Δίοδοι: διασταύρωση pn, τύποι, κατασκευή και εργασία

Τι είναι η δίοδος;

Σε γενικές γραμμές, όλες οι ηλεκτρονικές συσκευές χρειάζονται τροφοδοσία συνεχούς ρεύματος, αλλά είναι αδύνατο να παραχθεί ισχύς DC, επομένως χρειαζόμαστε μια εναλλακτική λύση για να πάρουμε κάποια ισχύ DC, επομένως η χρήση των διόδων έρχεται στην εικόνα για τη μετατροπή της ισχύος AC σε DC. Η δίοδος είναι ένα μικροσκοπικό ηλεκτρονικό εξάρτημα που χρησιμοποιείται σε σχεδόν όλα τα ηλεκτρονικά κυκλώματα για να επιτρέψει τη ροή ρεύματος σε μία μόνο κατεύθυνση ( μονοκατευθυντική συσκευή ). Μπορούμε να πούμε ότι η χρήση υλικών ημιαγωγών για την κατασκευή των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων ξεκίνησε με διόδους. Πριν από την εφεύρεση της διόδου υπήρχαν σωλήνες κενού, όπου οι εφαρμογές και των δύο αυτών συσκευών είναι παρόμοιες, αλλά το μέγεθος που καταλαμβάνεται από το σωλήνα κενού θα είναι πολύ μεγαλύτερο από τις διόδους. Η κατασκευή σωλήνων κενού είναι λίγο περίπλοκη και είναι δύσκολο να διατηρηθεί σε σύγκριση με τις διόδους ημιαγωγών. Λίγες εφαρμογές διόδων είναι η διόρθωση, η ενίσχυση, ο ηλεκτρονικός διακόπτης, η μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας σε ελαφριά ενέργεια και η ελαφριά ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια.

Ιστορία της Δίοδος:

Το έτος 1940 στο Bell Labs, ο Russell Ohl δούλευε με έναν κρύσταλλο πυριτίου για να ανακαλύψει τις ιδιότητές του. Μια μέρα κατά λάθος όταν ο κρύσταλλος πυριτίου που έχει μια ρωγμή σε αυτό εκτέθηκε στο φως του ήλιου, βρήκε τη ροή του ρεύματος μέσω του κρυστάλλου και αυτό ονομάστηκε αργότερα ως δίοδος, η οποία ήταν η αρχή της εποχής του ημιαγωγού.

Κατασκευή Δίοδος:

Τα στερεά υλικά ταξινομούνται γενικά σε τρεις τύπους, δηλαδή αγωγούς, μονωτές και ημιαγωγοί. Οι αγωγοί έχουν έναν μέγιστο αριθμό ελεύθερων ηλεκτρονίων, οι μονωτές έχουν έναν ελάχιστο αριθμό ελεύθερων ηλεκτρονίων (αμελητέος έτσι ώστε η ροή του ρεύματος να μην είναι καθόλου δυνατή) ενώ οι ημιαγωγοί μπορούν να είναι είτε αγωγοί είτε μονωτές ανάλογα με το δυναμικό που εφαρμόζεται σε αυτό. Οι ημιαγωγοί που χρησιμοποιούνται γενικά είναι Silicon και Germanium. Το πυρίτιο προτιμάται επειδή είναι άφθονα διαθέσιμο στη γη και δίνει καλύτερη θερμική εμβέλεια.

Οι ημιαγωγοί ταξινομούνται περαιτέρω σε δύο τύπους ως ενδογενείς και εξωγενείς ημιαγωγοί.

Εσωτερικοί ημιαγωγοί:

Αυτοί καλούνται επίσης ως καθαροί ημιαγωγοί όπου οι φορείς φόρτισης (ηλεκτρόνια και οπές) είναι ίσης ποσότητας στη θερμοκρασία δωματίου. Έτσι, η τρέχουσα αγωγιμότητα γίνεται τόσο από τις οπές όσο και από τα ηλεκτρόνια.

Εξωτερικοί Ημιαγωγοί:

Προκειμένου να αυξηθεί ο αριθμός οπών ή ηλεκτρονίων σε ένα υλικό, πηγαίνουμε για εξωγενείς ημιαγωγούς όπου προστίθενται ακαθαρσίες (εκτός από πυρίτιο και γερμάνιο ή απλά τρισθενή ή πεντασθενή υλικά) στο πυρίτιο. Αυτή η διαδικασία προσθήκης ακαθαρσιών στους καθαρούς ημιαγωγούς ονομάζεται Doping.

Σχηματισμός ημιαγωγών τύπου P και Ν:

Ημιαγωγός τύπου Ν:

Εάν τα πεντασθενή στοιχεία (αριθμός ηλεκτρονίων σθένους είναι πέντε) προστίθενται στο Si ή Ge τότε υπάρχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια. Καθώς τα ηλεκτρόνια (αρνητικά φορτισμένοι φορείς) είναι περισσότερο σε αριθμό, αυτά ονομάζονται ημιαγωγός τύπου Ν . Στον τύπο Ν, τα ηλεκτρόνια ημιαγωγών είναι φορείς φορτίου πλειοψηφίας και οι οπές είναι φορείς φορτίου μειοψηφίας.

Λίγα πεντασθενή στοιχεία είναι φωσφόρο, αρσενικό, αντιμόνιο και βισμούθιο. Δεδομένου ότι αυτά έχουν περίσσεια ηλεκτρόνια και είναι έτοιμα να ζευγαρωθούν με το εξωτερικό θετικά φορτισμένο σωματίδιο, αυτά τα στοιχεία ονομάζονται Δωρητές .

Ημιαγωγός τύπου P

Παρομοίως, εάν τρισθενή στοιχεία όπως το Boron, το Aluminium, το Indium και το Gallium προστίθενται στο Si ή το Ge, δημιουργείται μια τρύπα επειδή ένας αριθμός ηλεκτρονίων σθένους σε αυτό είναι τρία. Δεδομένου ότι μια τρύπα είναι έτοιμη να δεχτεί ένα ηλεκτρόνιο και να ζευγαρωθεί ονομάζεται Αποδέκτες . Δεδομένου ότι ο αριθμός των οπών είναι υπερβολικός σε πρόσφατα σχηματισμένο υλικό, αυτοί ονομάζονται ημιαγωγοί τύπου Ρ . Σε ημιαγωγούς οπές τύπου Ρ είναι φορείς πλειοψηφίας και τα ηλεκτρόνια είναι φορείς φορτίου μειοψηφίας.

Δίοδος σύνδεσης PN:

Τώρα, αν ενώσουμε τους δύο τύπους ημιαγωγών τύπου P και Ν τύπου, τότε σχηματίζεται μια νέα συσκευή που ονομάζεται PN διασταύρωση. Δεδομένου ότι μια διασταύρωση σχηματίζεται μεταξύ υλικού τύπου P και Ν ονομάζεται διασταύρωση PN.

Η λέξη δίοδος μπορεί να εξηγηθεί ως «Di» σημαίνει δύο και το «ode» λαμβάνεται από το ηλεκτρόδιο. Καθώς το νεοσυσταθέν συστατικό μπορεί να έχει δύο ακροδέκτες ή ηλεκτρόδια (το ένα συνδέεται με τον τύπο Ρ και το άλλο στον τύπο Ν) καλείται ως δίοδος ή δίοδος σύνδεσης PN ή δίοδος ημιαγωγού.

Το τερματικό που συνδέεται με υλικό τύπου P ονομάζεται Anode και το τερματικό που συνδέεται με υλικό τύπου Ν ονομάζεται Cathode .

Η συμβολική αναπαράσταση της διόδου έχει ως εξής.

Το βέλος υποδεικνύει τη ροή του ρεύματος μέσα από αυτό όταν η δίοδος βρίσκεται σε κατάσταση μεροληπτικής κίνησης προς τα εμπρός, η παύλα ή το μπλοκ στην άκρη του βέλους υποδεικνύει την απόφραξη του ρεύματος από την αντίθετη κατεύθυνση.

Θεωρία PN Junction:

Έχουμε δει πώς κατασκευάζεται μια δίοδος με ημιαγωγούς Ρ και Ν, αλλά πρέπει να γνωρίζουμε τι συμβαίνει μέσα σε αυτό για να σχηματίσει μια μοναδική ιδιότητα να επιτρέπει ρεύμα σε μία μόνο κατεύθυνση και τι συμβαίνει στο ακριβές σημείο επαφής αρχικά στη διασταύρωσή του.

Σχηματισμός διασταύρωσης:

Αρχικά, όταν και τα δύο υλικά ενώνονται μεταξύ τους (χωρίς καμία εξωτερική τάση) τα περίσσεια ηλεκτρονίων στον τύπο Ν και οι υπερβολικές τρύπες στον τύπο Ρ θα έλκονται μεταξύ τους και θα ανασυνδυαστούν όπου σχηματίζεται ακίνητα ιόντα (ιόντος δότης) και Acceptor ion) λαμβάνει χώρα όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Αυτά τα ακίνητα ιόντα αντιστέκονται στη ροή ηλεκτρονίων ή οπών διαμέσου αυτών που ενεργούν τώρα ως φράγμα μεταξύ των δύο υλικών (σχηματισμός φράγματος σημαίνει ότι τα κινητά ιόντα διαχέονται σε περιοχές Ρ και Ν). Το φράγμα που σχηματίζεται τώρα ονομάζεται περιοχή εξάντλησης . Το πλάτος της περιοχής εξάντλησης σε αυτήν την περίπτωση εξαρτάται από τη συγκέντρωση ντόπινγκ στα υλικά.

Εάν η συγκέντρωση ντόπινγκ είναι ίση και στα δύο υλικά, τότε τα κινητά ιόντα διαχέονται και στα δύο υλικά Ρ και Ν.

Τι γίνεται αν η συγκέντρωση του ντόπινγκ διαφέρει μεταξύ τους;

Λοιπόν, εάν το ντόπινγκ διαφέρει το πλάτος της περιοχής εξάντλησης διαφέρει επίσης. Η διάχυσή του είναι περισσότερο στην περιοχή με ελαφρά νάρκωση και λιγότερο στην περιοχή με βαριά πρόσμιξη .

Τώρα ας δούμε τη συμπεριφορά της διόδου όταν εφαρμόζεται σωστή τάση.

Δίοδος στο Forward Bias

Υπάρχουν αριθμός διόδων των οποίων η κατασκευή είναι παρόμοια, αλλά ο τύπος του χρησιμοποιούμενου υλικού διαφέρει. Για παράδειγμα, αν λάβουμε υπόψη μια δίοδο εκπομπής φωτός, είναι κατασκευασμένη από υλικά αλουμινίου, γαλλίου και αρσενιδίου τα οποία όταν διεγείρονται απελευθερώνουν ενέργεια με τη μορφή φωτός. Παρομοίως, λαμβάνονται υπόψη οι διαφορές στις ιδιότητες της διόδου όπως η εσωτερική χωρητικότητα, η τάση κατωφλίου κ.λπ. και μια συγκεκριμένη δίοδος σχεδιάζεται με βάση αυτές.

Εδώ έχουμε εξηγήσει διάφορους τύπους διόδων με τη λειτουργία, το σύμβολο και τις εφαρμογές τους:

• Δίοδος Ζένερ
• LED
• Δίοδος LASER
• Φωτοδίοδος
• Δίοδος Varactor
• Δίοδος Schottky
• Δίοδος σήραγγας
• Δίοδος PIN κ.λπ.

Ας δούμε εν συντομία την αρχή και την κατασκευή αυτών των συσκευών.

Δίοδος Ζένερ:

Οι περιοχές Ρ και Ν σε αυτήν τη δίοδο είναι πολύ βαμμένες έτσι ώστε η περιοχή εξάντλησης να είναι πολύ στενή. Σε αντίθεση με μια κανονική δίοδο, η τάση διακοπής της είναι πολύ χαμηλή, όταν η αντίστροφη τάση είναι μεγαλύτερη ή ίση με την τάση διάσπασης, η περιοχή εξάντλησης εξαφανίζεται και μια σταθερή τάση περνά μέσα από τη δίοδο ακόμη και αν αυξηθεί η αντίστροφη τάση. Επομένως, η δίοδος χρησιμοποιείται για τη ρύθμιση της τάσης και τη διατήρηση της σταθερής τάσης εξόδου όταν είναι σωστά προκατειλημμένη. Εδώ είναι ένα παράδειγμα περιορισμού της τάσης χρησιμοποιώντας το Zener.

Η ανάλυση στη δίοδο Zener ονομάζεται ανάλυση zener . Αυτό σημαίνει ότι όταν η αντίστροφη τάση εφαρμόζεται στη δίοδο zener αναπτύσσεται ένα ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο στη διασταύρωση που είναι αρκετό για να σπάσει τους ομοιοπολικούς δεσμούς εντός της διασταύρωσης και προκαλεί μεγάλη ροή ρεύματος. Η βλάβη του Zener προκαλείται σε πολύ χαμηλές τάσεις σε σύγκριση με τη βλάβη της χιονοστιβάδας.

Υπάρχει ένας άλλος τύπος βλάβης που ονομάζεται βλάβη χιονοστιβάδας που εμφανίζεται γενικά στην κανονική δίοδο που απαιτεί μεγάλη ποσότητα αντίστροφης τάσης για να σπάσει τη διασταύρωση. Η αρχή της λειτουργίας του είναι όταν η δίοδος είναι αντίστροφη προκατειλημμένη, μικρά ρεύματα διαρροής διέρχονται από τη δίοδο, όταν η αντίστροφη τάση αυξάνεται περαιτέρω, το ρεύμα διαρροής αυξάνεται επίσης που είναι αρκετά γρήγορο για να σπάσει μερικούς ομοιοπολικούς δεσμούς εντός της διασταύρωσης, αυτοί οι νέοι φορείς φόρτισης διαλύονται περαιτέρω οι εναπομείναντες ομοιοπολικοί δεσμοί προκαλούν τεράστια ρεύματα διαρροής που μπορεί να καταστρέψουν τη δίοδο για πάντα.

Δίοδος εκπομπής φωτός (LED):

Η κατασκευή του είναι παρόμοια με μια απλή δίοδο, αλλά χρησιμοποιούνται διάφοροι συνδυασμοί ημιαγωγών για τη δημιουργία διαφορετικών χρωμάτων. Θα λειτουργεί σε προς τα εμπρός προκατειλημμένη λειτουργία. Όταν πραγματοποιείται ανασυνδυασμός οπών ηλεκτρονίων, απελευθερώνεται ένα προκύπτον φωτόνιο το οποίο εκπέμπει φως, εάν αυξηθεί περαιτέρω η τάση προς τα εμπρός, περισσότερα φωτόνια θα απελευθερωθούν και η ένταση του φωτός αυξάνεται επίσης, αλλά η τάση δεν πρέπει να υπερβαίνει την τιμή κατωφλίου, αλλιώς το LED φθαρεί.

Για τη δημιουργία διαφορετικών χρωμάτων, οι συνδυασμοί χρησιμοποιούνται AlGaAs (Αλουμίνιο Gallium Arsenide) - κόκκινο και υπέρυθρο, GaP (Gallium Phosphide) - κίτρινο και πράσινο, InGaN (Indium Gallium Nitride) - μπλε και υπεριώδες LED κλπ. Ελέγξτε ένα κύκλωμα Simple LED εδώ.

Για ένα IR LED μπορούμε να δούμε το φως του μέσω κάμερας.

Δίοδος LASER:

Το LASER σημαίνει ελαφριά ενίσχυση με διεγερμένη εκπομπή ακτινοβολίας. Μια ένωση PN σχηματίζεται από δύο στρώσεις ενισχυμένου Gallium Arsenide όπου εφαρμόζεται μια υψηλής ανακλαστικής επικάλυψης στο ένα άκρο της διασταύρωσης και μια μερική ανακλαστική επικάλυψη στο άλλο άκρο. Όταν η δίοδος είναι προκατειλημμένη προς τα εμπρός παρόμοια με το LED, απελευθερώνει φωτόνια, αυτά χτυπάνε άλλα άτομα έτσι ώστε τα φωτόνια να απελευθερώνονται υπερβολικά, όταν ένα φωτόνιο χτυπά την αντανακλαστική επίστρωση και χτυπά ξανά τη διασταύρωση περισσότερες απελευθερώσεις φωτονίων, αυτή η διαδικασία επαναλαμβάνεται και μια δέσμη υψηλής έντασης του φωτός απελευθερώνεται μόνο σε μία κατεύθυνση. Η δίοδος λέιζερ χρειάζεται κύκλωμα οδήγησης για να λειτουργεί σωστά.

Η συμβολική αναπαράσταση μιας δίοδος LASER είναι παρόμοια με εκείνη του LED.

Δίοδος φωτογραφίας:

Σε μια δίοδο φωτογραφίας, το ρεύμα που περνά από αυτό εξαρτάται από την ενέργεια φωτός που εφαρμόζεται στη διασταύρωση PN. Λειτουργεί με αντίστροφη προκατάληψη. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, το ρεύμα μικρής διαρροής ρέει μέσω μιας διόδου όταν αντιστραφεί μεροληπτική η οποία εδώ ονομάζεται σκοτεινό ρεύμα . Καθώς το ρεύμα οφείλεται στην έλλειψη φωτός (σκοτάδι) ονομάζεται έτσι. Αυτή η δίοδος κατασκευάζεται με τέτοιο τρόπο ώστε όταν το φως χτυπά τη διασταύρωση, αρκεί να σπάσουμε τα ζεύγη οπών ηλεκτρονίων και να δημιουργήσουμε ηλεκτρόνια που αυξάνουν το αντίστροφο ρεύμα διαρροής. Εδώ μπορείτε να ελέγξετε το Photodiode που λειτουργεί με IR LED.

Δίοδος Varactor:

Ονομάζεται επίσης ως δίοδος Varicap (μεταβλητής πυκνωτής). Θα λειτουργεί σε αντίστροφη προκατειλημμένη λειτουργία. Ο γενικός ορισμός του διαχωρισμού πυκνωτή της αγώγιμης πλάκας με έναν μονωτή ή ένα διηλεκτρικό, όταν μια κανονική δίοδος αντιστρέφεται αντίστροφα, αυξάνεται το πλάτος της περιοχής εξάντλησης, καθώς η περιοχή εξάντλησης αντιπροσωπεύει έναν μονωτή ή διηλεκτρικό μπορεί τώρα να ενεργεί ως πυκνωτής. Με τη διακύμανση της αντίστροφης τάσης, ο διαχωρισμός των περιοχών Ρ και Ν μεταβάλλεται, οδηγώντας έτσι τη δίοδο να λειτουργεί ως μεταβλητός πυκνωτής.

Δεδομένου ότι η χωρητικότητα αυξάνεται με τη μείωση της απόστασης μεταξύ των πλακών, η μεγάλη αντίστροφη τάση σημαίνει τη χαμηλή χωρητικότητα και το αντίστροφο.

Schottky Diode:

Ο ημιαγωγός τύπου Ν συνδέεται με το μέταλλο (χρυσός, ασήμι) έτσι ώστε να υπάρχουν ηλεκτρόνια υψηλού επιπέδου ενέργειας στη δίοδο, τα οποία ονομάζονται καυτοί φορείς, οπότε αυτή η δίοδος ονομάζεται επίσης ως δίοδος θερμού φορέα . Δεν έχει φορείς μειοψηφίας και δεν υπάρχει περιοχή εξάντλησης, αλλά υπάρχει μεταλλική διασταύρωση ημιαγωγού, όταν αυτή η δίοδος είναι μεροληπτική προς τα εμπρός ενεργεί αγωγός, αλλά το φορτίο έχει υψηλά επίπεδα ενέργειας που βοηθούν στη γρήγορη εναλλαγή ειδικά σε ψηφιακά κυκλώματα, αυτά είναι επίσης χρησιμοποιείται σε εφαρμογές μικροκυμάτων. Δείτε το Schottky Diode σε δράση εδώ.

Δίοδος σήραγγας:

Οι περιοχές Ρ και Ν σε αυτήν τη δίοδο έχουν αυξηθεί σε μεγάλο βαθμό, έτσι ώστε η ύπαρξη εξάντλησης να είναι πολύ στενή. Εμφανίζει περιοχή αρνητικής αντίστασης που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ενισχυτής ταλαντωτών και μικροκυμάτων. Όταν αυτή η δίοδος προκαλεί προκατάληψη προς τα εμπρός, δεδομένου ότι η περιοχή εξάντλησης στενεύει τη σήραγγα ηλεκτρονίων μέσω αυτής, το ρεύμα αυξάνεται γρήγορα με μια μικρή αλλαγή στην τάση. Όταν η τάση αυξάνεται περαιτέρω, λόγω της περίσσειας ηλεκτρονίων στη διασταύρωση, το πλάτος της περιοχής εξάντλησης αρχίζει να αυξάνεται προκαλώντας την απόφραξη του μπροστινού ρεύματος (όπου σχηματίζεται η περιοχή αρνητικής αντίστασης) όταν η μπροστινή τάση αυξάνεται περαιτέρω ενεργεί ως κανονική δίοδος.

Δίοδος PIN:

Σε αυτήν τη δίοδο, οι περιοχές Ρ και Ν διαχωρίζονται από έναν εγγενή ημιαγωγό. Όταν η δίοδος είναι αντίστροφη προκατειλημμένη, λειτουργεί ως πυκνωτής σταθερής αξίας. Σε κατάσταση μεροληψίας προς τα εμπρός, λειτουργεί ως μεταβλητή αντίσταση που ελέγχεται από το ρεύμα. Χρησιμοποιείται σε εφαρμογές μικροκυμάτων που ελέγχονται με τάση DC.

Η συμβολική του αναπαράσταση είναι παρόμοια με μια κανονική δίοδο PN.

Εφαρμογές διόδων:

• Ρυθμιζόμενη τροφοδοσία: Πρακτικά είναι αδύνατο να παραχθεί τάση DC, ο μόνος τύπος διαθέσιμης πηγής είναι η τάση AC. Δεδομένου ότι οι δίοδοι είναι μονοκατευθυντικές συσκευές, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μετατροπή τάσης AC στο παλλόμενο DC και με περαιτέρω τμήματα φιλτραρίσματος (χρησιμοποιώντας πυκνωτές και επαγωγείς) μπορεί να ληφθεί κατά προσέγγιση τάση DC.

• Κυκλώματα δέκτη: Στα συστήματα επικοινωνίας στο άκρο του δέκτη, δεδομένου ότι η κεραία λαμβάνει όλες τις διαθέσιμες ραδιοσυχνότητες στο χώρο, υπάρχει ανάγκη επιλογής της επιθυμητής συχνότητας. Έτσι, χρησιμοποιούνται κυκλώματα δέκτη που δεν είναι τίποτα άλλο από το κύκλωμα με μεταβλητούς πυκνωτές και επαγωγείς. Σε αυτήν την περίπτωση μπορεί να χρησιμοποιηθεί δίοδος βαρακτόρου.

• Τηλεοράσεις, φανάρια, πίνακες οθόνης: Για την εμφάνιση εικόνων σε τηλεοράσεις ή σε πίνακες οθόνης χρησιμοποιούνται LED. Δεδομένου ότι το LED καταναλώνει πολύ λιγότερη ισχύ, χρησιμοποιείται ευρέως σε συστήματα φωτισμού όπως οι λαμπτήρες LED.

• Ρυθμιστές τάσης: Δεδομένου ότι η δίοδος Zener έχει πολύ χαμηλή τάση διακοπής, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ρυθμιστής τάσης όταν αντιστρέφεται με αντίστροφο τρόπο.

• Ανιχνευτές σε συστήματα επικοινωνιών: Ένας πολύ γνωστός ανιχνευτής που χρησιμοποιεί δίοδο είναι ένας ανιχνευτής φακέλου που χρησιμοποιείται για την ανίχνευση των κορυφών του διαμορφωμένου σήματος.