Dioden: pn-Übergang, Typen, Konstruktion und Arbeitsweise

Was ist eine Diode?

Im Allgemeinen benötigen alle elektronischen Geräte eine Gleichstromversorgung, aber es ist unmöglich, Gleichstrom zu erzeugen. Daher benötigen wir eine Alternative, um Gleichstrom zu erhalten. Daher kommt die Verwendung von Dioden ins Spiel , um Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln. Eine Diode ist eine winzige elektronische Komponente, die in fast allen elektronischen Schaltkreisen verwendet wird, um den Stromfluss nur in eine Richtung zu ermöglichen ( unidirektionales Gerät) ). Wir können sagen, dass die Verwendung von Halbleitermaterialien zum Aufbau der elektronischen Komponenten mit Dioden begonnen wurde. Vor der Erfindung der Diode gab es Vakuumröhren, bei denen die Anwendungen dieser beiden Vorrichtungen ähnlich sind, aber die Größe der Vakuumröhre viel größer ist als die der Dioden. Der Aufbau von Vakuumröhren ist etwas komplex und im Vergleich zu Halbleiterdioden schwer zu warten. Nur wenige Anwendungen von Dioden sind Gleichrichtung, Verstärkung, elektronisches Schalten, Umwandlung von elektrischer Energie in Lichtenergie und Lichtenergie in elektrische Energie.

Geschichte der Diode:

Im Jahr 1940 arbeitete Russell Ohl bei Bell Labs mit einem Siliziumkristall, um seine Eigenschaften herauszufinden. Eines Tages, als der Siliziumkristall, in dem sich ein Riss befindet, versehentlich dem Sonnenlicht ausgesetzt war, fand er den Stromfluss durch den Kristall, der später als Diode bezeichnet wurde. Dies war der Beginn der Halbleiterära.

Aufbau der Diode:

Feststoffe werden im Allgemeinen in drei Typen eingeteilt, nämlich Leiter, Isolatoren und Halbleiter. Leiter haben eine maximale Anzahl an freien Elektronen, Isolatoren haben eine minimale Anzahl an freien Elektronen (vernachlässigbar, so dass ein Stromfluss überhaupt nicht möglich ist), während Halbleiter je nach dem an sie angelegten Potential entweder Leiter oder Isolatoren sein können. Im Allgemeinen verwendete Halbleiter sind Silizium und Germanium. Silizium wird bevorzugt, weil es auf der Erde reichlich verfügbar ist und einen besseren Wärmebereich bietet.

Halbleiter werden ferner in zwei Typen als intrinsische und extrinsische Halbleiter klassifiziert .

Eigenhalbleiter:

Diese werden auch als reine Halbleiter bezeichnet, bei denen Ladungsträger (Elektronen und Löcher) bei Raumtemperatur in gleicher Menge vorhanden sind. Die Stromleitung erfolgt also sowohl durch Löcher als auch durch Elektronen gleichermaßen.

Extrinsische Halbleiter:

Um die Anzahl der Löcher oder Elektronen in einem Material zu erhöhen, verwenden wir extrinsische Halbleiter, bei denen dem Silizium Verunreinigungen (außer Silizium und Germanium oder einfach dreiwertige oder fünfwertige Materialien) zugesetzt werden. Dieser Vorgang des Hinzufügens von Verunreinigungen zu den reinen Halbleitern wird als Dotierung bezeichnet.

Bildung von P- und N-Halbleitern:

Halbleiter vom N-Typ:

Wenn dem Si oder Ge fünfwertige Elemente (Anzahl der Valenzelektronen sind fünf) hinzugefügt werden, stehen freie Elektronen zur Verfügung. Da die Anzahl der Elektronen (negativ geladenen Ladungsträger) höher ist, werden diese als Halbleiter vom N-Typ bezeichnet . Beim N-Typ sind Halbleiterelektronen Majoritätsladungsträger und Löcher Minoritätsladungsträger.

Nur wenige fünfwertige Elemente sind Phosphor, Arsen, Antimon und Wismut. Da diese ein überschüssiges Valenzelektron haben und bereit sind, sich mit dem externen positiv geladenen Teilchen zu paaren, werden diese Elemente als Donoren bezeichnet .

P-Halbleiter

In ähnlicher Weise wird ein Loch erzeugt, wenn dreiwertige Elemente wie Bor, Aluminium, Indium und Gallium zu Si oder Ge hinzugefügt werden, da eine Anzahl von Valenzelektronen darin drei sind. Da ein Loch bereit ist, ein Elektron aufzunehmen und gepaart zu werden, wird es als Akzeptoren bezeichnet . Da die Anzahl der Löcher in neu gebildetem Material zu hoch ist, werden diese als Halbleiter vom P-Typ bezeichnet . In P-Halbleiterlöchern sind Majoritätsladungsträger und Elektronen Minoritätsladungsträger.

PN Junction Diode:

Wenn wir nun die beiden Arten von Halbleitern vom P-Typ und vom N-Typ miteinander verbinden, wird eine neue Vorrichtung gebildet, die als PN-Sperrschichtdiode bezeichnet wird. Da sich ein Übergang zwischen einem Material vom P-Typ und einem Material vom N-Typ bildet, wird er als PN-Übergang bezeichnet.

Das Wort Diode kann erklärt werden als "Di" bedeutet zwei und "Ode" wird von der Elektrode erhalten. Da die neu gebildete Komponente zwei Anschlüsse oder Elektroden aufweisen kann (einer mit dem P-Typ und der andere mit dem N-Typ verbunden), wird sie als Diode oder PN-Sperrschichtdiode oder Halbleiterdiode bezeichnet.

Der mit Material vom P-Typ verbundene Anschluss wird als Anode bezeichnet, und der mit Material vom N-Typ verbundene Anschluss wird als Kathode bezeichnet .

Die symbolische Darstellung der Diode ist wie folgt.

Der Pfeil zeigt den Stromfluss durch die Diode an, wenn sich die Diode in Vorwärtsrichtung befindet. Der Strich oder der Block an der Spitze des Pfeils zeigt die Blockierung des Stroms aus der entgegengesetzten Richtung an.

PN Junction Theory:

Wir haben gesehen, wie eine Diode mit P- und N-Halbleitern hergestellt wird, aber wir müssen wissen, was in ihr passiert, um eine einzigartige Eigenschaft zu bilden, Strom nur in eine Richtung zuzulassen, und was an dem genauen Kontaktpunkt anfänglich an ihrem Übergang geschieht.

Verbindungsbildung:

Wenn beide Materialien miteinander verbunden werden (ohne dass eine externe Spannung angelegt wird), werden anfänglich die überschüssigen Elektronen im N-Typ und die überschüssigen Löcher im P-Typ voneinander angezogen und dort rekombiniert, wo sich unbewegliche Ionen bilden (Donorionen) und Akzeptorion) erfolgt wie in der folgenden Abbildung gezeigt. Diese unbeweglichen Ionen widerstehen dem Fluss von Elektronen oder Löchern, die nun als Barriere zwischen den beiden Materialien wirken (Bildung einer Barriere bedeutet, dass die unbeweglichen Ionen in P- und N-Bereiche diffundieren). Die jetzt gebildete Barriere wird als Verarmungsregion bezeichnet . Die Breite des Verarmungsbereichs hängt in diesem Fall von der Dotierungskonzentration in den Materialien ab.

Wenn die Dotierungskonzentration in beiden Materialien gleich ist, diffundieren die unbeweglichen Ionen gleichermaßen in die P- und N-Materialien.

Was ist, wenn sich die Dotierungskonzentration voneinander unterscheidet?

Nun, wenn sich die Dotierung unterscheidet, unterscheidet sich auch die Breite des Verarmungsbereichs. Seine Diffusion erfolgt mehr in den leicht dotierten Bereich und weniger in den stark dotierten Bereich .

Lassen Sie uns nun das Verhalten der Diode bei Anlegen der richtigen Spannung sehen.

Diode in Vorwärtsvorspannung

Es gibt eine Reihe von Dioden, deren Aufbau ähnlich ist, die Art des verwendeten Materials jedoch unterschiedlich ist. Wenn wir zum Beispiel eine Leuchtdiode betrachten, besteht sie aus Aluminium-, Gallium- und Arsenidmaterialien, die bei Anregung Energie in Form von Licht freisetzen. In ähnlicher Weise werden Variationen in den Eigenschaften der Diode wie der internen Kapazität, der Schwellenspannung usw. berücksichtigt und eine bestimmte Diode wird basierend auf diesen entworfen.

Hier haben wir verschiedene Arten von Dioden mit ihrer Funktionsweise, ihrem Symbol und ihren Anwendungen erklärt:

• Zenerdiode
• LED
• Laserdiode
• Fotodiode
• Varaktordiode
• Schottky Diode
• Tunneldiode
• PIN-Diode usw.

Lassen Sie uns das Funktionsprinzip und den Aufbau dieser Geräte kurz betrachten.

Zenerdiode:

Die P- und N-Bereiche in dieser Diode sind stark dotiert, so dass der Verarmungsbereich sehr eng ist. Im Gegensatz zu einer normalen Diode ist ihre Durchbruchspannung sehr niedrig. Wenn die Sperrspannung größer oder gleich der Durchbruchspannung ist, verschwindet der Verarmungsbereich und eine konstante Spannung fließt durch die Diode, selbst wenn die Sperrspannung erhöht wird. Daher wird die Diode verwendet, um die Spannung zu regeln und die Ausgangsspannung konstant zu halten, wenn sie richtig vorgespannt ist. Hier ist ein Beispiel für die Begrenzung der Spannung mit Zener.

Der Durchschlag in der Zenerdiode wird als Zenerdurchbruch bezeichnet . Dies bedeutet, dass beim Anlegen der Sperrspannung an die Zenerdiode an der Verbindungsstelle ein starkes elektrisches Feld entsteht, das ausreicht, um die kovalenten Bindungen innerhalb der Verbindungsstelle aufzubrechen, und einen großen Stromfluss verursacht. Der Zenerausfall wird bei sehr niedrigen Spannungen im Vergleich zum Lawinendurchbruch verursacht.

Es gibt eine andere Art von Durchschlag, die als Lawinendurchbruch bezeichnet wird und allgemein in der normalen Diode zu sehen ist und die eine große Menge an Sperrspannung erfordert, um den Übergang zu durchbrechen. Sein Arbeitsprinzip ist, wenn die Diode in Sperrrichtung vorgespannt ist, kleine Leckströme durch die Diode fließen, wenn die Sperrspannung weiter erhöht wird, steigt auch der Leckstrom an, der schnell genug ist, um wenige kovalente Bindungen innerhalb des Übergangs aufzubrechen, die diese neuen Ladungsträger weiter aufbrechen Die verbleibenden kovalenten Bindungen verursachen enorme Leckströme, die die Diode für immer beschädigen können.

Leuchtdiode (LED):

Sein Aufbau ähnelt einer einfachen Diode, jedoch werden verschiedene Kombinationen von Halbleitern verwendet, um unterschiedliche Farben zu erzeugen. Es arbeitet im vorwärts vorgespannten Modus. Wenn die Elektronenlochrekombination stattfindet, wird ein resultierendes Photon freigesetzt, das Licht emittiert. Wenn die Durchlassspannung weiter erhöht wird, werden mehr Photonen freigesetzt und die Lichtintensität steigt ebenfalls an, aber die Spannung sollte ihren Schwellenwert nicht überschreiten, da sonst die LED beschädigt wird.

Um unterschiedliche Farben zu erzeugen, werden die Kombinationen verwendet: AlGaAs (Aluminiumgalliumarsenid) - Rot und Infrarot, GaP (Galliumphosphid) - Gelb und Grün, InGaN (Indiumgalliumnitrid) - Blaue und Ultraviolette LEDs usw. Überprüfen Sie eine einfache LED-Schaltung Hier.

Für eine IR-LED können wir ihr Licht durch eine Kamera sehen.

Laserdiode:

LASER steht für Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission. Ein PN-Übergang wird durch zwei Schichten dotierten Galliumarsenids gebildet, wobei eine stark reflektierende Beschichtung auf ein Ende des Übergangs und eine teilweise reflektierende Beschichtung am anderen Ende aufgebracht wird. Wenn die Diode ähnlich wie LED in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, setzt sie Photonen frei, diese treffen auf andere Atome, so dass Photonen übermäßig freigesetzt werden. Wenn ein Photon auf die reflektierende Beschichtung trifft und wieder auf den Übergang zurückschlägt, werden mehr Photonen freigesetzt, dieser Vorgang wiederholt sich und ein Strahl hoher Intensität Licht wird nur in eine Richtung freigesetzt. Die Laserdiode benötigt eine Treiberschaltung, um ordnungsgemäß zu funktionieren.

Die symbolische Darstellung einer LASER-Diode ähnelt der einer LED.

Fotodiode:

In einer Fotodiode hängt der Strom durch sie von der Lichtenergie ab, die an den PN-Übergang angelegt wird. Es wird in Sperrrichtung betrieben. Wie bereits erwähnt, fließt bei Sperrvorspannung ein kleiner Leckstrom durch eine Diode, der hier als Dunkelstrom bezeichnet wird . Da der Strom auf Lichtmangel (Dunkelheit) zurückzuführen ist, wird er so genannt. Diese Diode ist so konstruiert, dass es ausreicht, wenn Licht auf den Übergang trifft, die Elektronenlochpaare zu brechen und Elektronen zu erzeugen, was den Rückstrom erhöht. Hier können Sie die Fotodiode überprüfen, die mit der IR-LED arbeitet.

Varaktordiode:

Es wird auch als Varicap-Diode (variabler Kondensator) bezeichnet. Es arbeitet im Sperrmodus. Die allgemeine Definition eines Kondensatorabstands einer leitenden Platte mit einem Isolator oder einem Dielektrikum nimmt zu, wenn eine normale Diode in Sperrrichtung vorgespannt wird, nimmt die Breite des Verarmungsbereichs zu, da der Verarmungsbereich einen Isolator oder ein Dielektrikum darstellt, das sie nun als Kondensator wirken kann. Mit der Änderung der Sperrspannung ändert sich die Trennung von P- und N-Bereichen, wodurch die Diode als variabler Kondensator arbeitet.

Da die Kapazität mit abnehmendem Abstand zwischen den Platten zunimmt, bedeutet die große Sperrspannung die niedrige Kapazität und umgekehrt.

Schottky Diode:

Halbleiter vom N-Typ sind mit dem Metall (Gold, Silber) verbunden, so dass Elektronen mit hohem Energieniveau in der Diode vorhanden sind. Diese werden als heiße Ladungsträger bezeichnet, so dass diese Diode auch als heiße Ladungsträgerdiode bezeichnet wird . Es hat keine Minoritätsträger und es existiert kein Verarmungsbereich, sondern es existiert ein Metallhalbleiterübergang. Wenn diese Diode in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, wirkt sie als Leiter, aber die Ladung hat hohe Energieniveaus, die beim schnellen Schalten hilfreich sind, insbesondere in digitalen Schaltungen in Mikrowellenanwendungen verwendet. Überprüfen Sie hier die Schottky-Diode in Aktion.

Tunneldiode:

Die P- und N-Bereiche in dieser Diode sind stark dotiert, so dass das Vorhandensein einer Verarmung sehr eng ist. Es weist einen negativen Widerstandsbereich auf, der als Oszillator und Mikrowellenverstärker verwendet werden kann. Wenn diese Diode zuerst in Vorwärtsrichtung vorgespannt wird, steigt der Strom mit einer kleinen Spannungsänderung schnell an, da der Verarmungsbereich eng ist, durch den die Elektronen tunneln. Wenn die Spannung aufgrund der überschüssigen Elektronen an der Verbindungsstelle weiter erhöht wird, beginnt die Breite des Verarmungsbereichs zuzunehmen, was die Blockierung des Durchlassstroms (wo sich der negative Widerstandsbereich bildet) verursacht, wenn die Durchlassspannung weiter erhöht wird, wirkt er als normale Diode.

PIN-Diode:

In dieser Diode sind die P- und N-Bereiche durch einen intrinsischen Halbleiter getrennt. Wenn die Diode in Sperrrichtung vorgespannt ist, wirkt sie als Kondensator mit konstantem Wert. Im Vorwärtsvorspannungszustand wirkt es als variabler Widerstand, der durch Strom gesteuert wird. Es wird in Mikrowellenanwendungen eingesetzt, die durch Gleichspannung gesteuert werden sollen.

Seine symbolische Darstellung ähnelt einer normalen PN-Diode.

Anwendungen von Dioden:

• Geregelte Stromversorgung: Es ist praktisch unmöglich, Gleichspannung zu erzeugen. Die einzige verfügbare Quelle ist Wechselspannung. Da die Dioden unidirektionale Vorrichtungen sind, kann sie verwendet werden, um Wechselspannung in pulsierenden Gleichstrom umzuwandeln, und mit weiteren Filterabschnitten (unter Verwendung von Kondensatoren und Induktivitäten) kann eine ungefähre Gleichspannung erhalten werden.

• Tuner-Schaltkreise: In Kommunikationssystemen auf der Empfängerseite muss eine gewünschte Frequenz ausgewählt werden, da die Antenne alle im Weltraum verfügbaren Funkfrequenzen empfängt. Es werden also Tunerschaltungen verwendet, die nichts anderes als die Schaltung mit variablen Kondensatoren und Induktivitäten sind. In diesem Fall kann eine Varaktordiode verwendet werden.

• Fernseher, Ampeln, Anzeigetafeln: Zur Anzeige von Bildern auf Fernsehgeräten oder Anzeigetafeln werden LEDs verwendet. Da LED sehr viel weniger Strom verbraucht, wird sie häufig in Beleuchtungssystemen wie LED-Lampen verwendet.

• Spannungsregler: Da die Zenerdiode eine sehr niedrige Durchbruchspannung aufweist, kann sie in Sperrrichtung als Spannungsregler verwendet werden.

• Detektoren in Kommunikationssystemen: Ein bekannter Detektor, der eine Diode verwendet, ist ein Hüllkurvendetektor, der zum Erfassen der Spitzen des modulierten Signals verwendet wird.