á 2024/06/24 437

Að kanna leiðréttingareiginleika PN mótanna

Þróun hálfleiðara tækni hefur gegnt lykilhlutverki í þróun nútíma rafeindatækni, að mestu leyti undir áhrifum af framgangi og innsýn í P-N mótum.Þessi grein kannar rekstrarreglur og forrit P-N mótanna og samsettir þær með tæknilegu hugviti kristalútvarpsins.Upphaflega kannar það Crystal Radio, snjallt tæki sem starfar án utanaðkomandi afls, með því að nota hálfleiðandi eðli Galena (blý súlfíð).Þetta er á undan ítarlegri skoðun á P-N mótum, ráðandi þáttur í rafeindatækjum nútímans, fyrst og fremst að virka sem afrétti díóða.

Greiningin á fram- og öfugri hlutdrægni í greininni sýnir hvernig þessir ferlar leyfa mótum að stjórna rafstraumstreymi í rafrásum.Að auki kannar það hegðun P-N Junction við ýmsar aðstæður og spennu, þar með talið notkun þess í tækjum eins og Zener díóða og afrétti.Þessi ítarlega endurskoðun undirstrikar ekki aðeins líkamlega og rafræna fyrirkomulag P-N mótanna heldur leggur einnig áherslu á kraftmikið hlutverk þeirra í leiðréttingu og spennu reglugerð.

Vörulisti

Mynd 1: Cyrstal útvarp

Að kanna kristalútvarpið

Crystal Radio, snemma undur útvarpstækni, notaði náttúrulega hálfleiðara eins og Galena (blý súlfíð) til að vinna án utanaðkomandi aflgjafa.Galena, með kristallaða uppbyggingu, er snemma dæmi um nútíma hálfleiðara vegna náttúrulegrar getu þess til að bæta úr, sem er þörf fyrir díóða í dag.

Hálfleiðandi eiginleikar Galena, þar með talið orkumun sem er um það bil 0,4 rafeindvolt (EV), eru kraftmikil fyrir virkni þess.Þetta bil á milli gildis og leiðslubanda, ásamt litlum óhreinindum, hjálpar til við að vekja rafeindir, sem gerir þeim kleift að fara inn í leiðslubandið og framkvæma rafmagn.Þessi fyrirkomulag gerði Crystal Radio Detector kleift að umbreyta skiptisstraumi (AC) úr loftnetinu í nothæfan beinan straum (DC).Meira áberandi, það demotuled amplitude-mótað (AM) merki, útdráttar hljóðmerki úr útvarpsbylgjum.

Í kristalútvarpi tekur loftnetið útvarpstíðni og beinir þeim að stillingarspólu til að velja æskilega tíðni.Valið merki uppfyllir síðan Galena skynjara.Hér á sér stað leiðrétting og umbreytir AC í mótað DC merki.Þetta merki er síðan sent til heyrnartóls eða hátalara, þar sem hljóð mótunin verður heyranleg og lýkur merkisþýðingunni án utanaðkomandi afls.

Mynd 2: P-N leiðréttingaramót

Að skilja P-N leiðréttingaramótin

P-N mótum er fullkominn fyrir nútíma rafeindatækni og virkar fyrst og fremst sem afriðað díóða.Það gerir straumnum kleift að renna í eina átt, sem þarf til að umbreyta skiptisstraumi (AC) til að beina straumi (DC).

Uppbygging og virkni

P-N mótunin samanstendur af P-gerð og n-gerð hálfleiðara efni.P-gerðin er með umfram göt en N-gerðin er með umfram rafeindir.Þar sem þessi efni mætast myndar eyðingarsvæði og skapar innbyggða mögulega hindrun sem kemur í veg fyrir frjálst flæði hleðsluberja milli svæðanna.

Þegar jákvæð spenna er beitt á P-hliðina miðað við N-hliðina (fram á hlutdrægni) lækkar hugsanleg hindrun, sem gerir straumnum kleift að renna auðveldlega yfir mótum.Þegar neikvæð spenna er beitt (öfug hlutdrægni), þá eykur hindrunin og hindrar straumstreymi.Þessi sértækni leiðni er það sem gerir díóða kleift að umbreyta AC í DC.

P-N mótum díóða er beitt sett í hringrásina til að samræma fyrirhugaða stefnu núverandi flæðis.AC spennu er síðan beitt á hringrásina.Meðan á hverri AC hringrás stendur virkar díóða með því að hindra annað hvort að hindra eða leyfa straumnum að fara í gegnum.Þessi sértæka leið, háð stefnumörkun díóða, leyfir aðeins helming AC hringrásarinnar að líða, sem leiðir til pulsating DC framleiðsla.Til að umbreyta þessum púlsandi DC í stöðugri og stöðugri DC spennu eru íhlutir eins og þéttar og spennueftirlitsmenn notaðir til að slétta framleiðsluna.

Mynd 3: P-N mótum með öfugri hlutdrægni

Að greina P-N mótum undir öfugri hlutdrægni

Andstæða hlutdrægni P-N mótum felur í sér að tengja neikvæða flugstöð DC rafhlöðu við P-gerð hálfleiðara og jákvæða flugstöðina við n-gerð hálfleiðara.Þessi uppsetning eykur rafsviðið yfir mótum og ýtir meirihluta flutningsaðila-götum í P-gerð og rafeindum í N-gerðinni-frá mótum.Þessi flutningur eykur breidd eyðingarsvæðisins, svæði ógilt frjálsra hleðslufyrirtækja, sem víkkar hindranirnar sem hindrar hreyfingu hleðslu.

Í þessu ástandi er straumstreymi yfir mótum í lágmarki og er aðallega afleiðing af hitamynduðum rafeindaholuðum pörum innan hálfleiðaraefnisins.Þegar þeir eru í öfugri hlutdrægni eru minnihlutabifreiðar, svo sem göt í N-gerð og rafeindum í P-gerðinni, dregnar í átt að mótum og skapar stöðugan, að vísu lítill, öfugum mettun straumi (IS).Þessi straumur eykst lítillega með hitastigi eftir því sem fleiri hleðsluberar eru búnir til, en samt er hann tiltölulega stöðugur óháð frekari hækkun á öfugri hlutdrægni, sem skýrir persónusköpun sína sem „mettun“ straum.

Með því að beita öfugri hlutdrægni er hugsanleg hindrun á mótum stækkuð, sem eykur verulega hindrunina í V0 + V, þar sem V0 er snertimöguleiki og V er beitt spenna.Þessi hærri hindrun dregur verulega úr dreifingarstraumi meirihluta burðarefna og útrýmir því næstum því við öfugan hlutdrægni um það bil einn volt og skilur aðeins öfugan mettun straum virkan.Þetta hefur í för með sér mikla mótun viðnám, sem reynir kraftmikið fyrir forrit eins og spennu reglugerð og merkis mótun, þar sem hátt viðnám mótarins takmarkar núverandi flæði.Næmi öfugra mettunarstraums fyrir hitastigsbreytileika gerir einnig kleift að virkja sem grunnskynjari og fylgjast með breytingum fyrir hitastigsnæmum forritum.

Mynd 4: P-N mótum með framsóknarskyni

Að skoða P-N mótaröðina undir framsæknum hlutdrægni

Í framvirkri hlutdrægu P-N mótum tengist jákvæða flugstöð DC rafhlöðunnar við P-gerð hálfleiðara og neikvæða flugstöðin tengist n-gerð hálfleiðara.Þessi uppsetning gerir P-gerð hliðar jákvæðari miðað við N-gerð hliðarinnar.Við þessar aðstæður er meirihluti flutningsaðila (göt í P-gerð og rafeindum í N-gerðinni) ekið í átt að mótum.

Rafsviðið sem búið er til af rafhlöðunni ýtir meirihluta flutningsmanna frá skautunum og í átt að mótum.Þegar þessir flutningsaðilar hreyfast og renna saman við mótum, sameinast þeir.Þessi endurröðun dregur verulega úr breidd eyðingarsvæðisins og auðveldar sterkara flæði burðarefna yfir mótum.

Beitt framspenna V lækkar hugsanlega orkuhindrun mótunarinnar.Venjulega kemur þessi hindrun í veg fyrir ókeypis burðarrennsli, en framspenna dregur úr hindruninni V₀-V₁ hvar V₀ er innbyggður möguleiki mótunarinnar.Þessi lækkaða hindrunarhæð gerir kleift að fleiri rafeindir og göt dreifist yfir mótum.

Að lækka hæð hindrunar leiðir til verulegrar aukningar á dreifingarstraumnum (I_D. ) sem er flæði hleðsluberja sem ekið er af minni hindruninni.Þetta flæði er fyrst og fremst í eina átt, þar sem meirihluti flutningsaðila færist í átt að og í gegnum mótum.Straumurinn í þessu framsækna ástandi er verulega hærri en öfug mettunarstraumur (I_s) Sést undir öfugri hlutdrægni.

Þessi aðgerðaröð tryggir að P-N mótum umbreytir í raun spennu rafhlöðunnar í mikið flæði rafstraums í gegnum hálfleiðara.Þetta er gagnlegt fyrir tæki eins og díóða og smára, þar sem stjórnað straumstreymi er nauðsyn.Hæfni framvirkra hlutdrægni P-N Junction til að styðja við háan dreifingarstraum gerir það að óöruggum þáttum í ýmsum rafrænum forritum, frá leiðréttingu til merkismögnun.

Mynd 5: Skipting mótum

Sundurliðunarfyrirbæri í P-N mótum

Sundurliðun á mótum í P-N mótum á sér stað þegar öfug spenna sem beitt er yfir mótum er meiri en ákveðinn þröskuldur, þekktur sem sundurliðunarspenna (V_Br) eða Zener spennu (V_z).Þetta fyrirbæri hefur í för með sér stórkostlega aukningu á öfugum straumi án verulegrar hækkunar á spennu.Tæki eins og Zener Diodes nýta þetta einkenni fyrir spennu reglugerð og stjórna atburðinum án tjóns.

Í öfugum hlutdrægum P-N mótum, lítill straumur kallaður öfug mettunarstraumur (I_s) Flæðir vegna hitamyndaðra burðarefna.Þegar öfug spenna eykst hækkar hugsanleg hindrun á mótum og bælir dreifingarstrauminn (I_D.) þar til það verður í raun núll.Þetta skilur aðeins eftir (I_s) til að halda uppi núverandi flæði.

Auka öfug spennu og eyðingarsvæði

Þegar öfug spenna heldur áfram að aukast, eykst eyðingarsvæðið.Þegar spenna á mótum nærV_BreðaV_z, rafsviðið innan eyðingarsvæðisins verður nógu ákafur til að hefja sundurliðun mótum.Þessi sundurliðun á sér stað með annað hvort Zener -áhrifunum eða snjóflóðaáhrifunum, sem leiðir til verulegrar aukningar á straumi.

Zener áhrif: Zener -áhrifin eru ráðandi við lægri sundurliðun, venjulega undir 5V í sílikoni.Það felur í sér skammtafræðilega jarðgang rafeinda yfir eyðingarsvæðið.Hinn ákafur rafsvið í eyðingarlaginu er nógu sterkur til að ræma rafeindir úr atómböndum þeirra og búa til rafeindaholupör.Þessum burðarefnum er síðan hrífast yfir mótum við akurinn og auka verulega öfugan straum.

Snjóflóðáhrif: Við hærri spennu, yfirleitt yfir 7V, eru snjóflóðáhrifin ríkjandi.Minnihlutabifreiðar (rafeindir á P-gerð svæðisins og göt á N-gerðinni) fá hreyfiorku frá rafsviðinu þegar þeir fara yfir eyðingarsvæðið.Ef þessir flutningsaðilar öðlast næga orku geta þeir rekist á grindareindir og sleppt viðbótar rafeindaholuðum pörum.Þessi auka kynslóð flutningsaðila getur leitt til frekari árekstra og skapað keðjuverkun - snjóflóð - þannig að stækka öfugan straum.

Geta Junction til að halda uppi sundurliðun án tjóns veltur á skilvirkri hitastjórnun og styrkleika líkamlegrar og rafrænnar uppbyggingar þess.Sérstaki sundurliðunarbúnaðurinn - hvort sem það er Zener eða snjóflóð - háð efniseiginleikum hálfleiðara, svo sem bandbils og lyfjamisstigum, og ytri aðstæðum eins og hitastigi.

Ferlið við leiðréttingu útskýrt

Leiðréttingarferlið í P-N mótum treystir á ólínulegu, eða ekki Ohmic, hegðun.Þetta er augljóst í volt-Ampere einkennandi ferli, sem sýnir ósamhverfar viðbrögð mótunarinnar við spennu: að snúa spennu póluninni framleiðir ekki sama straum í gagnstæða átt.Þessa ósamhverfu er þörf til að bæta úr tækjum.

Að skilja hegðunina

Þegar sinusoidal inntaksspenna með amplitudeV₀ er beitt á P-N mótum, svörun mótunarinnar er sýnd á einkennandi ferlinum.Framleiðsla straumur sveiflast á milli I₁(á framvirkri hlutdrægni) og-I₂ (meðan á öfugri hlutdrægni stendur).Lykilatriðið er þaðI₁ (áfram straumur) er miklu stærri en-I₂ (öfug straumur).Þessi munur á núverandi stærðargráðu milli fram- og öfugra hlutdrægni gerir kleift að leiðrétta.

Áhrif áfram og öfugra hlutdrægni

Undir hlutdrægni gerir P-N mótaröðin mikinn straum (I_D.) að streyma vegna þess að framspenna dregur úr hugsanlegri hindrun.Þessi lækkun gerir meirihluta burðarefnum (rafeindum og götum) kleift að hreyfa sig frjálslega yfir mótum og skapa verulegan straum.Í öfugri hlutdrægni eykst hugsanleg hindrun og takmarkar rennsli burðarefna verulega og þar með strauminn.Strauminn við öfugan hlutdrægni (I_s) er í lágmarki miðað við framvirkan hlutdrægni.

Umbreyting AC í DC

Þessi hegðun - sem gerir verulegum straumi í eina átt á meðan hann takmarkar hann í hinni - breytir verulegum til skiptisstraums (AC) inntaki í beina straum (DC) framleiðsla.Leiðréttingarferlið veltur á ósamhverfri leiðni P-N mótum til að bregðast við skiptisspennu.Þetta gerir það að verulegum þætti í aflgjafa og merkingaraðilum, þar sem óeðlilegt straumstraumur er nauðsyn.

Hlutverk P-N leiðrétta mótunartækni í endurrétti

P-N mótum, sem þarf fyrir díóða, gerir straumnum kleift að flæða aðallega í eina átt vegna einstaka leiðni eiginleika þess undir mismunandi rafknúnum hlutdrægni.

Í öfugri hlutdrægni skaltu tengja neikvæða flugstöð rafhlöðunnar við P-gerð hliðar og jákvæða flugstöðina við N-gerð hliðar.Þessi uppsetning eykur innbyggða möguleika mótunarinnar, víkkar eyðingarsvæðið og dregur mjög úr dreifingarstraumnum.Drifstraumurinn er þó ekki fyrir áhrifum, sem leiðir til lítillar, næstum stöðugs öfugra mettunarstraums (I_D.).Stækkaða eyðingarsvæði undir öfugri hlutdrægni virkar sem hindrun, takmarka flæði hleðsluberja og leyfa lágmarks straumi að fara framhjá.

Tengdu jákvæða flugstöð rafhlöðunnar við P-gerð hliðar og neikvæða flugstöðina við n-gerð hliðar.Þessi uppsetning lækkar mögulega hindrun á mótum og þrengir eyðingarsvæðið.Minni hindrunarhæð gerir meiri meirihluta burðarefni (rafeindir í N-gerð og götum í P-gerðinni) kleift að komast yfir mótum og auka verulega dreifingarstrauminn (I_D.).Í þessari uppstillingu er svifstraumur minnihluta flutningafyrirtækja að mestu leyti ekki fyrir áhrifum.Þrenging á eyðingarsvæðinu undir framvirkri hlutdrægni eykur leiðni mótunarinnar, sem gerir kleift að verulegt dreifingarstraum, sem er aðalstraumurinn í þessum ham.

Þegar P-N mótum er háð miklum öfugum hlutdrægni, venjulega nokkur hundruð volt, getur P-N mótum þolað erfiðar aðstæður.Undir slíkum spennum getur ákafur rafsvið yfir eyðingarsvæðið valdið verulegum fjölda rafeindaholspara, sem hugsanlega leitt til mikillar aukningar á straumi og valdið sundurliðun mótum.Yfirleitt er forðast þetta ástand í venjulegum hálfleiðara díóða vegna hættu á varanlegu tjóni.Samt sem áður eru Zener díóða hannaðar til að starfa áreiðanlega á þessu sundurliðunarsvæði fyrir forrit eins og spennu reglugerð.

Viðnám P-N mótunarinnar er breytileg með umfangi og pólun beittu spennunnar.Þessi breytileiki gerir kleift að flæða í forgangsstraumi í framsóknarstefnu meðan hann hindrar það öfugt.Þetta stefnu straumstraums liggur til grundvallar hlutverki Junction sem afriðara í ýmsum rafrænum hringrásum, frá aflgjafa til merkisvinnslukerfa.

Forrit af p-n mótum díóða sem afriðlar

P-N Junction díóða díóða getu til að leyfa straumnum að renna í eina átt gerir það að áhrifaríkum afriðara, umbreyta skiptisstraumi (AC) í beinan straum (DC).Einfaldasta form slíks tækis er hálfbylgjuafritari.

Mynd 6: Hálfbylgjuleiðréttingarferli

Í hálfrar bylgjuhringrás virkar díóða meðan á jákvæðu og neikvæðu hálfhringjum AC innlags stendur.Þessi uppsetning felur venjulega í sér spennir með aukaspól sem framkallar rafsegulkraft (EMF) með gagnkvæmri örvun með aðal spólu.Pólun framkallaðs EMF breytist með AC hringrásinni.

Mynd 7: Jákvæð hálfhringrás

Efri endinn á aukaspólanum verður jákvætt hlaðinn miðað við neðri endann, sem framsendir P-N mótum díóða.Þessi hlutdrægni gerir straumnum kleift að renna í gegnum álagsþol (RL).Þegar straumurinn rennur sést spenna yfir RL, sem samsvarar jákvæðu hálfhringnum AC inntaksins.

Mynd 8: Neikvæð hálfhringrás

Þegar pólun framkallaðs EMF snýr sér verður efri endinn neikvæður og neðri endinn jákvæður.Þessir öfugir hlutdrægir díóða og hindra á áhrifaríkan hátt straumflæðið í gegnum það.Fyrir vikið fæst engin framleiðsla yfir álagsþolið meðan á þessari hálfhring stendur.

Einkenni og framleiðsla hálfbylgjuafrektarins

Hálfbylgjuafritari breytir aðeins jákvæðu helmingi hringrás AC inntaksins í pulsating DC framleiðsla.Þessi framleiðsla inniheldur AC íhluti og er í eðli sínu samfelldur með minni skilvirkni miðað við fullbylgjuafréttar.Hægt er að mæla pulsating eðli framleiðslunnar með því að reikna meðalálagsstrauminn.Að margfalda þennan straum með álagsþol (RLR_LRL) gefur meðalútgang DC spennu.

Helstu gallar hálfbylgjuafrektorsins eru óhagkvæmni þess og ósamfellt eðli framleiðslunnar.Frekari síun eða sléttun getur verið nauðsynleg til að ná stöðugu DC framboði.Afköst og skilvirkni afriðara eru undir áhrifum af einkennum díóða, svo sem framspennufalli og öfugri lekastraumi.Að auki er hönnun spenni og val á álagsmótstöðu marktæk til að hámarka heildarvirkni rafréttarans.

Niðurstaða

Athugun þessarar greinar á P-N mótum varpa ljósi á bæði fjölbreytt notkun þess í rafeindatækni samtímans og lykilhlutverk þess í þróun hálfleiðara tækni.Frá grunnrekstri kristalútvarps til háþróaðra fyrirkomulags sundurliðunar og leiðréttingar á mótum, kemur P-N mótum fram sem fullkominn þáttur í því að tryggja stefnu straumstraums og stöðugan spennuframleiðslu í rafrásum.Ítarleg athugun á bæði fram- og öfugri hlutdrægni aðgerðir sýnir fjölhæfni mótunarinnar við að aðlagast mismunandi rafmagnsálagi og umhverfisaðstæðum.Hagnýt forrit P-N mótunarinnar, eins og sýnt er fram á í afriðara og spennueftirlitsaðila, leggja áherslu á alvarlega virkni þess við að auka skilvirkni og áreiðanleika rafeindatækja.Á endanum skýrir þessi ítarlega greining ekki aðeins rekstrarreglur P-N mótanna heldur sýnir einnig lykilhlutverk þeirra í því að efla tækni frá einföldum útvörpum til flókinna samþættra hringrásar og merkja verulegan tíma á sviði rafeindatækni.

Algengar spurningar [FAQ]

1. Hvernig er PN mótum notað sem afriðari?

PN mótum myndast þegar P-gerð og n-gerð hálfleiðara efni eru sameinuð.Þessi mótun skapar náttúrulega eyðingarsvæði sem virkar eins og hindrun, sem gerir straumnum kleift að renna auðveldara í eina átt en hin.Þegar AC spennu er beitt á PN mótum, meðan á jákvæðu hálfhringnum stendur, gerir mótum kleift að standast (framsækinn) og á neikvæðum hálfhringrás hindrar það strauminn (öfug hlutdræg).Þessi sértækni leiðni leiðir til þess að framleiðslan er aðallega í eina átt og umbreytir AC í DC.

2. Hver er sameiginlegi tilgangurinn með PN Junction úr rafreti?

Megintilgangur PN mótunarleiðarafréttarins er að framleiða stöðugan DC framleiðsla frá AC inntaki.Þetta er þörf til að knýja rafrásir sem krefjast DC til stöðugrar notkunar.Réttur eru fullkominn í aflgjafaeiningum fyrir alls kyns rafræn og rafmagnstæki, frá litlum græjum til stórra iðnaðarvélar.

3. Hver er leiðrétting PN Junction díóða?

PN Junction díóða er sérstaklega hannað til að nýta leiðréttingarhegðun PN mótunarinnar.Það er mikið notað í hringrásum sem afriðara til að framkvæma þessa lykilaðgerð AC til DC umbreytingar.Hagnýtt finnast þessar díóða í hleðslutækjum fyrir rafhlöður, rafmagns millistykki og kerfi sem krefjast áreiðanlegs DC framboðs frá AC uppsprettu, svo sem fjarskiptabúnaði og rafkerfum bifreiða.

4. Hvað er PN mótunin notuð?

Fyrir utan leiðréttingu eru PN mótar notuð í ýmsum öðrum forritum, svo sem merkisbreytingum, spennueftirliti og ljósgeislunardíóða (LED) fyrir lýsingu og skjái.Hins vegar er mikilvægasta og útbreiddasta notkun þeirra áfram í leiðréttingu, þar sem þeir eru gagnlegir íhlutir við að umbreyta AC í nothæfan DC afl.

5. Hvernig virkar díóða sem afriðari?

Díóða, sem samanstendur af PN mótum, virkar sem afriðari með því að leyfa rafstraum að flæða auðveldara í eina átt en í öfugri átt.Innbyggðir eiginleikar PN mótunarinnar, fyrst og fremst einstefna flæðisaðgerðarinnar, gera díóða tilvalin til að hindra neikvæða hluta AC merkja og leyfa þar með aðeins jákvæðan hlut að líða.Þessi sértæka leið núverandi skilar sér í því að framleiðsla er einátta flæði rafeinda eða DC.