Диоде: пн спој, типови, конструкција и рад

Шта је диода?

Генерално, свим електронским уређајима је потребно једносмерно напајање, али немогуће је произвести једносмерну енергију, тако да нам је потребна алтернатива да бисмо добили мало једносмерне енергије, тако да употреба диода долази до слике за претварање наизменичне енергије у једносмерну. Диода је сићушна електронска компонента која се користи у готово свим електронским колима да би омогућила проток струје у само једном смеру ( једносмерни уређај ). Можемо рећи да је употреба полупроводничких материјала за изградњу електронских компоненти започета диодама. Пре проналаска диоде постојале су вакуумске цеви, где су примене оба ова уређаја сличне, али величина коју заузима вакуумска цев биће много већа од диода. Конструкција вакуумских цеви је мало сложена и тешко их је одржавати у поређењу са полупроводничким диодама. Неколико примена диода су исправљање, појачавање, електронски прекидач, претварање електричне енергије у светлост и светлости у електричну енергију.

Историја диоде:

1940. године у Белл Лабс, Русселл Охл је радио са силиконским кристалом како би открио његова својства. Једног дана случајно када је силицијум кристал у коме постоји пукотина био изложен сунчевој светлости, пронашао је ток струје кроз кристал и то је касније названо диодом, што је био почетак полупроводничке ере.

Конструкција диоде:

Чврсти материјали се обично класификују у три врсте и то проводници, изолатори и полупроводници. Проводници имају максималан број слободних електрона, изолатори имају минималан број слободних електрона (занемарљив такав да проток струје уопште није могућ), док полупроводници могу бити или проводници или изолатори у зависности од потенцијала који се на њега примењује. Полупроводници који су у општој употреби су силицијум и германијум. Силицијум је пожељнији јер га има у изобиљу на земљи и даје бољи термички опсег.

Полупроводници су даље класификовани у две врсте као унутрашњи и спољни полупроводници.

Сопствени проводници:

Они се такође називају чистим полупроводницима где су носачи наелектрисања (електрони и рупе) у једнакој количини на собној температури. Дакле, проводност струје се одвија подједнако и у рупама и у електронима.

Ектринсиц Семицондуцторс:

Да бисмо повећали број рупа или електрона у материјалу, користимо спољне полупроводнике где се силицијуму додају нечистоће (осим силицијума и германијума или једноставно тровалентних или петовалентних материјала). Овај поступак додавања нечистоћа у чисте полупроводнике назива се допингом.

Формирање полупроводника типа П и Н:

Полупроводник Н-типа:

Ако се Си или Ге додају петовалентни елементи (број валентних електрона је пет), онда постоје слободни електрони. Како је електрона (негативно наелектрисаних носача) све више, они се називају полупроводницима Н-типа . У Н-типу, полупроводнички електрони су већински носачи наелектрисања, а рупе су мањински носачи наелектрисања.

Неколико петовалентних елемената су фосфор, арсен, антимон и бизмут. С обзиром на то да ови имају вишак валентног електрона и спремни су за упаривање са спољашњом позитивно наелектрисаном честицом, ти елементи се називају донорима .

Полупроводник типа П

Слично томе, ако се Си или Ге додају тровалентни елементи попут бора, алуминијума, индијума и галијума, ствара се рупа јер је број валентних електрона у њој три. Пошто је рупа спремна да прихвати електрон и упари се, она се назива Акцептори . Као што су вишак у новоформираној материјалу број рупа то се зове као н-типа полупроводника . У полупроводничким рупама типа П већински су носачи наелектрисања, а електрони су мањински носачи наелектрисања.

ПН спојна диода:

Ако спојимо два типа полупроводника П-типа и Н-типа, тада се формира нови уређај назван ПН спојна диода. Будући да се спој формира између материјала типа П и типа Н, назива се ПН спој.

Реч диода може се објаснити као „Ди“ значи два, а „оде“ се добија од електроде. Како новонастала компонента може имати два терминала или електроде (једну повезану са П-типом, а другу са Н-типом), назива се диода или ПН спојна диода или полупроводничка диода.

Терминал повезан са материјалом типа П назива се Анода, а терминал повезан са материјалом типа Н назива се Катода .

Симболички представља диода је следећи.

Стрелица означава проток струје кроз њу када је диода у режиму пристрасности, цртица или блок на врху стрелице означава блокаду струје из супротног смера.

Теорија ПН споја:

Видели смо како се прави диода са П и Н полупроводницима, али морамо знати шта се дешава у њој да би се створило јединствено својство да дозвољава струју у само једном смеру и шта се дешава у тачној тачки додира у почетку на њеном споју.

Формирање споја:

У почетку, када се оба материјала споје (без примењеног спољног напона), вишак електрона у Н-типу и вишак рупа у П-типу привући ће једни друге и рекомбиновати се тамо где настаје непокретни јон (донорски јон и Аццептор ион) одвија се како је приказано на доњој слици. Ови непокретни јони се одупиру протоку електрона или рупа кроз њих који сада делују као баријера између два материјала (формирање баријере значи да се непокретни јони дифундирају у П и Н регионе). Преграда која се сада формира назива се регија исцрпљености . Ширина подручја осиромашења у овом случају зависи од концентрације допинга у материјалима.

Ако је концентрација допинга једнака у оба материјала, тада се непокретни јони подједнако дифундирају у П и Н материјале.

Шта ако се концентрација допинга разликује међу собом?

Па, ако се допинг разликује, ширина региона исцрпљивања такође се разликује. Његова дифузија је више у слабо допирану регију, а мање у јако допирану регију .

Сада да видимо понашање диоде када се примени одговарајући напон.

Диода у предњој пристрасности

Постоји низ диода чија је конструкција слична, али врста материјала који се користи се разликује. На пример, ако узмемо у обзир диоду која емитује светлост, направљена је од алуминијума, галијума и арсенидних материјала који када се побуде ослобађају енергију у облику светлости. Слично томе, разматрају се варијације у својствима диоде попут унутрашњег капацитета, прага напона итд. И на основу њих се дизајнира одређена диода.

Овде смо објаснили разне врсте диода са њиховим радом, симболом и апликацијама:

• Зенер диода
• ЛЕД
• ЛАСЕР диода
• Фотодиода
• Варацтор диода
• Сцхоттки диода
• Тунел диода
• ПИН диода итд.

Погледајмо укратко принцип рада и конструкцију ових уређаја.

Зенер диода:

П и Н региони у овој диоди су јако допирани тако да је регион исцрпљења веома узак. За разлику од нормалне диоде, њен пробојни напон је врло низак, када је обрнути напон већи или једнак напону пробоја, подручје исцрпљења нестаје и константан напон пролази кроз диоду чак и ако је обрнути напон повећан. Због тога се диода користи за регулацију напона и одржавање константног излазног напона када је правилно пристрасна. Ево једног примера ограничавања напона помоћу Зенера.

Квар на Зенер диоди назива се зенер пробојем . Значи када се на ценер диоду примени обрнути напон, на споју се развије јако електрично поље које је довољно да прекине ковалентне везе унутар споја и изазове велики проток струје. Ценер-слом је узрокован на врло ниским напонима у поређењу са пропадом лавине.

Постоји још једна врста слома названа пробијање лавине која се обично виђа код нормалне диоде која захтева велику количину обрнутог напона да би прекинула спој. Његов принцип рада је када је диода обрнуто пристрасна, мале струје цурења пролазе кроз диоду, када се обрнути напон додатно повећава, струја цурења се такође повећава, што је довољно брзо да прекине неколико ковалентних веза унутар споја, ови нови носачи наелектрисања се даље распадају преостале ковалентне везе узрокују огромне струје цурења које могу заувек оштетити диоду.

Диода која емитује светлост (ЛЕД):

Његова конструкција је слична једноставној диоди, али разне комбинације полупроводника користе се за стварање различитих боја. Она ради у напред пристрасан режиму. Када се рекомбинација електронске рупе догоди, ослобађа се настали фотон који емитује светлост, ако се даљњи напон додатно повећа, ослобађаће се више фотона, а интензитет светлости такође расте, али напон не би требало да пређе своју граничну вредност, у супротном ЛЕД се оштети.

За генерисање различитих боја користе се комбинације АлГаАс (алуминијум галијум арсенид) - црвена и инфрацрвена, ГаП (галијум фосфид) - жута и зелена, ИнГаН (индијум галијум нитрид) - плаве и ултра-љубичасте ЛЕД диоде итд. Проверите једноставан ЛЕД круг овде.

За ИР ЛЕД светлост можемо видети кроз камеру.

ЛАСЕР диода:

ЛАСЕР је скраћеница од Појачавање светлости стимулисаном емисијом зрачења. ПН спој чине два слоја допираног галијум арсенида где се на један крај споја наноси високо рефлектујући премаз, а на други делимично рефлектујући премаз. Када је диода пристрасна унапред слично ЛЕД-у, она ослобађа фотоне, ови ударају у друге атоме, тако да ће се фотони прекомерно ослобађати, када фотон погоди рефлектујући слој и поново узврати ударац, више фотона се ослобађа, овај процес се понавља и сноп високог интензитета светлости се ослобађа само у једном смеру. Да би ласерска диода правилно радила, потребно је управљачко коло.

Симболички приказ ЛАСЕР диоде сличан је ЛЕД-у.

Пхото Диоде:

У фото диоди струја кроз њу зависи од светлосне енергије која се примењује на ПН споју. Ради се обрнуто. Као што је раније речено, мала струја цурења тече кроз диоду када је обрнуто пристрасна, што се овде назива тамном струјом . Како је струја услед недостатка светлости (таме), тако се и назива. Ова диода је конструисана тако да када светлост удари у спој, довољно је разбити парове електронских рупа и генерисати електроне што повећава реверзну струју цурења. Овде можете проверити како фотодиода ради са ИР ЛЕД-ом.

Варацтор Диоде:

Такође се назива и Варицап (променљиви кондензатор) диода. Ради у обрнуто пристрасном режиму. Општа дефиниција кондензаторског раздвајања проводне плоче са изолатором или диелектриком, када је нормална диода обрнуто пристрасна, ширина региона исцрпљивања се повећава, јер подручје осиромашења представља изолатор или диелектрик, па сада може да делује као кондензатор. Са променом обрнутог напона, раздвајање П и Н региона варира, што доводи до тога да диода ради као променљиви кондензатор.

Пошто се капацитет повећава са смањењем растојања између плоча, велики обрнути напон значи мали капацитет и обрнуто.

Сцхоттки диода:

Полупроводник Н-типа придружен је металу (злато, сребро) тако да у диоди постоје електрони високог нивоа енергије који се називају врућим носачима, па се ова диода назива и диодом врућег носача . Нема мањинске носаче и не постоји регион осиромашења, већ постоји метални полупроводнички спој, када је ова диода усмерена напред, делује као проводник, али наелектрисање има висок ниво енергије који је користан у брзом пребацивању, посебно у дигиталним круговима. користи се у микроталасним апликацијама. Проверите Сцхоттки Диоде у акцији овде.

Тунел диода:

П и Н региони у овој диоди су јако допирани, тако да је постојање исцрпљења врло уско. Показује подручје негативног отпора које се може користити као осцилатор и микроталасна појачала. Када је ова диода прво пристрасна, пошто је подручје исцрпљивања уско, тунел електрона пролази кроз њу, струја се брзо повећава са малом променом напона. Када се напон додатно повећа, због вишка електрона на споју, ширина подручја исцрпљивања почиње да се повећава узрокујући блокаду предње струје (тамо где се негативни отпор формира) када се предњи напон даље повећава, он делује као нормална диода.

ПИН диода:

У овој диоди су П и Н региони одвојени унутрашњим полупроводником. Када је диода обрнуто пристрасна, делује као кондензатор са константном вредношћу. У усмереном предњем положају делује као променљиви отпор који се контролише струјом. Користи се у микроталасним апликацијама које треба контролисати једносмерним напоном.

Његов симболички приказ сличан је нормалној ПН диоди.

Примена диода:

• Регулисано напајање: Практично је немогуће произвести једносмерни напон, једина врста доступног извора је наизменични напон. Будући да су диоде једносмерни уређаји, може се користити за претварање наизменичног напона у пулсирајући једносмерни ток, а са даљим одељцима за филтрирање (помоћу кондензатора и пригушница) може се добити приближни једносмерни напон.

• Кругови тјунера: У комуникационим системима на крају пријемника, пошто антена прима све радио фреквенције доступне у свемиру, потребно је одабрати жељену фреквенцију. Дакле, користе се склопови тјунера који нису ништа друго до склоп са променљивим кондензаторима и пригушницама. У овом случају се може користити варактор диода.

• Телевизори, семафори, дисплеји: За приказивање слика на телевизорима или на дисплејима користе се ЛЕД диоде. Будући да ЛЕД троши врло мало енергије, широко се користи у системима осветљења попут ЛЕД сијалица.

• Регулатори напона: Како Зенер диода има врло низак напон пробоја, може се користити као регулатор напона када је обрнуто пристрасно.

• Детектори у комуникационим системима: Познати детектор који користи диоду је детектор омотача који се користи за откривање врхова модулисаног сигнала.