Forward Bias vs. Reverse Bias และผลกระทบต่อการทำงานของไดโอด

 

ตั้งแต่วันที่แม่ของฉันทำให้ฉันประหลาดใจด้วยคอมพิวเตอร์ที่บ้านเครื่องแรกสำหรับคริสต์มาสที่กลับมา สมมติว่าเมื่อนานมาแล้ว ฉันรู้สึกทึ่งกับเทคโนโลยีนี้ อย่างไรก็ตาม ในตอนนั้น ฉันรู้สึกอิจฉาเพื่อนที่คลั่งไคล้ คนเนิร์ด และครูทุกคนที่โรงเรียนของฉัน ฉันอยู่ที่นั่นด้วย 64 ที่น่าประทับใจรอสักครู่กำลังประมวลผลดิบเป็นกิโลไบต์

ตอนนี้ กรอไปข้างหน้าอย่างรวดเร็วสู่ยุคปัจจุบัน และแล็ปท็อปของฉันใช้จำนวนนั้น 100,000 เท่าใน RAM เพียงอย่างเดียว ดังนั้นจึงปลอดภัยที่จะบอกว่าเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์มีวิวัฒนาการ แต่มีสิ่งหนึ่งที่ไม่มีและนั่นคือความสามารถในการแข่งขันของผู้ผลิตคอมพิวเตอร์

มีบางครั้งที่การเลือกอุปกรณ์หรือวิธีการอย่างใดอย่างหนึ่งเกี่ยวกับความต้องการหรือฟังก์ชัน นอกจากนี้ ความต้องการฟังก์ชันเฉพาะเป็นแรงผลักดันสำคัญเมื่อเลือกอุปกรณ์หรือกระบวนการในด้านอิเล็กทรอนิกส์

Diode Bias หรือ Biasing คืออะไร?

ก่อนที่เราจะเปรียบเทียบอคติทั้งสองประเภท อันดับแรก ฉันจะพูดถึงลักษณะเฉพาะของแต่ละคน ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เรากำหนดความลำเอียงหรือการให้น้ำหนักเป็นวิธีการสร้างชุดของกระแสหรือแรงดันไฟฟ้าที่จุดต่างๆ ของวงจรอิเล็กทรอนิกส์เพื่อสร้างสภาวะการทำงานที่เหมาะสมภายในส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ แม้ว่าคำตอบนี้จะเป็นคำตอบแบบง่าย แต่ก็ยังคงถูกต้องโดยพื้นฐาน นอกจากนี้ ด้วยความลำเอียง ความเอนเอียงแบบย้อนกลับยังมีความเอนเอียงอยู่สองประเภท

ตามที่ฉันแน่ใจว่าคุณรู้แล้ว ไดโอด (ทางแยก PN) ทำงานเหมือนกับทางหลวงทางเดียว เนื่องจากช่วยให้กระแสไฟไหลไปในทิศทางเดียวได้ง่ายกว่าอีกทางหนึ่ง โดยสรุป โดยทั่วไปแล้วไดโอดจะนำกระแสไปในทิศทางเดียว และแรงดันที่ใช้นั้นเป็นไปตามทิศทางการให้น้ำหนักไปข้างหน้าที่อธิบายไว้ อย่างไรก็ตาม เมื่อแรงดันไฟฟ้าเคลื่อนไปในทิศทางย้อนกลับ เราเรียกการวางแนวนี้เป็นอคติแบบย้อนกลับ นอกจากนี้ เมื่ออยู่ในไบแอสย้อนกลับ ปกติ PN junction diode ปกติจะยับยั้งหรือปิดกั้นการไหลของกระแส เกือบจะเหมือนกับเวอร์ชันอิเล็กทรอนิกส์ของเช็ควาล์ว

อคติไปข้างหน้ากับอคติย้อนกลับ

ในไดโอดมาตรฐาน การให้น้ำหนักไปข้างหน้าเกิดขึ้นเมื่อแรงดันไฟฟ้าข้ามไดโอดยอมให้กระแสไหลตามธรรมชาติ ในขณะที่การให้น้ำหนักแบบย้อนกลับหมายถึงแรงดันไฟฟ้าที่พาดผ่านไดโอดไปในทิศทางตรงกันข้าม

อย่างไรก็ตาม แรงดันไฟที่ปรากฎบนไดโอดในระหว่างการให้น้ำหนักแบบย้อนกลับไม่ได้สร้างกระแสที่มีนัยสำคัญใดๆ นอกจากนี้ คุณลักษณะเฉพาะนี้มีประโยชน์สำหรับการเปลี่ยนกระแสสลับ (AC) เป็นกระแสตรง (DC)

ลักษณะนี้มีประโยชน์อื่นๆ อีกหลายอย่าง รวมถึงการควบคุมสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์

ความรู้เกี่ยวกับตำแหน่งซีเนอร์ไดโอดสามารถสร้างหรือทำลายการออกแบบได้

 

การทำงานของไดโอด

ก่อนหน้านี้ ฉันได้ให้คำอธิบายที่ง่ายขึ้นเกี่ยวกับการทำงานของไดโอดมาตรฐาน กระบวนการโดยละเอียดของไดโอดนั้นค่อนข้างยากที่จะเข้าใจ เนื่องจากเกี่ยวข้องกับความเข้าใจเกี่ยวกับกลศาสตร์ควอนตัม การทำงานของไดโอดเกี่ยวข้องกับการไหลของประจุลบ (อิเล็กตรอน) และประจุบวก (รู) ในทางเทคโนโลยี เราอ้างถึงเซมิคอนดักเตอร์ไดโอดเป็นทางแยก pn Pn junctions เป็นส่วนสำคัญของการทำงานของเซลล์สุริยะเช่นกัน

โดยทั่วไป การทำงานที่เหมาะสมของไดโอดจำเป็นต้องมีองค์ประกอบหรือกระบวนการที่จำเป็นอื่นที่เรียกว่ายาสลบ คุณสามารถเติมสารกึ่งตัวนำด้วยวัสดุเพื่อช่วยให้มีอิเล็กตรอนที่เคลื่อนตัวได้ง่ายมากเกินไป ซึ่งเราเรียกว่าบริเวณประเภท n หรือเชิงลบ นอกจากนี้ยังเป็นไปได้ที่จะเติมสารกึ่งตัวนำเพื่อส่งเสริมรูที่มากเกินไปเพื่อดูดซับอิเล็กตรอนเหล่านั้นได้อย่างง่ายดายเช่นกัน และเราเรียกสิ่งนี้ว่าเป็นประเภท p หรือบริเวณที่เป็นบวก นอกจากนี้ บริเวณบวกและลบของไดโอดยังเรียกว่าขั้วบวก (P) และขั้วลบ (N)

โดยรวมแล้ว เป็นความแปรปรวนระหว่างวัสดุทั้งสองและการทำงานร่วมกันที่ตามมาในระยะทางที่สั้นมาก (< มิลลิเมตร) ที่เอื้อต่อการทำงานของไดโอด อย่างไรก็ตาม การทำงานของไดโอดจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อเรารวมวัสดุทั้งสองประเภท (P, N) เข้าด้วยกัน นอกจากนี้ การรวมวัสดุทั้งสองประเภทนี้ทำให้เกิดสิ่งที่เราเรียกว่าจุดเชื่อมต่อ pn นอกจากนี้ พื้นที่ที่อยู่ระหว่างสององค์ประกอบนี้เรียกว่าบริเวณพร่อง

หมายเหตุ: โปรดทราบว่าเพื่อการทำงานที่เหมาะสม ไดโอดต้องการแรงดันไฟฟ้าขั้นต่ำเพื่อข้ามขอบเขตการพร่อง นอกจากนี้ ค่าเกณฑ์ขั้นต่ำของแรงดันไฟฟ้าในกรณีส่วนใหญ่สำหรับไดโอดจะอยู่ที่ประมาณ 0.7 โวลต์ นอกจากนี้ แรงดันไบแอสย้อนกลับจะผลิตกระแสไฟฟ้าจำนวนเล็กน้อยผ่านไดโอด และเรียกว่ากระแสไฟรั่ว แต่โดยทั่วไปแล้วจะมีความสำคัญเพียงเล็กน้อย สุดท้าย หากคุณใช้แรงดันย้อนกลับที่มีนัยสำคัญ จะทำให้ไดโอดสลายทางอิเล็กทรอนิกส์อย่างครอบคลุม ซึ่งจะทำให้กระแสไหลไปในทิศทางตรงกันข้ามผ่านไดโอด

การทำงานของไดโอดและการทำงานอย่างต่อเนื่อง

โดยทั่วไป เมื่อการแพร่กระจายอำนวยความสะดวกในการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจากบริเวณชนิด n ต่อมา อิเล็กตรอนจะเริ่มเติมรูภายในบริเวณชนิด p ผลของการกระทำนี้ก่อให้เกิดไอออนลบภายในขอบเขตชนิด p ดังนั้นจึงเหลือไอออนบวกไว้ในบริเวณชนิด n โดยรวมแล้วการควบคุมที่ควบคุมการกระทำนี้อยู่ในทิศทางของสนามไฟฟ้า อย่างที่คุณอาจจินตนาการได้ สิ่งนี้ส่งผลให้เกิดพฤติกรรมทางไฟฟ้าที่เป็นประโยชน์ แน่นอนว่าขึ้นอยู่กับว่าคุณใช้แรงดันไฟฟ้าอย่างไร กล่าวคือ การให้น้ำหนัก

นอกจากนี้ ในส่วนที่เกี่ยวกับไดโอดชุมทาง pn มาตรฐาน มีเงื่อนไขการให้น้ำหนักสามแบบและขอบเขตการทำงานสองส่วน เงื่อนไขการให้น้ำหนักที่เป็นไปได้สามประเภทมีดังนี้:

• Forward Bias: สภาวะอคตินี้รวมการเชื่อมต่อศักย์ไฟฟ้าบวกกับวัสดุประเภท P และค่าลบกับวัสดุประเภท N ทั่วทั้งไดโอด ซึ่งจะทำให้ความกว้างของไดโอดลดลง

• อคติย้อนกลับ: ในทางตรงกันข้าม สภาวะการให้น้ำหนักนี้เกี่ยวข้องกับการเชื่อมต่อศักย์ไฟฟ้าลบกับวัสดุประเภท P และบวกกับวัสดุประเภท N ทั่วทั้งไดโอด จึงเป็นการเพิ่มความกว้างของไดโอด

• Zero Bias: นี่เป็นภาวะอคติที่ไม่มีศักย์ไฟฟ้าภายนอกที่ใช้กับไดโอด

การให้น้ำหนักไปข้างหน้ากับการให้น้ำหนักย้อนกลับและความแปรปรวน

อคติแบบย้อนกลับช่วยเสริมความแข็งแกร่งของสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้นและขัดขวางการไหลของตัวพาประจุ ในทางตรงกันข้าม ความเอนเอียงไปข้างหน้าจะทำให้สิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้นอ่อนแอลง ทำให้กระแสไฟไหลผ่านทางแยกได้ง่ายขึ้น

ในขณะที่ให้น้ำหนักไปข้างหน้า เราเชื่อมต่อขั้วบวกของแหล่งจ่ายแรงดันไฟเข้ากับขั้วบวกและขั้วลบกับขั้วลบ ในทางตรงกันข้าม ในขณะที่มีอคติย้อนกลับ เราเชื่อมต่อขั้วบวกของแหล่งจ่ายแรงดันไฟเข้ากับแคโทด และขั้วลบกับขั้วบวก

• ความเอนเอียงไปข้างหน้าจะลดความแรงของสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้นของสนามไฟฟ้าผ่านศักย์ไฟฟ้า ในขณะที่ความเอนเอียงแบบย้อนกลับจะเพิ่มความแข็งแกร่งให้กับสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้น

• อคติไปข้างหน้ามีแรงดันแอโนดที่มากกว่าแรงดันแคโทด ในทางตรงกันข้าม อคติแบบย้อนกลับมีแรงดันแคโทดที่มากกว่าแรงดันแอโนด

• ความเอนเอียงไปข้างหน้ามีกระแสไปข้างหน้าอย่างมาก ในขณะที่ความเอนเอียงแบบย้อนกลับมีกระแสไปข้างหน้าน้อยที่สุด

• ชั้นการพร่องของไดโอดนั้นบางลงอย่างมากในขณะที่มีอคติไปข้างหน้าและหนากว่ามากเมื่ออยู่ในอคติแบบย้อนกลับ

• ความเอนเอียงไปข้างหน้าจะลดความต้านทานของไดโอด และอคติแบบย้อนกลับจะเพิ่มความต้านทานของไดโอด

• กระแสไหลได้อย่างง่ายดายในขณะที่อยู่ในอคติไปข้างหน้า แต่อคติย้อนกลับไม่อนุญาตให้กระแสไหลผ่านไดโอด

• ระดับของกระแสจะขึ้นอยู่กับแรงดันไปข้างหน้าในขณะที่ไบแอสไปข้างหน้า อย่างไรก็ตาม ปริมาณกระแสไฟจะน้อยที่สุดหรือเล็กน้อยในไบแอสย้อนกลับ

• ในอคติไปข้างหน้า อุปกรณ์จะทำหน้าที่เป็นตัวนำและเป็นฉนวนหากอยู่ในอคติย้อนกลับ

การวางแผนวงจรของคุณโดยพิจารณาจากศักยภาพอคติเป็นเครื่องหมายของการวิเคราะห์ที่ชาญฉลาด

 

ความสามารถของไดโอดในการทำงานเป็นสองส่วนแยกกัน แต่อุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพเท่าเทียมกันทำให้เป็นส่วนประกอบที่ปรับเปลี่ยนได้อย่างแท้จริง ผลกระทบของการให้น้ำหนักต่อการทำงานของไดโอดช่วยให้สามารถควบคุมการทำงานของไดโอดได้ดีที่สุดในการออกแบบวงจรของคุณ การใช้การให้น้ำหนักแบบไปข้างหน้าและย้อนกลับช่วยให้ผู้ออกแบบวงจรสามารถควบคุมการทำงานของไดโอดได้อย่างเหมาะสมที่สุด

โชคดีที่ชุดเครื่องมือออกแบบและวิเคราะห์ของ Cadence ช่วยให้นักออกแบบและทีมผลิตทำงานร่วมกันเพื่อนำเทคนิคการให้น้ำหนักไปข้างหน้าและย้อนกลับมาใช้ในการออกแบบ PCB ทั้งหมดของคุณ Allegro PCB Designer เป็นโซลูชันเลย์เอาต์ที่คุณกำลังมองหาอยู่ และสามารถอำนวยความสะดวกในการใช้งานกลยุทธ์การออกแบบการให้น้ำหนักแบบไปข้างหน้าหรือย้อนกลับอย่างไม่ต้องสงสัยในการออกแบบ PCB ปัจจุบันและอนาคตของคุณ 

ฝากข้อความ 

รายการข้อความ