2024/06/24 431

Tyrinėti PN jungčių taisymo savybes

Puslaidininkių technologijos plėtra vaidino pagrindinį vaidmenį plėtojant šiuolaikinę elektroniką, kuriai didelę įtaką daro pažanga ir įžvalgos apie P-N sankryžą.Šiame straipsnyje nagrinėjami P-N sankryžų veiklos principai ir pritaikymai, sugretinant juos su „Crystal Radio“ technologiniu išradingumu.Iš pradžių jis tyrinėja krištolo radiją, protingą įtaisą, veikiantį be išorinės galios, naudojant puslaidininko Galenos (švino sulfido) pobūdį.Prieš išsamesnį „P-N“ sankryžos, dominuojančio šių dienų elektroninių prietaisų elementą, tyrimas, visų pirma veikiantis kaip lygintuvo diodas.

Straipsnio pirmyn ir atvirkštinės šališkumo operacijų analizė parodo, kaip šie procesai leidžia sankryžai valdyti elektros srovės srautą elektroninėse grandinėse.Be to, jis tiria „P-N Junction“ elgesį įvairiomis sąlygomis ir įtampomis, įskaitant jo naudojimą tokiuose prietaisuose kaip „Zener“ diodai ir lygintuvai.Ši išsami apžvalga ne tik pabrėžia fizinius ir elektroninius P-N jungčių mechanizmus, bet ir pabrėžia jų dinaminį vaidmenį taisyme ir įtampos reguliavime.

Katalogas

1 paveikslas: „Cyrstal“ radijas

Tyrinėti krištolo radiją

„Crystal Radio“, ankstyvasis radijo technologijos stebuklas, naudojo natūralius puslaidininkius, tokius kaip „Galena“ (švino sulfidas), kad jis veiktų be jokio išorinio maitinimo šaltinio.„Galena“ su savo kristaline struktūra yra ankstyvas šiuolaikinių puslaidininkių pavyzdys dėl natūralaus sugebėjimo ištaisyti, ko reikia šiandien diodams.

„Galena“ puslaidininkių savybės, įskaitant maždaug 0,4 elektronų voltų (EV) energijos tarpą, yra dinamiškos jo funkcijai.Šis atotrūkis tarp valentingumo ir laidumo juostų kartu su mažomis priemaišomis padeda sujaudinti elektronus, leidžiančius jiems pereiti į laidumo juostą ir atlikti elektrą.Šis mechanizmas leido „Crystal Radio“ detektoriui paversti kintamąją srovę (AC) iš antenos į naudojamą direktinę srovę (DC).Aiškiau, jis demoduliavo amplitudės moduliuotus (AM) signalus, išgaunant garso signalus iš radijo bangų.

Krištolo radijuje antena fiksuoja radijo dažnio signalus ir nukreipia juos į derinimo ritę, kad pasirinktų norimą dažnį.Tada pasirinktas signalas atitinka Galenos detektorių.Čia įvyksta ištaisymas, paverčiant AC į modifikuotą nuolatinės srovės signalą.Tada šis signalas siunčiamas į laisvų rankų įrangą ar garsiakalbį, kur garso moduliacija tampa girdima, užpildant signalo vertimą be išorinės galios.

2 paveikslas: P-N ištaisymo sankryža

Suprasti p-n ištaisymo sankryžą

„P-N“ sankryža yra didžiausia šiuolaikinei elektronikai, visų pirma veikiančiai kaip lygintuvo diodas.Tai leidžia srovei tekėti viena kryptimi, kuri reikalinga kintamos srovės (AC) konvertavimui į tiesioginę srovę (DC).

Struktūra ir funkcija

P-N sankryžą sudaro P tipo ir N tipo puslaidininkių medžiagos.P tipo yra perteklinių skylių, o N-Type turi elektronų perteklių.Ten, kur susitinka šios medžiagos, susidaro išeikvojimo zona, sukurianti įmontuotą potencialų barjerą, kuris neleidžia laisvai krovinių nešiklių srautui tarp regionų.

Kai P pusei taikoma teigiama įtampa, palyginti su N puse (į priekį poslinkis), potencialus barjeras nusileidžia, leidžianti srovei lengvai tekėti per sankryžą.Kai taikoma neigiama įtampa (atvirkštinis poslinkis), barjeras padidėja, blokuodamas srovės srautą.Šis selektyvus laidumas leidžia diodui konvertuoti AC į DC.

P-N sankryžos diodas strategiškai įdedamas į grandinę, kad atitiktų numatytą srovės srauto kryptį.Tada grandinei taikoma kintamosios srovės įtampa.Kiekvieno kintamosios srovės ciklo metu diodas funkcionuoja, blokuodamas arba leisdamas srovei praeiti.Ši selektyvioji ištrauka, priklausanti nuo diodo orientacijos, leidžia praeiti tik pusę kintamos srovės ciklo, todėl pulsuojanti nuolatinės srovės išėjimas.Norėdami paversti šį pulsuojančią nuolatinę srovę į stabilesnę ir pastovesnę nuolatinės srovės įtampą, norint išlyginti išėjimą, naudojami komponentai, tokie kaip kondensatoriai ir įtampos reguliatoriai.

3 paveikslas: P-N sankryža su atvirkštiniu šališkumu

Analizuojant P-N sankryžą esant atvirkštiniam šališkumui

Atvirkštinis P-N sankryžos poslinkis apima neigiamo nuolatinės srovės akumuliatoriaus gnybto sujungimą su P tipo puslaidininkiu ir teigiamą gnybtą prie N tipo puslaidininkio.Ši konfigūracija sustiprina elektrinį lauką per sankryžą, stumdama daugumą nešiklių-p-tipo ir elektronų N-tipo-nuo sankryžos.Ši migracija padidina išeikvojimo zonos plotį, o laisvo krūvio nešėjų plotas, efektyviai padidindamas barjerą, trukdantį įkrovimo judėjimui.

Esant tokiai būsenai, srovės srautas per sankryžą yra minimalus ir daugiausia atsiranda dėl termiškai sugeneruotų elektronų skylių porų puslaidininkinėje medžiagoje.Kai atvirkščiai, mažumų nešiotojai, tokie kaip N tipo skylės ir p-tipo elektronai, traukiami link sankryžos, sukuriant nuoseklią, nors ir mažą, atvirkštinę sodrumo srovę (IS).Ši srovė šiek tiek padidėja, nes sukuriama daugiau įkrovos nešėjų, tačiau ji išlieka gana stabili, neatsižvelgiant į tolesnį atvirkštinės paklaidų įtampos padidėjimą, o tai paaiškina jo apibūdinimą kaip „prisotinimo“ srovę.

Taikant atvirkštinį paklaidą, padidėja potencialus barjeras sankryžoje, žymiai padidinant barjero įtampą V0 + V, kur V0 yra kontaktinis potencialas, o V yra taikoma įtampa.Šis aukštesnis barjeras drastiškai sumažina daugumos nešiklių difuzijos srovę, beveik pašalinant ją esant atvirkštiniam paklaidai maždaug vienos volto, paliekant aktyvią tik atvirkštinės prisotinimo srovę.Tai lemia didelį atsparumą jungtis, įrodanti dinamiką tokioms programoms kaip įtampos reguliavimas ir signalo moduliacija, kai didelė sankryžos varža riboja dabartinį srautą.Atvirkštinės prisotinimo srovės jautrumas temperatūros pokyčiams taip pat leidžia sankryžai veikti kaip pagrindinis jutiklis, stebint temperatūrai jautrių programų pokyčius.

4 paveikslas: P-N sankryža su priekiniu šališkumu

Apžiūrint P-N sankryžą, esant šališkumui į priekį

Į priekyje nukreiptoje P-N sankryžoje teigiamas DC akumuliatoriaus gnybtas jungiasi prie P tipo puslaidininkio, o neigiamas gnybtas jungiasi prie N tipo puslaidininkio.Ši sąranka daro p tipo pusę pozityvesnę, palyginti su N tipo puse.Esant tokioms sąlygoms, dauguma nešiklių (skylės P tipo ir N-tipo elektronai) yra nukreiptos link sankryžos.

Akumuliatoriaus sukurtas elektrinis laukas atstumia didžiąją dalį vežėjų nuo savo atitinkamų terminalų ir link sankryžos.Kai šie vežėjai juda ir suartėja sankryžoje, jie rekombinuoja.Ši rekombinacija žymiai sumažina išeikvojimo srities plotį, palengvindama stipresnį nešiklių srautą per sankryžą.

Taikoma į priekį įtampa V sumažina jungties potencialią energijos barjerą.Paprastai šis barjeras apsaugo nuo laisvojo nešiklio srauto, tačiau priekinė įtampa sumažina barjerą iki V₀-V₁ Kur V₀ yra integruotas sankryžos potencialas.Šis sumažintas barjero aukštis leidžia daugiau elektronų ir skylių difuziškai pasiskirstyti per sankryžą.

Sumažinus barjero aukščią, žymiai padidėja difuzijos srovė (I_d ) Tai yra krūvio nešėjų srautas, kurį lemia sumažintas barjeras.Šis srautas pirmiausia yra viena kryptimi, dauguma vežėjų juda link sankryžos ir per ją.Šios į priekį nukreiptos būsenos srovė yra žymiai didesnė už atvirkštinės sodrumo srovę (I_s) Stebimas atvirkštiniu šališkumu.

Ši operacijų seka užtikrina, kad P-N sankryža efektyviai paverčia akumuliatoriaus įtampą dideliu elektros srovės srautu per puslaidininkį.Tai naudinga tokiems prietaisams kaip diodai ir tranzistoriai, kur būtina kontroliuoti srovės srautą.Į priekį nukreiptas „P-N Junction“ sugebėjimas palaikyti didelę difuzijos srovę daro ją nesaugiu komponentu įvairiuose elektroniniuose pritaikymuose, pradedant taisyti ir baigiant signalo amplifikacija.

5 paveikslas: Sankryžos suskirstymas

Suskaidymo reiškiniai P-N sankryžose

Sankryžos skilimas P-N sankryžoje įvyksta, kai per sankryžą taikoma atvirkštinė įtampa viršija specifinę slenkstį, žinomą kaip skilimo įtampa (V_Br) arba zenerio įtampa (V_z).Šis reiškinys lemia dramatišką atvirkštinės srovės padidėjimą, nepadidėjus reikšmingam įtampai.Įrenginiai, tokie kaip „Zener Diodes“, išnaudoja šią savybę įtampos reguliavimui, renginio valdymą be žalos.

Atvirkštinoje P-N sankryžoje maža srovė, vadinama atvirkštinės sodrumo srove (I_s) Srautai dėl termiškai sugeneruotų laikiklių.Didėjant atvirkštinei įtampai, potencialus barjeras padidėja sankryžoje, slopindamas difuzijos srovę (I_d), kol jis veiksmingai taps nulis.Tai tik palieka (I_s) išlaikyti dabartinį srautą.

Padidėja atvirkštinės įtampos ir išeikvojimo srities padidėjimas

Didėjant atvirkštinei įtampai, išeikvojimo sritis plečiasi.Kai įtampa sankryžoje pasiekiaV_BrarbaV_z, elektrinis laukas išeikvojimo srityje tampa pakankamai intensyvus, kad būtų pradėtas sankryžos gedimas.Šis suskirstymas įvyksta per „Zener“ arba „Avalanche“ efektą, todėl žymiai padidėja srovė.

„Zener“ efektas: „Zener“ efektas dominuoja esant mažesnei skilimo įtampai, paprastai mažesnei kaip 5 V silicio.Tai apima kokybės mechaninį elektronų tunelį visoje išeikvojimo srityje.Intensyvus elektrinis laukas išeikvojimo sluoksnyje yra pakankamai stiprus, kad pašalintų elektronus iš jų atominių jungčių, sukuriant elektronų skylių poras.Tada šie nešikliai per sankryžą apjuosia lauką, iš esmės padidindami atvirkštinę srovę.

Lavinos efektas: Esant didesnei įtampai, paprastai virš 7 V, vyrauja lavinos efektas.Mažumų nešiotojai (elektronai P tipo srityje ir skylės N tipo srityje) iš elektrinio lauko išauga kinetinę energiją, kai jie kerta išeikvojimo sritį.Jei šie nešiotojai įgyja pakankamai energijos, jie gali susidurti su gardelės atomais, išlaisvindami papildomas elektronų skylių poras.Ši antrinės kartos nešikliai gali sukelti tolesnius susidūrimus, sukurdama grandininę reakciją - laviną - taigi didinti atvirkštinę srovę.

Junction gebėjimas išlaikyti skilimą be žalos priklauso nuo efektyvaus šiluminio valdymo ir jo fizinės bei elektroninės struktūros patikimumo.Konkretus skilimo mechanizmas - ar zeneris ar lavina - priklauso nuo puslaidininkio medžiagų savybių, tokių kaip juostos tarpas ir dopingo lygis, ir išorinės sąlygos, tokios kaip temperatūra.

Paaiškinto taisymo procesas

Ištaisymo procesas P-N sankryžoje priklauso nuo jo netiesinio ar ne ohminio elgesio.Tai akivaizdu esant voltavos charakterinei kreivėje, kuri rodo sankryžos asimetrinį atsaką į įtampą: Atliekant įtampos poliškumą, tos pačios srovės nesukelia priešinga kryptimi.Ši asimetrija reikalinga prietaisams ištaisyti.

Suprasti elgesį

Kai sinusoidinė įvesties įtampa su amplitudeV₀ taikomas P-N sankryžai, sankryžos atsakas parodytas charakteristikoje.Išėjimo srovė svyruoja tarp I₁(per šališkumą į priekį) ir-I₂ (Atvirkštinio šališkumo metu).Svarbiausia yra taI₁ (į priekį srovė) yra daug didesnė nei-I₂ (atvirkštinė srovė).Šis srovės dydžio skirtumas tarp priekinio ir atvirkštinio paklaidų leidžia ištaisyti.

Pirmyn ir atvirkštinis šališkumo efektas

Esant šališkumui, P-N sankryža leidžia didelę srovę (I_d) srauti, nes priekinė įtampa sumažina potencialų barjerą.Šis redukcija leidžia daugumai nešiotojų (elektronų ir skylių) laisvai judėti per sankryžą, sukuriant didelę srovę.Atvirkštiniame šališkume padidėja potencialus kliūtis, smarkiai ribojant nešiklių srautą, taigi ir srovę.Srovė per atvirkštinį šališkumą (I_s) yra minimalus, palyginti su priekinės paklaidos srove.

AC konvertavimas į DC

Šis elgesys - didelę srovę vienoje kryptimi, tuo pačiu apribodamas ją kitoje - efektyviai paverčia kintamos srovės (AC) įvestį į direktinės srovės (DC) išėjimą.Ištaisymo procesas priklauso nuo P-N sankryžos asimetrinio laidumo, reaguojant į kintamą įtampą.Tai daro jį reikšmingu maitinimo šaltinių ir signalo moduliavimo programų komponentu, kai būtina vienkrypčių srovės srautų srautas.

P-N ištaisymo jungties technologijos vaidmuo lygintuvuose

P-N sankryža, reikalinga diodams, leidžia srovei tekėti daugiausia viena kryptimi dėl unikalių laidumo savybių esant skirtingoms elektrinėms paklaidoms.

Atvirkštiniu šališkumu prijunkite neigiamą akumuliatoriaus gnybtą prie P tipo pusės ir teigiamą terminalą prie N tipo pusės.Ši sąranka padidina sankryžos integruotą potencialą, padidindama išeikvojimo zoną ir labai sumažindamas difuzijos srovę.Tačiau dreifo srovė išlieka nepaveikta, todėl susidaro maža, beveik pastovi atvirkštinės sodrumo srovė (I_d).Išplėstinė išeikvojimo zona esant atvirkštiniam šališkumui veikia kaip kliūtis, ribojanti krūvio nešėjų srautą ir leidžiant praeiti minimalią srovę.

Į priekiniu šališkumu prijunkite teigiamą akumuliatoriaus gnybtą prie P tipo pusės ir neigiamo terminalo prie N tipo pusės.Ši sąranka sumažina galimą barjerą sankryžoje, susiaurindama išeikvojimo zoną.Sumažintas barjero aukštis leidžia daugiau daugumos nešėjų (elektronų N tipo ir skylių p-tipo) peržengti sankryžą, žymiai padidindami difuzijos srovę (I_d).Šioje konfigūracijoje mažumų vežėjų dreifo srovė išlieka nepaveikta.Išeikvojimo zonos susiaurėjimas esant priekiniam šališkumui padidina jungties laidumą, leidžiančią didelę difuzijos srovę, kuri yra pirminė srovė šiuo režimu.

Kai P-N sankryža gali ištverti ekstremalias sąlygas, paprastai kyla didelis atvirkštinis poslinkis, paprastai kelis šimtus voltų.Esant tokiai įtampai, intensyvus elektrinis laukas visoje išeikvojimo zonoje gali sugeneruoti daugybę elektronų skylių porų, dėl kurių gali staiga padidinti srovės ir sukelti sankryžos suskaidymą.Šios būsenos paprastai vengiama standartiniuose puslaidininkių dioduose dėl nuolatinio žalos rizikos.Tačiau „Zener“ diodai yra skirti patikimai veikti šiame skilimo regione tokioms programoms kaip įtampos reguliavimas.

P-N sankryžos atsparumas kinta priklausomai nuo taikomos įtampos dydžio ir poliškumo.Šis kitimas leidžia preferencinį srovę srautu nukreipta į priekį, tuo pačiu blokuojant jį atvirkščiai.Šis kryptinio srovės srautas pagrindžia sankryžos kaip lygintuvo vaidmenį įvairiose elektroninėse grandinėse, pradedant maitinimo šaltiniais ir baigiant signalo apdorojimo sistemomis.

P-N sankryžos diodų taikymas kaip lygintuvai

Prigimtinis „P-N Junction Diode“ gebėjimas leisti srovei tekėti viena kryptimi, todėl jis yra efektyvus lygintuvas, paverčiant kintamąją srovę (AC) į tiesioginę srovę (DC).Paprasčiausia tokio prietaiso forma yra pusiau bangos lygintuvas.

6 paveikslas: Pusiau bangos taisymo procesas

Pusiau bangos lygintuvo grandinėje diodas funkcionuoja teigiamo ir neigiamo kintamosios srovės signalo ir neigiamo pusinio ciklo metu.Ši sąranka paprastai apima transformatorių su antrine ritė, sukeliančia elektromotyvinę jėgą (EMF) per abipusę indukciją su pirmine ritė.Sukeltų EMF pokyčių poliškumas kintamos srovės cikle.

7 paveikslas: teigiamas pusės ciklas

Viršutinis antrinės ritės galas tampa teigiamai įkrautas, palyginti su apatiniu galu, kuris į priekį nukreipia P-N jungties diodą.Šis šališkumas leidžia srovei tekėti per atsparumą apkrovai (RL).Kai srovė teka, per RL stebima įtampa, atitinkanti teigiamą kintamos srovės įvesties pusę ciklo.

8 paveikslas: neigiamas pusės ciklas

Kai sukeltų EMF poliškumas pasikeičia, viršutinė galas tampa neigiamas, o apatinis galas teigiamas.Šie atvirkštiniai poslinkiai diodas, efektyviai blokuodamas srovės srautą per jį.Dėl šios priežasties per šį pusę ciklo perkrovos atsparumą apkrovai negaunama jokia išvestis.

Pusiau bangos lygintuvo charakteristikos ir išėjimas

Pusės bangos lygintuvas konvertuoja tik teigiamus kintamos srovės įvesties pusę ciklų į pulsuojančią nuolatinės srovės išėjimą.Šioje išėjime yra kintamosios srovės komponentų ir iš esmės yra nepertraukiamas su mažesniu efektyvumu, palyginti su visos bangos lygintuvais.Pulsuojantį išėjimo pobūdį galima kiekybiškai įvertinti apskaičiuojant vidutinę apkrovos srovę.Padauginus šią srovę iš atsparumo apkrovai (RLR_LRL), vidutinė išėjimo nuolatinės srovės įtampa suteikia vidutinę išvesties nuolatinę įtampą.

Pagrindiniai pusiau bangos lygintuvo trūkumai yra jo neveiksmingumas ir nepertraukiamas išėjimo pobūdis.Norint pasiekti pastovų nuolatinės srovės tiekimą, gali prireikti papildomo filtravimo ar išlyginimo.Lygintuvo našumui ir efektyvumui įtakos turi diodo charakteristikos, tokios kaip jo priekinės įtampos kritimas ir atvirkštinė nuotėkio srovė.Be to, transformatoriaus dizainas ir atsparumo apkrovai pasirinkimas yra reikšmingas optimizuojant bendrą lygintuvo funkcionalumą.

Išvada

Šio straipsnio „P-N Junction“ tyrimas pabrėžia ir plačią jo naudojimo asortimentą šiuolaikinėje elektronikoje, ir pagrindinį vaidmenį kuriant puslaidininkių technologijas.Nuo pagrindinio kristalinio radijo veikimo iki sudėtingesnių jungčių skilimo ir ištaisymo mechanizmų, P-N sankryža iškyla kaip pagrindinis komponentas užtikrinant kryptinio srovės srauto ir stabilios įtampos išėjimus elektroninėse grandinėse.Išsamus tiek į priekį, tiek atvirkštinio šališkumo operacijų tyrimas parodo sankryžos universalumą prisitaikant prie skirtingų elektrinių įtempių ir aplinkos sąlygų.Praktiniai P-N sankryžos pritaikymas, parodytas lygintuvuose ir įtampos reguliatoriuose, pabrėžia jo rimtą funkciją didinant elektroninių prietaisų efektyvumą ir patikimumą.Galų gale ši išsami analizė ne tik paaiškina P-N sankryžų veiklos principus, bet ir parodo savo pagrindinį vaidmenį tobulinant technologijas nuo paprastų radijo imtuvų iki sudėtingų integruotų grandinių, žymintį reikšmingą epochą elektronikos srityje.

Dažnai užduodami klausimai [DUK]

1. Kaip PN sankryža naudojama kaip lygintuvas?

PN sankryža susidaro, kai sujungiamos P tipo ir N tipo puslaidininkių medžiagos.Ši sankryža natūraliai sukuria išeikvojimo sritį, kuri veikia kaip barjeras, leidžiantis srovei lengviau tekėti viena kryptimi nei kita.Kai kintamosios srovės įtampa taikoma PN sankryžai, teigiamo pusės ciklo metu, sankryža leidžia srovei praeiti (į priekį nukreipta), o neigiamo pusinio ciklo metu ji blokuoja srovę (atvirkščiai).Dėl šio selektyvaus laidumo išėjimas daugiausia yra viena kryptimi, efektyviai konvertuojant kintamąją į DC.

2. Koks yra lygintuvo PN jungties bendras tikslas?

Pagrindinis lygintuvo PN jungties tikslas yra pagaminti pastovų nuolatinės srovės išėjimą iš kintamos srovės įvesties.To reikalinga elektroninėse grandinėse, kurioms stabiliai veikiant reikia DC.Lygintuvai turi didžiausią elektros energijos tiekimo įrenginius visų rūšių elektroniniams ir elektros prietaisams, pradedant mažomis programėlėmis ir baigiant didelėmis pramoninėmis mašinomis.

3. Koks yra „PN Junction Diode“ ištaisymas?

PN sankryžos diodas yra specialiai sukurtas panaudoti PN sankryžos ištaisymo elgseną.Jis plačiai naudojamas grandinėse kaip lygintuvas, norint atlikti šią pagrindinę kintamos srovės funkciją DC konversijai.Praktiškai šie diodai yra įkrovikliams, skirtuose baterijoms, maitinimo adapteriams ir sistemoms, kurioms reikalingas patikimas nuolatinės srovės tiekimas iš kintamos srovės šaltinio, pavyzdžiui, telekomunikacijų įrangos ir automobilių elektrinių sistemų.

4. Kam naudojama PN sankryža?

Be ištaisymo, PN jungtys naudojamos įvairiose kitose programose, tokiose kaip signalo moduliacija, įtampos reguliavimas ir šviesos diodai (šviesos diodai) apšvietimui ir ekranams.Tačiau jų reikšmingiausias ir plačiausias naudojimas išlieka ištaisyti, kai jie yra naudingi komponentai, paverčiami AC į naudojamą nuolatinės srovės galią.

5. Kaip diodas veikia kaip lygintuvas?

Diodas, kurį sudaro PN sankryža, veikia kaip lygintuvas, leisdamas elektros srovei lengviau tekėti viena kryptimi nei atvirkštine kryptimi.Dėl būdingų PN sankryžos savybių, visų pirma vienpusio srauto ypatybės, diodai yra idealūs neigiamos kintamosios srovės signalų dalies blokavimui, taip leidžiant praeiti tik teigiamą dalį.Šis selektyvus srovės rezultatas, kai išėjimas yra vienkryptis elektronų ar DC srautas.