ลักษณะของไดโอดซิลิคอนและเจอร์เมเนียม

เมื่อเรานึกถึงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เรามักจะคิดว่าอุปกรณ์เหล่านี้ทำงานเร็วแค่ไหน หรือเราสามารถใช้งานอุปกรณ์ได้นานแค่ไหนก่อนที่จะชาร์จแบตเตอรี่ สิ่งที่คนส่วนใหญ่ไม่ได้นึกถึงคือสิ่งที่ส่วนประกอบในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทำขึ้น แม้ว่าอุปกรณ์แต่ละชิ้นจะมีโครงสร้างที่แตกต่างกัน แต่อุปกรณ์เหล่านี้ล้วนมีสิ่งหนึ่งที่เหมือนกัน นั่นคือ วงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่มีส่วนประกอบที่ประกอบด้วยธาตุซิลิกอนและเจอร์เมเนียม

ทีแอล; DR (ยาวเกินไป; ไม่ได้อ่าน)

ซิลิคอนและเจอร์เมเนียมเป็นองค์ประกอบทางเคมีสองชนิดที่เรียกว่าเมทัลลอยด์ ทั้งซิลิกอนและเจอร์เมเนียมสามารถใช้ร่วมกับองค์ประกอบอื่นๆ ที่เรียกว่าสารเจือปนเพื่อสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบโซลิดสเตต เช่น ไดโอด ทรานซิสเตอร์ และเซลล์ตาแมว ความแตกต่างหลักระหว่างไดโอดซิลิกอนและเจอร์เมเนียมคือแรงดันไฟฟ้าที่จำเป็นสำหรับไดโอดในการเปิด (หรือกลายเป็น "ลำเอียงไปข้างหน้า") ไดโอดซิลิคอนต้องใช้ 0.7 โวลต์เพื่อให้มีความเอนเอียงไปข้างหน้า ในขณะที่ไดโอดเจอร์เมเนียมต้องการเพียง 0.3 โวลต์เพื่อให้มีความเอนเอียงไปข้างหน้า

เจอร์เมเนียมและซิลิกอนเป็นองค์ประกอบทางเคมีที่เรียกว่าเมทัลลอยด์ องค์ประกอบทั้งสองมีความเปราะและมีความมันวาวแบบโลหะ แต่ละองค์ประกอบเหล่านี้มีเปลือกอิเล็กตรอนชั้นนอกที่มีอิเล็กตรอนสี่ตัว คุณสมบัติของซิลิกอนและเจอร์เมเนียมนี้ทำให้ธาตุใดธาตุหนึ่งในรูปแบบที่บริสุทธิ์ที่สุดจะเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีได้ยาก วิธีหนึ่งในการทำให้เมทัลลอยด์นำกระแสไฟฟ้าได้อย่างอิสระคือการทำให้ร้อนขึ้น การเพิ่มความร้อนจะทำให้อิเล็กตรอนอิสระในเมทัลลอยด์เคลื่อนที่เร็วขึ้นและเดินทางอย่างอิสระมากขึ้น ทำให้นำไปใช้ได้ กระแสไฟฟ้าไหลถ้าความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าข้ามเมทัลลอยด์เพียงพอที่จะกระโดดเข้าสู่การนำไฟฟ้า วงดนตรี

อีกวิธีหนึ่งในการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางไฟฟ้าของเจอร์เมเนียมและซิลิกอนคือการแนะนำองค์ประกอบทางเคมีที่เรียกว่าสารเจือปน ธาตุต่างๆ เช่น โบรอน ฟอสฟอรัส หรือสารหนู สามารถพบได้ในตารางธาตุใกล้ซิลิกอนและเจอร์เมเนียม เมื่อสารเจือปนถูกนำไปใช้กับเมทัลลอยด์ สารเจือปนจะจัดหาอิเล็กตรอนพิเศษให้กับเปลือกอิเล็กตรอนชั้นนอกของเมทัลลอยด์หรือกีดกันเมทัลลอยด์ของอิเล็กตรอนตัวใดตัวหนึ่ง

ในตัวอย่างเชิงปฏิบัติของไดโอด ซิลิคอนชิ้นหนึ่งถูกเจือด้วยสารเจือสองชนิดที่แตกต่างกัน เช่น โบรอนด้านหนึ่งและสารหนูอีกด้านหนึ่ง จุดที่ด้านเจือโบรอนมาบรรจบกับด้านที่เจือสารหนูเรียกว่าทางแยก P-N สำหรับซิลิกอนไดโอด ด้านที่เจือโบรอนจะเรียกว่า “ซิลิกอนชนิด P” เนื่องจากโบรอนจะลิดรอนซิลิกอนของอิเล็กตรอนหรือทำให้เกิด "รู" ของอิเล็กตรอน บน อีกด้านหนึ่ง ซิลิกอนเจือสารหนูเรียกว่า “ซิลิกอนชนิด N” เพราะมันเพิ่มอิเล็กตรอน ซึ่งทำให้กระแสไฟฟ้าไหลได้ง่ายขึ้นเมื่อใช้แรงดันไฟฟ้ากับ ไดโอด.

เนื่องจากไดโอดทำหน้าที่เป็นวาล์วทางเดียวสำหรับการไหลของกระแสไฟฟ้า จะต้องมีส่วนต่างของแรงดันไฟที่ใช้กับไดโอดทั้งสองครึ่ง และต้องใช้ในพื้นที่ที่ถูกต้อง ในทางปฏิบัติหมายความว่าจะต้องใช้ขั้วบวกของแหล่งพลังงานกับสายไฟที่ไปยัง วัสดุประเภท P ในขณะที่ต้องใช้ขั้วลบกับวัสดุประเภท N เพื่อให้ไดโอดนำไฟฟ้า ไฟฟ้า. เมื่อใช้พลังงานอย่างถูกต้องกับไดโอด และไดโอดกำลังนำกระแสไฟฟ้า ไดโอดนั้นถูกกล่าวว่าเป็นแบบเอนเอียงไปข้างหน้า เมื่อขั้วลบและขั้วบวกของแหล่งพลังงานถูกนำไปใช้กับวัสดุขั้วตรงข้ามของไดโอด – ขั้วบวกกับ วัสดุประเภท N และขั้วลบกับวัสดุประเภท P – ไดโอดไม่นำกระแสไฟฟ้า ซึ่งเป็นสภาวะที่เรียกว่าอคติย้อนกลับ

ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างเจอร์เมเนียมและซิลิกอนไดโอดคือแรงดันไฟฟ้าที่กระแสไฟฟ้าเริ่มไหลอย่างอิสระผ่านไดโอด โดยทั่วไปแล้วเจอร์เมเนียมไดโอดจะเริ่มนำกระแสไฟฟ้าเมื่อแรงดันไฟฟ้าถูกนำไปใช้กับไดโอดอย่างเหมาะสมถึง 0.3 โวลต์ ซิลิกอนไดโอดต้องการแรงดันไฟฟ้ามากขึ้นเพื่อนำกระแส ต้องใช้ 0.7 โวลต์เพื่อสร้างสถานการณ์อคติไปข้างหน้าในซิลิคอนไดโอด