6.2 Diodi
Puolijohteet
Materiaalit voidaan jakaa karkeasti johteisiin ja eristeisiin. Johteissa varaukset pääsevät liikkumaan, tyypillisimmillään liikkuva varaus on metallissa oleva vapaa elektroni. Eristeissä puolestaan ei ole vapaita varauksen siirtäjiä, esimerkiksi ioniyhdisteissä ionit muodostavat jäykkärakenteisen ionihilan, eivätkä rakenneosaset pääse liikkumaan.
Puolijohteet ovat sähkönjohtavuudeltaan johteiden ja eristeiden välissä. Niissä varaus siirtyy huonommin kuin johteissa, mutta ne eivät estä varauksen kulkua eristeen tavoin. Puolijohteita voivat olla 14. ryhmän alkuaineet sekä 14:ttä ryhmää ympäröivien alkuaineiden yhdisteet. Pii on tyypillisin puolijohdemateriaali.
14. ryhmän alkuaineilla, kuten piillä, on neljä ulkoelektronia. Piiatomi muodostaa sidoksen neljän muun piiatomin kanssa jakaen neljä ulkoelektroniaan. Puhtaassa piissä jokaiselle elektronille löytyy paikka kiteessä. Lämpöliike kuitenkin irrottaa elektroneja, ja piissä esiintyy jonkin verran vapaita varauksia. Vapaiden elektronien määrä jää sen verran vähäiseksi, että piitä ei voida pitää johteena.
P- ja n-tyypin puolijohteet
Puhtaasta piistä ei rakenneta toimivia puolijohdekomponentteja. Piitä seostetaan joko 13. tai 15. ryhmän alkuaineella, jotta materiaaliin saadaan enemmän varausten kuljettajia. 13. ryhmän alkuaineilla on kolme ja 15. ryhmän alkuaineilla viisi ulkoelektronia.
Kun piihin lisätään 13. ryhmän alkuaineita, kuten booria, piin ja boorin välisiin sidoksiin jää yhden elektronin paikka vapaaksi. Kiteeseen muodostuu aukko. Puolijohdetta kutsutaan p-tyypin puolijohteeksi.
Kun piihin lisätään 15. ryhmän alkuainetta, kuten arseenia, piin ja arseeniin välisiin sidoksiin jää yksi elektroni ilman paikkaa. Elektronia kutsutaan vapaaksi elektroniksi. Puolijohde on n-tyypin puolijohde.
Puolijohteet ja diodin toiminta
Diodi rakennetaan liittämällä p- ja n-tyypin puolijohteet toisiinsa. Liitoskohdassa n-tyypin vapaat elektronit kulkeutuvat p-tyypin puolelle täyttäen sidoksissa olevia aukkoja. Liitoskohtaan syntyy näin tyhjennysalue, jossa ei ole vapaita varauksia. Kun elektronit ovat kulkeutuneet n-tyypin puolelta p-tyypin puolelle, n-tyypin puolelle jää elektronien vajaus ja p-tyypin puolelle tulee elektronien ylimäärä. P-tyypin puoli varautuu negatiivisesti. N-tyypin puolella on positiivinen varaus. P- ja n-tyypin puolien varautumisen vuoksi liitoskohtaan on syntynyt jännite.
Jotta diodin läpi kulkee sähkövirta, varauksilla on oltava riittävästi energiaa tyhjennysalueen ylittämiseen. Energian ne saavat ulkoisesta jännitelähteestä. Kun jännitelähteen miinusnapa kytketään diodin n-tyypin puolelle, vapaat elektronit siirtyvät poispäin jännitelähteestä kohti liitoskohtaa. Vastaavasti p-tyypin puolella elektroneja liikkuu kohti plusnapaa jättäen aukkoja lähelle liitoskohtaa. Varauksen siirtäjät, eli aukot ja vapaat elektronit, tulevat lähemmäs toisiaan mahdollistaen elektronien siirtymisen tyhjennysalueen yli.
Jos jännitelähteen napajännite on suurempi kuin tyhjennysalueen reunojen välille alun perin syntynyt jännite, elektroneilla on riittävästi energiaa, ja ne voivat siirtyä liitoskohdan yli. Diodin läpi kulkee sähkövirta, ja se on kytketty päästösuuntaan.
Kun jännitelähteen plusnapa liitetään n-tyypin puoleen, n-tyypin puolella vapaat elektronit siirtyvät kohti paristoa poispäin liitoskohdasta. Vastaavasti p-tyypin puolella elektroneja siirtyy poispäin miinusnavasta, ja aukkokohdat ajautuvat poispäin liitoskohdasta. Varauksen siirtäjät, eli aukot ja vapaat elektronit, ajautuvat kauas toisistaan, eikä diodin läpi kulje sähkövirtaa. Diodi on kytketty estosuuntaan.
Diodin ominaiskäyrä
Diodin läpi kulkevan sähkövirran suuruutta voidaan tutkia kytkemällä se säädettävään jännitelähteeseen. Jännitelähteestä voidaan muuttaa jännitteen napaisuutta ja suuruutta. Ohessa on tilanteen kytkentäkaavio. Virtamittari mittaa diodin läpi kulkevaa sähkövirtaa ja jännitemittari diodin napajännitettä. Diodin kanssa on sarjaan kytkettynä vastus, jotta virta ei millään hetkellä nouse kovin suureksi. Tällaista virran rajoittamiseen käytettyä vastusta kutsutaan usein etuvastukseksi, kuten kondensaattorinkin tapauksessa.
Mittauksessa sähkövirta esitetään jännitteen funktiona. Muodostunutta käyrää kutsutaan diodin ominaiskäyräksi. Kuvan virtapiirissä ei ole vastusta.
Diodin läpi ei kulje sähkövirtaa, kun diodi on kytketty estosuuntaan. Päästösuunnassa diodin läpi kulkee sähkövirta, kun diodin kynnysjännite ylittyy. Videon komponentti on valodiodi eli ledi, joten se valaisee virran kulkiessa. Diodin kynnysjännitteeksi määritetään 1,93 V. Tämä on se jännite, joka p- ja n-tyypin puolijohteiden rajapinnalle syntyy aluksi ilman jännitelähdettä rajapinnan lähellä olevien aukkojen ja vapaiden elektronien yhdistyessä.
Diodin läpi ei kulje sähkövirtaa, kun jännite on alle diodin kynnysjännitteen. Kun kynnysjännite on ylitetty, sähkövirta kasvaa lähes rajatta: diodi ei juurikaan vastusta sähkövirran kulkua. Tämä nähdään jyrkästi nousevana osana diodin ominaiskäyrässä. Voidaan sanoa, että diodin resistanssi on hyvin suuri, kun sen jännite on alle kynnysjännitteen. Diodin resistanssi on hyvin pieni, kun diodin jännite ylittää kynnysjännitteen. Ideaalisen diodin käyrä on pystysuora. Ideaalisen diodin resistanssi on nolla, ja sähkövirta alkaa kulkea, kun kynnysjännite ylittyy.
Esimerkkejä
Esimerkki 1
Alla on mittausten perusteella muodostettu erään diodin ominaiskäyrä.
Päättele ominaiskäyrän ja diodien yleisten ominaisuuksien avulla, mitä tapahtuu, kun diodi kytketään seuraaviin jännitteisiin.
- 2,0 V
- 2,3 V
- 5,0 V
- -1,0 V
- -101 V
Esimerkki 2
Diodi rakennetaan seuraavasti:
- oikealle puolelle valmistetaan puolijohde seostamalla piihin hieman alumiinia
- vasemmalle puolelle valmistetaan puolijohde seostamalla piihin hieman antimonia.
- Kumman puolen puolijohde on n-tyyppiä?
- Kumpi puoli liitoksesta varautuu positiivisesti?
- Diodin vasen puoli kytketään jännitelähteen positiiviseen ja oikea puoli negatiiviseen napaan. Onko diodi kytketty päästö- vai estosuuntaan?