- Kaj je dioda?
- Zgodovina diode:
- Konstrukcija diode:
- Oblikovanje polprevodnikov tipa P in N:
- PN spojna dioda:
- Teorija PN-spojev:
- Dioda v predsmerju
- Uporaba diod:
Kaj je dioda?
Na splošno vse elektronske naprave potrebujejo napajanje z enosmernim tokom, vendar je nemogoče ustvariti enosmerno energijo, zato potrebujemo alternativo, da dobimo nekaj enosmerne energije, zato se pri diodi pojavi slika za pretvorbo izmeničnega v enosmerno moč. Dioda je drobna elektronska komponenta, ki se uporablja v skoraj vseh elektronskih vezjih, da omogoča tok toka samo v eno smer ( enosmerna naprava ). Lahko rečemo, da se je uporaba polprevodniških materialov za izdelavo elektronskih komponent začela z diodami. Pred izumom diode so obstajale vakuumske cevi, kjer sta aplikaciji obeh naprav podobni, vendar bo velikost, ki jo zaseda vakuumska cev, veliko večja od diod. Konstrukcija vakuumskih cevi je nekoliko zapletena in jih je težko vzdrževati v primerjavi s polprevodniškimi diodami. Nekaj primerov diod je rektifikacija, ojačanje, elektronsko stikalo, pretvorba električne energije v svetlobo in svetlobe v električno energijo.
Zgodovina diode:
Leta 1940 je v laboratoriju Bell Labs Russell Ohl sodeloval s silicijevim kristalom, da bi ugotovil njegove lastnosti. Nekega dne je bil silicijev kristal, v katerem je razpoka, izpostavljen sončni svetlobi, in odkril je tok toka skozi kristal, ki se je kasneje imenoval dioda, kar je bil začetek polprevodniške dobe.
Konstrukcija diode:
Trdne materiale običajno razvrstimo v tri vrste, in sicer vodnike, izolatorje in polprevodnike. Prevodniki imajo največje število prostih elektronov, izolatorji imajo minimalno število prostih elektronov (zanemarljivo tako, da tok toka sploh ni mogoč), polprevodniki pa so lahko bodisi vodniki bodisi izolatorji, odvisno od potenciala, ki se nanj nanaša. Polprevodnika, ki sta v splošni uporabi, sta silicij in germanij. Silicij je najprimernejši, ker je na voljo na zemlji in daje boljši toplotni razpon.
Polprevodniki so nadalje razvrščeni v dve vrsti kot notranji in zunanji polprevodniki.
Notranji polprevodniki:
Ti se imenujejo tudi čisti polprevodniki, kjer so nosilci naboja (elektroni in luknje) v enaki količini pri sobni temperaturi. Torej prevodnost enakovredno poteka tako v luknjah kot v elektronih.
Zunanji polprevodniki:
Da bi povečali število lukenj ali elektronov v materialu, se odločimo za zunanje polprevodnike, kjer so siliciju dodane nečistoče (razen silicija in germanija ali preprosto trivalentni ali peterovalentni materiali). Ta postopek dodajanja nečistoč čistim polprevodnikom se imenuje doping.
Oblikovanje polprevodnikov tipa P in N:
N-tip polprevodnik:
Če se Si ali Ge dodajo petovalentni elementi (število valentnih elektronov je pet), potem so na voljo prosti elektroni. Ker so elektroni (negativno nabite nosilci) bolj številčno ti so imenovani kot N-tipa polprevodnika . V N-tipu so polprevodniški elektroni večinski nosilci naboja, luknje pa manjšinski nosilci naboja.
Malo peterovalentnih elementov je fosfor, arzen, antimon in bizmut. Ker imajo ti presežni valacijski elektron in so pripravljeni na parjenje z zunanjim pozitivno nabitim delcem, se ti elementi imenujejo darovalci .
Polprevodnik tipa P
Podobno, če se Si ali Ge dodajo trivalentni elementi, kot so bor, aluminij, indij in galij, nastane luknja, ker je število valentnih elektronov v njem tri. Ker je luknja pripravljena sprejeti elektron in se seznaniti, se imenuje sprejemniki . Ker je število lukenj presežek v novonastali materiala so ti imenovani kot P tipa polprevodnikov . V polprevodniških luknjah tipa P so večinski nosilci naboja, elektroni pa manjšinski nosilci naboja.
PN spojna dioda:
Če združimo dve vrsti polprevodnikov P-tipa in N-tipa, potem nastane nova naprava, imenovana PN spojna dioda. Ker se stik tvori med materiali tipa P in N, se imenuje PN spoj.
Besedo dioda lahko razložimo kot "Di" pomeni dve, "ode" pa dobimo iz elektrode. Ker ima novonastala komponenta lahko dva priključka ali elektrodi (ena je priključena na P-tip, druga pa na N-tip), se imenuje dioda ali PN-spojna dioda ali polprevodniška dioda.
Terminal, povezan z materialom tipa P, se imenuje Anode, terminal, povezan z materialom tipa N, pa Katoda .
Simbolična predstavitev diode je, kot sledi.
Puščica označuje pretok toka skozinjo, ko je dioda v prednastavljenem načinu, pomišljaj ali blok na konici puščice pa blokado toka iz nasprotne smeri.
Teorija PN-spojev:
Videli smo, kako je dioda narejena s polprevodnikom P in N, vendar moramo vedeti, kaj se v njej zgodi, da tvori edinstveno lastnost, da dovoljuje tok samo v eno smer in kaj se zgodi na točno določeni točki stika na začetku na njegovem križišču.
Oblikovanje križišča:
Ko se oba materiala združita (brez kakršne koli zunanje napetosti), se odvečni elektroni v N-tipu in odvečne luknje v P-vrsti medsebojno privlačijo in rekombinirajo, kjer nastanejo nepremični ioni (donorski ion in Acceptor ion) poteka, kot je prikazano na spodnji sliki. Ti nepremični ioni se upirajo pretoku elektronov ali lukenj skozi njih, ki zdaj delujejo kot pregrada med obema materialoma (tvorba pregrade pomeni, da se nepremični ioni razpršijo v območja P in N). Zdaj nastala pregrada se imenuje območje izčrpavanja . Širina območja izčrpavanja je v tem primeru odvisna od koncentracije dopinga v materialih.
Če je koncentracija dopinga v obeh materialih enaka, se nepremični ioni enakomerno razpršijo tako v P kot v N snovi.
Kaj pa, če se koncentracija dopinga med seboj razlikuje?
No, če se doping razlikuje, se razlikuje tudi širina območja izčrpavanja. Njegova difuzija je bolj v rahlo dopirano območje in manj v močno dopirano območje .
Zdaj pa poglejmo vedenje diode, ko je uporabljena ustrezna napetost.
Dioda v predsmerju
Obstaja veliko diod, katerih konstrukcija je podobna, vendar se vrsta uporabljenega materiala razlikuje. Na primer, če upoštevamo diodo, ki oddaja svetlobo, je izdelana iz materialov iz aluminija, galija in arzenida, ki ob vzbujanju sproščajo energijo v obliki svetlobe. Podobno se upoštevajo razlike v lastnostih diode, kot so notranja kapacitivnost, mejna napetost itd., Na podlagi teh pa je zasnovana določena dioda.
Tu smo razložili različne vrste diod z njihovim delovanjem, simbolom in aplikacijami:
- Zenerjeva dioda
- LED
- LASER dioda
- Fotodioda
- Varactor dioda
- Schottky dioda
- Tunelska dioda
- PIN dioda itd.
Oglejmo si na kratko načelo dela in konstrukcijo teh naprav.
Zenerjeva dioda:
Območja P in N v tej diodi so močno dopirane, tako da je območje izčrpavanja zelo ozko. Za razliko od običajne diode je njegova izbirna napetost zelo nizka, ko je obratna napetost večja ali enaka napetosti razgradnje, območje izčrpavanja izgine in konstantna napetost prehaja skozi diodo, tudi če je obratna napetost povečana. Zato se dioda uporablja za uravnavanje napetosti in vzdrževanje konstantne izhodne napetosti, če je pravilno pristranska. Tu je en primer omejevanja napetosti z uporabo Zenerja.
Okvara v Zenerjevi diodi se imenuje zenerjeva razgradnja . Pomeni, da se na cenerjevo diodo uporabi povratna napetost, se na križišču razvije močno električno polje, ki zadostuje za prekinitev kovalentnih vezi znotraj križišča in povzroči velik tok toka. Zenerjev izpad je povzročen pri zelo nizkih napetostih v primerjavi z izpadom plazov.
Obstaja še ena vrsta okvare, imenovana propad plazov, ki jo običajno opazimo pri običajni diodi in ki zahteva veliko količino povratne napetosti za prekinitev stičišča. Njeno načelo delovanja je, ko je dioda obratno pristranska, skozi diodo prehajajo majhni tokovi uhajanja, ko se vzvratna napetost še poveča, se povečuje tudi tok uhajanja, ki je dovolj hiter, da prekine nekaj kovalentnih vezi znotraj stika, ki jih ti novi nosilci naboja še naprej razgradijo preostale kovalentne vezi povzročajo velike tokove uhajanja, ki lahko diodo za vedno poškodujejo.
Svetleča dioda (LED):
Njegova konstrukcija je podobna preprosti diodi, vendar se za ustvarjanje različnih barv uporabljajo različne kombinacije polprevodnikov. To deluje v naprej pristranski način. Ko pride do rekombinacije elektronske luknje, se sprosti nastali foton, ki oddaja svetlobo. Če se naprej napetost še poveča, se sprosti več fotonov in tudi intenzivnost svetlobe se poveča, vendar napetost ne sme preseči mejne vrednosti, sicer se LED poškoduje.
Za ustvarjanje različnih barv se uporabljajo kombinacije AlGaAs (aluminijev galijev arzenid) - rdeča in infrardeča, GaP (galijev fosfid) - rumena in zelena, InGaN (indijski galijev nitrid) - modre in ultravijolične LED itd. Preverite preprosto LED vezje tukaj.
Za IR LED lahko svetlobo vidimo skozi kamero.
LASER dioda:
LASER pomeni Ojačevanje svetlobe s spodbujenim oddajanjem sevanja. PN-spoj tvorita dve plasti dopiranega galijevega arzenida, kjer je na enem koncu spoja nanesen visoko odsevni premaz, na drugem pa delno odsevni premaz. Ko je dioda usmerjena naprej, podobno kot LED, sprošča fotone, ti zadenejo druge atome, tako da bodo fotoni prekomerno sproščeni, ko foton zadene odsevno prevleko in znova udari nazaj, več fotonov se sprosti, ta postopek se ponovi in žarek visoke intenzivnosti svetloba se sprosti samo v eno smer. Laserska dioda potrebuje gonilniško vezje za pravilno delovanje.
Simbolična dioda LASER diode je podobna LED.
Foto dioda:
V foto diodi je tok skozi to odvisen od svetlobne energije, ki se uporablja na PN spoju. Deluje v obratni smeri. Kot smo že omenili, majhen tok puščanja teče skozi diodo, če je obrnjen, kar se tukaj imenuje temni tok . Ker je tok posledica pomanjkanja svetlobe (teme), se temu reče tako. Ta dioda je zgrajena tako, da ko svetloba udari v križišče, je dovolj, da razbije pare elektronskih lukenj in ustvari elektrone, kar poveča povratni tok uhajanja. Tu lahko preverite fotodiodo, ki deluje z IR LED.
Varactor dioda:
Imenuje se tudi kot Varicap (spremenljiv kondenzator) dioda. To deluje v obratnem pristranski način. Splošna opredelitev kondenzatorske ločitve prevodne plošče z izolatorjem ali dielektrikom, kadar je normalna dioda obrnjena, se širina območja izčrpavanja poveča, saj območje izpraznitve predstavlja izolator ali dielektrik, ki lahko zdaj deluje kot kondenzator. Z nihanjem povratne napetosti se ločevanje območij P in N spreminja, zato dioda deluje kot spremenljiv kondenzator.
Ker se kapacitivnost povečuje z zmanjšanjem razdalje med ploščami, velika povratna napetost pomeni nizko kapacitivnost in obratno.
Schottkyjeva dioda:
Polprevodnik N-tipa je povezan s kovino (zlato, srebro) tako, da v diodi obstajajo elektroni z visokim nivojem energije, ki se imenujejo vroči nosilci, zato se ta dioda imenuje tudi vroča nosilna dioda . Nima manjšinskih nosilcev in ne obstaja nobeno območje izčrpavanja, temveč kovinski polprevodniški spoj, ko je ta dioda usmerjena naprej, deluje kot prevodnik, vendar ima naboj visoko raven energije, ki je v pomoč pri hitrem preklopu, zlasti v digitalnih vezjih uporabljajo v mikrovalovnih aplikacijah. Tukaj preverite Schottky Diode v akciji.
Tunelska dioda:
Območja P in N v tej diodi sta močno dopirani, zato je obstoj izčrpanosti zelo ozek. Ima negativno odporno območje, ki ga lahko uporabimo kot oscilator in mikrovalovne ojačevalnike. Ko je ta dioda najprej pristranska, ker je območje izčrpavanja ozko, tunel elektronov skozi njo, tok hitro narašča z majhno spremembo napetosti. Ko se napetost še poveča, se zaradi presežka elektronov na stičišču širina območja izčrpavanja povečuje, kar povzroči blokado prednjega toka (kjer nastane negativna upornost), ko se napetost naprej povečuje, deluje kot normalna dioda.
PIN dioda:
V tej diodi sta območji P in N ločeni z lastnim polprevodnikom. Ko je dioda obrnjena, deluje kot kondenzator s konstantno vrednostjo. V stanju prednapetosti deluje kot spremenljiv upor, ki ga nadzoruje tok. Uporablja se v mikrovalovnih aplikacijah, ki jih je treba krmiliti z enosmerno napetostjo.
Njegova simbolična podoba je podobna običajni PN diodi.
Uporaba diod:
- Regulirano napajanje: praktično je nemogoče ustvariti enosmerno napetost, edina vrsta razpoložljivega vira je izmenična napetost. Ker so diode enosmerne naprave, jo lahko uporabimo za pretvorbo izmenične napetosti v pulzirajoč enosmerni tok in z nadaljnjimi filtrirnimi odseki (z uporabo kondenzatorjev in induktorjev) lahko dobimo približno enosmerno napetost.
- Vezja sprejemnika: V komunikacijskih sistemih na koncu sprejemnika, ker antena sprejema vse radijske frekvence, ki so na voljo v vesolju, je treba izbrati želeno frekvenco. Torej se uporabljajo vezja sprejemnikov, ki niso nič drugega kot vezja s spremenljivimi kondenzatorji in induktorji. V tem primeru lahko uporabimo varaktorsko diodo.
- Televizorji, semaforji, razstavne table: Za prikaz slik na televizorjih ali na razstavnih ploščah se uporabljajo LED. Ker LED porabi zelo manj energije, se pogosto uporablja v svetlobnih sistemih, kot so LED žarnice.
- Napetostni regulatorji: Ker ima Zenerjeva dioda zelo nizko napetost razgradnje, jo lahko uporabimo kot regulator napetosti, če je obrnjena.
- Detektorji v komunikacijskih sistemih: Znan detektor, ki uporablja diodo, je detektor ovojnice, ki se uporablja za zaznavanje vrhov moduliranega signala.