Diódák

A dióda nemlineáris kétpólus, aszimmetrikus viselkedésű félvezető áramköri elem. Többféle típusa és alkalmazási területe van. Áramköri rajzjele a következő:

A baloldali kivezetés az anód, a másik a katód. Nyitó irányban az áram az anódtól a katód felé folyik.

Egyenlet

A dióda áram-feszültségkarakterisztikáját a Shockley-egyenlet írja le:

ahol

• I_s a szaturációs áram, ami záróirányban folyik záróirányú feszültség esetén
• q az elemi töltés, ≈1.602⋅10^-19C
• k a Boltzmann állandó, ≈1.381⋅10^-23J/K
• T az abszolút hőmérséklet Kelvin egységekben
• n a diódára jellemző úgynevezett idealitási faktor, alapértéke 1, tipikusan 1≤n≤2

Gyakori a \( V_T= \frac {kT}{q} \) úgynevezett termikus feszültség használata is, melynek értéke szobahőmérsékleten (25ºC) 26 mV körüli.

Tipikus diódakarakterisztika látható az alábbi ábrán:

Nyitóirányban az áram jelentősen meghaladja I_s értékét, azaz a -1 tag elhagyható és a V(I) karakterisztika is egyszerű alakú:

Nyitófeszültség

A pozitív szakasz kinagyítva jól mutatja, hogy a dióda egy bizonyos feszültség felett kezd el jól vezetni. Ezt a nyitófeszültséget 0.6 V .. 0.7 V körülinek tekinthetjük, gyakran az 1 mA áramhoz tartozó feszültséget értjük alatta. A diódák adatlapjában lehet ennél több információt találni.

Záróirányú áram, szaturációs áram

A záróirányú karakterisztikán jól látszik, hogy ekkor a szivárgó áram értéke a feszültségtől lényegében független, szaturálódik, értéke I_s, a példában ez 1 nA. Nevezik szaturációs áramnak, sötétáramnak (ha fény érné a P-N átmenetet, értéke megváltozna). Értéke nagyon sokféle lehet, kisjelű diódáknál pA, nagyáramú diódáknál µA nagyságrendben.

Modellek

Egyszerűsített modell

Az ideális dióda az egyik áramirányban ideális vezető, a másik irányban ideális szigetelő. Egyszerűbb esetekben ezért egy kapcsolóként is modellezhető, ami nyitott vagy zárt az iránynak megfelelően. A gyakorlatban ennél jobb közelítést jelent az alábbi modell, mivel figyelembe veszi a V_f nyitófeszültséget is:

A kapcsoló akkor tekintendő zártnak, ha az anód a pozitívabb feszültségű, azaz az áram a feszültséggenerátor felé folyik.

Jegyezzük meg, hogy záróirányban a szaturációs áram nagyjából állandó, így áramgenerátorszerű a viselkedés. Ha az áramkörben ez nem tekinthető elhanyagolhatóan kicsinek, akkor ezt is figyelembe vehetjük az alábbi egyszerű modellel:

Ha tehát az áramkörben a dióda anódja pozitívabb feszütlségű, akkor a kapcsoló a felső állásban van, ellenkező esetben pedig az alsó állásban.

Lineáris modell

Ha az áram kis tartományban változik, akkor az áramváltozás és a hozzá tartozó feszültségváltozás jó közelítéssel arányos, az arányossági tényező a görbe meredeksége:

Tehát ha az áram egy átlagos I₀ érték körül ingadozik, akkor

Ennek a reciprokát dinamikus ellenállásnak is nevezik. Az alábbi ábrán kék vonal szemlélteti a lineáris közelítést a körrel megjelölt pont környezetében.

Az dinamikus ellenállás jelentését szemlélteti a következő szimuláció. A feszültség egy szűk tartományban ingadozik, melyhez tartozó áramingadozást a görbe alapján lehet megadni. Minél meredekebb a görbe kiválasztott szakasza, annál nagyobb az áramingadozás, és annál kisebb a dinamikus ellenállás. Ennek különösen váltófeszültségek kezelése esetén van nagy jelentősége, ahol a dinamikus ellenállás az átviteli karakterisztika kiszámításához szükséges. Jegyezzük meg, hogy valamennyi torzítás is fellép, mivel a görbe kiválasztott szakasza kicsit eltér az egyenestől.

Ezek alapján a jelek kis változásait tekintve a dióda ellenállásként viselkedik, mivel az áram-feszültség karakterisztika közel lineáris szakaszán mozognak az értékek, épp úgy, mint egy ellenállás esetén. A kisjelű leírásnak nagy jelentősége van a tranzisztorok és erősítők leírásában is.

Példa a dinamikus ellenállás áramkörszámítási alkalmazására

Alkalmazzuk a lineáris modellt az alábbi egyszerű áramkörre:

Ekkor a generátor feszültsége megegyezik az ellenálláson és diódán eső feszültség összegével:

Mivel egy áramköri hurok van, minden egyes alkatrészen ugyanakkora I áram folyik, érdemes ezzel is kifejezni a fenti összefüggést:

Ha megváltozik V_g, akkor megváltozik az ellenálláson és diódán eső feszültség is.

Természetesen az I áram is megváltozik, mindkét komponensen azonos mértékben, így az áram változásával kifejezve:

Ha az áramváltozással osztunk, akkor lényegében azt kapjuk, hogy a feszültséggenerátort milyen ellenállás terheli:

Ebből jól látszik, hogy a jelek kis változásait nézve a dióda ellenállásszerűen viselkedik, amit a dinamikus ellenállásnak feleltethetünk meg. A fenti áramkör tehát feszültségosztóként viselkedik kis változásokra, ami alapján egyszerűen kiszámítható, mekkora feszültségváltozás jön létre a diódán a generátorfeszültség változásának hatására:

Reális diódák közelítő modellje

A reális diódák viselkedése valamennyire eltér attól, amit a Shockley-egyenlet leír. Egy gyakran használt modellt mutat a következő ábra:

A kapacitás főleg a záróirányú viselkedésnél számít. Az ellenállás hatása nagyobb nyitóirányú áramok esetén lehet számottevő, magyarázza a növekvő nyitóirányú feszültséget és teljesítményfelvételt. A karakterisztika nagyobb áramoknál az ohmikus viselkedéshez közelebbé válik. A helyettesítő komponensek értékei sokfélék lehetnek, a dióda típusától függenek.

Hőmérsékletfüggés

A nyitófeszültség hőmérsékletfüggő, ami I_s és V_T jelentős hőmérsékletfüggésével magyarázható. A nyitófeszültség közelítőleg a hőmérséklet lineáris függvénye, a meredekség értéke ≈ -2 mV/K. Tipikus karakterisztikát mutat az alábbi grafikon:

A nyitófeszültség hőmérsékletfüggése miatt a dióda hőmérsékletérzékelőként is használható, de a karakterisztika erősen függhet a dióda aktuális paramétereitől, I_s bizonytalanságától. Lényegesen jobb megoldás a diódafeszültséget két különböző áram mellett venni és ezek különbségének hőmérsékletfüggését tekinteni:

I_s értékét azonosnak vettük mindkét áram esetén, mivel a hőmérsékletük azonos, így végül:

Ennek megfelelően a feszültségkülönbség arányos az abszolút hőmérséklettel (ezt gyakran a PTAT rövidítéssel jelzik, proportional to absolute temperature). Az alábbi ábra egy tipikus esetet mutat, amikor az áramok aránya 2.

A két különböző áramot egy diódán időben egymás után hozhatjuk létre, ekkor viszont két mérésre és a tárolt mennyiségek utólagos kivonására van szükség. Ha két egyforma tulajdonságú diódát használunk, akkor különböző áramokat egyszerre használhatunk, a feszültségkülönbség közvetlenül mérhetővé válik. Analóg áramköri megoldásoknál ez az elterjedt módszer.

Zener diódák, referenciadiódák

A Zener diódák egy bizonyos záróirányú feszültségnél jó vezetőkké válnak, igen nagy meredekségű ekkor az áram-feszültség karakterisztika, a dinamikus ellenállás kicsi. Sokféle letörési feszültségű Zener dióda kapható, néhány Volttól néhány száz Voltig.

Az ábrán egy 3,3 V Zener-feszültségű dióda karakterisztikája látható.

5 V alatt Zener effektus, felette lavinaeffektus dominál, lavinadiódának is nevezik ebben az esetben a diódát. A Zener effektus kevésbé meredek karakterisztikát jelent.

Referenciadióda

Léteznek nagy stabilitású, kis hőmérsékletfüggésű referenciadiódák, melyek igen pontos feszültségreferenciát biztosítanak (például LM4040, LT1004). A referenciadiódákat feszültséggenerátorral áramkorlátozó ellenállás közbeiktatásával hajthatjuk meg, de áramgenerátoros táplálást is alkalmazhatunk.

Tranziens feszültségelnyomók, ESD védelem

Nagyfeszültségű, rövid idejű feszültséglökések levágására, energia elnyelésére, elektrosztatikus kisülés (ESD, electrostatic discharge) okozta károk elkerülésére alkalmas speciális diódákat gyártanak. Rövid ideig akár kV nagyságú feszültséget és jelentős áramot is elviselhet. Ha a feszültség a vágási tartományon belül van, akkor hatása minimális, a jeleket jól átengedi. Valamennyi szivárgó áram, parazita kapacitás megjelenik az áramkörben.

Rajzjele megegyezik a Zener diódáéval, de létezik kétirányú változat is, amit lényegében két fordított polaritású dióda sorba kötésével oldanak meg. Ez egy alkatrészként kerül forgalomba és külön rajzjele is van, ami a jobb oldalon látható.

Gyártanak integrált áramköröket is, melyekben több és többféle dióda biztosít védelmet túlfeszültség, ESD ellen.

Schottky-diódák

A Schottky-diódák nyitófeszültsége jóval kisebb a hagyományos sziliciumdiódákénál, tipikusan gyorsabb működésűek is (rövidebb idő alatt kerülnek szigetelőből vezető állapotba).

Az ábra egy nagyobb és kisebb áramú Schottky-dióda (1N5817 és BAT54) karakterisztikáját mutatja.

PIN diódák

A PIN diódák a p és n részek között adagolatlan (intrinsic) réteget tartalmaznak. Alacsony frekvencián a viselkedésük a hagyományos diódákéhoz hasonló, nagy frekvencián ellenállásként viselkednek. Az ellenállásérték függ a nyitó irányú feszültségtől, így DC komponenssel hangolható ellenállást lehet implementálni. A záróirányú kapacitás alacsony értékű.

Gyakran használják RF és mikrohullámú jelek kapcsolására, hangolható amplitúdócsökkentésére.

Varicap, varactor

A diódák záróirányban szigetelők, kivitelüknél fogva kapacitásuk is van, ami függ a záróirányú feszültségtől. A varicap vagy más néven varactor diódák (az elnevezeések eredete a variable capicitor) olyan alkalmazások számára optimalizáltak, amikor kapacitásérték hangolására van szükség. Ilyenek például a rádiófrekvenciás szűrőkörök, oszcillátorok, vevőáramkörök. A dióda áramköri rajzjele a következő:

A dióda kapacitása a záróirányú DC feszültséggel változtatható, amire a kezelendő váltófeszültségű komponenst szuperponálódik. Egy tipikus karakterisztika látható az alábbi ábrán:

Optoelektronikai félvezetők

Fényemittáló diódák, LED-ek

A fényemittáló dióda (LED, light emitting diode) a nyitóirányú árammal közelítőleg arányos intenzitású fényt bocsát ki. Áramköri rajzjele a következő:

A nyitófeszültség jelentősen függ a kibocsátott fény színétől, ahogy az alábbi ábra mutatja:

A LED-eket gyakran feszültséggenerátorról tápláljuk, de ekkor előtétellenállást kell használnunk a kívánt áram beállítására. Nagyobb pontosságú vagy nagyobb áramú vezérléseknél áramgenerátoros táplálást is szokás alkalmazni.

Lézerdiódák

A lézerdiódák lézerfény keltésére alkalmasak. Egy bizonyos nyitóirányú feszültségértékig LED-ként (spontán emisszió), felette lézerként (indukált emisszió) működnek. Ez utóbbi szakaszban az áram-feszültségkarakterisztika jó közelítéssel lineáris.

Egy vörös színű fényt kibocsátó lézerdióda karakterisztikája:

Egy infravörös színű fényt kibocsátó lézerdióda karakterisztikája:

A lézerdiódákat leggyakrabban áramgenerátorral hajtják meg.

Fotodiódák, fényelemek

A fotodiódák záróirányú árama jó közelítéssel arányos a diódára jutó megvilágítással. Áramköri rajzjelük az alábbi:

Fotoáram mód

A leglineárisabb működést a fotoáram mód adja, amikor a dióda áramgenerátorként működik és a kivezetései közt 0 V van, ahogy az alábbi ábrán látható:

Negatív előfeszítést is szokás alkalmazni. Ekkor a fotodióda kapacitása kisebb, így gyorsabb működés érhető el.

A fotoáram módokban a fotodiódához az alábbi modellt szokták rendelni:

A modellben szereplő komponensek értékeit a diódák adatlapjában lehet megtalálni. Ezeknek megfelelően célszerű jelkondicionáló áramköröket (például fotodióda erősítőket) méretezni, amelyek segítségével a kívánt tartományú kimeneti feszültségjelet lehet előállítani.

Fotofeszültség mód

Fotofeszültség módban a dióda kivezetéseit szabadon hagyjuk. Ekkor a fény hatására töltések halmozódnak fel, így feszültség jön létre a kivezetések közt. Köztes állapotot jelent, ha egy ellenállást kötünk a diódára. Ebben az esetben áram folyik és a diódán eső feszültség sem állandó. Ez a mód kevésbé alkalmas pontos mérésre, előnye az egyszerűsége.

Fototranzisztorok

A fotodiódák árama kicsi, így erősítőre van szükég, ha például digitális jelet szeretnénk létrehozni, ami egy bizonyos megvilágítási szint felett logikai magas értékű. A fototranzisztorok nagyságrendekkel nagyobb áramot képesek létrehozni, ha egy segédfeszültséget (tápfeszültséget) használunk. Áramköri rajzjele a következő:

A fototranzisztor úgy is felfogható, mint egy tranisztor kollektora és bázisa közé kötött fotodióda:

A fotodióda hozza létre a bázisáramot, melynek β-szorosa a kollektoráram. Felhúzóellenállással a kollektoron logikai alacsony vagy magas érték jelenik meg, attól függően, hogy fény éri-e fotodetektort.

Fotokapuk, optocsatolók

Fotokaput készíthetünk, ha LED-del előállított fényt fototranzisztorral detektálunk. Így észlelhetővé válik, ha a fény útjába egy tárgy kerül.

A LED-fototranzisztor pár digitális jelek optikai átvitelére is alkalamasak. Az optocsatolókat integrált áramköri formában gyártják. Fő előnyük, hogy a bemeneti és kimeneti jeleik galvanikusan függetlenek, így galvanikus leválasztására, érintésvédelemre, földhurkok (az áramkör több pontján bekötött földelés okozta nemkívánt hurkok) elkerülésére is használhatók.