Dioder: pn-kryss, typer, konstruksjon og arbeid

Hva er diode?

Generelt trenger alle elektroniske enheter likestrømforsyning, men det er umulig å generere likestrøm, så vi trenger et alternativ for å få litt likestrøm, og bruken av dioder kommer inn i bildet for å konvertere vekselstrøm til likestrøm. En diode er en liten elektronisk komponent som brukes i nesten alle elektroniske kretser for å muliggjøre strømmen av strøm i bare én retning ( ensrettet enhet ). Vi kan si at bruken av halvledermaterialer for å bygge de elektroniske komponentene ble startet med dioder. Før oppfinnelsen av dioder var det med vakuumrør, hvor anvendelsene til begge disse enhetene er like, men størrelsen okkupert av vakuumrøret vil være mye større enn diodene. Konstruksjonen av vakuumrør er litt kompleks, og de er vanskelige å vedlikeholde sammenlignet med halvlederdioder. Få anvendelser av dioder er retting, forsterkning, elektronisk bryter, konvertering av elektrisk energi til lysenergi og lysenergi til elektrisk energi.

Diodeens historie:

I 1940 jobbet Russell Ohl med en silisiumkrystall for å finne ut av egenskapene på Bell Labs. En dag ved et uhell da silisiumkrystallet som har en sprekk i det ble utsatt for sollyset, fant han strømmen av strøm gjennom krystallet, og det ble senere kalt som diode, som var begynnelsen på halvledertiden.

Konstruksjon av diode:

Faste materialer er generelt klassifisert i tre typer, nemlig ledere, isolatorer og halvledere. Ledere har et maksimalt antall frie elektroner, isolatorer har et minimum antall frie elektroner (ubetydelig slik at strømmen ikke er mulig i det hele tatt), mens halvledere kan være enten ledere eller isolatorer avhengig av potensialet som brukes på den. Halvledere som er i alminnelig bruk er silisium og Germanium. Silisium foretrekkes fordi det er rikelig tilgjengelig på jorden og det gir et bedre termisk område.

Halvledere klassifiseres videre i to typer som indre og ekstreme halvledere.

Iboende halvledere:

Disse kalles også som rene halvledere der ladebærere (elektroner og hull) er i samme mengde ved romtemperaturen. Så strømledningen skjer like ved både hull og elektroner.

Ekstreme halvledere:

For å øke antall hull eller elektroner i et materiale, går vi etter ekstrinsiske halvledere der urenheter (annet enn silisium og germanium eller bare treverdige eller pentavalente materialer) tilsettes silisiumet. Denne prosessen med å tilsette urenheter til de rene halvledere kalles doping.

Dannelse av halvledere av typen P og N:

N-type halvleder:

Hvis pentavalente elementer (antall valenselektroner er fem) blir lagt til Si eller Ge, er det gratis elektroner tilgjengelig. Ettersom elektronene (negativt ladede bærere) er flere i antall kalles disse som N-type halvleder . I N-typen er halvlederelektroner majoritetsladere og hull er minoritetsladningsbærere.

Få pentavalente elementer er fosfor, arsen, antimon og vismut. Siden disse har overflødig valanselektron og er klare til å pares med den ytre positivt ladede partikkelen, kalles disse elementene som givere .

P-Type halvleder

Tilsvarende, hvis treverdige elementer som bor, aluminium, indium og gallium legges til Si eller Ge, dannes et hull fordi et antall valenselektroner i det er tre. Siden et hull er klart til å akseptere et elektron og bli paret, kalles det som akseptorer . Ettersom antall hull er overskudd i nydannet materiale, kalles disse P-type halvledere . I P-type halvlederhull er flertalladebærere og elektroner er minoritetsladebærere.

PN-koblingsdiode:

Nå, hvis vi forbinder de to typene halvledere P-type og N-type sammen, dannes en ny enhet kalt PN-kryssdiode. Siden et kryss dannes mellom et P-type og N-type materiale, kalles det PN-kryss.

Ordet diode kan forklares som 'Di' betyr to og 'ode' er hentet fra elektrode. Ettersom den nylig dannede komponenten kan ha to terminaler eller elektroder (den ene er koblet til P-type og den andre til N-typen) kalles den som diode eller PN-kryssdiode eller halvlederdiode.

Terminalen koblet til P-type materiale kalles Anode og terminalen koblet til N-type materiale kalles Cathode .

Den symbolske representasjonen av dioden er som følger.

Pilen indikerer strømmen gjennom den når dioden er i foroverspent modus, dash eller blokken på spiss av pilen indikerer blokkering av strøm fra motsatt retning.

PN Junction Theory:

Vi har sett hvordan en diode er laget med P- og N-halvledere, men vi trenger å vite hva som skjer inne i den for å danne en unik egenskap for å tillate strøm i bare én retning og hva som skjer på det nøyaktige kontaktpunktet, først ved krysset.

Kryssformasjon:

Når begge materialene er koblet sammen (uten ekstern spenning påført), vil de overskytende elektronene i N-typen og overflødige hull i P-typen tiltrekkes av hverandre og rekombineres der dannelsen av immobile ioner (donorion og Acceptor ion) finner sted som vist på bildet nedenfor. Disse immobile ionene motstår strømmen av elektroner eller hull gjennom den som nå fungerer som en barriere mellom de to materialene (dannelse av barriere betyr at de immobile ionene diffunderer inn i P- og N-regionene). Barrieren som nå er dannet kalles utarmingsregion . Bredden på uttømmingsområdet avhenger i dette tilfellet av dopingkonsentrasjonen i materialene.

Hvis dopingkonsentrasjonen er lik i begge materialene, diffunderer de immobile ionene likt i både P- og N-materialene.

Hva om dopingkonsentrasjonen er forskjellig fra hverandre?

Vel, hvis dopingen er forskjellig, varierer også bredden på utarmingsområdet. Dens diffusjon går mer inn i den lett dopede regionen og mindre inn i den sterkt dopede regionen .

La oss nå se diodenes oppførsel når riktig spenning påføres.

Diode i fremoverskjevhet

Det er mange dioder hvis konstruksjon er lik, men typen materiale som brukes er forskjellig. For eksempel, hvis vi vurderer en lysemitterende diode, er den laget av aluminium-, gallium- og arsenidmaterialer som når de blir begeistret frigjør energi i form av lys. Tilsvarende vurderes variasjon i diodens egenskaper som intern kapasitans, terskelspenning osv., Og en bestemt diode er utformet basert på disse.

Her har vi forklart forskjellige typer dioder med deres arbeid, symbol og applikasjoner:

• Zener-diode
• LED
• LASER-diode
• Fotodiode
• Varaktordiode
• Schottky-diode
• Tunneldiode
• PIN-diode etc.

La oss se arbeidsprinsippet og konstruksjonen av disse enhetene kort.

Zener-diode:

P- og N-regionene i denne dioden er sterkt dopet slik at uttømningsområdet er veldig smalt. I motsetning til en normal diode er nedbrytningsspenningen veldig lav, når reversspenningen er større enn eller lik nedbrytningsspenningen, forsvinner uttømningsområdet og en konstant spenning passerer gjennom dioden selv om revers spenning økes. Derfor brukes dioden til å regulere spenningen og opprettholde konstant utgangsspenning når den er riktig forspent. Her er et eksempel på å begrense spenningen ved hjelp av Zener.

Sammenbruddet i Zener-dioden kalles zener-sammenbrudd . Det betyr at når omvendt spenning påføres zenerdioden, utvikles det et sterkt elektrisk felt ved krysset som er nok til å bryte de kovalente bindingene i krysset og forårsaker stor strøm gjennom. Zener-sammenbrudd er forårsaket ved veldig lave spenninger sammenlignet med skrednedbrytningen.

Det er en annen type sammenbrudd som kalles snøskred sammenbrudd, vanligvis sett i normal diode, som krever stor mengde omvendt spenning for å bryte krysset. Dets arbeidsprinsipp er når dioden er omvendt forspent, små lekkasjestrømmer passerer gjennom dioden, når reversspenningen økes ytterligere, øker også lekkasjestrømmen som er rask nok til å bryte noen kovalente bindinger i krysset disse nye ladningsbærerne bryter videre de resterende kovalente bindingene som forårsaker store lekkasjestrømmer som kan skade dioden for alltid.

Lysdiode (LED):

Dens konstruksjon ligner på en enkel diode, men forskjellige kombinasjoner av halvledere brukes til å generere forskjellige farger. Det fungerer i forspent modus. Når elektronhullkombinasjonen finner sted, frigjøres en resulterende foton som avgir lys. Hvis fremoverspenningen økes ytterligere, vil flere fotoner frigjøres og lysintensiteten øker, men spenningen bør ikke overstige terskelverdien, ellers blir LED-en skadet.

For å generere forskjellige farger brukes kombinasjonene AlGaAs (Aluminium Gallium Arsenide) - rød og infrarød, GaP (Gallium Phosphide) - gul og grønn, InGaN (Indium Gallium Nitride) - blå og ultrafiolette lysdioder osv. Sjekk en enkel LED-krets her.

For en IR-LED kan vi se lyset gjennom et kamera.

LASER-diode:

LASER står for Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Et PN-kryss er dannet av to lag dopet Galliumarsenid der det påføres et høyt reflekterende belegg i den ene enden av krysset og et delvis reflekterende belegg i den andre enden. Når dioden er forspent lik LED, frigjør den fotoner, disse treffer andre atomer slik at fotoner frigjøres for mye, når et foton treffer det reflekterende belegget og slår tilbake på krysset igjen, frigjør flere fotoner, denne prosessen gjentas og en høy intensitetsstråle lys frigjøres i bare én retning. Laserdiode trenger en driverkrets for å fungere skikkelig.

Den symbolske representasjonen av en LASER-diode er lik den for LED.

Fotodiode:

I en fotodiode avhenger strømmen gjennom den av lysenergien som brukes på PN-krysset. Den drives i omvendt skjevhet. Som diskutert tidligere, strømmer liten lekkasjestrøm gjennom en diode når den er forspent, som her kalles mørk strøm . Ettersom strømmen skyldes mangel på lys (mørke) kalles det slik. Denne dioden er konstruert på en slik måte at når lys treffer krysset, er det nok å bryte elektronhullparene og generere elektroner som øker den omvendte lekkasjestrømmen. Her kan du sjekke fotodiode som fungerer med IR-LED.

Varactor-diode:

Det kalles også som Varicap (variabel kondensator) diode. Den fungerer i omvendt forspent modus. Den generelle definisjonen av en kondensatorseparasjon av ledende plate med en isolator eller et dielektrikum, når en normal diode er omvendt forspent, øker bredden på uttømningsområdet, ettersom uttømningsområdet representerer en isolator eller et dielektrikum, kan det nå fungere som kondensator. Med variasjonen av omvendt spenning forårsaker separasjon av P- og N-regioner å variere, og fører dermed dioden til å fungere som variabel kondensator.

Siden kapasitans øker med redusert avstand mellom platene, betyr den store omvendte spenningen lav kapasitans og omvendt.

Schottky-diode:

Halvledere av N-typen er koblet til metallet (gull, sølv) slik at det eksisterer elektroner med høyt energinivå i dioden. Disse kalles varme bærere, så denne dioden kalles også som varmbærerdiode . Den har ikke minoritetsbærere og ingen uttømmingsregion eksisterer, men det eksisterer et metall-halvlederkryss, når denne dioden er forspent, virker den som leder, men ladningen har høye energinivåer som er nyttige i rask bytte, spesielt i digitale kretser, dette er brukes i mikrobølgeovn applikasjoner. Sjekk Schottky-dioden i aksjon her.

Tunneldiode:

P- og N-regionene i denne dioden er sterkt dopet slik at eksistensen av en utarmning er veldig smal. Den viser negativ motstandsregion som kan brukes som en oscillator og mikrobølgeovnforsterkere. Når denne dioden først er forspent, siden uttømmingsområdet er smalt, treffer elektronene gjennom den, øker strømmen raskt med en liten endring i spenningen. Når spenningen økes ytterligere, på grunn av overflødige elektroner i krysset, begynner bredden på uttømningsområdet å øke og forårsaker blokkering av fremoverstrøm (der den negative motstandsregionen dannes) når fremoverspenningen økes ytterligere fungerer den som en normal diode.

PIN-diode:

I denne dioden er P- og N-områdene skilt av en egen halvleder. Når dioden er omvendt forspent, fungerer den som en konstant verdsatt kondensator. I forspent tilstand fungerer den som en variabel motstand som styres av strøm. Den brukes i mikrobølgeapplikasjoner som skal styres av likestrøm.

Den symbolske representasjonen ligner på en normal PN-diode.

Anvendelser av dioder:

• Regulert strømforsyning: Det er praktisk talt umulig å generere likestrøm, den eneste tilgjengelige kildetypen er vekselstrøm. Siden diodene er ensrettet, kan den brukes til å konvertere vekselstrøm til den pulserende likestrøm, og med ytterligere filtreringsseksjoner (ved bruk av kondensatorer og induktorer) kan en omtrentlig likspenning oppnås.

• Tunerkretser: I kommunikasjonssystemer ved mottakersiden, siden antennen mottar alle tilgjengelige radiofrekvenser i rommet, er det behov for å velge ønsket frekvens. Så tunerkretser brukes som ikke er annet enn kretsen med variable kondensatorer og induktorer. I dette tilfellet kan en varaktordiode brukes.

• TV- apparater, trafikklys, displaybrett: For å vise bilder på TV-er eller på displaybrett brukes LED-lys. Siden LED bruker mindre strøm, brukes det mye i belysningssystemer som LED-pærer.

• Spenningsregulatorer: Siden Zener-dioden har en veldig lav nedbrytningsspenning, kan den brukes som en spenningsregulator når den er reversert forspent.

• Detektorer i kommunikasjonssystemer: En kjent detektor som bruker diode er en konvoluttdetektor som brukes til å oppdage toppene til det modulerte signalet.