A PN csomópontok kijavító tulajdonságainak feltárása
A félvezető technológia fejlesztése kulcsszerepet játszott a modern elektronika fejlődésében, amelyet nagymértékben befolyásolnak a P-N csomópont fejlődése és betekintése.Ez a cikk feltárja a P-N csomópontok operatív alapelveit és alkalmazásait, a Crystal Radio technológiai találékonyságával egymáshoz viszonyítva.Kezdetben feltárja a Crystal Radio -t, egy okos eszközt, amely külső erő nélkül működik, a Galena félvezető jellegének felhasználásával (ólom -szulfid).Ez megelőzi a P-N csomópont részletesebb vizsgálatát, amely a mai elektronikus eszközök domináns eleme, elsősorban egyenirányító diódaként működik.
A cikkben lévő előre és fordított torzítás -műveletek elemzése azt mutatja, hogy ezek a folyamatok hogyan teszik lehetővé a csomópontot az elektromos áramkörök elektromos áramlása kezelésére.Ezenkívül feltárja a P-N csomópont viselkedését különböző körülmények között és feszültségekben, ideértve annak olyan eszközökben történő felhasználását, mint a Zener-diódák és az egyenirányítók.Ez az alapos áttekintés nemcsak kiemeli a P-N csomópontok fizikai és elektronikus mechanizmusait, hanem hangsúlyozza azok dinamikus szerepét a kijavításban és a feszültségszabályozásban is.
Katalógus
1. ábra: Cyrstal rádió
A kristály rádió feltárása
A Crystal Radio, a rádiótechnika korai csodája olyan természetes félvezetőket használt, mint a Galena (ólom -szulfid), hogy bármilyen külső áramforrás nélkül működjön.A Galena, kristályos szerkezetével, a modern félvezetők korai példája, mivel természetes javításra képes, amelyre manapság szükség van a diódákra.
A Galena félvezető tulajdonságai, beleértve a körülbelül 0,4 elektron volt (EV) energiarést, dinamikusak a funkcióhoz.Ez a rés a valencia és a vezetőképes sávok között, kis szennyeződésekkel kombinálva, segít az elektronok izgatásában, lehetővé téve számukra, hogy beköltözzenek a vezetőképes sávba és villamos energiát viseljenek.Ez a mechanizmus lehetővé tette a Crystal Radio Detektor számára, hogy váltakozó áramot (AC) konvertáljon az antennáról felhasználható egyenáramra (DC).Kiemelkedőbb, hogy demodulálta az amplitúdó-modulált (AM) jeleket, és audio jeleket kinyerve a rádióhullámokból.
Egy kristály rádióban az antenna rögzíti a rádiófrekvenciás jeleket, és egy hangoló tekercsre irányítja őket a kívánt frekvencia kiválasztásához.A kiválasztott jel ezután megfelel a Galena detektornak.Itt a helyesbítés történik, és átalakítva az AC -t modulált DC jelgé.Ezt a jelet ezután egy fülhallgatóba vagy hangszóróra küldik, ahol az audio moduláció hallhatóvá válik, és a jel fordítását külső energia nélkül tölti be.
2. ábra: P-N javító csomópont
A P-N javító csomópont megértése
A P-N csomópont végső a modern elektronikához, elsősorban egyenirányító diódaként működik.Ez lehetővé teszi az áramnak, hogy egy irányba folyjon, ami szükséges ahhoz, hogy a váltakozó áramot (AC) az áram áramlássá (DC) konvertáljon.
Felépítés és funkció
A P-N csomópont p-típusú és N-típusú félvezető anyagokból áll.A P-típusú lyukak vannak, míg az N-típusú elektronok feleslege.Ahol ezek az anyagok megfelelnek, a kimerülési zóna kialakul, és létrehoz egy beépített potenciális gátot, amely megakadályozza a töltőhordozók szabad áramlását a régiók között.
Ha pozitív feszültséget alkalmaznak a P-oldalra az N-oldalhoz viszonyítva (előre torzítás), akkor a potenciális gát csökken, lehetővé téve az áramnak, hogy könnyen áramolhasson a csomóponton.Ha negatív feszültséget alkalmaznak (fordított torzítás), akkor a gát megemelkedik, blokkolva az áram áramlását.Ez a szelektív vezetőképesség lehetővé teszi a dióda számára, hogy az AC -t DC -ként konvertálja.
A P-N csomópont-dióda stratégiailag az áramkörbe helyezkedik el, hogy igazodjon az aktuális áramlás tervezett irányához.Ezután egy AC feszültséget alkalmazunk az áramkörre.Minden AC ciklus során a dióda a blokkolás vagy az áram áthaladásának lehetővé tételével működik.Ez a szelektív áthaladás, a dióda orientációjától függően, lehetővé teszi az AC ciklusnak csak a felének áthaladását, ami pulzáló DC kimenetet eredményez.Annak érdekében, hogy ezt a pulzáló DC -t stabilabb és következetesebb DC feszültséggé alakítsák, az olyan alkatrészeket, mint a kondenzátorok és a feszültségszabályozók, a kimenet simításához.
3. ábra: P-N csomópont fordított torzítással
A P-N csomópont elemzése fordított torzítás alatt
Fordított torzítás A P-N csomópont magában foglalja az egyenáramú akkumulátor negatív termináljának csatlakoztatását a P-típusú félvezetővel és a pozitív terminálhoz az N-típusú félvezetőhöz.Ez a konfiguráció javítja az elektromos mezőt a csomóponton, és a hordozók többségét-a lyukakat a p-típusban és az N-típusú elektronok-a csomóponttól nyomja.Ez a migráció növeli a kimerülési zóna szélességét, amely a szabad töltéshordozóktól mentes terület, amely hatékonyan kiszélesíti a töltőhordozó mozgását akadályozó akadályt.
Ebben az állapotban az áram áramlása a csomóponton keresztül minimális, és elsősorban a félvezető anyagban termelt elektron-lyuk párokból származik.Fordított torzítás esetén a kisebbségi hordozók, például az N-típusú lyukak és a p-típusú elektronok, a csomópont felé húzódnak, így egy következetes, bár kicsi, fordított telítettségi áramot (IS) hoznak létre.Ez az áram kissé növekszik a hőmérsékleten, mivel egyre több töltőhordozó jön létre, mégis viszonylag stabil marad, függetlenül a fordított torzítás feszültségének további növekedésétől, ami magyarázza annak "telítettségének" -ként való jellemzését.
A fordított torzítás alkalmazásával a csomópont potenciális gátja megnövekszik, jelentősen javítva a gát feszültségét a V0 + V -re, ahol a V0 az érintkezési potenciál, és V az alkalmazott feszültség.Ez a magasabb gát drasztikusan csökkenti a többségi hordozók diffúziós áramát, majdnem kiküszöböli azt egy kb. Volt fordított torzulással, csak a fordított telítettségi áram aktív maradt.Ennek eredményeként nagy a csomópont -ellenállás, amely dinamikusnak bizonyul az olyan alkalmazásoknál, mint a feszültségszabályozás és a jelmoduláció, ahol a csomópont nagy impedanciája korlátozza az áram áramlását.A fordított telítettségi áram érzékenysége a hőmérséklet-variációkhoz is lehetővé teszi a csomópont számára, hogy alapvető érzékelőként működjön, megfigyelje a hőmérséklet-érzékeny alkalmazások változásait.
4. ábra: P-N csomópont előre torzítással
A P-N csomópont megvizsgálása előre torzítás alatt
Egy előzetes elfogult P-N csomópontban az DC akkumulátor pozitív terminálja csatlakozik a P-típusú félvezetőhez, és a negatív terminál csatlakozik az N-típusú félvezetőhöz.Ez a beállítás a p-típusú oldalt pozitívabbá teszi az N-típusú oldalhoz képest.Ilyen körülmények között a hordozók többségét (a P-típusú és az N-típusú elektronok lyukai) a csomópont felé hajtják.
Az akkumulátor által létrehozott elektromos mező a hordozók többségét távolítja el a megfelelő termináloktól és a csomópont felé.Amint ezek a hordozók mozognak és konvergálnak a csomóponton, rekombinálnak.Ez a rekombináció jelentősen csökkenti a kimerülési régió szélességét, megkönnyítve a hordozók erősebb áramlását a csomóponton.
Az alkalmazott előremenő feszültség V csökkenti a csomópont potenciális energiabátját.Ez a gát általában megakadályozza a szabad hordozó áramlását, de az előremeneti feszültség csökkenti a gátot V0-V1 ahol V0 a csomópont beépített potenciálja.Ez az alacsonyabb gátmagasság lehetővé teszi, hogy több elektron és lyuk diffundáljon a csomóponton.
A gátmagasság csökkentése a diffúziós áram jelentős növekedését eredményezi (énD ), amely a csökkentett akadály által vezérelt töltéshordozók áramlása.Ez az áramlás elsősorban egy irányba halad, a fuvarozók többsége a kereszteződés felé és átmenő.Az előrelépett állapotban az áram szignifikánsan magasabb, mint a fordított telítettségi áram (énS) Fordított torzítás alatt megfigyelték.
Ez a műveleti sorozat biztosítja, hogy a P-N csomópont hatékonyan átalakítsa az akkumulátor feszültségét a félvezetőn keresztül nagy elektromos áram áramlássá.Ez olyan eszközöknél hasznos, mint a diódák és a tranzisztorok, ahol a szabályozott áramáram kötelező.Az előzetes elfogult P-N csomópont magas diffúziós áram támogatására képessé teszi a különféle elektronikus alkalmazások nem biztonságos összetevőjét, a rektifikációtól a jel amplifikációig.
5. ábra: A csomópont bontása
Bontási jelenségek P-N csomópontokban
A csomópont bontása egy P-N csomópontban akkor fordul elő, amikor a csomóponton át alkalmazott fordított feszültség meghaladja a bontási feszültségnek nevezett specifikus küszöböt (VBR) vagy Zener feszültség (Vz).Ez a jelenség a fordított áram drámai növekedését eredményezi, anélkül, hogy a feszültség jelentős növekedése lenne.Az olyan eszközök, mint a Zener -diódák, kihasználják ezt a feszültségszabályozásra vonatkozó tulajdonságot, és az eseményt sérülés nélkül kezelik.
Egy fordított elfogult P-N csomópontban egy kis áram, amelyet fordított telítettségi áramnak neveznek (énS) A termikusan előállított hordozók miatt áramlások.Ahogy a fordított feszültség növekszik, a csomópont potenciális gátja emelkedik, elnyomva a diffúziós áramot (énD) Amíg a ténylegesen nullá nem válik.Ez csak (énS) Az aktuális áramlás fenntartása.
A fordított feszültség és a kimerülési régió növekvő növekedése
Ahogy a fordított feszültség tovább növekszik, a kimerülési régió bővül.Amikor eléri a csomópont feszültségétVBRvagyVz, a kimerülési régióban lévő elektromos mező elég intenzívé válik a csomópont bontásának megindításához.Ez a bontás a Zener vagy a lavinahatás révén fordul elő, ami az áram jelentős növekedését eredményezi.
Zener effektus: A Zener -hatás alacsonyabb bontási feszültségnél domináns, általában 5 V alatt szilíciumban.Ez magában foglalja az elektronok kvantummechanikus alagútját a kimerülési régióban.A kimerülési rétegben lévő intenzív elektromos mező elég erős ahhoz, hogy az elektronokat levágja az atomkötésükből, elektron-lyuk párokat hozva létre.Ezeket a hordozókat ezután a terepen áthúzzák a kereszteződésen, ami lényegesen növeli a fordított áramot.
Avalanche effektus: Magasabb feszültségnél, általában 7 V felett, az a lavinahatás dominál.A kisebbségi hordozók (az elektronok a p-típusú régióban és az N-típusú régió lyukai) kinetikus energiát nyernek az elektromos mezőből, amikor átlépik a kimerülési régiót.Ha ezek a hordozók elegendő energiát szereznek, akkor ütközhetnek a rácsos atomokkal, és további elektron-lyuk párokat engednek el.A fuvarozók ezen másodlagos generációja további ütközésekhez vezethet, és láncreakciót hozhat létre - lavinát -, így a fordított áram nagyítását.
A kereszteződés azon képessége, hogy károsodás nélkül fenntartsa a bontást, a hatékony hőkezeléstől és annak fizikai és elektronikus szerkezetének robusztusságától függ.A specifikus bontási mechanizmus - akár a Zener, akár a lavina - a félvezető anyag tulajdonságaitól függ, mint például a sávrés és a doppingszintek, valamint a külső körülmények, például a hőmérséklet.
A helyesbítés folyamatát magyarázzák
A P-N csomópontban a rektifikációs folyamat nemlineáris vagy nem ohmikus viselkedésére támaszkodik.Ez nyilvánvaló a feszültségű karakterisztikus görbén, amely megmutatja a csomópont aszimmetrikus válaszát a feszültségre: A feszültség polaritásának megfordítása nem eredményezi ugyanazt az áramot az ellenkező irányban.Erre az aszimmetria szükséges az eszközök kijavításához.
A viselkedés megértése
Amikor egy szinuszos bemeneti feszültség amplitúdóvalV0 egy P-N csomópontra alkalmazzák, a csomópont válaszát a jellegzetes görbén mutatjuk be.A kimeneti áram oszcillál én1(előremeneti elfogultság alatt) és-én2 (fordított torzítás alatt).A legfontosabb pont azén1 (előremeneti áram) sokkal nagyobb, mint a-én2 (fordított áram).Ez a különbség az előre és a fordított torzítások közötti jelenlegi nagyságrendben lehetővé teszi a javítást.
Előre és fordított torzítások
Az előre torzítás alatt a P-N csomópont nagy áramot tesz lehetővé (énD) áramlás, mert az előremenő feszültség csökkenti a potenciális akadályt.Ez a csökkentés lehetővé teszi, hogy a többségi hordozók (elektronok és lyukak) szabadon mozogjanak a csomóponton, jelentős áramot generálva.Fordított torzítás esetén a potenciális gát növekszik, súlyosan korlátozva a hordozók áramlását és ezáltal az áramot.Az áram fordított torzítás során (énS) minimális az előzetes torzítási áramhoz képest.
AC átalakítása DC -re
Ez a viselkedés - amely jelentős áramot biztosít egy irányban, miközben korlátozza azt a másikban - hatékonyan konvertálja a váltakozó áram (AC) bemenetet közvetlen áram (DC) kimenetre.A helyesbítési folyamat a P-N csomópont aszimmetrikus vezetőképességétől függ a váltakozó feszültségre adott válaszként.Ez teszi jelentős alkatrészt a tápegységek és a jelmodulációs alkalmazásokban, ahol az egyirányú áram áramlása kötelező.
A P-N javító csomópont-technológia szerepe az egyenirányítókban
A diódákhoz szükséges P-N csomópont lehetővé teszi, hogy az áram elsősorban egy irányba folyjon, mivel egyedi vezetési tulajdonságai különböző elektromos torzítások mellett.
Fordított torzításban csatlakoztassa az akkumulátor negatív terminálját a p-típusú oldalhoz és a pozitív terminálot az N-típusú oldalhoz.Ez a beállítás növeli a csomópont beépített potenciálját, kiszélesítve a kimerülési zónát és jelentősen csökkenti a diffúziós áramot.A sodródási áramot azonban nem érinti, így kicsi, szinte állandó fordított telítettségi áramot eredményez (énD).A kibővített kimerülési zóna fordított torzítás alatt akadályként működik, korlátozva a töltőhordozók áramlását és lehetővé téve a minimális áram átadását.
Előre torzításban csatlakoztassa az akkumulátor pozitív terminálját a p-típusú oldalhoz és a negatív terminálhoz az N-típusú oldalhoz.Ez a beállítás csökkenti a potenciális akadályt a kereszteződésnél, szűkítve a kimerülési zónát.A csökkentett gátmagasság lehetővé teszi, hogy több többségi hordozó (az N-típusú elektronok és a p-típusú lyukak) átlépje a csomópontot, jelentősen növelve a diffúziós áramot (énD).Ebben a konfigurációban a kisebbségi fuvarozók sodródási áramát nagymértékben nem érinti.A kimerülési zóna szűkítése az előzetes torzítás alatt javítja a csomópont vezetőképességét, lehetővé téve a diffúziós áram jelentős áramlását, amely ebben az üzemmódban az elsődleges áram.
Ha nagy fordított torzításnak vannak kitéve, általában több száz voltos, a P-N csomópont szélsőséges körülményeket viselhet.Ilyen feszültség esetén az intenzív elektromos mező a kimerülési zónán keresztül jelentős számú elektron-lyuk-párot eredményezhet, ami potenciálisan az áram és a csomópontok bontásának hirtelen növekedéséhez vezethet.Ezt az állapotot általában elkerülik a standard félvezető diódákban az állandó károsodás kockázata miatt.A Zener diódákat azonban úgy tervezték, hogy megbízhatóan működjenek ebben a bontási régióban olyan alkalmazásokhoz, mint a feszültségszabályozás.
A P-N csomópont ellenállása az alkalmazott feszültség nagyságrendjétől és polaritásától függ.Ez a variáció lehetővé teszi a preferenciális áram áramlását az előremeneti irányban, miközben hátra blokkolja.Ez az irányú áramlási áramlás alátámasztja a csomópont egyenirányító szerepét a különféle elektronikus áramkörökben, a tápegységektől a jelfeldolgozó rendszerekig.
A P-N csomópont-diódák alkalmazásának alkalmazása egyenirányítóként
A P-N Junction Dióda belső képessége, hogy lehetővé tegye az áram egy irányba történő áramlását, ez hatékony egyenirányítóvá teszi, és váltakozó áram (AC) egyenáramgá (DC) konvertálja.Egy ilyen eszköz legegyszerűbb formája a félhullámú egyenirányító.
6. ábra: Félhullámú helyesbítési folyamat
A félhullámú egyenirányító áramkörben a dióda az AC bemeneti jel pozitív és negatív félciklusok során működik.Ez a beállítás általában tartalmaz egy transzformátort, amelynek szekunder tekercse van, amely elektromotív erőt (EMF) indukál az elsődleges tekercskel való kölcsönös indukció révén.Az indukált EMF polaritása az AC ciklusban megváltozik.
7. ábra: Pozitív félciklus
A másodlagos tekercs felső vége pozitív töltésűvé válik az alsó véghez viszonyítva, ami előremozgatja a P-N kereszteződési diódát.Ez az elfogultság lehetővé teszi az áram áramlását a terhelési ellenálláson (RL).Az áram áramlásakor az RL-n keresztül feszültség figyelhető meg, amely megfelel az AC bemenet pozitív félciklusának.
8. ábra: Negatív félciklus
Amikor az indukált EMF polaritása megfordul, a felső vég negatívvá válik, és az alsó vég pozitív.Ezek a fordított torzítások a diódát, hatékonyan blokkolva az áram áramlását rajta.Ennek eredményeként ezen a félciklus során a terhelési ellenálláson keresztül nem kerül kimenet.
A félhullámú egyenirányító jellemzői és kimenete
A félhullámú egyenirányító csak az AC bemenet pozitív fél ciklusát pulzáló DC kimenetré alakítja.Ez a kimenet AC komponenseket tartalmaz, és eredendően szakaszos, alacsonyabb hatékonysággal, mint a teljes hullámú egyenirányítók.A kimenet pulzáló jellege az átlagos terhelési áram kiszámításával számszerűsíthető.Ha ezt az áramot szorozzuk meg a terhelési ellenállással (RLR_LRL), az átlagos kimeneti DC feszültséget adják.
A félhullámú egyenirányító fő hátrányai a hatékonyság és a kimenet folyamatos jellege.További szűrésre vagy simításra lehet szükség a folyamatos egyenáramú ellátás eléréséhez.Az egyenirányító teljesítményét és hatékonyságát befolyásolja a dióda jellemzői, például az előremenő feszültségcsökkenés és a fordított szivárgási áram.Ezenkívül a transzformátor kialakítása és a terhelési ellenállás megválasztása jelentős az egyenirányító általános funkcionalitásának optimalizálásában.
Következtetés
Ez a cikk a P-N csomópont vizsgálata kiemeli mind a kortárs elektronikában való széles körű felhasználási tartományát, mind pedig a félvezető technológia fejlesztésében játszott kulcsszerepet.A kristály rádió alapvető működésétől a csomópont bontásának és rektifikációjának kifinomult mechanizmusaiig a P-N csomópont a végső alkatrészként jelenik meg az irányított áramáram és a stabil feszültség kimenetek biztosításában az elektronikus áramkörökben.Mind az előre, mind a fordított torzítási műveletek részletes vizsgálata szemlélteti a csomópont sokoldalúságát a különböző elektromos feszültségekhez és a környezeti feltételekhez való alkalmazkodás során.A P-N csomópont gyakorlati alkalmazásai, amint azt az egyenirányítók és a feszültségszabályozók mutatják, hangsúlyozzák annak komoly funkcióját az elektronikus eszközök hatékonyságának és megbízhatóságának javításában.Végül, ez a mélyreható elemzés nemcsak a P-N csomópontok operatív alapelveit tisztázza, hanem bemutatja a kulcsszerepet a technológia előmozdításában az egyszerű rádióktól az összetett integrált áramkörökig, jelezve egy jelentős korszakot az elektronika területén.
Gyakran feltett kérdések [GYIK]
1. Hogyan használják a PN csomópontot egyenirányítóként?
A PN csomópont formálódik, amikor a P-típusú és N-típusú félvezető anyagokat összekapcsolják.Ez a csomópont természetesen olyan kimerülési régiót hoz létre, amely akadályként működik, lehetővé téve az áramnak, hogy az egyik irányba könnyebben folyjon, mint a másik.Ha AC feszültséget alkalmaznak egy PN-csomópontra, a pozitív félciklus során, a csomópont lehetővé teszi az áram átadását (előre-elfogultságú), és a negatív félciklus alatt blokkolja az áramot (fordított elfogult).Ez a szelektív vezetőképesség azt eredményezi, hogy a kimenet túlnyomórészt egy irányban van, és hatékonyan átalakítja az AC -t DC -re.
2. Mi az egyenirányító PN csomópont közös célja?
Az egyenirányító PN csomópont elsődleges célja egy állandó DC kimenet előállítása egy AC bemenetből.Erre szükség van az elektronikus áramkörök táplálására, amelyekhez a stabil működéshez DC -t igényelnek.Az egyenirányítók végső tápegységekben vannak mindenféle elektronikus és elektromos eszközhöz, a kis eszközöktől a nagy ipari gépekig.
3. Mekkora a PN Junction dióda kiigazító alkalmazása?
A PN Junction diódát kifejezetten a PN csomópont kijavító viselkedésének kiaknázására tervezték.Széles körben használják az áramkörökben egyenirányítóként az AC és a DC konverzió kulcsfontosságú funkciójának végrehajtására.Gyakorlati szempontból ezek a diódák az akkumulátorok, az energiadarabok és a rendszerek töltéseiben találhatók, amelyek megbízható DC -ellátást igényelnek egy váltakozó áramú forrásból, például telekommunikációs berendezések és autóipari elektromos rendszerek.
4. Mire használják a PN csomópontot?
A helyesbítés mellett a PN csomópontokat különféle egyéb alkalmazásokban, például jelmodulációban, feszültségszabályozásban és fénykibocsátó diódákban (LED-ek) használják a megvilágításhoz és a kijelzőkhöz.A legjelentősebb és legszélesebb körben elterjedt felhasználásuk azonban a helyesbítésben marad, ahol hasznos komponensek az AC felhasználható DC teljesítményré alakításában.
5. Hogyan működik egy dióda egyenirányítóként?
A PN csomópontból álló dióda egyenirányítóként működik, lehetővé téve, hogy az elektromos áram könnyebben áramoljon egy irányba, mint a fordított irányban.A PN csomópont velejáró tulajdonságai, elsősorban az egyirányú áramlási tulajdonság, ideálissá teszik a diódákat az AC jelek negatív részének blokkolásához, ezáltal csak a pozitív rész átadását lehetővé teszik.Az áram szelektív áthaladása azt eredményezi, hogy a kimenet az elektronok vagy DC egyirányú áramlása.