Diodes: pn krustojums, veidi, uzbūve un darbība

Kas ir diode?

Visām elektroniskajām ierīcēm ir nepieciešama līdzstrāvas padeve, taču līdzstrāvas ģenerēšanu nav iespējams veikt, tāpēc mums ir nepieciešama alternatīva, lai iegūtu līdzstrāvas strāvu, tādējādi attēlā tiek diodes, lai pārveidotu maiņstrāvu par līdzstrāvas strāvu. Diods ir niecīgs elektroniskais komponents, ko izmanto gandrīz visās elektroniskajās ķēdēs, lai strāvas plūsma būtu iespējama tikai vienā virzienā ( vienvirziena ierīce ). Mēs varam teikt, ka pusvadītāju materiālu izmantošana elektronisko komponentu veidošanai tika sākta ar diodēm. Pirms diodes izgudrošanas bija vakuuma caurules, kur abu šo ierīču pielietojums ir līdzīgs, bet vakuuma caurules aizņemtais izmērs būs daudz lielāks nekā diodes. Vakuuma cauruļu konstrukcija ir nedaudz sarežģīta, un tās ir grūti uzturēt, salīdzinot ar pusvadītāju diodēm. Daži diodes pielietojumi ir labošana, pastiprināšana, elektroniska pārslēgšana, elektriskās enerģijas pārveidošana par gaismas enerģiju un gaismas enerģija par elektrisko enerģiju.

Diodes vēsture:

1940. gadā Bell Labs Russell Ohl strādāja ar silīcija kristālu, lai noskaidrotu tā īpašības. Kādu dienu nejauši, kad silīcija kristāls, kurā ir plaisa, tika pakļauts saules gaismai, viņš atrada strāvas plūsmu caur kristālu un to vēlāk sauca par diode, kas bija pusvadītāju ēras sākums.

Diodes uzbūve:

Cietos materiālus parasti klasificē trīs veidos, proti, vadītājus, izolatorus un pusvadītājus. Vadītājiem ir maksimālais brīvo elektronu skaits, Izolatoriem ir minimālais brīvo elektronu skaits (nenozīmīgs tā, ka strāvas plūsma vispār nav iespējama), savukārt pusvadītāji var būt vai nu vadītāji, vai izolatori atkarībā no tam piemērotā potenciāla. Pusvadītāji, kas parasti tiek izmantoti, ir silīcijs un germānija. Silīcijam ir priekšroka, jo tas ir daudz pieejams uz Zemes un nodrošina labāku siltuma diapazonu.

Pusvadītājus turpmāk klasificē divos veidos kā iekšējos un ārējos pusvadītājus.

Raksturīgie pusvadītāji:

Tos sauc arī par tīriem pusvadītājiem, kur lādiņu nesēji (elektroni un caurumi) istabas temperatūrā atrodas vienādā daudzumā. Tātad strāvas vadīšana notiek vienādi ar caurumiem un elektroniem.

Ārējie pusvadītāji:

Lai palielinātu caurumu vai elektronu skaitu materiālā, mēs izvēlamies ārējos pusvadītājus, kur silīcijam pievieno piemaisījumus (izņemot silīciju un germāniju vai vienkārši trīsvērtīgus vai piecvērtīgus materiālus). Šis netīrumu pievienošanas process pusvadītājiem tiek saukts par dopingu.

P un N tipa pusvadītāju veidošana:

N tipa pusvadītājs:

Ja Si vai Ge tiek pievienoti piecvērtīgie elementi (valences elektronu skaits ir pieci), tad ir pieejami brīvie elektroni. Tā kā elektronu (negatīvi lādētu nesēju) skaits ir lielāks, tos sauc par N tipa pusvadītājiem . N tipa pusvadītāju elektroni ir vairākuma lādiņu nesēji, un caurumi ir mazākuma lādiņu nesēji.

Daži pentavalenti elementi ir fosfors, arsēns, antimons un bismuts. Tā kā tiem ir liekais valance elektrons un tie ir gatavi savienoties pārī ar ārēji pozitīvi uzlādētu daļiņu, šos elementus sauc par donoriem .

P tipa pusvadītājs

Līdzīgi, ja trīsvērtīgus elementus, piemēram, boru, alumīniju, indiju un galliju, pievieno Si vai Ge, tiek izveidota caurums, jo tajā ir trīs valences elektroni. Tā kā caurums ir gatavs pieņemt elektronu un savienoties pārī, to sauc par akceptoriem . Tā kā jaunizveidotā materiāla atveru skaits ir pārmērīgs, tos sauc par P tipa pusvadītājiem . P tipa pusvadītāju urbumos ir vairākuma lādiņu nesēji, un elektroni ir mazākuma lādiņu nesēji.

PN savienojuma diode:

Tagad, ja mēs savienojam abus pusvadītāju tipus P-veida un N-veida kopā, tiek izveidota jauna ierīce, ko sauc par PN savienojuma diode. Tā kā savienojums veidojas starp P tipa un N veida materiālu, to sauc par PN savienojumu.

Vārdu diode var izskaidrot kā “Di” nozīmē divus, un “oda” tiek iegūta no elektroda. Tā kā jaunizveidotajam komponentam var būt divi spailes vai elektrodi (viens savienots ar P-veida, bet otrs ar N-veida), to sauc par diodes vai PN savienojuma diodi vai pusvadītāju diodi.

Termināli, kas savienots ar P veida materiālu, sauc par anodu, bet termināli, kas savienots ar N veida materiālu, - par katodu .

Simbolisks atveidojums diode ir šāds.

Bultiņa norāda strāvas plūsmu caur to, kad diode ir uz priekšu vērstā režīmā, domuzīme vai bultiņas galā esošais bloks norāda strāvas bloķēšanu no pretējā virziena.

PN savienojuma teorija:

Mēs esam redzējuši, kā diode tiek veidota ar P un N pusvadītājiem, bet mums jāzina, kas notiek tā iekšpusē, lai izveidotu unikālu īpašību, kas ļauj strāvu atļaut tikai vienā virzienā un kas notiek precīzā saskares punktā sākotnēji tās krustojumā.

Krustojuma veidošana:

Sākotnēji, kad abi materiāli ir savienoti kopā (bez ārēja sprieguma), N veida un lieko caurumu P tipa elektroni tiek piesaistīti viens otram un tiek rekombinēti vietā, kur veidojas nekustīgi joni (donora jons). un akceptora jonu) notiek, kā parādīts zemāk esošajā attēlā. Šie nekustīgie joni pretojas elektronu vai caurumu plūsmai caur to, kas tagad darbojas kā barjera starp abiem materiāliem (barjeras veidošanās nozīmē, ka nekustīgie joni difundē P un N reģionos). Tagad izveidoto barjeru sauc par noplicināšanas reģionu . Šajā gadījumā noplicināšanas apgabala platums ir atkarīgs no dopinga koncentrācijas materiālos.

Ja abos materiālos dopinga koncentrācija ir vienāda, tad nekustīgie joni vienādi izkliedējas gan P, gan N materiālos.

Ko darīt, ja dopinga koncentrācija atšķiras?

Nu, ja dopings atšķiras, arī iztukšošanas reģiona platums atšķiras. Tā difūzija ir vairāk vērsta uz viegli leģētu reģionu un mazāk uz stipri leģēto reģionu .

Tagad redzēsim diode uzvedību, kad tiek piemērots atbilstošs spriegums.

Diods priekšpusē

Ir diodes, kuru konstrukcija ir līdzīga, bet izmantotā materiāla veids atšķiras. Piemēram, ja ņemam vērā gaismu izstarojošo diodi, tas ir izgatavots no alumīnija, gallija un arsenīda materiāliem, kas, uzbudināti, atbrīvo enerģiju gaismas formā. Tāpat tiek ņemtas vērā diodes īpašību variācijas, piemēram, iekšējā kapacitāte, sliekšņa spriegums utt., Un uz tām balstīts konkrēts diode.

Šeit mēs esam izskaidrojuši dažāda veida diodes ar to darbību, simbolu un pielietojumu:

• Zenera diode
• LED
• LĀZERA diode
• Fotodiods
• Varaktora diode
• Šotka diode
• Tuneļa diode
• PIN diode utt.

Īsi apskatīsim šo ierīču darbības principu un uzbūvi.

Zenera diode:

P un N reģioni šajā diodē ir stipri leģēti tā, ka noplicināšanas reģions ir ļoti šaurs. Atšķirībā no parastā diodes tā sadalīšanās spriegums ir ļoti zems, ja reversais spriegums ir lielāks vai vienāds ar sabrukšanas spriegumu, izzušanas reģions pazūd un pastāvīgs spriegums iet cauri diode pat tad, ja tiek palielināts reversais spriegums. Tāpēc diodi izmanto, lai regulētu spriegumu un uzturētu pastāvīgu izejas spriegumu, ja tas ir pareizi novirzīts. Šeit ir viens sprieguma ierobežošanas piemērs, izmantojot Zener.

Zenera diodes sadalījumu sauc par zenera sadalījumu . Tas nozīmē, ka tad, kad zenera diodei tiek piemērots pretējs spriegums, krustojumā rodas spēcīgs elektriskais lauks, kas ir pietiekams, lai pārrautu kovalentās saites krustojumā un izraisītu lielu strāvas plūsmu. Zenera sabrukumu izraisa ļoti zems spriegums, salīdzinot ar lavīnas sadalījumu.

Ir vēl viens sadalījuma veids, ko parasti sauc par lavīnas sabrukumu, kas parasti tiek novērots parastajā diodē, un krustojuma pārrāvumam nepieciešams liels apgrieztā sprieguma daudzums. Tās darbības princips ir tad, kad diode ir pretēja, maza noplūdes strāva iet caur diode, kad pretējā spriegums tiek vēl vairāk palielināts, palielinās arī noplūdes strāva, kas ir pietiekami ātra, lai pārrautu maz kovalento saišu krustojumā, un šie jaunie lādiņu nesēji vēl vairāk sadalās atlikušās kovalentās saites rada milzīgas noplūdes strāvas, kas var neatgriezeniski sabojāt diode.

Gaismas diode (LED):

Tās uzbūve ir līdzīga vienkāršai diodei, taču dažādu krāsu ģenerēšanai tiek izmantotas dažādas pusvadītāju kombinācijas. Tas darbojas neobjektīvā režīmā uz priekšu. Kad notiek elektronu cauruma rekombinācija, izdalās iegūtais fotons, kas izstaro gaismu, ja spriegums uz priekšu tiek vēl vairāk palielināts, tiks atbrīvots vairāk fotonu un palielināsies arī gaismas intensitāte, bet spriegumam nevajadzētu pārsniegt tā sliekšņa vērtību, jo citādi LED tiek sabojāts.

Lai radītu dažādas krāsas, tiek izmantotas kombinācijas AlGaAs (alumīnija gallija arsenīds) - sarkans un infrasarkanais, GaP (gallija fosfīds) - dzeltens un zaļš, InGaN (indija gallija nitrīds) - zilas un ultravioletās gaismas diodes utt. Pārbaudiet vienkāršu LED ķēdi šeit.

Par IR LED, mēs varam redzēt savu gaismu caur kameru.

LĀZERA diode:

LASER apzīmē gaismas pastiprināšanu ar stimulētu izstarojumu. PN savienojumu veido divi leģēta gallija arsenīda slāņi, kur vienā savienojuma galā tiek uzklāts augsts atstarojošs pārklājums, bet otrā - daļējs atstarojošs pārklājums. Kad diode ir novirzīta uz priekšu, līdzīgi kā gaismas diode, tā izdala fotonus, tie skar citus atomus tā, ka fotoni tiks atbrīvoti pārmērīgi, kad fotons ietrieksies atstarojošajā pārklājumā un atkal sitīs pretī krustojumam, jo ​​vairāk fotonu izdala, šis process atkārtojas un augstas intensitātes stars gaismas izdalās tikai vienā virzienā. Lai pareizi darbotos, lāzera diodei nepieciešama draivera shēma.

LASER diodes simboliskais attēlojums ir līdzīgs LED.

Foto diode:

Fotodiodē strāva caur to ir atkarīga no gaismas enerģijas, kas tiek pielietota PN krustojumā. To darbina ar pretēju neobjektivitāti. Kā tika apspriests iepriekš, maza noplūdes strāva plūst caur diodi, kad tā ir pretēja, ko šeit sauc par tumšo strāvu . Tā kā strāva ir gaismas (tumsas) trūkuma dēļ, to sauc par. Šis diode ir konstruēts tā, ka, gaismai triecoties krustojumā, pietiek ar elektronu caurumu pāru pārtraukšanu un elektronu radīšanu, kas palielina reverso noplūdes strāvu. Šeit jūs varat pārbaudīt fotodiodi, kas darbojas ar IR LED.

Varaktora diode:

To sauc arī par Varicap (mainīga kondensatora) diodi. Tas darbojas apgrieztā neobjektīvā režīmā. Vadošās plāksnes kondensatora atdalīšanas ar izolatoru vai dielektriku vispārējā definīcija, kad parasts diods ir pretējs, novadīšanas apgabala platums palielinās, jo noplūdes reģions apzīmē izolatoru vai dielektriku, tas tagad var darboties kā kondensators. Mainot reverso spriegumu, P un N reģionu atdalīšana mainās, tādējādi diode darbosies kā mainīgs kondensators.

Tā kā kapacitāte palielinās, samazinoties attālumam starp plāksnēm, lielais reversais spriegums nozīmē zemo kapacitāti un otrādi.

Šotka diode:

N tipa pusvadītājs ir savienots ar metālu (zeltu, sudrabu) tā, ka diode satur augsta enerģijas līmeņa elektronus, tos sauc par karstajiem nesējiem, tāpēc šo diode sauc arī par karstā nesēja diode . Tam nav mazākuma nesēju un nav noplicināšanas reģiona, drīzāk pastāv metāla pusvadītāju savienojums, kad šī diode ir novirzīta uz priekšu, tā darbojas kā vadītāja, bet lādiņam ir augsts enerģijas līmenis, kas palīdz ātri pārslēgties, īpaši digitālajās ķēdēs izmanto mikroviļņu krāsnī. Pārbaudiet Šotka diode darbībā šeit.

Tuneļa diode:

P un N reģioni šajā diodē ir stipri leģēti, tāpēc izsīkuma esamība ir ļoti šaura. Tam ir negatīvas pretestības reģions, ko var izmantot kā oscilatoru un mikroviļņu pastiprinātājus. Kad šī diode vispirms ir novirzīta uz priekšu, tā kā noplicināšanas apgabals ir šaurs, caur to ejot elektronu tunelis, strāva strauji palielinās, nedaudz mainot spriegumu. Kad spriegums tiek vēl vairāk palielināts, krustojumā esošo elektronu pārpalikuma dēļ izsīkuma apgabala platums sāk palielināties, izraisot straumes bloķēšanu uz priekšu (kur veidojas negatīvās pretestības reģions), kad priekštelpas spriegums tiek vēl palielināts, tas darbojas kā normāls diode.

PIN diode:

Šajā diodē P un N reģionus atdala iekšējais pusvadītājs. Kad diode ir pretēja, tā darbojas kā nemainīgs kondensators. Priekšējā novirzes stāvoklī tas darbojas kā mainīga pretestība, kuru kontrolē strāva. To lieto mikroviļņu krāsnīs, kuras jākontrolē ar līdzstrāvas spriegumu.

Tās simboliskais attēlojums ir līdzīgs parastajam PN diodam.

Diodes pielietojums:

• Regulēta barošana: praktiski nav iespējams radīt līdzstrāvas spriegumu, vienīgais pieejamais avota veids ir maiņstrāvas spriegums. Tā kā diodes ir vienvirziena ierīces, to var izmantot maiņstrāvas sprieguma pārveidošanai par pulsējošu līdzstrāvu un ar citām filtrēšanas sekcijām (izmantojot kondensatorus un induktorus) var iegūt aptuveno līdzstrāvas spriegumu.

• Rādītāja shēmas: Sakaru sistēmās uztvērēja galā, tā kā antena uztver visas kosmosā pieejamās radiofrekvences, ir jāizvēlas vēlamā frekvence. Tātad tiek izmantotas uztvērēja shēmas, kas nav nekas cits kā ķēde ar mainīgiem kondensatoriem un induktoriem. Šajā gadījumā var izmantot varaktora diode.

• Televizori, luksofori, displeju dēļi: lai attēlotu attēlus televizoros vai displejos, tiek izmantoti gaismas diodes. Tā kā LED patērē ļoti maz enerģijas, to plaši izmanto apgaismojuma sistēmās, piemēram, LED spuldzēs.

• Sprieguma regulatori: Tā kā Zenera diodei ir ļoti mazs sadalīšanās spriegums, to var izmantot kā sprieguma regulatoru, ja tas ir pretējs.

• Detektori sakaru sistēmās: plaši pazīstams detektors, kas izmanto diode, ir aploksnes detektors, ko izmanto modulētā signāla pīķu noteikšanai.