Det här inlägget utforskar grunderna för hur dioder fungerar.
En diod är den mest grundläggande användbara halvledarenheten. Den har två ledningar och fungerar som en enkelriktad grind för elektrisk ström. Dioder har många användningsområden, av vilka vi kommer att beröra senare.
Vi börjar vår handledning om hur dioder fungerar med en mycket snabb översikt över grundläggande halvledarfysik. Detta kommer att tjäna som grund för vilken alla dioder fungerar.
Hur dioder fungerar
Halvledare är varken bra ledare eller isolatorer. Emellertid kan deras motstånd styras av en process som kallas dopning för att antingen öka eller minska motståndet. Det är därför halvledare är så användbara.
En ren halvledare måste modifieras genom dopning för att ge den önskvärda egenskaper. Doping är att lägga till orenhetsatomer i materialet.
Det finns två huvudtyper av halvledarmaterial i elektronik: n-typ och p-typ.
Doping av kisel (eller germanium) kommer att avgöra om materialet är av n-typ eller p-typ.
N-typ och P-typ Material
För att producera ett halvledande material av n-typ kommer tillverkaren att tillsätta olika mängder arsenik, fosfor, antimon, vismut och andra pentavalenta element.
Pentavalent betyder att det finns fem elektroner i atomens yttersta skal (valensskal). När en pentavalent substans tillsätts till rent kisel, kommer fyra av de fem elektronerna att bindas kiselatomerna, medan den femte är en fri elektron.
För att producera ett halvledande material av p-typ kommer tillverkaren att tillsätta olika mängder aluminium, gallium, bor, indium och andra.
Ett annat sätt att tänka på ett hål är frånvaron av en elektron. Alla elektroner i Al-atomens valansskal kommer att delta och bindas till kiselatomerna. Men eftersom Al (och de andra materialen) alla är trevärda atomer, kommer det att finnas ett tomt utrymme eller ett “hål” där den fjärde elektronen normalt skulle vara.
Hål verkar röra sig i motsatt riktning mot elektroner. Detta beror på att varje gång en elektron rör sig in i ett hål skapar den ytterligare ett grepp bakom den.
Material av N-typ och p-typ är inte särskilt användbara. Tillsammans bildar de en P-N-korsning.
Det är viktigt att notera att tillverkaren inte skapar separata material av p-typ och n-typ och sedan limmar dem ihop. Snarare skulle en enda kiselbit ha vardera dopat i enlighet med detta.
Området på vardera sidan om diodövergången är utarmningsregionen. Detta område är utarmat av fria elektroner och hål.
Detta inträffar när de två materialen möts. Elektroner från sidan av n-typen rusar över för att fylla tomma hål på p-typen. Denna åtgärd “avslöjar” positiva laddningar i n-regionen eftersom hål lämnas kvar när elektronerna migrerar till andra sidan.
På samma sätt rör sig hål från p-sidan över till n-typmaterialet och avslöjar negativa laddningar. Se figuren nedan.
Även om hela dioden är elektriskt neutral skapar laddningarna i utarmningsområdet en barriärpotential. För kisel är detta ungefär 0,7 V (vid rumstemperatur) och för germanium är det cirka 0,3 V. Denna barriärpotential är också känd som “diodfall” och det är därför det faller 0,7 V över en kiseldiod i en energiförsörjning krets.
På grund av spärrpotentialen är en spänning med en viss amplitud och polaritet nödvändig för ledning (0,7 V för kisel). Dessa spänningar är förspänningarna. Biaspänningar styr bredden på utarmningsområdet. Detta styr motståndet hos P-N-korsningen och mängden ström som kan passera genom dioden.
Dioder kan fungera antingen i förspolning framåt eller bakåt. Framåtförspänning av en diod tillåter ström att strömma och omvänd förspänning av en diod blockerar ström från att strömma.
Allt ovan beskriver teorin om hur dioder fungerar. Men chansen är stor att du inte tillverkar ditt eget P-N-material eller dioder.
Anoden är den positiva sidan (p-typmaterial) och katoden är den negativa sidan (n-typmaterial). Ett enkelt sätt att komma ihåg detta är att linjen på katodesidan liknar ett negativt tecken som har vänt på änden.
När en spänningskälla ansluter till dioden med den negativa änden av källan på katoden och den positiva änden på anoden är dioden förspänd. Med andra ord, för att göra katoden mer negativ med avseende på anoden framåt förspänner dioden.
Tidigare kan du ha kommit till slutsatsen att en diod fungerar som en omkopplare. Detta är sant.
När du vidarebefordrar en diod stängs “omkopplaren” och strömmen strömmar genom den, om den applicerade potentialen är tillräcklig för att övervinna den spärrpotential som ställts in i utarmningsområdet.
När vi omvandlar förspänning av en diod, gör vi katoden mer positiv med avseende på anoden. Det här är som att vrida 10 V-källan som visas i figur 4 180 grader. Den positiva änden av källan skulle nu vara vid katoden och den negativa änden är vid anoden.
Om du gör detta ökar utarmningsregionens bredd. Detta händer eftersom fria elektroner i n-regionen dras till källans positiva terminal och lämnar hål (positiva laddningar). Elektronerna från källans negativa terminal lockas också till hålen i p-regionen. De fyller hålen i denna region nära korsningen och skapar negativa joner.
Observera att en mycket liten ström som kallas läckström fortfarande flyter efter omvänd förspänning av en diod, men eftersom den är i storleksordningen nanoampor eller mindre är den försumbar.
Utvidgningen av utarmningsområdet fortsätter tills spärrpotentialen matchar spänningskällans potential, som visas på bilden.
