Puolijohteet

pn-liitosdiodi

Yksinkertainen käytännön pn-liitoksen sovellus on puolijohdediodi. pn-liitosdiodi tehdään periatteessa liittämällä p- ja n- tyypin puolijohteet toisiinsa ja lisäämällä päihin johtimet. pn-liitosdiodista puhuttiin jo edellisillä sivuilla. Seuraavissa kuvissa on esitetty diodin piirrossymboli ja muutama käytännön diodikomponentti.

Diodin piirrossymboli.

Esimerkkejä käytännön diodikomponenteista.

Ideaalisen diodin toiminta virtapiirissä

Ideaalinen diodi käyttäytyy kuin kytkin, joka on suljettu jännitteen ollessa myötäsuuntainen. Kun jännite vaikuttaa toiseen suuntaan (estosuunta), vastaa diodi avointa kytkintä ja virta ei kulje. Seuraavissa kuvissa ideaalista diodi on esitetty "mustattuna" (piirrossymbolin kolmio musta). Kuvan a&b piirissä on jännitelähde, ideaalinen diodi sekä vastus kuvaamassa piirin kuormaa.

(a) myötäsuuntaan biasoitu ideaalinen diodi
(b) estosuuntaan biasoitu ideaalinen diodi
(c) ideaalisen diodin ominaiskäyrä

Käytännön diodi

Tarkastellaan ensimmäiseksi realisen diodin nk. kynnysjännitteen vaikutusta diodin toimintaan. Todellisella diodilla on myötäsuuntainen kynnysjännite, jonka jälkeen diodi alkaa vasta johtamaan. Kynnysjännite riippuu mm. puolijohdemateriaalista ja lämpötilasta. Ao. kuvan mallissa kynnysjännite on huomioitu jännitelähteen U₀ avulla.

Yksinkertainen diodimalli ja mallin ominaiskäyrä. Mallissa käytännön diodin kynnysjännite on otettu huomioon lisäämällä ideaalisen diodin malliin (kytkinmalli) jännitelähde. Diodin läpi alkaa kulkemaan virta vasta kun myötäsuuntainen jännite ylittää kynnysjännitteen.

Käytännön diodissa tapahtuu häviöitä kuten muissakin komponenteissa. Diodimallissa voidaan ottaa huomioon diodissa tapahtuvat häviöt resistanssin avulla. Tätä esittää seuraava kuva.

Yksinkertainen käytännön diodin malli ja ominaiskäyrä. Malli sisältää myötäsuuntaisen kynnysjännitteen lisäksi diodin häviöt mallinnettuna vastuksella.

Edellisen kuvan häviövastuksen arvo voidaan arvioida seuraavalla kaavalla, kun määritellään esimerkiksi mittaamalla diodin jännitteenmuutoksen ja virranmuutoksen suhde:

Diodin ominaiskäyrä

Tarkimmin käytännön diodia voidaan mallintaa edellisellä sivulla esitetyn pn-liitoksen virtalain avulla. pn-liitoksen virtalaki kuvaa diodin ominaiskäyrän kulkua muualla kuin läpilyöntialueella. Seuraavassa kuvassa myös läpilyönti on otettu mukaan. Kuvassa vaaka-akselilla on diodin yli oleva jännite (origon oikea puoli == myötäsuunta, vasen puoli == estosuunta), ja pystyakselilla diodin virta. Estosuuntaisella jännitteella diodin läpi kulkeva vuotovirta on mitätön verrattuna myötäsuuntaiseen virtaan. Vasta läpilyönnin tapahduttua virta alkaa kulkemaan diodin läpi "väärään" suuntaan. Tämä tarkoittaa normaalilla pn-liitosdiodilla yleensä sitä, että diodi tuhoutuu (toisaalta esim. nk. zener-diodin toiminta perustuu tämän läpilyönnin hyväksikäyttöön). Kuvassa näkyy myös aiemmin mainittu kynnysjännite: diodi alkaa johtamaan virtaa vasta tietyn myötäsuuntaisen, puolijohdemateriaalista riippuvan, jännitetason jälkeen. Piillä tämä kynnysjännite oli n. 0.6-0.7 V.

Esimerkki diodin ominaiskäyrästä. Myötäsuuntaisella biasoinnilla havaitaan kynnysjännitteen vaikutus ja pn-liitoksen virran eksponentiaalinen luonne jännitteen funktiona. Käytännön diodissa tapahtuu läpilyönti estosuuntaisen jännitteen yllittäessä tietyn rajan.

Reaalisen diodin ja ideaalisen mallin tärkeimmät erot

Estotilan virta voi olla suurempi kuin laskennallisesti (kuitenkin hyvin pieni)

Päästösuuntainen jännite ei ole tarkasti 0.7 V (piillä), vaan riippuu mm. virrasta, yksilöstä, lämpötilasta..

Merkittävin ero on suurilla estojännitteillä esiintyvä läpilyönti. Kun estosuuntainen jännite on riittävän suuri, seuraa johtavuuden vyörymäinen kasvu ja nk. läpilyönti. Virrantiheys kasvaa läpilyöntikohdassa niin suureksi, että lämpenemän vuoksi diodi yleensä tuhoutuu.