Diódy: križovatka pn, typy, konštrukcia a práca

Čo je to dióda?

Všeobecne všetky elektronické zariadenia potrebujú napájanie jednosmerným prúdom, ale nie je možné generovať jednosmerný prúd, preto potrebujeme alternatívu na získanie určitého jednosmerného prúdu, takže do obrazu vstupuje použitie diód na premenu striedavého prúdu na jednosmerné. Dióda je malý elektronický komponent používaný takmer vo všetkých elektronických obvodoch na umožnenie toku prúdu iba v jednom smere ( jednosmerné zariadenie). ). Dá sa povedať, že použitie polovodičových materiálov na výrobu elektronických súčiastok sa začalo diódami. Pred vynálezom diódy existovali elektrónky, kde sú aplikácie oboch týchto prístrojov podobné, ale veľkosť zaberaná elektrónkou bude oveľa väčšia ako diódy. Konštrukcia vákuových trubíc je trochu zložitá a je ťažké ich udržiavať v porovnaní s polovodičovými diódami. Niekoľko aplikácií diód je usmernenie, zosilnenie, elektronický spínač, premena elektrickej energie na svetelnú a svetelnej energie na elektrickú.

História diódy:

V roku 1940 v laboratóriách Bell Labs pracoval Russell Ohl na zistení jeho vlastností s kremíkovým kryštálom. Jedného dňa, keď bol kremíkový kryštál, ktorý má v sebe trhlinu, vystavený slnečnému žiareniu, zistil tok prúdu cez tento kryštál, ktorý sa neskôr nazýval dióda, čo bol začiatok éry polovodičov.

Konštrukcia diódy:

Pevné materiály sa všeobecne delia na tri typy, a to vodiče, izolátory a polovodiče. Vodiče majú maximálny počet voľných elektrónov. Izolátory majú minimálny počet voľných elektrónov (zanedbateľný, takže tok prúdu nie je vôbec možný), zatiaľ čo polovodiče môžu byť buď vodiče alebo izolátory, a to v závislosti od potenciálu, ktorý sa na ne uplatňuje. Polovodiče, ktoré sa bežne používajú, sú kremík a germánium. Kremík je preferovaný, pretože je hojne dostupný na zemi a poskytuje lepší tepelný rozsah.

Polovodiče sa ďalej delia na dva typy ako polovodiče s vnútornou a vonkajšou platnosťou.

Vnútorné polovodiče:

Nazývajú sa tiež ako čisté polovodiče, kde nosiče náboja (elektróny a otvory) sú pri izbovej teplote v rovnakom množstve. Vedenie prúdu teda prebieha obidvomi dierami a elektrónmi rovnako.

Vonkajšie polovodiče:

Aby sme zvýšili počet otvorov alebo elektrónov v materiáli, ideme na vonkajšie polovodiče, kde sa do kremíka pridávajú nečistoty (iné ako kremík a germánium alebo jednoducho trojmocné alebo päťmocné materiály). Tento proces pridávania nečistôt k čistým polovodičom sa nazýva doping.

Tvorba polovodičov typu P a N:

Polovodič typu N:

Ak sa k Si alebo Ge pridajú päťmocné prvky (počet valenčných elektrónov je päť), potom sú k dispozícii voľné elektróny. Pretože elektróny (záporne nabité), nosiče sú v rade tieto sa nazývajú ako N-polovodič typu . V type N sú polovodičové elektróny väčšinou nositeľmi náboja a otvory sú menšinovými nosičmi náboja.

Niekoľko päťmocných prvkov je fosfor, arzén, antimón a bizmut. Pretože tieto majú nadbytočný zádržný elektrón a sú pripravené na párovanie s externou kladne nabitou časticou, tieto prvky sa nazývajú darcovia .

Polovodič typu P.

Podobne, ak sa k Si alebo Ge pridajú trojmocné prvky ako bór, hliník, indium a gálium, vytvorí sa diera, pretože počet valenčných elektrónov v nej je tri. Pretože je diera pripravená prijať elektrón a spárovať sa, nazýva sa to Akceptory . Vzhľadom k tomu, počet otvorov je prebytok v novovytvorenej materiálu sú tieto nazývaný ako P-polovodiče typu . V polovodičových otvoroch typu P sú väčšinové nosiče náboja a elektróny sú menšinové nosiče náboja.

Dióda PN Junction:

Teraz, keď spojíme dva typy polovodičov typu P a N, vznikne nové zariadenie nazývané PN prechodová dióda. Pretože sa vytvorí spojenie medzi materiálom typu P a N, nazýva sa to PN spojenie.

Slovo dióda sa dá vysvetliť tak, že „Di“ znamená dva a „óda“ sa získava z elektródy. Pretože novo vytvorený komponent môže mať dve svorky alebo elektródy (jedna pripojená k typu P a druhá k typu N), nazýva sa ako dióda alebo prechodová dióda PN alebo polovodičová dióda.

Terminál pripojený k materiálu typu P sa nazýva anóda a terminál pripojený k materiálu typu N sa nazýva katóda .

Symbolické znázornenie diódy je nasledujúci.

Šípka označuje tok prúdu cez ňu, keď je dióda v režime predpätia, pomlčka alebo blok na konci šípky indikujú blokovanie prúdu z opačného smeru.

Teória spojenia PN:

Videli sme, ako sa dióda vyrába s polovodičmi P a N, ale potrebujeme vedieť, čo sa v jej vnútri deje, aby sme vytvorili jedinečnú vlastnosť umožňujúcu prúd iba v jednom smere a čo sa deje v presnom bode dotyku spočiatku v jeho spoji.

Križovatka:

Spočiatku, keď sú obidva materiály spojené dohromady (bez použitia externého napätia), prebytočné elektróny v type N a prebytočné otvory v type P sa navzájom priťahujú a rekombinujú tam, kde vznikajú imobilné ióny (donorový ión). a akceptorový ión), ako je znázornené na nasledujúcom obrázku. Tieto nepohyblivé ióny odolávajú toku elektrónov alebo otvorov, ktoré nimi prechádzajú, a ktoré teraz pôsobia ako bariéra medzi týmito dvoma materiálmi (tvorba bariéry znamená, že nepohyblivé ióny difundujú do oblastí P a N). Bariéra, ktorá sa teraz vytvára, sa nazýva oblasť vyčerpania . Šírka oblasti vyčerpania v tomto prípade závisí od dopingovej koncentrácie v materiáloch.

Ak je dopingová koncentrácia v obidvoch materiáloch rovnaká, potom nehybné ióny difundujú do P aj N materiálov rovnako.

Čo ak sa dopingová koncentrácia navzájom líši?

No, ak sa doping líši, líši sa aj šírka oblasti vyčerpania. Jeho difúzia je viac do oblasti ľahko dotovanej a menej do oblasti silne dotovanej .

Teraz sa pozrime na správanie diódy, keď je pripojené správne napätie.

Dióda v predošlom predpätí

Existuje veľa diód, ktorých konštrukcia je podobná, ale typ použitého materiálu sa líši. Napríklad, ak vezmeme do úvahy diódu vyžarujúcu svetlo, je vyrobená z hliníka, gália a arzenidu, ktoré pri excitácii uvoľňujú energiu vo forme svetla. Podobne sa berú do úvahy zmeny vlastností diódy, ako je vnútorná kapacita, prahové napätie atď., A na základe nich je navrhnutá konkrétna dióda.

Tu sme vysvetlili rôzne typy diód s ich funkciou, symbolom a uplatnením:

• Zenerova dióda
• LED
• LASEROVÁ dióda
• Fotodióda
• Varaktorová dióda
• Schottkyho dióda
• Tunelová dióda
• PIN dióda atď.

Pozrime sa stručne na princíp práce a konštrukciu týchto zariadení.

Zenerova dióda:

Oblasti P a N v tejto dióde sú silne dotované, takže oblasť vyčerpania je veľmi úzka. Na rozdiel od normálnej diódy je jej prierazné napätie veľmi nízke, keď je reverzné napätie väčšie alebo rovnaké ako priraďovacie napätie, oblasť vyčerpania sa stratí a dióda prechádza konštantným napätím, aj keď je reverzné napätie zvýšené. Preto sa dióda používa na reguláciu napätia a na udržanie konštantného výstupného napätia pri správnom predpätí. Tu je jeden príklad obmedzenia napätia pomocou Zenera.

Porucha v Zenerovej dióde sa nazýva zenerova porucha . To znamená, že keď je na zenerovu diódu privádzané reverzné napätie, v križovatke sa vytvorí silné elektrické pole, ktoré stačí na prerušenie kovalentných väzieb v križovatke a spôsobuje veľké prúdenie. Zenerov rozpad je spôsobený pri veľmi nízkom napätí v porovnaní s rozpadom lavíny.

Existuje iný typ poruchy, ktorý sa nazýva lavínový rozpad, ktorý sa obvykle vyskytuje v normálnej dióde a ktorý vyžaduje veľké množstvo spätného napätia na prerušenie spojenia. Jeho princíp práce je, keď je dióda reverzne predpätá, malé zvodové prúdy prechádzajú diódou, keď sa reverzné napätie ešte zvyšuje, zvyšuje sa tiež zvodový prúd, ktorý je dostatočne rýchly na to, aby zlomil niekoľko kovalentných väzieb v križovatke, tieto nové nosiče náboja sa ďalej rozpadajú zvyšné kovalentné väzby spôsobujú obrovské zvodové prúdy, ktoré môžu diódu navždy poškodiť.

Svetelná dióda (LED):

Jeho konštrukcia je podobná jednoduchej dióde, ale na generovanie rôznych farieb sa používajú rôzne kombinácie polovodičov. To pracuje v vpred neobjektívny režime. Keď dôjde k rekombinácii elektrónových dier, uvoľní sa výsledný fotón, ktorý vyžaruje svetlo. Ak sa ďalej zvýši dopredné napätie, uvoľní sa viac fotónov a tiež sa zvýši intenzita svetla, ale napätie by nemalo prekročiť svoju prahovú hodnotu, inak dôjde k poškodeniu LED.

Na generovanie rôznych farieb sa používajú kombinácie AlGaAs (Aluminium Gallium Arsenide) - červená a infračervená, GaP (Gallium Phosphide) - žltá a zelená, InGaN (Indium Gallium Nitride) - modrá a ultrafialová LED atď. Skontrolujte jednoduchý obvod LED tu.

Pre IR LED môžeme vidieť jej svetlo cez kameru.

LASEROVÁ dióda:

LASER znamená zosilnenie svetla stimulovanou emisiou žiarenia. Spojenie PN je tvorené dvoma vrstvami dotovaného gálium arsenidu, kde je na jeden koniec spojenia nanesený vysoko reflexný povlak a na druhom konci čiastočný reflexný povlak. Keď je dióda predopätá podobne ako LED, uvoľňuje fotóny, tieto zasiahnu ďalšie atómy, takže sa fotóny uvoľnia nadmerne, keď fotón zasiahne reflexný povlak a znova udrie späť spoj viac uvoľnení fotónov, tento proces sa opakuje a lúč vysokej intenzity svetla sa uvoľňuje iba jedným smerom. Laserová dióda vyžaduje správne fungovanie obvodu budiča.

Symbolické znázornenie LASEROVEJ diódy je podobné ako pri LED.

Foto dióda:

Vo fotodióde závisí jej prúd od svetelnej energie použitej na križovatke PN. Pracuje sa v obrátenom predpätí. Ako už bolo spomenuté, malý zvodový prúd preteká diódou pri spätnom predpätí, ktorá sa tu nazýva tmavý prúd . Pretože prúd je dôsledkom nedostatku svetla (tmy), hovorí sa mu tzv. Táto dióda je skonštruovaná takým spôsobom, že pri dopade svetla na spojenie stačí rozbiť páry elektrónových otvorov a generovať elektróny, ktoré zvyšujú spätný únikový prúd. Tu môžete skontrolovať fotodiódu pracujúcu s IR LED.

Varaktorová dióda:

Nazýva sa tiež dióda Varicap (variabilný kondenzátor). To pracuje v závernom smere režime. Všeobecná definícia oddelenia kondenzátora vodivej dosky s izolátorom alebo dielektrikom, keď je normálna dióda spätne predpätá, sa šírka oblasti vyčerpania zväčšuje, pretože oblasť vyčerpania predstavuje izolátor alebo dielektrikum, ktoré teraz môže pôsobiť ako kondenzátor. S variáciou spätného napätia spôsobuje, že sa mení oddelenie oblastí P a N, čo vedie k tomu, že dióda pracuje ako variabilný kondenzátor.

Pretože kapacita rastie s poklesom vzdialenosti medzi doskami, veľké reverzné napätie znamená nízku kapacitu a naopak.

Schottkyho dióda:

Polovodič typu N je spojený s kovom (zlato, striebro) tak, že v dióde existujú elektróny s vysokou úrovňou energie, ktoré sa nazývajú horúce nosiče, takže sa táto dióda nazýva aj horúca nosná dióda . Nemá menšinové nosiče a neexistuje žiadna oblasť vyčerpania, skôr existuje kovové polovodičové spojenie, keď je táto dióda predklonená, pôsobí ako vodič, ale náboj má vysokú hladinu energie, ktorá pomáha pri rýchlom prepínaní, najmä v digitálnych obvodoch. používané v mikrovlnných aplikáciách. Skontrolujte Schottkyho diódu v akcii tu.

Tunelová dióda:

Oblasti P a N v tejto dióde sú silne dotované, takže existencia vyčerpania je veľmi úzka. Vykazuje negatívnu oblasť odporu, ktorú je možné použiť ako oscilátor a mikrovlnné zosilňovače. Keď je táto dióda najprv skreslená dopredu, pretože oblasť vyčerpania úzkym tunelom elektrónov prechádza, prúd rýchlo rastie s malou zmenou napätia. Keď sa napätie ďalej zvyšuje, v dôsledku prebytku elektrónov na križovatke sa šírka oblasti vyčerpania začína zväčšovať, čo spôsobí zablokovanie dopredného prúdu (kde sa vytvorí oblasť negatívneho odporu), keď sa dopredné napätie ďalej zvyšuje, funguje ako normálna dióda.

PIN dióda:

V tejto dióde sú oblasti P a N oddelené vnútorným polovodičom. Keď je dióda spätne predpätá, funguje ako kondenzátor s konštantnou hodnotou. V stave predpätia pôsobí ako premenlivý odpor, ktorý je riadený prúdom. Používa sa v mikrovlnných aplikáciách, ktoré sa majú riadiť jednosmerným napätím.

Jeho symbolické znázornenie je podobné ako pri normálnej PN dióde.

Aplikácie diód:

• Regulované napájanie: Prakticky nie je možné generovať jednosmerné napätie, jediným dostupným zdrojom je striedavé napätie. Pretože sú diódy jednosmerné, je možné ich použiť na prevod striedavého napätia na pulzujúce jednosmerné napätie a s ďalšími filtračnými sekciami (pomocou kondenzátorov a tlmiviek) možno získať približné jednosmerné napätie.

• Tunerové obvody: V komunikačných systémoch na konci prijímača, pretože anténa prijíma všetky rádiové frekvencie dostupné vo vesmíre, je potrebné zvoliť požadovanú frekvenciu. Používajú sa teda tunerové obvody, ktoré nie sú ničím iným ako obvodom s variabilnými kondenzátormi a tlmivkami. V takom prípade je možné použiť varaktorovú diódu.

• Televízory, semafory, zobrazovacie panely: Na zobrazenie obrazu v televízoroch alebo na zobrazovacích doskách sa používajú LED diódy. Pretože LED spotrebováva veľmi málo energie, vo veľkej miere sa používa v osvetľovacích systémoch, ako sú žiarovky LED.

• Regulátory napätia: Pretože Zenerova dióda má veľmi nízke prierazné napätie, je možné ju použiť ako regulátor napätia pri spätnom predpätí.

• Detektory v komunikačných systémoch: Známym detektorom, ktorý používa diódu, je detektor obálky, ktorý sa používa na detekciu špičiek modulovaného signálu.