Diodai: pn sandūra, tipai, konstrukcija ir darbas

Kas yra diodas?

Apskritai, visiems elektroniniams prietaisams reikia nuolatinės srovės maitinimo šaltinio, tačiau nuolatinės srovės generuoti neįmanoma, todėl mums reikia alternatyvos, kad gautume tam tikrą nuolatinę galią, taigi diodų naudojimas yra paveikslėlyje, kad kintamosios srovės energiją paverstų nuolatine. Diodas yra mažas elektroninis komponentas, naudojamas beveik visose elektroninėse grandinėse, kad srovė galėtų tekėti tik viena kryptimi ( vienakryptis įtaisas). ). Galime sakyti, kad puslaidininkių medžiagų naudojimas elektroniniams komponentams kurti buvo pradėtas diodais. Iki išradimo diodas buvo su vakuuminiais vamzdeliais, kur abu šie įtaisai buvo panašūs, tačiau vakuuminio vamzdžio užimamas dydis bus daug didesnis nei diodai. Vakuuminių vamzdžių konstrukcija yra šiek tiek sudėtinga ir juos sunku prižiūrėti, palyginti su puslaidininkiniais diodais. Keletas diodų yra taisymas, stiprinimas, elektroninis perjungimas, elektros energijos pavertimas šviesos energija ir šviesos energija į elektros energiją.

Diodo istorija:

1940 m. „Bell Labs“ dirbo Russellas Ohlas, dirbdamas su silicio kristalais, norėdamas sužinoti jo savybes. Vieną dieną netyčia, kai silicio kristalas, kuriame yra įtrūkimas, buvo veikiamas saulės šviesos, jis aptiko srovės srautą per kristalą, kuris vėliau buvo vadinamas diodu, kuris buvo puslaidininkių eros pradžia.

Diodo konstrukcija:

Kietosios medžiagos paprastai skirstomos į tris tipus: laidininkai, izoliatoriai ir puslaidininkiai. Laidininkai turi maksimalų laisvųjų elektronų skaičių, izoliatoriai turi mažiausią laisvųjų elektronų skaičių (nereikšmingi, kad srovės srautas apskritai neįmanomas), o puslaidininkiai gali būti arba laidininkai, arba izoliatoriai, atsižvelgiant į jam taikomą potencialą. Puslaidininkiai, kurie paprastai naudojami, yra silicis ir germanis. Pirmenybė teikiama siliciui, nes jo gausu žemėje ir jis suteikia geresnį šiluminį diapazoną.

Puslaidininkiai dar skirstomi į du tipus: vidiniai ir išoriniai puslaidininkiai.

Būdingi puslaidininkiai:

Jie taip pat vadinami grynais puslaidininkiais, kur krūvio nešėjai (elektronai ir skylės) kambario temperatūroje yra vienodi. Taigi srovės laidumas vyksta vienodai tiek skylėmis, tiek elektronais.

Išoriniai puslaidininkiai:

Norėdami padidinti medžiagos skylių ar elektronų skaičių, mes ieškome išorinių puslaidininkių, kur prie silicio pridedamos priemaišos (išskyrus silicį ir germanį ar paprasčiausiai trivalentes ar penkiavalentes medžiagas). Šis priemaišų pridėjimo į grynus puslaidininkius procesas vadinamas dopingu.

P ir N tipo puslaidininkių formavimas:

N tipo puslaidininkis:

Jei prie Si arba Ge pridedami penkiavalentiai elementai (valentinių elektronų skaičius yra penki), yra laisvų elektronų. Kadangi elektronų (neigiamai įkrautų nešiklių) yra daugiau, jie vadinami N tipo puslaidininkiais . N tipo puslaidininkiniai elektronai yra daugumos krūvių nešėjai, o skylės - mažumos krūvininkai.

Nedaug penkiavalenčių elementų yra fosforas, arsenas, stibis ir bismutas. Kadangi jie turi perteklinį valentinį elektroną ir yra pasirengę poruotis su išorine teigiamai įkrauta dalele, šie elementai vadinami donorais .

P tipo puslaidininkis

Panašiai, jei prie Si arba Ge pridedami trivalentiai elementai, tokie kaip boras, aliuminis, indis ir galis, atsiranda skylė, nes joje yra trys valentiniai elektronai. Kadangi skylė yra pasirengusi priimti elektroną ir susiporuoti, ji vadinama akceptoriais . Kadangi naujai suformuotos medžiagos skylių skaičius yra per didelis, jie vadinami P tipo puslaidininkiais . P tipo puslaidininkinėse skylėse yra daugumos krūvių nešikliai, o elektronai - mažumos krūvininkai.

PN jungties diodas:

Dabar, jei mes sujungsime du puslaidininkių tipus P ir N tipo, susidaro naujas įtaisas, vadinamas PN jungties diodu. Kadangi sandūra susidaro tarp P tipo ir N tipo medžiagos, ji vadinama PN sandūra.

Žodį „diodas“ galima paaiškinti taip: „Di“ reiškia du, o „odė“ gaunama iš elektrodo. Kadangi naujai suformuotas komponentas gali turėti du gnybtus arba elektrodus (vienas prijungtas prie P tipo, kitas - prie N tipo), jis vadinamas diodu arba PN jungties diodu arba puslaidininkiniu diodu.

Gnybtas, prijungtas prie P tipo medžiagos, vadinamas anodu, o terminalas, prijungtas prie N tipo medžiagos, vadinamas katodu .

Simbolinė diode yra taip.

Rodyklė rodo srovės srautą per jį, kai diodas yra nukreiptas į priekį, brūkšnys arba rodyklės gale esantis blokas rodo srovės blokavimą priešinga kryptimi.

PN jungties teorija:

Mes matėme, kaip diodas gaminamas su P ir N puslaidininkiais, tačiau turime žinoti, kas vyksta jo viduje, kad susidarytų unikali savybė leisti srovę tik viena kryptimi ir kas vyksta tiksliai kontakto taške iš pradžių jo sankryžoje.

Sankryžos formavimas:

Iš pradžių, sujungus abi medžiagas (be jokios išorinės įtampos), N tipo elektronų perteklius ir P tipo skylių pertekliai pritraukia vienas kitą ir rekombinuojasi nejudančių jonų susidarymo vietoje ir akceptoriaus jonas) vyksta taip, kaip parodyta žemiau esančiame paveikslėlyje. Šie nejudrūs jonai priešinasi elektronų ar skylių srautui per ją, kuris dabar veikia kaip barjeras tarp dviejų medžiagų (barjero susidarymas reiškia, kad nejudantys jonai difunduoja į P ir N sritis). Dabar susidaręs barjeras vadinamas išeikvojimo regionu . Išeikvojimo srities plotis šiuo atveju priklauso nuo dopingo koncentracijos medžiagose.

Jei abiejose medžiagose dopingo koncentracija yra lygi, nejudantys jonai vienodai difunduojasi tiek į P, tiek į N medžiagas.

Ką daryti, jei dopingo koncentracija skiriasi?

Na, jei skiriasi dopingas, išeikvojimo srities plotis taip pat skiriasi. Jo difuzija yra labiau į lengvai legiruotą ir mažiau į stipriai legiruotą .

Dabar pažiūrėkime, kaip veikia diodas, kai naudojama tinkama įtampa.

Diodas priekiniame poslinkyje

Yra daugybė diodų, kurių konstrukcija yra panaši, tačiau naudojamos medžiagos tipas skiriasi. Pavyzdžiui, jei atsižvelgsime į šviesą skleidžiantį diodą, jis pagamintas iš aliuminio, galio ir arsenido medžiagų, kurios sužadintos išskiria energiją šviesos pavidalu. Panašiai atsižvelgiama į diodo savybių, tokių kaip vidinė talpa, slenkstinė įtampa ir kt., Skirtumą ir pagal juos sukurtas konkretus diodas.

Čia mes paaiškinome įvairių tipų diodus su jų veikimu, simboliu ir pritaikymu:

• „Zener“ diodas
• LED
• LASER diodas
• Fotodiodas
• Varaktoriaus diodas
• Schottky diodas
• Tunelio diodas
• PIN diodas ir kt.

Trumpai pažiūrėkime apie šių prietaisų veikimo principą ir konstrukciją.

„Zener“ diodas:

Šio diodo P ir N regionai yra labai legiruoti, todėl išeikvojimo sritis yra labai siaura. Skirtingai nuo įprasto diodo, jo gedimo įtampa yra labai maža, kai atvirkštinė įtampa yra didesnė arba lygi gedimo įtampai, išnykimo sritis išnyksta ir nuolatinė įtampa praeina per diodą, net jei padidinta atvirkštinė įtampa. Todėl diodas naudojamas reguliuoti įtampą ir palaikyti pastovią išėjimo įtampą, kai ji tinkamai įtempta. Štai vienas įtampos ribojimo naudojant „Zener“ pavyzdys.

„Zener“ diodo suskaidymas vadinamas „ zener“ suskaidymu . Tai reiškia, kad kai zenerio diodui taikoma atvirkštinė įtampa, sankryžoje susidaro stiprus elektrinis laukas, kurio pakanka pertraukti kovalentinius ryšius sankryžoje ir sukelti didelį srovės srautą. „Zener“ suskaidymas įvyksta esant labai žemai įtampai, palyginti su griūties griūtimi.

Yra dar vienas gedimo tipas, vadinamas lavinos gedimu, paprastai pastebimas įprastu diodu, kuriam reikalinga didelė atvirkštinės įtampos suma, norint nutraukti sankryžą. Jos veikimo principas yra tada, kai diodas yra atvirkštinis, per diodą praeina mažos nuotėkio srovės, kai atvirkštinė įtampa dar labiau padidėja, nuotėkio srovė taip pat padidėja, kuri yra pakankamai greita, kad suskaidytų keletą kovalentinių jungčių sankryžoje. likusios kovalentinės jungtys sukelia didžiules nuotėkio sroves, kurios gali amžinai sugadinti diodą.

Šviesos diodas (LED):

Jo konstrukcija yra panaši į paprastą diodą, tačiau įvairioms spalvoms generuoti naudojami įvairūs puslaidininkių deriniai. Jis veikia šališku į priekį režimu. Kai vyksta elektronų skylių rekombinacija, išsiskiria gautas fotonas, skleidžiantis šviesą, jei įtampa priekyje bus dar padidinta, išsiskirs daugiau fotonų ir padidės šviesos intensyvumas, tačiau įtampa neturėtų viršyti savo slenksčio vertės, nes kitaip LED pažeis.

Norint sukurti skirtingas spalvas, deriniai naudojami „AlGaAs“ (aliuminio galio arsenidas) - raudonos ir infraraudonosios spindulių, GaP (galio fosfido) - geltonos ir žalios spalvos, „InGaN“ (indžio galio nitrido) - mėlynos ir ultravioletinės šviesos diodų. čia.

Dėl IR LED matome savo šviesą per kamera.

Lazerio diodas:

LASER reiškia šviesos stiprinimą stimuliuojant spinduliuotę. PN sandūrą sudaro du legiruoto gallio arsenido sluoksniai, kur viename jungties gale padengta aukšta atspindinti danga, o kitame - dalinė atspindinti danga. Kai diodas yra nukreiptas į priekį panašiai kaip šviesos diodas, jis išskiria fotonus, jie patenka į kitus atomus taip, kad fotonai bus per daug išlaisvinti, kai fotonas atsitrenkia į atspindinčią dangą ir vėl atsitrenkia į jungtį. šviesos išleidžiama tik viena kryptimi. Kad lazerinis diodas veiktų tinkamai, reikia tvarkyklės grandinės.

Simbolinis LASER diodo atvaizdavimas yra panašus į LED.

Foto diodas:

Fotodiode srovė per jį priklauso nuo šviesos, veikiamos PN sankryžoje. Jis veikia atvirkščiai. Kaip aptarta anksčiau, maža nuotėkio srovė teka per diodą, kai atvirkštinė įtampa, kuri čia vadinama tamsiąja srove . Kadangi srovė atsiranda dėl šviesos (tamsos) trūkumo, ji taip vadinama. Šis diodas sukonstruotas taip, kad šviesai patekus į sankryžą pakanka sulaužyti elektronų skylių poras ir generuoti elektronus, kurie padidina atvirkštinę nuotėkio srovę. Čia galite patikrinti fotodiodą, veikiantį su IR LED.

Varaktoriaus diodas:

Jis taip pat vadinamas Varicap (kintamo kondensatoriaus) diodu. Jis veikia atvirkštiniu šališku režimu. Bendras laidžiosios plokštės su izoliatoriumi ar dielektriku kondensatoriaus atskyrimo apibrėžimas, kai įprastas diodas yra atvirkštinis, išeikvojimo srities plotis padidėja, nes išsekimo sritis reiškia izoliatorių arba dielektriką, kuris dabar gali veikti kaip kondensatorius. Dėl atvirkštinės įtampos kitimo P ir N sričių atskyrimas gali skirtis, todėl diodas dirbs kaip kintamas kondensatorius.

Kadangi talpa didėja mažėjant atstumui tarp plokščių, didelė atvirkštinė įtampa reiškia mažą talpą ir atvirkščiai.

Schottky diodas:

N tipo puslaidininkis yra sujungtas su metalu (auksu, sidabru) taip, kad diode yra aukšto energijos lygio elektronų, kurie vadinami karštais nešikliais, todėl šis diodas taip pat vadinamas karšto nešiklio diodu . Jis neturi mažumų nešiklių ir nėra išeikvojimo regiono, veikiau yra metalinė puslaidininkių jungtis, kai šis diodas yra nukreiptas į priekį, jis veikia laidininką, tačiau krūvis turi aukštą energijos lygį, kuris yra naudingas greitai perjungiant, ypač skaitmeninėse grandinėse, tai taip pat yra naudojamas mikrobangų krosnelėse. Čia patikrinkite veikiantį „Schottky“ diodą.

Tunelio diodas:

Šio diodo P ir N regionai yra labai legiruoti, todėl išeikvojimas yra labai siauras. Jis pasižymi neigiamu pasipriešinimo regionu, kurį galima naudoti kaip osciliatorių ir mikrobangų stiprintuvus. Kai šis diodas yra nukreiptas į priekį pirmiausia, nes išeikvojimo sritis yra siaura elektronų tunelis per jį, srovė greitai padidėja, šiek tiek pasikeitus įtampai. Kai įtampa dar padidėja, dėl elektronų pertekliaus sandūroje, išeikvojimo srities plotis pradeda didėti, dėl ko blokuojama priekinė srovė (kur susidaro neigiamos varžos sritis), kai priekinė įtampa dar padidėja, ji veikia kaip įprastas diodas.

PIN diodas:

Šiame diode P ir N regionai yra atskirti vidiniu puslaidininkiu. Kai diodas yra atvirkštinis, jis veikia kaip pastovus vertinamas kondensatorius. Esant į priekį šališkumui, jis veikia kaip kintamas pasipriešinimas, kurį valdo srovė. Jis naudojamas mikrobangų krosnelėse, kurios turi būti valdomos nuolatine įtampa.

Jo simbolinis vaizdavimas yra panašus į įprastą PN diodą.

Diodų programos:

• Reguliuojamas maitinimas: praktiškai neįmanoma sukurti nuolatinės įtampos, vienintelis šaltinis yra kintamosios srovės įtampa. Kadangi diodai yra vienakrypčiai įtaisai, jį galima naudoti kintamosios srovės įtampai paversti pulsuojančia nuolatine įtampa, o su kitomis filtravimo sekcijomis (naudojant kondensatorius ir induktorius) galima gauti apytikslę nuolatinę įtampą.

• Derintuvo grandinės: ryšio sistemose imtuvo gale, kadangi antena priima visus erdvėje esančius radijo dažnius, reikia pasirinkti norimą dažnį. Taigi naudojamos derintuvo grandinės, kurios yra tik grandinė su kintamais kondensatoriais ir induktyvumais. Šiuo atveju gali būti naudojamas varaktoriaus diodas.

• Televizoriai, šviesoforai, ekrano lentos: norint vaizdus rodyti televizoriuose arba ekranuose, naudojami šviesos diodai. Kadangi LED sunaudoja labai mažai energijos, jis plačiai naudojamas apšvietimo sistemose, pavyzdžiui, LED lemputėse.

• Įtampos reguliatoriai: Kadangi „Zener“ diodas turi labai mažą gedimo įtampą, jis gali būti naudojamas kaip įtampos reguliatorius, kai jis nukreiptas į priekį.

• Detektoriai ryšių sistemose: Gerai žinomas detektorius, kuris naudoja diodą, yra vokų detektorius, naudojamas moduliuojamo signalo smailėms aptikti.