De halfgeleiderdiode

De halfgeleiderdiode
Diode als gelijkrichter
Opbouw:
Weetjes:
- Als de anode positiever is als de kathode dan heeft de diode een geringe weerstand.
Men zegt dat de diode in geleiding is.
- Als de kathode positiever is dan is de diode gesperd
- Een ons allen gekende bijzondere diode is de LED (Light Emitting Diode)
- Geheugensteuntje: KNAP (Kathode = negatief; Anode = Positief)
Gelijkrichtschakeling:
De diode is zeer geschikt om een wisselspanning om te zetten in een pulserende
gelijksspanning. De schakeling die hiertoe gebruikt wordt, noemt men een gelijkrichter.
Indien de ingangsspanning de anode van de diode positief maakt tov de kathode dan zal er een
stroom If vloeien door de diode.
Diode als ventiel
Diode in de doorlaatzin
Een diode is in de doorlaatzin gepolariseerd als door de uitwendige bron de anode positief is
tov de kathode. Met noemt Uf een voorwaartse spanning. In dit geval worden dus de
elektronen in het N-Si en de gaten in het P-Si naar de sperlaag toe gedreven. Hier
ecombineren elektronen met gaten. Omdat de sperlaag praktisch wordt opgeheven, steken
veel ladingen de grenslaag over en er vloeit een stroom die zeer afhankelijk is van de
aangelegde spanning Uf.
Diode in de sperzin
De diode wordt gesperd als de anode negatief is tov de kathode. Door de uitwendige
sperspanningen worden vrije ladingen uit de PN-overgang weggetrokken. Door de
temperatuur ontstaan in de grenslaag enkele vrije ladingen zodat er een geringe sperstroom
loopt tegengesteld aan If. Men zegt dat de sperzin gepolarizeerd is.
IU-Karakteristiek van een diode
Doorlaatkarakteristiek van een diode
Bladeren pag20
Sperkarakteristiek van een diode
Bladeren pag21
Diode als halve-golfgelijkrichter
Bij de diode die in de ene richting blokkeert en in de andere richting geleidt, moeten we
rekening houden met polariteit.
Men noemt deze uit golftoppen bestaande spanning een enkelfasig gelijkgerichte spanning.
De laserdiode (p1-11)
Inleiding
Laser is de afkorting van Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, of in
het Nederlands: lichtversterking door gestimuleerde stralingemissie.
Men maakt een onderscheid tussen:


Gaslases
Vloeistoflasers

Vaste-stoflasers
Tot deze laatste behoren de laserdioden op halfgeleiderbasis. Halfgeleider lasers wekken
stralen op met een golflengte tussen 890 en 8000nm en gebruiken dezelfde materialen als
LED’s.
Laserprincipe
Elk atoom bestaat uit een positief geladen atoomkern waarrond negatief geladen elektronen
zweven. De elektronen kunnen enkel in bepaalde banen zitten. Hoe verder deze baan van de
kern ligt, hoe meer energie een elektron heeft.
Voeg je van buitenaf energie toe aan een elektron, dan stijgt de energiewaarde van het
elektron en moet het noodgedwongen van baan veranderen. Later is het elektron in staat naar
zijn oude baan terug te keren en de energie terug af te geven in de vorm van warmte of licht.
Dit gebeurt volledig willekeurig en we spreken van spontane emissie.
Bij de laser probeert men het toeval uit te schakelen. Dit werkt bij stoffen met atomen die
tijdelijke stabiele banen hebben. De elektronen verlaten deze banen niet zomaar, maar alleen
als ze met licht van een bepaalde golflengte gestimuleerd worden. Ze keren dan terug naar
hun oorspronkelijke baan en geven zelf licht af.
Raakt dit licht een ander elektron, dan geeft dit een extra hoeveelheid licht en ontstaat er een
kettingreactie.
Kettingreactie met licht
Om dit principe goed te laten werken monteert men een flitsbuis (robijnstaaf) rond het
lasermateriaal. Het licht van de buis tilt de elektronen van de chroomatomen in de robijnstaaf
naar een baan met een hoger energieniveau. Dit wordt optisch pompen genoemd. De
kettingreactie begint vanzelf en de elektronen geven bij het terugkeren naar hun
oorspronkelijke baan licht af.
Dit opgewekte licht doet op zijn beurt nieuwe elektronen naar een hoger energieniveau
springen, waardoor deze ook weer energie gaan afgeven, en zo start de cyclus.
Om de steeds sterker wordende lichtstraal zo lang mogelijk in het materiaal te houden zijn de
twee uiteinden van de staaf precies evenwijdig en als spiegels uitgevoerd. De straal kaatst
heen en weer, maar alleen als hij precies in de lengterichting van de staaf gaat. Stralen die
schuin gaan verlaten de robijn. De overblijvende stralen zijn de bekende, bijzonder dunne
lichtstralen.
In plaats van een robijnstaaf kan er dus ook een vloeistof of gas gebruikt worden.
Laserlicht
Alle lichtgolven hebben dezelfde golflengte overeenkomstig met het energieverschil tussen
de oorspronkelijke baan en de baan waarop het deeltje na emissie terugvalt. Daarbovenop
heeft gestimuleerde emissie ook tot gevolg dat de lichtgolven in fase zijn.
Deze eigenschappen hebben tot gevolg dat de lichtbreking door een lens of door weerkaatsing
met een spiegel identiek is voor alle stralen uit de bundelde.
Omdat de stralen heel veel heen en weer gaan tussen de twee uiteinden van de flitsbuis (of
resonator) bekomt men een zeer kleine divergentie: de lichtbundels ui de lichtbundel lopen
nagenoeg niet uit elkaar. Hierdoor kan men het licht heel goed focussen.
Laserdiode
De laserdiode vormt het hart van iedere CD-speler, laserprinter of glasvezelkabel.
Laserdioden gedragen zich elektrisch als LED’s. Ook bij deze diode ontstaat het licht in de
PN-overgang wanneer daar een stroom doorvloeit.
Om de laserwerking te bekomen zijn de zijvlakken van het staafje halfgeleidermateriaal (de
robijnstaaf) voorzien van spiegelende oppervlakken. Aan één zijde is deze spiegel half
doorlaatbaar, zodat het licht hier naar buiten wordt gevoerd.
De spiegeltjes dienen ervoor om te zorgen dat de elektronen die terugvallen naar hun
oorspronkelijke baan teruggekaatst worden naar de PN-overgang, waardoor de de
gestimuleerde emissie ontstaat.
De PN-overgang is het lasermedium. Als bij stroomdoorgang gaten en elektronen gaan
combineren ontstaat er een spontane en gestimuleerde emissie. Afhankelijk van de
stuurstroom kan je de laserdiode continu en in impulsen laten werken.
Het rendement van de laser is zeer hoog: minstens 50%.
De diode heeft drie aansluitingen in plaats van twee. Naast de laserdiode zit er ook nog een
fotodiode in de behuizing van de laser.
Specifiek toepassingsgebied



Cd-rom-spelers
Precisiesolderen en lassen
Verbinding tussen computersystemen in een omgeving waarbij twee elektrische circuits
gescheiden moeten worden uit veiligheid. De laserdiode is dan de lichtzender en de
fotodiode de ontvanger (neemt licht op).
De laserprinter
Een lichtgevoelige, elektrisch geladen trommel wordt met de laser beschreven. Deze trommel
draagt het beeld met de toner over op het papier. Voordat de laser kan beginnen schrijven
moet de afbeelding eerst verwerkt worden door de ingebouwde elektronica. Ook moet de
trommel eerst positief geladen zijn. Dit doet men via de corona, een geleidende draad die zich
onder de trommel bevindt.
1. De trommel draait rond. Hij komt eerst voorbij de corona en wordt positief geladen.
2. Vervolgens belicht de laser de trommel. Waar de laser schrijft wordt de trommel ontladen. Er
ontstaat een afbeelding in elektrisch lading op de trommel.
3. De trommel draait verder langs de toner, die ook positief geladen werd. Hierdoor zal de
toner alleen hechten op plaatsen die ontladen zijn op de trommel. De toner staat nu als
afbeelding op de trommel en moet nu worden overgezet op het papier.
4. Het papier is negatief geladen en beweegt langs de drum. De toner bevindt zich nu op het
papier.
5. Het papier moet nog gefixeerd worden en gaat hiervoor langs een rol van 200 °C. Hierna rolt
het uit de printer.
6. Een lichtbron ontlaadt de trommel volledig.
Lichtgeleiders
Is ontworpen om licht te geleiden door een kabel, door middel van interne reflectie. De
lichtgeleiders zijn samengesteld uit een bundel uiterst dunne glas- of kunststofvezels die door
hun structuur en oppervlaktebehandeling nagenoeg totale interne reflectie geven voor licht.
Met lichtgeleiders kan men licht overbrengen volgens een niet-rechtlijnige baan, tussen
punten die ver van elkaar verwijderd zijn.
Kenmerken van lichtgeleiders







Worden gebruikt in een uitgebreid kleurgebied
Lichtinvalshoek mag tot 66° bedragen
Afgegeven licht vermindert met de lengte van de lichtgeleider
Zeer licht en klein
Ongevoelig voor elektromagnetische stoorvelden
Hoge snelheden
Diameter van de kern en de gebruikte materialen spelen een voorname rol in de
eigenschappen.
Uitleg bij de laserdiode



Golflengte: Afstand waarover een golfbeweging zich in één periode voortplant. Een lage
frequentie gaat gepaard met een hoge golflengte en andersom.
Halfgeleiderlaser: Laser waarbij de stralingsemissie wordt opgewekt in
halfgeleidermaterialen.
Emissie: Uitstraling van elementaire deeltjes en energie.



Straling: Afhankelijk van frequentie en golflengte onderscheidt men radiostraling,
microstraling, infrarode straling, zichtbaar licht, ultraviolet, röntgenstraling, en
gammastraling.
Endoscopie: Techniek van het chirurgisch onderzoek, waarbij de binnenkant van een hol
orgaan bekeken wordt met een speciale “kijkbuis”. Deze kijkbuizen zijn gemaakt van
glasvezel.
CD-aftasting: Bij CD-opname wordt het digitale signaal in de vorm van een spiraalvorming
putjesspoor in de compact disc geperst. Bij het lezen wordt dit spoor door een laser afgetast.