De diode

De diode
Hoofdstuk
1
De diode
Elektronica
De meesten onder ons zullen de term elektronica wel kennen, maar wat deze
nu precies inhoudt, is vaak minder duidelijk. Doorgaans wordt bij het
woord elektronica gedacht aan apparatuur als de stereo-installatie, de
televisie of de computer. Deze apparatuur zit vol met elektronica, waarvan
de werking maar moeilijk te doorgronden lijkt. De elektronicawereld is
echter lang niet zo mysterieus als op het eerste oog lijkt. In deze hoofdstukken zullen de basisprincipes van de elektronica uitvoerig behandeld
worden, waardoor het een stuk minder geheimzinnig zal worden.
Het is bekend dat de elektronica tot zeer veel terreinen is doorgedrongen.
Men kan zich haast geen apparaat of machine meer voorstellen of er zit wel
elektronica in. U zou het misschien niet verwachten, maar alle elektronica,
of die nu in een radio of een personal computer te vinden is, is opgebouwd
uit een beperkt aantal bouwstenen. Met deze elementen zijn we in staat
praktisch elke elektronicatoepassing te verwezenlijken. We beginnen met de
diode.
Nadat de diode uitvoeriger is behandeld, zullen enkele andere soorten
diodes en hun karakteristieken worden behandeld. Het gaat hier met name
om de zenerdiode, de fotodiode en de varicapdiode.
Vervolgens komt de codering van diodes aan bod.
804E1.FM
Afb. 1. Enkele componenten uit de elektronica.
Een aantal van deze bouwstenen kent u al, namelijk de weerstand, de condensator en de spoel. Hieraan zullen wij in deze hoofdstukken nog een aantal
basiselementen toevoegen, zoals de diode, de transistor en enkele aanverwante
bouwstenen (zie afb. 1). We behandelen in eerste instantie deze elementen.
Later zullen we laten zien hoe met behulp van deze componenten eenvoudige
schakelingen kunnen worden gebouwd.
1.1
De diode
Om de te behandelen componenten goed te kunnen begrijpen, is het noodzakelijk het basismateriaal, waaruit de nieuwe componenten zijn opgebouwd,
goed te kennen. Dit materiaal is bij al deze componenten hetzelfde, namelijk
het zogenaamde halfgeleidermateriaal. We zullen dit materiaal eens wat nader
gaan bekijken.
Geleiding
Geleiders en isolators
De elektrische weerstand van een metaal (bijvoorbeeld koper) is erg laag. We
zeggen: metalen zijn goede geleiders.
De elektrische weerstand van kunststof, bijvoorbeeld de kunststof mantel van
een kabel, is erg groot. We spreken in dit geval van een isolator.
Een isolator is een slechte geleider.
Halfgeleiders
Een halfgeleider, de naam zegt het al, heeft een geleidingsvermogen dat ergens
tussen dat van de isolator en de geleider in ligt. Een halfgeleider geleidt de
stroom dus beter dan een isolator en minder goed dan een geleider. De soortelijke weerstand van een halfgeleider ligt dan ook ergens tussen die van de
geleider en de isolator in.
Voorbeelden van halfgeleidermateriaal zijn silicium, germanium en galliumarsenide.
1
We zullen nu exact nagaan hoe het geleidingsproces totstandkomt. Deze kennis
hebben we nodig om later de werking van de diode en de transistor beter te
begrijpen.
Geleidingsproces
Vrije elektronen
2
Alle materialen, dus ook halfgeleiders, zijn opgebouwd uit atomen.
Een atoom bestaat uit een kern van protonen en neutronen.
Rondom deze kern cirkelen elektronen (zie afb. 2).
Bij geleiders, zijn de elektronen erg los gebonden aan de kern van het atoom.
Veel van deze elektronen zien kans zich los te maken van het atoom en rond te
zwerven door het materiaal (de materie). Dergelijke elektronen noemen we
vrije elektronen. Dit grote aantal vrije elektronen is er de oorzaak van dat
bijvoorbeeld een metaal de stroom zo goed geleidt.
Bij isolators is de situatie omgekeerd. Hier zijn de elektronen zo ontzettend
sterk aan de kern van het atoom gebonden, dat er bijna geen vrije elektronen
meer zijn die aan het geleidingsproces kunnen bijdragen.
We zagen al dat een halfgeleider de stroom beter geleidt dan een isolator en
slechter dan een geleider. Het ligt dus voor de hand te concluderen dat bij een
halfgeleider de elektronen minder sterk aan de kern zijn gebonden dan bij een
isolator, maar sterker in vergelijking tot een geleider. Dit is inderdaad het geval.
Het is nu voor ons van belang te weten hoe het komt dat een halfgeleider z’n
elektronen op een dergelijke manier bindt. Hiertoe gaan we de atomen van een
halfgeleider in detail bestuderen. We nemen als voorbeeld silicium, een veelgebruikte halfgeleider.
Silicium
Opbouw van silicium 3
1.2
Het siliciumatoom bestaat uit een kern met veertien protonen met een
positieve lading en veertien neutronen die geen lading bezitten.
De diode
Die neutronen zorgen ervoor dat de positief geladen protonen bij elkaar blijven
en zijn verder voor ons niet zo belangrijk.
Om de kern cirkelen veertien elektronen met een negatieve lading, verdeeld
over drie schillen (zie afb. 2). In de eerste schil zitten twee elektronen, in de
tweede schil zitten er acht en in de derde schil zitten de resterende vier
elektronen.
Afb. 2. Het siliciumatoom.
Nu is het zo dat atomen altijd acht elektronen in de derde schil willen hebben.
Een siliciumatoom zal daarom, wanneer het geen acht elektronen in de
buitenste schil heeft, elektronen met naburige atomen willen gaan delen, totdat
er wel acht elektronen in de buitenste schil zitten. De siliciumatomen gaan zich
nu op een dusdanige wijze rangschikken dat ze telkens vier buuratomen
hebben. Het atoom deelt dan met elk buuratoom een elektron (zie afb. 3).
Afb. 3. Schematische voorstelling van een siliciumkristal. Voor de duidelijkheid
zijn alleen de kern en de buitenste elektronenbaan aangegeven.
804E1.FM
Kristalrooster
Een dergelijke rangschikking van atomen noemt men een kristalrooster. Op
deze wijze heeft het atoom vier eigen elektronen plus vier ”geleende”
elektronen, samen precies acht elektronen. Het is nu dus net alsof de atomen
acht elektronen in de buitenste schil hebben. In afb. 3 is een weergave van een
dergelijk kristalrooster te zien.
1.3
De diode
Geleidingsvermogen
We gaan nu kijken naar het geleidingsvermogen van silicium. Zoals we al
hebben gezien, hangt het geleidingsvermogen af van de sterkte waarmee de
elektronen aan de kern zijn gebonden. Omdat silicium z’n buitenste elektronen
deelt met z’n buuratomen, zijn de elektronen niet zo ontzettend sterk
gebonden aan de kern als bij een isolator het geval is. Wel zijn de bindingen in
het silicium hechter dan in een geleider.
Gaten
Wanneer een elektron van een atoom wordt weggeslagen, blijft er een ”open
plek” achter. Een dergelijke plek wordt een gat genoemd. Gaten kunnen zich,
net als elektronen, gewoon door het materiaal verplaatsen. U kunt dit vergelijken met het volgende voorbeeld.
Stelt u zich een rij auto’s voor die staan te wachten voor een stoplicht. Wanneer
het licht op groen springt, zal de eerste auto wegrijden en een lege plaats achterlaten (het gat). Vervolgens zal de tweede auto wegrijden en het gat van de eerste
auto opvullen. Tegelijkertijd creëert de tweede auto hiermee een nieuw gat op
de plek waar hij vandaan komt. Daarna vult weer de derde auto het gat, terwijl
hij opnieuw een nieuw gat creëert op plaats drie enzovoort. Het gat verplaatst
zich dus in tegenovergestelde richting van de autostroom.
Zo gebeurt het ook in een halfgeleider. Telkens wanneer een elektron wordt
losgeslagen, laat het een gat achter.
Als nu een gat wordt opgevuld door een ander elektron, is het alsof dat gat zich
verplaatst heeft naar de plaats waar dat laatste elektron vandaan komt.
4
Afb. 4. De elektronenstroom en de gatenstroom ten gevolge van het aansluiten van
een batterij op een siliciumkristal.
Een gat heeft, net als een elektron, ook een lading. Wanneer namelijk een
elektron van een atoom wordt losgeslagen, houden we een atoom over met
veertien positieve ladingen (de protonen) en dertien negatieve ladingen (de
resterende elektronen), zodat het resulterende atoom niet meer elektrisch
neutraal, maar positief geladen is.
We kunnen dus concluderen dat een gat een positieve lading heeft en dat het
zich door het materiaal kan bewegen.
Gaten zijn voor ons van wezenlijk belang, omdat zij meedoen in het geleidingsproces. Wanneer we bijvoorbeeld een stuk silicium in het eenvoudige stroomkringetje van afb. 4 zouden opnemen, zou er zowel een elektronenstroom als
een gatenstroom gaan lopen. Hierbij loopt de gatenstroom in tegenovergestelde richting van de elektronenstroom!
Recombinatie
5 Recombinatie treedt op als een gat en een vrij elektron elkaar ontmoeten. Het
vrije elektron wordt dan weer opgenomen door het gat en beide doen niet meer
mee aan de geleiding. Met andere woorden, het elektron valt in het gat.
1.4
De diode
We hebben gezien dat het geleidingsvermogen in een halfgeleider wordt
bepaald door het aantal vrije elektronen en gaten, ofwel de ladingdragers.
Nu is dit aantal ladingdragers niet altijd hetzelfde. Het aantal ladingdragers
neemt namelijk toe bij een stijgende temperatuur. Dit komt omdat bij een
stijgende temperatuur de atomen harder gaan trillen, waardoor een elektron
makkelijker van de kern losgeslagen kan worden. Daardoor ontstaan in het
algemeen meer elektronen en gaten, en dus stijgt het aantal geleidingsvermogen. Bij nog hogere temperaturen neemt het geleidingsvermogen weer af,
omdat het kristalrooster dan zo hard staat te trillen dat de elektronen in hun
bewegingen worden geremd. Temperatuurafhankelijkheid is daarom een
belangrijk verschijnsel in de halfgeleidertechniek.
Temperatuurinvloed
P- en N-silicium
We hebben tot nu toe het geleidingsproces van zuiver silicium bestudeerd. Om
elementen als een diode of een transistor te construeren, kunnen we niet
volstaan met het gebruik van zuiver silicium. We moeten dan gebruik gaan
maken van twee andere soorten silicium, namelijk P-silicium en N-silicium.
N-silicium
6 N-silicium is silicium met een grote hoeveelheid vrije elektronen en praktisch
geen gaten. De letter N staat voor negatief, wat op de negatieve lading van de
elektronen slaat.
N-silicium ontstaat doordat in een zuiver siliciumkristal enkele siliciumatomen vervangen worden door fosforatomen. Dit proces wordt dopen
genoemd. Omdat fosfosatomen niet vier maar vijf elektronen in de buitenste
schil hebben, zal er telkens één elektron overblijven, wanneer het fosforatoom
zich in het siliciumrooster gaat binden. Voor het bindingsproces waren immers
maar vier elektronen nodig. Het overblijvende elektron zal door het kristal
gaan zwerven en wordt een vrij elektron. Het aantal extra vrije elektronen is dus
gelijk aan het aantal gedoopte fosforatomen.
Wanneer we dus een groot aantal vrije fosforatomen in het silicium
aanbrengen, zal een groot aantal vrije elektronen in het silicium ontstaan. Door
dit grotere aantal vrije elektronen is het geleidingsvermogen van het N-silicium
groter dan dat van zuiver silicium.
Elektronengeleiding 7
Sluit men nu een batterij aan op een dergelijk stuk N-silicium, dan zal er vooral
een elektronenstroom gaan lopen. Hierbij neemt de positieve pool van de
batterij telkens een elektron op en de negatieve pool levert een elektron aan het
N-silicium. De totale hoeveelheid elektronen in het blokje blijft dus constant.
Dit moet ook wel, want anders zou het blokje geladen worden.
P-silicium
8 Een soortgelijk verhaal als voor het N-silicium geldt ook voor het P-silicium.
804E1.FM
De letter P staat hier voor positief. P-silicium ontstaat door het aanbrengen van
booratomen in zuiver silicium. Booratomen bezitten in de buitenste schil
slechts drie elektronen. In een siliciumkristal zal het booratoom dus één
elektron te weinig hebben om in het siliciumkristal een volledige binding aan
te gaan. Hierdoor zal het booratoom van een naburig siliciumatoom een
elektron losmaken en dit elektron in z’n eigen schil opnemen, zodat het
booratoom toch nog aan acht elektronen in de buitenste schil komt. Hierdoor
ontstaat bij het siliciumatoom een gat.
1.5
De diode
Omdat gaten ook gewoon aan het geleidingsproces deelnemen, zal de geleiding
van P-silicium groter zijn dan de geleiding van zuiver silicium.
Gatengeleiding
9 Sluit men nu een batterij aan op een dergelijk stuk P-silicium, dan zal er vooral
een gatenstroom gaan lopen. Aan de positieve pool van de batterij worden
elektronen uit het materiaal opgenomen.
Een opgenomen elektron laat een gat achter. Dit gat zal zich vervolgens in de
richting van de negatieve pool verplaatsen. Is het gat eenmaal in de negatieve
pool aangekomen, dan wordt het opgevuld door een elektron dat door de
negatieve pool wordt geleverd.
De diode
0
De diode is een element met twee aansluitingen. De belangrijkste eigenschap
van een diode is dat hij de stroom maar in één richting geleidt. De weerstand
van een diode is namelijk afhankelijk van de stroomrichting. In de ene richting
is die weerstand heel laag, zodat de diode dan de stroom goed geleidt. In de
andere richting is de weerstand juist heel hoog, zodat in die richting bijna geen
stroom wordt doorgelaten.
Het symbool van de diode is weergegeven in afb. 5.
Afb. 5. Het symbool van de diode.
Wanneer we bijvoorbeeld de diode opnemen in de schakeling van afb. 6, zal de
diode de stroom geleiden zodat de lamp brandt. Dit noemen we een diode in
doorlaat.
In de schakeling van afb. 7, waar we de diode omgepoold hebben, loopt geen
stroom meer. We zeggen dan dat de diode spert.
Afb. 6. De diode is in doorlaat
geschakeld: de lamp brandt.
Afb. 7. De diode is in sperrichting
geschakeld: de lamp is uit.
We zullen nu eerst bekijken hoe een diode is opgebouwd, waarna de werking
van de diode wordt behandeld. Het hoofdstuk wordt afgesloten met enkele
toepassingen van de diode.
Afb. 8. Opbouw van de diode.
1.6
De diode
Opbouw van de diode
De opbouw van een diode is eenvoudig. Het is in feite niets anders dan een stuk
silicium waarvan de ene helft uit N-silicium bestaat en de andere helft uit
P-silicium (zie afb. 8).
Anode en kathode
q De P-siliciumzijde van de diode wordt de anode genoemd. De N-siliciumzijde
noemen we de kathode. De namen anode en kathode stammen nog uit het
buizentijdperk. In praktische uitvoeringen wordt de kathodezijde meestal
voorzien van een gekleurde band. In afb. 9 is daarvan een voorbeeld gegeven.
Afb. 9. Aanduiding van de kathode op een diode.
Werking van de diode
Diode in doorlaat
w We gaan nu de werking van de diode eens nader bekijken. Daarbij gaan we uit
van de situatie zoals geschetst is in afb. 10. De P-siliciumzijde van de diode is
verbonden met de positieve pool van de batterij en de N-siliciumzijde is
verbonden met de negatieve pool van de batterij.
Afb. 10. Diode in doorlaatrichting.
Aangezien de negatieve pool van de batterij elektronen levert, zullen in het
N-silicium van de diode nog meer elektronen terechtkomen.
Aan de positieve pool van de batterij gebeurt precies het omgekeerde. Hier
levert de positieve pool gaten aan het P-silicium (dat wil zeggen de positieve
pool van de batterij neemt elektronen op waardoor gaten worden gecreëerd).
804E1.FM
Er ontstaat nu een situatie waarbij in het N-silicium een overschot aan
elektronen en in het P-silicium een overschot aan gaten wordt gecreëerd. Deze
situatie kan niet lang voortduren en de elektronen zullen dan ook naar het
P-siliciumgebied diffunderen, terwijl de gaten naar het N-siliciumgebied
zullen diffunderen. De elektronen die in het P-siliciumgebied aankomen,
zullen met de daar volop aanwezige gaten recombineren, dat wil zeggen dat een
elektron de plaats inneemt van een gat. Een dergelijk elektron zal daar niet voor
1.7
De diode
eeuwig blijven, maar het zal zich van gat tot gat verplaatsen, totdat het de
positieve pool van de batterij bereikt, waar hij opgenomen wordt.
Dit laatste stuk van geleiding, waarbij een elektron zich door een stuk
P-silicium verplaatst, is precies hetzelfde proces als het geleidingsproces van
een stuk P-silicium zoals we dat al eerder zagen!
De gaten die in het N-siliciumgebied zijn aangekomen, zullen daar uiteraard
ook recombineren met het grote aantal elektronen. Dat wil weer zeggen dat
elektronen de plaats van een gat innemen, totdat we op deze manier bij de
negatieve pool van de batterij zijn aangekomen, waar de batterij een elektron
levert. Ook hier geldt weer dat het opgetreden geleidingsproces hetzelfde is als
het geleidingsproces in een gewoon stuk N-silicium.
Er loopt nu dus een stroom door de diode, met andere woorden: de diode
geleidt.
Diode in sper
e In afb. 11 is de diode met de N-siliciumzijde (kathode) op de positieve pool van
de batterij aangesloten en de P-siliciumzijde (anode) op de negatieve pool. Nu
zal de positieve pool van de batterij zo veel mogelijk elektronen naar zich toe
trekken en de negatieve pool zo veel mogelijk gaten. Er ontstaat een gebied in
de diode waar geen vrije elektronen en gaten aanwezig zijn. De diode gedraagt
zich dus in dit gebied als een isolator. De diode zal nu sperren, want er zijn
simpelweg geen vrije elektronen of gaten, die voor het geleidingsproces
noodzakelijk zijn.
Afb. 11. Diode in sperrichting.
Ideale diode
Voorwaartse spanning
PN-overgang
1.8
Het tot nu toe geschetste beeld van de diode is de zogenaamde ideale diode. Een
ideale diode is een diode die in doorlaatrichting een perfecte geleider is, dat wil
zeggen de weerstand bedraagt 0 Ω. In sperrichting gedraagt deze diode zich als
een perfecte isolator. De weerstand is dan oneindig groot. Het zal duidelijk zijn
dat een dergelijke diode in werkelijkheid niet bestaat.
r We hebben gezien dat een diode afhankelijk van polariteit van de aangelegde
spanning doorlaat of spert. Wanneer de polariteit van de spanning dusdanig is
dat de diode kan gaan geleiden, is een zekere minimale spanning nodig om het
geleidingsproces op gang te brengen. Deze drempelspanning wordt de
zogenaamde voorwaartse spanning ( Uf ) genoemd en hangt onder andere af van
het materiaal en de constructie van de diode.
Het hoe en waarom van dit verschijnsel heeft te maken met een interne
spanning die in de diode optreedt op de plek waar het N-silicium en het
P-silicium elkaar raken, de zogenaamde PN-overgang. Deze spanning moet
eerst overwonnen worden voordat de diode in geleiding kan komen. Een
exacte beschrijving van dit mechanisme valt buiten het bestek van deze hoofd-
De diode
stukken. Het is voor ons alleen van belang te weten dat een siliciumdiode een
voorwaartse spanning heeft die in de buurt van de 0,7 V ligt. Voor een germaniumdiode bedraagt de voorwaartse spanning ongeveer 0,3 V.
Rekenvoorbeeld
Het zal u wellicht nu nog niet duidelijk zijn hoe met een diode in een schakeling
gerekend moet worden. Daarom volgt nu een voorbeeld om u een beetje op
weg te helpen.
Opgave
Gegeven is de schakeling van afb. 12. Hierin is Ub = 10 V. De diode heeft een
voorwaartse spanning Uf van 1,0 V.
Bij welke waarde van de weerstand R loopt er een stroom van 10 mA door de
diode?
Afb. 12.
Oplossing
De weerstand R kan berekend worden als de spanning over en de stroom door
de weerstand bekend zijn (wet van Ohm). Aangezien we de stroom door de
weerstand al kennen (deze is namelijk gegeven en gelijk aan 10 mA), hoeven we
alleen maar de spanning over de weerstand te berekenen. Deze spanning
vinden we als volgt.
De spanningsbron levert 10 V. De voorwaartse spanning van de diode bedraagt
1 V. Aangezien de diode in geleiding staat, kunnen we ervan uitgaan dat over
de diode een spanning van 1 V staat. De spanning over de weerstand is dan:
10 − 1 = 9 V.
De weerstandswaarde R volgt nu eenvoudig uit:
90 V - = -------9 - = 900 Ω.
R= U
--- = ------------I
10 mA 0,01
Stroom-spanningskarakteristiek
t Om inzicht te krijgen in de eigenschappen van een bepaalde diode is het
804E1.FM
Diodekarakteristiek
belangrijk te weten hoe de stroom door een diode varieert als we de spanning
over die diode veranderen. Een dergelijke verband kunnen we meten met de
meetschakeling van afb. 13.
De spanningsmeter V (voltmeter) geeft de spanning Uak (dit betekent: anodekathode) aan die over de diode staat. De stroommeter A (ampèremeter) geeft
de stroom Id aan die door de diode loopt. Id betekent: I doorlaat. Wanneer we
nu de spanning variëren, de bijbehorende stroom aflezen en deze gegevens in
een grafiek uitzetten, krijgen we een zogenaamde diodekarakteristiek (zie afb.
14a t/m c).
1.9
De diode
Afb. 13. Meetschakeling om een diodekarakteristiek op te meten.
Afb. 14. Diodekarakteristiek van een willekeurige diode.
Lekstroom
y
In afb. 14 zien we de karakteristiek van een normale diode, zoals die in de
handel verkrijgbaar is. Uit deze figuur blijkt dat bij een negatieve spanning er
vrijwel geen stroom meer loopt. De diode spert in dit gebied en gedraagt zich
als een isolator.
In de praktijk blijkt dat er dan toch nog een kleine stroom loopt, de
zogenaamde lekstroom. Dit komt omdat de diode in werkelijkheid geen
perfecte isolator is. In de meeste gevallen kunnen we deze lekstroom verwaarlozen.
Diodekarakeristiek
u De diodekarakteristiek laat ons het verband zien tussen de aangelegde spanning
Sperspanning
Doorslagspanning
1.10
over een diode en de stroom door die diode. In afb. 15 is een karakteristiek te
zien van een willekeurige diode. Horizontaal staat de spanning uitgezet en
verticaal de stroom. Let overigens goed op de verschillende schaalverdelingen
in deze afbeelding!
Uit het plaatje blijkt dat, als de spanning wordt opgevoerd en boven de
voorwaartse spanning komt, er al snel een grote stroom gaat lopen. In dit
gebied bevindt de diode zich in geleiding.
Als we de spanning negatief maken, we leggen dan een sperspanning aan, zal er
bijna geen stroom meer door de diode lopen. De diode bevindt zich dan in het
spergebied.
Wanneer u afb. 15 goed bestudeert, zal het u opvallen dat bij grotere negatieve
spanningen de stroom ineens weer sterk toeneemt. Blijkbaar begint de diode
bij een grote negatieve spanning weer te geleiden.
Dit komt doordat de elektronen onder invloed van de hoge spanning dusdanig
hoge snelheden bereiken, dat ze andere elektronen losslaan uit hun binding.
Deze elektronen winnen onder invloed van het hoge elektrische veld ook snel
een hoge snelheid, zodat ook zij weer elektronen kunnen losslaan. Er ontstaan
nu zo veel ladingdragers, dat er makkelijk een stroom kan lopen. De diode
begint dus weer te geleiden, wanneer de sperspanning een bepaalde waarde
overschrijdt. De spanning waarbij dit effect optreedt, wordt de doorslagspanning van de diode genoemd.
De diode
U dient er in de praktijk goed op te letten dat de sperspanning niet boven de
doorslagspanning uitkomt, omdat de grote stromen die dan kunnen gaan
vloeien, de diode over het algemeen onherstelbaar beschadigen. Ook bij het
aanleggen van een voorwaartse spanning dient u erop bedacht te zijn dat de
stroom die door de diode loopt, niet te groot wordt. Ook hier zal bij een te
grote stroom zo veel vermogen (in de vorm van warmte) worden opgenomen,
dat de diode ”doorbrandt”. Later in dit hoofdstuk komen we nog terug op
vermogensontwikkeling in de diode.
Afb. 15. Een U–I-karakteristiek van een diode.
Gelijkstroomweerstand en wisselstroomweerstand
Wanneer we een diode in een schakeling willen gebruiken, moeten we vaak
weten wat z’n weerstand is. De weerstand van een diode is afhankelijk van de
spanning die over de diode is aangelegd. Dat wil zeggen dat de weerstand
bijvoorbeeld bij 1 V anders is dan bij 1,5 V. Dit is een groot verschil met de
weerstand van een koolweerstand, die onafhankelijk van de spanning is. De
weerstand bij een bepaalde spanning kan worden berekend met behulp van de
wet van Ohm, door de spanning en stroom op elkaar te delen. De weerstand
van een diode bij een bepaalde spanning Uak volgt dus uit:
U ak
R = -------Id
804E1.FM
Gelijkstroomweerstand
i Deze weerstand wordt de gelijkstroomweerstand genoemd. Hij wordt zo
genoemd, omdat het de weerstand is bij een gelijkspanning over de diode.
De gelijkstroomweerstand bij een spanning van 0,4 V (van de diode uit afb. 1)
bedraagt dus:
U ak
0,4 V- = 40 Ω
- = ------------R = -------Id
10 mA
1.11
De diode
Wisselstroomweerstand
o
We zien nu dat de diode bij een bepaalde spanning een bepaalde gelijkstroomweerstand bezit. We zien ook dat deze weerstand afhangt van de aangelegde
spanning.
Dit kan ons voor een probleem plaatsen als we het over de weerstand van een
diode hebben. Als namelijk de spanning over de diode varieert, zoals bij wisselspanning het geval is, zal de weerstand ook variëren.
Om dit probleem te omzeilen en toch zinvol over de weerstand te kunnen
praten bij wisselspanningen, is het begrip wisselstroomweerstand ingevoerd. De
wisselstroomweerstand moet een maat zijn voor de weerstand die een wisselspanning in een diode ondervindt.
Een dergelijke maat is te vinden in de mate waarin een spanningsverandering
een stroomverandering teweegbrengt. De wisselstroomweerstand wordt dan
ook gevonden door rond een bepaald punt in de grafiek een kleine spanningsvariatie ∆U te delen op de (hierdoor veroorzaakte) stroomvariatie ∆I (zie
afb. 16). Het ∆-teken geeft aan dat het om een kleine variatie gaat.
Afb. 16. Bepaling van de wisselstroomweerstand voor Uak = 1,0 V.
Net als de gelijkstroomweerstand is ook de wisselstroomweerstand afhankelijk
van de aangelegde spanning over de diode. Hoe de wisselstroomweerstand
wordt berekend, zullen we laten zien aan de hand van het volgende voorbeeld.
We gaan in afb. 16 de wisselstroomweerstand r berekenen bij een spanning van
1 V (het punt P). Dit doen we door een kleine spanningsvariatie rond het
punt P te delen door de bijbehorende stroomvariatie.
In dit geval wordt dat:
∆U ak
0,1 V = 2,5 Ω
- = ------------r = -----------∆I d
0,04 A
De formule voor de wisselstroomweerstand luidt dus:
∆U ak
r = -----------∆I d
1.12
De diode
Deze formule zegt eigenlijk dat de wisselstroomweerstand afhangt van de
steilheid van de Uak−Id-karakteristiek. Dat is in te zien door te bedenken dat
∆U ak
------------∆I d
een maat is voor de steilheid van deze kromme.
De gelijkstroomweerstand en de wisselstroomweerstand zullen doorgaans niet
aan elkaar gelijk zijn. Bereken maar de gelijkstroomweerstand in het punt P
(afb. 16). Deze bedraagt:
U ak
1 V- = 10 Ω
- = ---------R = -------Id
0,1 A
p
U ziet, de gelijkstroomweerstand is hier viermaal zo groot als de wisselstroomweerstand.
Uiteraard is bij de ideale diode de wisselstroomweerstand in voorwaartse
richting weer gelijk aan nul. In sperrichting is de wisselstroomweerstand gelijk
aan oneindig.
Vermogen in een diode
a In een diode wordt natuurlijk ook vermogen opgenomen. De grootte van dit
opgenomen vermogen is te berekenen met behulp van de formule:
P=U·I
Afb. 17. Enkele uitvoeringsvormen van diodes.
804E1.FM
Een diode waardoor een stroom van 100 mA loopt bij een spanning van 1 V zal
een vermogen opnemen van 1 V · 0,1 A = 0,1 W. Het elektrisch vermogen dat
in een diode ontstaat, wordt in warmte omgezet. Hierdoor zal de temperatuur
van een diode die vermogen dissipeert (= opneemt), stijgen.
1.13
De diode
s Dit kan gevaarlijk zijn, omdat een diode boven een bepaalde maximale temperatuur onherroepelijk defect raakt. Voor siliciumdiodes bedraagt deze temperatuur 150 °C, voor germaniumdiodes is dat 75 °C. Men dient er dus op te
letten dat een diode niet te veel vermogen dissipeert. De hoeveelheid vermogen
die een diode mag dissiperen, hangt af van het type diode. Zo zijn er diodes
ontwikkeld voor vermogens van enkele tientallen mW tot enkele tientallen W.
Diodes die grote vermogens moeten dissiperen, worden vaak op een
koellichaam gemonteerd, zodat ze makkelijker warmte aan de omgeving
kunnen afgeven. Hierdoor stijgt de temperatuur minder snel en kan de diode
meer vermogen dissiperen.
Om diezelfde reden zijn vermogensdiodes in uitvoeringsvorm vaak groter. Ze
hebben een groter oppervlak, waardoor ze hun warmte beter aan de omgeving
kunnen afstaan.
In afb. 17 vindt u ter illustratie enkele uitvoeringsvormen van diodes.
Toepassingen van de diode
d Na al deze theorie over de diode is het tijd om te laten zien wat het praktische
nut van een diode is. Omdat de diode op tal van plaatsen gebruikt wordt, is het
onmogelijk hier alle mogelijkheden van de diode op te sommen. We zullen
daarom nu volstaan met twee voorbeelden, namelijk de diode als beveiliging
tegen ompoling en de diode als gelijkrichter. Later in deze hoofdstukken zullen
nog meer voorbeelden volgen over het gebruik van de diode.
Beveiliging tegen
ompoling
Een diode kan gebruikt worden om een elektronisch apparaat te beveiligen
tegen het verkeerd aansluiten van de voedingsspanning (zie afb. 15). Bijna elk
elektronisch apparaat functioneert niet goed en gaat zelfs vaak kapot als de
voedingsspanning niet de juiste polariteit heeft. Een diode, opgenomen in één
van de voedingsleidingen in het apparaat, kan een afdoende bescherming
bieden tegen een verkeerde polariteit. Wanneer namelijk de polariteit niet juist
is, zal de diode sperren en kan er geen stroom door het apparaat lopen. Is de
polariteit wel goed, dan kan er gewoon stroom vloeien, omdat de diode dan in
geleiding staat.
Afb. 18. De diode als beveiliging tegen verkeerd aansluiten.
Gelijkrichting
1.14
De diode is een element met een gelijkrichtende werking. Dit wil in wezen niets
anders zeggen dan dat de diode, zoals opgenomen in afb. 19, de wisselstroom
maar in één richting zal doorlaten.
Alleen bij de positieve spanningshelften zal de diode geleiden, waardoor er een
stroom door de weerstand loopt. Bij de negatieve spanningshelften zal de diode
sperren, waardoor er geen stroom meer door de weerstand kan lopen.
Hierdoor zal de spanning over de weerstand 0 V bedragen.
De diode
Afb. 19. De diode als gelijkrichter.
De spanning die over de weerstand ontstaat, heeft dus alleen nog maar
spanningshelften in dezelfde (gelijke) richting. Het inkomende signaal is dus
gelijkgericht.
Zenerdiode
Wanneer bij een diode de sperspanning steeds groter wordt, slaat deze bij een
bepaalde spanning, de zogenaamde doorslagspanning, door. Doorgaans zal,
ten gevolge van de grote stroom die dan gaat lopen, de diode sneuvelen. Er zijn
echter ook diodes die zo zijn geconstrueerd dat ze hier tegen bestand zijn. Dit
zijn de zogenaamde zenerdiodes. Bij deze diodes noemen we de doorslagspanning zenerspanning. In afb. 20 is het symbool van de zenerdiode weergegeven.
Voor alle duidelijkheid: de vorm van karakteristiek van een gewone diode en
een zenerdiode is hetzelfde. Het verschil tussen deze twee diodes zit hem in het
feit dat de zenerdiode in het doorslaggebied of zenergebied kan worden
gebruikt, zonder dat hij kapot gaat.
Een gewone diode zal in het doorslaggebied wél kapot gaan.
Afb. 20. Het symbool van de zenerdiode.
Afb. 21. Stabilisatieschakeling met een zenerdiode.
804E1.FM
Spanning stabiliseren
f Zenerdiodes worden veel gebruikt om spanningen te stabiliseren.
Stabiliseren van een spanning wil zeggen dat we alle variaties uit de spanning
halen. Anders gezegd: de spanning moet constant blijven.
De zenerdiode is goed bruikbaar als de spanningsstabilisator, omdat hij in het
doorslaggebied kan worden gebruikt. In dit gebied geldt dat een grote stroom1.15
De diode
variatie slechts een geringe spanningsvariatie tot gevolg heeft (zie ook afb. 22).
Hoe van deze eigenschap handig gebruik kan worden gemaakt, laten we in het
volgende voorbeeld zien.
Rekenvoorbeeld
We gaan nu kijken hoe met behulp van een zenerdiode een spanning kan
worden gestabiliseerd. We gaan uit van een apparaat (belasting B) dat wordt
gevoed door een schakeling die uit een spanningsbron, een weerstand en een
zenerdiode bestaat (zie afb. 21). Het apparaat werkt alleen op een voedingsspanning van ± 6 V. De spanningsbron levert een spanning die tussen de 9 en
de 12 V varieert. We willen deze spanning stabiliseren op 6 V door gebruik te
maken van een zenerdiode met een zenerspanning van 6 V.
Afb. 22. Karakteristiek van een zenerdiode voor negatieve spanningen.
Het geheel functioneert als volgt. Wanneer de spanning die de spanningsbron
levert zo groot wordt dat over de zenerdiode meer dan 6 V komt te staan, komt
de zenerdiode in z’n zenergebied terecht. Zoals we weten, begint de diode dan
weer stroom te geleiden. Er zal dus een extra stroom Id gaan lopen door het
circuit van spanningsbron, weerstand en diode. Maar als er een grotere stroom
door de weerstand gaat lopen, neemt ook de spanning over deze weerstand toe
(U = I · R). Hierdoor daalt de spanning over de zenerdiode. De spanning over
de zenerdiode zal nu net zolang dalen, totdat precies 6 V over de diode komt te
staan. Door dit mechanisme blijft de spanning over de zenerdiode 6 V, ook al
verandert de spanning uit de spanningsbron.
Nu we weten hoe de schakeling in afb. 21 werkt, gaan we ons afvragen hoe de
weerstand in deze schakeling moet worden berekend. We gaan daarbij uit van
een voedingsspanning van 9 V. De zenerdiode heeft voor negatieve spanningen
de karakteristiek van afb. 22.
1.16
De diode
Door de belasting B loopt ook een stroom Ib. Hiermee moet terdege rekening
worden gehouden bij het dimensioneren van de schakeling.
Uit de diodekarakteristiek blijkt dat er ten minste een stroom Id van 5 mA door
de diode moet lopen om de diode in het stabiliserende zenergebied te brengen.
Wanneer nu gegeven is dat door de belasting een stroom Ib van 25 mA loopt,
moet de spanningsbron dus een stroom leveren van ten minste 5 mA + 25 mA
= 30 mA = 0,03 A. Deze stroom loopt uiteraard ook door de weerstand. We
kunnen nu de waarde van de weerstand eenvoudig berekenen; immers, over de
weerstand staat een spanning van 9 V − 6 V = 3 V. De weerstandswaarde is dan
gelijk aan
3 V = 100 Ω.
------------0,03 A
Wanneer nu de voedingsspanning zou stijgen tot 12 V, zal er over de weerstand
een spanning staan van 12 V − 6 V = 6 V.
Bij 100 Ω geeft dit een stroom van
6 V - = 60 mA.
-----------100 Ω
Van deze 60 mA neemt de belasting 25 mA op. De zenerdiode neemt dan
60 mA − 25 mA = 35 mA op. De stroom door de diode is dus toegenomen met
35 mA − 5 mA = 30 mA. Kijken we nu naar afb. 22, dan blijkt dat de spanning
over de diode 6,3 V bedraagt. De spanning is dus maar met 0,3 V gestegen in
plaats van de 3 V waarmee de voedingsspanning is gestegen. De belasting B
heeft dus veel minder last van spanningsvariaties in de voedingsspanning!
Hieruit blijkt dus het stabiliserende effect van de zenerdiode.
We kunnen de werking van deze schakeling ook beredeneren met behulp van
het begrip wisselstroomweerstand. Wanneer ten gevolge van de spanningsveranderingen in het zenergebied een wisselstroom door de diode gaat lopen, zal
deze wisselstroom bijna geen spanningsverandering teweegbrengen. Dit komt
omdat de diode in het zenergebied een zeer kleine wisselstroomweerstand
heeft. Uit afb. 6 blijkt dat de wisselstroomweerstand in het zenergebied gelijk is
aan:
∆U ak 0,35 V
------------ = -------------- = 10 Ω.
∆I d
35 mA
Een variatie van 3 V in de voedingsspanning veroorzaakt een stroomtoename
van 30 mA (zie voorgaande). Dit leidt dus tot een spanningstoename over de
zenerdiode van 10 Ω · 30 mA = 0,3 V.
Het zal duidelijk zijn dat de wisselstroomweerstand in het zenergebied zo klein
mogelijk moet zijn om een zo klein mogelijke spanningsvariatie over te
houden. In het ideale geval is de wisselspanningsweerstand gelijk aan 0 en loopt
de karakteristiek dus verticaal (zie afb. 22).
Belangrijke aspecten
804E1.FM
Bij het gebruik van een zenerdiode moet nog gelet worden op een aantal
belangrijke aspecten, namelijk het maximale vermogen en de temperatuurcoëfficiënt van de diode.
1.17
De diode
Maximale vermogen van de diode
In hiervoor staand voorbeeld nam de diode bij 9 V voedingsspanning een
vermogen P = I · U = 5 mA · 6 V = 30 mW op. Bij 12 V voedingsspanning was
dit 35 mA · 6,3 V = 221 mW. Dergelijke vermogens zijn nog normaal voor
zenerdiodes. Bij toepassing van zenerdiodes moet men rekening houden met
het maximale vermogen dat deze kunnen opnemen zonder defect te raken.
Ook voor zenerdiodes geldt in het algemeen: hoe meer vermogen, hoe groter
de afmetingen.
Temperatuurcoëfficiënt van de diode
g De zenerspanning van een zenerdiode hangt af van de temperatuur. Deze
samenhang wordt uitgedrukt in de temperatuurcoëfficiënt. De temperatuurcoëfficiënt is een getal dat uitdrukt hoeveel mV de zenerspanning verandert bij
een temperatuurverandering van de diode van 1 °C. Deze coëfficiënt is, afhankelijk van het type zener, positief of negatief. Een positieve temperatuurcoëfficiënt wil zeggen dat bij een stijging van de temperatuur de zenerspanning
toeneemt.
Een negatieve temperatuurcoëfficiënt houdt in dat bij een temperatuurstijging
de zenerspanning afneemt. Zenerdiodes met een zenerspanning rond de 6 V
hebben een minimale temperatuurcoëfficiënt.
Voorbeeld
Wanneer een diode met een zenerspanning van 6,8 V een temperatuurcoëfficiënt heeft van + 3,2 mV/°C, zal een toename van de temperatuur met 10 °C =
32 mV teweegbrengen. De zenerspanning komt hiermee op 6,8 V + 0,032 V =
6,832 V.
Spanningsreferentie- h
diodes
Voor toepassingen waarin zeer nauwkeurig bepaalde zenerspanningen nodig
zijn, worden spanningsreferentiediodes toegepast. Spanningsreferentiediodes
zijn zenerdiodes die slechts een gering vermogen (minder dan een 0,5 W)
kunnen opnemen. Hun temperatuurcoëfficiënt is klein, in de orde van
0,03 mV/°C of minder.
Fotodiode
j Een diode kan ook worden gebruikt om licht te detecteren. Een diode die
hiervoor speciaal is ontworpen, is de fotodiode. Het symbool van de fotodiode
is in afb. 23 weergegeven. Een fotodiode is een diode die vermogen opwekt,
wanneer er licht op de PN-overgang valt. Dat wil zeggen dat er een spanning
over de diode ontstaat, terwijl de diode stroom kan leveren. Fotodiodes worden
in sperrichting gebruikt.
Afb. 23. Het symbool van de fotodiode.
1.18
De diode
Werking van de fotodiode
De werking van de fotodiode berust op het feit dat licht in staat is (vrije)
elektronen en gaten in het PN-gebied vrij te maken.
Wanneer nu de diode in een stroomkring wordt opgenomen, zal er een stroom
gaan lopen. De grootte van deze stroom hangt af van de hoeveelheid vrije
elektronen en gaten die onder invloed van het licht worden vrijgemaakt.
Karakteristieken van de fotodiode
Gevoeligheid N
Wanneer we de hoeveelheid licht die op de PN-overgang valt, opvoeren, zal er
snel een spanning van ongeveer 0,4 V over de diode ontstaan. Wanneer deze
hoeveelheid verder wordt opgevoerd, zal deze spanning constant blijven. Dit
effect is te zien in afb. 24. Hier is horizontaal de lichtsterkte uitgezet. De
eenheid van lichtsterkte is de lux. Verticaal is de diodespanning uitgezet.
In afb. 25 is de stroomsterkte als functie van de lichtsterkte uitgezet. Hier valt
op dat de stroomsterkte evenredig met de lichtsterkte toeneemt. Dat wil zeggen
dat, als de hoeveelheid licht die op de fotodiode valt, tweemaal zo groot wordt,
de stroomsterkte ook tweemaal zo groot wordt.
In dit verband is de gevoeligheid N een belangrijke grootheid bij fotodiodes. De
gevoeligheid geeft aan hoeveel µA de stroom door de fotodiode toeneemt bij
een toename van de lichtsterkte met 1 lux. De gevoeligheid van de fotodiode uit
afb. 25 is dus gelijk aan 1 µA/lux.
804E1.FM
Afb. 24. Spanning als functie van de lichtsterkte.
1.19
De diode
Afb. 25. Stroomsterkte als functie van de lichtsterkte.
De gevoeligheid hangt onder andere af van de grootte van het fotogevoelige
gebied. Hoe groter dit gebied, hoe meer vrije elektronen en gaten er worden
vrijgemaakt, waardoor er een grotere stroom kan gaan lopen. De gevoeligheid
wordt dan dus groter.
De gevoeligheid hangt ook af van de golflengte van het opvallende licht. Elke
fotodiode heeft een bepaalde golflengte waarvoor hij het gevoeligst is. Welke
golflengte dit is, hangt van het type fotodiode af.
Overigens, de karakteristieken uit afb. 24 laten zien hoe de stroom en de
spanning van een fotodiode afhangen van de lichtsterkte. Dit in tegenstelling
tot de U–I-karakteristieken die we tot nu toe hebben gezien van de normale
diode en de zenerdiode.
Deze karakteristieken geven het verband tussen de stroom door de diode en de
spanning over de diode. Een dergelijke karakteristiek kan uiteraard ook voor
de fotodiode worden gegeven en deze is niet wezenlijk anders van vorm. De
exacte vorm van de karakteristiek is natuurlijk wel afhankelijk van de
hoeveelheid licht die op de diode valt.
Toepassing van de fotodiode
De fotodiode wordt onder meer in fototoestellen gebruikt om de lichtsterkte te
meten. Afhankelijk van de lichtsterkte kan dan de belichtingstijd worden
bepaald. Een andere toepassing is de lichtsluis. Lichtsluizen kennen we allemaal
uit de lift of bij het automatisch poortje bij de ingang van verschillende warenhuizen. Bij een lichtsluis wordt voortdurend een fotodiode belicht door een
lichtstraal. Wanneer nu iemand door de sluis loopt, zal er even geen licht vallen
op de fotodiode. Hierdoor zal de fotodiode een kort moment geen stroom
leveren, hetgeen een indicatie is dat iemand de sluis passeert. Een elektronische
stuur-unit zal er dan voor zorgen dat de motor van het poortje, respectievelijk
de liftdeur, wordt bediend.
Codering van diodes
Om de eigenschappen van een diode snel te bepalen of om aan de hand van
gevraagde eigenschappen snel een diode te vinden, zijn de dioden door de
1.20
De diode
fabrikant gecodeerd. Het coderen gebeurt door een combinatie van cijfers en
letters op de diode aan te brengen.
Voor de codering zijn er twee systemen, namelijk het Amerikaanse en het
Europese systeem.
Het Amerikaanse systeem
Bij het Amerikaanse systeem zegt de codering alleen maar dat men met een
diode te maken heeft. De codering vindt plaats door voor het serienummer van
een diode de combinatie 1N te plaatsen. Het serienummer bestaat uit 4 cijfers,
die verder niets zeggen over de gebruiksmogelijkheden van de diode. Het
Japanse systeem is identiek aan het Amerikaanse, alleen is hier de letter N
vervangen door een S. Een diode wordt in het Amerikaanse systeem bijvoorbeeld aangeduid door 1N4148. In het Japanse systeem is dit 1S4148.
Het Europese systeem
De Europese codering bestaat uit twee of drie letters gevolgd door een serienummer van twee of drie cijfers. De drie letters geven het soort diode en zijn
toepassingen aan:
Eerste letter
Tweede letter
De eerste letter is altijd een A of een B.
A betekent dat de diode van germanium is vervaardigd en B betekent dat de
diode van silicium is vervaardigd.
De tweede letter geeft het toepassingsgebied van de diode aan:
-
Derde letter
A
B
P
Y
Z
betekent diode algemeen
betekent variabele capaciteitsdiode
betekent stralingsgevoelig onderdeel (bijvoorbeeld fotodiode)
betekent gelijkrichtdiode voor grote stromen
betekent spanningsreferentie of regulerende diode (zenerdiode).
Als er een derde letter gebruikt wordt, betekent dit dat de diode voldoet aan
professionele eisen. Hij voldoet aan hoge kwaliteitseisen.
Voorbeelden
AA 119: germaniumdiode voor algemeen doeleinden
BAY 77: professionele siliciumdiode voor algemene doeleinden.
Parate-kennisvragen
1 Welke materialen worden gebruikt als basismateriaal voor halfgeleiders?
2 Wanneer treedt geleiding in een materiaal op?
3 Teken het siliciumatoom.
4 Hoe ontstaat een gat in een siliciumkristal?
5 Wat verstaat men onder recombinatie van gaten en vrije elektronen?
6 Hoe ontstaat N-silicium?
804E1.FM
7 Waardoor wordt in meerderheid de geleiding verzorgd in N-silicium?
1.21
De diode
8 Hoe ontstaat P-silicium?
9 Waardoor wordt in meerderheid de geleiding verzorgd in P-silicium?
0 Teken het symbool van de diode.
q Wat zijn de anode en kathode bij een diode?
w Wat gebeurt er in de diode als deze in doorlaatrichting is aangesloten?
e Wat gebeurt er in de diode als deze in sperrichting is aangesloten?
r Wat verstaat men onder voorwaartse spanning bij een diode?
t Wat is het nut van de diodekarakteristiek?
y Wat verstaat men onder de lekstroom van een diode?
u Wat geeft een diodekarakteristiek aan?
i Hoe is de gelijkstroomweerstand van een diode gedefinieerd?
o Hoe is de wisselstroomweerstand van een diode gedefinieerd?
p Hoe groot is de wisselstroomweerstand van een ideale diode in voorwaartse en
in sperrichting?
a Hoe berekent men het vermogen dat een diode opneemt?
s Wat is de maximaal toelaatbare temperatuur voor een siliciumdiode?
d Noem twee toepassingen van de diode.
f Waarvoor worden zenerdiodes gebruikt?
g Wat verstaan we onder de temperatuurcoëfficiënt van een zenerdiode?
h Wat zijn spanningsreferentiediodes?
j Wat is een fotodiode en hoe werkt deze?
1.22

Download Report