Diyotlar: pn bağlantısı, çeşitleri, yapımı ve çalışması

Diyot nedir?

Genel olarak, tüm elektronik cihazların DC güç kaynağına ihtiyacı vardır, ancak DC gücü üretmek imkansızdır, bu nedenle, biraz DC gücü elde etmek için bir alternatife ihtiyacımız var, bu nedenle AC gücünü DC gücüne dönüştürmek için diyotların kullanımı resme giriyor. Bir diyot, akımın yalnızca bir yönde ( tek yönlü cihaz) akışını sağlamak için neredeyse tüm elektronik devrelerde kullanılan küçük bir elektronik bileşendir. ). Elektronik bileşenleri oluşturmak için yarı iletken malzemelerin kullanımına diyotlarla başlandı diyebiliriz. Diyotun icadından önce, bu iki cihazın uygulamalarının benzer olduğu, ancak vakum tüpünün kapladığı boyutun diyotlardan çok daha büyük olacağı vakum tüpleri vardı. Vakum tüplerinin yapımı biraz karmaşıktır ve yarı iletken diyotlarla karşılaştırıldığında bakımı zordur. Az sayıda diyot uygulaması, düzeltme, amplifikasyon, elektronik anahtar, elektrik enerjisinin ışık enerjisine ve ışık enerjisinin elektrik enerjisine dönüştürülmesidir.

Diyot Tarihi:

1940 yılında Bell Labs'ta Russell Ohl, özelliklerini öğrenmek için bir silikon kristal ile çalışıyordu. Bir gün yanlışlıkla içinde çatlak bulunan silikon kristal güneş ışığına maruz kaldığında, kristalden geçen akımın akışını buldu ve bu daha sonra yarı iletken çağının başlangıcı olan diyot olarak adlandırıldı.

Diyot Yapısı:

Katı malzemeler genellikle iletkenler, izolatörler ve yarı iletkenler olmak üzere üç türe ayrılır. İletkenler maksimum sayıda serbest elektrona sahiptir, İzolatörlerin minimum sayıda serbest elektronu vardır (akımın akışı hiç mümkün olmayacak şekilde ihmal edilebilir), yarı iletkenler ise uygulanan potansiyele bağlı olarak iletken veya yalıtkan olabilir. Genel olarak kullanılan yarı iletkenler Silikon ve Germanyumdur. Silikon, toprak üzerinde bol miktarda bulunması ve daha iyi bir termal aralık vermesi nedeniyle tercih edilmektedir.

Yarı iletkenler ayrıca İçsel ve Dışsal yarı iletkenler olarak iki türe ayrılır .

İçsel Yarı İletkenler:

Bunlar aynı zamanda yük taşıyıcılarının (elektronlar ve delikler) oda sıcaklığında eşit miktarda olduğu saf yarı iletkenler olarak da adlandırılır. Böylece akım iletimi hem delikler hem de elektronlar tarafından eşit olarak gerçekleşir.

Dışsal Yarıiletkenler:

Bir malzemedeki delik veya elektron sayısını artırmak için, silikona safsızlıkların (silikon ve germanyum veya sadece üç değerlikli veya beş değerli malzemeler dışında) eklendiği harici yarı iletkenlere gidiyoruz. Saf yarı iletkenlere safsızlık ekleme işlemine Doping denir .

P ve N tipi yarı iletkenlerin oluşumu:

N-Tipi Yarı İletken:

Si veya Ge'ye beş değerli elemanlar (değerlik elektronlarının sayısı beş) eklenirse, o zaman serbest elektronlar mevcuttur. Elektronlar (negatif yüklü taşıyıcılar) sayı olarak daha fazla olduğu için bunlara N tipi yarı iletken denir. N-tipinde yarı iletken elektronlar çoğunluk yük taşıyıcılarıdır ve delikler azınlık yük taşıyıcılarıdır.

Birkaç beş değerli element Fosforlu, Arsenik, Antimon ve Bizmuttur. Bunlar aşırı değerlik elektronuna sahip olduklarından ve pozitif yüklü dış parçacıkla eşleşmeye hazır olduklarından, bu elementlere Donörler denir.

P-Tipi Yarı İletken

Benzer şekilde, Bor, Alüminyum, İndiyum ve Galyum gibi üç değerlikli elementler Si veya Ge'ye eklenirse, içindeki bir dizi değerlik elektronu üç olduğu için bir delik oluşur. Bir delik, bir elektronu kabul etmeye ve eşleşmeye hazır olduğundan, buna Kabul Ediciler denir . Yeni oluşan malzemede delik sayısı fazla olduğu için bunlara P tipi yarı iletkenler denir. P-tipi yarı iletken deliklerde çoğunluk yük taşıyıcıları ve elektronlar azınlık yük taşıyıcılarıdır.

PN Bağlantı Diyotu:

Şimdi, iki tip yarı iletken P tipi ve N tipi bir araya getirilirse, PN bağlantı diyotu adı verilen yeni bir cihaz oluşur. P tipi ve N tipi malzeme arasında bir bağlantı oluştuğu için PN eklemi olarak adlandırılır.

Diyot kelimesi 'Di' iki anlamına geldiği ve 'ode' elektrottan elde edildiği şeklinde açıklanabilir. Yeni oluşturulan bileşen iki terminale veya elektrota sahip olabileceğinden (biri P-tipine diğeri N-tipine bağlı), diyot veya PN bağlantı diyotu veya yarı iletken diyot olarak adlandırılır.

P tipi malzemeye bağlanan terminale Anot , N tipi malzemeye bağlanan terminale Katot adı verilir.

Diyot sembolik ifadesi aşağıdaki gibidir.

Ok, diyot ileri eğimli moddayken içinden geçen akım akışını gösterir; okun ucundaki çizgi veya blok, ters yönden akımın bloke olduğunu gösterir.

PN Bağlantı Teorisi:

P ve N yarı iletkenleri ile bir diyotun nasıl yapıldığını gördük, ancak akıma yalnızca bir yönde izin veren benzersiz bir özellik oluşturmak için içinde ne olduğunu ve başlangıçta birleşim noktasında tam temas noktasında ne olduğunu bilmemiz gerekiyor.

Kavşak Oluşumu:

Başlangıçta, her iki malzeme birbirine birleştirildiğinde (herhangi bir harici voltaj uygulanmadan), N-tipindeki fazla elektronlar ve P-tipindeki fazla delikler birbirine çekilecek ve hareketsiz iyonların (Donör iyonu) oluştuğu yerde yeniden birleşecektir. ve Alıcı iyon) aşağıdaki resimde gösterildiği gibi gerçekleşir. Bu hareketsiz iyonlar, artık iki malzeme arasında bir bariyer görevi gören elektronların veya deliklerin akışına direnir (bariyer oluşumu, hareketsiz iyonların P ve N bölgelerine yayılması anlamına gelir). Artık oluşan bariyere Tükenme bölgesi denir. Bu durumda tükenme bölgesinin genişliği, malzemelerdeki katkı konsantrasyonuna bağlıdır.

Katkı konsantrasyonu her iki malzemede de eşitse, hareketsiz iyonlar hem P hem de N malzemelerine eşit olarak yayılır.

Ya doping konsantrasyonu birbirinden farklıysa?

Peki, doping farklıysa, tükenme bölgesinin genişliği de değişir. Yayılımı, hafif katkılı bölgeye daha fazla ve yoğun katkılı bölgeye daha azdır .

Şimdi diyotun uygun voltaj uygulandığında nasıl davranacağını görelim.

İleri Önyargıda Diyot

Yapısı benzer olan ancak kullanılan malzeme türü farklı olan çok sayıda diyot vardır. Örneğin, bir Işık Yayan diyotu düşünürsek, uyarıldığında ışık şeklinde enerji açığa çıkaran Alüminyum, Galyum ve Arsenit malzemelerinden yapılmıştır. Benzer şekilde, diyotun dahili kapasitans, eşik voltajı vb.Gibi özelliklerindeki farklılıklar dikkate alınır ve bunlara göre belirli bir diyot tasarlanır.

Burada çeşitli diyot türlerini çalışmaları, sembolleri ve uygulamaları ile açıkladık:

• Zener diyot
• LED
• LAZER diyot
• Fotodiyot
• Varaktör diyot
• Schottky diyot
• Tünel diyot
• PIN diyot vb.

Bu cihazların çalışma prensibine ve yapısına kısaca bakalım.

Zener Diyot:

Bu diyottaki P ve N bölgeleri, tükenme bölgesi çok dar olacak şekilde yoğun bir şekilde katkılıdır. Normal bir diyotun aksine, arıza gerilimi çok düşüktür, ters gerilim arıza gerilimine eşit veya bundan büyük olduğunda tükenme bölgesi kaybolur ve ters gerilim artırılsa bile diyottan sabit bir gerilim geçer. Bu nedenle, diyot, voltajı düzenlemek ve doğru şekilde eğildiğinde sabit çıkış voltajını korumak için kullanılır. İşte Zener kullanarak voltajı sınırlandırmanın bir örneği.

Zener diyotundaki kırılma , zener arızası olarak adlandırılır . Bu, zener diyotuna ters voltaj uygulandığında, kavşakta kovalent bağları kırmak için yeterli olan ve büyük bir akım akışına neden olan kavşakta güçlü bir elektrik alanı geliştirildiği anlamına gelir. Zener arızası, çığ arızasına kıyasla çok düşük voltajlarda meydana gelir.

Genellikle normal diyotta görülen, bağlantının kırılması için büyük miktarda ters voltaj gerektiren çığ kırılması olarak adlandırılan başka bir arıza türü vardır. Çalışma prensibi, diyot ters önyargılı olduğunda, küçük kaçak akımlar diyottan geçtiğinde, ters voltaj daha da arttığında, kaçak akım da artar, bu da kavşak içindeki birkaç kovalent bağı kıracak kadar hızlıdır, bu yeni yük taşıyıcıları daha da bozulur. kalan kovalent bağlar, diyota sonsuza kadar zarar verebilecek büyük kaçak akımlara neden olur.

Işık Yayan Diyot (LED):

Yapısı basit bir diyota benzer, ancak farklı renkler oluşturmak için çeşitli yarı iletken kombinasyonları kullanılır. Bu ileri önyargılı modunda çalışır. Elektron deliği rekombinasyonu gerçekleştiğinde, ışık yayan sonuçta bir foton salınır, ileri voltaj daha da artarsa ​​daha fazla foton salınır ve ışık yoğunluğu da artar, ancak voltaj eşik değerini aşmamalıdır, aksi takdirde LED hasar görür.

Farklı renkler oluşturmak için, kombinasyonlar AlGaA'lar (Alüminyum Galyum Arsenit) - kırmızı ve kızılötesi, GaP (Galyum Fosfit) - sarı ve yeşil, InGaN (Indiyum Galyum Nitrür) - mavi ve morötesi LED'ler vb. Kullanılır. Basit bir LED devresini kontrol edin buraya.

Bir IR LED için ışığını bir kameradan görebiliriz.

LAZER Diyot:

LAZER, Uyarılmış Radyasyon Emisyonu ile Işık Amplifikasyonu anlamına gelir. Bir PN bağlantısı, bağlantının bir ucuna Yüksek yansıtıcı bir kaplamanın ve diğer ucunda bir kısmi yansıtıcı kaplamanın uygulandığı iki kat katkılı Galyum Arsenit ile oluşturulur. Diyot, LED'e benzer şekilde öne eğilimli olduğunda, fotonları serbest bırakır, bunlar diğer atomlara çarparak, fotonlar aşırı derecede salınır, bir foton yansıtıcı kaplamaya çarptığında ve birleşim noktasını tekrar vurduğunda daha fazla foton salınır, bu işlem tekrar eder ve yüksek yoğunluklu bir ışın ışık sadece bir yönde salınır. Lazer diyotun düzgün çalışması için bir Sürücü devresine ihtiyacı vardır.

Bir LASER diyotunun sembolik temsili LED'inkine benzer.

Fotoğraf Diyotu:

Bir foto diyotta, içinden geçen akım, PN bağlantısına uygulanan ışık enerjisine bağlıdır. Ters önyargılı çalıştırılır. Daha önce tartışıldığı gibi, küçük kaçak akım, burada karanlık akım olarak adlandırılan ters önyargılı olduğunda bir diyot içinden akar . Akım, ışık eksikliğinden (karanlık) kaynaklandığı için buna denir. Bu diyot, ışık bağlantı noktasına çarptığında elektron deliği çiftlerini kırmak ve ters kaçak akımı artıran elektronlar üretmek için yeterli olacak şekilde inşa edilmiştir. Burada IR LED ile çalışan Fotodiyotu kontrol edebilirsiniz.

Varaktör Diyot:

Varicap (değişken kapasitör) diyot olarak da adlandırılır. Bu geri biyaslı modunda çalışır. İletken plakanın bir yalıtkan veya bir dielektrik ile bir kapasitör ayrımının genel tanımı, normal bir diyot ters çevrildiğinde tükenme bölgesinin genişliği artar, çünkü tükenme bölgesi bir yalıtkanı veya bir dielektriği temsil eder, artık kapasitör olarak işlev görebilir. Ters voltajın değişmesi, P ve N bölgelerinin ayrılmasına neden olur, böylece diyotun değişken kapasitör olarak çalışmasına neden olur .

Kapasitans, plakalar arasındaki mesafenin azalmasıyla arttığından, büyük ters voltaj, düşük kapasitans anlamına gelir ve bunun tersi de geçerlidir.

Schottky diyot:

N-tipi yarı iletken, metale (altın, gümüş), diyotta yüksek enerji seviyeli elektronlar olacak şekilde birleştirilir, bunlar sıcak taşıyıcılar olarak adlandırılır, bu nedenle bu diyot, sıcak taşıyıcı diyot olarak da adlandırılır . Azınlık taşıyıcıları yoktur ve tükenme bölgesi yoktur, bunun yerine metal bir yarı iletken bağlantı vardır, bu diyot ileri eğilimli olduğunda iletken görevi görür, ancak yük, özellikle dijital devrelerde hızlı anahtarlamaya yardımcı olan yüksek enerji seviyelerine sahiptir, bunlar da mikrodalga uygulamalarında kullanılır. Schottky Diode'u burada çalışırken kontrol edin.

Tünel Diyotu:

Bu diyottaki P ve N bölgeleri yoğun bir şekilde katılmıştır, bu nedenle tükenmenin varlığı çok dardır. Osilatör ve mikrodalga kuvvetlendirici olarak kullanılabilen negatif direnç bölgesi sergiler. Öncelikle bu diyot ileri doğru eğilimli olduğunda, tükenme bölgesi içinden geçen elektron tünelini daralttığı için akım, voltajdaki küçük bir değişiklikle hızla artar. Gerilim daha da arttığında, bağlantı noktasındaki fazla elektronlardan dolayı, tükenme bölgesinin genişliği artmaya başlar ve ileri akımın tıkanmasına neden olur (negatif direnç bölgesi oluşur) ileri gerilim daha da arttığında normal diyot.

PIN Diyot:

Bu diyotta, P ve N bölgeleri, içsel bir yarı iletken ile ayrılır. Diyot ters eğilimli olduğunda, sabit değerli bir kapasitör görevi görür. İleri önyargı durumunda, akım tarafından kontrol edilen değişken bir direnç görevi görür. DC gerilimi ile kontrol edilecek mikrodalga uygulamalarında kullanılır.

Sembolik temsili normal bir PN diyotuna benzer.

Diyotların Uygulamaları:

• Düzenlenmiş güç kaynağı: Pratik olarak DC voltajı oluşturmak imkansızdır, mevcut tek kaynak türü AC voltajıdır. Diyotlar tek yönlü cihazlar olduğundan, AC voltajını titreşimli DC'ye dönüştürmek için kullanılabilir ve diğer filtreleme bölümleri ile (kapasitörler ve indüktörler kullanılarak) yaklaşık bir DC voltajı elde edilebilir.

• Tuner devreleri: Alıcı taraftaki iletişim sistemlerinde, anten uzayda bulunan tüm radyo frekanslarını aldığından, istenen bir frekansı seçme ihtiyacı vardır. Bu nedenle, değişken kapasitörlü ve indüktörlü devreden başka bir şey olmayan tuner devreleri kullanılır. Bu durumda bir varaktör diyot kullanılabilir.

• Televizyonlar, trafik ışıkları, teşhir panoları: Görüntülerin televizyonlarda veya teşhir panolarında gösterilmesi için LED'ler kullanılmaktadır. LED çok daha az güç tükettiği için LED ampuller gibi aydınlatma sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır.

• Voltaj regülatörleri: Zener diyotu çok düşük bir arıza voltajına sahip olduğundan, ters eğimli olduğunda voltaj regülatörü olarak kullanılabilir.

• İletişim Sistemlerinde Dedektörler: Diyot kullanan iyi bilinen bir dedektör, modüle edilmiş sinyalin tepe noktalarını tespit etmek için kullanılan bir Zarf dedektörüdür.