Dioder: pn-korsning, typer, konstruktion och arbete

Vad är diod?

I allmänhet behöver alla elektroniska enheter likströmsförsörjning, men det är omöjligt att generera likström, så vi behöver ett alternativ för att få lite likström, vilket innebär att användningen av dioder kommer in i bilden för att omvandla växelström till likström. En diod är en liten elektronisk komponent som används i nästan alla elektroniska kretsar för att möjliggöra strömflödet i endast en riktning ( enkelriktad enhet ). Vi kan säga att användningen av halvledarmaterial för att bygga de elektroniska komponenterna startades med dioder. Före uppfinningen av dioder fanns det med vakuumrör, där applikationerna för båda dessa enheter är lika men storleken som upptas av vakuumröret kommer att vara mycket större än dioderna. Konstruktionen av vakuumrör är lite komplex och de är svåra att underhålla jämfört med halvledardioderna. Få tillämpningar av dioder är korrigering, förstärkning, elektronisk omkopplare, omvandling av elektrisk energi till ljusenergi och ljusenergi till elektrisk energi.

Diodens historia:

År 1940 på Bell Labs arbetade Russell Ohl med en kiselkristall för att ta reda på dess egenskaper. En dag av misstag när kiselkristallen som har en spricka i den exponerades för solljuset, hittade han strömmen genom kristallen och som senare kallades diod, vilket var början på halvledartiden.

Konstruktion av dioder:

Fasta material klassificeras vanligtvis i tre typer, nämligen ledare, isolatorer och halvledare. Ledare har ett maximalt antal fria elektroner, isolatorer har ett minimalt antal fria elektroner (försumbar så att strömflödet inte alls är möjligt) medan halvledare kan vara antingen ledare eller isolatorer beroende på potentialen som tillämpas på den. Halvledare som är allmänt använda är kisel och Germanium. Kisel är att föredra eftersom det finns rikligt tillgängligt på jorden och det ger ett bättre värmeområde.

Halvledare klassificeras vidare i två typer som Intrinsic och Extrinsic semi-ledare.

Inneboende halvledare:

Dessa kallas också som rena halvledare där laddningsbärare (elektroner och hål) är i samma mängd vid rumstemperaturen. Så strömledningen sker både av hål och elektroner.

Extrinsiska halvledare:

För att öka antalet hål eller elektroner i ett material går vi efter yttre halvledare där föroreningar (andra än kisel och germanium eller helt enkelt trevärda eller femvärda material) tillsätts till kislet. Denna process för att lägga till föroreningar till de rena halvledarna kallas dopning.

Bildande av halvledare av P- och N-typ:

N-typ halvledare:

Om pentavalenta element (antalet valenselektroner är fem) läggs till Si eller Ge finns det fria elektroner tillgängliga. Eftersom elektronerna (negativt laddade bärare) är fler i antal kallas de som halvledare av N-typ . I N-typ är halvledarelektroner majoritetsladdningsbärare och hål är minoritetsladdningsbärare.

Få pentavalenta element är fosfor, arsenik, antimon och vismut. Eftersom dessa har överskottsvalanselektron och är redo att para ihop med den yttre positivt laddade partikeln kallas dessa element som givare .

P-typ halvledare

På samma sätt, om trevärda element som bor, aluminium, indium och gallium läggs till Si eller Ge, skapas ett hål eftersom ett antal valenselektroner i det är tre. Eftersom ett hål är redo att acceptera en elektron och paras ihop kallas den som acceptorer . Eftersom antalet hål är överflödigt i nybildat material kallas dessa som halvledare av P-typ . I P-typ halvledarhål är majoritetsladdningsbärare och elektroner minoritetsladdningsbärare.

PN-kopplingsdiod:

Om vi ​​nu förenar de två typerna av halvledare P-typ och N-typ tillsammans bildas en ny enhet som kallas PN-kopplingsdiod. Eftersom en korsning bildas mellan ett P-typ och N-typmaterial kallas det som PN-korsning.

Ordet diod kan förklaras som 'Di' betyder två och 'ode' erhålls från elektroden. Eftersom den nybildade komponenten kan ha två anslutningar eller elektroder (en ansluten till P-typ och den andra till N-typ) kallas den som diod- eller PN-kopplingsdiod eller halvledardiod.

Terminalen som är ansluten till material av P-typ kallas Anode och terminalen som är ansluten till N-typ material kallas katod .

Den symboliska framställningen av dioden är som följer.

Pilen indikerar strömflödet genom den när dioden är i förutspänt läge, strecket eller blocket vid spetsen av pilen indikerar blockering av ström från motsatt riktning.

PN Junction Theory:

Vi har sett hur en diod tillverkas med P- och N-halvledare men vi måste veta vad som händer inuti den för att bilda en unik egenskap att tillåta ström i endast en riktning och vad som händer vid den exakta kontaktpunkten initialt vid dess korsning.

Korsningsformation:

När båda materialen är sammanfogade (utan någon extern spänning applicerad) kommer överflödiga elektroner i N-typ och överskott av hål i P-typ att lockas till varandra och rekombineras där bildandet av orörliga joner (donatorjon) och Acceptor ion) sker enligt bilden nedan. Dessa orörliga joner motstår flödet av elektroner eller hål genom den som nu fungerar som en barriär mellan de två materialen (bildande av barriär betyder att de orörliga jonerna sprider sig i P- och N-regioner). Barriären som nu bildas kallas för utarmningsregion . Bredden på utarmningsregionen beror i detta fall på dopningskoncentrationen i materialen.

Om dopningskoncentrationen är lika i båda materialen diffunderar de orörliga jonerna lika mycket i både P- och N-materialet.

Vad händer om dopningskoncentrationen skiljer sig åt?

Tja, om dopingen skiljer sig åt varierar också uttömningsregionens bredd. Dess diffusion sker mer i det lätt dopade området och mindre i det starkt dopade området .

Låt oss nu se diodens beteende när rätt spänning appliceras.

Diod i framåtriktad förspänning

Det finns ett antal dioder vars konstruktion är likartad men vilken typ av material som används skiljer sig åt. Till exempel, om vi överväger en ljusemitterande diod, är den gjord av aluminium-, gallium- och arsenidmaterial som vid upphetsning frigör energi i form av ljus. På samma sätt beaktas variationer i diodens egenskaper som intern kapacitans, tröskelspänning etc och en viss diod designas utifrån dessa.

Här har vi förklarat olika typer av dioder med deras funktion, symbol och applikationer:

• Zener-diod
• LED
• LASER-diod
• Fotodiod
• Varaktordiod
• Schottky-diod
• Tunneldiod
• PIN-diod etc.

Låt oss se arbetsprincipen och konstruktionen av dessa enheter kort.

Zener-diod:

P- och N-regionerna i denna diod är starkt dopade så att utarmningsregionen är mycket smal. Till skillnad från en normal diod är dess nedbrytningsspänning mycket låg, när omvänd spänning är större än eller lika med nedbrytningsspänningen försvinner utarmningsområdet och en konstant spänning passerar genom dioden även om omvänd spänning ökar. Därför används dioden för att reglera spänningen och upprätthålla konstant utspänning när den är korrekt förspänd. Här är ett exempel på att begränsa spänningen med Zener.

Fördelningen i Zener-dioden kallas för zener-uppdelning . Det betyder att när omvänd spänning appliceras på zenerdioden utvecklas ett starkt elektriskt fält vid korsningen vilket är tillräckligt för att bryta de kovalenta bindningarna i korsningen och orsakar stort strömflöde igenom. Zener-haveri orsakas vid mycket låga spänningar jämfört med lavinbrott.

Det finns en annan typ av nedbrytning som kallas lavinspridning som vanligtvis ses i den normala dioden, vilket kräver stor mängd omvänd spänning för att bryta korsningen. Dess arbetsprincip är när dioden är omvänd förspänd, små läckströmmar passerar genom dioden, när omvänd spänning ökar ytterligare ökar läckströmmen också som är tillräckligt snabba för att bryta några kovalenta bindningar inom korsningen dessa nya laddningsbärare bryts ytterligare ner de återstående kovalenta bindningarna som orsakar enorma läckströmmar som kan skada dioden för alltid.

Ljusdiod (LED):

Dess konstruktion liknar en enkel diod men olika kombinationer av halvledare används för att generera olika färger. Det fungerar i förutspänt läge. När elektronhålsrekombinationen äger rum frigörs en resulterande foton som avger ljus. Om framspänningen ökas ytterligare kommer fler fotoner att släppas och ljusintensiteten ökar också men spänningen bör inte överstiga dess tröskelvärde annars skadas lysdioden.

För att generera olika färger används kombinationerna AlGaAs (Aluminium Gallium Arsenide) - röd och infraröd, GaP (Galliumfosfid) - gul och grön, InGaN (Indium Gallium Nitrid) - blå och ultravioletta lysdioder etc. Kontrollera en enkel LED-krets här.

För en IR-LED kan vi se dess ljus genom en kamera.

LASER-diod:

LASER står för Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. En PN-korsning bildas av två lager dopad galliumarsenid där en högreflekterande beläggning appliceras på ena änden av korsningen och en delvis reflekterande beläggning i den andra änden. När dioden är förspänd framåt, liknar LED, släpper den fotoner, dessa träffar andra atomer så att fotoner släpps för mycket, när en foton träffar den reflekterande beläggningen och slår tillbaka korsningen igen fler fotoner släpper, denna process upprepas och en högintensiv stråle ljus släpps bara i en riktning. Laserdioden behöver en förarkrets för att fungera korrekt.

Den symboliska representationen av en LASER-diod liknar den för LED.

Fotodiod:

I en fotodiod beror strömmen genom den på den ljusenergi som appliceras på PN-korsningen. Den drivs i omvänd förspänning. Som diskuterats tidigare strömmar liten läckström genom en diod vid omvänd förspänning som här kallas mörk ström . Eftersom strömmen beror på brist på ljus (mörker) kallas det så. Denna diod är konstruerad på ett sådant sätt att när ljus slår över korsningen är det tillräckligt att bryta elektronhålspar och generera elektroner som ökar den omvända läckströmmen. Här kan du kontrollera att fotodioder fungerar med IR-LED.

Varaktordiod:

Det kallas också som Varicap (variabel kondensator) diod. Den fungerar i omvänd förspänt läge. Den allmänna definitionen av en kondensatorseparation av den ledande plattan med en isolator eller ett dielektrikum, när en normal diod är omvänd förspänd ökar utarmningsregionens bredd, eftersom utarmningsområdet representerar en isolator eller en dielektrikum kan den nu fungera som kondensator. Med variationen av omvänd spänning orsakar separering av P- och N-regioner att variera, vilket leder dioden till att fungera som variabel kondensator.

Eftersom kapacitansen ökar med minskat avstånd mellan plattorna, betyder den stora omvänd spänningen låg kapacitans och vice versa.

Schottky-diod:

Halvledare av N-typ är förenade med metallen (guld, silver) så att elektroner med hög energinivå finns i dioden. Dessa kallas varma bärare så denna diod kallas också som varmbärardiod . Det har inte minoritetsbärare och ingen utarmningsregion finns snarare en metall halvledarkoppling existerar, när denna diod är förspänd fungerar den ledare men laddningen har höga energinivåer som är till hjälp vid snabb växling, särskilt i digitala kretsar, dessa används i mikrovågsapplikationer. Kontrollera Schottky-dioden i aktion här.

Tunneldiod:

P- och N-regionerna i denna diod är starkt dopade så att förekomsten av en utarmning är mycket smal. Den uppvisar negativt motståndsområde som kan användas som en oscillator och mikrovågsförstärkare. När denna diod är förspänd för det första, eftersom utarmningsområdet är smalt, elektroner tunnlar genom den, ökar strömmen snabbt med en liten förändring i spänning. När spänningen ökas ytterligare, på grund av överskottet av elektroner vid korsningen, börjar utarmningsregionens bredd öka och orsakar blockering av framström (där det negativa motståndsområdet bildas) när framspänningen ökas ytterligare fungerar den som normal diod.

PIN-diod:

I denna diod separeras P- och N-regionerna med en inneboende halvledare. När dioden är omvänd förspänd fungerar den som en konstant värderad kondensator. I framåtförspänt tillstånd fungerar det som ett variabelt motstånd som styrs av ström. Den används i mikrovågsapplikationer som ska styras av likspänning.

Dess symboliska representation liknar en normal PN-diod.

Tillämpningar av dioder:

• Reglerad strömförsörjning: Det är praktiskt taget omöjligt att generera likspänning, den enda tillgängliga källan är växelspänning. Eftersom dioderna är enriktade enheter kan den användas för att omvandla växelspänning till den pulserande likströmmen och med ytterligare filtreringssektioner (med kondensatorer och induktorer) kan en ungefärlig likspänning erhållas.

• Tunerkretsar: I kommunikationssystem vid mottagaränden eftersom antennen tar emot alla tillgängliga radiofrekvenser i rymden finns det ett behov av att välja önskad frekvens. Således används tunerkretsar som bara är kretsen med variabla kondensatorer och induktorer. I detta fall kan en varaktordiod användas.

• TV- apparater, trafikljus, bildskärmar: För att visa bilder på TV-apparater eller på bildskärmar används lysdioder. Eftersom LED förbrukar mycket mindre ström används den i stor utsträckning i belysningssystem som LED-lampor.

• Spänningsregulatorer: Eftersom Zener-dioden har en mycket låg nedbrytningsspänning kan den användas som spänningsregulator när den är omvänd förspänd.

• Detektorer i kommunikationssystem: En välkänd detektor som använder diod är en kuvertdetektor som används för att detektera topparna i den modulerade signalen.