74 lines
5.3 KiB
Markdown
Executable File
74 lines
5.3 KiB
Markdown
Executable File
Dioden grundfunktion är redan känd: den släpper bara igenom ström i en riktning, nämligen när spänningen på anoden ($U_a$) är större än spänningen på katoden ($U_k$), jämför figur [ref:e_diode_u_i].
|
|
|
|
<margin>
|
|
[picture:859:e_diode_u_i:Spänningar och ström hos en diod med seriemotstånd]
|
|
</margin>
|
|
|
|
Matematiskt kan vi skriva detta krav så här:
|
|
|
|
$U_d = U_a - U_k > 0$
|
|
|
|
Är $U_d$ bara lite större än 0 flyter dock ännu ingen märkbar ström. Det beror på diodens *exponentiella karakteristik*. Diodströmmen är nämligen:
|
|
|
|
$I_d = I_S \left(e^{\frac{U_d}{U_T}}-1\right)$
|
|
|
|
$e$ är det så kallade Eulers tal ($e\approx 2,718$), $U_T$ är en konstant som vid rumstemperatur är ungefär $\qty{26}{\milli\volt}$.
|
|
|
|
$I_S$ är här *backströmmen* (mättnadsström i backriktningen), den mycket lilla ström som flyter genom dioden vid negativa spänningar. Värdet på $I_S$ beror, förutom på några parametrar hos dioden som diodens yta, framför allt på det använda halvledarmaterialet. Hos material som germanium (Ge) med litet *bandgap* (energigap) (det går vi närmare in på i HAREC-utbildningen) är $I_S$ större, hos material med större bandgap är $I_S$ mindre.
|
|
|
|
<margin>
|
|
[picture:861:e_diode_kennlinie_iu:Karakteristik för en diod]
|
|
</margin>
|
|
|
|
Betraktar vi en diodkaraktäristik i figur [ref:e_diode_kennlinie_iu] stiger diodströmmen vid positiva $U_d$ brant från en viss spänning. Denna spänning kallas *tröskelspänning* $U_{th}$, men den är bara ett uttryck för de olika $I_S$: ju mindre $I_S$, desto högre tröskelspänning.
|
|
|
|
Som riktvärden för tröskelspänningen hos pn-dioder kan vi ange cirka $\qtyrange{0,2}{0,3}{\volt}$ för Ge och cirka $\qtyrange{0,6}{0,7}{\volt}$ för Si.
|
|
|
|
*Lysdioder* (LED) är också pn-dioder, där halvledarmaterialet är sådant att det sänder ut ljus när dioden är polad i framriktningen. Det fungerar bara med vissa material - inte med Si och Ge. Ljusets färg bestäms av bandgapet. Ju större bandgap, desto kortvågigare ljus, desto lägre backström och därmed desto högre tröskelspänning. Därför har röda LED:ar cirka $\qty{1,7}{\volt}$ tröskelspänning och gröna LED:ar $\qty{2,5}{\volt}$. De olika karakteristikerna visas i figur [ref:e_diode_kennlinien].
|
|
|
|
---
|
|
|
|
<margin>
|
|
[picture:858:e_diode_kennlinien:Karakteristik för olika dioder]
|
|
</margin>
|
|
|
|
En diod leder alltid när spänningen på anoden är tröskelspänningen högre än på katoden. Med en kiseldiod på $\qty{0,7}{\volt}$ tröskelspänning gäller alltså att katoden ligger $\qty{0,7}{\volt}$ lägre än anoden när dioden leder.
|
|
|
|
Eftersom LED:ar drivs i framriktningen är det viktigt att koppla ett motstånd $R_V$ mellan spänningskällan $U$ och LED:en. $R_V$ ställer in önskad ström $I$. Därvid ska LED:ens tröskelspänning $U_{th}$ beaktas:
|
|
|
|
$ I=\frac{U-U_{th}}{R_V}$
|
|
|
|
---
|
|
|
|
I vår enkla modell flyter bara en liten backström för negativa $U_d$. Det stämmer dock inte för mycket negativa spänningar. Så småningom blir det elektriska fältet över utarmningszonen mellan n och p för högt och dioden ”slår igenom”, strömmen i backriktningen ökar extremt kraftigt, som visas i figur [ref:n_diode_kennlinie_uz].
|
|
|
|
Detta *backgenombrott* kan ha olika fysikaliska orsaker som vi inte kan gå in på i detalj här. Spänningen vid vilken genombrottet sker kallas allmänt *zenerspänning* $U_z$, även om zenereffekten (en kvantmekanisk tunneleffekt) bara är en möjlig genombrottsmekanism. *Zenerdioder* används för spänningsstabilisering. Då är det viktigt att begränsa genombrottsströmmen med ett seriemotstånd.
|
|
|
|
<margin>
|
|
[picture:862:n_diode_kennlinie_uz:Karakteristik för en zenerdiod]
|
|
</margin>
|
|
|
|
---
|
|
|
|
Kretssymbolen för en zenerdiod (figur [ref:e_zener_symbol]) är den för en vanlig diod där katodstrecket har en extra förlängning i $\qty{90}{\degree}$ vinkel. Det ska påminna om karakteristikens ”knäck” vid genombrottet.
|
|
|
|
<margin>
|
|
[picture:860:e_zener_symbol:Kretssymbol för en zenerdiod]
|
|
</margin>
|
|
|
|
De dioder som hittills behandlats var alla *pn-dioder*, där diodegenskapen uppstår genom en halvledarövergång. *Schottkydioden* är en diod vars egenskaper uppstår genom en metall-halvledarövergång. Tröskelspänningen är ungefär hälften så stor som hos en pn-diod av samma material, eller mindre, beroende på metall-halvledarövergångens utformning. Schottkydioder används när tröskelspänningen ska vara låg, eller som mycket snabba switchdioder.
|
|
|
|
<margin>
|
|
Metall-halvledardioder är de äldsta likriktarkomponenterna på halvledarbasis. Ferdinand Braun upptäckte deras likriktareffekt redan 1874, utan att kunna förklara sin observation.
|
|
</margin>
|
|
|
|
Låt oss sammanfatta:
|
|
|
|
Dioder släpper bara igenom ström i en riktning. Därför lämpar de sig för likriktning av växelström.
|
|
|
|
Vid höga backspänningar ($U_d < U_z$) ökar dock strömmen i backriktningen kraftigt. Denna arbetspunkt kan utnyttjas mycket bra för spänningsstabilisering (*zenerdiod*).
|
|
|
|
Dessutom kan de i backriktningen användas som spänningsstyrda kapacitanser, men det behandlar vi först senare.
|
|
|
|
Exempel på zenerdiodens seriemotstånd: Ska en zenerdiod stabilisera $U_Z = \qty{5}{\volt}$ från $U_1 = \qty{13,8}{\volt}$ med strömmen $I = \qty{30}{\milli\ampere}$ blir spänningen över seriemotståndet $U_V = U_1 - U_Z = \qty{8,8}{\volt}$ och $R_V = \frac{U_V}{I} = \frac{\qty{8,8}{\volt}}{\qty{30}{\milli\ampere}} \approx \qty{293}{\ohm}$.
|