Analog elektronik, Le1460 Föreläsning 9 sida 1 Mälardalens högskola, Institutionen för Elektronik Analog elektronik – F3, forts Halvledarmekanismen Isolator Keramik, glas Halvledare (isolator vid absoluta nollpunkten) Vanligast är grundämnena kisel (Si) och germanium (Ge) samt föreningen galliumarsenid (GaAs) 4 valenselektroner stark kristallinsk form (Jfr kol i kristallinsk form, diamant) Ledare Metaller, t ex silver, guld och koppar Dopning Halvledares egenskaper kan påverkas genom att tillsätta främmande atomer. Tillför ett ämne som har 3 eller 5 valenselektroner. Små mängder kristallen behåller sin struktur Aluminium (Al) är trevärt en elektron saknas överskott av positiva laddningsbärare P-dopat Fosfor (P) är femvärt en fri elektron ”skapas” överskott av negativa laddningsbärare N-dopat Institutionen för Elektronik, Mälardalens högskola Analog elektronik, Le1460 Föreläsning 9 sida 2 Dioden – backventil för strömmen En diod består av ett P-dopat och ett N-dopat material som man satt ihop. Dioden fungerar som en backventil, d v s släpper igenom strömmen i en riktning och stänger i motsatt riktning. Fjäderns kraft är större än luftens tryck ventilen stängd Luftens tryckkraft är större än fjäderkraften ventilen öppen Luften och fjädern verkar åt samma håll ventilen är helt stängd Spärrspänning Om man dopar en kiselkristall så att ena halvan är P-dopad och den andra halvan N-dopad får man en PN-diod. Symbol Anod P N Katod Anod + Katod (alltid märkt) – Spärrspänning Dioden börjar inte leda förrän framspänningen överstiger 0,5 V p g a spärrspänning. Hur uppkommer spärrskiktet? Institutionen för Elektronik, Mälardalens högskola Analog elektronik, Le1460 Föreläsning 9 sida 3 P g a att det bildas joner i spärrskiktet uppstår en spärrspänning. När leder dioden? Framspänningen måste vara större än spärrspänningen för att dioden ska leda. Backriktning Om en diod är ansluten i backriktningen kommer den yttre spänningen och spärrspänningen att samverka. Ingen ström kommer att flyta i kretsen. Diodens resistans blir mycket stor i backriktningen. Diodens karakteristik Institutionen för Elektronik, Mälardalens högskola Analog elektronik, Le1460 Föreläsning 9 sida 4 Sammanfattning Dioden släpper fram ström i en riktning, framriktningen, och spärrar i andra riktningen, backriktningen. Dioden fungerar som en backventil. Dioden är kopplad i framriktningen när anoden är positiv i förhållande till katoden. Dioden är kopplad i backriktningen om anoden är negativ i förhållande till katoden. Diodens ström och spänning betecknas IF och UF i framriktningen och UR respektive IR i backriktningen. Resistansen RF är liten i framriktningen och stor i backriktningen, RR. Kurva för kiseldiod Halvvågslikriktning Helvågslikriktning (Graetz-brygga) Zenerdioden En zenerdiod har samma egenskaper som en vanlig diod om den förspänns i framriktningen. Det speciella med en zenerdiod är vad som händer när man backförspänner den! Vid låga spänningar är strömförbrukningen försumbar. Fortsätter man att öka utspänningen kommer strömmen genom kretsen att plötsligt öka markant. Ytterligare ökning av utspänningen gör att strömmen ökar medan spänningen över zenerdioden förblir konstant. Denna spänning kallas zenerspänning. Institutionen för Elektronik, Mälardalens högskola Analog elektronik, Le1460 Föreläsning 9 sida 5 Användningsområde: Som stabilisator Zenerdioden används ofta i elektroniken som stabilisator, d v s när man vill stabilisera en spänning så att den blir oberoende av ström- och spänningsvariationer. Detta ska ni få titta närmare på under övningspasset. Lysdioden (LightEmittingDiode) En lysdiod har just de egenskaper som namnet syftar till. Den lyser då den öppnat sig i framriktningen. Tillverkas av galliumarsenindföreningar och avger (emitterar) ljus (fotoner) då exciterade elektroner faller ner till grundtillståndet. Beroende på vilken förening man använder kan man få olika färg på ljuset pga olika stora energigap mellan grundtillståndet och det exciterade tillståndet. Den finns i olika färger som också innebär att den öppnar vid olika framspänningar. Röd Gul Grön Blå Infraröd Användningsområde: indikator, signallampa Egenskaper: Polär Måste kopplas i framriktningen. Är strömstyrd till skillnad från glödlampan Strömrusning i framriktningen kopplas i serie med en strömbegränsande resistor. Framströmmen som funktion av spänningen för en röd lysdiod. Överskrid aldrig Ifmax! Se datablad Institutionen för Elektronik, Mälardalens högskola