1.4 DİYOT

Önceki bölümlerde oluşturulan PN birleşimine elektronik endüstrisinde “diyot” adı
verilmektedir. Diyot, elektronik endüstrisinin temelini oluşturan en basit aktif devre elemanıdır. Üretici firmalar kullanıcının gereksinimine bağlı olarak farklı akım ve gerilim değerlerinde çalışabilecek şekilde binlerce tip diyot üretimi yapmışlardır. Bu bölümde diyodun nasıl çalıştığını, akım-gerilim karakteristiklerini ayrıntılı olarak inceleyeceğiz. Bu bölümde sıra ile;
• Diyot sembolünü
• İdeal diyot modelini
• Pratik diyot modelini
• Diyot’un polarmalandırılmasnıı,
• Diyot’un V-I karakteristiğini
• Diyot direncini
• Diyotlarda yük doğrusu ve çalışma karakteristiğini
• Diyodun sıcaklıkla ilişkisini
Öğreneceksiniz. Bu bölümde öğreneceğiniz temel çalışma prensipleri, ileriki
bölümlerde diyotlarla yapacağınız uygulama ve tasarımlara sizleri hazırlayacaktır.

PN Bitişimi ve Diyot

Bir önceki bölümde oluşturulan P ve N maddesinin birleştirilmesi, Diyot adı verilen
yarıiletken devre elemanını meydana getirir. P ve N maddesinin birleştirilmesi işlemi, diyot üreticileri tarafından bir yüzey boyunca veya belirli bir noktada yapılabilir. Bu nedenle diyotlara “nokta temaslı diyot” veya “yüzey bitişimli diyot” adı da verilebilir. Her iki tip diyodun özellikleri ve çalışma karakteristikleri aynıdır. Dolayısı ile bu olay üreticileri ilgilendirir. Bizim bu konuyla ilgilenmemize gerek yoktur. Şekil-1.19’da elektronik endüstrisinde kullanılan diyotların kılıf tipleri ve terminal isimleri verilmiştir.

Elektronik biliminde her devre elemanı sembollerle ifade edilir. Sembol tespiti bir takım uluslararası kurallara göre yapılmaktadır. Şekil-1.20’de diyot’un temel yapısı ve şematik diyot sembolleri verilmiştir.

Şekil-1.11’de görüldüğü gibi diyot 2 terminalli aktif bir devre elemanıdır. Terminallerine işlevlerinden dolayı “anot” ve “katod” ismi verilmiştir. Anot terminalini P tipi madde, katod terminalini ise N tipi madde oluşturur. Bu bölümde genel amaçlı doğrultmaç diyotlarını ayrıntıları ile inceleyeceğiz. Elektronik endüstrisinde farklı amaçlar için tasarlanmış, işlevleri ve özellikleri farklılıklar gösteren diyotlarda vardır.

İdeal Diyot Modeli

İdeal diyodu tek yönlü bir anahtar gibi düşünebiliriz. Anot terminaline göre; katot
terminaline negatif bir gerilim uygulanan diyot, doğru (ileri) yönde polarmalandırılmış olur. Diyot, doğru yönde polarmalandığında kapalı bir anahtar gibi davranır. Üzerinden akım akmasına izin verir. Direnci minimumdur. Bu durum şekil-1.12..a’da görülmektedir. Anot terminaline göre; katot terminaline pozitif bir gerilim uygulanan diyot ters yönde polarmalandırılmış olur. İdeal diyot ters yönde polarmalandırıldığında, açık bir anahtar gibi davranır. Üzerinden akım akmasına izin vermez ve direnci sonsuzdur. Bu durum şekil-1.12.b’de gösterilmiştir. İdeal bir diyot’un Akım-gerilim karakteristiği ise şekil-1.12.c’de verilmiştir.

Pratik Diyot Modeli

Pratik kullanımda diyot, ideal modelden farklı davranışlar sergiler. Örneğin; doğru
polarma altında kapalı bir anahtar gibi kısa devre değildir. Bir miktar direnci vardır. Bu nedenle üzerinde bir miktar gerilim düşümü oluşur. Bu gerilime “diyot öngerilimi” denir ve VF veya VD sembolize edilir. Bu gerilim değeri; silisyumda 0.7V, germanyumda ise 0.3V civarındadır. Gerçek bir diyot’un doğru polarma altında modellemesi şekil-1.22..a’da verilmiştir. Ters yönde polarmada ise, açık bir anahtar gibi direnci sonsuz değildir. Bu nedenle üzerinden çok küçük bir miktar akım akar. Bu akıma “sızıntı akımı” denir ve IR ile sembolize edilir. Sızıntı akımı çok küçük olduğundan pek çok uygulamada ihmal edilebilir. Gerçek bir silisyum diyodun V-I karakteristiği ise şekil-1.22.c’de verilmiştir. Örneğin; şekil-1.22.a’da görülen doğru polarma devresinde diyot üzerinden geçen ileri yön akım değeri IF;

olarak belirlenir.

1.5 DİYOT KARAKTERİSTİKLERİ

Diyot karakteristiği; diyoda uygulanan polarma gerilimi ve akımlarına bağlı olarak
diyodun davranışını verir. Üretici firmalar; ürettikleri her bir farklı diyot için, gerekli
karakteristikleri kullanıcıya sunarlar.
Bu bölümde;
• Diyot’un V-I karakteristiğini
• Diyot direncini
• Yük doğrusu ve çalışma noktasını
• Diyot karakteristiğinin sıcaklıkla ilişkisini
ayrıntılı olarak inceleyeceğiz.

Diyot’un V-I karakteristiği

Diyot’un V-I karakteristiği; diyot uçlarına uygulanan gerilimle, diyot üzerinden geçen akım arasındaki ilişkiyi gösterir. Diyot; doğru ve ters polarma altında farklı davranışlar sergiler. Genel kullanım amaçlı silisyum diyodun doğru ve ters polarmalar altındaki V-I karakteristiği şekil-1.14’de verilmiştir. Şekil-1.14 üzerinde diyodun V-I karakteristiğini çıkarmak için gerekli devre bağlantıları görülmektedir.
Diyot, doğru polarmada iletimdedir. Ancak iletime başlama noktası VD olarak
işaretlenmiştir. Bu değerden sonra diyot üzerinden akan ileri yön IF akımı artarken, diyot üzerine düşen gerilim yaklaşık olarak sabit kalmaktadır. Bu gerilim diyot öngerilimi olarak adlandırılır. Diyot öngerilimi silisyum bir diyot’da yaklaşık olarak 0.7V civarındadır. Ters polarma altında ise; diyot üzerinden geçen akım miktarı çok küçüktür. Bu akıma “sızıntı akımı” denir. Sızıntı akımı, silisyum bir diyot’da birkaç nA seviyesinde, germanyum bir diyot’da ise birkaç μA seviyesindedir. Ters polarma altında diyot, belirli bir gerilim değerinden sonra iletime geçer. Üzerinden akan akım miktarı yükselir. Ters polarma altında diyot’u kırılıp iletime geçmesine neden olan bu gerilime “kırılma gerilimi” denir. Bu durum şekil-1.14 üzerinde gösterilmiştir.

Diyot; kırılma geriliminde iletime geçmekte ve üzerinden akım akmasına izin vermektedir. Şekil-1.14’deki grafik dikkatlice incelenirse, diyot üzerinden akan akım arttığı halde, gerilim sabit kaldığı gözlenmektedir. Bu durum önemlidir. Üretici firmalar, bu durumu dikkate alarak farklı değerlerde kırılma gerilimine sahip diyotlar geliştirip, tüketime sunmuşlardır. Bu tür diyotlara “zener diyot” adı verilir. Zener diyotlar, ileri bölümlerde ayrıntılı olarak incelenecektir.

Şekil-1.23’de verilen diyot karakteristiğinde; diyot’un kırılıp akım akıtmaya başlaması, aşağıda verilen eşitlik ile açıklanabilir.

Bu formülde;

I : Diyot akımını
I0 : Ters polarmada sızıntı akımını
V : Diyot uçlarına uygulanan polarma gerilimini
Q : Elektron şarj miktarını (Coulomb olarak)
T : pn birleşim sıcaklığını (K cinsinden)
K : Boltzman sabitini
ŋ : Metale bağımlı bir sabite (Ge:1, Si=2)

Silisyum ve germanyum diyotların akım-gerilim karakteristik eğrileri şekil-1.24’de birlikte verilmiştir. Görüldüğü gibi germanyum diyotların sızıntı akımı çok daha büyüktür. Bu nedenle günümüzde silisyum diyotlar özellikle tercih edilir. Germanyum diyotlar, ise öngerilimlerinin küçük olmaları nedeniyle (0.2-0.3V) özellikle alçak güçlü yüksek frekans devrelerinde kırpıcı olarak kullanılmaktadırlar.

Diyot Direnci

Diyot’un elektriksel olarak direnci; diyot uçlarındaki gerilimle diyot üzerinden geçen
akımın oranına göre tayin edilir. Diyot direnci, karakteristiğinde görüldüğü gibi
doğrusal değildir. Doğru polarma altında ve iletim halindeyken, direnci minimum 10Ω civarındadır. Ters polarma altında ve kesimdeyken ise 10MΩ-100MΩ arasındadır. Diyodun doğru akım altında gösterdiği direnç değerine “statik direnç” denir. Statik direnç (rs) aşağıdaki gibi formüle edilir.

Alternatif akım altında gösterdiği direnç değerine “dinamik direnç” denir. Dinamik
direnç (rD) aşağıdaki gibi formüle edilir.

Diyotlarda; dinamik veya statik direnç değerlerinin hesaplanmasında diyot karakteristiği kullanılır. Şekil-1.16’de silisyum bir diyodun ileri yön karakteristiği verilmiştir.

Statik ve dinamik diyot dirençlerinin belirlenip formüle edilmesinde şekil-1.16’de
görülen diyot karakteristiğinden yararlanılır. Şekilde görülen karakteristikte değişim
noktaları Q1, Q2 ve Q3 olarak işaretlenmiştir. Örneğin Q1 ve Q2 noktalarında diyot’un statik direnci;

olarak bulunur. Diyot’un dinamik direnci ise, akım ve gerilimin değişmesi ile oluşan
direnç değeridir. Örneğin Q2 noktasındaki dinamik direnç değerini bulmak istersek, Q2 noktasındaki değişimin (Q1 .. Q3 değişimi gibi) küçük bir değişimini almamız gerekir.

Elde edilen bu eşitlik ters polarmada da kullanılabilir.

Yük Doğrusu ve Çalışma Noktası

Diyot, direnç ve DC kaynaktan oluşan basit bir devre şekilde verilmiştir. Devrede diyot doğru yönde polarmalandırılmıştır.

Diyot ideal kabul edilirse devreden akacak akım miktarı;

olacağı açıktır. Gerçek bir diyot kullanıldığında ise; devreden akacak I akımı miktarına bağlı olarak diyot uçlarında VD ile belirlenen bir diyot öngerilimi oluışacaktır. Bu gerilim değeri lineer değildir. Bu gerilim değerinin;

olacağı açıktır. Ayrıca devreden akan akacak olan ID akımı değerinin VDD gerilimine bağlı olarak da çeşitli değerler alacağı açıktır. Çeşitli VDD değerleri veya IF değerleri için, diyot ön gerilimi VD’nin alabileceği değerler diyot karakteristiği kullanılarak bulunabilir. VDD geriliminin çeşitli değerleri için devreden akacak olan IF akım değerleri bulunup karakteristik üzerinde işaretlenir ve kesişim noktaları birleştirilirse şekilde görülen eğri elde dilir. Bu eğriye yük doğrusu denilir.
Yük doğrusu çizimi için;

IF=0 için VF=VDD (Diyot yalıtkan)
VF=0 için IF=VDD/R (Diyot iletken)

Bulunan bu değerler karakteristik üzerindeki koordinatlara işaretlenir. İşaretlenen
noktalar karakteristik üzerinde birleştirilirse yük doğrusu çizilmiş olur. Bu durum şekil üzerinde gösterilmiştir. Diyot karakteristik eğrisinin yük çizgisini kestiği nokta Q
çalışma noktası olarak bilinir. Yük çizgisinin eğimi ise -1/R’dir.

Şekil-1.26’da verilen devreye bağlı olarak yük doğrusu bir defa çıkarıldıktan sonra
VDD’nin herhangi bir değeri için akacak akım miktarı ve buna bağlı olarak R direnci
uçlarında oluşabilecek gerilim değeri kolaylıkla bulunabilir. Yük doğrusu ve çalışma
noktasının tayini; diyot’u özellikle hassas kullanımlarda duyarlı ve pratik çalışma sağlar.

Sıcaklık Etkisi

Diyot karakteristiği ile ilgili bir diğer faktör ise sıcaklıktır. Üretici firmalar diyodun
karakteristik değerlerini genellikle 250C oda sıcaklığı için verirler. Diyot’un çalışma
ortamı ısısı, oda sıcaklığından farklı değerlerde ise diyot öngeriliminde ve sızıntı
akımında bir miktar değişime neden olur.

• Diyot öngerilimi VF; her 10C’lik ısı artışında yaklaşık 2.3mV civarında azalır.
• Diyot sızıntı akımı I0; her 100C’lik ısı artışında yaklaşık iki kat olur.

Diyot’un ısı değişimine karşı gösterdiği duyarlılık oldukça önemlidir. Örneğin bu
duyarlılıktan yararlanılarak pek çok endüstriyel ısı ölçümünde ve kontrolünde sensör olarak diyot kullanılır.

Diyot Testi

Diyot, sayısal veya analog bir multimetre yardımıyla basitçe test edilebilir. Analog bir multimetre ile ölçme işlemi Ω konumunda yapılır. Sağlam bir diyot’un ileri yön direnci minumum, ters yön direnci ise sonsuz bir değerdir. Test işlemi sonucunda diyot’un anotkatod terminalleri de belirlenebilir.

Şekil-1.29’da diyot’un sayısal bir multimetre yardımıyla nasıl test edileceği gösterilmiştir. Test işlemi sayısal multimetrenin “Diyot” konumunda yapılır. Multimetrenin gösterdiği değer diyot üzerindeki öngerilimidir. Bu gerilim; doğru polarmada silisyum diyotlarda 0.7V civarındadır. Germanyum diyotlarda ise 0.3V civarındadır. Ters polarmada her iki diyot tipinde multimetrenin pil gerilimi (1.2V) görülür.

BÖLÜM ÖZETi

 

 

BÖLÜM 1