Diood

Allikas: Vikipeedia
Dioodid
Skeemitähis

Diood on kahekontaktiline elektroonikakomponent asümmeetrilise juhtivusega, millel on nõrk (olematu) takistus voolu liikumise suunas ning tugev (lõpmatu) takistus voolusuunale vastupidises suunas. Dioodid olid esimesed pooljuhtelektroonilised seadmed

Pooljuhtdioodi tööpõhimõte seisneb P- ja N-tüüpi pooljuhtide ühendusel tekkiva PN-siirde omadusel juhtida voolu pärisuunas (P – pooljuht positiivse pingega) oluliselt paremini, kui vastassuunas.

Pooljuhtmaterjalidena on kasutatud nii germaaniumi kui seleeni, kuid tänapäeval on siiski väga levinud ränidioodid.

Peamised omadused[muuda | redigeeri lähteteksti]

Dioodi kõige üldisem omadus on lasta endast voolu läbi ühes suunas (dioodi edaspidine suund), samas takistades vastassuunalisel voolul ennast läbida (dioodi tagurpidine suund). Seega võib dioodi vaadelda, kui tagasilöögiklapi elektroonilist versiooni. Sellist ühesuunalist käitumist kutsutakse alaldamiseks ning kasutatakse vahelduvvoolu inverteerimiseks alalisvooluks, k.a. raadiosaatjates raadio signaalist modulatsiooni eemaldamiseks - need dioodid on ka teatud mõttes aladid.

Aga dioode võib kasutada ka palju keerukamateks asjadeks kui lihtsalt sisse-välja lülitamiseks. Pooljuhtdioodid hakkavad juhtima voolu alles siis, kui edaspidises suunas on ületatud teatud pingelävi. Ühtlase voolu juures muutub päripinge pingelang minimaalselt ning on tuletatav temperatuuri muutusest; näiteks kasutatakse seda nähtust kindla stabiilse pingepotentsiaali saamiseks.

Pooljuht dioodide mittelineaarset voolu-pinge karakteristikut saab kohandada muutes lisandisisaldustaset ja/või pooljuhtmarerjali. Dioode kasuatakse pinge reguleerimiseks (Zener dioodid), elektroonika skeemi kaitsemiseks kõrge pinge impulsside eest (laviindioodid), raadio või televiisori vastuvõtja elektrooniliselt häälestamiseks (mahtuvusdioodid), raadiosagedusliku signaali genereerimiseks (tunneldioodid), ja valgusallikatena (valgust eraldavad dioodid). Tunneldioodidel on negatiivne takistus, mis teeb nad kasulikuks kindlat tüüpi skeemides.

Ajalugu[muuda | redigeeri lähteteksti]

Elektroonlamp-diood
Läbipaistev ränidiood

Elektronlampi ja pooljuhtdioodi arendati paraleelselt. Elektronlamp dioodi põhimõtte avastas Frederick Guthrie 1873 aastal ning juba aasta hiljem avastas Saksa teadlane Karl Ferdinand Braun pooljuhtdioodide tööpõhimõtte.

Thomas Edison taasavastas 1880 aasta 13. veebruaril elektronlamp dioodi tööpõhimõtte ning patenteeris selle 1883 aastal (U.S. Patent 307,031), kuid ei arendanud ideed edasi. Braun patenteeris pooljuhtalaldi 1899 aastal. Sir Jagdish Bose jätkas Brauni avastatud dioodi uurimist raadiosignaali vastuvõtuks vajaliku komponendina.

Esimene pooljuhtdioodidega raadiovastuvõtja ehitati umbes 1900 aastal Greenleaf Whittier Pickard poolt. Inglismaal patenteeris elektronlamp dioodi John Ambrose Fleming (Marconi Company teaduslik nõunik ja endine Edisoni töötaja) 16. novembril 1904 aastal. Pickard sai patendi oma pooljuhtdetektorile 20. novembril 1906 (U.S. Patent 836,531).

Avastuste tegemise ajal kutsuti selliseid seadmeid ka alalditeks. 1919 aastal mõtles William Henry Eccles välja sõna "diood": kreekakeelsetest sõnadest - di tõlkes ‘kaks’, ja ode (sõnast odos) tõlkes ‘teed’.

Elektroonlamp-diood[muuda | redigeeri lähteteksti]

Vaakumdioodi sümbol.

Elektroonlamp-diood koosneb vaakumtorust ja kahest elektroodist: anoodist ja hõõgniidiga kuumutatavast katoodist. Esimesed elektroonlamp-dioodid sarnanesid välimuselt hõõglambi pirnile.

Töötamisel lastakse eraldi vool läbi hõõgniidi, kõrge takistusega traadi, mis on enamasti valmistatud nikroomist, mis kuumutab katoodi 800...1000 °C kraadini, mille tagajärjel katood eraldab elektrone vaakumisse, protsess, mida nimetaakse termoemissiooniks. Katood on kaetud leelismuldmetalli (nt. baarium või strontsium) oksiidiga, millel on madal töö funktsioon, et suurendada eraldatavate elektronide hulka. Alaldatav vahelduvvool rakendatakse anoodile. Kui anoodil on positiivne pinge katoodi suhtes, siis anood tõmbab elektrostaatikaga eraldatud elektronid endasse tekitades voolu. Kuid, kui anoodil on katoodi suhtes negatiivne pinge, siis voolu ei teki, kuna eraldatud elektrone ei tõmba katoodi suunas. Anood ise ei eralda elektrone, seega saab elektronide vool olla ainult ühesuunaline - katoodilt anoodile.

Pooljuhtdioodid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Elektroonika sümbolid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Pooljuhtdioodi puhul kasutatav sümbol määrab millst tüüpi dioodi kasutada. Mõnda tüüpi dioodi jaoks on ka erinevaid sümboleid, kuigi erinevused on tühised.

Siirdega dioodid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Enamus tänapäeval kasutusel olevatest dioodidest on ränisiirde dioodid. Siirde moodustub p ja n alade vahel, mida kutsutakse ka tühjendusalaks.

pn-siirdega diood[muuda | redigeeri lähteteksti]

Pn-siirdega diood valmistatakse pooljuhtkristallist. Pooljuhile lisatakse lisandeid, et tekitada ühte serva piirkond, mis sisaldab negatiivse langu kandjaid (elektrone), neid kutsutakse n-tüüpi pooljuhtideks, ning teise serva piirkond, mis sisaldab positiivse laengu kandjaid (auke), neid kutsutakse p-tüüpi pooljuhtideks. Kui kaks materjali, n-tüüpi ja p-tüüpi, ühendatakse kokku, tekib hetkeline elektronide ülekanne n'lt p'le. Nende kahe piirkonna vaheline ala, mida kutsutakse pn-siirdeks, on koht, kus kogu dioodi töö aset leiab. Kristall lubab elektronidel voolata N-tüüpi poolelt (nimetatakse katoodiks) P-tüüpi poolele (nimetatakse anoodiks), kuid mitte vastupidises suunas. Kummagi piirkonnaga on ühendatud kontakt.

Schottky diood[muuda | redigeeri lähteteksti]

Schottky diood on ka siirdega diood, see koostatakse kasutades metall-pooljuht siiret pn-siirde asemel, mis vähendab mahtuvust kuid kiirendab lülituskiirust.

Voolu-pinge karakteristik[muuda | redigeeri lähteteksti]

Pooljuhtdioodi käitumise vooluringis määrab selle voolu-pinge karakteristik, või I-V graafik (vaata graafikut allpool). Kõvera tõusu määrab läbi tühjendusala liikuvate laengukandjate kogus. Kui pn-siire käivitub, siis N-lisandiga ala elektronid valguvad laiali P-lisandiga alale, kus on suur kogus auke (vabad kohad elektronide jaoks). Kui vaba elektron liitub vaba auguga, siis mõlemad, nii elektron kui ka auk haihtuvad, jättes endast maha liikumatu positiivse laenguga koha N-poolel ja negatiivse laenguga koha P-poolel. Pn-siiret ümbritsev ala tühjendub laengu kandjatest seeläbi käitudes kui isolaator.

Kuid tühjendusala ei saa laieneda lõputult. Iga elektron-auk paarile, mis ühenduvad, jääb kummalegi poolele üks vastupidiselt laetud liikumatu osake. Ühendumise jätkudes aina rohkem ioone tekib ning tühjendusalal laieneb elektriväli, mis aegamisi aeglustab ja lõpuks peatab ühendumised. Selleks ajaks on tühjendusalale tekkinud nn sisse-ehitatud potentsiaal.

Kui dioodile lastakse peale samapidine pinge, kui on tühjendusalal, siis tühjendusala jätkab isolaatorina käitumist, takistades igasuguse suurema voolu dioodis (kui just tegu ei ole valgusdioodiga, kus siirde käigus jätkuvalt ühendumine toimub valguse eraldumisega). See on vastupingestuse nähtus. Aga, kui rakendatav pinge on vastupidine seesmisele potentsiaalile, siis ühendumine võib jätkuda, väljendudes arvestatava koguse voolu läbi laskmisega pn-siirdel. Ränidioodidel on sisemine potentsiaal ligikaudu 0,7 V (0,3 V Germaaniumiga ja 0,2V Schottky'l). Seega, kui väline vool läbib dioodi, siis pinge dioodil kasvab logaritmiliselt vooluga nõnda, et P-lisandiga piirkond on positiivne N-lisandiga piirkonna suhtes ning diood on "sisse lülitatud" kuna sellel on päripinge.

Dioodi I-V karakteristiku saab lähendada nelja tööpiirkonda.

pn-siirdega dioodi I-V karakteristik.

Väga kõrgel vastupingel, üle tipp vastupinge, toimub protsess, mida kutsutakse tagurpidiseks lagunemiseks, mis põhjustab suure tõusu voolus, mis tavaliselt kahjustab dioodi säärasel viisil, et see ei tööta enam. Laviindioodid on aga just selles piirkonnas töötamiseks loodud, aga seevastu Zener dioodile tipp vastupinge pole rakendatav, sest Zener dioodis on suure lisandikogusega pn-siirdeala, mis lubab elektronidel p-tüüpi pooljuhi valentsvööndist n-tüüpi pooljuhi juhtivusvööndise nii, et tagurpidine pinge on piiratud mingile kindlale väärtusele ning laviini ei toimu. Mõlemad seadmed on aga piiratud maksimaalse voolu ja võimsusega piiratud tagurpidise pinge alas.

Teises piirkonnas, tagurpidistel pingetel, mis on vähem kui tipp vastupinge, on ainult väike tagurpidine küllastusvool. P-N alaldi dioodi vastupinge piirkonnas on vool läbi seadme väga väike (µA suurusjärgus). Aga selle voolu suurus on sõltuv materjali temperatuurist, kui temperatuur on piisavalt kõrge siis võib voolutugevus tõusta arvestatava suuruseni (mA või rohkem).

Kolmas piirkond pärisuunaline, kus pärisuunaline vool on väike.

Voolukõver on eksponentsiaalne. Tavalises väikeses ränidioodis tähistatud voolu juures on pingeland ca. 0,6...0,7 volti. See väärtus on erinevatel diooditüüpidel erinev—Schottky dioodidel on väga madal päripingelang, kuni 0,2 V, Germaanium dioodidel 0,25...0,3 V ning punastel või sinistel valgusdioodidel (LEDid) võib olla päripingelang isegi vastavalt 1,4 V või 4.0 V.

Pärivoolu suurenedes pinglang dioodil samuti suureneb. Võmsusdioodide puhul on tavaliselt pingelang nimivoolu korral 1...1,5 V.

Tagurpidi-taastumise mõju[muuda | redigeeri lähteteksti]

Pärast pärisuunalise juhtivuse lõppemist pn-siirdega dioodil tekib lühiajaline tagurpidine vool. Seade ei saavuta oma täielikku takistuslikku võimekust enne, kui laeng siirdel on ammendunud.

Mõju võib olla märkimisväärne kui lülitatakse suurt voolu väga kiirel sagedusel. Tagurpidise taastumise laengu Qr eemaldamiseks dioodilt on kindel "tagurpidise taastumise aeg" tr. Sellel taastumise ajal suudab diood tagurpidiselt voolu juhtida. Reaalses olukorras peab dioodide puhul sellise kaoga kindlasti arvestama. Kuigi, kui voolu pöördenurk ei ole väga järsk, siis võib seda mõju eirata. Enamusel kasutusjuhtudest on see mõju tühine ka Schottky dioodidel. Tagurpidine vool peatub järsult kui laeng ammendub; seda järsku peatumist kasutatakse ära samm releemähistes genereerimaks ülimalt lühikesi impulsse.

Pooljuhtdioodide tüübid[muuda | redigeeri lähteteksti]

On mitu erinevat pn-siirdega pooljuhtdioodi tüüpi, milles rõhutatakse kindlat tüüpi omadust. Enamasti liigitatakse neid mõõtmete, legeeritusastme, elektroodide tüübi või dioodi ehituse järgi.

Tavalised (pn) dioodid valmistatakse tavaliselt legeeritud ränist või harvemal juhul germaaniumist. Enne räni kasutusele võtmist kasutati dioodide valmistamiseks vaskoksiide ja hiljem seleeniumit, nende madal kasutegur põhjustas palju suurema pingelangu, mistõttu oli vajalik nendele paigaldada suuri jahutusradikaid, palju suuremaid kui sama nimivooluga ränidioodidele. Suurem enamus kõigist dioodidest on pn-siirdega dioodid, mida kasutatakse CMOS mikroskeemides, mis sisaldavad kahte dioodi iga välise ühenduse kohta ning veel mitmeid sisemisi dioode.

Laviindioodid

Kassivurru või kristall dioodid

Püsivoolu dioodid

Tunneldioodid

Gunni dioodid

Valgusdioodid (LEDid)

Laserdioodid

Soojusdioodid

Fotodioodid

PIN dioodid

Schottky dioodid

Kuld-legeeritud dioodid

Stabistorid

Türistorid

Varistorid

Zeneri dioodid

Dioodide tähistamine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Dioodidele tähistamine lihtsustab konkreetse dioodi äratundmist. Dioodide tähistussüsteemid on eri maades ja eri firmadel erinevad.

Euroopa süsteem[muuda | redigeeri lähteteksti]

Euroopa süsteemis koosneb dioodi tähis kolmest või viiest elemendist.

  • Esimene element on täht, mis näitab kasutatud materjali: A – germaanium, B – räni, C – galliumarseniid, D – indiumantimoniid.
  • Teine element koosneb kas ühest või kahest tähest, millest esimene määrab seadise liigi: A – üldotstarbeline diood, B – mahtuvusdiood, P – fotodiood, Q – valgusdiood, T – türistor, Y – suure võimsusega alaldusdiood, Z – stabilitron. Teine täht elemendis pole olulise tähtsusega ja see on tootja tähistus.
  • Kolmas element on kahe- või kolmekohaline number, mis on seadise registreerimisnumber.
  • Neljandat ja viiendat elementi kasutatakse ainult stabilitronidel. Neljas element on täht ja määrab stabiliseerimispinge tolerantsi: A – ±1%, B – ±2%, C – ±5%, D – ±10%. Viies element on number, mis määrab stabiliseerimispinge. Kui see on antud kümnendkohaga, siis on koma kohal täht V. Suurevõimsuslistel alaldusdioodidel määrab see number suurima vastupinge, kusjuures neljas element puudub. Näiteks AA113 on üldotstarbeline germaaniumdiood, BZ88-C4V7 on räni-stabilitron, stabiliseerimispinge täpsusega ±5%, stabiliseerimispingega 4,7 V.

USA ja Jaapani süsteem[muuda | redigeeri lähteteksti]

USA süsteemis kasutatakse kolme tähistuselementi. Esimene element koosneb ühest numbrist ja tähest, mis määrab seadise liigi ning dioodi tähiseks on 1N. Teine element on neljakohaline number, mis on seadise registreerimisnumbriks. Kolmas element on täht, mis osutab tüübiteisendile või eriomadustele, näiteks 1N2033A. Jaapani süsteem on põhimõtteliselt samasugune, ainult dioodi tähisena kasutatakse 1S.

Vene süsteem[muuda | redigeeri lähteteksti]

Vene tähistussüsteemis koosneb dioodi tähis viiest elemendist.

  • Esimene element on täht või number, mis määrab kasutatud materjali: Г või 1 – germaanium, K või 2 – räni, A või 3 – galliumi ühendid.
  • Teine element on täht, mis määrab seadise liigi: A – ülikõrgsagedusdiood, B – mahtuvusdiood, A – alaldus-, lüliti- ja teised dioodiliigid, A – valgusdiood, C – stabilitronid, U – alaldusplokid.
  • Kolmas element on ühekohaline number, mis määrab antud seadise täpsema otstarbe, kusjuures numbri tähendus on eri seadiste liikidel erinev.
    • Liigi A puhul: 1 – segustus-, 2 – detektor-, 5 – lüliti-, 6 – kordistusdioodid.
    • Liik A: 1 – pärivool kuni 0,3 A; 2 – pärivool kuni 10 A. 4, 5, 6, 7 ja 8 – lülitidioodid erinevate taastumiskestustega.
    • Liik C: 1 – hajuvõimsus kuni 0,3 W; 2 – hajuvõimsus kuni 5 W; 3 – hajuvõimsus kuni 10 W.
    • Liik U: 3 – pärivool kuni 0,3 A; 4 – pärivool kuni 10 A.
  • Neljas element on kahekohaline number, mis on seadise registreerimisnumbriks, kuid stabilitronidel väljendab ta stabiliseerimispinget. Stabiliseerimispingetel alla 10 V tuleb kahe numbri vahele panna koma. Näit. KC191A on väikesevõimsuseline ränistabilitron stabiliseerimispingega 9,1 V.
  • Viies element on täht, mis määrab versiooni. Näit. KA411B on räni-alaldusdiood voolule kuni 10 A, registreerimisnumbriga 11. versioon A.

Suurematel dioodidel kantakse tähis korpusele, väiksematel pole see aga võimalik ja seepärast kasutatakse tähistamist värvikoodiga. Dioodide värvikoodid võib leida käsiraamatutest.

Vaata ka[muuda | redigeeri lähteteksti]