Badanie właściwości rektyfikacyjnych połączeń PN
Rozwój technologii półprzewodnikowej odegrał kluczową rolę w ewolucji współczesnej elektroniki, w dużej mierze wpływając na postęp i wgląd w skrzyżowanie P-N.W tym artykule bada zasady operacyjne i zastosowania połączeń P-N, zestawiając je z technologiczną pomysłowością kryształowego radia.Początkowo bada kryształowe radio, sprytne urządzenie, które działa bez mocy zewnętrznej, wykorzystując półprzewodnikową naturę galeny (siarczek ołowiowy).Poprzedza to bardziej szczegółowe badanie połączenia P-N, dominujący element dzisiejszych urządzeń elektronicznych, działający przede wszystkim jako dioda prostownika.Analiza operacji odchylenia do przodu i do tyłu w artykule pokazuje, w jaki sposób procesy te umożliwiają połączenie zarządzanie przepływem prądu elektrycznego w obwodach elektronicznych.Ponadto bada zachowanie połączenia P-N w różnych warunkach i napięciach, w tym jego zastosowanie w urządzeniach takich jak diody Zenera i prostowniki.Ten dokładny przegląd nie tylko podkreśla fizyczne i elektroniczne mechanizmy połączeń P-N, ale także podkreśla ich dynamiczną rolę w regulacji rektyfikacji i napięcia.
Katalog
Rysunek 1: Cyrstal Radio
Odkrywanie kryształowego radia
Crystal Radio, wczesny cud technologii radiowej, wykorzystało naturalne półprzewodniki, takie jak galena (siarczk ołowiowy) do pracy bez żadnego zewnętrznego źródła zasilania.Galena, o swojej krystalicznej strukturze, jest wczesnym przykładem współczesnych półprzewodników ze względu na naturalną zdolność do naprawienia, która jest dziś potrzebna do diod.
Właściwości półprzewodnikowe Galeny, w tym szczelina energetyczna około 0,4 woltów elektronów (EV), są dynamiczne dla jej funkcji.Ta luka między pasmami wartościowości i przewodnictw, w połączeniu z małymi zanieczyszczeniami, pomaga wzbudzić elektrony, umożliwiając im przejście do pasma przewodnictwa i prowadzenie energii elektrycznej.Mechanizm ten umożliwił kryształowi detektora radiowego przekształcania prądu przemiennego (AC) z anteny na użyteczny prąd stały (DC).Bardziej widoczne, demodulowane sygnały modulowane amplitudą (AM), wyodrębniając sygnały audio z fal radiowych.
W kryształowym radiu antena przechwytuje sygnały częstotliwości radiowej i kieruje je do cewki strojenia, aby wybrać pożądaną częstotliwość.Wybrany sygnał spełnia następnie detektor Galena.Tutaj następuje rektyfikacja, przekształcając AC w modulowany sygnał DC.Sygnał ten jest następnie wysyłany do zestawu słuchawkowego lub głośnika, gdzie modulacja audio staje się słyszalna, wypełniając tłumaczenie sygnału bez mocy zewnętrznej.
Rysunek 2: P-N Złącze kasyfikujące
Zrozumienie skrzyżowania P-N
Złącze P-N jest ostateczne dla nowoczesnej elektroniki, przede wszystkim działającym jako dioda prostownika.Umożliwia przepływ prądu w jednym kierunku, który jest potrzebny do konwersji prądu przemiennego (AC) w prąd stały (DC).
Struktura i funkcja
Złącze P-N składa się z materiałów półprzewodników typu P i N.Typ p ma nadmiar otworów, podczas gdy typ N nadmiar elektronów.Tam, gdzie spotykają się te materiały, tworzy strefa wyczerpania, tworząc wbudowaną potencjalną barierę, która zapobiega swobodnemu przepływowi nośników ładunku między regionami.
Gdy napięcie dodatnie jest przyłożone do strony P względem N-Side (odchylenie do przodu), potencjalna bariera obniża się, umożliwiając łatwe przepływ prądu przez połączenie.Po zastosowaniu napięcia ujemnego (odwrotne odchylenie), bariera zwiększa się, blokując przepływ prądu.Ta selektywna przewodność umożliwia konwertowanie diody AC na DC.
Dioda połączenia P-N jest strategicznie umieszczona w obwodzie, aby wyrównać z zamierzonym kierunkiem przepływu prądu.Napięcie prądu przemiennego jest następnie nakładane do obwodu.Podczas każdego cyklu prądu przemiennego dioda działa albo blokując lub umożliwiając przejście prądu.To selektywne przejście, zależne od orientacji diody, pozwala przejść tylko połowę cyklu prądu przemiennego, co powoduje pulsujące wyjście DC.Aby przekształcić ten pulsujący DC w bardziej stabilne i spójne napięcie DC, zastosowane są komponenty takie jak kondensatory i regulatory napięcia, aby wygładzić wyjście.
Rycina 3: Złącze P-N z odwrotnym stronniczością
Analiza połączenia P-N przy odwrotnym odchyleniu
Odwrotne odchylenie złącza P-N obejmuje podłączenie ujemnego zacisku baterii DC z półprzewodnikiem typu P i dodatnim zaciskiem do półprzewodnika typu N.Ta konfiguracja wzmacnia pole elektryczne w skrzyżowaniu, popychając większość nośników-dziury w typu P i elektrony w typu N-od połączenia.Ta migracja zwiększa szerokość strefy wyczerpania, obszaru obszarem bez ładowania, skutecznie poszerzając barierę, która utrudnia ruch nośnika ładunku.
W tym stanie przepływ prądu przez połączenie jest minimalny i wynika głównie z generowanych termicznie par elektron-hole w materiale półprzewodnikowym.Podczas odwrotnego uprzedzeń nośniki mniejszościowe, takie jak otwory w typu N i elektrony w typu P, są przyciągane do połączenia, tworząc spójny, choć mały, odwrotny prąd nasycenia (IS).Ten prąd nieznacznie wzrasta wraz z temperaturą, gdy generowane są więcej nośników ładunku, ale pozostaje względnie stabilny, niezależnie od dalszego wzrostu napięcia odwrotnego, co wyjaśnia jego charakterystykę jako prąd „nasycenia”.
Stosując odwrotne odchylenie, potencjalna bariera na połączeniu jest powiększona, znacznie zwiększając napięcie barierowe do V0 + V, gdzie V0 jest potencjałem kontaktowym, a V jest zastosowanym napięciem.Ta wyższa bariera drastycznie zmniejsza prąd dyfuzyjny większości nośników, prawie eliminując go przy odwrotnym odchyleniu około jednego wolta, pozostawiając tylko prąd odwrotnego nasycenia.Powoduje to wysoką odporność na złącze, udowadniając dynamikę dla takich zastosowań, jak regulacja napięcia i modulacja sygnału, gdzie wysoka impedancja połączenia ogranicza przepływ prądu.Czułość odwrotnego prądu nasycenia na zmiany temperatury umożliwia również funkcjonowanie złącza jako podstawowy czujnik, monitorowanie zmian w zastosowaniach wrażliwych na temperaturę.
Rycina 4: połączenie P-N z odchyleniem do przodu
Badanie skrzyżowania P-N pod napastnikiem
W złączu P-N złącza do przodu dodatni zacisk baterii DC łączy się z półprzewodnikiem typu P, a ujemny terminal łączy się z półprzewodnikiem typu N.Ta konfiguracja sprawia, że strona typu p jest bardziej pozytywna w porównaniu do strony typu N.W tych warunkach większość nośników (dziury w typu P i elektronach w typu N) jest napędzana w kierunku skrzyżowania.
Pole elektryczne utworzone przez akumulator odsuwa większość nośników od odpowiednich terminali i w kierunku skrzyżowania.Gdy nosiciele poruszają się i zbiegają się na skrzyżowaniu, rekombinują.Ta rekombinacja znacznie zmniejsza szerokość regionu wyczerpania, ułatwiając silniejszy przepływ nośników przez skrzyżowanie.
Zastosowane napięcie do przodu V obniża potencjalną barierę energii skrzyżowania.Zwykle ta bariera zapobiega wolnemu przepływowi nośnika, ale napięcie do przodu zmniejsza barierę V0-V1 Gdzie V0 to wbudowany potencjał skrzyżowania.Ta obniżona wysokość bariery pozwala rozpraszać więcej elektronów i otworów w poprzek skrzyżowania.
Obniżenie wysokości bariery powoduje znaczny wzrost prądu dyfuzyjnego (ID ), który jest przepływem nośników ładunku napędzanego przez zmniejszoną barierę.Przepływ ten jest przede wszystkim w jednym kierunku, przy czym większość przewoźników zmierza w kierunku i przez skrzyżowanie.Prąd w tym stanie uprzedzonym do przodu jest znacznie wyższy niż prąd odwrotnego nasycenia (IS) Obserwowane pod odwrotnym stronniczością.
Ta sekwencja operacji zapewnia, że połączenie P-N skutecznie przekształca napięcie akumulatora w wysoki przepływ prądu elektrycznego przez półprzewodnik.Jest to przydatne dla urządzeń takich jak diody i tranzystory, w których kontrolowany przepływ prądu jest koniecznością.Zdolność P-N złącza do przodu do obsługi wysokiego prądu dyfuzyjnego sprawia, że jest to niebezpieczny komponent w różnych zastosowaniach elektronicznych, od rektyfikacji po wzmocnienie sygnału.
Rysunek 5: Rozpad przyłączeń
Zjawiska rozpadu w skrzyżowaniach P-N
Rozkład połączenia w połączeniu P-N występuje, gdy napięcie odwrotne przyłożone na złącze przekracza określony próg, znany jako napięcie rozkładu (VBr) lub napięcie Zenera (Vz).Zjawisko to powoduje dramatyczny wzrost prądu odwrotnego bez znacznego wzrostu napięcia.Urządzenia takie jak Diody Zenera wykorzystują tę cechę regulacji napięcia, zarządzając zdarzeniem bez uszkodzenia.
W złączu P-N odwróconym niewielkim prądem zwanym prądem odwrotnego nasycenia (IS) Przepływy z powodu nośników wytwarzanych termicznie.Wraz ze wzrostem napięcia odwrotnego, potencjalna bariera na połączeniu wzrasta, tłumiąc prąd dyfuzyjny (ID) Dopóki skutecznie stanie się zero.To pozostawia tylko (IS) Aby utrzymać prądowy przepływ.
Zwiększenie rozszerzania napięcia odwrotnego i wyczerpania
W miarę wzrostu napięcia odwrotnego obszaru wyczerpania rozszerza się.Kiedy napięcie na skrzyżowaniu docieraVBrLubVz, pole elektryczne w obszarze wyczerpania staje się wystarczająco intensywne, aby zainicjować rozkład połączenia.Ten rozkład występuje poprzez efekt Zenera lub efekt lawiny, co powoduje znaczny wzrost prądu.
Efekt Zenera: Efekt Zenera dominuje przy niższych napięciach rozpadu, zwykle poniżej 5 V w krzemie.Obejmuje kwantowe mechaniczne tunelowanie elektronów w obszarze wyczerpania.Intensywne pole elektryczne w warstwie wyczerpania jest wystarczająco silne, aby usunąć elektrony z ich wiązań atomowych, tworząc pary elektronowe.Nosiciele te są następnie przesuwane przez połączenie przez pole, znacznie zwiększając prąd wsteczny.
Efekt lawiny: Przy wyższych napięciach, ogólnie powyżej 7 V, efekt lawiny dominuje.Nośniki mniejszościowe (elektrony w regionie typu p i otwory w regionie typu N) zyskują energię kinetyczną z pola elektrycznego, gdy przekraczają obszar wyczerpania.Jeśli te nośniki zdobędą wystarczającą energię, mogą zderzyć się z atomami sieci, uwalniając dodatkowe pary elektronowe.Ta wtórna generacja nośników może prowadzić do dalszych zderzeń, tworząc reakcję łańcuchową - lawinę - wówczas powiększenie prądu wstecznego.
Zdolność skrzyżowania do utrzymania rozpadu bez uszkodzenia zależy od skutecznego zarządzania termicznego i solidności jego fizycznej i elektronicznej struktury.Specyficzny mechanizm rozpadu - niezależnie od Zenera, czy Lawina - zależy od właściwości materiału półprzewodnika, takich jak poziomy pasma i poziomy dopingu oraz warunki zewnętrzne, takie jak temperatura.
Wyjaśnił proces rektyfikacji
Proces rektyfikacji w połączeniu P-N opiera się na zachowaniu nieliniowym lub nie-ohmicznym.Jest to widoczne w krzywej charakterystycznej Volt-Ampere, która pokazuje asymetryczną odpowiedź połączenia na napięcie: odwrócenie polaryzacji napięcia nie wytwarza tego samego prądu w przeciwnym kierunku.Ta asymetria jest potrzebna do naprawy urządzeń.
Zrozumienie zachowania
Gdy sinusoidalne napięcie wejściowe o amplitudzieV0 jest stosowany do połączenia P-N, odpowiedź połączenia jest pokazana na krzywej charakterystycznej.Prąd wyjściowy oscyluje między I1(podczas uprzedzenia do przodu) i-I2 (podczas odwrotnego uprzedzenia).Kluczową kwestią jest to, żeI1 (prąd do przodu) jest znacznie większy niż-I2 (prąd odwrotny).Ta różnica w prądowych wielkości między uprzedzeniami do przodu i do tyłu umożliwia rektyfikację.
Efekty odchylenia do przodu i do tyłu
Zgodnie z odchyleniem do przodu połączenie P-N umożliwia duży prąd (ID) przepływ, ponieważ napięcie do przodu zmniejsza potencjalną barierę.Ta redukcja pozwala większościowi nośnikom (elektronom i otworom) swobodnie poruszać się przez połączenie, generując znaczny prąd.W odwrotnym odchyleniu potencjalna bariera wzrasta, poważnie ograniczając przepływ nośników, a tym samym prąd.Prąd podczas odwrotnej stronniczości (IS) jest minimalny w porównaniu z prądem odchylenia do przodu.
Konwersja AC na DC
To zachowanie - przynosząc znaczący prąd w jednym kierunku, jednocześnie ograniczając go w drugim - skutecznie przekształca wejście prądu naprzemiennego (AC) na wyjście prądu stałego (DC).Proces rektyfikacji zależy od asymetrycznego przewodności połączenia P-N w odpowiedzi na napięcie napięcia.To sprawia, że jest to znaczący element zasilania i zastosowań modulacji sygnałów, w których koniecznym jest jednokierunkowy przepływ prądu.
Rola technologii połączenia kroniących P-N
Złącze P-N, potrzebne do diod, umożliwia przepływ prądu głównie w jednym kierunku ze względu na jego unikalne właściwości przewodzenia przy różnych uprzedzeniach elektrycznych.
W odwrotnym odchyleniu podłącz ujemny zacisk baterii do strony typu p i dodatnim zacisku do strony typu N.Ta konfiguracja zwiększa wbudowany potencjał skrzyżowania, poszerzając strefę wyczerpania i znacznie zmniejszając prąd dyfuzyjny.Prąd dryfujący pozostaje jednak nienaruszony, co powoduje mały, prawie stały prąd odwrotnego nasycenia (ID).Rozszerzona strefa wyczerpania przy odwrotnym odchyleniu działa jako bariera, ograniczając przepływ nośników ładunku i umożliwiając minimalny prąd.
W odchyleniu do przodu podłącz dodatni terminal baterii do strony typu p i ujemnego zacisku do strony typu N.Ta konfiguracja obniża potencjalną barierę na skrzyżowaniu, zwężając strefę wyczerpania.Zmniejszona wysokość bariery pozwala większościowi nośnikom (elektrony w typu N i otwory w typu P) na skrzyżowanie, znacznie zwiększając prąd dyfuzyjny (ID).W tej konfiguracji prąd dryfu mniejszościowych przewoźników pozostaje w dużej mierze nienaruszony.Zwężenie strefy wyczerpania pod uprzedzeniem do przodu zwiększa przewodność połączenia, umożliwiając znaczny przepływ prądu dyfuzyjnego, który jest prądem pierwotnym w tym trybie.
Po poddaniu się wysokim odwrotnym uprzedzeniom, zwykle kilkuset woltów, połączenie P-N może znosić ekstremalne warunki.Zgodnie z takimi napięciami intensywne pole elektryczne w strefie wyczerpania może generować znaczną liczbę par elektronu, potencjalnie prowadząc do gwałtownego wzrostu prądu i powodowania rozpadu połączenia.Stan ten jest ogólnie unikany w standardowych diod półprzewodników ze względu na ryzyko trwałego uszkodzenia.Jednak diody Zenera są zaprojektowane do niezawodnego działania w tym regionie awarii w celu zastosowań takich jak regulacja napięcia.
Rezystancja połączenia P-N zmienia się w zależności od wielkości i polaryzacji przyłożonego napięcia.Ta zmiana umożliwia preferencyjny przepływ prądu w kierunku do przodu, jednocześnie blokując go w odwrotnym.Ten przepływ prądu kierunkowego leży u podstaw skrzyżowania jako prostownika w różnych obwodach elektronicznych, od zasilania po systemy przetwarzania sygnałów.
Zastosowania diod skrzyżowania P-N jako prostowników
Nieodłączna zdolność diody połączenia P-N do umożliwienia przepływu prądu w jednym kierunku sprawia, że jest to skuteczny prostownik, przekształcając prąd naprzemienny (AC) w prąd stały (DC).Najprostszą formą takiego urządzenia jest prostownik półfalowy.
Rysunek 6: Proces rektyfikacji półfalowej
W półpalowym obwodzie prostownicowym dioda funkcjonuje podczas dodatnich i ujemnych pół-cykli sygnału wejściowego sygnału prądu przemiennego.Ta konfiguracja zwykle zawiera transformator z cewką wtórną, która indukuje siłę elektromotoryczną (EMF) poprzez wzajemną indukcję z cewką pierwotną.Polaryzacja indukowanego EMF zmienia się w cyklu AC.
Rycina 7: Półki dodatni
Górny koniec cewki wtórnej staje się dodatnio naładowany w stosunku do dolnego końca, który uprzedza diodę skrzyżowania P-N.To odchylenie umożliwia przepływ prądu przez rezystancję obciążenia (RL).W miarę przepływu prądu obserwuje się napięcie na RL, odpowiadające dodatnim pół-cyklu wejściowego AC.
Rysunek 8: Negatywny pół-cykl
Kiedy biegunowość indukowanego EMF odwraca, górny koniec staje się ujemny, a dolnej części pozytywnej.Te odwrotne odchylenie diody, skutecznie blokując przepływ prądu przez nią.W rezultacie nie uzyskano wyjściowej w ramach rezystancji obciążenia podczas tego pół-cyklu.
Charakterystyka i wyjście prostownika półfalowego
Półprzewodnikowy prostownik przekształca tylko dodatnie pół cykli wejścia prądu przemiennego w pulsujące wyjście DC.Wyjście to zawiera składniki prądu przemiennego i jest z natury nieciągły o niższej wydajności w porównaniu z prostownikami pełnej fali.Pulsujący charakter wyjścia można określić ilościowo poprzez obliczenie średniego prądu obciążenia.Mnożenie tego prądu przez rezystancję obciążenia (RLR_LRL) daje średnie napięcie DC wyjściowe.
Głównymi wadami prostownika półfalowego są jego nieefektywność i nieciągły charakter wydajności.W celu uzyskania stałego zasilania prądu stałego może być wymagane dalsze filtrowanie lub wygładzanie.Na wydajność i wydajność prostownika wpływają charakterystyka diody, takich jak jego prąd napięcia do przodu i prąd upływu do tyłu.Ponadto konstrukcja transformatora i wybór odporności na obciążenie są znaczące w optymalizacji ogólnej funkcjonalności prostownika.
Wniosek
W tym artykule badanie skrzyżowania P-N podkreśla zarówno szeroki zakres zastosowań we współczesnej elektronice, jak i kluczową rolę w rozwoju technologii półprzewodników.Od podstawowego działania radia kryształowego do wyrafinowanych mechanizmów rozpadu i rektyfikacji połączenia, połączenie P-N pojawia się jako ostateczny komponent w zapewnieniu przepływu prądu kierunkowego i stabilnego napięcia w obwodach elektronicznych.Szczegółowe badanie operacji odchylenia do przodu i do tyłu ilustruje wszechstronność połączenia w dostosowywaniu się do różnych naprężeń elektrycznych i warunków środowiskowych.Praktyczne zastosowania połączenia P-N, jak wykazano w prostownikach i regulatorach napięcia, podkreślają jego poważną funkcję w zwiększaniu wydajności i niezawodności urządzeń elektronicznych.Ostatecznie ta dogłębna analiza nie tylko wyjaśnia zasady operacyjne połączeń P-N, ale także pokazuje ich kluczową rolę w rozwijaniu technologii od prostych radiotelefonów po złożone obwody zintegrowane, oznaczając znaczącą epokę w dziedzinie elektroniki.
Często zadawane pytania [FAQ]
1. W jaki sposób połączenie PN jest używane jako prostownik?
Łączenie PN tworzy się, gdy połączone są materiały półprzewodników typu p i N.To połączenie naturalnie tworzy region wyczerpania, który działa jak bariera, umożliwiając łatwiejsze przepływ prądu w jednym kierunku niż drugi.Gdy napięcie prądu przemiennego jest przyłożone do połączenia PN, podczas dodatniej pół-cyklu złącze umożliwia przepuszczenie prądu (uprzedzone do przodu), a podczas ujemnego pół-cyklu blokuje prąd (uprzedzony do tyłu).To selektywne przewodnictwo powoduje, że produkcja jest głównie w jednym kierunku, skutecznie przekształcając AC na DC.
2. Jaki jest wspólny cel pn prostownika?
Głównym celem złącza PN prostownika jest wytworzenie stałego wyjścia DC z wejścia AC.Jest to potrzebne do zasilania obwodów elektronicznych, które wymagają DC do stabilnego działania.Prostownicy są ostateczne w jednostkach zasilających dla wszystkich rodzajów urządzeń elektronicznych i elektrycznych, od małych gadżetów po duże maszyny przemysłowe.
3. Jakie jest skorygujące zastosowanie diody połączenia PN?
Dioda połączenia PN została specjalnie zaprojektowana do wykorzystania zachowania skorygującego połączenia PN.Jest szeroko stosowany w obwodach jako prostownik do wykonania tej kluczowej funkcji konwersji AC na DC.W praktyce diody te znajdują się w ładowarkach dla akumulatorów, zasilaczy i systemów, które wymagają niezawodnego zasilania DC ze źródła prądu przemiennego, takiego jak sprzęt telekomunikacyjny i motoryzacyjne systemy elektryczne.
4. Do czego służy połączenie PN?
Oprócz rektyfikacji połączenia PN są stosowane w różnych innych zastosowaniach, takich jak modulacja sygnału, regulacja napięcia i diody emitujące światło (diody LED) do oświetlenia i wyświetlaczy.Jednak ich najbardziej znaczące i powszechne zastosowanie pozostaje w rektyfikacji, gdzie są użytecznymi elementami w przekształcaniu AC w użyteczną moc DC.
5. W jaki sposób dioda działa jak prostownik?
Dioda, która składa się z połączenia PN, działa jako prostownik, umożliwiając łatwiejszy przepływ prądu elektrycznego w jednym kierunku niż w odwrotnym kierunku.Warunkowe właściwości połączenia PN, przede wszystkim funkcję przepływu jednokierunkowego, sprawiają, że diody są idealne do blokowania ujemnej części sygnałów prądu przemiennego, umożliwiając w ten sposób tylko pozytywną część.To selektywne przejście prądu powoduje, że wyjście jest jednokierunkowym przepływem elektronów lub DC.