Dioder: pn-krydset, typer, konstruktion og arbejde

Hvad er diode?

Generelt har alle elektroniske enheder brug for jævnstrømsforsyning, men det er umuligt at generere jævnstrøm, så vi har brug for et alternativ for at få lidt jævnstrøm, så brugen af dioder kommer ind i billedet for at konvertere vekselstrøm til jævnstrøm. En diode er en lille elektronisk komponent, der bruges i næsten alle de elektroniske kredsløb for at muliggøre strømmen af strøm i kun en retning ( envejsanordning ). Vi kan sige, at brugen af halvledermaterialer til at bygge de elektroniske komponenter blev startet med dioder. Før opfindelsen af dioder var der med vakuumrør, hvor anvendelsen af begge disse enheder er ens, men størrelsen optaget af vakuumrøret vil være meget større end dioderne. Konstruktionen af vakuumrør er lidt kompleks, og de er vanskelige at vedligeholde sammenlignet med halvlederdioderne. Få anvendelser af dioder er udbedring, forstærkning, elektronisk switch, konvertering af elektrisk energi til lysenergi og lysenergi til elektrisk energi.

Diodens historie:

I året 1940 hos Bell Labs arbejdede Russell Ohl med en siliciumkrystal for at finde ud af dens egenskaber. En dag ved en fejltagelse, da siliciumkrystallen, der har en revne i sig, blev udsat for sollyset, fandt han strømmen af strøm gennem krystallen, og det blev senere kaldt diode, som var begyndelsen på halvlederens æra.

Konstruktion af diode:

Faste materialer klassificeres generelt i tre typer, nemlig ledere, isolatorer og halvledere. Ledere har et maksimalt antal frie elektroner, Isolatorer har et minimum antal frie elektroner (ubetydelig, så strømmen slet ikke er mulig), hvorimod halvledere kan være enten ledere eller isolatorer afhængigt af det potentiale, der anvendes på den. Halvledere, der er i almindelig anvendelse, er Silicon og Germanium. Silicium foretrækkes, fordi det er rigeligt tilgængeligt på jorden, og det giver et bedre termisk interval.

Halvledere klassificeres yderligere i to typer som indre og ekstrinsiske halvledere.

Iboende halvledere:

Disse kaldes også som rene halvledere, hvor ladebærere (elektroner og huller) er i samme mængde ved stuetemperatur. Så strømledningen finder sted både af huller og elektroner.

Ekstreme halvledere:

For at øge antallet af huller eller elektroner i et materiale går vi efter ekstrinsiske halvledere, hvor urenheder (bortset fra silicium og germanium eller simpelthen trivalente eller pentavalente materialer) tilsættes til silicium. Denne proces med at tilføje urenheder til de rene halvledere kaldes doping.

Dannelse af P- og N-halvledere:

N-type halvleder:

Hvis der tilføjes pentavalente elementer (antallet af valenselektroner er fem) til Si eller Ge, så er der frie elektroner til rådighed. Da elektronerne (negativt ladede bærere) er mere i antal kaldes disse som N-type halvleder . I N-typen er halvlederelektroner majoritetsladningsbærere og huller er minoritetsladningsbærere.

Få pentavalente grundstoffer er fosfor, arsen, antimon og vismut. Da disse har overskydende valanceelektron og er parate til at parre med den eksterne positivt ladede partikel, kaldes disse elementer som donorer .

P-type halvleder

Tilsvarende, hvis der tilsættes treværdige grundstoffer som bor, aluminium, indium og gallium til Si eller Ge, dannes der et hul, fordi et antal valenselektroner i det er tre. Da et hul er klar til at acceptere en elektron og blive parret kaldes det som acceptorer . Da antallet af huller er overskydende i nydannet materiale kaldes disse som P-type halvledere . I P-type halvlederhuller er størstedelen af ladebærere og elektroner er mindretalsladningsbærere.

PN-forbindelsesdiode:

Hvis vi nu forbinder de to typer halvledere P-type og N-type, dannes der en ny enhed kaldet PN-forbindelsesdiode. Da der dannes en forbindelse mellem et P-type og N-type materiale, kaldes det som PN-kryds.

Ordet diode kan forklares som 'Di' betyder to, og 'ode' fås fra elektrode. Da den nyligt dannede komponent kan have to terminaler eller elektroder (den ene er forbundet til P-typen og den anden til N-typen) kaldes den som diode eller PN-forbindelsesdiode eller halvlederdiode.

Terminalen forbundet til P-type materiale kaldes Anode og terminalen forbundet til N-type materiale kaldes Cathode .

Den symbolske repræsentation af dioden er som følger.

Pilen angiver strømmen gennem den, når dioden er i fremadspændt tilstand, stregen eller blokken ved spidsen af pilen angiver blokering af strøm fra den modsatte retning.

PN Junction Theory:

Vi har set, hvordan en diode er lavet med P- og N-halvledere, men vi skal vide, hvad der sker indeni den for at danne en unik egenskab, der kun tillader strøm i en retning, og hvad der sker på det nøjagtige kontaktpunkt oprindeligt ved dets krydset.

Krydsdannelse:

Oprindeligt, når begge materialer forbindes (uden nogen ekstern spænding påført), bliver de overskydende elektroner i N-typen og overskydende huller i P-typen tiltrukket af hinanden og rekombineres, hvor dannelsen af immobile ioner (Donorion og Acceptor ion) finder sted som vist på billedet nedenfor. Disse immobile ioner modstår strømmen af elektroner eller huller gennem den, som nu fungerer som en barriere mellem de to materialer (dannelse af barriere betyder, at de immobile ioner diffunderer ind i P- og N-regioner). Barrieren, som nu dannes, kaldes udtømningsregion . Bredden af udtømningsområdet afhænger i dette tilfælde af dopingkoncentrationen i materialerne.

Hvis dopingkoncentrationen er ens i begge materialer, diffunderer de immobile ioner i både P- og N-materialerne ens.

Hvad hvis dopingkoncentrationen adskiller sig fra hinanden?

Nå, hvis dopingen adskiller sig, varierer også udtømningsregionens bredde. Dens diffusion er mere i det let dopede område og mindre i det stærkt doterede område .

Lad os nu se diodens opførsel, når korrekt spænding påføres.

Diode i fremadspænding

Der er mange dioder, hvis konstruktion er ens, men den anvendte materialetype er forskellig. For eksempel, hvis vi overvejer en lysemitterende diode, er den lavet af aluminium-, gallium- og arsenidmaterialer, som når de ophidses frigiver energi i form af lys. Tilsvarende overvejes variation i diodens egenskaber som intern kapacitans, tærskelspænding osv., Og en bestemt diode er designet ud fra dem.

Her har vi forklaret forskellige typer dioder med deres funktionsmåde, symbol og applikationer:

Zener-diode
LED
LASER-diode
Fotodiode
Varactor-diode
Schottky-diode
Tunneldiode
PIN-diode osv.

Lad os se funktionsprincippet og opbygningen af disse enheder kort.

Zener-diode:

P- og N-regionerne i denne diode er stærkt doteret, således at udtømningsområdet er meget snævert. I modsætning til en normal diode er dens nedbrydningsspænding meget lav, når omvendt spænding er større end eller lig med nedbrydningsspændingen, forsvinder udtømningsområdet, og en konstant spænding passerer gennem dioden, selvom omvendt spænding øges. Derfor bruges dioden til at regulere spænding og opretholde konstant udgangsspænding, når den er korrekt forspændt. Her er et eksempel på begrænsning af spænding ved hjælp af Zener.

Fordelingen i Zener-diode kaldes zener-sammenbrud . Det betyder, at når omvendt spænding påføres zenerdioden, udvikles et stærkt elektrisk felt ved krydset, hvilket er nok til at bryde de kovalente bindinger inden i krydset og forårsager stor strøm gennem. Zener-sammenbrud er forårsaget ved meget lave spændinger sammenlignet med lavineopdelingen.

Der er en anden type sammenbrud navngivet som lavineopdeling, der generelt ses i den normale diode, hvilket kræver en stor mængde omvendt spænding for at bryde krydset. Dets funktionsprincip er, når dioden er omvendt forspændt, små lækstrømme passerer gennem dioden, når omvendt spænding øges yderligere, øges lækstrømmen, som er hurtig nok til at bryde få kovalente bindinger inden for krydset, disse nye ladningsbærere bryder yderligere de resterende kovalente bindinger forårsager enorme lækstrømme, som kan beskadige dioden for evigt.

Lysdiode (LED):

Dens konstruktion ligner en simpel diode, men forskellige kombinationer af halvledere bruges til at generere forskellige farver. Det fungerer i fremadspændt tilstand. Når elektronhullets rekombination finder sted, frigives en resulterende foton, der udsender lys. Hvis fremadspændingen øges yderligere, frigives flere fotoner, og lysintensiteten øges også, men spændingen bør ikke overstige dens tærskelværdi, ellers bliver LED beskadiget.

For at generere forskellige farver bruges kombinationerne AlGaAs (Aluminium Gallium Arsenid) - rød og infrarød, GaP (Galliumphosphid) - gul og grøn, InGaN (Indium Gallium Nitrid) - blå og ultraviolette lysdioder osv. Kontroller et simpelt LED-kredsløb her.

For en IR-LED kan vi se dens lys gennem et kamera.

LASER-diode:

LASER står for Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Et PN-kryds er dannet af to lag doteret Galliumarsenid, hvor der påføres en højreflekterende belægning i den ene ende af krydset og en delvis reflekterende belægning i den anden ende. Når dioden er fremadspændt svarende til LED frigiver den fotoner, disse rammer andre atomer, således at fotoner frigøres for meget, når en foton rammer den reflekterende belægning og rammer krydset igen, flere fotoner frigøres, denne proces gentages og en høj intensitetsstråle lys frigives kun i en retning. Laserdiode har brug for et driverkredsløb for at fungere korrekt.

Den symbolske repræsentation af en LASER-diode svarer til den for LED.

Fotodiode:

I en fotodiode afhænger strømmen igennem den lysenergi, der påføres PN-krydset. Det drives i omvendt bias. Som diskuteret tidligere strømmer lille lækstrøm gennem en diode, når den er forspændt, som her kaldes mørk strøm . Da strømmen skyldes mangel på lys (mørke) kaldes det sådan. Denne diode er konstrueret på en sådan måde, at når lys rammer krydset, er det nok at bryde elektronhulparene og generere elektroner, hvilket øger den omvendte lækstrøm. Her kan du kontrollere fotodiode, der arbejder med IR-LED.

Varactor-diode:

Det kaldes også som Varicap (variabel kondensator) diode. Det fungerer i omvendt forspændt tilstand. Den generelle definition af en kondensatorseparation af den ledende plade med en isolator eller et dielektrikum, når en normal diode er omvendt forspændt, øges bredden af udtømningsområdet, da udtømningsområdet repræsenterer en isolator eller et dielektrikum, kan det nu fungere som kondensator. Med variationen af omvendt spænding forårsager adskillelse af P- og N-regioner at variere, hvilket fører dioden til at fungere som variabel kondensator.

Da kapacitans øges med fald i afstanden mellem pladerne, betyder den store omvendte spænding lav kapacitans og omvendt.

Schottky-diode:

Halvledere af N-typen er forbundet med metallet (guld, sølv), således at der findes elektroner med højt energiniveau i dioden. Disse betegnes som varme bærere, så denne diode kaldes også som varm bærerdiode . Det har ikke mindretalsbærere, og der findes ingen udtømningsregion, men der findes en metal halvlederkryds, når denne diode er forspændt, virker den leder, men ladningen har høje energiniveauer, som er nyttige ved hurtig skift, især i digitale kredsløb, disse er også bruges i mikrobølgeapplikationer. Tjek Schottky-dioden i aktion her.

Tunneldiode:

P- og N-regionerne i denne diode er stærkt doteret, så eksistensen af en udtømning er meget snæver. Det udviser negativ modstandsregion, som kan bruges som en oscillator og mikrobølgeforstærkere. Når denne diode er forspændt fremadrettet, da udtømningsområdet er smalt elektroner tunnelen gennem den, stiger strømmen hurtigt med en lille ændring i spænding. Når spændingen øges yderligere på grund af de overskydende elektroner i krydset, begynder udtømningsregionens bredde at stige, hvilket forårsager blokering af fremadgående strøm (hvor den negative modstandsregion dannes) når fremadspændingen øges yderligere fungerer den normal diode.

PIN-diode:

I denne diode er P- og N-regionerne adskilt af en iboende halvleder. Når dioden er omvendt forspændt, fungerer den som en kondensator med konstant værdi. I fremadspændt tilstand fungerer det som en variabel modstand, der styres af strøm. Det bruges i mikrobølgeapplikationer, der skal styres af jævnstrømsspænding.

Dens symbolske repræsentation svarer til en normal PN-diode.

Anvendelser af dioder:

Reguleret strømforsyning: Det er praktisk talt umuligt at generere jævnstrømsspænding, den eneste tilgængelige kilde er vekselstrømsspænding. Da dioderne er ensrettet, kan den bruges til at konvertere vekselstrøm til den pulserende jævnstrøm, og med yderligere filtreringssektioner (ved hjælp af kondensatorer og induktorer) kan der opnås en omtrentlig jævnstrømsspænding.

Tunerkredsløb: I kommunikationssystemer i modtagerenden, da antennen modtager alle tilgængelige radiofrekvenser i rummet, er der behov for at vælge en ønsket frekvens. Så tunerkredsløb bruges, der kun er kredsløbet med variable kondensatorer og induktorer. I dette tilfælde kan en varaktordiode anvendes.

Fjernsyn, trafiklys, displaykort: For at vise billeder på tv'er eller på displaykort bruges LED'er. Da LED bruger meget mindre strøm, bruges det i vid udstrækning i belysningssystemer som LED-pærer.

Spændingsregulatorer: Da Zener-dioden har en meget lav nedbrydningsspænding, kan den bruges som en spændingsregulator, når den er omvendt forspændt.

Detektorer i kommunikationssystemer: En velkendt detektor, der bruger diode, er en kuvertdetektor, der bruges til at detektere toppe af det modulerede signal.