Raziskovanje popravnih lastnosti PN stikov
Razvoj polprevodniške tehnologije je imel ključno vlogo pri razvoju sodobne elektronike, na katero so v veliki meri vplivali napredovanje in vpogled v Junction P-N.Ta članek raziskuje operativna načela in aplikacije P-N Junctions, ki jih nasprotuje s tehnološko iznajdljivostjo kristalnega radia.Sprva raziskuje kristalni radio, pametno napravo, ki deluje brez zunanje moči, pri čemer uporablja polprevodno naravo Galene (svinčene sulfide).Pred tem je podrobnejši pregled P-N Junction, prevladujočega elementa v današnjih elektronskih napravah, ki deluje predvsem kot usmerni dioda.
Analiza operacij naprej in povratne pristranskosti v članku prikazuje, kako ti procesi omogočajo, da stičišče upravlja z električnim tokom v elektronskih vezjih.Poleg tega raziskuje vedenje P-N Junction v različnih pogojih in napetostih, vključno z njeno uporabo v napravah, kot so zenerjeve diode in usmerniki.Ta temeljit pregled ne samo poudarja fizične in elektronske mehanizme P-N stikov, ampak tudi poudarja njihovo dinamično vlogo pri regulaciji rekcije in napetosti.
Katalog
Slika 1: Cyrstal radio
Raziskovanje kristalnega radia
Kristalni radio, zgodnji čudež radijske tehnologije, je z naravnimi polprevodniki, kot je Galena (svinčev sulfid), deloval brez zunanjega vira energije.Galena je s svojo kristalno strukturo zgodnji primer sodobnih polprevodnikov zaradi svoje naravne sposobnosti za odpravljanje, kar je danes potrebno za diode.
Galene polprevodne lastnosti, vključno z energijsko vrzeljo približno 0,4 elektronskih voltov (EV), so dinamične za njegovo delovanje.Ta vrzel med valenčnimi in prevodnimi pasovi v kombinaciji z majhnimi nečistočami pomaga vzbuditi elektrone, kar jim omogoča, da se premaknejo v prevodni pas in vodijo elektriko.Ta mehanizem je omogočil kristalnemu radijskemu detektorju za pretvorbo izmeničnega toka (AC) iz antene v uporaben neposredni tok (DC).Bolj vidno je demodulirala amplitudno modulirane (AM) signale, ki izvlečejo zvočne signale iz radijskih valov.
V kristalnem radiu antena zajame radiofrekvenčne signale in jih usmeri v tuljavo nastavitve, da izbere želeno frekvenco.Izbrani signal se nato sreča z detektorjem Galene.Tu se zgodi rektifikacija in pretvori AC v moduliran DC signal.Ta signal se nato pošlje v slušalko ali zvočnik, kjer zvočna modulacija postane slišna in dokonča prevod signala brez zunanje moči.
Slika 2: P-N napravljanje stičišča
Razumevanje P-N napravnega stičišča
P-N križišče je vrhunsko za sodobno elektroniko, ki deluje predvsem kot usmerna dioda.Omogoča, da tok teče v eno smer, kar je potrebno za pretvorbo izmeničnega toka (AC) v usmerjen tok (DC).
Struktura in funkcija
P-n križišče je sestavljeno iz polprevodniških materialov tipa P in N.P-tip ima presežek lukenj, medtem ko ima N-tip presežek elektronov.Kjer se ti materiali srečujejo, se tvori območje izčrpavanja, kar ustvarja vgrajeno potencialno oviro, ki preprečuje prosti pretok nosilcev naboja med regijami.
Kadar se pozitivna napetost nanese na stran P glede na N-strani (naprej pristranskost), se potencialna pregrada znižuje, kar omogoča, da tok zlahka teče po stičišču.Ko se uporabi negativna napetost (obratna pristranskost), se pregrada poveča in blokira tok toka.Ta selektivna prevodnost je tisto, kar diodi omogoča pretvorbo AC v DC.
Dioda P-N Junction je strateško nameščena v vezju, da se poravna s predvideno smerjo toka toka.Nato se na vezje nanese izmenična napetost.Med vsakim izmeničnim ciklom dioda deluje tako, da blokira ali omogoča prehod toka.Ta selektivni prehod, odvisen od orientacije diode, omogoča samo polovico izmeničnega cikla, kar ima za posledico pulzirajoči izhod DC.Za pretvorbo tega pulzirajočega DC v bolj stabilno in dosledno DC napetost se uporabljajo komponente, kot so kondenzatorji in regulatorji napetosti, za izravnavo izhoda.
Slika 3: P-N stičišče z obratno pristranskostjo
Analiza P-N stičišča pod obratno pristranskostjo
Povratno pristranskost P-N stičišča vključuje povezovanje negativnega terminala DC baterije s polprevodnikom tipa P in pozitivnega terminala na polprevodnik tipa N.Ta konfiguracija izboljšuje električno polje čez križišče, kar potisne večino prevoznikov-vrtin v P-tipu in elektroni v N-tipu-z stičišča.Ta migracija poveča širino območja izčrpavanja, območje, ki ni več nosilcev naboja, kar učinkovito razširi oviro, ki ovira gibanje nosilca naboja.
V tem stanju je pretok toka čez križišče minimalen in je v glavnem posledica toplotno ustvarjenih parov elektronov v polprevodniškem materialu.Ko so v povratni pristranskosti, se manjšinski prevozniki, kot so luknje v N-tipu in elektroni v P-tipu, vlečejo proti stičišču, kar ustvarja konsistenten, čeprav majhen, povratni nasičen tok (IS).Ta tok se rahlo poveča s temperaturo, saj se ustvari več nosilcev naboja, vendar ostaja razmeroma stabilen, ne glede na nadaljnje povečanje napetosti povratne pristranskosti, kar pojasnjuje njegovo karakterizacijo kot "nasičenega" toka.
Z uporabo povratne pristranskosti se potencialna pregrada na stičišču poveča, kar znatno poveča pregradno napetost na V0 + V, kjer je V0 kontaktni potencial in V uporabljena napetost.Ta višja pregrada drastično zmanjša difuzijski tok večinskih nosilcev, kar ga skoraj odpravi pri obratni pristranskosti približno enega volta, pri čemer je aktiven le vzvratni tok nasičenosti.Posledica tega je visoka odpornost na stičišče, kar dokazuje dinamiko za aplikacije, kot sta regulacija napetosti in signalna modulacija, kjer visoka impedanca stika omejuje tok toka.Občutljivost povratnega nasičenega toka na temperaturne variacije omogoča tudi delo, da deluje kot osnovni senzor, pri čemer spremlja spremembe za temperaturno občutljive aplikacije.
Slika 4: P-N križišče s prednji pristranskost
Preučitev stičišča P-N pod naprej pristranskostjo
V stičišču P-N, ki je na pristranskost, se pozitivni terminal DC baterije povezuje s polprevodnikom tipa P, negativni terminal pa se povezuje s polprevodnikom tipa N.Zaradi te nastavitve je stran P-tipa bolj pozitivna v primerjavi s strani N-tipa.V teh pogojih se večina prevoznikov (lukenj v P-tipu in elektroni v N-tipu) poganja proti stičišču.
Električno polje, ki ga ustvari baterija, večino prevoznikov potisne stran od svojih terminalov in proti stičišču.Ko se ti prevozniki gibljejo in se zbližajo na križišču, se rekombinirajo.Ta rekombinacija znatno zmanjša širino območja izčrpavanja, kar olajša močnejši pretok nosilcev po križišču.
Uporabljena napetost naprej V znižuje potencialno energijsko oviro stičišča.Običajno ta ovira preprečuje prosti nosilni pretok, vendar napetost naprej zmanjša pregrado V0-V1 Kje V0 je vgrajen potencial stičišča.Ta znižana višina pregrade omogoča več elektronov in lukenj, ki se razpršijo po križišču.
Znižanje višine pregrade povzroči znatno povečanje difuzijskega toka (Id ), ki je pretok nosilcev naboja, ki ga poganja zmanjšana ovira.Ta tok je predvsem v eno smer, večina prevoznikov pa se giblje proti in skozi križišče.Tok v tem stanju, ki je vnaprej vnaprej, je bistveno višji od obratnega nasičenega toka (Is) Opaženo pod obratno pristranskostjo.
To zaporedje operacij zagotavlja, da P-N stičišče učinkovito pretvori napetost baterije v visok pretok električnega toka skozi polprevodnik.To je koristno za naprave, kot so diode in tranzistorji, kjer je nadzorovan tok tok nujen.Sposobnost P-N Junction-a, da podpira visoko difuzijski tok, je nevarna komponenta v različnih elektronskih aplikacijah, od popravljanja do ojačanja signala.
Slika 5: Razčlenitev stičišča
Razčlenitev pojavov v P-n križiščih
Razčlenitev stičišča v stičišču P-N se pojavi, ko povratna napetost, ki se uporablja v stičišču, presega določen prag, znan kot razpadna napetost (VBr) ali zenerjeve napetosti (Vz).Ta pojav povzroči dramatično povečanje povratnega toka brez znatnega povečanja napetosti.Naprave, kot so Zener Diode, izkoriščajo to značilnost za regulacijo napetosti, pri čemer se dogodek upravlja brez škode.
V stičišču P-N v povratnem prizorišču majhen tok, imenovan povratni nasični tok (Is) Tokovi zaradi toplotno ustvarjenih nosilcev.Ko se povratna napetost povečuje, se potencialna pregrada na stičišču dvigne in zavira difuzijski tok (Id), dokler učinkovito ne postane nič.To odide samo (Is) za vzdrževanje trenutnega toka.
Povečanje reverzne napetosti in izčrpavanja
Ko se povratna napetost še naprej povečuje, se območje izčrpavanja širi.Ko napetost na križišču dosežeVBraliVz, električno polje v območju izčrpavanja postane dovolj intenzivno, da sproži razčlenitev stičišča.Ta razčlenitev se zgodi bodisi z zenerskim učinkom bodisi z plazovim učinkom, kar ima za posledico znatno povečanje toka.
Zenerski učinek: Učinek zenerja prevladuje pri nižjih razpadnih napetostih, običajno pod 5V v siliciju.Vključuje kvantno mehansko tuneliranje elektronov v območju izčrpavanja.Intenzivno električno polje v plasti izčrpavanja je dovolj močno, da odstrani elektrone iz njihovih atomskih vezi, kar ustvarja pare za luknje.Te nosilce se nato s poljem pometa čez križišče, kar znatno poveča obratni tok.
Učinek plazov: Pri višjih napetostih, na splošno nad 7V, prevladuje učinek plazov.Manjšinski prevozniki (elektroni v regiji P-tipa in luknje v regiji N-tipa) pridobijo kinetično energijo iz električnega polja, ko prečkajo območje izčrpavanja.Če ti nosilci pridobijo dovolj energije, lahko trčijo v rešetke in sproščajo dodatne pare za luknje.Ta srednja generacija nosilcev lahko privede do nadaljnjih trkov, kar ustvari verižno reakcijo - plaz -, ki povečuje obratni tok.
Sposobnost križišča, da vzdrži razčlenitev brez škode, je odvisna od učinkovitega toplotnega upravljanja in robustnosti njegove fizične in elektronske strukture.Specifični mehanizem razpada - bodisi zener ali plazov - odvisen od materialnih lastnosti polprevodnika, kot so ravni vrzeli in dopinga, ter zunanji pogoji, kot je temperatura.
Pojasnjen postopek popravljanja
Postopek popravljanja v stičišču P-N se opira na njegovo nelinearno ali neehmično vedenje.To je razvidno iz značilne krivulje Volt-Ampere, ki prikazuje asimetrični odziv stičišča na napetost: vzvratna polarnost napetosti ne povzroči enakega toka v nasprotni smeri.Ta asimetrija je potrebna za odpravljanje naprav.
Razumevanje vedenja
Ko sinusoidna vhodna napetost z amplitudoV0 se uporablja za stičišče P-N, odziv stičišča je prikazan na značilni krivulji.Izhodni tok niha med I1(med pristranskostjo naprej) in-I2 (med obratno pristranskostjo).Ključna točka je toI1 (naprej tok) je veliko večji od-I2 (povratni tok).Ta razlika v trenutnih velikostih med naprej in vzvratno pristranskostjo omogoča popravljanje.
Učinki naprej in povratne pristranskosti
P-N križišče pod naprej pristranskost omogoča velik tok (Id), ker napetost naprej zmanjša potencialno oviro.To zmanjšanje omogoča večinskim prevoznikom (elektroni in luknjami), da se prosto premikajo po križišču in tako ustvarijo znaten tok.V obratni pristranskosti se potencialna pregrada poveča in močno omejuje pretok nosilcev in s tem tok.Tok med obratno pristranskostjo (Is) je minimalno v primerjavi s tokom naprej.
Pretvorba AC v DC
Takšno vedenje - ki daje pomemben tok v eni smeri, hkrati pa ga omejuje v drugi - učinkovito pretvori vhod izmeničnega toka (AC) v izhod neposrednega toka (DC).Postopek popravljanja je odvisen od asimetrične prevodnosti P-N Junction kot odziv na izmenično napetost.Zaradi tega je pomemben sestavni del napajalnikov in aplikacij za modulacijo signala, kjer je enosmerni tok tok nujen.
Vloga P-N napravljanja tehnologije stičišča v usmernikih
P-N stičišče, potrebno za diode, omogoča, da tok teče predvsem v eno smer zaradi svojih edinstvenih prevodnih lastnosti pod različnimi električnimi pristranskostmi.
V obratni pristranskosti priključite negativni terminal baterije na stran P-tipa in pozitiven terminal na stran N-tipa.Ta nastavitev poveča vgrajen potencial stičišča, kar razširi območje izčrpavanja in močno zmanjša difuzijski tok.Vendar pa je tok premika še vedno prizadet, kar ima za posledico majhen, skoraj konstanten povratni nasičen tok (Id).Razširjeno območje izčrpavanja pod obratno pristranskostjo deluje kot ovira, kar omejuje pretok nosilcev naboja in omogoča prehod minimalnega toka.
V pristranskosti naprej priključite pozitiven terminal baterije na stran P-tipa in negativni terminal na stran N-tipa.Ta nastavitev znižuje potencialno oviro na stičišču in zoži območje izčrpavanja.Zmanjšana višina pregrade omogoča več večinskim nosilcem (elektroni v N-tipu in luknje v P-tipu), da prečkajo stičišče, kar znatno poveča difuzijski tok (Id).V tej konfiguraciji ostajajoči tok manjšinskih prevoznikov v veliki meri ne vpliva.Zoževanje območja izčrpavanja pod pristranskostjo naprej povečuje prevodnost stičišča, kar omogoča velik pretok difuzijskega toka, ki je primarni tok v tem načinu.
Če je podvržen visokim obratnim pristranskosti, običajno nekaj sto voltov, lahko P-N stičišče zdrži ekstremne pogoje.Pod takšnimi napetosti lahko intenzivno električno polje v območju izčrpavanja ustvari veliko število parov v elektronskih luknjah, kar lahko vodi do močnega povečanja toka in povzroči razčlenitev stičišča.Temu stanju se na splošno izognemo v standardnih polprevodniških diodah zaradi tveganja za trajno škodo.Vendar so zenerjeve diode zasnovane tako, da v tej razčlenjevalni regiji zanesljivo delujejo za aplikacije, kot je regulacija napetosti.
Odpornost stika P-N se razlikuje glede na velikost in polarnost uporabljene napetosti.Ta sprememba omogoča preferencialni tok toka v smeri naprej, medtem ko ga blokira vzvratno.Ta smerni tok tok podpira vlogo stika kot usmernik v različnih elektronskih vezjih, od napajalnikov do sistemov za obdelavo signalov.
Uporaba P-N Junction Diods kot usmerniki
Inherentna sposobnost diode P-N Junction Diode, da omogoča, da tok pretaka v eno smer, je učinkovit usmernik, ki pretvori izmenični tok (AC) v neposredni tok (DC).Najpreprostejša oblika takšne naprave je usmernik na pol vala.
Slika 6: Postopek popravljanja na pol vala
V vezju usmernikov na pol vala deluje dioda med pozitivnimi in negativnimi pol ciklov vhodnega signala.Ta nastavitev običajno vključuje transformator s sekundarno tuljavo, ki inducira elektromotivno silo (EMF) z medsebojno indukcijo s primarno tuljavo.Polarnost induciranega EMF se spremeni z izmeničnim ciklom.
Slika 7: Pozitiven polovični cikel
Zgornji konec sekundarne tuljave postane pozitivno napolnjen glede na spodnji del, kar naprej pristranskosti dioda P-N Junction.Ta pristranskost omogoča, da tok teče skozi odpornost na obremenitev (RL).Ko tok teče, se v RL opazi napetost, kar ustreza pozitivnemu polkrogu vhoda AC.
Slika 8: Negativni pol cikle
Ko se polarnost induciranega EMF obrne, zgornji konec postane negativen in spodnji konec pozitiven.Te obratne pristranskosti dioda in učinkovito blokirajo tok skozi njega.Kot rezultat, v tem polčasu ne dobimo nobenega izida v celotni upornosti obremenitve.
Značilnosti in izhod pol vala
Napol-valovni usmernik pretvori le pozitivne polovične cikle vhoda AC v pulzirajoči DC izhod.Ta izhod vsebuje AC komponente in je sam po sebi prekinjen z nižjo učinkovitostjo v primerjavi s polnimi valovnimi usmerniki.Utripajočo naravo izhoda lahko količinsko določimo z izračunom povprečnega toka obremenitve.Pomnoževanje tega toka z upornostjo obremenitve (RLR_LRL) daje povprečno izhodno napetost DC.
Glavne pomanjkljivosti pol vala so njena neučinkovitost in prekinitvena narava izhoda.Za dosego stalne DC -jeve oskrbe bo morda potrebno nadaljnje filtriranje ali glajenje.Na učinkovitost in učinkovitost usmernika vplivajo značilnosti diode, kot sta njegov padec napetosti naprej in vzvratni tok puščanja.Poleg tega sta zasnova transformatorja in izbira odpornosti na obremenitev pomembna pri optimizaciji celotne funkcionalnosti usmernika.
Zaključek
Pregled tega članka P-N Junction poudarja tako široko paleto uporabe v sodobni elektroniki kot tudi ključno vlogo pri razvoju polprevodniške tehnologije.Od osnovnega delovanja kristalnega radia do izpopolnjenih mehanizmov razpada in rekcije stika se P-N stičišče pojavi kot končna komponenta pri zagotavljanju pretoka usmerjenega toka in stabilnih napetostnih izhodov v elektronskih vezjih.Podroben pregled operacij naprej in povratne pristranskosti prikazuje vsestranskost stičišča pri prilagajanju različnim električnim napetosti in okoljskim pogojem.Praktične aplikacije P-N Junction, kot je prikazano v usmernikih in regulatorjih napetosti, poudarjajo njegovo resno funkcijo pri izboljšanju učinkovitosti in zanesljivosti elektronskih naprav.Navsezadnje ta poglobljena analiza ne samo razjasni operativna načela P-N Junctions, ampak tudi prikazuje njihovo ključno vlogo pri napredovanju tehnologije od preprostih radijskih sprejemnikov do zapletenih integriranih vezij, kar označuje pomembno epoho na področju elektronike.
Pogosto zastavljena vprašanja [FAQ]
1. Kako se PN križišče uporablja kot usmernik?
Pridruži se PN stičišče, ko se združijo polprevodniški materiali tipa P in N.Ta stičišče seveda ustvarja območje izčrpavanja, ki deluje kot pregrada, kar omogoča, da tok lažje teče v eno smer kot druga.Kadar se izmenična napetost uporabi za PN stičišče, med pozitivnim polkrogom, stičišče omogoča prehod toka (spredaj naprej), med negativnim pol cikla pa blokira tok (vzvratno pristransko).Ta selektivna prevodnost povzroči, da je izhod pretežno v eni smeri in učinkovito pretvoril AC v DC.
2. Kakšen je skupni namen usmernika PN Junction?
Glavni namen usmeritvenega PN Junction je proizvajati enakomeren DC izhod iz izmeničnega vhoda.To je potrebno pri napajanju elektronskih vezij, ki potrebujejo DC za stabilno delovanje.Usmečitelji so vrhunski napajalniki za vse vrste elektronskih in električnih naprav, od majhnih pripomočkov do velikih industrijskih strojev.
3. Kakšna je odpravljalna uporaba diode PN Junction?
Dioda PN Junction je posebej zasnovana za izkoriščanje rektivne vedenja PN Junction.V vezjih se pogosto uporablja kot usmernik za izvajanje te ključne funkcije pretvorbe AC v DC.V praktičnem smislu te diode najdemo v polnilnikih za baterije, napajalne adapterje in sisteme, ki potrebujejo zanesljivo napajanje DC iz vira AC, kot so telekomunikacijska oprema in avtomobilski električni sistemi.
4. Za kaj se uporablja PN križišče?
Poleg popravljanja se PN stiki uporabljajo v različnih drugih aplikacijah, kot so signalna modulacija, regulacija napetosti in lahke diode (LED) za osvetlitev in prikaze.Vendar njihova najpomembnejša in široka uporaba ostaja v popravljanju, kjer so uporabne komponente pri pretvorbi AC v uporabno DC moč.
5. Kako dioda deluje kot usmernik?
Dioda, ki je sestavljena iz PN križišča, deluje kot usmernik, tako da omogoča, da električni tok lažje teče v eno smer kot v obratno smer.Inherentne lastnosti PN Junction, predvsem enosmerne funkcije pretoka, so diode idealne za blokiranje negativnega dela AC signalov in tako omogočajo, da se prenaša samo pozitiven del.Ta selektivni prehod toka povzroči, da je izhod enosmerni tok elektronov ali DC.