Diode: joncțiune pn, tipuri, construcție și lucru

Ce este dioda?

În general, toate dispozitivele electronice au nevoie de alimentare cu curent continuu, dar este imposibil să se genereze curent continuu, deci avem nevoie de o alternativă pentru a obține o anumită putere de curent continuu, astfel utilizarea diodelor apare în imagine pentru a converti puterea de curent alternativ în curent continuu. O diodă este o mică componentă electronică utilizată în aproape toate circuitele electronice pentru a permite fluxul de curent într-o singură direcție ( dispozitiv unidirecțional) ). Putem spune că utilizarea materialelor semiconductoare pentru a construi componentele electronice a început cu diode. Înainte de invenția diodei existau cu tuburi de vid, unde aplicațiile ambelor dispozitive sunt similare, dar dimensiunea ocupată de tubul de vid va fi mult mai mare decât diodele. Construcția tuburilor de vid este puțin complexă și sunt dificil de întreținut în comparație cu diodele semiconductoare. Puține aplicații ale diodelor sunt rectificarea, amplificarea, comutatorul electronic, conversia energiei electrice în energie luminoasă și energia luminii în energie electrică.

Istoria diodei:

În anul 1940, la Bell Labs, Russell Ohl lucra cu un cristal de siliciu pentru a afla proprietățile sale. Într-o zi, accidental, când cristalul de siliciu care are o fisură în el a fost expus la lumina soarelui, el a găsit fluxul de curent prin cristal și care ulterior a fost numit diodă, care a fost începutul erei semiconductorilor.

Construcția diodei:

Materialele solide sunt clasificate în general în trei tipuri și anume conductoare, izolatoare și semiconductoare. Conductorii au un număr maxim de electroni liberi, izolatorii au un număr minim de electroni liberi (neglijabil astfel încât fluxul de curent nu este deloc posibil) în timp ce semiconductorii pot fi fie conductori, fie izolatori, în funcție de potențialul aplicat acestuia. Semiconductorii care sunt de uz general sunt siliciu și germaniu. Siliciul este preferat, deoarece este disponibil din abundență pe pământ și oferă o gamă termică mai bună.

Semiconductorii sunt clasificați în continuare în două tipuri ca semiconductori intrinseci și extrinseci.

Semiconductori intrinseci:

Aceștia sunt numiți și ca semiconductori puri în care purtătorii de sarcină (electroni și găuri) sunt în cantitate egală la temperatura camerei. Deci conducerea curentă are loc atât prin găuri, cât și prin electroni.

Semiconductori extrinseci:

Pentru a crește numărul de găuri sau electroni dintr-un material, ne îndreptăm spre semiconductori extrinseci în care se adaugă impurități (altele decât siliciu și germaniu sau pur și simplu materiale trivalente sau pentavalente) la siliciu. Acest proces de adăugare a impurităților semiconductorilor puri se numește Doping.

Formarea semiconductoarelor de tip P și N:

Semiconductor de tip N:

Dacă elementele pentavalente (numărul de electroni de valență sunt cinci) sunt adăugate la Si sau Ge, atunci sunt disponibili electroni liberi. In timp ce electronii (purtători încărcați negativ) sunt mai în număr acestea sunt numite ca N-semiconductor de tip . În tipul N, electronii semiconductori sunt purtători de sarcină majoritari, iar găurile sunt purtători de sarcină minoritari.

Puține elemente pentavalente sunt Fosfor, Arsenic, Antimoniu și Bismut. Deoarece aceștia au exces de electron de valanță și sunt gata să se asocieze cu particula externă încărcată pozitiv, aceste elemente sunt numite donatori .

Semiconductor de tip P

În mod similar, dacă elemente trivalente precum borul, aluminiul, indiul și galiul sunt adăugate la Si sau Ge, se creează o gaură deoarece un număr de electroni de valență din acesta sunt trei. Deoarece o gaură este gata să accepte un electron și să fie împerecheat, se numește Acceptori . Deoarece numărul de găuri sunt în exces într -un material nou format acestea sunt numite ca semiconductori de tip P . În orificiile semiconductoare de tip P sunt purtători de sarcină majoritari, iar electronii sunt purtători de sarcină minoritari.

Diodă de joncțiune PN:

Acum, dacă unim cele două tipuri de semiconductoare de tip P și de tip N, atunci se formează un nou dispozitiv numit diodă de joncțiune PN. Deoarece se formează o joncțiune între un tip de tip P și un material de tip N, se numește joncțiune PN.

Cuvântul diodă poate fi explicat deoarece „Di” înseamnă două și „oda” se obține din electrod. Deoarece componenta nou formată poate avea doi terminali sau electrozi (unul conectat la tipul P și celălalt la tipul N) se numește diodă sau diodă de joncțiune PN sau diodă semiconductoare.

Terminalul conectat la materialul de tip P se numește Anod și terminalul conectat la materialul de tip N se numește Catod .

Reprezentarea simbolică a diodei este după cum urmează.

Săgeata indică fluxul de curent prin ea când dioda este în modul polarizat înainte, liniuța sau blocul din vârful săgeții indică blocarea curentului din direcția opusă.

Teoria PN Junction:

Am văzut cum se face o diodă cu semiconductori P și N, dar trebuie să știm ce se întâmplă în interiorul ei pentru a forma o proprietate unică de a permite curentul într-o singură direcție și ce se întâmplă la punctul exact de contact inițial la joncțiunea sa.

Formarea joncțiunii:

Inițial, când ambele materiale sunt unite între ele (fără aplicarea tensiunii externe), excesul de electroni din tipul N și orificiile în exces din tipul P vor fi atrași unul de celălalt și vor fi recombinați unde se formează ioni imobile (ion donator). și Acceptor ion) are loc așa cum se arată în imaginea de mai jos. Acești ioni imobile rezistă fluxului de electroni sau găuri prin el, care acționează acum ca o barieră între cele două materiale (formarea barierei înseamnă că ionii imobile se difuzează în regiunile P și N). Bariera care se formează acum se numește regiune de epuizare . Lățimea regiunii de epuizare în acest caz depinde de concentrația de dopaj din materiale.

Dacă concentrația de dopaj este egală în ambele materiale, atunci ionii imobile se difuzează în ambele materiale P și N în mod egal.

Ce se întâmplă dacă concentrația de dopaj diferă între ele?

Ei bine, dacă dopajul diferă, lățimea regiunii de epuizare diferă, de asemenea. Difuzia sa este mai mult în regiunea ușor dopată și mai puțin în regiunea puternic dopată .

Acum să vedem comportamentul diodei când se aplică o tensiune adecvată.

Diodă în prejudecată înainte

Există un număr de diode a căror construcție este similară, dar tipul de material utilizat diferă. De exemplu, dacă luăm în considerare o diodă emițătoare de lumină, aceasta este fabricată din materiale de aluminiu, galiu și arsenidă care, atunci când sunt excitați, eliberează energie sub formă de lumină. În mod similar, sunt luate în considerare variațiile proprietăților diodei, cum ar fi capacitatea internă, tensiunea de prag etc., iar o anumită diodă este proiectată pe baza acestora.

Aici am explicat diferite tipuri de diode cu funcționarea, simbolul și aplicațiile lor:

• diodă Zener
• LED
• Diodă LASER
• Fotodiodă
• Diodă Varactor
• Diodă Schottky
• Diodă tunel
• Diodă PIN etc.

Să vedem pe scurt principiul de funcționare și construcția acestor dispozitive.

Diodă Zener:

Regiunile P și N din această diodă sunt puternic dopate, astfel încât regiunea de epuizare este foarte îngustă. Spre deosebire de o diodă normală , tensiunea sa de rupere este foarte mică, atunci când tensiunea inversă este mai mare sau egală cu tensiunea de avarie, regiunea de epuizare este dispărută și o tensiune constantă trece prin diodă chiar dacă tensiunea inversă este crescută. Prin urmare, dioda este utilizată pentru reglarea tensiunii și menținerea tensiunii de ieșire constante atunci când este polarizată corect. Iată un exemplu de tensiune limitativă folosind Zener.

Defalcarea diodei Zener se numește defalcare zener . Înseamnă că atunci când tensiunea inversă este aplicată diodei zener, la joncțiune se dezvoltă un câmp electric puternic, care este suficient pentru a rupe legăturile covalente din joncțiune și provoacă un flux mare de curent. Defectarea Zener este cauzată de tensiuni foarte mici în comparație cu defectarea avalanșei.

Există un alt tip de defecțiune denumită defalcare avalanșă observată în general în dioda normală, care necesită o cantitate mare de tensiune inversă pentru a rupe joncțiunea. Principiul său de funcționare este când dioda este polarizată invers, mici curenți de scurgere trec prin diodă, când tensiunea inversă este crescută, crește și curentul de scurgere, care este suficient de rapid pentru a rupe câteva legături covalente în joncțiune, acești noi purtători de sarcină se descompun în continuare legăturile covalente rămase provocând curenți de scurgere uriași care pot deteriora dioda pentru totdeauna.

Diodă emițătoare de lumină (LED):

Construcția sa este similară cu o diodă simplă, dar sunt utilizate diverse combinații de semiconductori pentru a genera culori diferite. Acesta funcționează în modul înainte părtinitoare. Când recombinarea găurii electronice are loc, se eliberează un foton rezultat care emite lumină, dacă tensiunea directă este crescută, mai mulți fotoni vor fi eliberați și intensitatea luminii crește, dar tensiunea nu trebuie să depășească valoarea pragului, altfel LED-ul se deteriorează.

Pentru a genera diferite culori, se utilizează combinații de AlGaAs (aluminiu arsenidă de galiu) - roșu și infraroșu, GaP (fosfură de galiu) - galben și verde, InGaN (azotură de galiu de indiu) - LED-uri albastre și ultraviolete etc. Verificați un circuit LED simplu aici.

Pentru un LED IR putem vedea lumina acestuia printr-o cameră.

Diodă LASER:

LASER înseamnă Amplificarea luminii prin emisie stimulată de radiații. O joncțiune PN este formată din două straturi de arsenidă de galiu dopată, unde se aplică un strat reflectorizant înalt la un capăt al joncțiunii și un strat parțial reflectorizant la celălalt capăt. Când dioda este orientată spre înainte similar cu LED-ul, eliberează fotoni, aceștia lovesc alți atomi, astfel încât fotonii vor fi eliberați excesiv, atunci când un foton lovește învelișul reflectorizant și lovește din nou joncțiunea, eliberează mai mulți fotoni, acest proces se repetă și un fascicul de intensitate mare de lumină este eliberată într-o singură direcție. Dioda laser are nevoie de un circuit Driver pentru a funcționa corect.

Reprezentarea simbolică a unei diode LASER este similară cu cea a LED-ului.

Foto diodă:

Într-o diodă foto, curentul prin aceasta depinde de energia luminii aplicată pe joncțiunea PN. Se operează în polarizare inversă. Așa cum s-a discutat mai devreme, curentul mic de scurgere curge printr-o diodă atunci când este polarizat invers, numit aici curent întunecat . Deoarece curentul se datorează lipsei de lumină (întuneric), se numește așa. Această diodă este construită în așa fel încât, atunci când lumina lovește joncțiunea, este suficient să rupă perechile de găuri de electroni și să genereze electroni care măresc curentul de scurgere invers. Aici puteți verifica fotodiodele care lucrează cu LED-uri IR.

Dioda Varactor:

Este, de asemenea, numită diodă Varicap (condensator variabil). Acesta funcționează în modul polarizată invers. Definiția generală a separării condensatorului plăcii conductoare cu un izolator sau un dielectric, atunci când o diodă normală este polarizată invers, lățimea regiunii de epuizare crește, deoarece regiunea de epuizare reprezintă un izolator sau un dielectric acum poate acționa ca condensator. Odată cu variația tensiunii inverse, separarea regiunilor P și N variază, astfel încât dioda să funcționeze ca condensator variabil.

Deoarece capacitatea crește odată cu scăderea distanței dintre plăci, tensiunea inversă mare înseamnă capacitatea scăzută și invers.

Dioda Schottky:

Semiconductorul de tip N este legat de metal (aur, argint) astfel încât există electroni cu nivel ridicat de energie în diodă, aceștia fiind numiți purtători fierbinți, astfel încât această diodă este numită și diodă purtătoare fierbinte . Nu are purtători minoritari și nu există o regiune de epuizare, existând mai degrabă o joncțiune semiconductoare metalică, când această diodă este polarizată înainte, acționează conductor, dar sarcina are niveluri ridicate de energie, care sunt utile în comutarea rapidă, în special în circuitele digitale. utilizat în aplicații cu microunde. Verificați Schottky Diode în acțiune aici.

Diodă tunel:

Regiunile P și N din această diodă sunt puternic dopate, astfel încât existența unei epuizări este foarte îngustă. Prezintă o regiune de rezistență negativă care poate fi utilizată ca oscilator și amplificatoare cu microunde. Când această diodă este polarizată înainte, din moment ce regiunea de epuizare este îngustă prin tunelul de electroni, curentul crește rapid cu o mică modificare a tensiunii. Când tensiunea crește în continuare, din cauza excesului de electroni de la joncțiune, lățimea regiunii de epuizare începe să crească, provocând blocarea curentului direct (unde se formează regiunea de rezistență negativă) atunci când tensiunea directă este crescută și acționează ca o diodă normală.

Diodă PIN:

În această diodă, regiunile P și N sunt separate de un semiconductor intrinsec. Când dioda este polarizată invers, acționează ca un condensator cu valoare constantă. În condiții de polarizare directă, acționează ca o rezistență variabilă care este controlată de curent. Este utilizat în aplicații cu microunde care urmează să fie controlate de tensiune continuă.

Reprezentarea sa simbolică este similară cu o diodă PN normală.

Aplicații ale diodelor:

• Alimentare reglementată: Practic este imposibil să se genereze tensiune continuă, singurul tip de sursă disponibilă este tensiunea alternativă. Deoarece diodele sunt dispozitive unidirecționale, acesta poate fi utilizat pentru a converti tensiunea de curent alternativ în curent continuu pulsatoriu și cu secțiuni de filtrare suplimentare (folosind condensatori și inductoare) se poate obține o tensiune continuă de curent continuu.

• Circuite tuner: În sistemele de comunicații de la capătul receptorului, deoarece antena primește toate frecvențele radio disponibile în spațiu, este necesar să selectați frecvența dorită. Deci, se folosesc circuite tuner care nu sunt altceva decât circuitul cu condensatori și inductori variabili. În acest caz poate fi utilizată o diodă varactor.

• Televizoare, semafoare, panouri de afișare: Pentru a afișa imagini pe televizoare sau pe panouri de afișare se utilizează LED-uri. Deoarece LED-ul consumă foarte puțină energie, este utilizat pe scară largă în sistemele de iluminat, cum ar fi becurile cu LED-uri.

• Regulatoare de tensiune: Deoarece dioda Zener are o tensiune de avarie foarte mică, ea poate fi utilizată ca regulator de tensiune atunci când este polarizată invers.

• Detectoare în sistemele de comunicații: Un detector bine cunoscut care folosește dioda este un detector de plic care este utilizat pentru a detecta vârfurile semnalului modulat.