Zkoumání vlastností rektifikace PN křižovatek
Vývoj polovodičové technologie hrál klíčovou roli při vývoji moderní elektroniky, což je do značné míry ovlivněno pokrokem a vhledem do křižovatky P-N.Tento článek zkoumá operační principy a aplikace P-N křižovatek a spojuje je technologickou vynalézavostí krystalového rádia.Zpočátku zkoumá křišťálové rádio, chytré zařízení, které pracuje bez vnějšího výkonu, a využívá poloduktivní povahu Galeny (sulfid olova).To předchází podrobnější zkoumání křižovatky P-N, dominantního prvku v dnešních elektronických zařízeních, které fungují především jako usměrňovače.
Analýza operací dopředného a reverzního zkreslení v článku ukazuje, jak tyto procesy umožňují křižovatce řídit tok elektrického proudu v elektronických obvodech.Kromě toho zkoumá chování P-N křižovatky za různých podmínek a napětí, včetně jeho použití v zařízeních, jako jsou zenerové diody a usměrňovače.Tento důkladný přehled zdůrazňuje nejen fyzikální a elektronické mechanismy P-N křižovatek, ale také zdůrazňuje jejich dynamickou roli při rektikci a regulaci napětí.
Katalog
Obrázek 1: Cyrstal rádio
Zkoumání krystalového rádia
Křišťálové rádio, časný zázrak rozhlasové technologie, používal přírodní polovodiče jako Galena (sulfid olova) k práci bez jakéhokoli vnějšího zdroje energie.Galena je se svou krystalickou strukturou časným příkladem moderních polovodičů kvůli jeho přirozené schopnosti napravit, což je dnes pro diody potřebné.
Poloduktivní vlastnosti Galeny, včetně energetické mezery asi 0,4 elektronového voltů (EV), jsou pro jeho funkci dynamické.Tato mezera mezi valenčními a vodivými pásy, kombinovanými s malými nečistotami, pomáhá vzrušit elektrony, což jim umožňuje přesunout se do vodivého pásma a provádět elektřinu.Tento mechanismus umožnil detektoru krystalického rádia převést střídavý proud (AC) z antény na použitelný přímý proud (DC).Více prominentnější, demoduloval amplitudově modulované (AM) signály a extrahoval zvukové signály z rádiových vln.
V krystalovém rádiu anténa zachycuje signály rádiové frekvence a nasměruje je do ladicí cívky pro výběr požadované frekvence.Vybraný signál pak splňuje detektor Galena.Zde dochází k rektifikaci, přeměňování AC na modulovaný DC signál.Tento signál je poté odeslán do náhlavní soupravy nebo reproduktoru, kde je zvuková modulace slyšitelná a dokončuje překlad signálu bez externího výkonu.
Obrázek 2: P-N Rectifikující křižovatka
Porozumění rektikční křižovatce P-N
Spojení P-N je konečné pro moderní elektroniku, která funguje především jako usměrňovací dioda.Umožňuje proudění proudu v jednom směru, který je potřebný pro převod střídavého proudu (AC) k přímému proudu (DC).
Struktura a funkce
Spojení P-N sestává z polovodičových materiálů typu P a N.Typ P má nadbytek děr, zatímco typ N má nadbytek elektronů.Tam, kde se tyto materiály setkávají, tvoří zóna vyčerpání a vytváří vestavěnou potenciální bariéru, která zabraňuje volnému toku nosičů náboje mezi regiony.
Když je na nanesení pozitivního napětí aplikováno na stranu P ve srovnání s N-stranou (dopředu zkreslení), potenciální bariéra se snižuje, což umožňuje snadno proudit proud přes křižovatku.Když je aplikováno negativní napětí (reverzní zkreslení), bariéra se zvyšuje a blokuje proudový tok.Tato selektivní vodivost umožňuje diodě převést AC na DC.
Dioda P-N křižovatky je strategicky umístěna do obvodu, aby se vyrovnal s zamýšleným směrem proudu proudu.Na obvod se poté aplikuje napětí střídavého proudu.Během každého střídavého cyklu funguje dioda buď blokováním nebo umožněním projít proudem.Tento selektivní průchod, závislý na orientaci diody, umožňuje projít pouze polovinou střídavého cyklu, což vede k pulzujícímu DC výstupu.Pro transformaci tohoto pulzujícího DC na stabilnější a konzistentní DC napětí se pro vyhlazení výstupu používají komponenty, jako jsou kondenzátory a regulátory napětí.
Obrázek 3: P-N křižovatka s reverzním zkreslením
Analýza křižovatky P-N pod zpětným zkreslením
Reverzní zkreslení křižovatky P-N zahrnuje připojení záporného terminálu DC baterie k polovodiči typu p a kladný terminál k polovodiči typu N.Tato konfigurace zvyšuje elektrické pole napříč křižovatkou a tlačí většinu nosičů-dírky v typu P a elektrony v typu N-z křižovatky.Tato migrace zvyšuje šířku depleční zóny, což je plocha volného nosiče volného náboje, což účinně rozšiřuje bariéru, která brání pohybu nosiče náboje.
V tomto stavu je tok proudu napříč křižovatkou minimální a hlavně vyplývá z tepelně generovaných párů elektronových otvorů v polovodičovém materiálu.Když jsou v reverzní zkreslení, menšinové nosiče, jako jsou otvory v typu N a elektrony v typu P, přitahují se směrem k křižovatce a vytvářejí konzistentní, i když malý, reverzní saturační proud (IS).Tento proud se mírně zvyšuje s teplotou, protože se generují více nosičů náboje, přesto zůstává relativně stabilní bez ohledu na další zvýšení napětí reverzního zkreslení, což vysvětluje jeho charakterizaci jako „saturace“ proudu.
Použitím reverzního zkreslení je potenciální bariéra na křižovatce zvětšena, což výrazně zvyšuje bariérové napětí na V0 + V, kde V0 je kontaktní potenciál a V je aplikované napětí.Tato vyšší bariéra drasticky snižuje difúzní proud většinových nosičů a téměř ji eliminuje při reverzní zkreslení asi jednoho voltu, takže pouze reverzní saturační proud aktivní.To má za následek vysokou odolnost proti spojení, což prokazuje dynamiku pro aplikace, jako je regulace napětí a modulace signálu, kde vysoká impedance křižovatky omezuje proudový tok.Citlivost proudu reverzní saturace na teplotní změny také umožňuje fungovat spojení jako základní senzor a monitoruje změny aplikací citlivých na teplotu.
Obrázek 4: P-N křižovatka s dopředným zkreslením
Zkoumání křižovatky P-N pod předpojatost
V dopředu zkresleném P-N křižovatce se kladný terminál baterie DC spojuje s polovodičem typu p a záporná terminál se připojuje k polovodiči typu N.Toto nastavení způsobuje, že strana typu P je pozitivnější ve srovnání se stranou typu N.Za těchto podmínek je většina nosičů (otvory v typu p a elektrony v typu N) posunuta směrem k křižovatce.
Elektrické pole vytvořené baterií tlačí většinu nosičů pryč od příslušných terminálů a směrem k křižovatce.Když se tito nosiče pohybují a sbližují se na křižovatce, rekombinují.Tato rekombinace významně snižuje šířku depleční oblasti, což usnadňuje silnější tok nosičů přes křižovatku.
Aplikované dopředné napětí PROTI Snižuje potenciální energetickou bariéru křižovatky.Tato bariéra obvykle zabraňuje toku volného nosiče, ale dopředné napětí snižuje bariéru na PROTI0-PROTI1 kde PROTI0 je vestavěný potenciál křižovatky.Tato snížená výška bariéry umožňuje více elektronů a otvorů rozptýlit přes křižovatku.
Snížení výšky bariéry vede k podstatnému zvýšení difúzního proudu (Id ), což je tok nosičů náboje poháněného sníženou bariérou.Tento tok je primárně v jednom směru, přičemž většina nosičů se pohybuje směrem k křižovatce a skrz křižovatku.Proud v tomto stavu zkreslení vpřed je výrazně vyšší než na saturační proud (Is) Pozorováno pod reverzní zkreslení.
Tato sekvence operací zajišťuje, že spojení P-N účinně přeměňuje napětí baterie na vysoký průtok elektrického proudu přes polovodič.To je užitečné pro zařízení, jako jsou diody a tranzistory, kde je nutností kontrolovaný proudový tok.Schopnost přeplněné P-N křižovatky dopředu podporovat vysoký difúzní proud z něj činí nebezpečnou složku v různých elektronických aplikacích, od rektifikace po zesílení signálu.
Obrázek 5: Rozklad spojení
Jevy rozkladu ve křižovatkách P-N
K poruše spojení ve křižovatce P-N nastává, když zpětné napětí aplikované na křižovatce přesahuje specifický prahová hodnota, známá jako rozkladové napětí (PROTIBr) nebo napětí zeneru (PROTIz).Tento jev má za následek dramatický nárůst reverzního proudu bez významného nárůstu napětí.Zařízení, jako je Zener Diodes, využívají tuto charakteristiku pro regulaci napětí a spravují událost bez poškození.
V reverzní zkreslené křižovatce P-N se malý proud nazývá reverzní saturační proud (Is) Toky v důsledku tepelně generovaných nosičů.Jak se zvyšuje zpětné napětí, potenciální bariéra na křižovatce stoupá a potlačuje difúzní proud (Id), dokud se nestane efektivně nulou.To ponechá pouze (Is) pro udržení současného toku.
Zvyšování rozšíření oblasti zpětného napětí a vyčerpání
Jak se zpětné napětí neustále zvyšuje, oblast deplece se rozšiřuje.Když napětí na křižovatce dosáhnePROTIBrneboPROTIz, elektrické pole v oblasti vyčerpání se stává dostatečně intenzivním, aby zahájila rozpad křižovatky.K tomuto rozpadu dochází buď efektem zenerů nebo lavinovým efektem, což vede k významnému zvýšení proudu.
Efekt zeneru: Znevový efekt je dominantní při nižším rozpadu, obvykle pod 5V v křemíku.Zahrnuje kvantové mechanické tunelování elektronů napříč depleční oblastí.Intenzivní elektrické pole ve vrstvě vyčerpání je dostatečně silné, aby odstranily elektrony z jejich atomových vazb a vytvářely páry elektronových otvorů.Tyto nosiče jsou potom zameteny přes křižovatku po poli, což podstatně zvyšuje zpětný proud.
Efekt laviny: Při vyšších napětích, obecně nad 7V, převládá lavinový účinek.Menšinové nosiče (elektrony v oblasti typu P a otvory v oblasti typu N) získávají kinetickou energii z elektrického pole při překročení depleční oblasti.Pokud tito nosiče získají dostatečnou energii, mohou se srazit s atomy mřížky a uvolnit další páry elektronových děr.Tato sekundární generace nosičů může vést k dalším kolizím a vytvořit řetězovou reakci - lavinu - zvětšuje zpětný proud.
Schopnost křižovatky udržovat poruchu bez poškození závisí na účinném tepelném řízení a robustnosti její fyzické a elektronické struktury.Specifický mechanismus rozkladu - ať už zenener nebo lavina - závisí na vlastnostech materiálu polovodiče, jako jsou úrovně pásma a dopingové úrovně a vnější podmínky, jako je teplota.
Vysvětlil proces rektifikace
Proces rektifikace ve spojení P-N se spoléhá na jeho nelineární nebo nehmické chování.To je patrné v charakteristické křivce Volt-ampéru, která ukazuje asymetrickou odezvu křižovatky na napětí: obrácení polarity napětí nevytváří stejný proud v opačném směru.Tato asymetrie je potřebná pro rektifikační zařízení.
Porozumění chování
Když sinusové vstupní napětí s amplitudouPROTI0 je aplikována na spojení P-N, odpověď křižovatky je zobrazena na charakteristické křivce.Výstupní proud osciluje mezi I1(během dopředného zkreslení) a-I2 (během reverzní zkreslení).Klíčovým bodem je, žeI1 (dopředný proud) je mnohem větší než-I2 (zpětný proud).Tento rozdíl v současných velikostech mezi dopřednými a reverzními zkresleními umožňuje nápravu.
Účinky dopředu a zpětného zkreslení
V rámci dopředného zkreslení umožňuje křižovatka P-N velký proud (Id) pro tok, protože dopředné napětí snižuje potenciální bariéru.Tato redukce umožňuje většinovým nosičům (elektrony a otvory) volně se pohybovat přes křižovatku a generovat podstatný proud.V reverzní zkreslení se potenciální bariéra zvyšuje, což vážně omezuje tok nosičů a tím i proud.Proud během reverzního zkreslení (Is) je minimální ve srovnání s dopředným zkreslením.
Konverze AC na DC
Toto chování - povolení významného proudu v jednom směru a zároveň jeho omezení v druhém - efektivně převádí vstup střídavého proudu (AC) do výstupu přímého proudu (DC).Proces rektifikace závisí na asymetrické vodivosti P-N v reakci na střídavé napětí.Díky tomu je významnou složkou v aplikacích napájecích zdrojů a modulací signálu, kde je nutností jednosměrná proud proudu.
Úloha technologie P-N Rectifikující křižovatky v usměrňovačích
Spojení P-N, potřebné pro diody, umožňuje proudu proudit hlavně v jednom směru díky svým jedinečným vodivým vlastnostem při různých elektrických zkreslech.
V reverzní zkreslení připojte zápornou terminál baterie k straně typu p a kladný terminál na stranu typu N.Toto nastavení zvyšuje vestavěný potenciál křižovatky a rozšiřuje zónu vyčerpání a výrazně snižuje difúzní proud.Driftový proud však zůstává nedotčen, což má za následek malý, téměř konstantní reverzní saturační proud (Id).Rozšířená zóna vyčerpání pod reverzní zkreslení působí jako bariéra, omezuje tok nosičů náboje a umožňuje projít minimálním proudem.
Při dopředném zkreslení připojte kladný terminál baterie ke straně typu P a zápornou terminálu na stranu typu N.Toto nastavení snižuje potenciální bariéru na křižovatce a zúží zónu vyčerpání.Snížená výška bariéry umožňuje více nositelům většiny (elektrony v typu N a otvory v typu P) překročit křižovatku, což výrazně zvyšuje difúzní proud (Id).V této konfiguraci zůstává proud driftu menšinových nosičů do značné míry neovlivněn.Zúžení zóny vyčerpání pod předpojatost vpřed zvyšuje vodivost křižovatky a umožňuje podstatný tok difúzního proudu, což je primární proud v tomto režimu.
Při podrobení vysokým reverzním zkreslením, obvykle několik set voltů, může křižovatka P-N snášet extrémní podmínky.Při takovém napětí může intenzivní elektrické pole napříč depleční zónou generovat významný počet párů elektronových děr, což potenciálně vede k prudkému zvýšení proudu a způsobuje rozpad spojení.Tento stav se obecně vyhýbá standardních polovodičových dioDů kvůli riziku trvalého poškození.Diody zeneru jsou však navrženy tak, aby spolehlivě fungovaly v této oblasti rozkladu pro aplikace, jako je regulace napětí.
Odolnost spojky P-N se liší v závislosti na velikosti a polaritě aplikovaného napětí.Tato variace umožňuje preferenční proudový tok ve směru dopředu a zároveň jej blokuje opačně.Tento tok směrového proudu podporuje roli křižovatky jako usměrňovače v různých elektronických obvodech, od napájecího zdroje po systémy zpracování signálu.
Aplikace diodů P-N spojení jako usměrňovače
Inherentní schopnost P-N Junction Dioda umožnit proudění proudu v jednom směru z něj činí účinný usměrňovač, který převádí střídavý proud (AC) na přímý proud (DC).Nejjednodušší formou takového zařízení je poloviční vlnová usměrňovač.
Obrázek 6: Proces rektifikace poloviční vlny
V obvodu usměrňovače poloviční vlny funguje dioda během pozitivního a negativního polovičního cyklu vstupního signálu AC.Toto nastavení obvykle zahrnuje transformátor se sekundární cívkou, která indukuje elektromotickou sílu (EMF) prostřednictvím vzájemné indukce s primární cívkou.Polarita indukovaného EMF se mění s cyklem AC.
Obrázek 7: Pozitivní poloviční cyklus
Horní konec sekundární cívky se stává pozitivně nabitý vzhledem k dolnímu konci, který dopředu zkreslení P-N křižovatky.Toto zkreslení umožňuje protékat proud přes odpor zatížení (RL).Jak proud proudí, je pozorováno napětí napříč RL, což odpovídá pozitivnímu polovině vstupu AC.
Obrázek 8: Negativní poloviční cyklus
Když se polarita indukovaného EMF obrátí, horní konec se stane negativním a spodní konec pozitivní.Tyto reverzní zkreslení diody a účinně blokují proudový tok skrz ni.Výsledkem je, že během tohoto polovičního cyklu není získán žádný výstup přes odpor zatížení.
Charakteristiky a výstup na poloviční vlnové usměrňovače
Sled poloviční vlny přeměňuje pouze pozitivní poloviční cykly vstupu AC do pulzujícího výstupu DC.Tento výstup obsahuje složky AC a je ze své podstaty diskontinuální s nižší účinností ve srovnání s usměrňovači plné vlny.Pulzující povaha výstupu může být kvantifikována výpočtem průměrného proudu zátěže.Násobení tohoto proudu odporem zátěže (RLR_LRL) poskytuje průměrné výstupní DC napětí.
Hlavními nevýhodou usměrňovače poloviny vlny jsou jeho neefektivnost a diskontinuální povaha výstupu.K dosažení stabilního DC dodávky může být vyžadováno další filtrování nebo vyhlazení.Výkon a účinnost usměrňovače je ovlivněn charakteristikami diody, jako je jeho přepětí napětí a proud pro zpětný únik.Kromě toho jsou návrh transformátoru a výběr odporu zatížení významný při optimalizaci celkové funkce usměrňovače.
Závěr
Zkoumání křižovatky P-N tohoto článku zdůrazňuje jak jeho širokou škálu využití v současné elektronice, tak jeho klíčovou roli ve vývoji polovodičové technologie.Od základního provozu krystalového rádia po sofistikované mechanismy rozpadu a rektifikace křižovatky se P-N spojuje jako konečná složka při zajišťování toku směrového proudu a výstupů stabilního napětí v elektronických obvodech.Podrobné zkoumání operací dopředu i reverzního zkreslení ilustruje všestrannost křižovatky při přizpůsobování se různým elektrickým napětím a podmínkám prostředí.Praktické aplikace křižovatky P-N, jak je prokázáno v usnesených a regulátorech napětí, zdůrazňují jeho vážnou funkci při zvyšování účinnosti a spolehlivosti elektronických zařízení.Nakonec tato hloubková analýza nejen objasňuje operační principy spojů P-N, ale také ukazuje svou klíčovou roli při rozvíjejícím se technologii od jednoduchých rádií po komplexní integrované obvody, což označuje významnou epochu v oblasti elektroniky.
Často kladené otázky [FAQ]
1. Jak se používá PN křižovatka jako usměrňovač?
Když se spojí polovodičové materiály typu P a N-typu P a N-typu P a N typu P a N.Tato křižovatka přirozeně vytváří depleční oblast, která působí jako bariéra, což umožňuje proudu snadněji proudit v jednom směru než druhý.Když je napětí AC aplikováno na spojení PN, během pozitivního polovičního cyklu umožňuje spojení proud projít (dopředu zkreslený) a během negativního polovičního cyklu blokuje proud (zpětně zkreslený).Toto selektivní vedení vede k tomu, že výstup je převážně v jednom směru a účinně převádí AC na DC.
2. Jaký je společný účel křižovatky na usměrňovači?
Primárním účelem usměrňovače PN spojení je vytvořit stabilní DC výstup ze vstupu AC.To je nutné při napájení elektronických obvodů, které vyžadují DC pro stabilní provoz.Osměrné prostředky jsou konečné v napájecích jednotkách pro všechny druhy elektronických a elektrických zařízení, od malých pomůcek po velké průmyslové stroje.
3. Co je to rektifikační aplikace diody Pn Junction?
Dioda PN Junction je speciálně navržena tak, aby využila rektikční chování PN křižovatky.V obvodech se široce používá jako usměrňovač k provedení této klíčové funkce konverze AC až DC.Z praktického hlediska se tyto diody nacházejí v nabíjecích pro baterie, napájecí adaptéry a systémy, které vyžadují spolehlivé DC dodávky ze zdroje střídavého proudu, jako jsou telekomunikační zařízení a elektrické systémy automobilů.
4. K čemu se používá křižovatka PN?
Kromě rektifikace se pro osvětlení a displeje používají křižovatky PN v různých jiných aplikacích, jako je modulace signálu, regulace napětí a diody emitující světlo (LED).Jejich nejvýznamnější a nejrozšířenější použití však zůstává v rektikci, kde jsou užitečnými součástmi při přeměně AC na použitelný DC výkon.
5. Jak funguje dioda jako usměrňovač?
Dioda, která se skládá z PN křižovatky, působí jako usměrňovač tím, že umožňuje proudění elektrického proudu snadněji v jednom směru než v opačném směru.Inherentní vlastnosti spojení PN, především funkcí jednosměrného toku, způsobují, že diody jsou ideální pro blokování negativní části AC signálů, čímž umožňují projít pouze pozitivní část.Tento selektivní průchod proudu má za následek, že výstup je jednosměrný tok elektronů nebo DC.