Diody: złącze pn, rodzaje, budowa i działanie

Co to jest dioda?

Ogólnie rzecz biorąc, wszystkie urządzenia elektroniczne wymagają zasilania prądem stałym, ale nie można wygenerować prądu stałego, więc potrzebujemy alternatywy, aby uzyskać moc prądu stałego, dlatego użycie diod pojawia się na obrazie, aby przekształcić prąd zmienny w prąd stały. Dioda to malutki element elektroniczny stosowany w prawie wszystkich obwodach elektronicznych, umożliwiający przepływ prądu tylko w jednym kierunku ( urządzenie jednokierunkowe ). Można powiedzieć, że zastosowanie materiałów półprzewodnikowych do budowy elementów elektronicznych rozpoczęto od diod. Przed wynalezieniem diody były lampy próżniowe, w których zastosowania obu tych urządzeń są podobne, ale rozmiar zajmowany przez lampę próżniową będzie znacznie większy niż diody. Konstrukcja lamp próżniowych jest nieco skomplikowana i trudno je utrzymać w porównaniu z diodami półprzewodnikowymi. Niewiele zastosowań diod to prostowanie, wzmacnianie, przełączanie elektroniczne, konwersja energii elektrycznej na energię świetlną i energię świetlną na energię elektryczną.

Historia diody:

W 1940 roku w Bell Labs Russell Ohl pracował nad kryształem krzemu, aby poznać jego właściwości. Pewnego dnia przypadkowo, gdy kryształ krzemu, w którym jest pęknięcie, został wystawiony na działanie promieni słonecznych, odkrył przepływ prądu przez kryształ, który później nazwano diodą, co było początkiem ery półprzewodników.

Budowa diody:

Materiały stałe dzieli się ogólnie na trzy typy, a mianowicie przewodniki, izolatory i półprzewodniki. Przewodniki mają maksymalną liczbę wolnych elektronów, izolatory mają minimalną liczbę wolnych elektronów (pomijalną, tak że przepływ prądu w ogóle nie jest możliwy), podczas gdy półprzewodniki mogą być przewodnikami lub izolatorami w zależności od przyłożonego do nich potencjału. Powszechnie stosowane półprzewodniki to krzem i german. Krzem jest preferowany, ponieważ jest powszechnie dostępny na ziemi i zapewnia lepszy zakres termiczny.

Półprzewodniki są dalej klasyfikowane na dwa typy jako półprzewodniki wewnętrzne i zewnętrzne.

Półprzewodniki samoistne:

Nazywa się je również czystymi półprzewodnikami, w których nośniki ładunku (elektrony i dziury) są w równej ilości w temperaturze pokojowej. Zatem przewodzenie prądu odbywa się w równym stopniu przez dziury i elektrony.

Zewnętrzne półprzewodniki:

Aby zwiększyć liczbę dziur lub elektronów w materiale, wybieramy zewnętrzne półprzewodniki, w których do krzemu dodawane są zanieczyszczenia (inne niż krzem i german lub po prostu materiały trójwartościowe lub pięciowartościowe). Ten proces dodawania zanieczyszczeń do czystych półprzewodników nazywa się domieszkowaniem .

Tworzenie półprzewodników typu P i N:

Półprzewodnik typu N:

Jeśli do Si lub Ge zostaną dodane pierwiastki pięciowartościowe (liczba elektronów walencyjnych wynosi pięć), wówczas dostępne są wolne elektrony. Jako ujemnie naładowane elektrony (nośniki) są w ilości te są nazywane jako typu N półprzewodnika . W typie N elektrony półprzewodnikowe są większościowymi nośnikami ładunku, a dziury są nośnikami mniejszościowymi.

Niewiele pierwiastków pięciowartościowych to fosfor, arsen, antymon i bizmut. Ponieważ mają one nadmiar elektronów walencyjnych i są gotowe do parowania z zewnętrzną dodatnio naładowaną cząstką, te pierwiastki nazywane są donorami .

Półprzewodnik typu P.

Podobnie, jeśli trójwartościowe pierwiastki, takie jak bor, glin, ind i gal, zostaną dodane do Si lub Ge, powstaje dziura, ponieważ liczba elektronów walencyjnych w niej wynosi trzy. Ponieważ dziura jest gotowa przyjąć elektron i zostać sparowana, nazywa się ją akceptorami . Ponieważ ilość otworów jest nadmiar nowo uformowanego materiału nazywane są jako P typu półprzewodników . W półprzewodnikach typu P otwory są w większości nośnikami ładunku, a elektrony są nośnikami mniejszościowymi.

Dioda złączowa PN:

Teraz, jeśli połączymy razem dwa typy półprzewodników typu P i typu N, wówczas powstanie nowe urządzenie zwane diodą złączową PN. Ponieważ złącze tworzy się między materiałem typu P i N, nazywa się to złączem PN.

Słowo dioda można wytłumaczyć jako „Di” oznacza dwa, a „oda” jest uzyskiwana z elektrody. Ponieważ nowo utworzony element może mieć dwie końcówki lub elektrody (jeden podłączony do typu P, a drugi do typu N), nazywany jest diodą lub diodą złączową PN lub diodą półprzewodnikową.

Terminal połączony z materiału typu p nazywany jest anodowy i zacisk połączony z materiałem typu N nazywa katodą .

Symbolicznym diody jest następujący.

Strzałka wskazuje przepływ prądu przez nią, gdy dioda jest w trybie polaryzacji do przodu, kreska lub blok na końcu strzałki wskazuje blokadę prądu z przeciwnego kierunku.

Teoria połączenia PN:

Widzieliśmy, jak dioda składa się z półprzewodników P i N, ale musimy wiedzieć, co dzieje się w jej wnętrzu, aby stworzyć unikalną właściwość przepuszczania prądu tylko w jednym kierunku i co dzieje się w dokładnym punkcie styku początkowo na jego złączu.

Formacja węzła:

Początkowo, gdy oba materiały zostaną połączone ze sobą (bez przyłożenia zewnętrznego napięcia), nadmiar elektronów w typie N i nadmiar dziur w typie P przyciągają się do siebie i rekombinują, gdzie powstają nieruchome jony (jon donorowy). i jon akceptorowy) odbywa się tak, jak pokazano na poniższym obrazku. Te nieruchome jony są odporne na przepływ elektronów lub dziur przez nie, które teraz działają jako bariera między dwoma materiałami (tworzenie bariery oznacza, że ​​nieruchome jony dyfundują do obszarów P i N). Powstała bariera nazywana jest regionem zubożenia . Szerokość obszaru zubożenia w tym przypadku zależy od stężenia domieszkowania w materiałach.

Jeśli stężenie domieszkowania jest równe w obu materiałach, to nieruchome jony dyfundują jednakowo do obu materiałów P i N.

A jeśli stężenia dopingu różnią się między sobą?

Cóż, jeśli domieszkowanie różni się, szerokość obszaru zubożenia również się różni. Jego dyfuzja zachodzi bardziej do obszaru słabo domieszkowanego, a mniej do obszaru silnie domieszkowanego .

Zobaczmy teraz zachowanie diody po przyłożeniu odpowiedniego napięcia.

Dioda odchylona do przodu

Istnieje wiele diod, których konstrukcja jest podobna, ale inny jest rodzaj zastosowanego materiału. Na przykład, jeśli weźmiemy pod uwagę diodę elektroluminescencyjną, jest ona wykonana z materiałów z aluminium, galu i arsenku, które podekscytowane uwalniają energię w postaci światła. Podobnie, bierze się pod uwagę zmienność właściwości diody, takich jak pojemność wewnętrzna, napięcie progowe itp., A konkretna dioda jest projektowana na podstawie tych parametrów.

Tutaj wyjaśniliśmy różne typy diod z ich działaniem, symbolem i zastosowaniami:

• Dioda Zenera
• DOPROWADZIŁO
• Dioda laserowa
• Fotodioda
• Dioda Varactor
• Dioda Schottky'ego
• Dioda tunelowa
• Dioda PIN itp.

Przyjrzyjmy się pokrótce zasadzie działania i konstrukcji tych urządzeń.

Dioda Zenera:

Obszary P i N w tej diodzie są silnie domieszkowane, tak że obszar zubożenia jest bardzo wąski. W przeciwieństwie do zwykłej diody, jej napięcie przebicia jest bardzo niskie, gdy napięcie wsteczne jest większe lub równe napięciu przebicia, obszar zubożenia znika i stałe napięcie przechodzi przez diodę, nawet jeśli napięcie wsteczne jest zwiększone. Dlatego dioda służy do regulacji napięcia i utrzymania stałego napięcia wyjściowego, gdy jest odpowiednio spolaryzowana. Oto jeden przykład ograniczenia napięcia za pomocą Zenera.

Awaria diody Zenera nazywa się awarią Zenera . Oznacza to, że gdy do diody Zenera przyłożone jest napięcie wsteczne, na złączu powstaje silne pole elektryczne, które wystarcza do zerwania wiązań kowalencyjnych w złączu i powoduje duży przepływ prądu. Awaria Zenera jest spowodowana bardzo niskim napięciem w porównaniu do awarii lawinowej.

Istnieje inny rodzaj awarii nazywany załamaniem lawinowym, zwykle obserwowanym w normalnej diodzie, która wymaga dużej ilości napięcia wstecznego do przerwania złącza. Jego zasada działania polega na tym, że gdy dioda jest spolaryzowana odwrotnie, przez diodę przechodzą małe prądy upływowe, a gdy napięcie wsteczne jest dalej zwiększane, wzrasta również prąd upływu, który jest wystarczająco szybki, aby zerwać kilka wiązań kowalencyjnych w złączu te nowe nośniki ładunku ulegają dalszemu rozpadowi pozostałe wiązania kowalencyjne powodujące ogromne prądy upływowe, które mogą na zawsze uszkodzić diodę.

Dioda elektroluminescencyjna (LED):

Jego konstrukcja jest podobna do prostej diody, ale różne kombinacje półprzewodników służą do generowania różnych kolorów. To działa w trybie spolaryzowane w kierunku przewodzenia. Kiedy następuje rekombinacja dziury elektronowej, powstaje foton, który emituje światło, jeśli napięcie przewodzenia jest dalej zwiększane, więcej fotonów zostanie uwolnionych, a natężenie światła również wzrośnie, ale napięcie nie powinno przekroczyć wartości progowej, w przeciwnym razie dioda LED ulegnie uszkodzeniu.

Aby wygenerować różne kolory, stosuje się kombinacje AlGaAs (arsenek glinu i galu) - czerwony i podczerwony, GaP (fosforek galu) - żółty i zielony, InGaN (azotek indu galu) - niebieskie i ultrafioletowe diody LED itp. Sprawdź prosty obwód LED tutaj.

W przypadku diody podczerwieni widzimy jej światło przez kamerę.

Dioda laserowa:

LASER to skrót od Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Złącze PN jest utworzone przez dwie warstwy domieszkowanego arsenku galu, w których na jednym końcu jest nałożona powłoka silnie odblaskowa, a na drugim - częściowo odblaskowa powłoka. Kiedy dioda jest spolaryzowana do przodu, podobnie jak dioda LED, uwalnia fotony, które uderzają w inne atomy w taki sposób, że fotony zostaną nadmiernie uwolnione, gdy foton uderzy w powłokę odblaskową i ponownie uderzy w złącze, wyzwala więcej fotonów, proces ten się powtarza i wiązka o wysokiej intensywności światła jest uwalniane tylko w jednym kierunku. Dioda laserowa wymaga obwodu sterownika do prawidłowego działania.

Symboliczna reprezentacja diody LASER jest podobna do diody LED.

Dioda fotograficzna:

W fotodiodzie przepływający przez nią prąd zależy od energii światła przyłożonej do złącza PN. Działa w odwrotnym nastawieniu. Jak omówiono wcześniej, mały prąd upływu przepływa przez diodę, gdy jest spolaryzowany wstecz, co jest tutaj określane jako prąd ciemny . Ponieważ prąd jest spowodowany brakiem światła (ciemności), nazywa się to. Dioda ta jest skonstruowana w taki sposób, że gdy światło pada na złącze, wystarczy przerwać parę dziur elektronowych i wygenerować elektrony, które zwiększają zwrotny prąd upływu. Tutaj możesz sprawdzić fotodiodę współpracującą z diodą IR.

Dioda Varactor:

Jest również nazywany diodą Varicap (zmienny kondensator). To działa w trybie odwrotnym tendencyjne. Ogólna definicja separacji kondensatora płyty przewodzącej z izolatorem lub dielektrykiem, kiedy normalna dioda jest spolaryzowana odwrotnie, szerokość obszaru zubożenia wzrasta, ponieważ obszar zubożenia reprezentuje izolator lub dielektryk, który może teraz działać jako kondensator. Zmiana napięcia wstecznego powoduje zmianę separacji obszarów P i N, co prowadzi do pracy diody jako zmiennego kondensatora.

Ponieważ pojemność rośnie wraz ze spadkiem odległości między płytami, duże napięcie wsteczne oznacza małą pojemność i odwrotnie.

Dioda Schottky'ego:

Półprzewodnik typu N jest połączony z metalem (złotem, srebrem) w taki sposób, że w diodzie występują elektrony o wysokim poziomie energii. Są one określane jako gorące nośniki, więc ta dioda jest również nazywana diodą gorącego nośnika . Nie ma nośników mniejszościowych i nie ma obszaru zubożenia, a raczej istnieje metalowe złącze półprzewodnikowe, gdy ta dioda jest spolaryzowana do przodu, działa jako przewodnik, ale ładunek ma wysokie poziomy energii, które są pomocne w szybkim przełączaniu, szczególnie w obwodach cyfrowych, są one również stosowany w zastosowaniach mikrofalowych. Sprawdź tutaj działanie diody Schottky'ego.

Dioda tunelowa:

Obszary P i N w tej diodzie są silnie domieszkowane, więc istnienie zubożenia jest bardzo wąskie. Wykazuje ujemny obszar rezystancji, który może być używany jako oscylator i wzmacniacze mikrofalowe. Kiedy ta dioda jest najpierw spolaryzowana do przodu, ponieważ obszar zubożenia jest wąski w tunelu elektronów przez nią, prąd gwałtownie rośnie przy niewielkiej zmianie napięcia. Gdy napięcie jest dalej zwiększane, z powodu nadmiaru elektronów na złączu, szerokość obszaru zubożenia zaczyna rosnąć, powodując blokowanie prądu przewodzenia (gdzie tworzy się ujemny obszar oporu), gdy napięcie przewodzenia jest dalej zwiększane, działa jak normalna dioda.

Dioda PIN:

W tej diodzie regiony P i N są oddzielone wewnętrznym półprzewodnikiem. Gdy dioda jest spolaryzowana odwrotnie, działa jak kondensator o stałej wartości. W stanie odchylenia do przodu działa jako zmienny opór, który jest kontrolowany przez prąd. Jest używany w aplikacjach mikrofalowych, które mają być sterowane napięciem stałym.

Jego symboliczna reprezentacja jest podobna do normalnej diody PN.

Zastosowania diod:

• Zasilacz regulowany: Praktycznie niemożliwe jest wytworzenie napięcia stałego, jedynym dostępnym źródłem jest napięcie przemienne. Ponieważ diody są urządzeniami jednokierunkowymi, można je wykorzystać do zamiany napięcia przemiennego na pulsujący prąd stały, a dzięki dodatkowym sekcjom filtrującym (za pomocą kondensatorów i cewek) można uzyskać przybliżone napięcie stałe.

• Obwody tunera: W systemach komunikacyjnych na końcu odbiornika, ponieważ antena odbiera wszystkie częstotliwości radiowe dostępne w przestrzeni, istnieje potrzeba wyboru żądanej częstotliwości. Stosowane są więc obwody tunera, które są niczym innym jak obwodem ze zmiennymi kondensatorami i cewkami. W takim przypadku można zastosować diodę varactor.

• Telewizory, sygnalizacja świetlna, tablice informacyjne: Do wyświetlania obrazu na telewizorach lub na tablicach informacyjnych stosuje się diody LED. Ponieważ diody LED zużywają bardzo mniej energii, są szeroko stosowane w systemach oświetleniowych, takich jak żarówki LED.

• Regulatory napięcia: Ponieważ dioda Zenera ma bardzo niskie napięcie przebicia, może być używana jako regulator napięcia, gdy jest spolaryzowana odwrotnie.

• Detektory w systemach komunikacyjnych: Dobrze znanym detektorem wykorzystującym diodę jest detektor obwiedni, który jest używany do wykrywania szczytów sygnału modulowanego.