ไดโอด: ทางแยก pn ประเภทการก่อสร้างและการทำงาน

ไดโอดคืออะไร?

โดยทั่วไปทุกอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต้องการแหล่งจ่ายไฟ DC แต่มันเป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างไฟ DC ดังนั้นเราจำเป็นต้องมีทางเลือกที่จะได้รับบางไฟ DC จึงใช้ไดโอดเข้ามาในภาพการแปลงไฟ AC เข้ากับไฟ ไดโอดเป็นชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กที่ใช้ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์เกือบทั้งหมดเพื่อเปิดใช้งานการไหลของกระแสในทิศทางเดียวเท่านั้น ( อุปกรณ์ทิศทางเดียว ). เราสามารถพูดได้ว่าการใช้วัสดุเซมิคอนดักเตอร์เพื่อสร้างชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์นั้นเริ่มต้นด้วยไดโอด ก่อนที่จะมีการประดิษฐ์ไดโอดมีหลอดสุญญากาศซึ่งการใช้งานของอุปกรณ์ทั้งสองนี้มีความคล้ายคลึงกัน แต่ขนาดของหลอดสุญญากาศจะมากกว่าไดโอดมาก การสร้างท่อสุญญากาศค่อนข้างซับซ้อนและดูแลรักษายากเมื่อเทียบกับไดโอดเซมิคอนดักเตอร์ การใช้งานไดโอดเพียงไม่กี่วิธีได้แก่ การแก้ไขการขยายสัญญาณสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์การเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานแสงและพลังงานแสงเป็นพลังงานไฟฟ้า

ประวัติของไดโอด:

ในปีพ. ศ. 2483 ที่ Bell Labs รัสเซลโอห์ลได้ทำงานร่วมกับคริสตัลซิลิกอนเพื่อค้นหาคุณสมบัติของมัน วันหนึ่งโดยบังเอิญเมื่อผลึกซิลิกอนที่มีรอยแตกถูกแสงแดดเขาพบการไหลของกระแสผ่านคริสตัลและต่อมาเรียกว่า ไดโอดซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นของยุคเซมิคอนดักเตอร์

การก่อสร้างไดโอด:

วัสดุที่เป็นของแข็งจะถูกจัดออกเป็นสามประเภทคือตัวนำฉนวนและกึ่งตัวนำตัวนำมีจำนวนอิเล็กตรอนอิสระสูงสุดฉนวนมีจำนวนอิเล็กตรอนอิสระขั้นต่ำ (เล็กน้อยซึ่งทำให้การไหลของกระแสไม่เป็นไปได้เลย) ในขณะที่กึ่งตัวนำสามารถเป็นได้ทั้งตัวนำหรือฉนวนขึ้นอยู่กับศักยภาพที่ใช้กับมัน กึ่งตัวนำที่อยู่ในการใช้งานทั่วไปมีซิลิคอนและเจอร์เมเนียม ซิลิคอนเป็นที่ต้องการเนื่องจากมีอยู่มากมายบนโลกและให้ช่วงความร้อนที่ดีกว่า

เซมิคอนดักเตอร์แบ่งออกเป็นสองประเภทเป็น กึ่งตัวนำภายในและภายนอก

สารกึ่งตัวนำภายใน:

สิ่งเหล่านี้เรียกอีกอย่างว่ากึ่งตัวนำบริสุทธิ์โดยที่ตัวพาประจุ (อิเล็กตรอนและโฮล) มีปริมาณเท่ากันที่อุณหภูมิห้อง ดังนั้นการนำกระแสจึงเกิดขึ้นโดยทั้งสองรูและอิเล็กตรอนเท่า ๆ กัน

อุปกรณ์กึ่งตัวนำภายนอก:

ในการเพิ่มจำนวนของรูหรืออิเล็กตรอนในวัสดุเราไปหาสารกึ่งตัวนำภายนอกที่มีการเติมสิ่งสกปรก (นอกเหนือจากซิลิกอนและเจอร์เมเนียมหรือเพียงแค่วัสดุไตรวาเลนต์หรือเพนทาวาเลนต์) ลงในซิลิคอน กระบวนการเติมสิ่งเจือปนลงในสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์นี้เรียกว่า Doping

การก่อตัวของสารกึ่งตัวนำชนิด P และ N:

N-Type เซมิคอนดักเตอร์:

ถ้าธาตุเพนทาวาเลนต์ (จำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนคือห้า) ถูกเพิ่มเข้าไปใน Si หรือ Ge แสดงว่ามีอิเล็กตรอนอิสระอยู่ ในฐานะที่เป็นอิเล็กตรอน (ผู้ให้บริการที่มีประจุลบ) มีมากขึ้นในจำนวนเหล่านี้จะถูกเรียกว่าเป็นN-สารกึ่งตัวนำชนิด ในประเภท N อิเล็กตรอนกึ่งตัวนำเป็นตัวพาประจุส่วนใหญ่และโฮลเป็นตัวพาประจุส่วนน้อย

องค์ประกอบ pentavalent ไม่กี่ฟอสฟอรัส, สารหนูพลวงและบิสมัท ตั้งแต่เหล่านี้มีอิเล็กตรอนม่านแขวนส่วนเกินและพร้อมที่จะจับคู่กับอนุภาคมีประจุบวกภายนอกองค์ประกอบเหล่านี้จะถูกเรียกว่าเป็นผู้บริจาค

P-Type Semiconductor

ในทำนองเดียวกันถ้ามีการเพิ่มธาตุไตรวาเลนต์เช่นโบรอนอลูมิเนียมอินเดียมและแกลเลียมเข้าไปใน Si หรือ Ge จะมีการสร้างรูขึ้นเนื่องจากมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนจำนวนสามตัว ตั้งแต่หลุมพร้อมที่จะรับอิเล็กตรอนและได้รับการจับคู่เรียกว่าเป็นAcceptors ขณะที่จำนวนของหลุมที่มีส่วนเกินในวัสดุที่จัดตั้งขึ้นใหม่เหล่านี้จะถูกเรียกว่าเป็นP-ประเภทเซมิคอนดักเตอร์ ในหลุมกึ่งตัวนำชนิด P เป็นตัวพาประจุส่วนใหญ่และอิเล็กตรอนเป็นตัวพาประจุส่วนน้อย

PN Junction Diode:

ตอนนี้ถ้าเราเข้าร่วมทั้งสองประเภทของกึ่งตัวนำชนิด P และ N-ประเภทด้วยกันแล้วอุปกรณ์ใหม่จะเกิดขึ้นเรียกว่าเป็นPN แยกไดโอด เนื่องจากการเชื่อมต่อระหว่างวัสดุประเภท P และ N จึงเรียกว่าทางแยก PN

คำว่าไดโอดสามารถอธิบายได้ว่า 'Di' หมายถึงสองและ 'ode' ได้มาจากอิเล็กโทรด เป็นองค์ประกอบที่จัดตั้งขึ้นใหม่สามารถมีสองขั้วหรือขั้วไฟฟ้า (หนึ่งเชื่อมต่อกับ P-ชนิดและอื่น ๆ ไปยัง N-พิมพ์) มันจะเรียกว่าเป็นไดโอดหรือทางแยก PN ไดโอดหรือกึ่งตัวนำไดโอด

สถานีที่เชื่อมต่อกับวัสดุ P-ชนิดที่เรียกว่า แอโนด และสถานีเชื่อมต่อกับวัสดุ N-ชนิดที่เรียกว่าแคโทด

การแสดงสัญลักษณ์ของไดโอดมีดังนี้

ลูกศรบ่งชี้การไหลของกระแสผ่านเมื่อไดโอดอยู่ในโหมดเอนเอียงไปข้างหน้าเส้นประหรือบล็อกที่ปลายลูกศรแสดงการอุดตันของกระแสจากทิศทางตรงกันข้าม

ทฤษฎีการแยก PN:

เราได้เห็นวิธีการสร้างไดโอดด้วยสารกึ่งตัวนำ P และ N แต่เราจำเป็นต้องรู้ว่าเกิดอะไรขึ้นภายในเพื่อสร้างคุณสมบัติเฉพาะในการปล่อยให้กระแสในทิศทางเดียวและสิ่งที่เกิดขึ้นที่จุดสัมผัสที่แน่นอนในตอนแรกที่จุดเชื่อมต่อ

การสร้างทางแยก:

ในขั้นต้นเมื่อวัสดุทั้งสองถูกรวมเข้าด้วยกัน (โดยไม่ต้องใช้แรงดันไฟฟ้าภายนอก) อิเล็กตรอนส่วนเกินในชนิด N และรูส่วนเกินในชนิด P จะถูกดึงดูดเข้าหากันและรวมตัวกันใหม่ซึ่งการก่อตัวของไอออนที่ไม่สามารถเคลื่อนที่ได้ (ไอออนของผู้บริจาค และอิออนตัวรับ) เกิดขึ้นดังที่แสดงในภาพด้านล่าง ไอออนที่ไม่สามารถเคลื่อนที่ได้เหล่านี้ต่อต้านการไหลของอิเล็กตรอนหรือรูผ่านซึ่งตอนนี้ทำหน้าที่เป็นกำแพงกั้นระหว่างวัสดุทั้งสอง (การก่อตัวของสิ่งกีดขวางหมายถึงไอออนที่เคลื่อนที่ไม่ได้จะกระจายไปยังบริเวณ P และ N) อุปสรรคที่จะเกิดขึ้นในขณะนี้จะเรียกว่าเป็นภูมิภาคพร่อง ความกว้างของพื้นที่พร่องในกรณีนี้ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของยาสลบในวัสดุ

ถ้าความเข้มข้นของยาสลบเท่ากันในทั้งสองวัสดุไอออนที่เคลื่อนที่ไม่ได้จะกระจายไปยังวัสดุทั้ง P และ N เท่า ๆ กัน

จะเกิดอะไรขึ้นถ้าความเข้มข้นของยาสลบแตกต่างกัน?

ถ้ายาสลบแตกต่างกันความกว้างของบริเวณพร่องก็แตกต่างกันด้วย การแพร่กระจายของมันคือมากยิ่งขึ้นในภูมิภาคเจือเบา ๆ และน้อยลงในภูมิภาคเจืออย่างหนัก

ตอนนี้เรามาดูพฤติกรรมของไดโอดเมื่อใช้แรงดันไฟฟ้าที่เหมาะสม

ไดโอดในการส่งต่ออคติ

มีไดโอดจำนวนหนึ่งที่มีโครงสร้างคล้ายกัน แต่ประเภทของวัสดุที่ใช้แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่นถ้าเราพิจารณาไดโอดเปล่งแสงมันทำจากวัสดุอลูมิเนียมแกลเลียมและอาร์เซไนด์ซึ่งเมื่อตื่นเต้นจะปล่อยพลังงานออกมาในรูปของแสง ในทำนองเดียวกันการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของไดโอดเช่นความจุภายในแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์ ฯลฯ จะถูกพิจารณาและไดโอดเฉพาะได้รับการออกแบบตามสิ่งเหล่านี้

ที่นี่เราได้อธิบายไดโอดประเภทต่างๆพร้อมการทำงานสัญลักษณ์และการใช้งาน:

• ซีเนอร์ไดโอด
• LED
• เลเซอร์ไดโอด
• โฟโตไดโอด
• ไดโอด Varactor
• ไดโอด Schottky
• ไดโอดอุโมงค์
• PIN diode เป็นต้น

มาดูหลักการทำงานและโครงสร้างของอุปกรณ์เหล่านี้โดยสังเขป

ซีเนอร์ไดโอด:

บริเวณ P และ N ในไดโอดนี้มีการเจือปนอย่างมากจนพื้นที่พร่องนั้นแคบมาก ซึ่งแตกต่างจากไดโอดปกติแรงดันไฟฟ้าที่พังทลายจะต่ำมากเมื่อแรงดันย้อนกลับมากกว่าหรือเท่ากับแรงดันไฟฟ้าที่สลายตัวบริเวณการพร่องจะหายไปและแรงดันไฟฟ้าคงที่ผ่านไดโอดแม้ว่าแรงดันย้อนกลับจะเพิ่มขึ้นก็ตาม ดังนั้นจึงใช้ไดโอดเพื่อควบคุมแรงดันไฟฟ้าและรักษาแรงดันไฟฟ้าขาออกให้คงที่เมื่อมีความลำเอียงอย่างเหมาะสม นี่คือตัวอย่างหนึ่งของการ จำกัด แรงดันไฟฟ้าโดยใช้ Zener

รายละเอียดในซีเนอร์ไดโอดจะเรียกว่าเป็น ความล้มเหลว zener หมายความว่าเมื่อแรงดันย้อนกลับถูกนำไปใช้กับซีเนอร์ไดโอดสนามไฟฟ้าแรงจะถูกพัฒนาขึ้นที่ทางแยกซึ่งเพียงพอที่จะทำลายพันธะโควาเลนต์ภายในทางแยกและทำให้เกิดกระแสไหลผ่านจำนวนมาก การสลายซีเนอร์เกิดที่แรงดันไฟฟ้าต่ำมากเมื่อเทียบกับการพังทลายของหิมะถล่ม

มีการสลายอีกประเภทหนึ่งที่เรียกว่าการ พังทลายของหิมะถล่ม โดยทั่วไปจะเห็นในไดโอดปกติซึ่งต้องใช้แรงดันย้อนกลับจำนวนมากเพื่อทำลายทางแยก หลักการทำงานของมันคือเมื่อไดโอดมีความเอนเอียงย้อนกลับกระแสไฟฟ้ารั่วขนาดเล็กผ่านไดโอดเมื่อแรงดันย้อนกลับเพิ่มขึ้นกระแสรั่วก็จะเพิ่มขึ้นซึ่งเร็วพอที่จะทำลายพันธะโควาเลนต์ไม่กี่แห่งภายในทางแยกตัวพาประจุใหม่เหล่านี้จะแตกออกไปอีก พันธะโควาเลนต์ที่เหลือทำให้เกิดกระแสรั่วไหลขนาดใหญ่ซึ่งอาจทำให้ไดโอดเสียหายตลอดไป

ไดโอดเปล่งแสง (LED):

โครงสร้างของมันคล้ายกับไดโอดธรรมดา แต่มีการใช้เซมิคอนดักเตอร์หลายชุดเพื่อสร้างสีที่ต่างกัน มันทำงานในโหมดลำเอียงไปข้างหน้าเมื่อการรวมตัวของรูอิเล็กตรอนอีกครั้งจะทำให้โฟตอนถูกปล่อยออกมาซึ่งเป็นผลลัพธ์ซึ่งจะเปล่งแสงออกมาหากแรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้าเพิ่มขึ้นอีกโฟตอนจะถูกปล่อยออกมามากขึ้นและความเข้มของแสงก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน แต่แรงดันไฟฟ้าไม่ควรเกินค่าเกณฑ์มิฉะนั้น LED จะได้รับความเสียหาย

ในการสร้างสีที่แตกต่างกันจะใช้ชุดค่าผสม AlGaAs (AlgaAs (Aluminium Gallium Arsenide) - สีแดงและอินฟราเรด GaP (Gallium Phosphide) - สีเหลืองและสีเขียว InGaN (Indium Gallium Nitride) - LED สีน้ำเงินและสีม่วงอัลตร้าไวโอเลตเป็นต้นตรวจสอบวงจร LED อย่างง่าย ที่นี่.

สำหรับIR LEDเราสามารถมองเห็นแสงผ่านกล้องได้

เลเซอร์ไดโอด:

LASER ย่อมาจาก Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation จุดเชื่อมต่อ PN เกิดจาก Gallium Arsenide สองชั้นที่มีการเคลือบสารสะท้อนแสงสูงที่ปลายด้านหนึ่งของหัวต่อและเคลือบสะท้อนแสงบางส่วนที่ปลายอีกด้าน เมื่อไดโอดไปข้างหน้าแบบเอนเอียงคล้ายกับ LED มันจะปล่อยโฟตอนสิ่งเหล่านี้ไปกระทบกับอะตอมอื่น ๆ เช่นโฟตอนจะถูกปล่อยออกมามากเกินไปเมื่อโฟตอนกระทบกับสารเคลือบสะท้อนแสงและกระทบกลับทางแยกอีกครั้งโฟตอนจะปล่อยออกมากระบวนการนี้จะเกิดขึ้นซ้ำและลำแสงที่มีความเข้มสูง ของแสงถูกปล่อยออกมาในทิศทางเดียวเท่านั้น เลเซอร์ไดโอดต้องการวงจรไดรเวอร์เพื่อให้ทำงานได้อย่างถูกต้อง

การแสดงสัญลักษณ์ของไดโอด LASER นั้นคล้ายกับ LED

ไดโอดภาพ:

ในโฟโต้ไดโอดกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านขึ้นอยู่กับพลังงานแสงที่ใช้กับทางแยก PN ดำเนินการด้วยอคติย้อนกลับ ตามที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้รั่วไหลของกระแสเล็ก ๆ ไหลผ่านไดโอดเมื่อลำเอียงย้อนกลับซึ่งเรียกว่าที่นี่เป็น ปัจจุบันมืด เนื่องจากกระแสน้ำขาดแสง (ความมืด) จึงเรียกเช่นนั้น ไดโอดนี้ถูกสร้างขึ้นในลักษณะที่เมื่อแสงกระทบกับทางแยกก็เพียงพอที่จะทำลายคู่ของรูอิเล็กตรอนและสร้างอิเล็กตรอนซึ่งจะเพิ่มกระแสรั่วไหลย้อนกลับ คุณสามารถตรวจสอบโฟโตไดโอดที่ทำงานร่วมกับ IR LED ได้ที่นี่

ไดโอด Varactor:

เรียกอีกอย่างว่า Varicap (ตัวเก็บประจุตัวแปร) ไดโอด มันทำงานในโหมดลำเอียงย้อนกลับคำจำกัดความทั่วไปของการแยกตัวเก็บประจุของแผ่นตัวนำที่มีฉนวนหรืออิเล็กทริกเมื่อไดโอดปกติมีความเอนเอียงย้อนกลับความกว้างของพื้นที่พร่องจะเพิ่มขึ้นเนื่องจากพื้นที่พร่องแสดงถึงฉนวนหรืออิเล็กทริกที่สามารถทำหน้าที่เป็นตัวเก็บประจุได้ ด้วยการเปลี่ยนแปลงของแรงดันย้อนกลับทำให้การแยกบริเวณ P และ N แตกต่างกันไปจึงทำให้ไดโอดทำงานเป็นตัวเก็บประจุแบบแปรผัน

เนื่องจากความจุเพิ่มขึ้นเมื่อระยะห่างระหว่างแผ่นลดลงแรงดันย้อนกลับขนาดใหญ่จึงหมายถึงความจุต่ำและในทางกลับกัน

ชอตกี้ไดโอด:

N-สารกึ่งตัวนำชนิดจะเข้าร่วมกับโลหะ (ทอง, เงิน) เช่นว่าอิเล็กตรอนระดับพลังงานสูงที่มีอยู่ในไดโอดเหล่านี้จะถูกเรียกว่าเป็น ผู้ให้บริการร้อน เพื่อให้ไดโอดนี้จะเรียกว่าเป็น ไดโอดให้บริการร้อน มันไม่มีพาหะของชนกลุ่มน้อยและไม่มีพื้นที่พร่องค่อนข้างจะมีทางแยกกึ่งตัวนำโลหะอยู่เมื่อไดโอดนี้เอนเอียงไปข้างหน้ามันจะทำหน้าที่ตัวนำ แต่ประจุมีระดับพลังงานสูงซึ่งเป็นประโยชน์ในการเปลี่ยนอย่างรวดเร็วโดยเฉพาะในวงจรดิจิทัล ใช้ในงานไมโครเวฟ ตรวจสอบการทำงานของ Schottky Diode ที่นี่

ไดโอดอุโมงค์:

ภูมิภาค P และ N ในไดโอดนี้เจืออย่างหนักเช่นการดำรงอยู่ของการสูญเสียเป็นที่แคบมากแสดงบริเวณความต้านทานเชิงลบซึ่งสามารถใช้เป็นเครื่องขยายสัญญาณออสซิลเลเตอร์และไมโครเวฟได้ เมื่อไดโอดนี้เอนเอียงไปข้างหน้าประการแรกเนื่องจากบริเวณการพร่องนั้นแคบลงทำให้อิเล็กตรอนผ่านอุโมงค์กระแสไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วโดยมีการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าเล็กน้อย เมื่อแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นอีกเนื่องจากมีอิเล็กตรอนส่วนเกินที่จุดเชื่อมต่อความกว้างของพื้นที่พร่องเริ่มเพิ่มขึ้นทำให้เกิดการอุดตันของกระแสไปข้างหน้า (ซึ่งพื้นที่ต้านทานเชิงลบก่อตัวขึ้น) เมื่อแรงดันไปข้างหน้าเพิ่มขึ้นอีก ไดโอดปกติ

PIN ไดโอด:

ในไดโอดนี้บริเวณ P และ N จะถูกคั่นด้วยสารกึ่งตัวนำภายใน เมื่อไดโอดกลับลำเอียงมันจะทำหน้าที่เป็นตัวเก็บประจุที่มีค่าคงที่ ในสภาวะอคติไปข้างหน้าจะทำหน้าที่เป็นความต้านทานตัวแปรซึ่งถูกควบคุมโดยกระแส ใช้ในงานไมโครเวฟซึ่งต้องควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง

การแสดงสัญลักษณ์คล้ายกับไดโอด PN ปกติ

การใช้งานไดโอด:

• แหล่งจ่ายไฟที่มีการควบคุม: ในทางปฏิบัติเป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงแหล่งที่มาประเภทเดียวที่ใช้ได้คือแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ เนื่องจากไดโอดเป็นอุปกรณ์ทิศทางเดียวจึงสามารถใช้ในการแปลงแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับเป็นกระแสตรงแบบพัลซิ่งและด้วยส่วนการกรองเพิ่มเติม (โดยใช้ตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำ) จึงสามารถรับแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงโดยประมาณได้

• วงจรจูนเนอร์:ในระบบสื่อสารที่ปลายเครื่องรับเนื่องจากเสาอากาศได้รับความถี่วิทยุทั้งหมดที่มีอยู่ในอวกาศจึงจำเป็นต้องเลือกความถี่ที่ต้องการ ดังนั้นจึงใช้วงจรจูนเนอร์ซึ่งไม่มีอะไรนอกจากวงจรที่มีตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำตัวแปร ในกรณีนี้สามารถใช้ไดโอด varactor

• โทรทัศน์สัญญาณไฟจราจรบอร์ดแสดงผล:ในการแสดงภาพบนทีวีหรือบนจอแสดงผล LED จะใช้ LED เนื่องจาก LED ใช้พลังงานน้อยลงจึงถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางในระบบแสงสว่างเช่นหลอด LED

• ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า:เนื่องจากซีเนอร์ไดโอดมีแรงดันไฟฟ้าที่แตกตัวต่ำมากจึงสามารถใช้เป็นตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าได้เมื่อมีการเอนเอียงแบบย้อนกลับ

• ตัวตรวจจับในระบบการสื่อสาร:เครื่องตรวจจับที่รู้จักกันดีซึ่งใช้ไดโอดเป็นเครื่องตรวจจับซองจดหมายซึ่งใช้ในการตรวจจับจุดสูงสุดของสัญญาณมอดูเลต