на 2024/06/24 433

Проучване на свойствата на ректификацията на PN кръстовищата

Развитието на полупроводниковите технологии изигра ключова роля в развитието на съвременната електроника, до голяма степен повлияна от напредъка и прозренията в P-N кръстовището.Тази статия изследва оперативните принципи и приложения на P-N кръстовища, съпоставяйки ги с технологичната изобретателност на кристалното радио.Първоначално той изследва кристалното радио, умно устройство, което работи без външна мощност, използвайки полупроводящата природа на Галена (оловен сулфид).Това предхожда по-подробно изследване на P-N кръстовището, доминиращ елемент в днешните електронни устройства, функциониращ предимно като диод на изправител.

Анализът на операциите за напред и обратни пристрастия в статията показва как тези процеси позволяват на кръстовището да управлява потока на електрическия ток в електронните вериги.В допълнение, той изследва поведението на P-N Junction при различни условия и напрежения, включително използването му в устройства като Zener Diodes и токоизправители.Този задълбочен преглед не само подчертава физическите и електронните механизми на P-N кръстовищата, но също така подчертава тяхната динамична роля в регулирането на регулирането и напрежението.

Каталог

Фигура 1: Cyrstal Radio

Проучване на кристалното радио

Кристалното радио, ранно чудо на радио технологиите, използва естествени полупроводници като Galena (оловен сулфид), за да работи без външен източник на енергия.Галена, със своята кристална структура, е ранен пример за съвременни полупроводници поради естествената си способност за отстраняване, което е необходимо за диодите днес.

Полупроводящите свойства на Galena, включително енергийна пропаст от около 0,4 електронни волта (EV), са динамични за неговата функция.Тази пропаст между валентните и проводимите ленти, комбинирана с малки примеси, помага за възбуждане на електрони, което им позволява да се преместят в проводимата лента и да провеждат електричество.Този механизъм даде възможност на кристалния радио детектор да преобразува променлив ток (AC) от антената в използваем директен ток (DC).По-ясно, той демодулира амплитудно модулирани сигнали (AM), извличайки аудио сигнали от радиовълни.

В кристално радио антената улавя радиочестотните сигнали и ги насочва към настройка на намотката, за да избере желаната честота.След това избраният сигнал отговаря на детектора на Галена.Тук се появява коригиране, превръщайки AC в модулиран DC сигнал.След това този сигнал се изпраща до слушалки или високоговорител, където аудио модулацията става звукова, завършвайки превод на сигнала без външна мощност.

Фигура 2: P-N коригиращ възел

Разбиране на P-N коригиращия възел

P-N кръстовището е крайно за съвременната електроника, която функционира предимно като диод на изправител.Той позволява на тока да тече в една посока, която е необходима за преобразуване на променлив ток (AC) в директен ток (DC).

Структура и функция

P-N кръстовището се състои от P-тип и N-тип полупроводникови материали.P-тип има излишък от дупки, докато N-тип има излишък от електрони.Когато тези материали се срещат, се образува зона за изчерпване, създавайки вградена потенциална бариера, която предотвратява свободния поток на носителите на заряд между регионите.

Когато се прилага положително напрежение върху P-страната спрямо N-страна (отклонение напред), потенциалната бариера се понижава, което позволява на тока лесно да тече през кръстовището.Когато се прилага отрицателно напрежение (обратни отклонения), бариерата се повишава, блокирайки потока на тока.Тази селективна проводимост е това, което дава възможност на диода да преобразува AC в DC.

Диодът P-N Junction е стратегически поставен във веригата, за да се приведе в съответствие с предвидената посока на текущия поток.След това се прилага променливо напрежение към веригата.По време на всеки променлив цикъл диодът функционира, като блокира или позволява на тока да премине.Този селективен пасаж, в зависимост от ориентацията на диода, позволява само половината от променливия цикъл да премине, което води до пулсиращ DC изход.За да се трансформира този пулсиращ DC в по -стабилно и последователно постояннотоково напрежение, се използват компоненти като кондензатори и регулатори на напрежението, за да изгладят изхода.

Фигура 3: P-N кръстовище с обратни отклонения

Анализиране на P-N възел под обратното отклонение

Обратното отклоняване на P-N кръстовище включва свързване на отрицателния терминал на постоянен ток към P-тип полупроводник и положителния терминал към полупроводника N-тип.Тази конфигурация подобрява електрическото поле през кръстовището, като изтласква по-голямата част от носителите-се появяват в P-типа и електроните в N-тип-далеч от кръстовището.Тази миграция увеличава ширината на зоната на изчерпване, площ, празно от носители на свободен заряд, като ефективно разширява бариерата, която възпрепятства движението на носителя на заряда.

В това състояние потокът на тока през кръстовището е минимален и главно е резултат от термично генерирани двойки електрон в полупроводниковия материал.Когато в обратна пристрастие, малцинствените носители, като дупки в N-тип и електрони в P-тип, се привличат към кръстовището, създавайки последователен, макар и малък, обратен ток на насищане (IS).Този ток леко се увеличава с температурата, тъй като се генерират повече носители на заряд, но въпреки това остава сравнително стабилен, независимо от по -нататъшното увеличение на напрежението на обратното отклонение, което обяснява характеристиката му като "насищане" ток.

Чрез прилагане на обратни отклонения, потенциалната бариера на кръстовището се разширява, значително засилва бариерното напрежение до V0 + V, където V0 е потенциалът за контакт и V е приложеното напрежение.Тази по -висока бариера драстично намалява дифузионния ток на по -голямата част от носителите, като почти го елиминира при обратното отклонение от около един волт, оставяйки само обратен ток на насищане.Това води до високо съпротивление на кръстовището, което доказва динамично за приложения като регулиране на напрежението и модулация на сигнала, където високият импеданс на кръстовището ограничава токовия поток.Чувствителността на тока на обратната наситеност към температурните изменения също позволява на кръстовището да функционира като основен сензор, наблюдава се промените за чувствителните към температурата приложения.

Фигура 4: P-N кръстовище с отклонение напред

Разглеждане на P-N кръстовището под предубеждение напред

В пренасочен P-N възел, положителният терминал на DC батерията се свързва към P-тип полупроводник, а отрицателният терминал се свързва към полупроводника N-тип.Тази настройка прави P-типа страна по-положителна в сравнение със страната на N-тип.При тези условия по-голямата част от носителите (дупки в P-тип и електрони в N-тип) се задвижват към кръстовището.

Електрическото поле, създадено от батерията, изтласква по -голямата част от носителите далеч от съответните им терминали и към кръстовището.Докато тези превозвачи се движат и се сближават на кръстовището, те рекомбинират.Тази рекомбинация значително намалява ширината на областта на изчерпване, улеснявайки по -силен поток от носители през кръстовището.

Приложеното напрежение напред V понижава потенциалната енергийна бариера на кръстовището.Обикновено тази бариера предотвратява свободния поток на носителя, но напрежението напред намалява бариерата до V₀-V₁ Къде V₀ е вграденият потенциал на кръстовището.Тази понижена височина на бариерата позволява на повече електрони и дупки да се дифундират през кръстовището.

Понижаването на височината на бариерата води до значително увеличаване на дифузионния ток (I_г ), която е потокът от носители на заряд, управляван от намалената бариера.Този поток е предимно в една посока, като по -голямата част от носителите се движат към и през кръстовището.Токът в това състояние на напредничаI_s) Наблюдавани при обратни пристрастия.

Тази последователност от операции гарантира, че P-N кръстовището ефективно преобразува напрежението на батерията във висок поток на електрически ток през полупроводника.Това е полезно за устройства като диоди и транзистори, където контролираният токов поток е задължителен.Способността на P-N Junction да поддържа висок дифузионен ток го прави опасен компонент в различни електронни приложения, от коригиране до усилване на сигнала.

Фигура 5: Разбивка на кръстовището

Явления на разпадане в p-n кръстовища

Разбивка на кръстовището в P-N възел възниква, когато обратното напрежение, приложено през кръстовището, надвишава специфичен праг, известен като напрежение на разрушаване (V_Br) или напрежение на Zener (V_z).Това явление води до драстично увеличение на обратния ток без значително повишаване на напрежението.Устройства като Zener Diodes използват тази характеристика за регулиране на напрежението, управление на събитието без повреди.

В обратното пристрастено P-N възел, малък ток, наречен ток на обратна насищане (I_s) Потоци поради термично генерирани носители.С увеличаването на обратното напрежение, потенциалната бариера на кръстовището се повишава, потискайки дифузионния ток (I_г), докато ефективно стане нула.Това оставя само (I_s) за поддържане на текущия поток.

Увеличаване на разширяването на обратното напрежение и изчерпването

Тъй като обратното напрежение продължава да се увеличава, регионът на изчерпване се разширява.Когато напрежението на кръстовището достигнеV_BrилиV_z, Електрическото поле в областта на изчерпване става достатъчно интензивно, за да инициира разрушаване на кръстовището.Това разбиване се случва или чрез ефекта на Zener, или през лавинския ефект, което води до значително увеличение на тока.

Zener Effect: Ефектът на Zener е доминиращ при по -ниски напрежения на разрушаване, обикновено под 5V в силиций.Тя включва квантовото механично тунелиране на електрони в областта на изчерпване.Интензивното електрическо поле в изчерпващия слой е достатъчно силно, за да се съблече електрони от техните атомни връзки, създавайки двойки електронни дупки.След това тези носители се прехвърлят през кръстовището по полето, като значително увеличават обратния ток.

Ефект на лавина: При по -високи напрежения, обикновено над 7V, ефектът на лавината преобладава.Миноритарните носители (електрони в областта на P-тип и дупките в региона от тип N) придобиват кинетична енергия от електрическото поле, докато преминават в областта на изчерпването.Ако тези носители придобият достатъчно енергия, те могат да се сблъскат с решетъчни атоми, освобождавайки допълнителни двойки електронни дупки.Това вторично поколение носители може да доведе до по -нататъшни сблъсъци, създавайки верижна реакция - лавина - по този начин увеличавайки обратния ток.

Способността на кръстовището да поддържа разбивка без повреда зависи от ефективното термично управление и стабилността на неговата физическа и електронна структура.Специфичният механизъм за разпадане - независимо дали Зенера или лавина - зависи от свойствата на материала на полупроводника, като пропаст в лентата и нива на допинг и външни условия като температура.

Процесът на коригиране обясни

Процесът на коригиране в P-N кръстовище разчита на нелинейното си или не-OHMIC поведение.Това е очевидно в характеристичната крива на волт-амперата, която показва асиметричната реакция на съединението към напрежението: обръщането на полярността на напрежението не произвежда същия ток в обратна посока.Тази асиметрия е необходима за коригиране на устройства.

Разбиране на поведението

Когато синусоидално входно напрежение с амплитудаV₀ се прилага към P-N кръстовище, отговорът на кръстовището е показан на характерната крива.Изходният ток се колебае между I₁(по време на пристрастия напред) и-I₂ (По време на обратни пристрастия).Ключовият момент е товаI₁ (напред ток) е много по-голям от-I₂ (обратният ток).Тази разлика в текущите величини между напред и обратни пристрастия позволява коригиране.

Ефекти на пристрастия напред и обратни пристрастия

При пристрастие напред, P-N кръстовището позволява голям ток (I_г) да тече, защото напрежението напред намалява потенциалната бариера.Това намаление позволява на мнозинството носители (електрони и дупки) да се движат свободно през кръстовището, генерирайки значителен ток.В обратното отклонение потенциалната бариера се увеличава, като силно ограничава потока на носителите и по този начин токът.Токът по време на обратни отклонения (I_s) е минимален в сравнение с тока на отклонение напред.

Преобразуване на AC в DC

Това поведение - което позволява значителен ток в една посока, като същевременно го ограничава в другата - ефективно преобразува редуващия се вход на тока (AC) в изход на директен ток (DC).Процесът на коригиране зависи от асиметричната проводимост на P-N възел в отговор на променливо напрежение.Това го прави важен компонент в захранването и приложенията за модулация на сигнала, където еднопосочният токов поток е задължителен.

Роля на P-N коригиращата технология на кръстовищата в токоизправителите

P-N възел, необходим за диоди, позволява на тока да тече главно в една посока поради уникалните си свойства на проводимост при различни електрически отклонения.

В обратното отклонение свържете отрицателния терминал на батерията към страната на P-тип и положителния терминал към N-тип.Тази настройка увеличава вградения потенциал на кръстовището, разширявайки зоната на изчерпване и значително намалява дифузионния ток.Дрифт токът обаче остава незасегнат, което води до малък, почти постоянен ток на обратна насищане (I_г).Разширената зона за изчерпване при обратни пристрастия действа като бариера, ограничавайки потока на носителя на заряда и позволява да премине минимален ток.

В пристрастия напред свържете положителния терминал на батерията към страната на P-тип и отрицателния терминал към N-тип.Тази настройка понижава потенциалната бариера на кръстовището, като стеснява зоната на изчерпване.Намалената височина на бариерата позволява на повече мажоритарни носители (електрони в N-тип и дупки в P-типа) да преминат към кръстовището, като значително увеличават дифузионния ток (I_г).В тази конфигурация дрейчният ток на малцинствените превозвачи остава до голяма степен незасегнат.Стесняване на зоната на изчерпване под отклонение напред повишава проводимостта на съединението, което позволява значителен поток от дифузионен ток, който е основният ток в този режим.

Когато се подлага на високи обратни отклонения, обикновено няколкостотин волта, P-N възелът може да издържи екстремни условия.При такива напрежения интензивното електрическо поле в зоната на изчерпване може да генерира значителен брой двойки електронни дупки, което потенциално води до рязко увеличаване на тока и причинявайки разрушаване на съединението.Това състояние обикновено се избягва в стандартните полупроводникови диоди поради риска от трайни щети.Въпреки това, Zener Diodes са проектирани да работят надеждно в този участък на разбивка за приложения като регулиране на напрежението.

Съпротивлението на P-N възел варира в зависимост от величината и полярността на приложеното напрежение.Тази вариация позволява преференциален поток на тока в посока напред, като същевременно го блокира обратно.Този насочен ток на тока е в основата на ролята на кръстовището като токоизправител в различни електронни вериги, от захранвания до системи за обработка на сигнали.

Приложения на P-N Junction Diodes като токоизправители

Присъстващата способност на диода на P-N Junction да позволява на тока да тече в една посока го прави ефективен изправител, превръщайки променлив ток (AC) в директен ток (DC).Най-простата форма на такова устройство е токоизправител на половин вълна.

Фигура 6: Процес на поправяне на половин вълна

Във верига на токоизправител на половин вълна, диодът функционира по време на положителния и отрицателен полуцикли на входния сигнал на променлив ток.Тази настройка обикновено включва трансформатор с вторична намотка, която индуцира електромоторна сила (EMF) чрез взаимна индукция с първичната намотка.Полярността на индуцираната ЕМП се променя с цикъла на променлив ток.

Фигура 7: Положителен полу-цикъл

Горният край на вторичната намотка става положително зареден спрямо долния край, който напред отклонява P-N съединителния диод.Това отклонение позволява токът да тече през устойчивостта на натоварване (RL).Тъй като токът тече, напрежението се наблюдава през RL, съответстващо на положителния полуциклет на променлив ток.

Фигура 8: Отрицателен полу-цикъл

Когато полярността на индуцираната ЕМП се обърне, горният край става отрицателен, а долният край е положителен.Тези обратни отклоняват диода, ефективно блокирайки тока на потока през него.В резултат на това не се получава изход през устойчивостта на натоварване по време на този полу-цикъл.

Характеристики и изход на токоизправител на половин вълна

Полувесният токоизправител преобразува само положителните полуцикли на променлив ток в пулсиращ изход на постоянен ток.Този изход съдържа компоненти на променлив ток и по своята същност е прекъснат с по-ниска ефективност в сравнение с токоизправителите с пълна вълна.Пулсиращият характер на изхода може да бъде определен количествено чрез изчисляване на средния ток на натоварване.Умножаването на този ток по съпротивлението на натоварването (RLR_LRL) дава средното изходно постоянно напрежение.

Основните недостатъци на токоизправител на половин вълна са неговата неефективност и прекъсният характер на изхода.Може да се изисква допълнително филтриране или изглаждане, за да се постигне стабилно захранване с постоянен ток.Производителността и ефективността на токоизточника се влияят от характеристиките на диода, като например спад на напрежението и обратния ток на изтичане.В допълнение, дизайнът на трансформатора и изборът на устойчивост на натоварване са значителни за оптимизиране на общата функционалност на токоизправителя.

Заключение

Изследването на тази статия на P-N кръстовището подчертава както широкия му набор от приложения в съвременната електроника, така и ключовата му роля в развитието на полупроводниковите технологии.От основната работа на кристално радио до сложните механизми на разрушаване и регулиране на съединението, P-N възелът се очертава като краен компонент за осигуряване на насочен поток и стабилни изходи на напрежение в електронни вериги.Подробното изследване както на операциите напред, така и на обратното отклонение илюстрира гъвкавостта на кръстовището при адаптиране към различни електрически напрежения и условия на околната среда.Практическите приложения на P-N възел, както е показано в регулаторите на токоизправителите и напрежението, подчертават сериозната му функция за повишаване на ефективността и надеждността на електронните устройства.В крайна сметка този задълбочен анализ не само изяснява оперативните принципи на P-N кръстовищата, но също така показва тяхната ключова роля в развитието на технологията от прости радиостанции към сложни интегрални схеми, отбелязвайки значителна епоха в областта на електрониката.

Често задавани въпроси [FAQ]

1. Как се използва PN възел като изправител?

PN възел се образува, когато се съединяват P-тип и N-тип полупроводникови материали.Този кръстовище естествено създава регион на изчерпване, който действа като бариера, което позволява на тока да тече по -лесно в едната посока от другата.Когато напрежението на променлив ток се прилага към PN възел, по време на положителния полуцикъл, кръстовището позволява токът да премине (напред), а по време на отрицателния полуцикъл, той блокира тока (обратна пристрастна).Тази селективна проводимост води до това, че изходът е предимно в една посока, като ефективно преобразува AC в DC.

2. Каква е общата цел на токоизправител PN възел?

Основната цел на токоизправителния PN възел е да се получи постоянен DC изход от вход на променлив ток.Това е необходимо при захранване на електронни схеми, които изискват DC за стабилна работа.Токоизпълнителите са крайни в захранващите единици за всички видове електронни и електрически устройства, от малки джаджи до големи промишлени машини.

3. Какво е коригиращото приложение на диода на PN Junction?

Диодът PN Junction е специално проектиран да използва коригиращото поведение на PN кръстовището.Той се използва широко в вериги като изправител за изпълнение на тази ключова функция на AC към DC конверсия.На практика тези диоди се намират в зарядни устройства за батерии, адаптери за захранване и системи, които изискват надеждно захранване на постоянен ток от източник на променлив ток, като телекомуникационно оборудване и автомобилни електрически системи.

4. За какво се използва PN възелът?

Освен коригиране, PN кръстовищата се използват в различни други приложения като модулация на сигнала, регулиране на напрежението и диоди, излъчващи светлина (светодиоди) за осветяване и дисплеи.Въпреки това, тяхната най -значима и широко разпространена употреба остава в коригиране, където те са полезни компоненти при преобразуване на AC в използваема постоянен ток.

5. Как диод действа като изправител?

Диод, който се състои от PN възел, действа като изправител, като позволява на електрическия ток да тече по -лесно в една посока, отколкото в обратна посока.В присъщите свойства на PN кръстовището, предимно характеристиката на еднопосочния поток, правят диодите идеални за блокиране на отрицателната част на променливи сигнали, като по този начин позволяват да премине само положителната част.Това селективно преминаване на ток води до това, че изходът е еднопосочен поток на електрони или постоянен ток.