Diode: pn spoj, vrste, konstrukcija i rad

Što je dioda?

Općenito, svi elektronički uređaji trebaju istosmjerno napajanje, ali nemoguće je generirati istosmjernu energiju, tako da trebamo alternativu za dobivanje istosmjerne energije, tako da upotreba dioda dolazi u sliku za pretvaranje izmjeničnog napajanja u istosmjernu. Dioda je sićušna elektronička komponenta koja se koristi u gotovo svim elektroničkim krugovima kako bi omogućila protok struje u samo jednom smjeru ( jednosmjerni uređaj ). Možemo reći da je upotreba poluvodičkih materijala za izgradnju elektroničkih komponenata započeta s diodama. Prije izuma diode postojale su vakuumske cijevi, gdje su primjene oba ova uređaja slične, ali veličina koju zauzima vakuumska cijev bit će mnogo veća od dioda. Konstrukcija vakuumskih cijevi je malo složena i teško ih je održavati u usporedbi s poluvodičkim diodama. Malo je primjena dioda ispravljanje, pojačavanje, elektronički prekidač, pretvorba električne energije u svjetlost i svjetlosti u električnu energiju.

Povijest diode:

1940. godine u Bell Labs, Russell Ohl radio je sa silicijevim kristalom kako bi otkrio njegova svojstva. Jednog dana slučajno kada je silicijev kristal u kojem postoji pukotina bio izložen sunčevoj svjetlosti, pronašao je protok struje kroz kristal i to je kasnije nazvano diodom, što je bio početak poluvodičke ere.

Izgradnja diode:

Čvrsti materijali obično se klasificiraju u tri vrste, naime vodiče, izolatore i poluvodiče. Provodnici imaju maksimalan broj slobodnih elektrona, izolatori imaju minimalan broj slobodnih elektrona (zanemariv takav da protok struje uopće nije moguć), dok poluvodiči mogu biti vodiči ili izolatori, ovisno o potencijalu koji se na njega primjenjuje. Općenito su poluvodiči Silicij i Germanij. Poželjan je silicij jer ga ima u izobilju na zemlji i daje bolji toplinski opseg.

Poluvodiči su dalje klasificirani u dvije vrste kao vlastiti i vanjski poluvodiči.

Unutarnji poluvodiči:

Oni se nazivaju i čistim poluvodičima gdje su nosači naboja (elektroni i rupe) u jednakoj količini na sobnoj temperaturi. Dakle, provođenje struje odvijaju se jednako i rupama i elektronima.

Vanjski poluvodiči:

Kako bi se povećao broj rupa ili elektrona u materijalu, idemo na vanjske poluvodiče gdje se siliciju dodaju nečistoće (osim silicija i germanija ili jednostavno trovalentni ili petovalentni materijali). Ovaj postupak dodavanja nečistoća u čiste poluvodiče naziva se dopingom.

Stvaranje poluvodiča tipa P i N:

Poluprovodnik N-tipa:

Ako se Si ili Ge dodaju petovalentni elementi (broj valentnih elektrona je pet), tada postoje slobodni elektroni. Kako je elektrona (negativno nabijenih nosača) sve više, oni se nazivaju poluvodiči N-tipa . U N-tipu, poluvodički elektroni su većinski nositelji naboja, a rupe su manjinski nosači naboja.

Malo je petovalentnih elemenata fosfor, arsen, antimon i bizmut. Budući da ovi imaju višak valacijskog elektrona i spremni su za uparivanje s vanjskom pozitivno nabijenom česticom, ti se elementi nazivaju donorima .

Poluvodič tipa P

Slično tome, ako se Si ili Ge dodaju trovalentni elementi poput bora, aluminija, indija i galija, stvara se rupa jer je broj valentnih elektrona u njima tri. Budući da je rupa spremna prihvatiti elektron i upariti se, naziva se akceptorima . Kako je broj rupa su višak u novoosnovani materijala te su pozvani kao P-tip poluvodiča . U poluvodičkim rupama tipa P većinski su nosači naboja, a elektroni su manjinski nosači naboja.

PN spojna dioda:

Ako spojimo dvije vrste poluvodiča P-tipa i N-tipa, tada se formira novi uređaj nazvan PN spojna dioda. Budući da spoj nastaje između materijala tipa P i N, naziva se PN spoj.

Riječ dioda može se objasniti kako 'Di' znači dva, a 'oda' se dobiva iz elektrode. Kako novonastala komponenta može imati dva terminala ili elektrode (jedna spojena na P-tip, a druga na N-tip), naziva se dioda ili PN spojna dioda ili poluvodička dioda.

Priključak povezan s materijalom tipa P naziva se Anoda, a priključak s materijalom tipa N naziva se Cathode .

Simbolički prikaz dioda je kako slijedi.

Strelica označava protok struje kroz nju kada je dioda u načinu pristranosti, crtica ili blok na vrhu strelice označava blokadu struje iz suprotnog smjera.

Teorija PN spoja:

Vidjeli smo kako se izrađuje dioda s P i N poluvodičima, ali moramo znati što se događa unutar nje kako bi se stvorilo jedinstveno svojstvo dopuštanja struje u samo jednom smjeru i što se događa na točnoj dodirnoj točki u početku na njezinu spoju.

Formiranje spoja:

U početku, kada se oba materijala spoje (bez ikakvog vanjskog napona) višak elektrona u N-tipu i suvišne rupe u P-tipu privući će jedni druge i rekombinirati se tamo gdje nastaje nepokretni ion (donorski ion i Acceptor ion) odvija se kako je prikazano na donjoj slici. Ti se nepokretni ioni odupiru protoku elektrona ili rupa kroz njih koji sada djeluju kao barijera između dva materijala (stvaranje zapreke znači da se nepokretni ioni difundiraju u P i N područja). Pregrada koja se sada stvara naziva se regija iscrpljenosti . Širina područja osiromašenja u ovom slučaju ovisi o koncentraciji dopinga u materijalima.

Ako je koncentracija dopinga jednaka u oba materijala, tada se nepokretni ioni podjednako difundiraju u P i N materijale.

Što ako se koncentracija dopinga međusobno razlikuje?

Pa, ako se doping razlikuje, širina područja iscrpljenja također se razlikuje. Njegova difuzija je više u slabo dopirano područje, a manje u jako dopirano područje .

Sada da vidimo ponašanje diode kada se primijeni odgovarajući napon.

Dioda u prednjem predrasudu

Postoji niz dioda čija je konstrukcija slična, ali vrsta upotrijebljenog materijala se razlikuje. Na primjer, ako uzmemo u obzir diodu koja emitira svjetlost, ona je izrađena od aluminija, galija i arsenida, koji kada se pobude oslobađaju energiju u obliku svjetlosti. Slično tome, razmatraju se varijacije u svojstvima diode poput unutarnjeg kapaciteta, praga napona itd. I na temelju njih je dizajnirana određena dioda.

Ovdje smo objasnili razne vrste dioda s njihovim radom, simbolom i primjenama:

• Zener dioda
• LED
• LASER dioda
• Fotodioda
• Varaktor dioda
• Schottky dioda
• Tunel dioda
• PIN dioda itd.

Pogledajmo ukratko princip rada i konstrukciju ovih uređaja.

Zener dioda:

P i N regije u ovoj diodi jako su dopirane tako da je područje iscrpljivanja vrlo usko. Za razliku od normalne diode, njezin probojni napon je vrlo nizak, kada je obrnuti napon veći ili jednak naponu proboja, područje iscrpljenja nestaje i konstantan napon prolazi kroz diodu, čak i ako je reverzni napon povećan. Stoga se dioda koristi za regulaciju napona i održavanje konstantnog izlaznog napona kada je pravilno pristrasna. Evo jednog primjera ograničavanja napona pomoću Zenera.

Slom na Zener diodi naziva se zener . Znači kada se na cener diodu primijeni reverzni napon, na spoju se razvije jako električno polje koje je dovoljno za razbijanje kovalentnih veza unutar spoja i uzrokuje veliki protok struje. Zenerov proboj je uzrokovan pri vrlo niskim naponima u usporedbi s probijanjem lavine.

Postoji još jedna vrsta sloma nazvana probijanje lavine koja se općenito vidi u normalnoj diodi koja zahtijeva veliku količinu obrnutog napona da bi prekinula spoj. Njegov princip rada je kada je dioda obrnuto pristrana, male struje propuštanja prolaze kroz diodu, kada se obrnuti napon dodatno poveća, struja propuštanja se također povećava, što je dovoljno brzo da prekine nekoliko kovalentnih veza unutar spoja, ti novi nosači naboja se dalje razgrađuju preostale kovalentne veze uzrokuju ogromne struje curenja koje mogu zauvijek oštetiti diodu.

Dioda koja emitira svjetlost (LED):

Njegova je konstrukcija slična jednostavnoj diodi, ali razne kombinacije poluvodiča koriste se za stvaranje različitih boja. Ona radi u naprijed pristran način. Kada se dogodi rekombinacija elektronske rupe, dolazi do oslobađanja fotona koji emitira svjetlost, ako se daljnji napon dodatno poveća, oslobodit će se više fotona, a intenzitet svjetlosti također se povećava, ali napon ne bi trebao prelaziti svoju graničnu vrijednost, u suprotnom LED bi se oštetio.

Za generiranje različitih boja koriste se kombinacije AlGaAs (aluminijski galijev arsenid) - crvena i infracrvena, GaP (galijev fosfid) - žuta i zelena, InGaN (indijski galijev nitrid) - plave i ultra-ljubičaste LED diode itd. Provjerite jednostavan LED krug ovdje.

Za IR LED svjetlost možemo vidjeti kroz kameru.

LASER dioda:

LASER je skraćenica od Pojačavanje svjetlosti stimuliranom emisijom zračenja. PN spoj čine dva sloja dopiranog galijevog arsenida gdje se na jedan kraj spoja nanosi visoko reflektirajući premaz, a na drugi kraj djelomični reflektirajući premaz. Kada je dioda usmjerena prema naprijed slično LED-u, ona oslobađa fotone, ovi udaraju u druge atome, tako da će se fotoni pretjerano oslobađati, kada foton pogodi reflektirajući sloj i uzvrati udarac natrag, otpusti se više fotona, taj se postupak ponavlja i snop visokog intenziteta svjetlosti se oslobađa samo u jednom smjeru. Laserska dioda treba ispravno raditi upravljački krug.

Simbolički prikaz LASER diode sličan je LED-u.

Foto dioda:

U foto diodi struja kroz nju ovisi o svjetlosnoj energiji primijenjenoj na PN spoj. Radi se obrnuto. Kao što je ranije spomenuto, mala struja curenja teče kroz diodu kada je obrnuto pristrana, što se ovdje naziva tamnom strujom . Kako je struja zbog nedostatka svjetlosti (tame) tako se i naziva. Ova je dioda konstruirana tako da kada svjetlost udari u spoj dovoljno je razbiti parove elektronskih rupa i generirati elektrone što povećava reverznu struju curenja. Ovdje možete provjeriti fotodiodu koja radi s IR LED-om.

Varaktor dioda:

Također se naziva i Varicap (promjenjivi kondenzator) dioda. Ona djeluje u obrnutom pristran način. Opća definicija razdvajanja kondenzatorske vodljive ploče izolatorom ili dielektrikom, kada je normalna dioda obrnuto pristrana, širina područja iscrpljivanja se povećava, budući da područje iscrpljivanja predstavlja izolator ili dielektrik, sada može djelovati kao kondenzator. Varijacija reverznog napona uzrokuje promjenu razdvajanja P i N područja, što dovodi do toga da dioda radi kao promjenjivi kondenzator.

Budući da se kapacitet povećava s smanjenjem udaljenosti između ploča, veliki reverzni napon znači mali kapacitet i obrnuto.

Schottky dioda:

Poluvodič N-tipa spojen je s metalom (zlato, srebro) tako da u diodi postoje elektroni visoke energije koji se nazivaju vrućim nosačima, pa se ova dioda naziva i diodom vrućeg nosača . Nema manjinske nosače i ne postoji područje iscrpljivanja, već postoji metalni poluvodički spoj, kad je ova dioda usmjerena prema naprijed, djeluje kao vodič, ali naboj ima visoku razinu energije što je korisno u brzom prebacivanju, posebno u digitalnim krugovima. koristi se u mikrovalnim aplikacijama. Ovdje provjerite Schottky diodu u akciji.

Tunel dioda:

P i N područja u ovoj diodi jako su dopirana, pa je postojanje iscrpljenja vrlo usko. Pokazuje područje negativnog otpora koje se može koristiti kao oscilator i mikrovalna pojačala. Kada je ova dioda prvo pristrana, budući da je područje iscrpljivanja usko, tunel elektrona kroz nju prolazi, struja se brzo povećava s malom promjenom napona. Kada se napon dodatno poveća, zbog viška elektrona na spoju, širina područja iscrpljivanja počinje se povećavati što uzrokuje blokadu naprijed struje (tamo gdje se negativni otpor stvara) kada se napon dalje poveća, on djeluje kao normalna dioda.

PIN dioda:

U ovoj su diodi P i N područja odvojena unutarnjim poluvodičem. Kada je dioda obrnuto pristrana, djeluje kao kondenzator s konstantnom vrijednošću. U stanju pristranosti prema naprijed, djeluje kao promjenjivi otpor kojim upravlja struja. Koristi se u mikrovalnim aplikacijama koje treba kontrolirati istosmjernim naponom.

Njegov simbolički prikaz sličan je normalnoj PN diodi.

Primjena dioda:

• Regulirano napajanje: Praktički je nemoguće generirati istosmjerni napon, jedina vrsta dostupnog izvora je izmjenični napon. Budući da su diode jednosmjerni uređaji, može se koristiti za pretvaranje izmjeničnog napona u pulsirajući istosmjerni tok, a s daljnjim dijelovima za filtriranje (pomoću kondenzatora i prigušnica) može se dobiti približni istosmjerni napon.

• Strujni krugovi: U komunikacijskim sustavima na kraju prijemnika, budući da antena prima sve radio frekvencije dostupne u svemiru, potrebno je odabrati željenu frekvenciju. Dakle, koriste se sklopovi tunera koji nisu ništa drugo nego sklop s promjenjivim kondenzatorima i prigušnicama. U tom se slučaju može koristiti varaktorska dioda.

• Televizori, semafori, ploče zaslona: Za prikaz slika na televizorima ili na pločama zaslona koriste se LED diode. Budući da LED troši vrlo malo energije, naširoko se koristi u rasvjetnim sustavima poput LED žarulja.

• Regulatori napona: Kako Zener dioda ima vrlo nizak napon proboja, može se koristiti kao regulator napona kada je obrnuto pristrana.

• Detektori u komunikacijskim sustavima: Poznati detektor koji koristi diodu je detektor omotača koji se koristi za otkrivanje vrhova moduliranog signala.