Diode tiếp giáp PN

Điốt tiếp giáp PN là dạng cơ bản nhất của linh kiện bán dẫn và công nghệ của nó là cơ sở của nhiều thiết bị bán dẫn khác.

Sau điện trở và tụ điện, một trong những linh kiện điện tử được sử dụng rộng rãi nhất là diode tiếp giáp PN.

Diode tiếp giáp PN là định dạng diode bán dẫn cơ bản. Nó được sử dụng cho nhiều dạng chỉnh lưu cho các mức dòng điện cả lớn và nhỏ, cũng như các mức điện áp cao và thấp, và linh kiện bán dẫn này có nhiều công dụng trong tất cả các cách thiết kế mạch điện tử.

Tiếp giáp PN có đặc tính rất hữu ích là các electron chỉ có thể chạy theo một hướng. Vì dòng điện bao gồm một dòng các electron, điều này có nghĩa là dòng điện chỉ được phép chạy theo một hướng xuyên qua cấu trúc, nhưng nó bị ngăn không cho chảy theo hướng khác qua đường giao nhau.

Điốt tiếp giáp PN có thể được lấy trong một số vật liệu bán dẫn – những điốt đầu tiên có xu hướng được làm từ gecmani, nhưng hầu hết chúng ngày nay là điốt silicon.

Diode đơn giản về khái niệm cơ bản, được hình thành từ điểm nối của vật liệu loại N và loại P, mặc dù trên thực tế, việc chế tạo và lý thuyết hoạt động phức tạp hơn.

Ký hiệu mạch diode và cực tính

Giống như bất kỳ diode nào, diode tiếp giáp PN có hai kết nối hoặc điện cực. Điều này mang lại cho nó tên của nó: “di-” nghĩa là hai và “-ode” là sự rút ngắn điện cực.

Một điện cực của thiết bị bán dẫn được gọi là cực dương và điện cực kia được gọi là cực âm. Để dòng điện chạy qua điểm nối diode PN, nó phải được phân cực thuận. Trong những điều kiện này, dòng điện thông thường chạy từ cực dương sang cực âm, nhưng không phải ngược lại.

Có thể dễ dàng xác định cực tính của nhiều điốt có dây. “Thanh” trên ký hiệu mạch tương ứng với cực âm của diode và điều này thường được đánh dấu bằng một đường trắng xung quanh chu vi của diode thực. Định hướng cho điốt SMD ít rõ ràng hơn và thường được xác định do thực tế là điốt được chứa trong một gói tương tự như bóng bán dẫn có ba đầu cuối – chỉ có hai đầu được sử dụng cho điốt SMD, nhưng chúng chỉ có thể được định hướng theo một hướng.

Khi một diode tiếp giáp PN được phân cực thuận, cực dương là dương với cực âm, và ngược lại, khi phân cực ngược, cực âm là cực dương đối với cực dương.

Điều này có nghĩa là khi một diode được sử dụng trong một mạch giống như một bộ chỉnh lưu, thì cathode sẽ cung cấp đầu ra tích cực – anode vẫn còn dương hơn như được hiển thị trong mạch bên dưới.

Mạch này cho thấy cách cực dương của điốt là cực dương đối với cực âm và cực âm được kết nối với đầu ra là cực dương giống với dòng 0 vôn. Bằng cách này, các cực điện áp xung quanh mạch được duy trì.

Sự phát triển của diode tiếp giáp PN

Mối nối PN là một trong những cấu trúc quan trọng nhất trong ngành điện tử ngày nay. Nó là nền tảng của hầu hết công nghệ bán dẫn ngày nay và là thiết bị bán dẫn đầu tiên được sử dụng.

Diode bán dẫn đầu tiên được sử dụng là máy dò không dây Cat’s Whisker được sử dụng trong các bộ không dây ban đầu. Nó bao gồm một dây dẫn được đặt trên một vật liệu có hiệu quả là chất bán dẫn. Điểm mà dây gặp chất bán dẫn sau đó hình thành một điểm nối PN nhỏ và điều này phát hiện ra các tín hiệu vô tuyến. Nó thực sự là một dạng của diode Schottky, nhưng vẫn là dạng đầu tiên của mối nối PN và thiết bị bán dẫn.

Diode tiếp giáp PN là dạng linh kiện bán dẫn đầu tiên được nghiên cứu vào đầu những năm 1940 khi nghiên cứu thực sự đầu tiên được thực hiện về công nghệ bán dẫn. Người ta nhận thấy rằng các điốt tiếp xúc điểm nhỏ có thể chỉnh lưu một số tần số vi sóng được sử dụng trong các hệ thống radar thời kỳ đầu và kết quả là chúng sớm được sử dụng nhiều.

Ngày nay, đường giao nhau PN đã trải qua một quá trình phát triển đáng kể. Nhiều loại diode đang được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau. Thêm vào đó, điểm nối PN là cơ sở của phần lớn công nghệ bán dẫn ngày nay, nơi nó được sử dụng trong các bóng bán dẫn, FET và nhiều loại mạch tích hợp.

Mối nối PN được tìm thấy trong nhiều thiết bị bán dẫn ngày nay bao gồm điốt bán dẫn, bóng bán dẫn lưỡng cực, đường giao nhau FET, MOSFET, diac, thyristor và triac – nó tạo thành cơ sở của một lượng lớn công nghệ bán dẫn ngày nay.

Tiếp giáp PN

Tiếp giáp PN thường được làm từ một mảnh bán dẫn có hai khu vực khác nhau: một khu vực được tạo thành loại P và khu vực còn lại là loại N.

Theo đó các khu vực khác nhau của chất bán dẫn có các tính chất khác nhau. Chất bán dẫn loại N có thừa electron trong khi chất bán dẫn loại P có thừa lỗ trống.

Diode có thể được coi là bao gồm hai khu vực được đưa vào tiếp xúc mật thiết với nhau.

Khi điều này xảy ra, các lỗ sẽ khuếch tán vào vùng loại N và quá trình tương tự xảy ra đối với vật liệu loại P.

Khi sự khuếch tán này xảy ra, dòng điện tích thiết lập một điện trường bắt đầu cản trở dòng điện tích tiếp theo và trong thời gian ngắn và trạng thái cân bằng đạt được và không có dòng điện tích nào nữa.

Nơi hai khu vực gặp nhau và ở trạng thái cân bằng không có lỗ trống hoặc electron tự do. Điều này có nghĩa là không có khoản phí nào có sẵn trong khu vực này. Trên thực tế, khu vực này đang cạn kiệt các chất mang điện, nó được gọi là khu vực cạn kiệt.

Vùng suy giảm rất mỏng – thường chỉ vài phần nghìn milimet – nhưng điều này đủ để ngăn dòng điện chạy theo cách bình thường. Tuy nhiên, người ta thấy rằng các hiệu ứng khác nhau được nhận thấy phụ thuộc vào cách mà điện áp được đặt vào đường giao nhau.

• Dòng điện – Nếu điện áp được đặt vào sao cho khu vực loại P trở thành dương và loại N trở thành âm, các lỗ bị hút về phía điện áp âm và được hỗ trợ để nhảy qua lớp suy giảm.Tương tự như vậy các electron chuyển động về phía điện áp dương và nhảy lớp suy giảm. Mặc dù các lỗ trống và các electron đang chuyển động ngược chiều nhau, chúng mang các điện tích trái dấu và kết quả là chúng biểu diễn dòng điện chạy theo cùng một hướng.
• Không có dòng điện – Nếu điện áp được đặt vào điểm nối PN theo chiều ngược lại thì không có dòng điện nào chạy. Lý do cho điều này là các lỗ bị hút về phía điện thế âm được áp dụng cho vùng loại P.Tương tự như vậy, các electron bị hút về phía điện thế dương được áp dụng cho vùng loại N. Nói cách khác, các lỗ trống và các điện tử bị hút ra khỏi chính lớp tiếp giáp và vùng suy giảm chiều rộng tăng lên. Do đó không có dòng điện nào chạy qua đường giao nhau PN.

Đặc điểm mối nối PN

Trong khi điểm nối PN cung cấp một hành động chỉnh lưu tuyệt vời, nó không phải là một diode hoàn hảo có điện trở vô hạn theo hướng ngược lại và điện trở bằng không theo hướng thuận. Để có thể sử dụng mối nối PN, cần phải biết một chút về tính chất và đặc điểm của nó với phân cực thuận và nghịch.

Nhìn vào đồ thị đặc tính của tiếp giáp PN, có thể thấy rằng theo chiều thuận (phân cực thuận) có thể thấy rằng rất ít dòng điện chạy cho đến khi đạt đến một điện áp nhất định. Điều này đại diện cho công việc cần thiết để cho phép các chất mang điện vượt qua lớp cạn kiệt. Điện áp này thay đổi từ loại bán dẫn này sang loại bán dẫn khác. Đối với gecmani là khoảng 0,2 hoặc 0,3 vôn và đối với silic là khoảng 0,6 vôn.

Có thể đo điện áp khoảng 0,6 volt trên hầu hết các điốt dòng điện nhỏ khi chúng được phân cực thuận vì hầu hết các linh kiện điện tử này là silicon. Một số nhỏ sẽ cho thấy điện áp thấp hơn và có khả năng là germanium. Điốt chỉnh lưu công suất thường có điện áp lớn hơn trên chúng nhưng điều này một phần là do thực tế là có một số điện trở trong silicon, và một phần do thực tế là dòng điện cao hơn đang chảy và chúng hoạt động xa hơn trên đường cong.

Theo chiều ngược lại, một diode hoàn hảo sẽ không cho phép dòng điện chạy qua. Trong thực tế, một lượng nhỏ dòng điện chạy qua, mặc dù điều này có thể rất nhỏ và nằm trong vùng của amps pico hoặc microamps. Nó đã được phóng đại trên sơ đồ để có thể thấy được. Mặc dù thông thường nó rất thấp, nhưng hiệu suất của bất kỳ diode nào cũng sẽ suy giảm ở nhiệt độ cao hơn và người ta cũng phát hiện ra rằng germanium không tốt bằng silicon.

Dòng điện ngược này là kết quả của những gì được gọi là sóng mang thiểu số. Đây là một số lượng rất nhỏ các electron được tìm thấy trong vùng loại P hoặc các lỗ trống trong vùng loại N. Các chất bán dẫn ban đầu có mức hạt tải điện thiểu số tương đối cao, nhưng hiện nay khi việc sản xuất vật liệu bán dẫn đã tốt hơn rất nhiều, số lượng hạt tải điện thiểu số giảm đi nhiều cũng như mức độ dòng ngược.

Điểm nối diode PN cơ bản được sử dụng trong nhiều linh kiện điện tử trong toàn bộ ngành công nghiệp điện tử ngày nay: trong nhiều thiết kế mạch điện tử nói chung mới, thiết kế RF và nhiều lĩnh vực khác.

Ngay cả khi ở dạng cơ bản của nó như một diode, linh kiện điện tử này được sử dụng với số lượng rất lớn, nhưng xa hơn nữa, điểm nối PN tạo thành nền tảng của hầu hết các bóng bán dẫn công nghệ cao ngày nay, mạch tích hợp và các thiết bị bán dẫn khác. Nếu không có giao lộ PN, cuộc sống ngày nay sẽ rất khác, và đồ điện tử sẽ là một cảnh rất khác.