PN 접합의 정류 특성 탐색
반도체 기술의 개발은 현대 전자 제품의 진화에 중요한 역할을했으며, P-N 교차점에 대한 발전과 통찰력에 크게 영향을 받았습니다.이 기사는 P-N 접점의 운영 원리와 응용을 탐구하여 Crystal Radio의 기술적 독창성과 병치합니다.처음에, 그것은 외부 전력없이 작동하는 영리한 장치 인 Crystal Radio를 탐색하며, 은하의 반도성 특성 (납 황화물)을 사용합니다.이것은 오늘날의 전자 장치에서 지배적 인 요소 인 P-N 접합부에 대한보다 자세한 검사를 선행하며, 주로 정류기 다이오드로 작동합니다.이 기사 내의 순방향 및 역 바이어스 작업의 분석은 이러한 프로세스가 접합이 전자 회로에서 전류 흐름을 관리 할 수있는 방법을 보여줍니다.또한 Zener 다이오드 및 정류기와 같은 장치에서의 사용을 포함하여 다양한 조건 및 전압에서 P-N Junction의 거동을 탐색합니다.이 철저한 검토는 P-N 접합의 물리적 및 전자 메커니즘을 강조 할뿐만 아니라 정류 및 전압 조절에서 동적 역할을 강조합니다.
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그림 1 : 사이 스탈 라디오
크리스탈 라디오 탐험
라디오 기술의 초기 경이 인 Crystal Radio는 Galena (납 황화물)와 같은 천연 반도체를 사용하여 외부 전원없이 작동했습니다.결정 구조를 가진 Galena는 오늘날 다이오드에 필요한 자연스러운 교정 능력으로 인해 현대 반도체의 초기 예입니다.
약 0.4 전자 볼트 (EV)의 에너지 간격을 포함한 Galena의 반도체 특성은 그 기능에 동적입니다.작은 불순물과 결합 된 원자가와 전도 밴드 사이의 이러한 격차는 전자를 자극하여 전도 대역으로 이동하여 전기를 전도 할 수 있도록 도와줍니다.이 메커니즘을 통해 크리스탈 라디오 검출기는 안테나의 교대 전류 (AC)를 사용 가능한 직류 (DC)로 변환 할 수있었습니다.보다 눈에 띄게, AM (Amplitude-modualulated) 신호를 복조하여 무선 파에서 오디오 신호를 추출합니다.
크리스탈 라디오에서 안테나는 무선 주파수 신호를 캡처하여 튜닝 코일로 안내하여 원하는 주파수를 선택합니다.선택된 신호는 갤레 나도 탐지기를 충족합니다.여기서는 정류가 발생하여 AC를 변조 된 DC 신호로 변환합니다.그런 다음이 신호는 헤드셋이나 스피커로 전송되며 오디오 변조가 들릴 수있게되어 외부 전력없이 신호 변환을 완료합니다.
그림 2 : P-N 교정 접합
P-N 교정 접합을 이해합니다
P-N 접합은 현대 전자 장치에 최종이며, 주로 정류기 다이오드로 기능합니다.전류가 한 방향으로 흐르도록 할 수 있으며, 이는 교류 (AC)를 직접 전류 (DC)로 변환하는 데 필요합니다.
구조와 기능
P-N 접합은 P- 타입 및 N 형 반도체 재료로 구성된다.P- 타입은 과량의 구멍을 갖는 반면, N- 타입은 과량의 전자를 갖는다.이러한 재료가 충족되는 경우, 고갈 영역이 형성되어 지역 간의 무료 전하 운반체의 자유 흐름을 방지하는 내장 된 잠재적 장벽을 만듭니다.
N-side (전방 바이어스)에 비해 P 측면에 양의 전압이 적용될 때, 전위 장벽이 낮아서 전류가 접합부를 가로 질러 쉽게 흐를 수있게한다.음의 전압이 적용되면 (역 바이어스) 배리어가 높아져 전류 흐름이 차단됩니다.이 선택적 전도도는 다이오드가 AC를 DC로 변환 할 수있게합니다.
P-N 정션 다이오드는 전류 흐름의 의도 된 방향과 정렬되도록 회로에 전략적으로 배치됩니다.그런 다음 AC 전압이 회로에 적용됩니다.각각의 AC 사이클 동안, 다이오드는 전류를 막거나 통과하도록함으로써 기능한다.다이오드의 방향에 의존하는이 선택적 통로는 AC 사이클의 절반 만 통과 할 수있게하여 맥동 DC 출력을 초래합니다.이 맥동 DC를보다 안정적이고 일관된 DC 전압으로 변환하기 위해, 커패시터 및 전압 조절기와 같은 구성 요소는 출력을 부드럽게하기 위해 사용됩니다.
그림 3 : 리버스 바이어스가있는 P-N 교차점
리버스 바이어스에서 P-N 접합을 분석합니다
역 바이어싱 P-N 접합은 DC 배터리의 음성 단자를 P- 타입 반도체에 연결하고 양성 단자를 N 형 반도체에 연결하는 것이 포함됩니다.이 구성은 접합부를 가로 지르는 전기장을 향상시켜 교차점에서 벗어난 대부분의 캐리어 (P- 타입의 구멍과 N- 유형의 전자를 밀어냅니다.이 마이그레이션은 자유 충전 운송 업체의 영역 인 고갈 영역의 폭을 증가시켜 전하 이동 통신사 이동을 방해하는 장벽을 효과적으로 확대합니다.
이 상태에서, 접합부를 가로 지르는 전류의 흐름은 최소이며 주로 반도체 재료 내에서 열이 생성 된 전자 구멍 쌍으로부터 발생한다.역 바이어스에있을 때, N- 타입의 구멍 및 P- 타입의 전자와 같은 소수 캐리어는 접합부쪽으로 끌어 와서 작지만 작은 역 포화 전류 (IS)를 만들어냅니다.이 전류는 더 많은 전하 캐리어가 생성됨에 따라 온도에 따라 약간 증가하지만 역 바이어스 전압의 추가 증가에 관계없이 비교적 안정적으로 유지되며, 이는 "포화"전류로 특성화를 설명합니다.
역 바이어스를 적용함으로써, 접합부에서의 전위 장벽이 확대되어 V0 + V로 장벽 전압을 크게 향상시킨다. 여기서 V0은 접촉 전위이며 V는 적용된 전압이다.이 높은 장벽은 다수의 운반체의 확산 전류를 크게 감소시켜 약 하나의 볼트의 역 바이어스에서 거의 제거하여 역 포화 전류 만 활성화합니다.이로 인해 접합 저항이 높아서 전압 조절 및 신호 변조와 같은 응용 분야에서 접합의 높은 임피던스가 전류 흐름을 제한합니다.온도 변화에 대한 역 포화 전류의 감도는 또한 접합이 기본 센서로 작동하여 온도에 민감한 응용 분야의 변화를 모니터링 할 수있게합니다.
그림 4 : 전방 바이어스와의 P-N 교차점
전방 바이어스 하의 P-N 접합을 검사합니다
전방 바이어스 P-N 접합에서, DC 배터리의 양극 단자는 P 형 반도체에 연결되고, 네거티브 터미널은 N- 타입 반도체에 연결된다.이 설정은 N- 타입 측에 비해 P 형 측면을 더 양수로 만듭니다.이러한 조건 하에서, 대부분의 캐리어 (P- 타입의 구멍 및 N- 타입의 전자)는 접합부쪽으로 구동된다.
배터리에 의해 생성 된 전기장은 대부분의 캐리어를 각자의 터미널에서 그리고 정션으로 밀어 넣습니다.이 캐리어가 접합부에서 움직이고 수렴함에 따라 재조합.이 재조합은 고갈 영역의 폭을 상당히 감소시켜 접합을 가로 질러 캐리어의 더 강한 흐름을 용이하게합니다.
적용된 순방향 전압 V 교차로의 잠재적 에너지 장벽을 낮 춥니 다.일반적 으로이 장벽은 자유 캐리어 흐름을 방지하지만 전방 전압은 장벽을 줄입니다. V0-V1 어디 V0 정션의 내장 잠재력입니다.이 낮은 장벽 높이는 더 많은 전자와 구멍이 접합부를 가로 질러 확산 될 수 있도록합니다.
장벽 높이를 낮추면 확산 전류가 크게 증가합니다 (나디 ) 이는 감소 된 장벽에 의해 구동되는 전하 운반체의 흐름입니다.이 흐름은 주로 한 방향으로, 대다수의 캐리어는 접합부를 향해 이동합니다.이 순방향 바이어스 상태의 전류는 역 포화 전류보다 상당히 높습니다 (나에스역 바이어스에서 관찰되었습니다.
이 일련의 작동은 P-N 접합이 반도체를 통해 배터리의 전압을 전류의 높은 유량으로 효과적으로 변환하도록합니다.이것은 제어 된 전류 흐름이 필수 인 다이오드 및 트랜지스터와 같은 장치에 유용합니다.높은 확산 전류를지지하는 순방향 바이어스 P-N Junction의 능력은 정류에서 신호 증폭에 이르기까지 다양한 전자 응용 분야에서 안전하지 않은 구성 요소로 만듭니다.
그림 5 : 정션 고장
P-N 접점의 고장 현상
P-N 접점에서의 접합 파괴는 접합부를 가로 질러 적용되는 역 전압이 분해 전압으로 알려진 특정 임계 값을 초과 할 때 발생합니다.VBr) 또는 제너 전압 (V지).이 현상은 전압의 상당한 상승없이 역 전류가 급격히 증가합니다.Zener Diodes와 같은 장치는 전압 조절을 위해이 특성을 악용하여 손상없이 이벤트를 관리합니다.
역 바이어스 된 P-N 접합에서, 리버스 포화 전류라고하는 작은 전류 ()나에스) 열이 생성 된 캐리어로 인해 흐릅니다.역전 전압이 증가함에 따라 접합의 전위 장벽이 상승하여 확산 전류를 억제합니다 (나디) 효과적으로 0이 될 때까지.이것은 단지 꺼립니다 (나에스) 전류 흐름을 유지하기 위해.
역전 전압 및 고갈 영역이 넓어집니다
역전 전압이 계속 증가함에 따라 고갈 영역이 넓어집니다.접합부의 전압이 도달 할 때VBr또는V지, 고갈 영역 내의 전기장은 접합부 파괴를 시작하기에 충분히 강렬해진다.이 분해는 Zener 효과 또는 눈사태 효과를 통해 발생하여 전류가 크게 증가합니다.
제너 효과 : Zener 효과는 일반적으로 실리콘에서 5V 미만으로 낮은 파괴 전압에서 지배적입니다.여기에는 고갈 영역을 가로 지르는 전자의 양자 기계식 터널링이 포함됩니다.고갈 층의 강렬한 전기장은 원자 결합에서 전자를 제거하여 전자 구멍 쌍을 생성하기에 충분히 강합니다.그런 다음이 캐리어는 필드에 의해 정션을 가로 질러 휩쓸려 역전 전류를 크게 증가시킵니다.
눈사태 효과 : 더 높은 전압에서 일반적으로 7V 이상에서 눈사태 효과가 우세합니다.소수 캐리어 (P- 타입 영역의 전자 및 N- 타입 영역의 구멍)는 고갈 영역을 가로 질러 전기장으로부터 운동 에너지를 얻습니다.이들 캐리어가 충분한 에너지를 얻는 경우 격자 원자와 충돌하여 추가 전자 구멍 쌍을 방출 할 수 있습니다.이 2 차 생성 캐리어는 추가 충돌로 이어질 수 있으며, 연쇄 반응 (눈사태)을 생성 할 수 있습니다.
손상없이 고장을 유지하는 정션의 능력은 효과적인 열 관리와 물리적 및 전자 구조의 견고성에 따라 다릅니다.Zener 또는 Avalanche의 특정 분해 메커니즘은 밴드 갭 및 도핑 레벨과 같은 반도체의 재료 특성과 온도와 같은 외부 조건에 따라 다릅니다.
정류 과정이 설명되었습니다
P-N 접합의 정류 프로세스는 비선형 또는 비 OHMIC 동작에 의존합니다.이는 전압에 대한 접합의 비대칭 응답을 보여주는 볼트 앰프 특성 곡선에서 분명합니다. 전압 극성을 역전시키는 것은 반대 방향으로 동일한 전류를 생성하지 않습니다.이 비대칭은 수정 장치에 필요합니다.
행동 이해
진폭이있는 정현파 입력 전압V0 P-N 접합에 적용되며, 접합의 응답은 특성 곡선에 표시됩니다.출력 전류는 사이에 진동합니다 나1(순방향 바이어스 중) 및-나2 (역 바이어스 중에).핵심 요점은 그 것입니다나1 (전류)는-보다 훨씬 큽니다.나2 (역류).순방향 바이어스 사이의 현재 크기의 차이는 정류를 가능하게합니다.
전방 및 역 바이어스 효과
정방향 바이어스에서 P-N 접합은 큰 전류를 허용합니다 (나디순방향 전압이 전위 장벽을 줄이기 때문에 흐름으로.이 감소는 다수의 캐리어 (전자 및 구멍)가 접합부를 가로 질러 자유롭게 움직일 수 있도록하여 상당한 전류를 생성 할 수있게합니다.리버스 바이어스에서, 잠재적 장벽이 증가하여 운송 업체의 흐름과 전류의 흐름을 심각하게 제한합니다.역 바이어스 동안의 전류 (나에스)는 순방향 바이어스 전류에 비해 최소입니다.
AC를 DC로 변환합니다
이 동작 (한 방향으로 상당한 전류를 제외하고 다른 방향으로 제한하는이 동작)은 대체 전류 (AC) 입력을 직류 (DC) 출력으로 변환합니다.정류 프로세스는 교대 전압에 대한 응답으로 P-N 접합의 비대칭 전도도에 따라 다릅니다.이로 인해 단방향 전류 흐름이 필수 인 전원 공급 장치 및 신호 변조 응용 분야에서 중요한 구성 요소가됩니다.
정류기에서 P-N 교정 접합 기술의 역할
다이오드에 필요한 P-N 접합은 다른 전기 바이어스 하에서 고유 한 전도 특성으로 인해 주로 한 방향으로 전류가 흐를 수있게한다.
리버스 바이어스에서 배터리의 네거티브 터미널을 P- 타입쪽에, 양의 단자를 N- 타입쪽에 연결하십시오.이 설정은 정션의 내장 잠재력을 증가시켜 고갈 영역을 넓히고 확산 전류를 크게 줄입니다.그러나, 드리프트 전류는 영향을받지 않아서 작고 거의 일정한 역 포화 전류를 초래한다 (나디).리버스 바이어스 하에서 확장 된 고갈 구역은 장벽으로서 작용하여 전하 운반체의 흐름을 제한하고 최소 전류가 통과 할 수있게한다.
정방향 바이어스에서 배터리의 양극 단자를 P- 타입쪽에, 네거티브 터미널을 N- 타입쪽에 연결하십시오.이 설정은 접합부에서 잠재적 장벽을 낮추어 고갈 영역을 좁 힙니다.감소 된 배리어 높이는 더 많은 캐리어 (N- 타입의 전자 및 P- 타입의 구멍)를 접합을 가로 지르도록하여 확산 전류를 상당히 증가시킵니다 (나디).이 구성에서 소수 캐리어의 드리프트 전류는 크게 영향을받지 않습니다.정방향 바이어스 하에서 고갈 구역의 좁아지면 접합의 전도도가 향상되어 확산 전류의 실질적인 흐름이 가능하며,이 모드에서는 1 차 전류입니다.
높은 역 바이어스, 일반적으로 수백 볼트가 적용되면 P-N 접합은 극한 조건을 견딜 수 있습니다.이러한 전압 하에서, 고갈 영역을 가로 지르는 강한 전기장은 상당한 수의 전자 구멍 쌍을 생성 할 수 있으며, 잠재적으로 전류가 급격히 증가하고 접합 분해를 유발할 수 있습니다.이 상태는 일반적으로 영구적 인 손상의 위험으로 인해 표준 반도체 다이오드에서 피합니다.그러나 Zener Diodes는 전압 조절과 같은 응용 분야를 위해이 분해 영역에서 안정적으로 작동하도록 설계되었습니다.
P-N 접합의 저항은 적용된 전압의 크기와 극성에 따라 다릅니다.이 변형은 전방 방향으로 우선적 인 전류 흐름을 허용하면서 반대로 차단합니다.이 방향 전류 흐름은 전원 공급 장치에서 신호 처리 시스템에 이르기까지 다양한 전자 회로에서 정류기로서의 정션의 역할을 뒷받침합니다.
정류기로서 P-N 접합 다이오드의 응용
P-N Junction Diode의 전류가 한 방향으로 흐르도록하는 고유 한 기능은 효과적인 정류기가되어 교류 (AC)를 직류 (DC)로 변환합니다.이러한 장치의 가장 간단한 형태는 반파 정류기입니다.
그림 6 : 반파 정류 과정
반파 정류기 회로에서, 다이오드는 AC 입력 신호의 양수 및 음의 반 사이클 동안 기능합니다.이 설정에는 일반적으로 1 차 코일과의 상호 유도를 통해 전자력 (EMF)을 유도하는 2 차 코일이있는 변압기가 포함됩니다.유도 된 EMF의 극성은 AC 사이클에 따라 변화합니다.
그림 7 : 양의 반 사이클
2 차 코일의 상단은 하단에 대해 양으로 하전되어 P-N 접합 다이오드를 전진합니다.이 바이어싱을 사용하면 전류가 하중 저항 (RL)을 통해 흐를 수 있습니다.전류 흐름에 따라, AC 입력의 양수 반주기에 해당하는 RL에 걸쳐 전압이 관찰된다.
그림 8 : 음의 하프 사이클
유도 된 EMF의 극성이 반전되면 상단은 음수가되고 하단은 양성이됩니다.이들 역 반대는 다이오드를 편향시켜 전류 흐름을 효과적으로 차단합니다.결과적으로,이 하프 사이클 동안 하중 저항에 걸쳐 출력은 얻지 않습니다.
반파 정류기의 특성 및 출력
반파 정류기는 AC 입력의 양의 반 사이클 만 맥동 DC 출력으로 변환합니다.이 출력에는 AC 구성 요소가 포함되어 있으며 전파 정류기에 비해 효율이 낮아서 본질적으로 불연속합니다.출력의 맥동 특성은 평균 부하 전류를 계산하여 정량화 될 수 있습니다.이 전류에 부하 저항 (RLR_LRL)을 곱하면 평균 출력 DC 전압이 제공됩니다.
반파 정류기의 주요 단점은 비 효율성과 출력의 불연속 특성입니다.꾸준한 DC 공급을 달성하려면 추가 필터링 또는 스무딩이 필요할 수 있습니다.정류기의 성능 및 효율은 전방 전압 강하 및 역 누출 전류와 같은 다이오드의 특성에 영향을받습니다.또한 변압기의 설계 및 하중 저항 선택은 정류기의 전체 기능을 최적화하는 데 중요합니다.
결론
이 기사의 P-N 교차로 검토는 현대 전자 장치에서의 광범위한 사용과 반도체 기술 개발에 중요한 역할을 강조합니다.크리스탈 라디오의 기본 작동에서 정교한 접합 파괴 및 정류의 정교한 메커니즘에 이르기까지, P-N 접합은 전자 회로에서 방향 전류 흐름 및 안정적인 전압 출력을 보장하는 최종 구성 요소로 나타납니다.전방 및 역 바이어스 작업에 대한 자세한 검사는 다양한 전기 응력과 환경 조건에 적응하는 데있어 접합부의 다양성을 보여줍니다.정류기 및 전압 조절기에서 입증 된 P-N 접합의 실제 응용은 전자 장치의 효율성과 신뢰성을 향상시키는 데있어 심각한 기능을 강조합니다.궁극적으로,이 심층 분석은 P-N 접합의 운영 원리를 명확하게 할뿐만 아니라 간단한 라디오에서 복잡한 통합 회로까지 기술을 발전시키는 데있어 주요 역할을 보여 주어 전자 제품 분야에서 중요한 시대를 표시합니다.
자주 묻는 질문 [FAQ]
1. PN 접합부는 정류기로 어떻게 사용됩니까?
Pn 접합부는 P 형 및 N 형 반도체 재료가 결합 될 때 형성됩니다.이 접합부는 자연스럽게 장벽처럼 작용하는 고갈 영역을 생성하여 전류가 다른 방향보다 한 방향으로 더 쉽게 흐를 수 있습니다.AC 전압이 PN 접합부에 적용될 때, 양의 반 사이클 동안, 접합부는 전류가 전달되도록 허용하고, 음의 반 사이클 동안, 전류 (역 바이어스)를 차단합니다.이 선택적 전도는 출력이 주로 한 방향으로 AC를 DC로 효과적으로 변환합니다.
2. 정류기 PN 접합의 일반적인 목적은 무엇입니까?
정류기 PN 접합의 주요 목적은 AC 입력으로부터 꾸준한 DC 출력을 생성하는 것입니다.이것은 안정적인 작동을 위해 DC가 필요한 전자 회로 전원으로 전원을 공급하는 데 필요합니다.정류기는 소형 기기에서 대형 산업용 기계에 이르기까지 모든 종류의 전자 및 전기 장치의 전원 공급 장치가 궁극적입니다.
3. PN 접합 다이오드의 교정 적용은 무엇입니까?
PN 접합 다이오드는 PN 접합의 정류 동작을 이용하도록 특별히 설계되었습니다.AC에서 DC 변환의 이러한 주요 함수를 수행하기 위해 정류기로 회로에서 널리 사용됩니다.실제적으로,이 다이오드는 배터리, 전력 어댑터 및 통신 장비 및 자동차 전기 시스템과 같은 AC 소스의 신뢰할 수있는 DC 공급이 필요한 시스템의 충전기에서 발견됩니다.
4. PN 접합부는 무엇을 사용합니까?
교정 외에도 PN 접합은 조명 및 디스플레이를위한 신호 변조, 전압 조절 및 LED (Light-Emitting Diodes)와 같은 다양한 다른 응용 분야에서 사용됩니다.그러나 가장 중요하고 광범위한 사용은 AC를 사용 가능한 DC 전력으로 변환하는 데 유용한 구성 요소입니다.
5. 다이오드는 어떻게 정류기 역할을합니까?
PN 접합으로 구성된 다이오드는 전류가 역 방향보다 한 방향으로 더 쉽게 흐르도록함으로써 정류기로서 작용한다.주로 단방향 흐름 특징 인 PN 접합의 고유 특성은 다이오드를 AC 신호의 음의 부분을 차단하는 데 이상적이어서 양수 부분 만 통과 할 수있게한다.이러한 전류의 선택적 통과는 출력이 전자 또는 DC의 단방향 흐름이된다.