Diodes: pn-overgang, typen, constructie en werking

Wat is een diode?

Over het algemeen hebben alle elektronische apparaten gelijkstroom nodig, maar het is onmogelijk om gelijkstroom te genereren, dus we hebben een alternatief nodig om wat gelijkstroom te krijgen, dus het gebruik van diodes komt in beeld om wisselstroom om te zetten in gelijkstroom. Een diode is een klein elektronisch onderdeel dat in bijna alle elektronische circuits wordt gebruikt om de stroom in slechts één richting te laten stromen ( eenrichtingsapparaat ). We kunnen zeggen dat het gebruik van halfgeleidermaterialen om de elektronische componenten te bouwen is begonnen met diodes. Vóór de uitvinding van de diode waren er vacuümbuizen, waar de toepassingen van beide apparaten vergelijkbaar zijn, maar de afmeting van de vacuümbuis veel groter zal zijn dan die van de diodes. De constructie van vacuümbuizen is een beetje ingewikkeld en ze zijn moeilijk te onderhouden in vergelijking met de halfgeleiderdiodes. Weinig toepassingen van diodes zijn rectificatie, versterking, elektronische schakelaar, omzetting van elektrische energie in lichtenergie en lichtenergie in elektrische energie.

Geschiedenis van Diode:

In het jaar 1940 werkte Russell Ohl bij Bell Labs met een siliciumkristal om de eigenschappen ervan te achterhalen. Toen op een dag per ongeluk het siliciumkristal met een scheur in het zonlicht werd blootgesteld, ontdekte hij de stroom door het kristal en dat werd later diode genoemd, wat het begin was van het halfgeleidertijdperk.

Constructie van diode:

Vaste materialen worden over het algemeen ingedeeld in drie typen, namelijk geleiders, isolatoren en halfgeleiders. Geleiders hebben een maximum aantal vrije elektronen, isolatoren hebben een minimum aantal vrije elektronen (verwaarloosbaar zodat stroomstroming helemaal niet mogelijk is), terwijl halfgeleiders zowel geleiders als isolatoren kunnen zijn, afhankelijk van het potentieel dat erop wordt toegepast. Halfgeleiders die algemeen worden gebruikt, zijn silicium en germanium. Silicium heeft de voorkeur omdat het in overvloed op aarde beschikbaar is en het een beter thermisch bereik geeft.

Halfgeleiders worden verder geclassificeerd in twee typen als intrinsieke en extrinsieke halfgeleiders.

Intrinsieke halfgeleiders:

Deze worden ook wel pure halfgeleiders genoemd waarbij ladingsdragers (elektronen en gaten) in gelijke hoeveelheid aanwezig zijn bij kamertemperatuur. Stroomgeleiding vindt dus plaats door zowel gaten als elektronen in gelijke mate.

Extrinsieke halfgeleiders:

Om het aantal gaten of elektronen in een materiaal te vergroten, gaan we voor extrinsieke halfgeleiders waar onzuiverheden (anders dan silicium en germanium of gewoon driewaardig of vijfwaardig materiaal) aan het silicium worden toegevoegd. Dit proces van het toevoegen van onzuiverheden aan de zuivere halfgeleiders wordt doping genoemd.

Vorming van P- en N-type halfgeleiders:

N-type halfgeleider:

Als vijfwaardige elementen (aantal valentie-elektronen is vijf) worden toegevoegd aan het Si of Ge, dan zijn er vrije elektronen beschikbaar. Omdat er meer elektronen (negatief geladen dragers) zijn, worden deze N-type halfgeleider genoemd . In het N-type zijn halfgeleiderelektronen meerderheidsladingsdragers en gaten minderheidsladingsdragers.

Weinig vijfwaardige elementen zijn fosfor, arseen, antimoon en bismut. Omdat deze een overtollig valance-elektron hebben en klaar zijn om te paren met het extern positief geladen deeltje, worden deze elementen donoren genoemd .

P-type halfgeleider

Evenzo, als driewaardige elementen zoals boor, aluminium, indium en gallium worden toegevoegd aan Si of Ge, ontstaat er een gat omdat er drie valentie-elektronen in zitten. Omdat een gat klaar is om een ​​elektron te accepteren en te paren, wordt het acceptoren genoemd . Aangezien het aantal gaten in nieuw gevormd materiaal te groot is, worden deze halfgeleiders van het P-type genoemd . In halfgeleidergaten van het P-type zijn meerderheidsladingsdragers en elektronen zijn minderheidsladingsdragers.

PN-verbindingsdiode:

Als we nu de twee soorten halfgeleiders P-type en N-type samenvoegen, wordt een nieuw apparaat gevormd dat de PN-junctiediode wordt genoemd. Omdat er een overgang ontstaat tussen een P-type en N-type materiaal, wordt deze een PN-overgang genoemd.

Het woord diode kan worden uitgelegd als 'Di' betekent twee en 'ode' wordt verkregen uit elektrode. Omdat de nieuw gevormde component twee aansluitingen of elektroden kan hebben (de ene is verbonden met het P-type en de andere met het N-type), wordt deze diode of PN-junctiediode of halfgeleiderdiode genoemd.

De terminal die is verbonden met materiaal van het P-type wordt anode genoemd en de terminal die is verbonden met materiaal van het N-type wordt kathode genoemd .

De symbolische weergave van de diode is als volgt.

De pijl geeft de stroom van stroom aan wanneer de diode in voorwaartse vooringestelde modus staat, het streepje of het blokje aan de punt van de pijl geeft de blokkering van stroom uit de tegenovergestelde richting aan.

PN Junction Theorie:

We hebben gezien hoe een diode wordt gemaakt met P- en N-halfgeleiders, maar we moeten weten wat er binnenin gebeurt om een ​​unieke eigenschap te vormen om stroom in slechts één richting toe te laten en wat er gebeurt op het exacte contactpunt in eerste instantie op de kruising.

Junction Formation:

Aanvankelijk, wanneer beide materialen met elkaar worden verbonden (zonder dat er externe spanning wordt aangelegd), zullen de overtollige elektronen in het N-type en overtollige gaten in het P-type naar elkaar worden aangetrokken en opnieuw gecombineerd worden waar de vorming van immobiele ionen (donorionen) en acceptorion) vindt plaats zoals weergegeven in onderstaande afbeelding. Deze immobiele ionen zijn bestand tegen de stroom van elektronen of gaten erdoorheen, die nu als een barrière tussen de twee materialen fungeert (vorming van barrière betekent dat de immobiele ionen diffunderen in P- en N-gebieden). De barrière die nu wordt gevormd, wordt de uitputtingsregio genoemd . De breedte van het depletiegebied hangt in dit geval af van de doteringsconcentratie in de materialen.

Als de doteringsconcentratie in beide materialen gelijk is, diffunderen de immobiele ionen evenredig in zowel de P- als de N-materialen.

Wat als de dopingconcentratie onderling verschilt?

Welnu, als de doping verschilt, verschilt de breedte van het uitputtingsgebied ook. Zijn diffusie is meer in het licht gedoteerde gebied en minder in het zwaar gedoteerde gebied .

Laten we nu eens kijken naar het gedrag van de diode wanneer de juiste spanning wordt aangelegd.

Diode in voorwaartse bias

Er zijn een aantal diodes waarvan de constructie vergelijkbaar is, maar het type materiaal dat wordt gebruikt, verschilt. Als we bijvoorbeeld een Light Emitting diode beschouwen, is deze gemaakt van aluminium, gallium en arsenide materialen die, wanneer ze worden aangeslagen, energie vrijgeven in de vorm van licht. Evenzo wordt rekening gehouden met variatie in de eigenschappen van de diode, zoals interne capaciteit, drempelspanning enz., En een bepaalde diode wordt op basis daarvan ontworpen.

Hier hebben we verschillende soorten diodes uitgelegd met hun werking, symbool en toepassingen:

• Zener diode
• LED
• Laserdiode
• Fotodiode
• Varactor-diode
• Schottky-diode
• Tunneldiode
• PIN-diode enz.

Laten we het werkingsprincipe en de constructie van deze apparaten kort bekijken.

Zener diode:

De P- en N-gebieden in deze diode zijn zwaar gedoteerd, zodat het uitputtingsgebied erg smal is. In tegenstelling tot een normale diode is de doorslagspanning erg laag, wanneer de sperspanning groter is dan of gelijk is aan de doorslagspanning, verdwijnt het uitputtingsgebied en loopt een constante spanning door de diode, zelfs als de sperspanning wordt verhoogd. Daarom wordt de diode gebruikt om de spanning te regelen en een constante uitgangsspanning te handhaven wanneer deze op de juiste manier is voorgespannen. Hier is een voorbeeld van het beperken van de spanning met Zener.

De storing in de zenerdiode wordt zener-afbraak genoemd . Het betekent dat wanneer de sperspanning wordt aangelegd op de zenerdiode, er een sterk elektrisch veld wordt ontwikkeld op de junctie dat voldoende is om de covalente bindingen binnen de junctie te verbreken en een grote stroom doorlaat. Zener-uitval wordt veroorzaakt bij zeer lage spanningen in vergelijking met de lawinedoorslag.

Er is een ander type analyse genoemd als lawinedoorslag algemeen gezien in de normale diode grote hoeveelheid tegenspanning vereist het verbindingspunt breken. Het werkingsprincipe is dat wanneer de diode in tegengestelde richting is voorgespannen, kleine lekstromen door de diode gaan, wanneer de sperspanning verder wordt verhoogd, neemt ook de lekstroom toe, die snel genoeg is om enkele covalente bindingen binnen de junctie te verbreken.Deze nieuwe ladingsdragers breken verder af de resterende covalente bindingen veroorzaken enorme lekstromen die de diode voor altijd kunnen beschadigen.

Lichtgevende diode (LED):

De constructie is vergelijkbaar met een eenvoudige diode, maar verschillende combinaties van halfgeleiders worden gebruikt om verschillende kleuren te genereren. Het werkt in voorwaartse vooringenomenheid. Wanneer de recombinatie van het elektronengat plaatsvindt, komt een resulterend foton vrij dat licht uitzendt, als de voorwaartse spanning verder wordt verhoogd, komen er meer fotonen vrij en neemt ook de lichtintensiteit toe, maar de spanning mag de drempelwaarde niet overschrijden anders raakt de LED beschadigd.

Om verschillende kleuren te genereren, worden de combinaties gebruikt AlGaAs (Aluminium Gallium Arsenide) - rood en infrarood, GaP (Gallium Phosphide) - geel en groen, InGaN (Indium Gallium Nitride) - blauwe en ultraviolette LED's enz. Controleer een eenvoudig LED-circuit hier.

Bij een IR-led kunnen we het licht door een camera zien.

Laserdiode:

LASER staat voor Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Een PN-overgang wordt gevormd door twee lagen gedoteerd galliumarsenide waarbij een sterk reflecterende coating wordt aangebracht op het ene uiteinde van de junctie en een gedeeltelijk reflecterende coating aan het andere uiteinde. Wanneer de diode voorwaarts voorgespannen is, vergelijkbaar met LED, laat hij fotonen vrij, deze raken andere atomen zodat fotonen overmatig worden vrijgegeven, wanneer een foton de reflecterende coating raakt en de junctie weer terug slaat, komen er meer fotonen vrij, dit proces herhaalt zich en een hoge intensiteitsbundel licht wordt slechts in één richting afgegeven. Laserdiode heeft een stuurprogramma nodig om goed te werken.

De symbolische weergave van een LASER-diode is vergelijkbaar met die van LED.

Fotodiode:

In een fotodiode hangt de stroom erdoorheen af ​​van de lichtenergie die op de PN-overgang wordt toegepast. Het wordt in omgekeerde richting bediend. Zoals eerder besproken, vloeit een kleine lekstroom door een diode wanneer deze in tegengestelde richting wordt voorgespannen, wat hier donkerstroom wordt genoemd . Omdat de stroom te wijten is aan gebrek aan licht (duisternis), wordt dit zo genoemd. Deze diode is zo geconstrueerd dat wanneer licht op de junctie valt, het voldoende is om de elektronengatparen te breken en elektronen te genereren die de omgekeerde lekstroom vergroten. Hier kunt u controleren of fotodiode werkt met IR-led.

Varactor-diode:

Het wordt ook wel Varicap-diode (variabele condensator) genoemd. Het werkt in omgekeerde vooringenomenheid. De algemene definitie van een condensatorscheiding van een geleidende plaat met een isolator of een diëlektricum, wanneer een normale diode in tegengestelde richting is voorgespannen, neemt de breedte van het uitputtingsgebied toe, aangezien het uitputtingsgebied een isolator of een diëlektricum vertegenwoordigt, kan het nu als condensator werken. Met de variatie van de sperspanning zorgt ervoor dat de scheiding van P- en N-gebieden varieert, waardoor de diode werkt als een variabele condensator.

Aangezien de capaciteit toeneemt met een afname van de afstand tussen de platen, betekent de grote sperspanning de lage capaciteit en vice versa.

Schottky-diode:

N-type halfgeleider is verbonden met het metaal (goud, zilver) zodat elektronen met een hoog energieniveau in de diode bestaan. Deze worden hete dragers genoemd, dus deze diode wordt ook wel hete dragers diode genoemd . Het heeft geen minderheidsdragers en er bestaat geen uitputtingsgebied, maar er bestaat een metalen halfgeleiderovergang, wanneer deze diode voorwaarts voorgespannen is, werkt hij als geleider, maar de lading heeft hoge energieniveaus die nuttig zijn bij snel schakelen, vooral in digitale circuits. gebruikt in microgolftoepassingen. Bekijk hier Schottky Diode in actie.

Tunneldiode:

De P- en N-gebieden in deze diode zijn zwaar gedoteerd, zodat het bestaan ​​van een uitputting erg smal is. Het vertoont een negatief weerstandsgebied dat kan worden gebruikt als oscillator en microgolfversterkers. Wanneer deze diode eerst voorwaarts wordt voorgespannen, aangezien het uitputtingsgebied smal is en de elektronen erdoorheen tunnelen, neemt de stroom snel toe met een kleine verandering in spanning. Wanneer de spanning verder wordt verhoogd, als gevolg van de overtollige elektronen op de kruising, begint de breedte van het uitputtingsgebied toe te nemen, waardoor de voorwaartse stroom wordt geblokkeerd (waar het negatieve weerstandsgebied wordt gevormd) wanneer de voorwaartse spanning verder wordt verhoogd, werkt het als een normale diode.

PIN-diode:

In deze diode zijn de P- en N-gebieden gescheiden door een intrinsieke halfgeleider. Wanneer de diode in tegengestelde richting is voorgespannen, werkt deze als een condensator met constante waarde. In voorwaartse voorspanning werkt het als een variabele weerstand die wordt bestuurd door stroom. Het wordt gebruikt in microgolftoepassingen die moeten worden geregeld door gelijkspanning.

De symbolische weergave is vergelijkbaar met een normale PN-diode.

Toepassingen van diodes:

• Geregelde voeding: het is praktisch onmogelijk om gelijkspanning te genereren, het enige beschikbare type bron is wisselspanning. Omdat de diodes unidirectionele apparaten zijn, kan deze worden gebruikt om wisselspanning om te zetten in de pulserende gelijkstroom en met verdere filtersecties (met behulp van condensatoren en inductoren) kan een geschatte gelijkspanning worden verkregen.

• Tunercircuits: in communicatiesystemen aan de ontvangerzijde, aangezien de antenne alle radiofrequenties ontvangt die in de ruimte beschikbaar zijn, is het nodig om een ​​gewenste frequentie te selecteren. Er worden dus tunercircuits gebruikt die niets anders zijn dan het circuit met variabele condensatoren en inductoren. In dit geval kan een varactor-diode worden gebruikt.

• Televisies, verkeerslichten, displayborden: om afbeeldingen op tv's of op displayborden weer te geven, worden LED's gebruikt. Omdat LED minder stroom verbruikt, wordt het veelvuldig gebruikt in verlichtingssystemen zoals LED-lampen.

• Spanningsregelaars: aangezien zenerdiode een zeer lage doorslagspanning heeft, kan deze worden gebruikt als spanningsregelaar in omgekeerde richting.

• Detectoren in communicatiesystemen: Een bekende detector die een diode gebruikt, is een envelopdetector die wordt gebruikt om de pieken van het gemoduleerde signaal te detecteren.