Diod: persimpangan pn, jenis, pembinaan dan kerja

Apakah diod itu?

Secara umum, semua peranti elektronik memerlukan bekalan kuasa DC tetapi mustahil untuk menjana kuasa DC, jadi kita memerlukan alternatif untuk mendapatkan sedikit daya DC sehingga penggunaan dioda masuk ke dalam gambar untuk menukar kuasa AC ke kuasa DC. Diod adalah komponen elektronik kecil yang digunakan di hampir semua litar elektronik untuk membolehkan aliran arus hanya dalam satu arah ( peranti sehala ). Kita boleh mengatakan bahawa penggunaan bahan semikonduktor untuk membina komponen elektronik dimulakan dengan dioda. Sebelum penemuan diod terdapat tabung vakum, di mana aplikasi kedua-dua alat ini serupa tetapi ukuran yang ditempati oleh tiub vakum akan jauh lebih besar daripada dioda. Pembinaan tiub vakum agak rumit dan sukar dijaga jika dibandingkan dengan diod semikonduktor. Beberapa aplikasi dioda adalah pembetulan, penguatan, suis elektronik, penukaran tenaga elektrik menjadi tenaga cahaya dan tenaga cahaya menjadi tenaga elektrik.

Sejarah Diod:

Pada tahun 1940 di Bell Labs, Russell Ohl bekerja dengan kristal silikon untuk mengetahui sifatnya. Suatu hari secara tidak sengaja ketika kristal silikon yang memiliki keretakan di dalamnya terkena sinar matahari, dia mendapati aliran arus melalui kristal dan kemudian disebut sebagai dioda, yang merupakan permulaan era semikonduktor.

Pembinaan Diod:

Bahan pepejal umumnya dikelaskan kepada tiga jenis iaitu konduktor, penebat dan separa konduktor. Konduktor mempunyai bilangan maksimum elektron bebas, Penebat mempunyai bilangan minimum elektron bebas (boleh diabaikan sehingga aliran arus sama sekali tidak mungkin) sedangkan separa konduktor boleh menjadi konduktor atau penebat bergantung pada potensi yang diterapkan padanya. Separa konduktor yang digunakan secara umum ialah Silicon dan Germanium. Silikon lebih disukai kerana terdapat banyak di bumi dan memberikan jarak terma yang lebih baik.

Separa konduktor dikelaskan kepada dua jenis sebagai separa konduktor Intrinsik dan Ekstrinsik.

Separa konduktor intrinsik:

Ini juga dipanggil sebagai separa konduktor tulen di mana pembawa cas (elektron dan lubang) berada dalam kuantiti yang sama pada suhu bilik. Oleh itu, pengaliran arus berlaku oleh kedua-dua lubang dan elektron sama.

Semikonduktor Ekstrinsik:

Untuk meningkatkan jumlah lubang atau elektron dalam bahan, kami mencari semi-konduktor ekstrinsik di mana kekotoran (selain daripada silikon dan germanium atau hanya bahan trivalen atau pentavalen) ditambahkan ke silikon. Proses penambahan kekotoran pada separa konduktor murni disebut sebagai Doping.

Pembentukan semikonduktor jenis P dan N:

Semikonduktor Jenis-N:

Sekiranya unsur pentavalen (bilangan elektron valensi adalah lima) ditambahkan ke Si atau Ge maka ada elektron bebas yang tersedia. Oleh kerana elektron (pembawa bermuatan negatif) lebih banyak bilangannya disebut sebagai semikonduktor jenis-N . Dalam jenis N, elektron separa konduktor adalah pembawa cas majoriti dan lubang adalah pembawa cas minoriti.

Beberapa unsur pentavalen adalah Fosfor, Arsenik, Antimoni, dan Bismut. Oleh kerana elektron ini mempunyai elektron valens berlebihan dan siap berpasangan dengan zarah bermuatan positif luaran, unsur-unsur ini disebut sebagai Penderma .

Semikonduktor Jenis-P

Begitu juga, jika unsur-unsur trivalen seperti Boron, Aluminium, Indium, dan Gallium ditambahkan ke Si atau Ge, lubang dibuat kerana sebilangan elektron valensi di dalamnya adalah tiga. Oleh kerana lubang siap menerima elektron dan berpasangan ia dipanggil sebagai Penerima . Oleh kerana bilangan lubang berlebihan pada bahan yang baru terbentuk ini disebut sebagai semikonduktor jenis-P . Dalam lubang semi-konduktor jenis P adalah pembawa cas majoriti dan elektron adalah pembawa cas minoriti.

Diod Persimpangan PN:

Sekarang, jika kita menggabungkan dua jenis semi-konduktor P-type dan N-type bersama-sama maka peranti baru terbentuk yang disebut sebagai PN junction diode. Oleh kerana persimpangan terbentuk antara bahan jenis P dan jenis N ia dipanggil persimpangan PN.

Kata diod boleh dijelaskan sebagai 'Di' bermaksud dua dan 'ode' diperoleh dari elektrod. Oleh kerana komponen yang baru terbentuk boleh mempunyai dua terminal atau elektrod (satu dihubungkan ke jenis-P dan yang lain ke jenis-N) ia disebut sebagai dioda atau PN simpang atau diod separa konduktor.

Terminal yang disambungkan ke bahan jenis P disebut Anode dan terminal yang dihubungkan ke bahan jenis-N disebut Cathode .

Gambaran simbolik dioda adalah seperti berikut.

Anak panah menunjukkan aliran arus melaluinya ketika dioda berada dalam mod bias ke depan, tanda hubung atau blok di hujung anak panah menunjukkan penyumbatan arus dari arah yang berlawanan.

Teori Persimpangan PN:

Kami telah melihat bagaimana diod dibuat dengan semi-konduktor P dan N tetapi kita perlu tahu apa yang berlaku di dalamnya untuk membentuk sifat unik yang membenarkan arus hanya dalam satu arah dan apa yang berlaku pada titik hubungan yang tepat pada mulanya di persimpangannya.

Pembentukan Persimpangan:

Pada mulanya, apabila kedua-dua bahan bergabung bersama (tanpa voltan luaran dikenakan) lebihan elektron dalam jenis-N dan lebihan lubang pada jenis-P akan tertarik satu sama lain dan bergabung kembali di mana pembentukan ion tidak bergerak (ion penderma dan ion Penerima) berlaku seperti yang ditunjukkan dalam gambar di bawah. Ion tidak bergerak ini menahan aliran elektron atau lubang yang melaluinya yang kini bertindak sebagai penghalang di antara kedua bahan tersebut (pembentukan penghalang bermaksud ion tidak bergerak menyebar ke kawasan P dan N). Penghalang yang sekarang terbentuk disebut sebagai wilayah Penipisan . Lebar kawasan penipisan dalam kes ini bergantung pada kepekatan doping dalam bahan.

Sekiranya kepekatan doping sama di kedua-dua bahan tersebut, maka ion tidak bergerak meresap ke dalam kedua-dua bahan P dan N sama.

Bagaimana jika kepekatan doping berbeza antara satu sama lain?

Nah, jika doping berbeza lebar kawasan penipisan juga berbeza. Penyebarannya lebih banyak ke kawasan yang agak lemah dan kurang ke kawasan yang banyak berlubang .

Sekarang mari kita lihat tingkah laku diod apabila voltan yang betul digunakan.

Diod dalam Bias Maju

Terdapat sebilangan diod yang pembinaannya serupa tetapi jenis bahan yang digunakan berbeza. Sebagai contoh, jika kita mempertimbangkan diod Pemancar Cahaya, ia terbuat dari bahan Aluminium, Gallium dan Arsenide yang apabila teruja melepaskan tenaga dalam bentuk cahaya. Begitu juga, variasi sifat dioda seperti kapasitansi dalaman, voltan ambang dan lain-lain dipertimbangkan dan diod tertentu dirancang berdasarkannya.

Di sini kami telah menerangkan pelbagai jenis diod dengan cara kerja, simbol, dan aplikasinya:

• Diod Zener
• LED
• Diod LASER
• Fotodiod
• Diod Varactor
• Diod Schottky
• Diod terowong
• Diod PIN dll.

Mari lihat prinsip kerja dan pembinaan peranti ini secara ringkas.

Diod Zener:

Kawasan P dan N dalam dioda ini sangat banyak doping sehingga wilayah penipisan sangat sempit. Tidak seperti dioda normal, voltan pemecahannya sangat rendah, apabila voltan terbalik lebih besar daripada atau sama dengan voltan pemecahan, kawasan penipisan hilang dan voltan berterusan melewati dioda walaupun voltan terbalik dinaikkan. Oleh itu, dioda digunakan untuk mengatur voltan dan mengekalkan voltan keluaran tetap apabila disusun dengan betul. Berikut adalah salah satu contoh mengehadkan voltan menggunakan Zener.

Pecahan dalam diod Zener disebut sebagai pecahan zener . Ini bermaksud apabila voltan terbalik digunakan pada diod zener medan elektrik yang kuat dikembangkan di persimpangan yang cukup untuk memutuskan ikatan kovalen di dalam persimpangan dan menyebabkan aliran arus yang besar melalui. Kerosakan Zener disebabkan pada voltan yang sangat rendah jika dibandingkan dengan kerosakan longsoran.

Terdapat satu lagi jenis kerosakan yang dinamakan sebagai kerosakan longsoran yang biasanya dilihat pada dioda normal yang memerlukan sejumlah besar voltan terbalik untuk memutuskan persimpangan. Prinsip kerjanya adalah ketika diod terbalik terbalik, arus kebocoran kecil melewati dioda, apabila voltan terbalik semakin meningkat arus kebocoran juga meningkat yang cukup pantas untuk memecahkan beberapa ikatan kovalen dalam persimpangan ini ikatan kovalen yang tersisa menyebabkan arus kebocoran besar yang boleh merosakkan diod selama-lamanya.

Diod Pemancar Cahaya (LED):

Pembinaannya serupa dengan diod sederhana tetapi pelbagai kombinasi separa konduktor digunakan untuk menghasilkan warna yang berbeza. Ia berfungsi dalam mod bias ke hadapan. Apabila penggabungan lubang elektron berlaku, foton yang dihasilkan dilepaskan yang memancarkan cahaya, jika voltan ke depan meningkat lebih banyak lagi foton akan dilepaskan dan intensiti cahaya juga meningkat tetapi voltan tidak boleh melebihi nilai ambangnya jika LED rosak.

Untuk menghasilkan warna yang berbeza, kombinasi digunakan AlGaAs (Aluminium Gallium Arsenide) - merah dan inframerah, GaP (Gallium Phosphide) - kuning dan hijau, InGaN (Indium Gallium Nitride) - LED biru dan ultra-ungu dll. Periksa litar LED Mudah di sini.

Untuk LED IR kita dapat melihat cahayanya melalui kamera.

Diod LASER:

LASER adalah singkatan dari Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Persimpangan PN dibentuk oleh dua lapisan Gallium Arsenide yang dilekatkan di mana lapisan reflektif Tinggi digunakan pada satu hujung persimpangan dan lapisan reflektif separa di hujung yang lain. Apabila diod ke depan bias mirip dengan LED ia melepaskan foton, ini memukul atom lain sehingga foton akan dilepaskan secara berlebihan, apabila foton memukul lapisan reflektif dan menyerang kembali persimpangan lagi lebih banyak pelepasan foton, proses ini berulang dan sinar intensiti tinggi cahaya dilepaskan hanya dalam satu arah. Diod laser memerlukan litar Pemandu untuk berfungsi dengan baik.

Perwakilan simbolik dari dioda LASER serupa dengan LED.

Diod Foto:

Dalam dioda foto, arus yang melaluinya bergantung pada tenaga cahaya yang diterapkan pada persimpangan PN. Ia dikendalikan secara bias terbalik. Seperti yang telah dibincangkan sebelumnya, arus kebocoran kecil mengalir melalui diod apabila bias terbalik yang di sini disebut sebagai arus gelap . Oleh kerana arus disebabkan oleh kekurangan cahaya (kegelapan) ia disebut demikian. Diod ini dibina sedemikian rupa sehingga apabila cahaya menyerang persimpangan itu cukup untuk memecahkan pasangan lubang elektron dan menghasilkan elektron yang meningkatkan arus kebocoran terbalik. Di sini anda boleh menyemak Photodiod yang berfungsi dengan LED IR.

Diod Varactor:

Ia juga disebut sebagai Varicap (variabel kapasitor) dioda. Ia beroperasi dalam mod bias terbalik. Definisi umum pemisahan kapasitor pelat pengalir dengan penebat atau dielektrik, apabila dioda normal terbalik, lebar kawasan penipisan meningkat, kerana kawasan penipisan mewakili penebat atau dielektrik sekarang ia boleh bertindak sebagai kapasitor. Dengan variasi voltan terbalik menyebabkan pemisahan kawasan P dan N berubah sehingga menyebabkan diod berfungsi sebagai kapasitor berubah.

Oleh kerana kapasitansi meningkat dengan penurunan jarak antara plat, voltan terbalik yang besar bermaksud kapasitansi rendah dan sebaliknya.

Diod Schottky:

Semikonduktor jenis-N bergabung dengan logam (emas, perak) sehingga elektron tahap tenaga tinggi wujud dalam diod ini disebut sebagai pembawa panas sehingga diod ini juga disebut sebagai diod pembawa panas . Ia tidak mempunyai pembawa minoriti dan tidak ada kawasan penipisan sebaliknya persimpangan separa konduktor logam wujud, apabila diod ini ke depan bias ia bertindak sebagai konduktor tetapi casnya mempunyai tahap tenaga yang tinggi yang membantu dalam peralihan pantas terutamanya dalam litar digital digunakan dalam aplikasi gelombang mikro. Lihat Schottky Diode yang beraksi di sini.

Diod Terowong:

Kawasan P dan N dalam dioda ini sangat banyak dibendung sehingga keberadaan penipisan sangat sempit. Ia menunjukkan kawasan rintangan negatif yang dapat digunakan sebagai penguat osilator dan gelombang mikro. Apabila diod ini ke depan bias terlebih dahulu, kerana kawasan penipisan sempit terowong elektron melaluinya, arus meningkat dengan cepat dengan perubahan voltan kecil. Apabila voltan semakin meningkat, kerana kelebihan elektron di persimpangan, lebar kawasan penipisan mula meningkat menyebabkan penyumbatan arus maju (di mana kawasan rintangan negatif terbentuk) apabila voltan hadapan semakin meningkat ia bertindak sebagai diod biasa.

Diod PIN:

Dalam diod ini, kawasan P dan N dipisahkan oleh semikonduktor intrinsik. Apabila diod terbalik terbalik ia berfungsi sebagai kapasitor bernilai tetap. Dalam keadaan bias ke hadapan, ia bertindak sebagai rintangan berubah yang dikawal oleh arus. Ini digunakan dalam aplikasi gelombang mikro yang dikendalikan oleh voltan DC.

Perwakilan simboliknya serupa dengan dioda PN biasa.

Aplikasi Diod:

• Bekalan kuasa terkawal: Secara praktikal mustahil untuk menghasilkan voltan DC, satu-satunya jenis sumber yang ada ialah voltan AC Oleh kerana diod adalah peranti searah, ia dapat digunakan untuk menukar voltan AC ke DC berdenyut dan dengan bahagian penyaringan lebih lanjut (menggunakan kapasitor dan induktor) voltan DC dapat diperoleh.

• Litar penala: Dalam sistem komunikasi di hujung penerima kerana antena menerima semua frekuensi radio yang tersedia di ruang angkasa ada keperluan untuk memilih frekuensi yang diinginkan. Oleh itu, litar penala digunakan yang tidak lain adalah litar dengan kapasitor dan induktor berubah. Dalam kes ini dioda varactor dapat digunakan.

• Televisyen, lampu isyarat, papan paparan: Untuk memaparkan gambar di TV atau papan paparan LED digunakan. Oleh kerana LED menggunakan tenaga yang sangat sedikit, ia digunakan secara meluas dalam sistem pencahayaan seperti lampu LED.

• Pengatur voltan: Oleh kerana dioda Zener mempunyai voltan pemecahan yang sangat rendah, ia dapat digunakan sebagai pengatur voltan apabila terbalik.

• Pengesan dalam Sistem Komunikasi: Pengesan terkenal yang menggunakan diod adalah pengesan Sampul yang digunakan untuk mengesan puncak isyarat yang dimodulasi.