Діоди: pn-перехід, типи, конструкція та робота

Що таке діод?

Загалом, всі електронні пристрої потребують живлення постійного струму, але генерувати постійне струм неможливо, тому нам потрібна альтернатива, щоб отримати деяку потужність постійного струму, отже, використання діодів входить у картину для перетворення джерела змінного струму в потужність постійного струму. Діод - це крихітний електронний компонент, який використовується майже у всіх електронних схемах для забезпечення потоку струму лише в одному напрямку ( односпрямований пристрій ). Можна сказати, що використання напівпровідникових матеріалів для побудови електронних компонентів було розпочато з діодів. До винаходу діодів існували вакуумні трубки, де застосування обох цих пристроїв подібне, але розмір, зайнятий вакуумною трубкою, буде набагато більшим, ніж діоди. Конструкція вакуумних ламп дещо складна, і їх важко підтримувати у порівнянні з напівпровідниковими діодами. Кілька застосувань діодів - це випрямлення, посилення, електронний перемикач, перетворення електричної енергії в світлову енергію та світлової енергії в електричну.

Історія діодів:

У 1940 році в лабораторіях Белл Рассел Ол працював із кристалом кремнію, щоб з’ясувати його властивості. Одного разу випадково, коли кристал кремнію, в якому є тріщина, потрапив на сонячне світло, він виявив потік струму крізь кристал, який згодом назвали діодом, що було початком ери напівпровідників.

Конструкція діода:

Тверді матеріали, як правило, класифікуються на три типи, а саме провідники, ізолятори та напівпровідники. Провідники мають максимальну кількість вільних електронів, ізолятори мають мінімальну кількість вільних електронів (незначно, так що потік струму взагалі неможливий), тоді як напівпровідники можуть бути або провідниками, або ізоляторами залежно від потенціалу, що застосовується до нього. Загальновживаними напівпровідниками є кремній та германій. Кремній є кращим, оскільки він широко доступний на землі і дає кращий температурний діапазон.

Далі напівпровідники класифікуються на два типи як внутрішні та зовнішні напівпровідники.

Власні напівпровідники:

Вони також називаються чистими напівпровідниками, де носії заряду (електрони та дірки) мають однакову кількість при кімнатній температурі. Отже, провідність струму відбувається як дірками, так і електронами однаково.

Зовнішні напівпровідники:

Для того, щоб збільшити кількість дірок або електронів у матеріалі, ми використовуємо зовнішні напівпровідники, де до кремнію додаються домішки (крім кремнію та германію або просто тривалентні або пентавалентні матеріали). Цей процес додавання домішок до чистих напівпровідників називається легуванням.

Формування напівпровідників типу P та N:

Напівпровідник N-типу:

Якщо до Si або Ge додати пентавалентні елементи (кількість валентних електронів - п’ять), то доступні вільні електрони. Оскільки електронів (негативно заряджених носіїв) більше, їх називають напівпровідниками N-типу . У N-типі напівпровідникові електрони є основними носіями заряду, а дірки - міноритарними носіями заряду.

Мало п’ятивалентних елементів - фосфор, миш’як, сурма та вісмут. Оскільки вони мають надлишковий валансний електрон і готові до пари з зовнішньою позитивно зарядженою частинкою, ці елементи називаються донорами .

Напівпровідник P-типу

Подібним чином, якщо до Si або Ge додати тривалентні елементи, такі як бор, алюміній, індій та галій, створюється діра, оскільки кількість валентних електронів у ній становить три. Оскільки дірка готова прийняти електрон і спаритися, вона називається акцепторами . Оскільки число отворів надлишку знову сформований матеріал вони називаються напівпровідниками р-типу . У напівпровідникових дірках типу Р більшість носіїв заряду, а електрони - міноритарні носії заряду.

PN діод з'єднання:

Тепер, якщо ми об’єднаємо два типи напівпровідників P-типу та N-типу, тоді утворюється новий пристрій, який називається діодом PN-з'єднання. Оскільки з'єднання утворюється між матеріалом типу P та N, це називається PN-з'єднанням.

Слово діод можна пояснити як "Di" означає два, а "ода" отримується з електрода. Оскільки новоутворений компонент може мати два затискачі або електроди (один підключений до P-типу, а інший до N-типу), його називають діодом або діодом PN-з'єднання або діодом напівпровідника.

Термінал, підключений до матеріалу типу P, називається анодом, а термінал, підключений до матеріалу типу N, - катодом .

Символічне уявлення діода полягає в наступному.

Стрілка вказує потік струму через нього, коли діод перебуває в режимі зсуву вперед, тире або блок на кінчику стрілки вказує на блокування струму з протилежного напрямку.

Теорія з'єднання PN:

Ми бачили, як діод виготовляється з напівпровідниками P і N, але нам потрібно знати, що відбувається всередині нього, щоб сформувати унікальну властивість пропускати струм лише в одному напрямку і що відбувається в точній точці контакту спочатку на місці його з'єднання.

Формування перехрестя:

Спочатку, коли обидва матеріали з'єднані між собою (без прикладання будь-якої зовнішньої напруги), надлишкові електрони N-типу та надлишкові дірки P-типу притягуються один до одного і рекомбінуються там, де утворюються нерухомі іони і іон акцептора) має місце, як показано на малюнку нижче. Ці нерухомі іони чинять опір потоку електронів або дірок, які через них діють як бар'єр між двома матеріалами (утворення бар'єру означає, що нерухомі іони дифундують в області P і N). Бар'єр, який утворюється зараз, називається областю виснаження . Ширина області виснаження в цьому випадку залежить від концентрації легуючого матеріалу.

Якщо концентрація легування дорівнює в обох матеріалах, тоді нерухомі іони дифундують однаково як в матеріали P, так і в N.

Що робити, якщо концентрація допінгу відрізняється між собою?

Добре, якщо допінг відрізняється, ширина області виснаження також відрізняється. Його дифузія більше спрямована на слаболеговану область і менше в сильнолеговану область .

Тепер давайте подивимося, як поводиться діод при подачі належної напруги.

Діод у прямому зміщенні

Існує кількість діодів, конструкція яких схожа, але тип використовуваного матеріалу відрізняється. Наприклад, якщо розглядати світлодіод, він виготовлений з алюмінію, галію та арсеніду, які при збудженні виділяють енергію у вигляді світла. Подібним чином враховуються зміни у властивостях діодів, таких як внутрішня ємність, порогова напруга тощо, і на основі них розробляється конкретний діод.

Тут ми пояснили різні типи діодів з їх роботою, позначенням та застосуванням:

• Стабілітрон
• СВІТЛОДІОДНИЙ
• ЛАЗЕРНИЙ діод
• Фотодіод
• Варакторний діод
• Діод Шотткі
• Тунельний діод
• PIN-діод тощо

Давайте коротко розберемо принцип роботи та конструкцію цих пристроїв.

Стабілітрон:

Області P і N у цьому діоді сильно леговані, так що область виснаження дуже вузька. На відміну від звичайного діода, його напруга пробою дуже низька, коли зворотна напруга більша або дорівнює напрузі пробою, область виснаження зникає, а постійна напруга проходить через діод, навіть якщо зворотна напруга збільшена. Тому діод використовується для регулювання напруги та підтримки постійної вихідної напруги при правильному зміщенні. Ось один із прикладів обмеження напруги за допомогою стабілітрона.

Поломка стабілітрона називається пробою стабілітрона . Це означає, що, коли до стабілітрона подається зворотна напруга, на переході розвивається сильне електричне поле, якого достатньо для розриву ковалентних зв'язків у переході і викликає великий потік струму. Пробій стабілітрона викликається при дуже низьких напругах у порівнянні з лавинним пробоєм.

Існує ще один тип пробою, який називається лавиноподібним, як правило, спостерігається у звичайному діоді, який вимагає великої кількості зворотної напруги для розриву місця з'єднання. Його принцип роботи полягає в тому, коли діод має зворотний зсув, через діод проходять малі струми витоку, коли зворотна напруга додатково збільшується, струм витоку також збільшується, що досить швидко, щоб розірвати кілька ковалентних зв'язків у місці з'єднання, ці нові носії заряду ще більше руйнуються решта ковалентних зв'язків викликають величезні струми витоку, які можуть назавжди пошкодити діод.

Світлодіод (LED):

Його конструкція схожа на простий діод, але різні комбінації напівпровідників використовуються для створення різних кольорів. Він працює в упередженому режимі. Коли відбувається рекомбінація електронної дірки, виникає результуючий фотон, який випромінює світло, якщо подальша напруга додатково збільшується, буде виділятися більше фотонів, а інтенсивність світла також збільшується, але напруга не повинна перевищувати порогове значення, інакше світлодіод пошкоджується.

Для генерації різних кольорів використовуються комбінації AlGaAs (арсенід алюмінію галію) - червоний та інфрачервоний, GaP (фосфід галію) - жовтий та зелений, InGaN (нітрид галію галію) - сині та ультрафіолетові світлодіоди тощо. Перевірте просту схему світлодіодів тут.

Для ІЧ-світлодіода ми можемо бачити його світло через камеру.

ЛАЗЕРНИЙ ДІОД:

LASER означає посилення світла за рахунок стимульованого випромінювання. PN-перехід утворений двома шарами легованого арсеніду галію, де на одному кінці переходу нанесено високоотражаюче покриття, а на іншому - часткове відбивне покриття. Коли діод зміщується вперед, подібно до світлодіода, він випускає фотони, вони потрапляють в інші атоми, так що фотони будуть виділятися надмірно, коли фотон потрапляє на відбивне покриття і знову відбиває з'єднання, більше фотонів виділяється, цей процес повторюється і промінь високої інтенсивності світла виділяється лише в одному напрямку. Для нормальної роботи лазерного діода потрібна схема драйвера.

Символічне зображення діода LASER схоже на світлодіодне.

Фото діод:

На фотодіоді струм, що проходить через нього, залежить від світлової енергії, що подається на PN-перехід. Він працює з зворотним зміщенням. Як обговорювалося раніше, невеликий струм витоку протікає через діод при зворотному зміщенні, який тут називають темним струмом . Оскільки струм обумовлений нестачею світла (темряви), його називають так. Цей діод побудований таким чином, що при попаданні світла на перехід досить розбити пари електронних дірок і утворити електрони, що збільшує зворотний струм витоку. Тут ви можете перевірити фотодіод, що працює з інфрачервоним світлодіодом.

Варакторний діод:

Його також називають діодом Varicap (змінний конденсатор). Він працює в режимі зворотного зміщення. Загальне визначення конденсаторного розділення провідної пластини з ізолятором або діелектриком, коли нормальний діод зворотньо зміщений, ширина області виснаження збільшується, оскільки область виснаження являє собою ізолятор або діелектрик, і тепер він може виступати в ролі конденсатора. Зміна зворотної напруги призводить до різного поділу областей P і N, що призводить до того, що діод працює як змінний конденсатор.

Оскільки ємність зростає із зменшенням відстані між пластинами, велика зворотна напруга означає низьку ємність і навпаки.

Діод Шотткі:

Напівпровідник N-типу приєднується до металу (золото, срібло) таким чином, що в діоді існують електрони з високим рівнем енергії, які називаються гарячими носіями, тому цей діод також називають діодом з гарячим носієм . Він не має незначних носіїв і немає області виснаження, а існує металевий напівпровідниковий перехід, коли цей діод зміщений вперед, він діє провідником, але заряд має високі рівні енергії, що корисно для швидкого перемикання, особливо в цифрових схемах. використовується в мікрохвильових програмах. Перевірте діод Шотткі в дії тут.

Тунельний діод:

Області P і N у цьому діоді сильно леговані, тому існування виснаження дуже вузьке. Він демонструє область негативного опору, яку можна використовувати як генератор та мікрохвильові підсилювачі. Коли цей діод схилений вперед, по-перше, оскільки область виснаження вузька, тунель електронів проходить через нього, струм швидко зростає з невеликою зміною напруги. Коли напруга додатково збільшується, через надлишок електронів на стику, ширина області виснаження починає збільшуватися, викликаючи блокування прямого струму (де утворюється область негативного опору) при подальшому збільшенні прямої напруги, він діє як нормальний діод.

PIN діод:

У цьому діоді області P і N розділені власним напівпровідником. Коли діод має зворотне зміщення, він діє як конденсатор з постійною величиною. У стані зміщення вперед він діє як змінний опір, який контролюється струмом. Він використовується в мікрохвильових програмах, які повинні контролюватися постійною напругою.

Його символічне зображення схоже на звичайний PN-діод.

Застосування діодів:

• Регульоване джерело живлення: практично неможливо генерувати постійну напругу, єдиним доступним джерелом є напруга змінного струму. Оскільки діоди є односпрямованими пристроями, його можна використовувати для перетворення змінної напруги в пульсуючий постійний струм, а з подальшими фільтруючими секціями (з використанням конденсаторів та котушок індуктивності) можна отримати приблизну напругу постійного струму.

• Схеми тюнера: У системах зв'язку на кінці приймача, оскільки антена приймає всі доступні в космосі радіочастоти, потрібно вибрати бажану частоту. Отже, використовуються схеми тюнера, які є не що інше, як схема зі змінними конденсаторами та котушками індуктивності. У цьому випадку може бути використаний варакторний діод.

• Телевізори, світлофори, табло: Для відображення зображень на телевізорах або на дисплеях використовуються світлодіоди. Оскільки світлодіоди споживають значно менше енергії, вони широко використовуються в таких системах освітлення, як світлодіодні лампи.

• Регулятори напруги: Оскільки стабілітрон має дуже низьку пробивну напругу, його можна використовувати як регулятор напруги, якщо зворотне зміщення.

• Детектори в системах зв'язку: Добре відомим детектором, який використовує діод, є детектор огинаючої, який використовується для виявлення піків модульованого сигналу.