Diode

Een diode is een elektronisch onderdeel dat de elektrische stroom zéér goed in één richting geleidt, maar praktisch niet in de andere. Een diode functioneert als het ware als een elektronisch ventiel. De geleidende richting noemt men de doorlaatrichting en de andere richting de sperrichting.

Dit is echter een enigszins vereenvoudigde voorstelling van zaken. Ook in de doorlaatrichting van een diode gaat pas stroom vloeien als de spanning over de diode een bepaalde waarde heeft bereikt. Pas boven deze waarde gaat de diode zich als een laagohmige weerstand gedragen. Deze spanning is afhankelijk van het type diode.

Diodes worden soms ook gelijkrichters genoemd, omdat ze gebruikt kunnen worden voor het omzetten van een wisselstroom in een gelijkstroom. Men onderscheidt daarbij enkelfasige gelijkrichting en dubbelfasige gelijkrichting.

De eerste dioden waren radiobuizen in de vorm van een vacuumdiode. Ze gebruikten het effect van de emissie van elektronen rond een gloeidraad. In een normale gloeilamp werd een extra elektrode geplaatst - anode genaamd - die de vrije elektronen elektrostatisch kon aantrekken en opvangen. Omdat de elektronen alleen van de gloeidraad naar de anode kunnen vloeien en niet omgekeerd, werkt deze constructie als diode.
Deze combinatie van gloeidraad en elektrode werd in 1904 uitgevonden door John Ambrose Fleming, de wetenschappelijke adviseur van de Marconi Company en was gebaseerd op een observatie van Thomas Edison.

Alhoewel de vacuümdiode nog steeds voor speciale toepassingen worden gebruikt, zijn de meeste hedendaagse diodes uitgevoerd als halfgeleider. Een dergelijke diode bestaat uit een n-gedoteerd gebied, direct grenzend aan een p-gedoteerd gebied, waardoor er een pn-overgang ontstaat met de gewenste diode-eigenschap.

[bewerk] Verschillende types halfgeleiderdioden

1. De gelijkrichterdiode zoals boven beschreven.
2. De zenerdiode gedraagt zich in doorlaatrichting als een normale diode, maar in sperrichting kan hij boven een bepaalde spanning óók gaan geleiden. Deze 'doorbraak' geschiedt op een exact bepaald spanningsniveau, de zenerspanning genaamd. Daardoor kan de zenerdiode worden gebruikt als spanningsreferentie. Natuurlijk kunnen ook normale dioden geen onbeperkte sperspanning verdragen. Bij een zeer hoge (maar niet exact bepaalde) spanning zal stroom gaan vloeien. Dit verschijnsel berust echter op een ander principe en de diode zal meestal daarbij vernield worden. Een zenerdiode blijft echter heel.
3. De Light Emitting Diode (LED) zendt licht uit bij stroomdoorgang. Als elektronen bij een diode de p-n-barrière oversteken, emitteren de atomen in het silicium fotonen. Bij de meeste dioden worden deze fotonen echter weer opgenomen. Bovendien heeft het opgewekte licht een frequentie buiten het zichtbare gebied, meestal infrarood. Gebruikmakend van het juiste materiaal en de juiste constructiemethode, is het mogelijk om een diode licht te laten uitstralen in het zichtbare gebied. Het moeilijkste is om licht in hogere frequenties te laten uitstralen; vandaar dat blauwe LED's nog steeds moeilijk zijn te fabriceren en daardoor duur zijn.
4. De fotodiode voert in sperrichting een lekstroom, die afhankelijk is van de hoeveelheid licht die erop valt. Hij kan daardoor als lichtdetector gebruikt worden.
5. De Schottkydiode wordt toegepast als gelijkrichterdiode, maar heeft een lagere doorlaat- en keerspanning en is sneller.
6. De snapdiode kan zeer snel reageren op spanningsovergangen.
7. De Esaki- of tunneldiode heeft in de spanning-stroom-karakteristiek een gedeelte met een negatieve differentieweerstand. Dit effect wordt veroorzaakt door kwantumtunneling. Hierdoor kan men dit onderdeel gebruiken voor het compenseren van demping in een trillingskring in een oscillator.
8. De variabele-capaciteitsdiode of varicap heeft in de sperrichting een capaciteit die afhankelijk is van de spanning. Door middel van een variabele gelijkspanning kan de frequentie van een oscillator of de kantelfrequentie van een filter worden ingesteld. De varicap vindt zijn voornaamste toepassing als afstemcondensator in radio- en televisieontvangers en FM-modulatie.
9. De gunndiode is een schakeldiode in het microgolf gebied.
10. De PIN-diode is een schakeldiode in het Infra-rood gebied.

[bewerk] Doorlaatspanning

In een gebruikelijke halfgeleiderdiode, die op silicium is gebaseerd, zal de spanning over een geleidende diode ongeveer 0,6 a 0,7 volt bedragen. Deze waarde is anders voor andere typen diodes. Bij zogenaamde Schottkydiodes en bij germaniumdiodes kan deze spanning waarden bereiken van 0,2 volt. Bij LED’s, die niet op silicium maar op gallium als halfgeleider zijn gebaseerd, kan deze spanning echter 1,4 tot 2,5 volt bedragen, de kleur van het uitgestraalde licht is afhankelijk van het gebruikte halfgeleidermateriaal.

Elke halfgeleider-diode kan in doorlaatrichting gebruikt worden als temperatuursensor. De spanning over de diode hangt af van de temperatuur maar dat is niet erg nauwkeurig. Bij goedkope elektronische binnen/buiten-thermometers wordt dit principe wel toegepast. Als vuistregel geldt een doorlaatspanningsafname van 2 mV per °C temperatuurstijging.

Er bestaan nog meer typen diodes, die alle als basis hebben dat ze elektrische stromen maar in één richting toestaan te vloeien, maar die op andere werkingsprincipes berusten.

Een ervan, de elektronenbuis hebben we al besproken, een andere diode, de puntcontactdiode heeft eigenlijk een heel primitieve opbouw. In het algemeen bestaat een dergelijke diode uit een blok metaal van het n-type halfgeleider, waarop een naaldpunt van een metaal uit groep 3 van het periodiek systeem der elementen wordt geplaatst. Zie verder bij Puntcontactdiode.

Een andere methode om een diode te construeren is de gasontladingsdiode. In een glazen omhulsel, gevuld met een inert gas, worden twee elektroden geplaatst. Eén elektrode is een simpel metalen vlak. De andere elektrode heeft een pijlvorm die naar een punt midden in het vlak van de andere elektrode wijst. De pijlvormige elektrode is geslepen tot een zeer scherpe punt. Het werkingsprincipe van deze diode berust op het feit dat elektrische ladingen zich verzamelen rond puntvormige delen van een elektrische geleider. Als het verschilpotentiaal tussen de elektroden groot genoeg is kan de puntvormige elektrode een voldoende groot elektrostatisch veld opwekken om zich spontaan naar de vlakke elektrode te ontladen. Omgekeerd echter kan de vlakke elektrode geen potentiaalveld opwekken dat groot genoeg is om zich naar de puntvormige elektrode te ontladen. Daarom gedraagt deze constructie zich als diode. Dergelijke dioden worden soms gebruikt als gelijkrichter in hoogspanningstoepassingen.

Een variatie op deze diode is een gasontladingsdiode die kwikdampen gebruikt om een geleidende verbinding te creëren.

[bewerk] Bruggelijkrichters

Een speciale opstelling van vier diodes die beide halve periodes van een wisselspanning kunnen omzetten in een pulserende gelijkspanning noemt men een bruggelijkrichter, of een dubbelzijdige gelijkrichter. Er bestaan ook speciale versies van diodebruggen (met meer dan vier dioden) die gebruikt worden voor het gelijkrichten van draaistroom. Deze noemt men dubbelzijdige meerfasige gelijkrichters. Schakelingen van meerdere diodes met als doel gelijkrichting van een één- of meerfasenwisselspanning worden ook wel Graetzbruggen genoemd.