- Mi a dióda?
- A dióda története:
- Dióda felépítése:
- P és N típusú félvezetők kialakulása:
- PN csatlakozási dióda:
- PN csatlakozási elmélet:
- Dióda a Forward Bias-ban
- A diódák alkalmazásai:
Mi a dióda?
Általánosságban elmondható, hogy az összes elektronikus eszköznek szüksége van egyenáramú tápfeszültségre, de nem lehet egyenáramot előállítani, ezért alternatívára van szükségünk némi egyenáramú energia előállításához, így a diódák használata képbe kerül a váltóáramú áram egyenárammá alakítására. A dióda egy apró elektronikai alkatrész, amelyet szinte az összes elektronikus áramkörben használnak, hogy lehetővé tegyék az áram áramlását csak egy irányban ( egyirányú eszköz) ). Mondhatjuk, hogy a félvezető anyagok felhasználását az elektronikus alkatrészek felépítéséhez diódákkal kezdték meg. A dióda feltalálása előtt voltak olyan vákuumcsövek, ahol mindkét eszköz alkalmazása hasonló, de a vákuumcső által elfoglalt méret sokkal nagyobb lesz, mint a diódák. A vákuumcsövek felépítése kissé összetett és nehéz fenntartani őket a félvezető diódákkal összehasonlítva. A diódák kevés alkalmazása: egyenirányítás, erősítés, elektronikus kapcsolás, az elektromos energia átalakítása fényenergiává és a fényenergia villamos energiává.
A dióda története:
1940-ben a Bell Labs-nál Russell Ohl szilíciumkristályokkal dolgozott, hogy megtudja annak tulajdonságait. Egy nap véletlenül, amikor a szilíciumkristály, amelynek repedése van, napfénynek volt kitéve, rátalált a kristályon átáramló áramra, amelyet később diódának neveztek, ami a félvezetői korszak kezdete volt.
Dióda felépítése:
A szilárd anyagokat általában három típusba sorolják, nevezetesen vezetők, szigetelők és félvezetők. A vezetőkben a szabad elektronok maximális száma, a szigetelőkben a szabad elektronok száma minimális (elhanyagolható, így az áram áramlása egyáltalán nem lehetséges), míg a félvezetők lehetnek vezetők vagy szigetelők, a rá alkalmazott potenciál függvényében. A félvezetők általában szilícium és germánium. A szilíciumot előnyben részesítik, mert bőségesen elérhető a földön, és jobb hőtartományt ad.
A félvezetőket további két típusba sorolják: belső és külső félvezetők.
Belső félvezetők:
Ezeket tiszta félvezetőknek is nevezik, ahol a töltéshordozók (elektronok és furatok) szobahőmérsékleten azonos mennyiségben vannak. Tehát az áramvezetés lyukak és elektronok által egyaránt zajlik.
Külső félvezetők:
Az anyagban lévő furatok vagy elektronok számának növelése érdekében külső félvezetőket választunk, ahol a szilíciumhoz szennyeződéseket (a szilícium és a germánium kivételével, vagy egyszerűen háromértékű vagy ötértékű anyagokat) adnak. Ezt a folyamatot, amely szennyeződéseket ad a tiszta félvezetőkhöz, Dopingnak nevezzük .
P és N típusú félvezetők kialakulása:
N-típusú félvezető:
Ha ötértékű elemeket (a vegyérték-elektronok száma öt) adunk a Si-hez vagy Ge-hez, akkor szabad elektronok állnak rendelkezésre. Mivel az elektronok (negatív töltésű hordozók) nagyobb számban vannak, ezeket N típusú félvezetőnek nevezzük. Az N-típusú félvezető elektronok többségi töltéshordozók, a furatok pedig kisebbségi töltéshordozók.
Kevés ötértékű elem a foszfor, az arzén, az antimon és a bizmut. Mivel ezek túlzott vegyértékű elektronnal rendelkeznek, és készek párosulni a külső pozitív töltésű részecskével, ezeket az elemeket Donorként hívják.
P-típusú félvezető
Hasonlóképpen, ha háromértékű elemeket, például bórt, alumíniumot, indiumot és galliumot adunk Si-hez vagy Ge-hez, akkor lyuk keletkezik, mert számos vegyérték-elektron három benne. Mivel egy lyuk készen áll egy elektron befogadására és párosítására, úgy hívják, hogy elfogadók . Mivel a furatok száma túl sok az újonnan képződött anyagban, ezeket P-típusú félvezetőknek nevezzük. A P típusú félvezető furatok többségi töltéshordozók, az elektronok pedig kisebbségi töltéshordozók.
PN csatlakozási dióda:
Ha most összekapcsoljuk a két típusú P-típusú és N-típusú félvezetőt, akkor egy új eszköz jön létre, amelyet PN csatlakozási diódának hívunk. Mivel a P és N típusú anyagok között egy csomópont képződik, PN csomópontnak hívják.
A dióda szó úgy magyarázható, hogy a „Di” kettőt jelent, az „óda” pedig elektródból származik. Mivel az újonnan kialakított alkatrésznek két kapcsa vagy elektródája lehet (az egyik P-típusú, a másik pedig az N-típusú), diódának vagy PN-csatlakozási diódának vagy félvezető-diódának hívják.
A P típusú anyaghoz kapcsolt terminált anódnak , az N típusú anyaghoz kapcsolt terminált pedig Katódnak hívják.
A dióda szimbolikus ábrázolása a következő.
A nyíl az áram áramlását jelzi rajta, amikor a dióda előre torzított üzemmódban van, a kötőjel vagy a nyíl hegyén lévő blokk az áram ellentétes irányú elzáródását jelzi.
PN csatlakozási elmélet:
Láttuk, hogyan készül a dióda P és N félvezetőkkel, de tudnunk kell, mi történik benne, hogy egyedülálló tulajdonságot képezzen az áram csak egyetlen irányban történő engedése, és mi történik pontosan a találkozási pont kezdetben a csomópontjában.
Csomópont kialakítása:
Kezdetben, amikor mindkét anyagot összekapcsolják (külső feszültség nélkül), az N-típusú elektronok és a P-típusú felesleges furatok vonzódnak egymáshoz, és rekombinálódnak, ahol mozdulatlan ionok képződnek (Donorion és az Acceptor ion) az alábbi képen látható módon történik. Ezek a mozdulatlan ionok ellenállnak az azon keresztüli elektronok vagy lyukak áramlásának, amelyek most gátként működnek a két anyag között (a gátképződés azt jelenti, hogy a mozdulatlan ionok diffundálnak P és N területekre). A most kialakult gátat kimerítési régiónak nevezzük. A kimerülési régió szélessége ebben az esetben az anyagok doppingkoncentrációjától függ.
Ha az adalékkoncentráció mindkét anyagban megegyezik, akkor a mozdulatlan ionok egyformán diffundálnak mind a P, mind az N anyagba.
Mi van, ha a doppingkoncentráció eltér egymástól?
Nos, ha a doppingolás eltér, akkor a kimerülési régió szélessége is különbözik. Diffúziója inkább az enyhén adalékolt és kevésbé az erősen adalékolt régióba vezet .
Most nézzük meg a dióda viselkedését megfelelő feszültség alkalmazása esetén.
Dióda a Forward Bias-ban
Vannak olyan diódák, amelyek felépítése hasonló, de a felhasznált anyag típusa eltér. Például, ha egy fénykibocsátó diódát vesszük figyelembe, alumínium, gallium és arzenid anyagokból készül, amelyek gerjesztve fény formájában energiát szabadítanak fel. Hasonlóképpen figyelembe vesszük a dióda tulajdonságainak változásait, mint például a belső kapacitás, a küszöbfeszültség stb., És ezek alapján megtervezünk egy adott diódát.
Itt ismertettük a diódák különféle típusait, azok működésével, szimbólumával és alkalmazásával:
- zener dióda
- VEZETTE
- LÉZER dióda
- Fotodióda
- Varactor dióda
- Schottky dióda
- Alagútdióda
- PIN dióda stb.
Nézzük meg röviden ezeknek az eszközöknek a működési elvét és felépítését.
Zener dióda:
Ebben a diódában a P és N régiók erősen adalékoltak, így a kimerülési régió nagyon keskeny. A normál diódától eltérően a megszakítási feszültsége nagyon alacsony, amikor a fordított feszültség nagyobb vagy egyenlő a megszakítási feszültséggel, a kimerülési régió eltűnik, és a diódán állandó feszültség halad át, még akkor is, ha a fordított feszültséget növelik. Ezért a diódát a feszültség szabályozására és az állandó kimeneti feszültség fenntartására használják, ha megfelelően előfeszített. Itt van egy példa a feszültség korlátozására a Zener segítségével.
A Zener dióda bontását zener bontásnak nevezzük . Ez azt jelenti, hogy amikor a fordított feszültséget a zener diódára alkalmazzák, akkor a kereszteződésben erős elektromos mező alakul ki, amely elegendő ahhoz, hogy megtörje a kovalens kötéseket a csomóponton belül, és nagy áramáramot okoz. A Zener meghibásodását nagyon alacsony feszültségen okozzák, összehasonlítva a lavina meghibásodásával.
Van egy másik típusú meghibásodás, amelyet lavinabontásnak neveznek, és amelyet általában a normál diódában látnak, és amely nagy fordított feszültséget igényel a csomópont megszakításához. Működési elve az, amikor a dióda fordított előfeszítésű, kis szivárgási áramok haladnak át a diódán, amikor a fordított feszültség tovább növekszik, a szivárgási áram is növekszik, amelyek elég gyorsak ahhoz, hogy néhány kovalens kötést megszakítsanak a kereszteződésen belül, ezek az új töltéshordozók tovább bomlanak a fennmaradó kovalens kötések hatalmas szivárgási áramokat okoznak, amelyek örökre károsíthatják a diódát.
Fénykibocsátó dióda (LED):
Felépítése hasonló egy egyszerű diódához, de különböző színek létrehozásához félvezetők különféle kombinációit alkalmazzák. Úgy működik, előre elfogult módban. Amikor az elektronlyuk rekombinációja megtörténik, a kapott foton felszabadul, amely fényt bocsát ki, ha az előremenő feszültség tovább növekszik, több foton szabadul fel, és a fényintenzitás is növekszik, de a feszültség nem haladhatja meg a küszöbértékét, különben a LED megsérül.
Különböző színek előállításához a kombinációkat AlGaA-kkal (alumínium-gallium-arzenid) - vörös és infravörös, GaP (gallium-foszfid) - sárga és zöld, InGaN (indium-gallium-nitrid) - kék és ultraibolya LED-ekkel stb. Használják. Ellenőrizze az egyszerű LED áramkört itt.
Az infravörös LED-hez a fényét egy kamerán keresztül láthatjuk.
LÉZER dióda:
A LASER a fénysugárzás stimulálása sugárzás stimulálása alatt áll. A PN csomópontot két adalékolt gallium-arzén réteg alkotja, ahol a csomópont egyik végén magas fényvisszaverő, a másik végén pedig részleges fényvisszaverő bevonatot alkalmaznak. Amikor a dióda a LED-hez hasonlóan előre irányú, fotonokat bocsát ki, ezek más atomokat ütnek meg, így a fotonok túlzottan felszabadulnak, amikor egy foton eltalálja a fényvisszaverő bevonatot, és ismét visszacsapja az elágazást, így több foton szabadul fel, ez a folyamat megismétlődik és nagy intenzitású nyaláb fény csak egy irányban szabadul fel. A lézerdiódához egy Driver áramkörre van szükség a megfelelő működéshez.
A LASER dióda szimbolikus ábrázolása hasonló a LED-hez.
Fotódióda:
Egy fotodiódán az átáramló áram a PN csomópontban alkalmazott fényenergiától függ. Fordított elfogultsággal működik. Amint azt korábban tárgyaltuk, a kicsi szivárgási áram egy diódán áramlik át fordított előfeszítéssel, amelyet itt sötét áramnak nevezünk . Mivel az áram a fény (sötétség) hiányának köszönhető, így hívják. Ez a dióda úgy van kialakítva, hogy amikor a fény eléri a kereszteződést, elegendő megszakítani az elektronfurat-párokat és elektronokat generálni, ami növeli a fordított szivárgási áramot. Itt ellenőrizheti az IR LED-del működő fotodiódát.
Varactor dióda:
Varicap (változó kondenzátor) diódának is nevezik. Ez működik záróirányban előfeszített állapotban. A vezetőlemez kondenzátor-elválasztásának általános meghatározása szigetelővel vagy dielektrikummal, ha egy normál dióda fordított előfeszítéssel történik, a kimerülési régió szélessége növekszik, mivel a kimerülési régió szigetelőt vagy dielektrikumot képvisel, ez most kondenzátorként működhet. A fordított feszültség változása miatt a P és N régiók elválasztása változik, így a dióda változó kondenzátorként működik.
Mivel a kapacitás növekszik a lemezek közötti távolság csökkenésével, a nagy fordított feszültség az alacsony kapacitást jelenti és fordítva.
Schottky dióda:
Az N-típusú félvezető úgy csatlakozik a fémhez (arany, ezüst), hogy a diódában nagy energiájú elektronok vannak, ezeket meleg hordozóknak nevezzük, így ezt a diódát forró hordozó diódának is nevezzük . Nincs kisebbségi hordozója, és nincs kimerülési régió, inkább létezik egy fém félvezető csomópont, amikor ez a dióda előre torzított, akkor vezetőként működik, de a töltés magas energiaszinttel rendelkezik, ami segít a gyors kapcsolásban, különösen a digitális áramkörökben mikrohullámú alkalmazásokban használják. Itt ellenőrizheti a Schottky-diódát működés közben.
Alagútdióda:
A dióda P és N régiója erősen adalékolt, így a kimerülés nagyon szűk. Negatív ellenállási régiót mutat, amely oszcillátorként és mikrohullámú erősítőként használható. Ha ez a dióda előre van előfeszítve, mivel a kimerülési terület keskeny az elektron alagútján keresztül, az áram kis mértékben növekszik, ha a feszültség kicsi. Amikor a feszültség tovább növekszik, a csomópontban lévő elektronfelesleg miatt a kimerülési régió szélessége növekszik, ami az előremenő áram blokkolását okozza (ahol a negatív ellenállási régió kialakul), amikor az előremenő feszültség tovább növekszik, normál dióda.
PIN dióda:
Ebben a diódában a P és N régiókat belső félvezető választja el egymástól. Ha a dióda fordított előfeszített, akkor állandó értékű kondenzátorként működik. Előre torzított állapotban változó ellenállásként működik, amelyet áram vezérel. Mikrohullámú alkalmazásokban használják, amelyeket egyenfeszültséggel kell vezérelni.
Szimbolikus ábrázolása hasonló a normál PN diódához.
A diódák alkalmazásai:
- Szabályozott tápegység: Gyakorlatilag lehetetlen DC feszültséget létrehozni, az egyetlen rendelkezésre álló forrás a váltakozó feszültség. Mivel a diódák egyirányú eszközök, használható az AC feszültség pulzáló DC-vé történő átalakítására, és további szűrőszakaszokkal (kondenzátorok és induktorok segítségével) hozzávetőleges egyenfeszültséget lehet kapni.
- Tuner áramkörök: A kommunikációs rendszerekben a vevő végén, mivel az antenna fogadja az összes rendelkezésre álló rádiófrekvenciát az űrben, szükség van a kívánt frekvencia kiválasztására. Tehát tuner áramköröket használnak, amelyek nem más, mint a változó kondenzátorokkal és induktorokkal ellátott áramkör. Ebben az esetben varaktor dióda használható.
- Televíziók, jelzőlámpák, kijelzőtáblák: A képek TV-n vagy kijelzőn való megjelenítéséhez LED-eket használnak. Mivel a LED nagyon kevesebb energiát fogyaszt, széles körben használják olyan világítási rendszerekben, mint a LED izzók.
- Feszültségszabályozók: Mivel a Zener dióda nagyon alacsony megszakítási feszültséggel rendelkezik, ezért fordított előfeszítéssel feszültségszabályozóként használható.
- Detektorok a kommunikációs rendszerekben: Egy jól ismert detektor, amely diódát használ, egy boríték detektor, amelyet a modulált jel csúcsainak detektálására használnak.