DİYOTLAR ve ÇEŞİTLERİ
P-N Jonksiyonu
P ve N tipi malzemeler bir kristal yapı içinde bir araya getirildiğinde iki bölge arasında bir P-N jonksiyonu oluştur. Bu eleman yarı iletken diyot olarak bilinir ve tek yönde akım geçirir. P-N jonksiyonu diyot, transistör ve diğer yarı iletken elemanların temelidir.
Jonksiyon oluşmadan önce oda sıcaklığında, N bölgesinde çok sayıda serbest elektron ve P bölgesinde çok sayıda delik mevcuttur. Elektronlar ve delikler bütün yönlere serbestçe hareket eder. Jonksiyon oluşması anında elektronlardan bir kısmı P bölgesine doğru hareket eder. Bu hareketin sebebi difüzyon akımıdır. Difüzyon akımı elektron yoğunluğunun çok olduğu yerden az olduğu yere doğru oluşan yayılmadır. P bölgesine geçen elektronlar deliklerle birleşir. N bölgesinde elektronlarını kaybeden atomlar (+) ve P bölgesinde elektron alarak deliklerini kaybeden atomlar (-) olur. Bunun sonucunda P-N jonksiyonu yakınında çok sayıda pozitif ve negatif iyon olur. N bölgesindeki elektronların hepsi P bölgesine geçemez. N bölgesindeki elektronlar pozitif iyonlar tarafından çekilir. Bu elektronların P bölgesine geçebilmeleri için negatif iyonların itme kuvvetini yenmeleri gerekir. Şekil 2.1(a)’da P-N jonksiyonu ve (b)’de jonksiyonun birleşmesinden sonra oluşan boşluk bölgesi gösterilmiştir. Boşluk bölgesi bir pil gibi gerilim üretir. Boşluk bölgesinde oluşan gerilim germanyum diyotlarda 0.3 V, silisyum diyotlarda ise 0.7 V’tur.
Boşluk bölgesi, jonksiyonu difüzyon yoluyla geçmek isteyen çoğunluk taşıyıcıları için bir engel oluşturur. N bölgesindeki bir serbest elektronun P bölgesine geçebilmesi için bu gerilim potansiyelini aşacak bir enerjiye sahip olması gerekir. Boşluk bölgesinde sıcaklık nedeniyle oluşan elektron-delik çiftleri sürüklenme (drift) akımı ile difüzyon akımının tersine hareket eder. Bu iki akımın toplamı sıfırdır.
Ters Kutuplama
P-N jonksiyonunun P bölgesine negatif ve N bölgesine pozitif bir gerilim uygulanmasına ters kutuplama (polarma) denir. P bölgesindeki delikler kaynağın negatif ucu tarafından ve N bölgesindeki elektronlar kaynağın pozitif ucu tarafından çekilir. Çoğunluk taşıyıcıları jonksiyondan uzaklaşarak jonksiyon etrafında daha çok pozitif ve negatif iyon oluşur. Geçici rejimde çoğunluk akım taşıyıcıları bir akım oluşturur. Boşluk bölgesi genişleyerek kararlı rejimde bu bölgenin potansiyeli P-N jonksiyonuna uygulanan RV gerilimine eşit olur ve çoğunluk taşıyıcı akımı s ıfır olur. Çok küçük bir RV gerilimi çoğunluk akım taşıyıcılarının akışını durdurmak için yeterlidir. Ters kutuplanan bir P-N jonksiyonunda azınlık akım taşıyıcıları jonksiyondan bir sızıntı akımı geçirir. RV gerilimi arttıkça sızıntı akımı artar. R V geriliminin daha fazla arttırılması azınlık akım taşıyıcılarının sayısını arttırmaz çünkü elektrondelik çiftinin miktarı sıcaklığa bağlıdır. Jonksiyondan geçen bu akıma ters doyma akımı denir. Şekil 2.2’de ters kutuplama durumundaki P-N jonksiyonu ve içinden geçen sızıntı akımı gösterilmiştir.
Çığ Delinme
P-N jonksiyonuna uygulanan ters gerilimin artırılması azınlık akım taşıyıcılarının daha hızlı hareket etmelerine neden olur. Bu akım taşıyıcıları kristal içindeki atomlara çarparak valans elektronların enerjilenmesine ve kovalent bağı kopararak valans elektronların serbest kalmasına neden olur. Serbest kalan azınlık akım taşıyıcıları hızla hareket ederek başka atomlara çarpar ve yeni elektron-delik çiftlerinin oluşmasına neden olur. Böylece azınlık akım taşıyıcı sayısı hızlı bir şekilde (çığ gibi) yükselir. Bu olaya çığ delinme denir ve azınlık akım taşıyıcılarını bu şekilde hızlandırmak için gerekli enerjiyi oluşturan gerilime ters devrilme gerilimi ( BDV ) denir. Ters devrilme gerilimi sıcaklığa, katkı miktarına ve başka faktörlere bağlıdır.
İleri Kutuplama
P-N jonksiyonunun P bölgesine pozitif ve N bölgesine negatif bir gerilim uygulanmasına ileri kutuplama denir. P bölgesindeki delikler kaynağın pozitif ucu tarafından ve N bölgesindeki elektronlar kaynağın negatif ucu tarafından jonksiyona doğru itilir. Bu bölgedeki pozitif ve negatif iyonlar nötr hale gelmeye başlar. Jonksiyona uygulanan FV gerilimi yeteri kadar büyük ise, diyot içinde oluşan gerilim potansiyeli sıfırlanır ve boşluk bölgesi ortadan kalkar. N bölgesindeki elektronlar yeterli enerji alarak P bölgesine geçer. P bölgesine geçen elektron burada valans elektron haline gelir ve delikten deliğe atlayarak kaynağın pozitif ucuna doğru hareket eder. P bölgesinde valans elektronların hareketi, deliklerin ters yönde hareketi demektir. Akım yönü, delik hareketi ile aynı yönde kabul edilir. N bölgesini terk eden her elektron için kaynağın negatif ucundan bir elektron çıkar. Böylece fonksiyondan sürekli akım geçer. F V gerilimi silisyum diyotta 0.7 V ve germanyum diyotta 0.3 V’tan büyük olduğunda P-N jonksiyonundan akım geçmeye başlar. Gerilimin biraz daha arttırılması akımın hızla artmasına neden olur. Akımı s ınırlamak için diyoda seri bir direnç bağlanır. Şekil 2.3’te ileri yönde kutuplanmış bir P-N jonksiyonu gösterilmiştir.
N bölgesinde çoğunluk akım taşıyıcısı olan elektronların, P bölgesine geçmeleri difüzyon ile olur. P bölgesinde elektronlar azınlık akım taşıyıcılarıdır. Bu durum transistörün çalışmasının anlaşılması açısından önemlidir.
Diyodun V-I Karakteristiği
P-N diyodunun P bölgesine anot ve N bölgesine katot ismi verilir. İleri yönde kutuplanmış diyotta akım P’den N’ye doğru akar. Diyodun ok sembolü ileri yönde kutuplanmış diyottan geçen akım yönünü gösterir. Şekil 2.4’te diyodun sembolü ve V-I karakteristiği gösterilmiştir.
Diyodun akım geçirmeye başladığı gerilim eşik gerilimi ( 0 T V ) olup, germanyum için 0.3 V ve silisyum için 0.6 V’tur. Eşik gerilimi sıcaklıkla azalır. sI ters yönde doyma akımıdır ve sıcaklıkla artar. Oda sıcaklığındaki doyma akımı silikonda on nano amperler mertebesindedir. Germanyumda ise enerji boşluğu daha küçük olduğundan silikona göre daha fazla azınlık akım taşıyıcısı mevcuttur ve sızıntı akımı birkaç mikro amper mertebesindedir. BDV diyodun ters yönde devrilme gerilimidir. Diyoda ters yönde uygulanabilecek gerilimin tepe değeri (PRV), BD V ’den küçüktür ve silisyum diyotta V 1 000 , germanyumda ise 400 V civarındadır. PRV kısa süreli ters gerilimdir. Kataloglarda ayrıca ters yönde uygulanabilecek DC gerilimin maksimum değeri ( RDCV ) de verilir. Silisyum diyot C 200 ! s ıcaklığa kadar kullanılabilirken, germanyum diyot C 100 ! ’ye kadar kullanılabilir. Silisyum diyodun germanyuma göre dezavantajı e şik geriliminin daha yüksek olmasıdır. Germanyum diyot silisyumdan daha hızlıdır.
Diyotlu Devrelerde Grafik Yöntemi ile Çalışma Noktasının Bulunması
Elektronik devrelerde kullanılan diyotların çalışmasını devre analizi yöntemleri ile incelemek mümkündür. Uygulamalarda diyot devamlı iletim, devamlı yalıtım veya zaman zaman iletim ve yalıtım durumunda çalışır. DC devrelerde diyodun tek bir çalışma noktası yani akım ve gerilimi mevcuttur. AC bir devrede ise diyodun çalışma noktası değişkendir.
Diyodun çalışma noktası grafik yöntemleri kullanılarak da bulunabilir. Diyodun çalışma noktasının grafik ile bulunması için önce diyodun hangi bölgede olduğuna karar verilir. Diyot ileri kutuplama, ters kutuplama veya devrilme bölgelerinden birinde olabilir. Daha sonra V-I karakteristiği ile yük doğrusu kesiştirilir ve çalışma noktası bulunur.
İleri Kutuplama Durumu İleri yönde kutuplanmış bir diyot ve çalışma noktası Şekil 2.5’te gösterilmiştir.
Diyodun Direnci
Diyodun direnci DC veya AC olarak tanımlanabilir. Çalışma noktasındaki direnç DC veya statik direnç olarak tanımlanır. İleri yönde kutuplanmış bir diyodun statik direnci akım yükseldikçe artar. Diyot karakteristiğinin belirli bir bölgesinde, gerilimdeki değişmenin akımdaki değişmeye oranı AC veya dinamik direnç olarak tanımlanır. Şekil 2.7’de direnç tanımları gösterilmiştir.
Diyot Devrelerinin Yaklaşık Eşdeğer Analizi
Bir devrede diyodun çalışma noktası grafik metodu ile veya diyodun eşdeğeri kullanılarak bulunabilir. Diyodun yaklaşık eşdeğerini kullanmak kolay bir çözümdür ve doğruluğu daha düşüktür. Çalışma noktasının bulunması grafik metodu ile oldukça güçtür.
Diyodun yaklaşık eşdeğer devresinde, geçirme yönünde diyodun belirli bir eşik geriliminde iletime geçtiği kabul edilir. Bu eşik gerilimi germanyum için 0.3 V ve silisyum için 0.7 V’tur. Diyot eşik geriliminden sonra bir direnç gibi davranır. İletimdeki iç direnç oldukça düşüktür (birkaç ohm mertebesinde) ve bir çok uygulamada ihmal edilir. İdeal diyodun eşdeğeri ile silisyum ve germanyum diyotların eşdeğer devreleri Şekil 2.8’de gösterilmiştir.
Ters kutuplama bölgesinde diyodun eşdeğer direnci sonsuz kabul edilir. Diyoda ters yönde devrilme geriliminden daha büyük bir gerilimi uygulanırsa diyot devrilerek akım geçirir. Bu akımın değeri dirence bağlıdır. Bu esnada diyodun üzerindeki gerilim devrilme gerilimidir. Uygulamada diyodun ters devrilme gerilimi, üzerine gelebilecek maksimum gerilimden büyük seçilir.
Yarım Dalga Doğrultucu
Diyot tek yönde akım geçirme özelliğinden dolayı doğrultucu devrelerinde yaygın olarak kullanılır. Doğrultucu devreleri, AC gerilimi DC gerilime çevirmek için kullanılır. Doğrultucu analizinde diyotlar ideal kabul edilecektir. Şekil 2.9’da yarım dalga doğrultucu devresi gösterilmiştir. Devrenin girişine bir AC gerilim uygulanmıştır. 1 0 tt − aralığında yani pozitif alternansta diyot iletimdedir. Bu aralıkta diyodun gerilimi sıfır kabul edilirse, giriş gerilimin tamamı yük üzerinde görülür. 2 1 tt − aralığında yani negatif alternansta diyot kesimdedir. Devreden geçen akım ve yük gerilimi sıfırdır.
Tam Dalga Doğrultucu
Tam dalga doğrultma, AC gerilimin her iki alternansının doğrultularak yüke verilmesi ile yapılır. Şekil 2.10’da orta uçlu transformatör ile yapılan tam dalga doğrultucu devresi gösterilmiştir. Transformatör girişine uygulanan şebeke geriliminin ve çıkışındaki gerilimlerin orta uca göre değişimleri şekilde gösterilmiştir. Devrede iki diyot kullanılarak her iki alternans doğrultulur ve yüke verilir. 1 0 tt − aralığında 1D diyoduna gelen gerilim orta uca göre pozitiftir. 1D diyodu iletime girer ve yüke pozitif alternans verilir. 2D diyodu bu aralıkta negatif gerilime maruz kaldığından kesimdedir. 2 1 tt − aralığında aralığında, 2D diyodu orta uca göre pozitif gerilime maruz kalır ve iletime girer. Böylece negatif alternans doğrultularak yüke verilir. Bu aralıkta üst sargı gerilimi orta uca göre negatiftir ve 1D diyodu kesimdedir. Yükten geçen akım her iki alternansta da pozitiftir dolayısıyla yük gerilimi pozitif olur.
Köprü Doğrultucu
Köprü doğrultucu ile elde edilen DC gerilim, orta uçlu transformatör ile yapılan tam dalga doğrultucudaki DC gerilimin iki katıdır. Şekil 2.11’de köprü doğrultucu devresi ve giriş çıkış gerilimleri gösterilmiştir.
Pozitif alternansta D1- D2 diyotları iletimde, D3-D4 − diyotları kesimdedir. Negatif alternansta D3-D4− diyotları iletimde, D1- D2 diyotları kesimdedir. Yükten geçen akım ve yük gerilimi her iki alternansta da pozitiftir. Bir diyodun maruz kaldığı maksimum gerilim giriş geriliminin tepe değeridir.
KIRPICI DEVRELER
Diyot devreleri giriş işaretinin belirli bir bölgesini kırpmak ve işareti ötelemek için kullanılabilir. Kırpıcılar ön gerilimli, ön gerilimsiz, seri, paralel, pozitif veya negatif türde olabilir. Ön gerilimli devrelerde DC gerilim kaynağı kullanılır. Kırpma seviyesi devrede kullanılan DC gerilim kaynağının değeri ile ayarlanabilir. Diyotun yönü ile seri veya paralel bağlı olmasına göre, pozitif veya negatif kırpma yapılabilir. Kaynağın yönünün değiştirilmesi ile kırpma işlemi tamamen değişir.
Şekil 2.12’de ön gerilimli seri kırpıcı ve giriş gerilimi ile çıkış gerilimi arasındaki ilişki gösterilmiştir. Bu devrede –5 V’tan daha düşük gerilimler için diyot açık devre olur ve çıkış gerilimi sıfır olur. –5 V’un üzerinde diyot iletime girer. Böylece giriş gerilimi 5 V yukarı ötelenmiş olur ve altı kırpılır.
Şekil 2.14’te gösterilen ön gerilimli paralel kırpıcıda iki diyot kullanılmıştır. Pozitif alternansta ve 5 V’un üstünde, pozitif yöndeki diyot iletime girer ve çıkış gerilimi 5 V olur. Negatif alternansta ve –10 V’un altında, negatif yöndeki diyot iletime girer ve çıkış gerilimi -10 V olur. Böylece giriş gerilimi hem alttan hem de üstten kırpılmış olur. Gerilim değerleri değiştirilerek kırpma seviyeleri değiştirilebilir
KENETLEYİCİ DEVRELER
Kenetleyici devreler ac bir işarete dc bir seviye eklemek için kullanılır. Kenetleyiciler televizyon alıcılarında dc seviye elde etmek için kullanılır. Alıcıya gelen video işareti genellikle kapasitif bir amplifikatör ile yükseltilir. Yükseltme işlemi dc bileşenin yani siyah, beyaz ve boşluk seviyelerinin kaybolmasına neden olur. Video işareti resim tüpüne uygulanmadan önce bu referans seviyeler kenetleyici yeniden elde edilir.
Şekil 2.15’te pozitif dc kenetleyici gösterilmiştir. A noktasına kadar kondansatör şarj olur. Daha sonra kondansatör geriliminin sabit kaldığı kabul edilir. Devrede kondansatörün deşarjı R üzerinden olur. RC zaman sabiti uygulanan giriş sinyalinin periyodundan çok büyüktür. Çıkış gerilimi sabit olan kondansatör gerilimi ile giriş geriliminin toplamıdır.
Kenetleyici devreler giriş işaretini negatif dc seviyeye de kaydırabilir. Kenetleyici devre içinde dc bir gerilim kaynağı kullanılarak farklı dc seviyeler de elde edilebilir. Şekil 2.16’da negatif bir dc kenetleyici gösterilmiştir.
Daha Detaylı Anlatım için ;
