Diood

Diood on kahe elektroodiga (katood, anood) elektronseadis, millel on ühesuunaline elektrijuhtivus. Eristatakse elektrovaakumdioode ja pooljuhtdioode. Dioodide põhiline kasutusala on vahelduvvoolu alaldamine, kuid kasutusel on ka mitut liiki eriotstarbelisi pooljuhtdioode. Elektronlampi ja pooljuhtdioodi arendati paralleelselt. Elektronlampdioodi põhimõtte avastas Frederick Guthrie 1873. aastal ning juba aasta hiljem avastas Saksa teadlane Ferdinand Braun pooljuhtdioodide tööpõhimõtte. Thomas Alva Edison avastas omakorda 13. veebruaril 1880 elektronlampdioodi tööpõhimõtte ning patenteeris selle 1883. aastal (U.S. Patent 307,031), kuid ei arendanud ideed edasi. Braun patenteeris pooljuhtalaldi 1899. aastal. Sir Jagdish Bose jätkas Brauni avastatud dioodi uurimist raadiosignaali vastuvõtuks vajaliku komponendina. Esimene pooljuhtdioodidega raadiovastuvõtja ehitas umbes 1900. aastal Greenleaf Whittier Pickard. Inglismaal patenteeris elektronlampdioodi John Ambrose Fleming ([Marconi Company teaduslik nõunik ja endine Edisoni töötaja) 16. novembril 1904. Pickard sai patendi oma pooljuhtdetektorile 20. novembril 1906 (U.S. Patent 836,531). Avastuste tegemise ajal kutsuti selliseid seadiseid ka alalditeks. 1919. aastal mõtles William Henry Eccles välja sõna diode: kreekakeelsetest sõnadest di, tõlkes ‘kaks’, ja ode (sõnast odos), tõlkes ‘teed’. Lampdiood koosneb õhutühjas klaaskestas asetsevast kahest elektroodist: anoodist ja kuumutatavast katoodist. Esimesed lampdioodid sarnanesid välimuselt hõõglambiga. Töötamisel lastakse vool läbi nikroomist hõõgniidi, mis kuumutab katoodi 800–1000 °C-ni. Kuum katood eraldab elektrone vaakumisse, protsess, mida nimetatakse termoemissiooniks. Katood on kaetud leelismuldmetalli (nt. baarium või strontsium) oksiidiga, millest elektronid väljuvad suhteliselt kergesti. Alaldatav vahelduvpinge rakendatakse anoodi ja katoodi vahele. Kui anoodil on positiivne pinge katoodi suhtes, siis anood tõmbab katoodist eraldunud elektronid endasse, tekitades voolu. Kuid kui anoodil on katoodi suhtes negatiivne pinge, siis voolu ei teki, sest anood tõukab elektrone kui negatiivse laengu kandjaid endast eemale. Anood ise ei eralda elektrone, seega saab elektronide vool olla ainult ühesuunaline – katoodilt anoodile. Sellist lampdioodi, mida kasutati alalispinge saamiseks, nimetati ka kenotroniks.  Pikemalt artiklis Pooljuhtdiood Pooljuhtdioodides tekitab ühesuunalise juhtivuse pn-siire või metall-pooljuhtkontakt, nagu Schottky dioodil. Pn-siirdega dioodid valmistatakse pooljuhtkristallist. Siirde saamiseks on vaja, et kristalli ühes piirkonnas oleksid ülekaalus vabad elektronid ja teises, kõrvalasuvas piirkonnas augud. Pooljuhtdioodide peamised liigid on alaldusdiood, impulssdiood, lülitidiood, stabilitron, mahtuvusdiood, tunneldiood, Schottky diood, fotodiood, valgusdiood Pooljuhtdioodi käitumise vooluringis määrab selle pinge-voolu karakteristik, millel saab eraldada kolme tööpiirkonda. Väga kõrgel vastupingel, mis ületab dioodile lubatavat suurimat vastupinget UBR, toimub siirde läbilöök. Sellega kaasnev voolu järsk tugevnemine, mis rikub siirde. Teises piirkonnas on vastupinge dioodile lubatud piires ja dioodi läbiv vool väga nõrk. Selle voolu suurus on sõltuv materjali temperatuurist ja kui temperatuur on küllalt kõrge, siis võib voolutugevus tõusta arvestatava suuruseni (mA või rohkem). Kolmas piirkond on pärisuunaline, kus pärivool on kuni lävipingeni US nõrk. Ränidioodil algab alates päripingest 0,6–0,7 volti voolu eksponentsiaalne tugevnemine. Lävipinge on germaaniumdioodidel 0,25–0,3 V ning Schottky dioodidel kuni 0,2 V, kuid näiteks valgusdioodidel isegi 1,4 V või 4,0 V. Pärivoolu suurenedes pingelang dioodil samuti suureneb. Võimsusdioodide puhul on tavaliselt pingelang nimivoolu korral 1‒1,5 V. Vahetult pärisuunalise pinge väljalülitamise järel tekib pn-siirdega dioodil lühiajaline vastuvool, mida põhjustab laengu eemaldumine siirdest. Mõju võib olla märkimisväärne, kui lülitatakse suurt voolu väga kõrgel sagedusel. Sellise laengu Qr eemaldamiseks kulub teatud aeg. Vastutakistuse taastumiskestus trr on ajavahemik alates hetkest, mil antud päripinge all oleva dioodi ümberlülitamisel etteantud vastupingele dioodi vool läbib nullväärtuse, kuni hetkeni, mil ümberlülitumisel kujunev vooluimpulss väheneb etteantud väärtuseni (näiteks 10%-ni oma tippväärtusest) . See näitaja on üks lülitidioodide ja impulssdioodide põhiparameetreid. Eriti kiiresti taastub vastutakistus Schottky dioodidel: trr = 10‒100 ps (pikosekundit). Pooljuhtdiooditüüpide tähistamiseks on kasutusel mitu süsteemi. Euroopa süsteemis koosneb dioodi tähis kolmest või viiest elemendist. Esimene element on täht, mis näitab kasutatud materjali: A – germaanium, B – räni, C – galliumarseniid, D – indiumantimoniid. Teine element koosneb kas ühest või kahest tähest, millest esimene määrab seadise liigi: A – üldotstarbeline diood, B – mahtuvusdiood, P – fotodiood, Q – valgusdiood, T – türistor, Y – suure võimsusega alaldusdiood, Z – stabilitron. Teine täht elemendis pole olulise tähtsusega ja see on tootja tähistus. Kolmas element on kahe- või kolmekohaline number, mis on seadise registreerimisnumber. Neljandat ja viiendat elementi kasutatakse ainult stabilitronidel. Neljas element on täht ja määrab stabiliseerimispinge tolerantsi: A – ± 1%, B – ± 2%, C – ± 5%, D – ± 10%. Viies element on number, mis määrab stabiliseerimispinge. Kui see on antud kümnendkohaga, siis on koma kohal täht V. Suurevõimsuslistel alaldusdioodidel määrab see number suurima vastupinge, kusjuures neljas element puudub. Näiteks AA113 on üldotstarbeline germaaniumdiood, BZ88-C4V7 on räni-stabilitron, stabiliseerimispinge täpsusega ± 5%, stabiliseerimispingega 4,7 V. USA süsteemis kasutatakse kolme tähistuselementi. Esimene element koosneb ühest numbrist ja tähest, mis määrab seadise liigi ning dioodi tähiseks on 1N. Teine element on neljakohaline number, mis on seadise registreerimisnumbriks. Kolmas element on täht, mis osutab tüübiteisendile või eriomadustele, näiteks 1N2033A. Jaapani süsteem on põhimõtteliselt samasugune, ainult dioodi tähisena kasutatakse 1S. Suurematel dioodidel kantakse tüübitähis ja dioodisümbol korpusele, väiksematel pole see aga võimalik ja seepärast kasutatakse tähistamist värvkoodiga. Dioodi katoodipoolsel otsal on värviring või värvipunkt. Valgusdioodidel võib olla katoodiviik lühem. Kui diooditüüpi märgitakse eri värviringidega, siis on esimene, katoodipoolne ring laiem. Pooljuht Pn-siire Pooljuhtdiood