Диоды: pn переход, типы, конструкция и работа

Что такое диод?

В общем, все электронные устройства нуждаются в источнике питания постоянного тока, но невозможно генерировать мощность постоянного тока, поэтому нам нужна альтернатива для получения некоторой мощности постоянного тока, поэтому использование диодов входит в картину для преобразования мощности переменного тока в мощность постоянного тока. Диод - это крошечный электронный компонент, который используется почти во всех электронных схемах, чтобы обеспечить протекание тока только в одном направлении ( однонаправленное устройство ). Можно сказать, что использование полупроводниковых материалов для создания электронных компонентов началось с диодов. До изобретения диода существовали вакуумные лампы, где применение обоих этих устройств схоже, но размер, занимаемый вакуумной трубкой, будет намного больше, чем размер диодов. Конструкция вакуумных ламп немного сложна, и их трудно обслуживать по сравнению с полупроводниковыми диодами. Некоторые применения диодов - это выпрямление, усиление, электронный переключатель, преобразование электрической энергии в световую и световую энергию в электрическую.

История диода:

В 1940 году в Bell Labs Рассел Ол работал с кристаллом кремния, чтобы выяснить его свойства. Однажды случайно, когда кристалл кремния, в котором есть трещина, подвергся воздействию солнечного света, он обнаружил, что через кристалл течет ток, который позже был назван диодом, что стало началом эры полупроводников.

Конструкция диода:

Твердые материалы обычно подразделяются на три типа: проводники, изоляторы и полупроводники. Проводники имеют максимальное количество свободных электронов, изоляторы имеют минимальное количество свободных электронов (ничтожно мало, так что протекание тока вообще невозможно), тогда как полупроводники могут быть либо проводниками, либо изоляторами в зависимости от приложенного к ним потенциала. Полупроводники, которые обычно используются, - это кремний и германий. Кремний предпочтителен, потому что он широко доступен на Земле и дает лучший тепловой диапазон.

Полупроводники далее подразделяются на два типа: внутренние и внешние полупроводники.

Внутренние полупроводники:

Их также называют чистыми полупроводниками, в которых носители заряда (электроны и дырки) находятся в равном количестве при комнатной температуре. Таким образом, токопроводимость осуществляется как дырками, так и электронами в равной степени.

Внешние полупроводники:

Чтобы увеличить количество дырок или электронов в материале, мы используем внешние полупроводники, в которых к кремнию добавляются примеси (кроме кремния и германия или просто трехвалентных или пятивалентных материалов). Этот процесс добавления примесей к чистым полупроводникам называется легированием.

Формирование полупроводников P- и N-типа:

Полупроводник N-типа:

Если пятивалентные элементы (число валентных электронов пять) добавляются к Si или Ge, тогда имеются свободные электроны. Поскольку электронов (отрицательно заряженных носителей) больше, их называют полупроводниками N-типа . В N-типе полупроводниковые электроны являются основными носителями заряда, а дырки - неосновными носителями заряда.

Некоторые пятивалентные элементы - это фосфор, мышьяк, сурьма и висмут. Поскольку они имеют избыточный валентный электрон и готовы к спариванию с внешней положительно заряженной частицей, эти элементы называются донорами .

Полупроводник P-типа

Точно так же, если трехвалентные элементы, такие как бор, алюминий, индий и галлий, добавляются к Si или Ge, образуется дырка, потому что количество валентных электронов в ней равно трем. Поскольку дыра готова принять электрон и спариться, она называется акцепторами . Поскольку количество отверстий слишком велико во вновь сформированном материале, они называются полупроводниками P-типа . В полупроводнике P-типа дырки являются основными носителями заряда, а электроны - неосновными носителями заряда.

PN переходный диод:

Теперь, если мы соединим два типа полупроводников P-типа и N-типа вместе, то образуется новое устройство, называемое диодом с PN переходом. Поскольку между материалами типа P и N образуется соединение, оно называется PN-переходом.

Слово «диод» можно объяснить тем, что «ди» означает два, а «од» получается из электрода. Поскольку вновь сформированный компонент может иметь два вывода или электрода (один подключен к P-типу, а другой к N-типу), он называется диодом или диодом с PN-переходом или полупроводниковым диодом.

Клемма, подключенная к материалу P-типа, называется анодом, а клемма, подключенная к материалу N-типа, называется катодом .

Символическое представление диода состоит в следующем.

Стрелка указывает прохождение тока через него, когда диод находится в режиме прямого смещения, черта или блок на конце стрелки указывает на блокировку тока с противоположного направления.

Теория PN-перехода:

Мы видели, как диод состоит из полупроводников P и N, но нам нужно знать, что происходит внутри него, чтобы сформировать уникальное свойство пропускать ток только в одном направлении и что происходит в точной точке контакта изначально в месте его соединения.

Формирование стыка:

Первоначально, когда оба материала соединяются вместе (без какого-либо внешнего напряжения), избыточные электроны в N-типе и избыточные дырки в P-типе притягиваются друг к другу и рекомбинируются, где образуются неподвижные ионы (донорный ион и акцепторный ион) происходит, как показано на рисунке ниже. Эти неподвижные ионы сопротивляются потоку электронов или дырок через них, который теперь действует как барьер между двумя материалами (образование барьера означает, что неподвижные ионы диффундируют в области P и N). Барьер, который теперь образуется, называется областью истощения . Ширина обедненной области в этом случае зависит от концентрации легирования в материалах.

Если концентрация легирования одинакова в обоих материалах, то неподвижные ионы диффундируют в оба материала P и N.

Что делать, если концентрации допинга отличаются друг от друга?

Хорошо, если легирование отличается, то различается и ширина обедненной области. Его диффузия больше в слаболегированную область и меньше - в сильно легированную .

Теперь посмотрим, как ведет себя диод при подаче правильного напряжения.

Диод в прямом смещении

Существует ряд диодов, конструкция которых аналогична, но отличается тип используемого материала. Например, если мы рассмотрим светоизлучающий диод, он сделан из материалов алюминия, галлия и арсенида, которые при возбуждении выделяют энергию в виде света. Точно так же учитываются изменения таких свойств диода, как внутренняя емкость, пороговое напряжение и т. Д., И на их основе разрабатывается конкретный диод.

Здесь мы объяснили различные типы диодов с указанием их работы, символа и применения:

• Стабилитрон
• СВЕТОДИОД
• ЛАЗЕРНЫЙ диод
• Фотодиод
• Варакторный диод
• Диод Шоттки
• Туннельный диод
• PIN-диод и т. Д.

Давайте кратко рассмотрим принцип работы и устройство этих устройств.

Стабилитрон:

Области P и N в этом диоде сильно легированы, так что область обеднения очень узкая. В отличие от обычного диода, его напряжение пробоя очень низкое, когда обратное напряжение больше или равно напряжению пробоя, область истощения исчезает, и постоянное напряжение проходит через диод, даже если обратное напряжение увеличивается. Поэтому диод используется для регулирования напряжения и поддержания постоянного выходного напряжения при правильном смещении. Вот один из примеров ограничения напряжения с помощью стабилитрона.

Пробой стабилитрона называется пробоем стабилитрона . Это означает, что когда на стабилитрон подается обратное напряжение, в переходе создается сильное электрическое поле, которого достаточно для разрыва ковалентных связей внутри перехода и вызывает большой ток через него. Пробой стабилитрона возникает при очень низких напряжениях по сравнению с лавинным пробоем.

Существует еще один тип пробоя, называемый лавинным пробоем, обычно наблюдаемый в нормальном диоде, который требует большого количества обратного напряжения для разрыва перехода. Его принцип работы заключается в том, что когда диод смещен в обратном направлении, через диод проходят небольшие токи утечки, при дальнейшем увеличении обратного напряжения также увеличивается ток утечки, что достаточно быстро, чтобы разорвать несколько ковалентных связей в переходе, эти новые носители заряда далее разрушаются оставшиеся ковалентные связи вызывают огромные токи утечки, которые могут навсегда повредить диод.

Светоизлучающий диод (LED):

Его конструкция похожа на простой диод, но для получения разных цветов используются различные комбинации полупроводников. Он работает в режиме прямого смещения. Когда происходит рекомбинация электронных дырок, в результате высвобождается фотон, который излучает свет, если прямое напряжение дополнительно увеличивается, будет высвобождаться больше фотонов, и интенсивность света также увеличивается, но напряжение не должно превышать своего порогового значения, иначе светодиод будет поврежден.

Для создания разных цветов используются комбинации AlGaAs (арсенид алюминия-галлия) - красный и инфракрасный, GaP (фосфид галлия) - желтый и зеленый, InGaN (нитрид галлия-индия) - синие и ультрафиолетовые светодиоды и т. Д. Проверить простую схему светодиода Вот.

Что касается ИК-светодиода, мы можем видеть его свет через камеру.

ЛАЗЕРНЫЙ диод:

LASER означает усиление света за счет вынужденного излучения излучения. PN-переход образован двумя слоями легированного арсенида галлия, где на один конец перехода нанесено высокоотражающее покрытие, а на другом - частично отражающее покрытие. Когда диод смещен вперед, как и светодиод, он испускает фотоны, они поражают другие атомы, так что фотоны будут высвобождаться чрезмерно, когда фотон ударяет по отражающему покрытию и снова ударяет по переходу, высвобождается больше фотонов, этот процесс повторяется, и луч высокой интенсивности света испускается только в одном направлении. Для правильной работы лазерного диода требуется схема драйвера.

Символическое представление ЛАЗЕРНОГО диода аналогично изображению светодиода.

Фото диод:

В фотодиоде ток через него зависит от световой энергии, приложенной к PN-переходу. Он работает с обратным смещением. Как обсуждалось ранее, небольшой ток утечки протекает через диод при обратном смещении, который здесь называется темновым током . Так как течение возникает из-за недостатка света (тьмы), это называется так. Этот диод сконструирован таким образом, что, когда свет попадает на переход, достаточно, чтобы разорвать пары электронных дырок и произвести электроны, что увеличивает обратный ток утечки. Здесь вы можете проверить работу фотодиода с ИК-светодиодом.

Варакторный диод:

Его также называют диодом варикапа (переменный конденсатор). Он работает в режиме обратного смещения. Общее определение конденсаторного разделения проводящей пластины с изолятором или диэлектриком, когда нормальный диод смещен в обратном направлении, ширина обедненной области увеличивается, поскольку обедненная область представляет собой изолятор или диэлектрик, теперь он может действовать как конденсатор. При изменении обратного напряжения изменяется разделение областей P и N, что приводит к тому, что диод работает как переменный конденсатор.

Поскольку емкость увеличивается с уменьшением расстояния между пластинами, большое обратное напряжение означает низкую емкость и наоборот.

Диод Шоттки:

Полупроводник N-типа соединен с металлом (золото, серебро), так что в диоде существуют электроны с высоким уровнем энергии, которые называются горячими носителями, поэтому этот диод также называют диодом с горячими носителями . У него нет неосновных носителей, и отсутствует область истощения, скорее существует металлический полупроводниковый переход, когда этот диод смещен в прямом направлении, он действует как проводник, но заряд имеет высокие уровни энергии, которые полезны для быстрого переключения, особенно в цифровых схемах, которые также используется в микроволновых печах. Проверить работу диода Шоттки можно здесь.

Туннельный диод:

Области P и N в этом диоде сильно легированы, поэтому наличие обеднения очень мало. Он имеет область отрицательного сопротивления, которая может использоваться в качестве генератора или усилителя СВЧ. Когда этот диод сначала смещен в прямом направлении, так как область обеднения узкая, через нее туннелируют электроны, ток быстро увеличивается с небольшим изменением напряжения. При дальнейшем увеличении напряжения из-за избытка электронов в переходе ширина обедненной области начинает увеличиваться, вызывая блокировку прямого тока (где образуется область отрицательного сопротивления), когда прямое напряжение дополнительно увеличивается, оно действует как нормальный диод.

ПИН-диод:

В этом диоде области P и N разделены внутренним полупроводником. Когда диод смещен в обратном направлении, он действует как конденсатор с постоянной величиной. В состоянии прямого смещения он действует как переменное сопротивление, управляемое током. Он используется в микроволновых устройствах, которые должны управляться постоянным напряжением.

Его символическое представление похоже на обычный PN-диод.

Применение диодов:

• Регулируемый источник питания: практически невозможно генерировать постоянное напряжение, единственным доступным источником является переменное напряжение. Поскольку диоды являются однонаправленными устройствами, их можно использовать для преобразования переменного напряжения в пульсирующий постоянный ток, а с помощью дополнительных секций фильтрации (с использованием конденсаторов и катушек индуктивности) можно получить приблизительное постоянное напряжение.

• Цепи тюнера: в системах связи на стороне приемника, поскольку антенна принимает все радиочастоты, доступные в космосе, необходимо выбрать желаемую частоту. Итак, используются схемы тюнера, которые представляют собой не что иное, как схему с переменными конденсаторами и индукторами. В этом случае можно использовать варакторный диод.

• Телевизоры, светофоры, табло: для вывода изображения на телевизор или табло используются светодиоды. Поскольку светодиоды потребляют очень мало энергии, они широко используются в системах освещения, таких как светодиодные лампы.

• Стабилизаторы напряжения: поскольку стабилитрон имеет очень низкое напряжение пробоя, его можно использовать в качестве регулятора напряжения при обратном смещении.

• Детекторы в системах связи. Хорошо известным детектором, в котором используется диод, является детектор огибающей, который используется для обнаружения пиков модулированного сигнала.