Van het elektronische ontwerp tot de productie en reparatie, diodes worden op grote schaal gebruikt voor verschillende toepassingen. Deze zijn van verschillende typen en dragen de elektrische stroom over op basis van de eigenschappen en specificaties van die specifieke diode. Dit zijn voornamelijk PN-junctiediodes, lichtgevoelige diodes, zenerdiodes, schottky-diodes, varactor-diodes. Lichtgevoelige diodes zijn onder meer LED's, fotodiodes en fotovoltaïsche cellen. Enkele hiervan worden in dit artikel kort uitgelegd.
1. P-N-verbindingsdiode
Een P-N-overgang is een halfgeleiderinrichting die wordt gevormd door P-type en N-type halfgeleidermateriaal. P-type heeft een hoge concentratie aan gaten en N-type heeft een hoge concentratie aan elektronen. Gatendiffusie is van p-type naar n-type en elektronendiffusie is van n-type naar p-type.
De donorionen in het n-type gebied worden positief geladen als de vrije elektronen van het n-type naar het p-type gaan. Daarom wordt een positieve lading gebouwd aan de N-kant van de kruising. De vrije elektronen over de junctie zijn de negatieve acceptorionen door de gaten in te vullen, waarna de negatieve lading die aan de p-zijde van de junctie is vastgesteld, wordt weergegeven in de figuur.
Een elektrisch veld gevormd door de positieve ionen in het n-type gebied en negatieve ionen in het p-type gebied. Dit gebied wordt het diffusiegebied genoemd. Omdat het elektrische veld vrije dragers snel wegvaagt, is de regio uitgeput van vrije dragers. Een ingebouwd potentieel Vmet eenals gevolg van Ê wordt gevormd op de kruising wordt getoond in de figuur.
Functioneel diagram van P-N Junction Diode:
Functioneel diagram van P-N Junction Diode
Voorwaartse kenmerken van P-N Junction:
Wanneer de positieve pool van de batterij is verbonden met het P-type en de negatieve pool is verbonden met het N-type, wordt de voorwaartse voorspanning van de P-N-overgang weergegeven, zoals hieronder wordt weergegeven.
Voorwaartse kenmerken van P-N Junction
Als deze externe spanning groter wordt dan de waarde van de potentiaalbarrière, ongeveer 0,7 volt voor silicium en 0,3 V voor Ge, wordt de potentiaalbarrière overschreden en begint de stroom te stromen door beweging van elektronen over de kruising en hetzelfde voor de gaten.
P-N Junction Forward Bias-kenmerken
Omgekeerde kenmerken van P-N Junction:
Wanneer een positieve spanning wordt gegeven aan het n-deel en een negatieve spanning aan het p-deel van de diode, wordt gezegd dat deze in omgekeerde voorspanning staat.
P-N Junction Reverse Characteristics Circuit
Wanneer een positieve spanning wordt gegeven aan het N-deel van de diode, bewegen de elektronen zich naar de positieve elektrode en door het aanleggen van een negatieve spanning op het p-deel gaan de gaten naar de negatieve elektrode. Als gevolg hiervan kruisen de elektronen de kruising om te combineren met de gaten aan de andere kant van de kruising en vice versa. Als resultaat wordt een depletielaag gevormd met een pad met hoge impedantie en een barrière met hoge potentiaal.
P-N Junction Reverse Bias-kenmerken
Toepassingen van P-N Junction Diode:
P-N junctiediode is een polariteitsgevoelig apparaat met twee aansluitingen, de diode geleidt bij voorwaartse voorspanning en diode geleidt niet bij tegengestelde voorspanning. Vanwege deze kenmerken wordt de P-N-junctiediode in veel toepassingen gebruikt, zoals
- Gelijkrichters in DC stroomvoorziening
- Demodulatiecircuits
- Knip- en klemnetwerken
2. Fotodiode
De fotodiode is een soort diode die stroom opwekt die evenredig is met de invallende lichtenergie. Het is een licht-naar-spanning / stroomomvormer die toepassingen vindt in beveiligingssystemen, transportbanden, automatische schakelsystemen, etc. De fotodiode is vergelijkbaar met een LED in constructie maar de p-n-overgang is zeer lichtgevoelig. De p-n-overgang kan worden belicht of verpakt met een venster om licht in de P-N-overgang te brengen. Onder de voorwaarts voorgespannen toestand gaat de stroom van de anode naar de kathode, terwijl in de tegengestelde toestand de fotostroom in de omgekeerde richting stroomt. In de meeste gevallen is de verpakking van fotodiode vergelijkbaar met LED met anode- en kathodedraden die uit de behuizing steken.
Foto Diode
Er zijn twee soorten fotodiodes: PN- en PIN-fotodiodes. Het verschil zit hem in hun prestaties. De PIN-fotodiode heeft een intrinsieke laag, dus deze moet in tegengestelde richting zijn voorgespannen. Als resultaat van omgekeerde voorspanning neemt de breedte van het uitputtingsgebied toe en neemt de capaciteit van de p-n-overgang af. Hierdoor kunnen meer elektronen en gaten in het uitputtingsgebied worden gegenereerd. Maar een nadeel van omgekeerde voorspanning is dat het ruisstroom genereert die de signaal-ruisverhouding kan verminderen. Omgekeerde voorspanning is dus alleen geschikt in toepassingen die hogere eisen stellen bandbreedte De PN-fotodiode is ideaal voor toepassingen met weinig licht, omdat de werking onbevooroordeeld is.
De fotodiode werkt in twee modi namelijk fotovoltaïsche modus en fotogeleidende modus. In de fotovoltaïsche modus (ook wel Zero bias-modus genoemd) wordt de fotostroom van het apparaat beperkt en wordt er spanning opgebouwd. De fotodiode bevindt zich nu in de voorwaartse vooringestelde toestand en een 'donkere stroom' begint over de p-n-overgang te stromen. Deze stroom van donkerstroom vindt plaats tegengesteld aan de richting van de fotostroom. De donkere stroom wordt gegenereerd bij afwezigheid van licht. De donkerstroom is de fotostroom die wordt geïnduceerd door de achtergrondstraling plus de verzadigingsstroom in het apparaat.
De fotogeleidende modus treedt op wanneer de fotodiode in tegengestelde richting is voorgespannen. Als gevolg hiervan neemt de breedte van de depletielaag toe en leidt dit tot een vermindering van de capaciteit van de p-n-overgang. Dit verhoogt de reactietijd van de diode. Responsiviteit is de verhouding tussen de gegenereerde fotostroom en de invallende lichtenergie. In de fotogeleidende modus genereert de diode alleen een kleine stroom, genaamd verzadigingsstroom of tegenstroom langs zijn richting. De fotostroom blijft in deze toestand hetzelfde. De fotostroom is altijd evenredig met de luminescentie. Hoewel de fotogeleidende modus sneller is dan de fotovoltaïsche modus, is de elektronische ruis hoger in de fotogeleidende modus. Op silicium gebaseerde fotodiodes genereren minder ruis dan op germanium gebaseerde fotodiodes, aangezien silicium fotodiodes een grotere bandafstand hebben.
3. Zenerdiode
Zenerdiode is een type diode waarmee de stroom in voorwaartse richting kan stromen, vergelijkbaar met een gelijkrichterdiode, maar tegelijkertijd kan de stroom in tegengestelde richting stromen, ook wanneer de spanning hoger is dan de doorslagwaarde van de zener. Dit is meestal een tot twee volt hoger dan de nominale spanning van de zener en staat bekend als de zenerspanning of lawinepunt. De Zener is zo genoemd naar Clarence Zener die de elektrische eigenschappen van de diode ontdekte. Zenerdiodes vinden toepassingen in spanningsregeling en om halfgeleiderinrichtingen te beschermen tegen spanningsschommelingen. Zenerdiodes worden veel gebruikt als spanningsreferenties en als shuntregelaars om de spanning over circuits te regelen.
De zenerdiode gebruikt zijn p-n-overgang in de reverse bias-modus om het zener-effect te geven. Tijdens het Zener-effect of Zener-uitval houdt de Zener de spanning dicht bij een constante waarde die bekend staat als de Zener-spanning. De conventionele diode heeft ook de eigenschap van tegengestelde voorspanning, maar als de tegengestelde voorspanning wordt overschreden, zal de diode worden blootgesteld aan hoge stroom en zal deze worden beschadigd. De zenerdiode is daarentegen speciaal ontworpen om een lagere doorslagspanning te hebben, de zenerspanning. De zenerdiode vertoont ook de eigenschap van een gecontroleerde doorslag en zorgt ervoor dat de stroom de spanning over de zenerdiode dicht bij de doorslagspanning houdt. Een zener van 10 volt zal bijvoorbeeld 10 volt laten vallen over een breed scala aan tegenstromen.
Wanneer de zenerdiode in tegengestelde richting is voorgespannen, zal de p-n-overgang een lawine-storing ondergaan en de zener geleidt in de omgekeerde richting. Onder invloed van het aangelegde elektrische veld zullen de valance-elektronen worden versneld om te kloppen en andere elektronen vrij te geven. Dit eindigt in het lawine-effect. Wanneer dit gebeurt, zal een kleine verandering in de spanning resulteren in een grote stroom. De zenerdoorslag is afhankelijk van het aangelegde elektrische veld en de dikte van de laag waarop de spanning wordt aangebracht.
De zenerdiode vereist een stroombegrenzende weerstand in serie om de stroom door de zener te beperken. Typisch is de Zener-stroom vastgesteld op 5 mA. Als bijvoorbeeld een 10 V Zener wordt gebruikt met een 12 volt voeding, is een 400 Ohm (Near-waarde is 470 Ohm) ideaal om de Zener-stroom op 5 mA te houden. Als de voeding 12 volt is, is er 10 volt over de zenerdiode en 2 volt over de weerstand. Met 2 volt over de weerstand van 400 ohm, is de stroom door de weerstand en zener 5 mA. Dus in de regel worden 220 Ohm tot 1K weerstanden gebruikt in serie met de Zener, afhankelijk van de voedingsspanning. Als de stroom door de zener onvoldoende is, is de output ongereguleerd en lager dan de nominale doorslagspanning.
De volgende formule is handig om de stroom door de zener te bepalen:
Zener = (VIn - V uit) / R Ohm
De waarde van de weerstand R moet aan twee voorwaarden voldoen.
- Het moet een lage waarde zijn om voldoende stroom door de zener te laten lopen
- Het vermogen van de weerstand moet hoog genoeg zijn om de zener te beschermen.
Foto tegoed:
