Diodes: unió pn, tipus, construcció i treball

Què és el díode?

En general, tots els dispositius electrònics necessiten una font d'alimentació de CC però és impossible generar alimentació de CC, per tant, necessitem una alternativa per obtenir una mica de corrent continu, de manera que l'ús de díodes apareix a la imatge per convertir l'alimentació de CA en corrent continu. Un díode és un petit component electrònic utilitzat en gairebé tots els circuits electrònics per permetre el flux de corrent en una sola direcció ( dispositiu unidireccional) ). Podem dir que l’ús de materials semiconductors per construir els components electrònics es va iniciar amb díodes. Abans de la invenció del díode n’hi havia amb tubs de buit, on les aplicacions d’aquests dos dispositius eren similars, però la mida que ocupa el tub de buit serà molt més gran que els díodes. La construcció de tubs de buit és una mica complexa i és difícil de mantenir en comparació amb els díodes semiconductors. Poques aplicacions dels díodes són la rectificació, l'amplificació, l'interruptor electrònic, la conversió d'energia elèctrica en energia lumínica i l'energia lumínica en energia elèctrica.

Història del díode:

L’any 1940 a Bell Labs, Russell Ohl treballava amb un cristall de silici per conèixer les seves propietats. Un dia, accidentalment, quan el cristall de silici que tenia una esquerda va quedar exposat a la llum del sol, va trobar el flux de corrent a través del cristall i més tard es va anomenar díode, que va ser el començament de l'era dels semiconductors.

Construcció de díodes:

Els materials sòlids es classifiquen generalment en tres tipus: conductors, aïllants i semiconductors. Els conductors tenen un nombre màxim d’electrons lliures, els aïllants tenen un nombre mínim d’electrons lliures (insignificants de manera que el flux de corrent no és del tot possible), mentre que els semiconductors poden ser conductors o aïllants en funció del potencial que s’hi apliqui. Els semiconductors d'ús general són el silici i el germani. Es prefereix el silici perquè està abundantment disponible a la terra i proporciona un rang tèrmic millor.

Els semiconductors també es classifiquen en dos tipus com a semiconductors intrínsecs i extrínsecs.

Semiconductors intrínsecs:

També s’anomenen semiconductors purs on els portadors de càrrega (electrons i forats) es troben en la mateixa quantitat a la temperatura ambient. Per tant, la conducció de corrent té lloc tant pels forats com pels electrons.

Semiconductors extrínsecs:

Per tal d’augmentar el nombre de forats o electrons en un material, apostem per semiconductors extrínsecs on s’afegeixen al silici impureses (diferents del silici i el germani o simplement materials trivalents o pentavalents). Aquest procés d’afegir impureses als semiconductors purs s’anomena dopatge.

Formació de semiconductors de tipus P i N:

Semiconductor de tipus N:

Si s’afegeixen elements pentavalents (el nombre d’electrons de valència són cinc) al Si o Ge, hi ha electrons lliures disponibles. Com els electrons (portadors de càrrega negativa) són més en nombre aquests es denominen com de tipus N semiconductor . En el tipus N, els electrons semiconductors són portadors de càrrega majoritaris i els forats són portadors de càrrega minoritaris.

Pocs elements pentavalents són el fòsfor, l’arsènic, l’antimoni i el bismut. Com que tenen un excés d'electró de valance i estan preparats per aparellar-se amb la partícula externa amb càrrega positiva, aquests elements es denominen donants .

Semiconductor de tipus P

De la mateixa manera, si s’afegeixen elements trivalents com el bor, l’alumini, l’indi i el gal, a Si o Ge, es crea un forat perquè hi ha tres electrons de valència. Com que un forat està preparat per acceptar un electró i aparellar-se, es diu Acceptors . Com el nombre de forats són l'excés de material recentment format es denominen com els semiconductors de tipus P . Als semiconductors de tipus P els portadors de càrrega són majoritaris i els electrons són portadors de càrrega minoritaris.

Diodo de connexió PN:

Ara, si unim els dos tipus de semiconductors de tipus P i tipus N, es forma un nou dispositiu anomenat díode de juntura PN. Com que es forma una unió entre un material de tipus P i un material de tipus N, s’anomena unió PN.

La paraula díode es pot explicar ja que "Di" significa dos i "oda" s'obté a partir de l'elèctrode. Com que el component acabat de formar pot tenir dos terminals o elèctrodes (un connectat al tipus P i l’altre al tipus N) s’anomena diode o díode d’unió PN o díode semiconductor.

El terminal connectat a material de tipus P s’anomena ànode i el terminal connectat a material de tipus N s’anomena càtode .

La representació simbòlica del díode és la següent.

La fletxa indica el flux de corrent a través d'ella quan el díode està en mode esbiaixat cap endavant, el guió o el bloc a la punta de la fletxa indiquen el bloqueig de corrent en la direcció oposada.

Teoria de la unió PN:

Hem vist com es fabrica un díode amb semiconductors P i N, però hem de saber què passa al seu interior per formar una propietat única de permetre el corrent en una sola direcció i què passa al punt de contacte exacte inicialment a la seva unió.

Formació d'unió:

Inicialment, quan tots dos materials s’uneixen (sense aplicar cap tensió externa), l’excés d’electrons del tipus N i l’excés de forats del tipus P s’atrauran els uns als altres i es recombinen allà on es forma ions immòbils (ió donant i ió acceptor) té lloc tal com es mostra a la imatge següent. Aquests ions immòbils resisteixen el flux d'electrons o forats a través d'ell que ara actuen com a barrera entre els dos materials (la formació de barrera significa que els ions immòbils es difonen a les regions P i N). La barrera que es forma ara s’anomena regió d’esgotament . En aquest cas, l’amplada de la regió d’esgotament depèn de la concentració de dopatge en els materials.

Si la concentració de dopatge és igual en els dos materials, els ions immòbils es difonen en els materials P i N per igual.

I si la concentració de dopatge difereix entre si?

Bé, si el dopatge difereix, l’amplada de la regió d’esgotament també difereix. La seva difusió és més a la regió lleugerament dopada i menys a la regió fortament dopada .

Ara vegem el comportament del díode quan s'aplica la tensió adequada.

Diodo en biaix cap endavant

Hi ha un nombre de díodes la construcció és similar, però el tipus de material utilitzat difereix. Per exemple, si tenim en compte un díode emissor de llum, està format per materials d’alumini, gal i arsenur que quan són excitats alliberen energia en forma de llum. De la mateixa manera, es consideren variacions en les propietats del díode com la capacitat interna, el voltatge de llindar, etc. i es dissenya un díode particular en funció d’aquestes.

Aquí hem explicat diversos tipus de díodes amb el seu funcionament, símbol i aplicacions:

• Diodo Zener
• LED
• Díode LÀSER
• Fotodiode
• Diodo Varactor
• Diodo Schottky
• Diodo de túnel
• Díode PIN, etc.

Vegem breument el principi de funcionament i la construcció d’aquests dispositius.

Diodo Zener:

Les regions P i N d’aquest díode estan molt dopades de manera que la regió d’esgotament és molt estreta. A diferència d’un díode normal, la seva tensió de ruptura és molt baixa, quan la tensió inversa és superior o igual a la tensió de ruptura, la regió d’esgotament s’esvaeix i una tensió constant passa pel díode fins i tot si s’incrementa la tensió inversa. Per tant, el díode s’utilitza per regular la tensió i mantenir la tensió de sortida constant quan es polaritza adequadament. Aquí hi ha un exemple de limitació de la tensió mitjançant Zener.

El desglossament del díode Zener s’anomena desglossament zener . Vol dir que quan s’aplica la tensió inversa al díode zener es desenvolupa un fort camp elèctric a la unió que és suficient per trencar els enllaços covalents dins de la unió i provocar un gran flux de corrent. La ruptura de Zener es produeix a voltatges molt baixos en comparació amb la ruptura per allau.

Hi ha un altre tipus de desglossament anomenat desglossament per allau generalment vist en el díode normal que requereix una gran quantitat de voltatge invers per trencar la unió. El seu principi de funcionament és que quan el díode està esbiaixat inversament, els petits corrents de fuita passen pel díode, quan augmenta encara més la tensió inversa, també augmenta el corrent de fuita que és prou ràpid com per trencar pocs enllaços covalents dins de la unió. els enllaços covalents restants causen enormes corrents de fuita que poden danyar el díode per sempre.

Diode emissor de llum (LED):

La seva construcció és similar a un díode simple, però s’utilitzen diverses combinacions de semiconductors per generar diferents colors. Es treballa en la manera de polarització directa. Quan es produeix la recombinació del forat d’electrons, s’allibera un fotó resultant que emet llum, si s’incrementa encara més la tensió directa, s’alliberaran més fotons i també augmentarà la intensitat de la llum, però la tensió no hauria de superar el seu valor llindar; en cas contrari, el LED es fa malbé.

Per generar diferents colors, s’utilitzen combinacions d’AlGaAs (alumini Gallium Arsenide) - vermell i infrarojos, GaP (Gallium Phosphide) - groc i verd, InGaN (Indium Gallium Nitride) - LEDs blaus i ultraviolats, etc. Comproveu un circuit LED senzill. aquí.

Per a un LED IR podem veure la seva llum a través d’una càmera.

Diodo LÀSER:

LASER significa Amplificació de la llum per emissió estimulada de radiació. Una unió PN està formada per dues capes d’arsenur de gal·li dopat on s’aplica un recobriment reflectant alt a un extrem de la unió i un recobriment reflectant parcial a l’altre extrem. Quan el díode està esbiaixat cap endavant de manera similar al LED, allibera fotons, que impacten contra altres àtoms, de manera que els fotons s’alliberaran excessivament, quan un fotó colpeja el recobriment reflectant i repeteix la unió de nou més fotons, aquest procés es repeteix i un feix d’intensitat alta de llum s’allibera en una sola direcció. El díode làser necessita un circuit Driver per funcionar correctament.

La representació simbòlica d’un díode LÀSER és similar a la del LED.

Foto díode:

En un díode fotogràfic, el corrent a través d’ell depèn de l’energia lluminosa aplicada a la unió PN. S’actua en polarització inversa. Com s'ha comentat anteriorment, un petit corrent de fuita flueix a través d'un díode quan es polaritza inversament, el que aquí s'anomena corrent fosc . Com que el corrent es deu a la manca de llum (foscor) es diu així. Aquest díode està construït de manera que quan la llum toca la unió és suficient per trencar els parells de forats d'electrons i generar electrons que augmenten el corrent invers de fuita. Aquí podeu comprovar el fotodiode que treballa amb LED IR.

Diodo Varactor:

També s’anomena díode Varicap (condensador variable). Es opera en la manera de polarització inversa. La definició general d’una separació de condensadors de la placa conductora amb un aïllant o un dielèctric, quan un díode normal és polaritzat inversament, l’amplada de la regió d’esgotament augmenta, ja que la regió d’esgotament representa un aïllant o un dielèctric que ara pot actuar com a condensador. Amb la variació de la tensió inversa fa que la separació de les regions P i N variï, de manera que el díode funcioni com a condensador variable.

Atès que la capacitat augmenta amb la disminució de la distància entre les plaques, la gran tensió inversa significa la baixa capacitat i viceversa.

Diodo Schottky:

El semiconductor de tipus N s’uneix al metall (or, plata) de manera que hi ha electrons d’alt nivell d’energia en el díode, que s’anomenen portadors en calent, de manera que aquest díode també s’anomena diode portador en calent . No té portadors minoritaris i no existeix una regió d’esgotament, més aviat existeix una unió metàl·lica de semiconductors, quan aquest díode està esbiaixat cap endavant i actua com a conductor, però la càrrega té alts nivells d’energia que són útils en la commutació ràpida, especialment en circuits digitals. s’utilitza en aplicacions de microones. Comproveu el díode Schottky en acció aquí.

Diodo de túnel:

Les regions P i N d’aquest díode estan molt dopades, de manera que l’existència d’un esgotament és molt estreta. Presenta una regió de resistència negativa que es pot utilitzar com a oscil·lador i amplificadors de microones. Quan aquest díode està esbiaixat cap endavant, ja que la regió d’esgotament és estreta pel túnel d’electrons que hi travessa, el corrent augmenta ràpidament amb un petit canvi de voltatge. Quan la tensió augmenta encara més, a causa de l’excés d’electrons a la unió, l’amplada de la regió d’esgotament comença a augmentar provocant el bloqueig del corrent directe (on es forma la regió de resistència negativa) quan la tensió directa augmenta encara més, actua com a díode normal.

Diodo PIN:

En aquest díode, les regions P i N estan separades per un semiconductor intrínsec. Quan el díode està polaritzat inversament actua com un condensador valorat constant. En estat de biaix cap endavant, actua com una resistència variable controlada pel corrent. S'utilitza en aplicacions de microones que han de ser controlades per voltatge continu.

La seva representació simbòlica és similar a un díode PN normal.

Aplicacions de díodes:

• Font d'alimentació regulada: pràcticament és impossible generar tensió de corrent continu, l'únic tipus de font disponible és el voltatge de corrent altern. Atès que els díodes són dispositius unidireccionals, es pot utilitzar per convertir la tensió de CA a la CC pulsant i amb seccions de filtratge addicionals (mitjançant condensadors i inductors) es pot obtenir una tensió de CC aproximada.

• Circuits sintonitzadors: en els sistemes de comunicació a l’extrem del receptor, atès que l’antena rep totes les freqüències de ràdio disponibles a l’espai, cal seleccionar la freqüència desitjada. Per tant, s’utilitzen circuits sintonitzadors que no són res més que el circuit amb condensadors i inductors variables. En aquest cas es pot utilitzar un díode varactor.

• Televisors, semàfors, taulers de visualització: per mostrar imatges en televisors o en taulers de visualització s’utilitzen LEDs. Com que el LED consumeix molt menys energia, s’utilitza àmpliament en sistemes d’il·luminació com les bombetes LED.

• Reguladors de tensió: com que el díode Zener té una tensió de ruptura molt baixa, es pot utilitzar com a regulador de tensió quan es polaritza inversament.

• Detectors en sistemes de comunicacions: un detector conegut que utilitza díodes és un detector Envelope que s’utilitza per detectar els pics del senyal modulat.