Nút giao PN

Thiết bị và mạch bán dẫn rời rạc

• Câu hỏi 1

  Đừng chỉ ngồi đó! Xây dựng một cái gì đó !!

  Học để phân tích các mạch toán học đòi hỏi nhiều nghiên cứu và thực hành. Thông thường, sinh viên thực hành bằng cách làm việc thông qua nhiều vấn đề mẫu và kiểm tra câu trả lời của họ đối với những câu hỏi được cung cấp bởi sách giáo khoa hoặc người hướng dẫn. Trong khi điều này là tốt, có một cách tốt hơn nhiều.

  Bạn sẽ học được nhiều hơn nữa bằng cách thực sự xây dựng và phân tích các mạch thực , cho phép thiết bị kiểm tra của bạn cung cấp các câu trả lời trên Thay vì một cuốn sách hoặc một người khác. Để có các bài tập xây dựng mạch thành công, hãy làm theo các bước sau:

  1. Đo lường cẩn thận và ghi lại tất cả các giá trị thành phần trước khi xây dựng mạch, chọn giá trị điện trở đủ cao để gây thiệt hại cho bất kỳ thành phần hoạt động nào là không thể.
  2. Vẽ sơ đồ nguyên lý cho mạch cần phân tích.
  3. Cẩn thận xây dựng mạch này trên một bảng mạch hoặc phương tiện thuận tiện khác.
  4. Kiểm tra độ chính xác của cấu trúc mạch, theo từng dây đến từng điểm kết nối và xác minh từng phần tử một trên sơ đồ.
  5. Toán học phân tích mạch, giải cho tất cả các giá trị điện áp và hiện tại.
  6. Đo cẩn thận tất cả các điện áp và dòng điện, để xác minh tính chính xác của phân tích của bạn.
  7. Nếu có bất kỳ lỗi đáng kể nào (lớn hơn một vài phần trăm), hãy cẩn thận kiểm tra cấu trúc mạch của bạn so với sơ đồ, sau đó tính toán lại cẩn thận các giá trị và đo lại.

  Khi sinh viên lần đầu tiên tìm hiểu về các thiết bị bán dẫn và rất có thể làm hỏng chúng bằng cách kết nối không đúng trong mạch của họ, tôi khuyên họ nên thử nghiệm với các thành phần lớn, công suất cao (điốt chỉnh lưu 1N4001, bóng bán dẫn trường hợp TO-220 hoặc TO-3 , v.v.) và sử dụng các nguồn năng lượng pin khô thay vì nguồn cung cấp năng lượng để bàn. Điều này làm giảm khả năng thiệt hại thành phần.

  Như thường lệ, tránh các giá trị điện trở rất cao và rất thấp, để tránh các lỗi đo lường gây ra bởi đồng hồ tải Tải trọng (trên cao cấp) và để tránh hiện tượng cháy bóng bán dẫn (ở cấp thấp). Tôi đề nghị điện trở trong khoảng từ 1 kΩ đến 100 kΩ.

  Một cách bạn có thể tiết kiệm thời gian và giảm khả năng xảy ra lỗi là bắt đầu với một mạch rất đơn giản và tăng dần các thành phần để tăng độ phức tạp của nó sau mỗi phân tích, thay vì xây dựng một mạch hoàn toàn mới cho mỗi vấn đề thực hành. Một kỹ thuật tiết kiệm thời gian khác là sử dụng lại các thành phần tương tự trong nhiều cấu hình mạch khác nhau. Bằng cách này, bạn sẽ không phải đo bất kỳ giá trị nào của thành phần nhiều lần.
  Tiết lộ câu trả lời

• Câu hỏi 2

  Mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện đối với đường giao nhau PN được mô tả bởi phương trình này, đôi khi được gọi là phương trình diode diode, phương trình diode diode hoặc của Shock Shockley sau khi người phát hiện ra nó:

  
  

  I D = I S (e [(qV D ) / NkT] - 1)

  Ở đâu,

  I D = Dòng qua ngã ba PN, tính bằng ampe

  I S = PN dòng bão hòa, tính bằng ampe (thường là 1 picoamp)

  e = Số Euler ≈ 2.718281828

  q = Điện tích đơn vị điện tử, 1,6 × 10 −19 coulomb

  V D = Điện áp trên đường giao nhau PN, tính bằng vôn

  N = hệ số không nhiễm bẩn, hoặc hệ số phát xạ (thường là từ 1 đến 2)

  k = hằng số của Boltzmann, 1,38 × 10 23

  T = Nhiệt độ ngã ba, độ Kelvin

  Lúc đầu phương trình này có vẻ rất nan giải, cho đến khi bạn nhận ra rằng thực sự chỉ có ba biến trong đó: I D , V D và T. Tất cả các thuật ngữ khác là hằng số. Vì trong hầu hết các trường hợp, chúng tôi giả sử nhiệt độ cũng khá ổn định, chúng tôi thực sự chỉ xử lý hai biến: dòng điện diode và điện áp diode. Dựa trên nhận thức này, hãy viết lại phương trình dưới dạng tỷ lệ chứ không phải là đẳng thức, cho thấy hai biến của dòng diode và điện áp liên quan như thế nào:

  
  

  Tôi D alpha . . .

  Dựa trên phương trình đơn giản hóa này, đồ thị I / V cho đường giao nhau PN sẽ như thế nào? Làm thế nào để biểu đồ này so sánh với biểu đồ I / V cho một điện trở?

  
  
  Tiết lộ câu trả lời

• Câu 3

  Ánh sáng có màu đặc trưng từ đèn điện phóng khí là kết quả của năng lượng được phát ra từ các electron trong nguyên tử khí khi chúng rơi từ trạng thái kích thích cao ở mức độ cao trở lại trạng thái tự nhiên (trên mặt đất). Theo nguyên tắc chung của hành vi điện tử, họ phải hấp thụ năng lượng từ nguồn bên ngoài để nhảy lên cấp độ cao hơn và họ giải phóng năng lượng đó khi trở về mức ban đầu.

  Với sự tồn tại của hiện tượng này, bạn nghi ngờ điều gì có thể xảy ra bên trong ngã ba PN khi nó dẫn dòng điện?
  Tiết lộ câu trả lời

• Câu 4

  Khi các phần bán dẫn loại của Niết Piết và Nv được tiếp xúc gần nhau, các electron tự do từ mảnh Niết sẽ chạy tới để lấp đầy các lỗ hổng trong mảnh ghép Pơi, tạo ra một vùng ở cả hai phía của vùng tiếp xúc không có hạt mang điện. Vùng này được gọi là gì, và đặc điểm điện của nó là gì?
  Tiết lộ câu trả lời

• Câu 5

  Điều gì xảy ra với độ dày của vùng suy giảm trong đường giao nhau PN khi điện áp bên ngoài được đặt vào nó?
  Tiết lộ câu trả lời

• Câu 6

  Trên đây là hai sơ đồ năng lượng: một cho vật liệu bán dẫn kiểu loại Piêu và một cho loại vật liệu loại Niêu.

  
  

  Tiếp theo là một sơ đồ năng lượng cho thấy trạng thái ban đầu khi hai mảnh vật liệu bán dẫn này được tiếp xúc với nhau. Điều này được gọi là sơ đồ phẳng :

  
  

  Trạng thái được biểu thị bằng sơ đồ dây đai phẳng phẳng của YouTube chắc chắn là tạm thời. Hai cấp độ Fermi khác nhau không tương thích với nhau trong trường hợp không có điện trường bên ngoài.

  Vẽ sơ đồ năng lượng mới biểu thị trạng thái năng lượng cuối cùng sau khi hai mức Fermi đã cân bằng.

  Lưu ý: E f đại diện cho mức năng lượng Fermi, và không phải là điện áp. Trong vật lý, E luôn là viết tắt của năng lượng và V cho điện thế (điện áp).
  Tiết lộ câu trả lời

• Câu 7

  Vẽ sơ đồ năng lượng cho một điểm bán dẫn PN dưới tác động của điện áp ngoài đảo ngược .
  Tiết lộ câu trả lời

• Câu 8

  Vẽ sơ đồ năng lượng cho một điểm bán dẫn PN dưới tác động của điện áp ngoài chuyển tiếp .
  Tiết lộ câu trả lời

• Câu 9

  Vẽ sơ đồ năng lượng cho một điểm bán dẫn PN cho thấy chuyển động của các electron và lỗ trống dẫn dòng điện.
  Tiết lộ câu trả lời

• Câu 10

  Là diode này thiên về phía trước hoặc thiên vị ngược ?

  
  
  Tiết lộ câu trả lời

• Câu 11

  Chèn một diode vào sơ đồ mạch này theo đúng hướng để làm cho nó bị lệch về phía trước bởi điện áp pin:

  
  
  Tiết lộ câu trả lời

• Câu 12

  Hầu hết các sách giáo khoa giới thiệu sẽ cho bạn biết rằng một điểm nối PN silicon giảm 0,7 volt khi phân cực thuận và một ngã ba Germanium giảm 0,3 volt khi phân cực thuận. Thiết kế mạch kiểm tra điện áp chuyển tiếp điện tử (V F ) của bộ chuyển đổi PN, để bạn có thể tự đo điện áp mà không cần sử dụng máy đo kiểm tra diode đặc biệt.
  Tiết lộ câu trả lời

• Câu 13

  Nếu một điểm nối PN bán dẫn bị phân cực ngược, lý tưởng là không có dòng điện liên tục đi qua nó. Tuy nhiên, trong cuộc sống thực, sẽ có một lượng nhỏ dòng điện phân cực ngược đi qua đường giao nhau. Sao có thể như thế được? Điều gì cho phép dòng điện ngược này chảy?
  Tiết lộ câu trả lời

• Câu 14

  Phương trình diode của Shockley ở dạng tiêu chuẩn khá dài, nhưng nó có thể được đơn giản hóa đáng kể cho các điều kiện nhiệt độ phòng. Lưu ý rằng nếu nhiệt độ (T) được giả sử là nhiệt độ phòng (25 o C), có ba hằng số trong phương trình giống nhau cho tất cả các mối nối PN: T, k và q.

  
  

  I D = I S (e [(qV D ) / NkT] - 1)

  Đại lượng [kT / q] được gọi là điện áp nhiệt của đường giao nhau. Tính giá trị của điện áp nhiệt này, với nhiệt độ phòng là 25 o C. Sau đó, thay thế đại lượng này vào công thức diode Diode gốc ban đầu để đơn giản hóa sự xuất hiện của nó.
  Tiết lộ câu trả lời

• Câu 15

  Một sinh viên thiết lập một mạch trông như thế này, để thu thập dữ liệu để mô tả đặc điểm của một diode:

  
  

  Đo điện áp diode và dòng diode trong mạch này, học sinh tạo ra bảng dữ liệu sau:

  Diode V Tôi đi- ốt 0,600 V 1,68 mA 0,625 V 2,88 mA 0,650 V 5,00 mA 0,675 V 8,68 mA 0,700 V 14,75 mA 0,725 V 27,25 mA 0,750 V 48,2 mA

  
  Học sinh này biết rằng hành vi của một ngã ba PN tuân theo phương trình diode của Shockley và phương trình có thể được đơn giản hóa theo dạng sau:

  
  

  I diode = I S (e [(V diode ) / K] - 1)

  Ở đâu,

  K = hằng số kết hợp cả điện áp nhiệt và hệ số không nhiễm điện

  Mục tiêu của thí nghiệm này là tính toán K và I S , để dòng điện của diode có thể được dự đoán cho bất kỳ giá trị giảm điện áp tùy ý nào. Tuy nhiên, phương trình phải được đơn giản hóa một chút trước khi học sinh có thể tiến hành.

  Ở mức đáng kể của dòng điện, thuật ngữ hàm mũ lớn hơn rất nhiều so với đơn vị (e [(V diode ) / K] >> 1), vì vậy phương trình có thể được đơn giản hóa như sau:

  
  

  I diode ≈ I S (e [(V diode ) / K] )

  Từ phương trình này, xác định cách học sinh sẽ tính K và I S từ dữ liệu được hiển thị trong bảng. Ngoài ra, giải thích làm thế nào sinh viên này có thể xác minh tính chính xác của các giá trị được tính toán này.
  Tiết lộ câu trả lời

• Câu 16

  Để đơn giản hóa việc phân tích các mạch chứa các mối nối PN, việc giảm điện áp chuyển tiếp theo tiêu chuẩn và được sử dụng cho bất kỳ mối nối dẫn nào, con số chính xác tùy thuộc vào loại vật liệu bán dẫn mà mối nối được tạo ra.

  Bao nhiêu điện áp được cho là được thả trên một điểm nối silicon PN? Bao nhiêu điện áp được giả định cho một tiền đạo thiên về germanium ngã ba PN? Xác định một số yếu tố khiến điện áp chuyển tiếp thực của ngã ba PN bị lệch so với con số tiêu chuẩn của nó.
  Tiết lộ câu trả lời

• Câu 17

  ∫f (x) dx Cảnh báo tính toán!

  Một mối nối bán dẫn PN thiên về phía trước không có điện trở đường sắt, giống như điện trở hoặc chiều dài của dây. Bất kỳ nỗ lực nào trong việc áp dụng Định luật Ohm cho một diode, sau đó, sẽ bị tiêu diệt ngay từ đầu.

  Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là chúng ta không thể gán giá trị động của điện trở cho đường giao nhau PN. Định nghĩa cơ bản của kháng chiến xuất phát từ Luật Ohm, và nó được thể hiện dưới dạng phái sinh như sau:

  
  

  R = dV tôi

  Phương trình cơ bản liên quan đến dòng điện và điện áp với nhau cho một điểm nối PN là phương trình diode của Shockley:

  
  

  I = I S (e [qV / NkT] - 1)

  Ở nhiệt độ phòng (khoảng 21 độ C, hoặc 294 độ K), điện áp nhiệt của một điểm nối PN là khoảng 25 millivolt. Thay thế 1 cho hệ số phi âm, chúng ta có thể chỉ đơn giản là phương trình diode như sau:

  
  

  I = I S (e [V / 0,025] - 1) hoặc I = I S (e 40 V - 1)

  Phân biệt phương trình này với V, để xác định [dI / dV], và sau đó đối ứng để tìm một định nghĩa toán học cho điện trở động ([dV / dI]) của đường giao nhau PN. Gợi ý: dòng bão hòa (I S ) là một hằng số rất nhỏ đối với hầu hết các điốt và phương trình cuối cùng sẽ biểu thị điện trở động theo điện áp nhiệt (25 mV) và dòng diode (I).
  Tiết lộ câu trả lời

• Câu 18

  Đo điện áp rơi của một diode chỉnh lưu silicon, chẳng hạn như model 1N4001. Làm thế nào gần mức giảm điện áp chuyển tiếp được đo đến con số lý tưởng của nhà máy thường được giả định cho các mối nối PN silicon? Điều gì xảy ra khi bạn tăng nhiệt độ của diode bằng cách giữ nó bằng ngón tay? Điều gì xảy ra khi bạn giảm nhiệt độ của diode bằng cách chạm vào một khối băng với nó?
  Tiết lộ câu trả lời

• Câu 19

  Vùng suy giảm không dẫn điện của một điểm nối PN tạo thành một điện dung ký sinh giữa vùng bán dẫn P và N. Liệu điện dung tăng hay giảm khi điện áp phân cực ngược lớn hơn được áp dụng cho tiếp giáp PN? Giải thich câu trả lơi của bạn.