- Mikä on diodi?
- Diodin historia:
- Diodin rakenne:
- P- ja N-tyyppisten puolijohteiden muodostuminen:
- PN-liitosdiodi:
- PN-liitosteoria:
- Diodi eteenpäin esijännityksessä
- Diodien sovellukset:
Mikä on diodi?
Yleensä kaikki elektroniset laitteet tarvitsevat tasavirtalähteen, mutta DC-virran tuottaminen on mahdotonta, joten tarvitsemme vaihtoehdon DC-virran saamiseksi, joten diodien käyttö tulee kuvaan vaihtamaan vaihtovirta tasavirraksi. Diodi on pieni elektroninen komponentti, jota käytetään melkein kaikissa elektronisissa piireissä virran virtauksen mahdollistamiseksi vain yhteen suuntaan ( yksisuuntainen laite ). Voimme sanoa, että puolijohdemateriaalien käyttö elektronisten komponenttien rakentamiseksi aloitettiin diodeilla. Ennen diodin keksintöä oli tyhjiöputkia, joissa molempien laitteiden sovellukset ovat samanlaisia, mutta tyhjöputken käyttämä koko on paljon suurempi kuin diodit. Tyhjiöputkien rakenne on hieman monimutkainen ja niitä on vaikea ylläpitää puolijohdediodeihin verrattuna. Harvat diodisovellukset ovat tasasuuntaus, vahvistaminen, elektroninen kytkentä, sähköenergian muuntaminen valoenergiaksi ja valoenergia sähköenergiaksi.
Diodin historia:
Vuonna 1940 Bell Labsissa Russell Ohl työskenteli piikiteen kanssa selvittääkseen sen ominaisuudet. Eräänä päivänä vahingossa, kun piikide, jossa on halkeama, altistettiin auringonvalolle, hän löysi virran virtauksen kiteen läpi ja sitä kutsuttiin myöhemmin diodiksi, mikä oli puolijohdekauden alku.
Diodin rakenne:
Kiinteät materiaalit luokitellaan yleensä kolmeen tyyppiin, nimittäin johtimet, eristimet ja puolijohteet. Johtimissa on enimmäismäärä vapaita elektroneja, Eristimissä on vähimmäismäärä vapaita elektroneja (merkityksetön niin, että virran virtaus ei ole ollenkaan mahdollista), kun taas puolijohteet voivat olla joko johtimia tai eristimiä siihen sovelletusta potentiaalista riippuen. Puolijohteet, joita käytetään yleisesti, ovat pii ja germanium. Piitä pidetään parempana, koska sitä on runsaasti maapallolla ja se antaa paremman lämpöalueen.
Puolijohteet luokitellaan edelleen kahteen tyyppiin sisäisiksi ja ulkoisiksi puolijohtimiksi.
Luontaiset puolijohteet:
Näitä kutsutaan myös puhtaiksi puolijohteiksi, joissa varauksen kantajia (elektroneja ja reikiä) on yhtä suuri määrä huoneen lämpötilassa. Joten virran johtuminen tapahtuu sekä reikien että elektronien kautta yhtä paljon.
Ulkoiset puolijohteet:
Materiaalin reikien tai elektronien määrän lisäämiseksi käytämme ulkoisia puolijohteita, joissa piin lisätään epäpuhtauksia (muita kuin piitä ja germaaniumia tai yksinkertaisesti kolmiarvoisia tai viisiarvoisia aineita). Tätä epäpuhtauksien lisäämistä puhtaisiin puolijohteisiin kutsutaan dopingiksi.
P- ja N-tyyppisten puolijohteiden muodostuminen:
N-tyypin puolijohde:
Jos Si: hen tai Ge: hen lisätään viisiarvoisia elementtejä (valenssielektronien lukumäärä on viisi), käytettävissä on vapaita elektroneja. Koska elektroneja (negatiivisesti varattuja kantajia) on enemmän, niitä kutsutaan N-tyyppisiksi puolijohteiksi . N-tyypissä puolijohde-elektronit ovat enemmistön varauksen kantajia ja reiät ovat vähemmistövarauksen kantajia.
Harvat viisiarvoiset alkuaineet ovat fosfori, arseeni, antimoni ja vismutti. Koska näillä on ylimääräinen valantsielektroni ja ne ovat valmiita pariksi ulkoisen positiivisesti varautuneen hiukkasen kanssa, näitä elementtejä kutsutaan luovuttajiksi .
P-tyypin puolijohde
Vastaavasti, jos kolmiarvoisia elementtejä, kuten boori, alumiini, indium ja gallium, lisätään Si: hen tai Ge: hen, muodostuu reikä, koska siinä on useita valenssielektroneja. Koska reikä on valmis hyväksymään elektronin ja muodostamaan parin, sitä kutsutaan hyväksyjiksi . Koska reikien määrä on liian suuri uudessa materiaalissa, niitä kutsutaan P-tyyppisiksi puolijohteiksi . P-tyyppisissä puolijohtorei'issä ovat enemmistön varauksen kantajat ja elektronit ovat vähemmistön varauksen kantajat.
PN-liitosdiodi:
Jos nyt yhdistämme molemmat puolijohteet P-tyypin ja N-tyypin yhteen, muodostuu uusi laite, jota kutsutaan PN-liitosdiodiksi. Koska liitos muodostuu P- ja N-tyyppisen materiaalin välille, sitä kutsutaan PN-liitokseksi.
Sana diodi voidaan selittää sanalla 'Di' tarkoittaa kahta ja 'ode' saadaan elektrodista. Koska uudella muodostetulla komponentilla voi olla kaksi liitintä tai elektrodia (yksi kytketty P-tyyppiseen ja toinen N-tyyppiseen), sitä kutsutaan diodiksi tai PN-liitosdiodiksi tai puolijohdeodiodiksi.
P-tyyppiseen materiaaliin liitettyä päätelaitetta kutsutaan anodiksi ja N-tyyppiseen materiaaliin liitettyä päätelaitetta kutsutaan katodiksi .
Symbolinen esitys diodi on seuraava.
Nuoli osoittaa virran virtauksen sen läpi, kun diodi on eteenpäin esijännitetyssä tilassa, viiva tai lohko nuolen kärjessä osoittaa virran tukkeutumisen vastakkaiseen suuntaan.
PN-liitosteoria:
Olemme nähneet, kuinka diodi valmistetaan P- ja N-puolijohteiden kanssa, mutta meidän on tiedettävä, mitä sen sisällä tapahtuu, jotta muodostuu ainutlaatuinen ominaisuus sallia virta vain yhteen suuntaan ja mitä tapahtuu tarkassa kosketuspisteessä aluksi risteyksessään.
Risteyksen muodostuminen:
Aluksi, kun molemmat materiaalit on liitetty toisiinsa (ilman ulkoista jännitettä), N-tyypin ylimääräiset elektronit ja P-tyypin ylimääräiset reiät houkuttelevat toisiinsa ja yhdistyvät uudelleen missä liikkumattomien ionien muodostuminen ja Acceptor-ioni) tapahtuu alla olevan kuvan mukaisesti. Nämä liikkumattomat ionit vastustavat elektronien tai reikien virtausta sen läpi, joka toimii nyt esteenä kahden materiaalin välillä (esteen muodostuminen tarkoittaa, että liikkumattomat ionit diffundoituvat P- ja N-alueiksi). Nyt muodostunutta estettä kutsutaan ehtymisalueeksi . Tyhjennysalueen leveys riippuu tällöin materiaalien dopingpitoisuudesta.
Jos seostuskonsentraatio on yhtä suuri molemmissa materiaaleissa, liikkumattomat ionit diffundoituvat sekä P- että N-materiaaleiksi tasaisesti.
Entä jos dopingpitoisuus eroaa toisistaan?
No, jos doping eroaa, myös ehtymisalueen leveys eroaa. Sen diffuusio on enemmän kevyesti seostetulle alueelle ja vähemmän voimakkaasti seostetulle alueelle .
Katsotaan nyt diodin käyttäytymistä, kun asianmukaista jännitettä käytetään.
Diodi eteenpäin esijännityksessä
On olemassa useita diodeja, joiden rakenne on samanlainen, mutta käytetyn materiaalin tyyppi eroaa. Esimerkiksi, jos tarkastellaan valoa emittoivaa diodia, se on valmistettu alumiini-, gallium- ja arsenidimateriaaleista, jotka innoissaan vapauttavat energiaa valon muodossa. Samoin otetaan huomioon vaihtelut diodin ominaisuuksissa, kuten sisäinen kapasitanssi, kynnysjännite jne., Ja tietty diodi suunnitellaan niiden perusteella.
Tässä olemme selittäneet erityyppisiä diodeja niiden toiminnalla, symbolilla ja sovelluksilla:
- Zener-diodi
- LED
- LASER-diodi
- Valodiodi
- Varactor-diodi
- Schottky-diodi
- Tunnelidiodi
- PIN-diodi jne.
Katsotaanpa näiden laitteiden toimintaperiaate ja rakenne lyhyesti.
Zener-diodi:
Tämän diodin P- ja N-alueet on seostettu voimakkaasti siten, että ehtymäalue on hyvin kapea. Toisin kuin normaalissa diodissa, sen rikkoutumisjännite on hyvin pieni, kun vastakkainen jännite on suurempi tai yhtä suuri kuin rikkoutumisjännite, tyhjennysalue katoaa ja vakio jännite kulkee diodin läpi, vaikka vastakkaista jännitettä nostettaisiin. Siksi diodia käytetään jännitteen säätämiseen ja vakion lähtöjännitteen ylläpitämiseen oikein esijännitettynä. Tässä on yksi esimerkki jännitteen rajoittamisesta Zenerin avulla.
Zener-diodin hajoamista kutsutaan zener-hajoamiseksi . Se tarkoittaa, että kun käänteinen jännite kohdistetaan zener-diodiin, risteyksessä kehittyy voimakas sähkökenttä, joka riittää rikkomaan kovalenttiset sidokset risteyksessä ja aiheuttaa suuren virran läpi. Zenerin hajoaminen aiheutuu hyvin matalilla jännitteillä verrattuna lumivyöryjen hajoamiseen.
On toinenkin tyyppinen hajoaminen, jota kutsutaan lumivyöryjen hajoamiseksi, yleensä nähdään normaalissa diodissa, joka vaatii suuren määrän vastakkaista jännitettä risteyksen rikkomiseksi. Sen toimintaperiaate on, kun diodi on taaksepäin esijännitetty, pienet vuotovirrat kulkevat diodin läpi, kun vastakkaista jännitettä lisätään, vuotovirta kasvaa myös, jotka ovat riittävän nopeita rikkomaan muutama kovalenttinen sidos risteyksessä, nämä uudet varauksen kantajat hajoavat loput kovalenttiset sidokset aiheuttavat valtavia vuotovirtoja, jotka voivat vahingoittaa diodia ikuisesti.
Valodiodi (LED):
Sen rakenne on samanlainen kuin yksinkertainen diodi, mutta eri puolijohteiden yhdistelmiä käytetään erilaisten värien tuottamiseen. Se toimii eteenpäin esijännitetyssä tilassa. Kun elektronireikän rekombinaatio tapahtuu, vapautuu tuloksena oleva fotoni, joka lähettää valoa, jos eteenpäin suuntautuvaa jännitettä kasvatetaan edelleen, lisää fotoneja vapautuu ja valon voimakkuus myös kasvaa, mutta jännitteen ei tulisi ylittää kynnysarvoa, muuten LED vahingoittuu.
Eri värien muodostamiseksi käytetään yhdistelmiä AlGaAs (Aluminium Gallium Arsenide) - punainen ja infrapuna, GaP (Gallium Phosphide) - keltainen ja vihreä, InGaN (Indium Gallium Nitride) - sininen ja ultravioletti LED. Tarkista yksinkertainen LED-piiri tässä.
Saat IR-LED voimme nähdä sen valo kameran läpi.
LASER-diodi:
LASER on lyhenne sanoista Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. PN-liitos muodostuu kahdesta seostetusta galliumarsenidikerroksesta, joissa liitoksen toiseen päähän levitetään korkea heijastava pinnoite ja toiseen päähän osittainen heijastava päällyste. Kun diodi on esijännitetty samanlainen kuin LED, se vapauttaa fotoneja, nämä osuvat muihin atomiin siten, että fotonit vapautuvat liikaa, kun fotoni osuu heijastavaan päällysteeseen ja iski takaisin liitoksen takaisin enemmän fotoneja vapautuu, tämä prosessi toistuu ja korkean intensiteetin säde valoa vapautuu vain yhteen suuntaan. Laserdiodi tarvitsee ohjainpiirin toimiakseen kunnolla.
LASER-diodin symbolinen esitys on samanlainen kuin LED.
Valodiodi:
Valodiodissa sen läpi kulkeva virta riippuu PN-risteyksessä käytetystä valoenergiasta. Sitä käytetään päinvastaisessa suunnassa. Kuten aiemmin keskusteltiin, pieni vuotovirta virtaa diodin läpi käänteisenä esijännitettynä, jota kutsutaan tässä tummaksi virraksi . Koska virta johtuu valon (pimeyden) puutteesta, sitä kutsutaan niin. Tämä diodi on rakennettu siten, että kun valo osuu risteykseen, riittää murtamaan elektronireikät ja muodostamaan elektroneja, mikä lisää vastakkaista vuotovirtaa. Täällä voit tarkistaa IR-LEDin kanssa toimivan valodiodin.
Varaktoridiodi:
Sitä kutsutaan myös Varicap-diodiksi (vaihteleva kondensaattori). Se toimii päinvastaisessa tilassa. Yleinen määritelmä johtavan levyn eristämisestä eristimellä tai dielektrisellä kondensaattorilla, kun normaali diodi on käänteisesti esijännitetty, tyhjenemisalueen leveys kasvaa, kun tyhjennysalue edustaa eristintä tai dielektristä, se voi nyt toimia kondensaattorina. Käänteisen jännitteen vaihtelu aiheuttaa P- ja N-alueiden erottelun vaihtelevan, mikä johtaa diodiin toimimaan muuttuvana kondensaattorina.
Koska kapasitanssi kasvaa levyjen välisen etäisyyden pienentyessä, suuri vastakkainen jännite tarkoittaa matalaa kapasitanssia ja päinvastoin.
Schottky-diodi:
N-tyypin puolijohde on liitetty metalliin (kulta, hopea) siten, että diodissa on korkean energiatason elektroneja, joita kutsutaan kuumiksi kantajiksi, joten tätä diodia kutsutaan myös kuumaksi kantajadiodiksi . Siinä ei ole vähemmistökantajia eikä tyhjentymisaluetta ole olemassa, vaan on olemassa metallinen puolijohde-liitos, kun tämä diodi on eteenpäin esijännitettynä, se toimii johtimena, mutta varauksella on korkeat energiatasot, joista on hyötyä nopeassa kytkennässä erityisesti digitaalisissa piireissä käytetään mikroaaltosovelluksissa. Tarkista Schottky-diodi toiminnassa täältä.
Tunnelidiodi:
Tämän diodin P- ja N-alueet ovat voimakkaasti seostettuja, joten ehtymisen olemassaolo on hyvin kapeaa. Sillä on negatiivinen vastusalue, jota voidaan käyttää oskillaattorina ja mikroaaltovahvistimina. Kun tämä diodi on ensin esijännitetty, koska tyhjennysalue on kapea elektronitunneli sen läpi, virta kasvaa nopeasti pienellä jännitteen muutoksella. Kun jännitettä lisätään edelleen, risteyksessä olevien ylimääräisten elektronien vuoksi tyhjennysalueen leveys alkaa kasvaa aiheuttaen etenevän virran tukkeutumisen (missä negatiivisen vastuksen alue muodostuu), kun lähtöjännitettä lisätään edelleen, se toimii normaali diodi.
PIN-diodi:
Tässä diodissa P- ja N-alueet erotetaan sisäisellä puolijohteella. Kun diodi on käänteisesti esijännitetty, se toimii vakiona arvostettuna kondensaattorina. Eteenpäin suuntautuvassa tilassa se toimii vaihtelevana vastuksena, jota ohjataan virralla. Sitä käytetään mikroaaltosovelluksissa, joita ohjataan tasajännitteellä.
Sen symbolinen esitys on samanlainen kuin normaali PN-diodi.
Diodien sovellukset:
- Säännelty virtalähde: Tasajännitteen tuottaminen on käytännössä mahdotonta, ainoa käytettävissä oleva lähde on vaihtojännite. Koska diodit ovat yksisuuntaisia laitteita, sitä voidaan käyttää vaihtamaan vaihtojännite sykkiväksi tasavirraksi ja muilla suodatusosilla (kondensaattoreita ja induktoreita käyttäen) voidaan saada likimääräinen tasajännite.
- Viritinpiirit: Vastaanottimen päässä olevissa tietoliikennejärjestelmissä, koska antenni vastaanottaa kaikki avaruudessa käytettävissä olevat radiotaajuudet, on tarpeen valita haluttu taajuus. Joten käytetään viritinpiirejä, jotka eivät ole muuta kuin piiri vaihtelevilla kondensaattoreilla ja induktoreilla. Tässä tapauksessa voidaan käyttää varaktoridiodia.
- Televisiot, liikennevalot, näyttötaulut: Kuvien näyttämiseksi televisioissa tai näyttölevyillä käytetään LED-valoja. Koska LED kuluttaa hyvin vähemmän virtaa, sitä käytetään laajasti valaistusjärjestelmissä, kuten LED-lampuissa.
- Jännitteen säätimet: Koska Zener-diodilla on erittäin pieni rikkoutumisjännite, sitä voidaan käyttää jännitteen säätimenä käänteisessä esijännitteessä.
- Ilmaisimet viestintäjärjestelmissä: Tunnettu diodia käyttävä ilmaisin on kirjekuoren ilmaisin, jota käytetään moduloidun signaalin piikkien havaitsemiseen.