דיודות: צומת pn, סוגים, בנייה ועבודה

מהי דיודה?

באופן כללי, כל המכשירים האלקטרוניים זקוקים לאספקת DC, אך אי אפשר לייצר כוח DC ולכן, אנו זקוקים לחלופה בכדי לקבל קצת כוח DC וכך השימוש בדיודות נכנס לתמונה להמרת כוח AC לכוח DC. דיודה היא רכיב אלקטרוני זעיר המשמש כמעט בכל המעגלים האלקטרוניים כדי לאפשר את זרימת הזרם בכיוון אחד בלבד ( מכשיר חד כיווני ). אנו יכולים לומר שהשימוש בחומרים מוליכים למחצה לבניית הרכיבים האלקטרוניים התחיל עם דיודות. לפני המצאת הדיודות היו עם צינורות ואקום, כאשר היישומים של שני המכשירים הללו דומים, אך הגודל שתפס צינור הוואקום יהיה גדול בהרבה מהדיודות. בניית צינורות הוואקום מורכבת מעט וקשה לתחזק אותם בהשוואה לדיודות מוליכים למחצה. יישומים מעטים של דיודות הם תיקון, הגברה, מתג אלקטרוני, המרת אנרגיה חשמלית לאנרגיית אור ואנרגיית אור לאנרגיה חשמלית.

היסטוריה של דיודה:

בשנת 1940 במעבדות בל עבד ראסל אוהל עם גביש מסיליקון כדי לגלות את תכונותיו. יום אחד, כאשר גביש הסיליקון שיש בו סדק חשוף לאור השמש, הוא מצא את זרימת הזרם דרך הגביש וזה נקרא מאוחר יותר כדיודה, שהיתה תחילת עידן המוליכים למחצה.

בניית דיודה:

חומרים מוצקים מסווגים בדרך כלל לשלושה סוגים שהם מוליכים, מבודדים ומוליכים למחצה. למוליכים יש מספר אלקטרוני חופשי מרבי, למבודדים יש מספר מינימלי של אלקטרונים חופשיים (זניחים כך שזרימת זרם אינה אפשרית כלל) ואילו מוליכים למחצה יכולים להיות מוליכים או מבודדים בהתאם לפוטנציאל המופעל עליו. מוליכים למחצה אשר נמצאים בשימוש כללי הם סיליקון וגרמניום. סיליקון עדיף מכיוון שהוא זמין בשפע על פני האדמה והוא נותן טווח תרמי טוב יותר.

מוליכים למחצה מסווגים עוד לשני סוגים כמוליכים למחצה פנימיים וחיצוניים.

מוליכים למחצה פנימיים:

אלה נקראים גם כמוליכים למחצה טהורים כאשר מובילי המטען (אלקטרונים וחורים) נמצאים בכמות שווה בטמפרטורת החדר. כך שההולכה הנוכחית מתרחשת על ידי שני חורים ואלקטרונים באותה מידה.

מוליכים למחצה חיצוניים:

על מנת להגדיל את מספר החורים או האלקטרונים בחומר, אנו הולכים על מוליכים למחצה חיצוניים שבהם מוסיפים לסיליקון זיהומים (למעט סיליקון וגרמניום או פשוט חומרים משולשים או מחומשים). תהליך זה של הוספת זיהומים למוליכים למחצה הטהורים נקרא סימום.

יצירת מוליכים למחצה מסוג P ו- N:

מוליכים למחצה מסוג N:

אם אלמנטים מחומשיים (מספר אלקטרוני הערכיות הם חמישה) מתווספים ל- Si או Ge אז ישנם אלקטרונים חופשיים. כמו אלקטרונים (נשאים טעונים שלילית) הם יותר במספר אלה נקראים כמו מוליכים למחצה מסוג n . בסוג N, אלקטרונים מוליכים למחצה הם נושאי מטען ברוב וחורים הם נושאי מטען מיעוט.

כמה אלמנטים מחומשים הם זרחן, ארסן, אנטימון וביסמוט. מכיוון שלאלה יש אלקטרון ערכי עודף והם מוכנים להתאמה עם החלקיק החיצוני הטעון החיובי, אלמנטים אלה נקראים תורמים .

מוליכים למחצה מסוג P

באופן דומה, אם מוסיפים ל- Si או Ge יסודות משולשים כמו בורון, אלומיניום, אינדיום וגליום, נוצר חור מכיוון שמספר אלקטרוני ערכיות בו הם שלושה. מכיוון שחור מוכן לקבל אלקטרון ולהתאים אותו הוא נקרא כמקבלים . ככל שמספר החורים הם עודף חומר שהוקמה אלה נקראים כמו מוליכים למחצה מסוג p . בחורי מוליכים למחצה מסוג P הם נושאי טעינה ברובם ואלקטרונים הם נושאי מטען מיעוטים.

דיודת צומת PN:

כעת, אם נחבר את שני סוגי המוליכים למחצה מסוג P ו- N יחד, נוצר מכשיר חדש הנקרא דיודת צומת PN. מכיוון שנוצר צומת בין חומר מסוג P לחומר מסוג N הוא נקרא כצומת PN.

ניתן להסביר את המילה דיודה כ- 'Di' פירושו שניים ו'אודה 'מתקבלת מהאלקטרודה. מכיוון שהרכיב החדש שנוצר יכול להכיל שני מסופים או אלקטרודות (האחד מחובר ל- P והשני לסוג ה- N) הוא נקרא דיודה או צומת PN או דיודת מוליכים למחצה.

המסוף המחובר לחומר מסוג P נקרא אנודה והמסוף המחובר לחומר מסוג N נקרא קתודה .

הייצוג הסמלי של דיודה הוא כדלקמן.

החץ מציין את זרימת הזרם דרכו כאשר הדיודה במצב מוטה קדימה, המקף או הבלוק בקצה החץ מצביעים על חסימת הזרם מכיוון ההפוך.

תורת צומת PN:

ראינו כיצד נוצרת דיודה עם מוליכים למחצה P ו- N אך עלינו לדעת מה קורה בתוכה כדי ליצור מאפיין ייחודי של מתן זרם בכיוון אחד בלבד ומה קורה בנקודת המגע המדויקת בתחילה בצומת שלו.

תצורת צומת:

בתחילה, כאשר שני החומרים מחוברים זה לזה (ללא מתח חיצוני מוחל) האלקטרונים העודפים בסוג ה- N וחורים עודפים בסוג ה- P יימשכו זה לזה ויהיו משולבים מחדש היכן היווצרותם של יונים לא תנועים (יון התורם ו- ion Acceptor) מתרחש כפי שמוצג בתמונה למטה. יונים לא ניידים אלה מתנגדים לזרימת אלקטרונים או חורים דרכו אשר משמשים כיום כמחסום בין שני החומרים (היווצרות מחסום פירושה שהיונים הלא ניידים מתפזרים לאזורי P ו- N). המחסום שנוצר כעת נקרא כאזור דלדול . רוחב אזור הדלדול במקרה זה תלוי בריכוז הסמים בחומרים.

אם ריכוז הסמים שווה בשני החומרים אז היונים הלא תנועים מתפזרים לחומרים P ו- N באותה מידה.

מה אם ריכוז הסמים שונה זה מזה?

ובכן, אם הסמים שונים גם רוחב אזור הדלדול שונה. התפשטותה היא יותר לאזור המסומם קל ופחות לאזור המסומם בכבדות .

עכשיו בואו נראה את ההתנהגות של הדיודה כאשר מפעילים מתח תקין.

דיודה בהטיה קדימה

ישנם מספר דיודות שהבנייה שלהן דומה, אך סוג החומר בו משתמשים שונה. לדוגמא, אם ניקח בחשבון דיודה פולטת אור היא עשויה מחומרים מאלומיניום, גליום וארסניד שכאשר הם מתרגשים משחררים אנרגיה בצורת אור. באופן דומה, נחשבים שונות בתכונות הדיודה כמו קיבול פנימי, מתח סף וכו 'ודיודה מסוימת מתוכננת על בסיס אלה.

כאן הסברנו סוגים שונים של דיודות עם העבודה, הסמל והיישומים שלהם:

• דיודת זנר
• לד
• דיודת לייזר
• פוטודיודה
• דיודת ורקטור
• דיודת שוטקי
• דיודת מנהרה
• דיודת PIN וכו '.

בואו נראה את עקרון העבודה ובניית מכשירים אלה בקצרה.

דיודת זנר:

אזורי P ו- N בדיודה זו מסוממים בכבדות כך שאזור הדלדול הוא צר מאוד. בניגוד לדיודה רגילה מתח הפירוק שלה נמוך מאוד, כאשר המתח ההפוך גדול או שווה למתח הפירוק אזור הדלדול נעלם ומתח קבוע עובר דרך הדיודה גם אם מתח ההפוך מוגבר. לכן, הדיודה משמשת לוויסות מתח ושמירה על מתח מוצא קבוע כאשר מוטה כהלכה. הנה דוגמה אחת להגבלת המתח באמצעות Zener.

ההתמוטטות בדיודת זנר נקראת התמוטטות של זנר . פירוש הדבר שכאשר מפעילים את המתח ההפוך על דיודת הזנר, פותח שדה חשמלי חזק בצומת שמספיק לשבור את הקשרים הקוולנטיים בתוך הצומת וגורם לזרם גדול של זרם. התמוטטות זנר נגרמת במתח נמוך מאוד בהשוואה לקלקול המפולת.

קיים סוג אחר של תקלה הנקראת התמוטטות מפולת שלגים שנראית בדרך כלל בדיודה הרגילה הדורשת כמות גדולה של מתח הפוך כדי לשבור את הצומת. עקרון העבודה שלה הוא כאשר הדיודה מוטה לאחור, זרמי דליפה קטנים עוברים דרך הדיודה, כאשר המתח ההפוך גדל עוד יותר, זרם הדליפה גדל גם הם המהירים מספיק כדי לשבור כמה קשרים קוולנטיים בתוך הצומת, נושאי המטען החדשים הללו מתקלקלים עוד יותר. הקשרים הקוולנטיים שנותרו גורמים לזרמי דליפה עצומים העלולים לפגוע בדיודה לנצח.

דיודת פולטות אור (LED):

בנייתו דומה לדיודה פשוטה אך משתמשים בשילובים שונים של מוליכים למחצה ליצירת צבעים שונים. זה עובד במצב מוטה קדימה. כאשר רקומבינציה של חור האלקטרון מתבצעת משתחרר פוטון שנוצר אשר פולט אור, אם המתח קדימה יוגבר עוד יותר פוטונים ישתחררו ועוצמת האור גם תגדל אך המתח לא יעלה על ערך הסף שלו אחרת הנורית תיפגע.

להפקת צבעים שונים משתמשים בשילובים AlGaAs (אלומיניום גליום ארסניד) - אדום ואינפרא אדום, GaP (גליום פוספיד) - צהוב וירוק, InGaN (אינדיום גליום ניטריד) - נוריות כחולות ואולטרה סגולות וכו 'בדקו מעגל LED פשוט כאן.

עבור נורית IR אנו יכולים לראות את האור שלה דרך מצלמה.

דיודת לייזר:

LASER מייצג הגברה קלה על ידי פליטת קרינה מגורה. צומת PN נוצר על ידי שתי שכבות של גליום ארסניד מסומם כאשר ציפוי רפלקטיבי גבוה מוחל על קצה אחד של הצומת וציפוי רפלקטיבי חלקי בקצה השני. כאשר הדיודה מוטה קדימה בדומה ל- LED היא משחררת פוטונים, אלה פוגעים באטומים אחרים כך שפוטונים ישתחררו יתר על המידה, כאשר פוטון פוגע בציפוי המשקף ומכה בחזרה בצומת שוב פוטונים יותר משחררים, תהליך זה חוזר וקורה בעוצמה גבוהה. האור משתחרר לכיוון אחד בלבד. דיודת לייזר זקוקה למעגל דרייבר כדי לעבוד כראוי.

הייצוג הסמלי של דיודת LASER דומה לזה של LED.

דיודת צילום:

בדיודת צילום, הזרם דרכה תלוי באנרגיית האור המופעלת על צומת ה- PN. הוא מופעל בהטיה הפוכה. כפי שנדון קודם, זרם דליפה קטן זורם דרך דיודה כאשר מוטה לאחור המכונה כאן זרם כהה . מכיוון שהזרם נובע מחוסר אור (חושך) הוא נקרא כך. דיודה זו בנויה באופן שכאשר האור פוגע בצומת זה מספיק כדי לשבור את זוגות חורי האלקטרונים וליצור אלקטרונים מה שמגביר את זרם הדליפה ההפוך. כאן תוכלו לבדוק פוטודיודה העובדת עם נורית IR.

דיודת ורקטור:

זה נקרא גם דיודה Varicap (קבלים משתנים). הוא פועל במצב מוטה הפוכה. ההגדרה הכללית של הפרדת קבלים של צלחת מוליכה עם מבודד או דיאלקטרי, כאשר דיודה רגילה מוטה לאחור, רוחב אזור הדלדול גדל, מכיוון שאזור הדלדול מייצג מבודד או דיאלקטרי הוא יכול לשמש כעת כקבל. עם וריאציה של מתח הפוך גורם הפרדה בין אזורי P ו- N להשתנות ובכך מובילה את הדיודה לעבוד כקבל משתנה.

מכיוון שהקיבול גדל עם ירידת המרחק בין הלוחות, המתח ההפוך הגדול פירושו הקיבול הנמוך ולהיפך.

דיודת שוטקי:

מוליכים למחצה מסוג N מחוברים למתכת (זהב, כסף) כך שקיימים אלקטרונים ברמת אנרגיה גבוהה בדיודה אלה נקראים כמובילים חמים ולכן דיודה זו נקראת גם דיודה נושאת חמה . אין בו נושאי מיעוט ואין אזור דלדול אלא קיים צומת מוליך למחצה מוליך, כאשר דיודה זו מוטה קדימה היא פועלת כמוליך אך לטעינה יש רמות אנרגיה גבוהות המסייעות במיתוג מהיר במיוחד במעגלים דיגיטליים משמש ביישומי מיקרוגל. בדוק את דיודת שוטקי בפעולה כאן.

דיודת מנהרה:

אזורי P ו- N בדיודה זו מסוממים בכבדות כך שקיומו של דלדול הוא צר מאוד. הוא מציג אזור התנגדות שלילי אשר יכול לשמש מתנד ומגברי מיקרוגל. כאשר דיודה זו מוטה קדימה ראשית, מכיוון שאזור הדלדול צר האלקטרונים מנהרים דרכה, הזרם עולה במהירות עם שינוי קטן במתח. כאשר המתח מוגבר עוד יותר, בגלל עודפי האלקטרונים בצומת, רוחב אזור הדלדול מתחיל לגדול וגורם לחסימת זרם קדימה (במקום בו נוצר אזור ההתנגדות השלילי) כאשר המתח קדימה גדל יותר הוא פועל כ דיודה רגילה.

דיודת PIN:

בדיודה זו, אזורי P ו- N מופרדים על ידי מוליך למחצה פנימי. כאשר הדיודה מוטה לאחור היא פועלת כקבל בעל ערך קבוע. במצב הטיה קדימה, הוא פועל כהתנגדות משתנה אשר נשלטת על ידי זרם. הוא משמש ביישומי מיקרוגל אשר אמורים להיות נשלטים על ידי מתח DC.

הייצוג הסמלי שלה דומה לדיודת PN רגילה.

יישומים של דיודות:

• ספק כוח מוסדר: למעשה אי אפשר לייצר מתח DC, הסוג היחיד של המקור הזמין הוא מתח AC. מכיוון שהדיודות הן התקנים חד כיווניים ניתן להשתמש בה להמרת מתח זרם זרם זרם החשמל הפועם ועם קטעי סינון נוספים (באמצעות קבלים ומשרנים) ניתן להשיג מתח זרם משוער.

• מעגלי טיונר: במערכות תקשורת בקצה המקלט מכיוון שהאנטנה מקבלת את כל תדרי הרדיו הזמינים בחלל יש צורך לבחור תדר רצוי. אז משתמשים במעגלי טיונר שאינם אלא המעגל עם קבלים ומשרנים משתנים. במקרה זה ניתן להשתמש בדיודת ורקטור.

• טלוויזיות, רמזורים, לוחות תצוגה: על מנת להציג תמונות בטלוויזיות או בלוחות תצוגה משתמשים בנורות LED. מכיוון שה- LED צורכת פחות חשמל, משתמשים בה רבות במערכות תאורה כמו נורות לד.

• וסת מתח: מכיוון שלדיודת זנר יש מתח פירוק נמוך מאוד, הוא יכול לשמש כווסת מתח כאשר מוטה לאחור.

• גלאים במערכות תקשורת: גלאי ידוע המשתמש בדיודה הוא גלאי מעטפה המשמש לזיהוי פסגות האות המווסת.