50ohm-contents-dl/contents/sections/diod_1.md

Dioden grundfunktion är redan känd: den släpper bara igenom ström i en riktning, nämligen när spänningen på anoden (U_a) är större än spänningen på katoden (U_k), jämför figur [ref:e_diode_u_i].

[picture:859:e_diode_u_i:Spänningar och ström hos en diod med seriemotstånd]

Matematiskt kan vi skriva detta krav så här:

U_d = U_a - U_k > 0

Är U_d bara lite större än 0 flyter dock ännu ingen märkbar ström. Det beror på diodens exponentiella karakteristik. Diodströmmen är nämligen:

I_d = I_S \left(e^{\frac{U_d}{U_T}}-1\right)

e är det så kallade Eulers tal (e\approx 2,718), U_T är en konstant som vid rumstemperatur är ungefär \qty{26}{\milli\volt}.

I_S är här backströmmen (mättnadsström i backriktningen), den mycket lilla ström som flyter genom dioden vid negativa spänningar. Värdet på I_S beror, förutom på några parametrar hos dioden som diodens yta, framför allt på det använda halvledarmaterialet. Hos material som germanium (Ge) med litet bandgap (energigap) (det går vi närmare in på i HAREC-utbildningen) är I_S större, hos material med större bandgap är I_S mindre.

[picture:861:e_diode_kennlinie_iu:Karakteristik för en diod]

Betraktar vi en diodkaraktäristik i figur [ref:e_diode_kennlinie_iu] stiger diodströmmen vid positiva U_d brant från en viss spänning. Denna spänning kallas tröskelspänning U_{th}, men den är bara ett uttryck för de olika I_S: ju mindre I_S, desto högre tröskelspänning.

Som riktvärden för tröskelspänningen hos pn-dioder kan vi ange cirka \qtyrange{0,2}{0,3}{\volt} för Ge och cirka \qtyrange{0,6}{0,7}{\volt} för Si.

Lysdioder (LED) är också pn-dioder, där halvledarmaterialet är sådant att det sänder ut ljus när dioden är polad i framriktningen. Det fungerar bara med vissa material - inte med Si och Ge. Ljusets färg bestäms av bandgapet. Ju större bandgap, desto kortvågigare ljus, desto lägre backström och därmed desto högre tröskelspänning. Därför har röda LED:ar cirka \qty{1,7}{\volt} tröskelspänning och gröna LED:ar \qty{2,5}{\volt}. De olika karakteristikerna visas i figur [ref:e_diode_kennlinien].

---

[picture:858:e_diode_kennlinien:Karakteristik för olika dioder]

En diod leder alltid när spänningen på anoden är tröskelspänningen högre än på katoden. Med en kiseldiod på \qty{0,7}{\volt} tröskelspänning gäller alltså att katoden ligger \qty{0,7}{\volt} lägre än anoden när dioden leder.

Eftersom LED:ar drivs i framriktningen är det viktigt att koppla ett motstånd R_V mellan spänningskällan U och LED:en. R_V ställer in önskad ström I. Därvid ska LED:ens tröskelspänning U_{th} beaktas:

I=\frac{U-U_{th}}{R_V}

---

I vår enkla modell flyter bara en liten backström för negativa U_d. Det stämmer dock inte för mycket negativa spänningar. Så småningom blir det elektriska fältet över utarmningszonen mellan n och p för högt och dioden ”slår igenom”, strömmen i backriktningen ökar extremt kraftigt, som visas i figur [ref:n_diode_kennlinie_uz].

Detta backgenombrott kan ha olika fysikaliska orsaker som vi inte kan gå in på i detalj här. Spänningen vid vilken genombrottet sker kallas allmänt zenerspänning U_z, även om zenereffekten (en kvantmekanisk tunneleffekt) bara är en möjlig genombrottsmekanism. Zenerdioder används för spänningsstabilisering. Då är det viktigt att begränsa genombrottsströmmen med ett seriemotstånd.

[picture:862:n_diode_kennlinie_uz:Karakteristik för en zenerdiod]

---

Kretssymbolen för en zenerdiod (figur [ref:e_zener_symbol]) är den för en vanlig diod där katodstrecket har en extra förlängning i \qty{90}{\degree} vinkel. Det ska påminna om karakteristikens ”knäck” vid genombrottet.

[picture:860:e_zener_symbol:Kretssymbol för en zenerdiod]

De dioder som hittills behandlats var alla pn-dioder, där diodegenskapen uppstår genom en halvledarövergång. Schottkydioden är en diod vars egenskaper uppstår genom en metall-halvledarövergång. Tröskelspänningen är ungefär hälften så stor som hos en pn-diod av samma material, eller mindre, beroende på metall-halvledarövergångens utformning. Schottkydioder används när tröskelspänningen ska vara låg, eller som mycket snabba switchdioder.

Metall-halvledardioder är de äldsta likriktarkomponenterna på halvledarbasis. Ferdinand Braun upptäckte deras likriktareffekt redan 1874, utan att kunna förklara sin observation.

Låt oss sammanfatta:

Dioder släpper bara igenom ström i en riktning. Därför lämpar de sig för likriktning av växelström.

Vid höga backspänningar (U_d < U_z) ökar dock strömmen i backriktningen kraftigt. Denna arbetspunkt kan utnyttjas mycket bra för spänningsstabilisering (zenerdiod).

Dessutom kan de i backriktningen användas som spänningsstyrda kapacitanser, men det behandlar vi först senare.

Exempel på zenerdiodens seriemotstånd: Ska en zenerdiod stabilisera U_Z = \qty{5}{\volt} från U_1 = \qty{13,8}{\volt} med strömmen I = \qty{30}{\milli\ampere} blir spänningen över seriemotståndet U_V = U_1 - U_Z = \qty{8,8}{\volt} och R_V = \frac{U_V}{I} = \frac{\qty{8,8}{\volt}}{\qty{30}{\milli\ampere}} \approx \qty{293}{\ohm}.