Diody: pn přechod, typy, konstrukce a práce

Co je to dioda?

Obecně platí, že všechna elektronická zařízení vyžadují stejnosměrné napájení, ale není možné generovat stejnosměrné napájení, takže potřebujeme alternativu k získání stejnosměrného napájení, takže do obrazu vstupuje použití diod pro převod střídavého napájení na stejnosměrné. Dioda je malá elektronická součást používaná téměř ve všech elektronických obvodech k umožnění toku proudu pouze v jednom směru ( jednosměrné zařízení ). Dá se říci, že použití polovodičových materiálů k výrobě elektronických součástek bylo zahájeno diodami. Před vynálezem diody existovaly vakuové trubice, kde jsou aplikace obou těchto zařízení podobné, ale velikost obsazená vakuovou trubicí bude mnohem větší než diody. Konstrukce vakuových trubic je trochu složitá a ve srovnání s polovodičovými diodami je obtížné je udržovat. Několik aplikací diod je usměrňování, zesilování, elektronický spínač, přeměna elektrické energie na světelnou energii a světelnou energii na elektrickou energii.

Historie diody:

V roce 1940 v Bell Labs pracoval Russell Ohl s křemíkovým krystalem, aby zjistil jeho vlastnosti. Jednoho dne, když byl křemíkový krystal, který má v sobě prasklinu, vystaven slunečnímu záření, našel tok proudu skrz krystal a ten byl později nazýván diodou, což byl začátek polovodičové éry.

Konstrukce diody:

Pevné materiály se obecně dělí na tři typy, jmenovitě vodiče, izolátory a polovodiče. Vodiče mají maximální počet volných elektronů, izolátory mají minimální počet volných elektronů (zanedbatelné, takže tok proudu není vůbec možný), zatímco polovodiče mohou být buď vodiče nebo izolátory v závislosti na potenciálu, který se na ně vztahuje. Polovodiče, které se obecně používají, jsou křemík a germánium. Křemík je preferován, protože je hojně dostupný na Zemi a poskytuje lepší teplotní rozsah.

Polovodiče se dále dělí na dva typy jako polovodiče jiskrové a jiskrové.

Vlastní polovodiče:

Ty se také nazývají jako čisté polovodiče, kde nosiče náboje (elektrony a díry) jsou při pokojové teplotě ve stejném množství. Vedení proudu tedy probíhá oběma otvory a elektrony stejně.

Vnější polovodiče:

Abychom zvýšili počet děr nebo elektronů v materiálu, zaměříme se na vnější polovodiče, kde se do křemíku přidávají nečistoty (jiné než křemík a germanium nebo jednoduše trojmocné nebo pětimocné materiály). Tento proces přidávání nečistot k čistým polovodičům se nazývá doping.

Tvorba polovodičů typu P a N:

Polovodič typu N:

Pokud jsou k Si nebo Ge přidány pentavalentní prvky (počet valenčních elektronů je pět), jsou k dispozici volné elektrony. Protože elektrony (záporně nabité), nosiče jsou v řadě tyto se nazývají jako N-polovodič typu . V typu N jsou polovodičové elektrony většinou nosiči náboje a díry jsou nosiči menšinového náboje.

Několik pentavalentních prvků je fosfor, arsen, antimon a vizmut. Vzhledem k tomu, že tyto mají nadbytečný valance elektron a jsou připraveny k párování s vnější kladně nabitou částicí, tyto prvky se nazývají dárci .

Polovodič typu P.

Podobně, pokud se k Si nebo Ge přidají trojmocné prvky jako bor, hliník, indium a galium, vytvoří se díra, protože počet valenčních elektronů v ní jsou tři. Jelikož je díra připravena přijmout elektron a spárovat se, nazývá se to Akceptory . Vzhledem k tomu, počet otvorů je přebytek v nově vytvořené materiálu jsou tyto nazýván jako P-polovodiče typu . V polovodičových dírách typu P jsou většinové nosiče náboje a elektrony jsou menšinové nosiče náboje.

Dioda PN Junction:

Nyní, když spojíme dva typy polovodičů typu P a typu N, vytvoří se nové zařízení s názvem jako přechodová dioda PN. Protože se tvoří spojení mezi materiálem typu P a N, nazývá se to spojení PN.

Slovo dioda lze vysvětlit jako „Di“ znamená dva a „ode“ se získává z elektrody. Protože nově vytvořená součást může mít dvě svorky nebo elektrody (jedna připojená k typu P a druhá k typu N), nazývá se jako dioda nebo přechodová dioda PN nebo polovodičová dioda.

Terminál připojený k materiálu typu P se nazývá anoda a terminál připojený k materiálu typu N se nazývá katoda .

Symbolické znázornění diody je následující.

Šipka označuje tok proudu skrz něj, když je dioda v předpjatém režimu, pomlčka nebo blok na špičce šipky označuje zablokování proudu z opačného směru.

Teorie spojení PN:

Viděli jsme, jak se dioda vyrábí s polovodiči P a N, ale potřebujeme vědět, co se v ní děje, abychom vytvořili jedinečnou vlastnost umožňující proud pouze v jednom směru a co se děje v přesném bodě kontaktu zpočátku v jeho spojení.

Spojovací útvar:

Zpočátku, když jsou oba materiály spojeny dohromady (bez použití vnějšího napětí), přebytečné elektrony v typu N a přebytečné otvory v typu P budou navzájem přitahovány a budou rekombinovány tam, kde vznikají nepohyblivé ionty (donorový iont a Acceptor ion) probíhá, jak je znázorněno na následujícím obrázku. Tyto nepohyblivé ionty odolávají toku elektronů nebo děr skrz ně, které nyní působí jako bariéra mezi těmito dvěma materiály (tvorba bariéry znamená, že nepohyblivé ionty difundují do oblastí P a N). Bariéra, která je nyní vytvořena, se nazývá oblast vyčerpání . Šířka oblasti vyčerpání v tomto případě závisí na dopingové koncentraci v materiálech.

Pokud je dopingová koncentrace stejná v obou materiálech, pak nehybné ionty difundují do obou P a N materiálů stejně.

Co když se dopingová koncentrace navzájem liší?

Pokud se doping liší, liší se také šířka oblasti vyčerpání. Jeho difúze je více do oblasti lehce dotované a méně do oblasti silně dotované .

Nyní se podívejme na chování diody při použití správného napětí.

Dioda v předpětí

Existuje řada diod, jejichž konstrukce je podobná, ale typ použitého materiálu se liší. Například pokud vezmeme v úvahu diodu emitující světlo, je vyrobena z materiálů hliníku, gália a arsenidu, které při excitaci uvolňují energii ve formě světla. Podobně se uvažuje změna vlastností diody, jako je vnitřní kapacita, prahové napětí atd., A na základě nich je navržena konkrétní dioda.

Zde jsme vysvětlili různé typy diod s jejich fungováním, symboly a aplikacemi:

• Zenerova dioda
• VEDENÝ
• LASEROVÁ dioda
• Fotodioda
• Varaktorová dioda
• Schottkyho dioda
• Tunelová dioda
• PIN dioda atd.

Podívejme se stručně na pracovní princip a konstrukci těchto zařízení.

Zenerova dioda:

Oblasti P a N v této diodě jsou silně dotovány, takže oblast vyčerpání je velmi úzká. Na rozdíl od normální diody je její průrazné napětí velmi nízké, když je reverzní napětí větší nebo rovno průraznému napětí, oblast vyčerpání zmizí a diodou prochází konstantní napětí, i když je reverzní napětí zvýšeno. Proto je dioda se používá k regulaci napětí a udržovat konstantní výstupní napětí, když náležitě zkreslená. Zde je jeden příklad omezení napětí pomocí Zenera.

Porucha v Zenerově diodě se nazývá zenerova porucha . To znamená, že když je na zenerovou diodu přivedeno zpětné napětí, vyvine se na křižovatce silné elektrické pole, které stačí k rozbití kovalentních vazeb uvnitř křižovatky a způsobí velký tok proudu. Zenerova porucha je způsobena při velmi nízkém napětí ve srovnání s lavinou.

Existuje další typ poruchy pojmenovaný jako lavina, která se obvykle vyskytuje v normální diodě a která vyžaduje velké množství zpětného napětí k rozbití spojení. Jeho principem práce je, když je dioda reverzně předpjatá, malými svodovými proudy prochází dioda, když se dále zvyšuje zpětné napětí, zvyšuje se také svodový proud, který je dostatečně rychlý na to, aby rozbil několik kovalentních vazeb uvnitř spojení, tyto nové nosiče náboje se dále rozpadají zbývající kovalentní vazby způsobují obrovské svodové proudy, které mohou diodu navždy poškodit.

Světelná dioda (LED):

Jeho konstrukce je podobná jednoduché diodě, ale pro generování různých barev se používají různé kombinace polovodičů. To pracuje v vpřed neobjektivní režimu. Když dojde k rekombinaci elektronové díry, uvolní se výsledný foton, který emituje světlo, pokud se dále zvýší dopředné napětí, uvolní se více fotonů a zvýší se také intenzita světla, ale napětí by nemělo překročit svou prahovou hodnotu, jinak dojde k poškození LED.

Pro generování různých barev se používají kombinace AlGaAs (Aluminium Gallium Arsenide) - červená a infračervená, GaP (Gallium Phosphide) - žlutá a zelená, InGaN (Indium Gallium Nitride) - modré a ultrafialové LED atd. Zkontrolujte jednoduchý LED obvod tady.

U IR LED vidíme jeho světlo skrze kameru.

LASEROVÁ dioda:

LASER znamená zesílení světla stimulovanou emisí záření. Spojení PN je tvořeno dvěma vrstvami dotovaného gallium arsenidu, kde je na jeden konec spojky nanesen vysoce reflexní povlak a na druhém konci částečný reflexní povlak. Když je dioda předpjatá, podobně jako LED, uvolňuje fotony, tyto zasáhnou další atomy, takže fotony budou uvolňovány nadměrně, když foton narazí na reflexní vrstvu a znovu zasáhne spojení více uvolnění fotonů, tento proces se opakuje a paprsek s vysokou intenzitou světla se uvolňuje pouze jedním směrem. Laserová dioda vyžaduje, aby obvod ovladače fungoval správně.

Symbolické znázornění LASEROVÉ diody je podobné jako u LED.

Foto dioda:

Ve fotodiodě závisí její proud na světelné energii aplikované na PN spojení. Pracuje se v obráceném předpětí. Jak již bylo řečeno, malý svodový proud protéká diodou při reverzním předpětí, která se zde nazývá temný proud . Protože proud je způsoben nedostatkem světla (tmy), nazývá se to. Tato dioda je konstruována tak, že když světlo zasáhne spojení, stačí rozbít páry elektronových děr a generovat elektrony, které zvyšují zpětný svodový proud. Zde můžete zkontrolovat fotodiodu pracující s IR LED.

Varaktorová dioda:

Nazývá se také jako dioda Varicap (variabilní kondenzátor). To pracuje v závěrném směru režimu. Obecná definice oddělení kondenzátoru vodivé desky s izolátorem nebo dielektrikem, když je normální dioda obrácená, šířka oblasti vyčerpání se zvětší, protože oblast vyčerpání představuje izolátor nebo dielektrikum, které nyní může fungovat jako kondenzátor. Se změnou zpětného napětí způsobí, že se oddělení P a N oblastí změní, což vede k tomu, že dioda bude fungovat jako proměnný kondenzátor.

Vzhledem k tomu, že kapacita se zvyšuje s poklesem vzdálenosti mezi deskami, znamená velké reverzní napětí nízkou kapacitu a naopak.

Schottkyho dioda:

Polovodič typu N je spojen s kovem (zlato, stříbro) tak, že v diodě existují elektrony s vysokou energií, které se nazývají horké nosiče, takže tato dioda se také nazývá horká nosná dioda . Nemá menšinové nosiče a neexistuje žádná oblast vyčerpání, spíše existuje kovový polovodičový spoj, když je tato dioda předpjatá dopředu, jedná se o vodič, ale náboj má vysoké energetické úrovně, které jsou užitečné při rychlém přepínání, zejména v digitálních obvodech, jsou to také používané v mikrovlnných aplikacích. Zkontrolujte Schottkyho dioda v akci zde.

Tunelová dioda:

Oblasti P a N v této diodě jsou silně dotovány, takže existence vyčerpání je velmi úzká. Vykazuje negativní oblast odporu, kterou lze použít jako oscilátor a mikrovlnné zesilovače. Když je tato dioda nejprve předpjatá dopředu, protože oblast vyčerpání úzkým elektronovým tunelem prochází, proud se rychle zvyšuje s malou změnou napětí. Když se napětí dále zvyšuje, v důsledku přebytku elektronů na křižovatce se šířka oblasti vyčerpání začíná zvětšovat, což způsobí zablokování dopředného proudu (kde se tvoří oblast negativního odporu), když se dopředné napětí dále zvyšuje, funguje jako normální dioda.

PIN dioda:

V této diodě jsou oblasti P a N odděleny vnitřním polovodičem. Když je dioda s předpětím, funguje jako kondenzátor s konstantní hodnotou. Ve stavu dopředného zkreslení funguje jako proměnný odpor, který je řízen proudem. Používá se v mikrovlnných aplikacích, které mají být řízeny stejnosměrným napětím.

Jeho symbolické znázornění je podobné normální PN diodě.

Aplikace diod:

• Regulované napájení: Prakticky není možné generovat stejnosměrné napětí, jediným dostupným zdrojem je střídavé napětí. Jelikož diody jsou jednosměrná zařízení, lze je použít k převodu střídavého napětí na pulzující stejnosměrný proud a pomocí dalších filtračních sekcí (pomocí kondenzátorů a induktorů) lze získat přibližné stejnosměrné napětí.

• Obvody tuneru: V komunikačních systémech na konci přijímače, protože anténa přijímá všechny rádiové frekvence dostupné ve vesmíru, je třeba zvolit požadovanou frekvenci. Používají se tedy tunerové obvody, které nejsou ničím jiným než obvodem s proměnnými kondenzátory a induktory. V takovém případě lze použít varaktorovou diodu.

• Televizory, semafory, zobrazovací desky: K zobrazení obrazu na televizorech nebo na zobrazovacích panelech se používají LED diody. Vzhledem k tomu, že LED spotřebovává velmi málo energie, je značně používána v osvětlovacích systémech, jako jsou LED žárovky.

• Regulátory napětí: Vzhledem k tomu, že Zenerova dioda má velmi nízké průrazné napětí, lze ji použít jako regulátor napětí při předpětí.

• Detektory v komunikačních systémech: Známým detektorem, který používá diodu, je detektor obálky, který se používá k detekci špiček modulovaného signálu.