengevouwen door de toegepaste spanning. Hiervoor is een bepaalde minimumspanning nodig, de zogenaamde voorwaartse spanning, zoals te zien is in onderstaande figuur.
Vermindering van de voorwaartse voorspanning van (a) naar (b) vermindert de dikte van het depletiegebied.
Voor siliciumdioden is de typische voorwaartse spanning 0,7 volt, nominaal. Voor germaniumdiodes bedraagt de voorwaartse spanning slechts 0,3 volt. De chemische samenstelling van de P-N junctie waaruit de diode is opgebouwd, is verantwoordelijk voor de nominale doorlaatspanning, waardoor silicium- en germaniumdiodes zulke verschillende doorlaatspanningen hebben. De voorwaartse spanningsval blijft ongeveer constant voor een breed bereik van diodestromen, wat betekent dat de spanningsval van een diode niet is zoals die van een weerstand of zelfs een normale (gesloten) schakelaar. Voor de meeste vereenvoudigde circuitanalyses kan de spanningsval over een geleidende diode als constant worden beschouwd op het nominale cijfer en niet gerelateerd aan de hoeveelheid stroom.
Diodevergelijking
In werkelijkheid is de spanningsval over een geleidingdiode complexer. Een vergelijking beschrijft de exacte stroom door een diode, gegeven de spanning die over de junctie valt, de temperatuur van de junctie, en verscheidene fysische constanten. Deze vergelijking is algemeen bekend als de diodevergelijking:
De term kT/q beschrijft de spanning die in de P-N junctie ontstaat door de werking van de temperatuur, en wordt de thermische spanning of Vt van de junctie genoemd. Bij kamertemperatuur is dit ongeveer 26 millivolt. Dit wetende, en uitgaande van een “niet-idealiteits”-coëfficiënt van 1, kunnen we de diodevergelijking vereenvoudigen en als volgt herschrijven:
Je hoeft niet bekend te zijn met de “diodevergelijking” om eenvoudige diode schakelingen te analyseren. U hoeft alleen maar te begrijpen dat de spanning die over een stroomvoerende diode valt wel verandert met de hoeveelheid stroom die er doorheen gaat, maar dat deze verandering vrij klein is over een groot bereik van stromen. Dit is de reden waarom veel leerboeken simpelweg zeggen dat de spanningsval over een geleidende, halfgeleidende diode constant blijft op 0,7 volt voor silicium en 0,3 volt voor germanium.
Echter, sommige schakelingen maken opzettelijk gebruik van de inherente exponentiële stroom/spanningsrelatie van de P-N junctie en kunnen dus alleen worden begrepen in de context van deze vergelijking. Aangezien temperatuur een factor is in de diodevergelijking, kan een P-N junctie met voorwaartse geleiding ook worden gebruikt als een temperatuursensor, en kan dus alleen worden begrepen als men een conceptueel begrip heeft van deze wiskundige relatie.
Reverse-Biased werking
Een diode met omgekeerde geleiding voorkomt dat er stroom doorheen gaat, vanwege het uitgebreide depletiegebied. In werkelijkheid kan een zeer kleine hoeveelheid stroom door een reverse-biased diode gaan, de zogenaamde lekstroom, maar deze kan voor de meeste doeleinden worden genegeerd.
Het vermogen van een diode om reverse-bias spanningen te weerstaan is beperkt, zoals dat voor elke isolator het geval is. Als de toegepaste sperspanning te groot wordt, zal de diode doorbranden (zie onderstaande figuur), wat meestal destructief is.
De maximale sperspanning van een diode staat bekend als de Piek Invers Voltage, of PIV, en kan worden verkregen bij de fabrikant. Net als de voorwaartse spanning varieert de PIV van een diode met de temperatuur, met dit verschil dat de PIV toeneemt naarmate de temperatuur stijgt en afneemt naarmate de diode koeler wordt – precies het tegenovergestelde van de voorwaartse spanning.
Diodecurve: knie bij 0,7 V voorwaartse bias voor Si, en omgekeerde uitsplitsing
Typisch is de PIV-waarde van een algemene “gelijkrichterdiode” ten minste 50 volt bij kamertemperatuur. Diodes met PIV ratings in de vele duizenden volts zijn beschikbaar voor bescheiden prijzen.
REVIEW:
- Een diode is een elektrische component die fungeert als een eenrichtingsklep voor stroom.
- Wanneer spanning wordt toegepast over een diode op een zodanige wijze dat de diode stroom toelaat, wordt gezegd dat de diode in voorwaartse bias staat.
- Wanneer er spanning over een diode wordt gezet op zo’n manier dat de diode geen stroom toelaat, heet de diode sperspanning.
- De spanning die over een geleidende, voorwaartse diode valt, heet de voorwaartse spanning. Forward voltage for a diode varies only slightly for changes in forward current and temperature, and is fixed by the chemical composition of the P-N junction.
- Silicon diodes have a forward voltage of approximately 0.7 volts.
- Germanium diodes have a forward voltage of approximately 0.3 volts.
- The maximum reverse-bias voltage that a diode can withstand without “breaking down” is called the Peak Inverse Voltage, or PIV rating.
RELATED WORKSHEETS:
- Rectigying Diodes Worksheet
- PN Junctions Worksheet