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 UPPGRADERING-5.8.1.
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.
Betraktar vi en diodkaraktäristik i figur UPPGRADERING-5.8.2 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 UPPGRADERING-5.8.3.
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 UPPGRADERING-5.8.4.
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.
Kretssymbolen för en zenerdiod (figur UPPGRADERING-5.8.5) 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.
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 $R_V = \frac{U_V}{I} = \frac{\qty{8,8}{\volt}}{\qty{30}{\milli\ampere}} \approx \qty{293}{\ohm}$.
