Diode: pn junction, mga uri, konstruksyon at pagtatrabaho

Ano ang diode?

Sa pangkalahatan, ang lahat ng mga elektronikong aparato ay nangangailangan ng suplay ng kuryente ng DC ngunit imposibleng makabuo ng kuryente ng DC kaya, kailangan namin ng isang kahalili upang makakuha ng ilang kuryenteng DC sa gayon ang paggamit ng mga diode ay nasa larawan upang mai-convert ang lakas ng AC sa kuryente ng DC. Ang isang diode ay isang maliit na elektronikong sangkap na ginamit sa halos lahat ng mga elektronikong sirkito upang paganahin ang daloy ng kasalukuyang sa isang direksyon lamang ( unidirectional device ). Maaari nating sabihin na ang paggamit ng mga materyales na semiconductor upang maitayo ang mga elektronikong sangkap ay nagsimula sa mga diode. Bago ang pag-imbento ng diode ay mayroong mga vacuum tubes, kung saan ang mga aplikasyon ng parehong mga aparatong ito ay magkatulad ngunit ang laki na inookupahan ng vacuum tube ay magiging mas malaki kaysa sa mga diode. Ang pagtatayo ng mga tubo ng vacuum ay medyo kumplikado at mahirap silang panatilihin kung ihahambing sa mga diode ng semiconductor. Ilang mga aplikasyon ng diode ang pagwawasto, amplification, electronic switch, pagbabago ng elektrikal na enerhiya sa light energy at light energy sa elektrikal na enerhiya.

Kasaysayan ng Diode:

Sa taong 1940 sa Bell Labs, si Russell Ohl ay nagtatrabaho sa isang silicon crystal upang malaman ang mga katangian nito. Isang araw na hindi sinasadya nang ang silicon crystal na may basag dito ay tumambad sa sikat ng araw, natagpuan niya ang daloy ng agos sa pamamagitan ng kristal at na kalaunan ay tinawag bilang diode, na siyang simula ng panahon ng semiconductor.

Konstruksiyon ng Diode:

Ang mga solidong materyal ay karaniwang naiuri sa tatlong uri katulad ng mga conductor, insulator at semi-conductor. Ang mga conductor ay may maximum na bilang ng mga libreng electron, ang mga Insulator ay may minimum na bilang ng mga libreng electron (bale-wala tulad ng daloy ng kasalukuyang hindi posible) samantalang ang mga semi-conductor ay maaaring conductor o insulator depende sa potensyal na inilapat dito. Ang mga semi-conductor na nasa pangkalahatang paggamit ay ang Silicon at Germanium. Ginusto ang silicon sapagkat ito ay sagana na magagamit sa mundo at nagbibigay ito ng isang mas mahusay na saklaw ng thermal.

Ang mga semi-conductor ay karagdagang naiuri sa dalawang uri bilang Intrinsic at Extrinsic semi-conductors.

Intrinsic Semi-conductors:

Tinatawag din ito bilang purong semi-conductor kung saan ang mga carrier ng singil (mga electron at butas) ay nasa pantay na dami sa temperatura ng kuwarto. Kaya't ang kasalukuyang pagpapadaloy ay nagaganap sa parehong mga butas at electron nang pantay.

Extrinsic Semiconductors:

Upang madagdagan ang bilang ng mga butas o electron sa isang materyal, pupunta kami para sa extrinsic semi-conductors kung saan ang mga impurities (maliban sa silicon at germanium o simpleng trivalent o pentavalent na mga materyal) ay idinagdag sa silikon. Ang prosesong ito ng pagdaragdag ng mga impurities sa purong semi-conductors ay tinatawag na Doping.

Pagbuo ng P at N-type semiconductors:

N-Type Semiconductor:

Kung ang mga elemento ng pentavalent (bilang ng mga valence electron ay limang) ay idinagdag sa Si o Ge kung gayon may mga libreng electron na magagamit. Tulad ng mga electron (negatibong sisingilin ng mga carrier) ay mas bilang sa mga ito ay tinawag bilang N-type semiconductor . Sa uri ng N, ang mga electron na semi-conductor ay mga tagadala ng singil ng karamihan at ang mga butas ay mga carrier ng singil ng minorya.

Ilang mga elemento ng pentavalent ay Phosporous, Arsenic, Antimony, at Bismuth. Dahil ang mga ito ay may labis na valance electron at handa nang ipares sa panlabas na positibong sisingilin na maliit na butil ng mga elementong ito ay tinawag bilang Donors .

P-Type Semiconductor

Katulad nito, kung ang mga trivalent na elemento tulad ng Boron, Aluminium, Indium, at Gallium ay idinagdag sa Si o Ge, isang butas ang nilikha sapagkat ang isang bilang ng mga electron ng valence dito ay tatlo. Dahil ang isang butas ay handa nang tumanggap ng isang electron at magpares ito ay tinatawag na Acceptors . Tulad ng bilang ng mga butas ay labis sa bagong nabuo na materyal ang mga ito ay tinawag bilang P-type semiconductors . Sa mga butas na semi-conductor na uri ng P ay karamihan sa mga tagadala ng singil at ang mga electron ay mga carrier ng singil ng minorya.

PN Junction Diode:

Ngayon, kung sasali kami sa dalawang uri ng semi-conductor na P-type at N-type nang magkasama pagkatapos ay isang bagong aparato ay nabuo na tinatawag na PN junction diode. Dahil ang isang junction form sa pagitan ng isang uri ng P at uri ng materyal na N ay tinatawag itong PN junction.

Ang salitang diode ay maaaring ipaliwanag bilang 'Di' nangangahulugang dalawa at 'ode' ay nakuha mula sa elektrod. Tulad ng bagong nabuo na sangkap ay maaaring magkaroon ng dalawang mga terminal o electrode (ang isang konektado sa P-type at ang isa sa N-type) ito ay tinatawag na diode o PN junction diode o semi-conductor diode.

Ang terminal na konektado sa materyal na uri ng P ay tinatawag na Anode at ang terminal na konektado sa materyal na uri ng N ay tinatawag na Cathode .

Ang simbolikong representasyon ng diode ay ang mga sumusunod.

Ipinapahiwatig ng arrow ang daloy ng kasalukuyang sa pamamagitan nito kapag ang diode ay nasa pasulong mode na bias, ang dash o ang bloke sa dulo ng arrow ay nagpapahiwatig ng pagbara ng kasalukuyang mula sa kabaligtaran na direksyon.

Teoryang PN Junction:

Nakita namin kung paano ang isang diode ay ginawa sa P at N na semi-conductor ngunit kailangan nating malaman kung ano ang nangyayari sa loob nito upang bumuo ng isang natatanging pag-aari na pinapayagan ang kasalukuyang sa isang direksyon lamang at kung ano ang nangyayari sa eksaktong punto ng pakikipag-ugnay sa una sa kantong nito.

Pagbuo ng Junction:

Sa una, kapag ang parehong mga materyales ay pinagsama (nang walang anumang panlabas na boltahe na inilapat) ang labis na mga electron sa uri ng N at labis na mga butas sa uri ng P ay maaakit sa bawat isa at muling magkakasama kung saan ang pagbuo ng mga hindi gumagalaw na ions (Donor ion at Acceptor ion) nagaganap tulad ng ipinakita sa larawan sa ibaba. Ang mga hindi gumagalaw na ions ay lumalaban sa daloy ng mga electron o butas sa pamamagitan nito na gumaganap ngayon bilang isang hadlang sa pagitan ng dalawang mga materyales (pagbuo ng hadlang ay nangangahulugang ang mga hindi gumagalaw na ions ay nagkakalat sa mga rehiyon ng P at N). Ang hadlang na nabuo ngayon ay tinawag bilang rehiyon ng Depletion . Ang lapad ng rehiyon ng pagkaubos sa kasong ito ay nakasalalay sa konsentrasyon ng doping sa mga materyales.

Kung ang konsentrasyon ng doping ay pantay sa parehong mga materyales kung gayon ang mga hindi gumagalaw na ions ay nagkakalat sa parehong mga materyales na P at N na pantay.

Paano kung ang konsentrasyon ng doping ay magkakaiba sa bawat isa?

Kaya, kung ang pag-doping ay naiiba sa lapad ng pag-ubos ng rehiyon ay magkakaiba rin. Ang pagsasabog nito ay higit pa sa gaanong na-doped na rehiyon at mas kaunti sa rehiyon ng mabigat na doped .

Ngayon tingnan natin ang pag-uugali ng diode kapag inilapat ang tamang boltahe.

Diode sa Forward Bias

Mayroong bilang ng mga diode na ang konstruksyon ay magkatulad ngunit ang uri ng materyal na ginamit ay magkakaiba. Halimbawa, kung isasaalang-alang namin ang isang Light Emitting diode gawa ito sa mga materyales na Aluminium, Gallium at Arsenide na kung saan ay nasasabik na naglalabas ng enerhiya sa anyo ng ilaw. Katulad nito, ang pagkakaiba-iba sa mga katangian ng diode tulad ng panloob na capacitance, boltahe ng threshold atbp ay isinasaalang-alang at ang isang partikular na diode ay dinisenyo batay sa mga.

Ipinaliwanag namin dito ang iba't ibang uri ng mga diode sa kanilang pagtatrabaho, simbolo, at mga application:

• zener diode
• LED
• LASER diode
• Photodiode
• Diode ng varactor
• Nag-diode si Schottky
• Nag-diode ang lagusan
• PIN diode atbp.

Tingnan natin sandali ang prinsipyo ng pagtatrabaho at pagtatayo ng mga aparatong ito.

Zener diode:

Ang mga rehiyon ng P at N sa diode na ito ay labis na na-doped na ang rehiyon ng pagkaubos ay napakipot. Hindi tulad ng isang normal na diode ang pagkasira ng boltahe ay napakababa, kapag ang pabalik na boltahe ay mas malaki kaysa o katumbas ng boltahe ng pagkasira ang rehiyon ng pag-ubos ay nawala at ang isang pare-pareho na boltahe ay dumadaan sa diode kahit na nadagdagan ang pabalik na boltahe. Samakatuwid, ang diode ay ginagamit upang makontrol ang boltahe at mapanatili ang pare-pareho na boltahe ng output kapag maayos na kampi. Narito ang isang halimbawa ng paglilimita sa boltahe gamit ang Zener.

Ang breakdown sa Zener diode ay tinatawag na zener breakdown . Nangangahulugan ito na ang reverse boltahe ay inilalapat sa zener diode isang malakas na patlang ng kuryente ay binuo sa kantong na sapat upang masira ang mga covalent na bono sa loob ng kantong at maging sanhi ng malaking daloy ng kasalukuyang sa pamamagitan ng. Ang pagkasira ng zener ay sanhi ng napakababang voltages kung ihahambing sa pagkasira ng avalanche.

Mayroong isa pang uri ng pagkasira na pinangalanan bilang pagkasira ng avalanche na karaniwang nakikita sa normal na diode na nangangailangan ng malaking halaga ng reverse boltahe upang masira ang kantong. Ang prinsipyo ng pagtatrabaho nito ay kapag ang diode ay nakabaligtad, ang mga maliliit na alon ng tagas ay dumaan sa diode, kapag ang pabalik na boltahe ay karagdagang nadagdagan ang kasalukuyang pagtagas na tumataas din na sapat na mabilis upang masira ang ilang mga covalent na bono sa loob ng kantong ang mga bagong carriers na ito ay karagdagang nasira ang natitirang mga covalent na bono na nagiging sanhi ng malalaking alon ng pagtulo na maaaring makapinsala sa diode magpakailanman.

Light Emitting Diode (LED):

Ang konstruksyon nito ay katulad ng isang simpleng diode ngunit ang iba't ibang mga kumbinasyon ng mga semi-conductor ay ginagamit upang makabuo ng iba't ibang mga kulay. Ito ay gumagana sa forward kampi mode. Kapag ang pagsasama-sama ng butas ng elektron ay nagaganap ang isang resulta ay inilabas ang photon na naglalabas ng ilaw, kung ang boltahe sa unahan ay karagdagang nadagdagan maraming mga photon ang pinakawalan at ang lakas ng ilaw ay tumataas din ngunit ang boltahe ay hindi dapat lumagpas sa halaga ng threshold nito kung hindi man nasira ang LED.

Upang makabuo ng iba't ibang kulay, ang mga kumbinasyon ay ginagamit AlGaAs (Aluminium Gallium Arsenide) - pula at infrared, GaP (Gallium Phosphide) - dilaw at berde, InGaN (Indium Gallium Nitride) - asul at ultra-violet LEDs atbp Suriin ang isang Simple LED circuit dito

Para sa isang IR LED makikita natin ang ilaw nito sa pamamagitan ng isang camera.

LASER Diode:

Ang Laser ay nangangahulugang Light Amplification sa pamamagitan ng Stimulated Emission of Radiation. Ang isang PN junction ay nabuo ng dalawang mga layer ng doped Gallium Arsenide kung saan ang isang Mataas na mapanimdim na patong ay inilalapat sa isang dulo ng kantong at isang bahagyang mapanasalamin na patong sa kabilang dulo. Kapag ang diode ay pasulong na bias na katulad ng LED ay naglalabas ito ng mga photon, ang mga hit na ibang mga atomo na tulad na ang mga photon ay ilalabas nang labis, kapag ang isang photon ay tumama sa mapanimdim na patong at binabalik ang kantong muli ng maraming mga photone na inilalabas, ang prosesong ito ay umuulit at isang mataas na intensity beam ng ilaw ay inilabas sa isang direksyon lamang. Ang Laser diode ay nangangailangan ng isang circuit ng Driver upang gumana nang maayos.

Ang simbolikong representasyon ng isang LASER diode ay katulad ng LED.

Photo Diode:

Sa isang diode ng larawan, ang kasalukuyang sa pamamagitan nito ay nakasalalay sa ilaw na enerhiya na inilapat sa PN junction. Pinapatakbo ito sa reverse bias. Tulad ng tinalakay nang mas maaga, ang maliit na kasalukuyang pagtulo ay dumadaloy sa pamamagitan ng isang diode kapag reverse bias na kung saan dito ay tinatawag na maitim na kasalukuyang . Tulad ng kasalukuyang ay dahil sa kakulangan ng ilaw (kadiliman) ito ay tinatawag na kaya. Ang diode na ito ay itinayo sa isang paraan na kapag ang ilaw ay tumatama sa kantong ay sapat na upang masira ang mga pares ng butas ng elektron at makabuo ng mga electron na nagdaragdag ng kasalukuyang pagtulo ng pagtulo. Dito maaari mong suriin ang Photodiode na gumagana sa IR LED.

Varactor Diode:

Tinatawag din itong Varicap (variable capacitor) diode. Ito ay nagpapatakbo sa reverse bias mode. Ang pangkalahatang kahulugan ng isang paghihiwalay ng kapasitor ng pagsasagawa ng plato na may isang insulator o isang dielectric, kapag ang isang normal na diode ay baligtarin na bias ang lapad ng rehiyon ng pag-ubos ay tumataas, dahil ang rehiyon ng pag-ubos ay kumakatawan sa isang insulator o isang dielectric maaari na itong kumilos bilang capacitor. Sa pagkakaiba-iba ng reverse boltahe ay sanhi ng paghihiwalay ng mga rehiyon ng P at N na magkakaiba-iba sa gayon humantong sa diode upang gumana bilang variable capacitor.

Dahil ang pagtaas ng capacitance na may pagbawas sa distansya sa pagitan ng mga plato, ang malaking boltahe ng pabaliktad ay nangangahulugang ang mababang kapasidad at kabaligtaran.

Schottky Diode:

Ang n-type semiconductor ay sumali sa metal (ginto, pilak) tulad ng mga electron na may mataas na antas ng enerhiya na umiiral sa diode na ito ay tinatawag na mga hot carriers kaya't ang diode na ito ay tinatawag ding hot carrier diode . Wala itong mga carrier ng minorya at walang rehiyon ng pag-ubos na mayroon isang metal semi-conductor junction na mayroon, kapag ang diode na ito ay pasulong na kampi ay kumikilos ito konduktor ngunit ang singil ay may mataas na antas ng enerhiya na makakatulong sa mabilis na paglipat lalo na sa mga digital na circuit ay narito din ginamit sa mga application ng microwave. Suriin ang Schottky Diode sa pagkilos dito.

Tunnel Diode:

Ang mga rehiyon ng P at N sa diode na ito ay labis na na-doped tulad ng pagkakaroon ng isang pag- ubos ay masyadong makitid. Nagpapakita ito ng negatibong rehiyon ng paglaban na maaaring magamit bilang isang oscillator at microwave amplifiers. Kapag ang diode na ito ay pasulong muna, dahil ang rehiyon ng pag-ubos ay makitid ang mga tunel ng mga electron sa pamamagitan nito, ang kasalukuyang mabilis na pagtaas ng isang maliit na pagbabago ng boltahe. Kapag ang boltahe ay karagdagang nadagdagan, dahil sa labis na mga electron sa kantong, ang lapad ng rehiyon ng pagkaubos ay nagsisimulang tumaas na sanhi ng pagbara ng pasulong na kasalukuyang (kung saan nabubuo ang negatibong rehiyon ng paglaban) kapag ang boltahe ng unahan ay karagdagang nadagdagan na kumikilos ito bilang normal na diode.

PIN Diode:

Sa diode na ito, ang mga rehiyon ng P at N ay pinaghihiwalay ng isang intrinsic semiconductor. Kapag ang diode ay reverse bias ay kumikilos ito bilang isang pare-pareho na pinahahalagahan na kapasitor. Sa pasulong na kundisyon ng bias, kumikilos ito bilang isang variable na paglaban na kinokontrol ng kasalukuyang. Ginagamit ito sa mga application ng microwave na makokontrol ng DC boltahe.

Ang simbolikong representasyon nito ay katulad ng isang normal na diode ng PN.

Mga application ng Diode:

• Naayos ang supply ng kuryente: Praktikal na imposibleng makabuo ng boltahe ng DC, ang tanging uri ng mapagkukunang magagamit ay boltahe ng AC. Dahil ang mga diode ay mga unidirectional device maaari itong magamit upang mai-convert ang boltahe ng AC sa pulsating DC at may karagdagang mga seksyon ng pag-filter (gamit ang mga capacitor at inductor) maaaring makuha ang isang tinatayang boltahe ng DC.

• Mga circuit ng tuner: Sa mga sistema ng komunikasyon sa pagtatapos ng tatanggap dahil natatanggap ng antena ang lahat ng mga frequency ng radyo na magagamit sa kalawakan ay kailangang pumili ng nais na dalas. Kaya, ang mga circuit ng tuner ay ginagamit na walang anuman kundi ang circuit na may variable capacitors at inductors. Sa kasong ito maaaring magamit ang isang varactor diode.

• Mga Telebisyon, ilaw sa trapiko, display board: Upang maipakita ang mga imahe sa TV o sa mga display board LED ay ginagamit. Dahil ang LED ay kumokonsumo ng mas kaunting kuryente malawakan itong ginagamit sa mga sistema ng pag-iilaw tulad ng mga LED bombilya.

• Mga regulator ng boltahe: Tulad ng Zener diode ay may napakababang pagkasira ng boltahe maaari itong magamit bilang isang boltahe regulator kapag reverse bias.

• Mga Detector sa Mga Sistema ng Komunikasyon: Ang isang kilalang detektor na gumagamit ng diode ay isang detektor ng Envelope na ginagamit upang makita ang mga tuktok ng modulated signal.