Jak jsou polovodičové diody uspořádány a jak fungují

Djod - nejjednodušší zařízení ve slavné rodině polovodičových zařízení. Pokud vezmeme desku polovodiče, například Německo, a zavedeme akceptorovou nečistotu do její levé poloviny a do pravé dárcovské, na jednu stranu dostaneme polovodič typu P, respektive na druhou stranu N. Uprostřed krystalu dostaneme tzv. P-N křižovatkajak je znázorněno na obrázku 1.

Stejný obrázek ukazuje podmíněné grafické označení diody v diagramech: výstup katody (záporná elektroda) je velmi podobný znaménku „-“. Je snazší si zapamatovat.

Celkově jsou v takovém krystalu dvě zóny s různými vodivostmi, ze kterých vycházejí dva vodiče, takže výsledné zařízení se nazývá diodaprotože předpona "di" znamená dvě.

V tomto případě se dioda ukázala jako polovodič, ale podobná zařízení byla známa již dříve: například v éře elektronových trubic byla trubková dioda zvaná kenotron. Nyní takové diody v historii propadly, ačkoli přívrženci zvuku „trubice“ věří, že v trubkovém zesilovači by i trubkový usměrňovač napětí měl být trubice!

Obrázek 1. Struktura diody a označení diody v diagramu

Na spoji polovodičů s vodivostí P a N P-N křižovatka (P-N křižovatka), což je základ všech polovodičových zařízení. Na rozdíl od diody, ve které je tento přechod pouze jedním, tranzistory mají dvě křižovatky P-N a například tyristory sestávají okamžitě ze čtyř přechodů.

P-N přechod v klidu

I když křižovatka P-N, v tomto případě dioda, není nikde spojena, uvnitř ní se vyskytují stejné a zajímavé fyzikální procesy, které jsou znázorněny na obrázku 2.

Obrázek 2. Dioda v klidu

V oblasti N je nadbytek elektronů, nese záporný náboj a v oblasti P je náboj kladný. Tyto náboje společně tvoří elektrické pole. Protože opačně nabité náboje mají tendenci přitahovat, elektrony ze zóny N pronikají do pozitivně nabité zóny P a vyplňují některé díry sebou. Výsledkem tohoto pohybu je uvnitř polovodiče proud, i když velmi malý (jednotky nanoamper).

V důsledku tohoto pohybu se hustota látky na straně P zvyšuje, ale na určitou hranici. Částice mají obvykle tendenci se rovnoměrně šířit po celém objemu látky, podobně jako se vůně parfémů šíří po místnosti (difúze), proto se elektrony dříve či později vracejí zpět do zóny N.

Pokud pro většinu spotřebitelů elektřiny nehraje směr proudu - světlo svítí, dlaždice se zahřívá, pak u diody hraje směr proudu velkou roli. Hlavní funkcí diody je vést proud v jednom směru. Právě tato vlastnost je poskytována křižovatkou P-N.

Dále uvažujeme, jak se dioda chová ve dvou možných případech připojení aktuálního zdroje.

Zapnutí diody v opačném směru

Pokud k polovodičové diodě připojíte zdroj energie, jak je znázorněno na obrázku 3, proud neprochází křižovatkou P-N.

Obrázek 3. Reverzní dioda zapnuta

Jak je vidět na obrázku, kladný pól zdroje energie je připojen k oblasti N a záporný pól k oblasti P. Výsledkem je, že elektrony z oblasti N spěchají do kladného pólu zdroje. Pozitivní náboje (díry) v oblasti P jsou naopak přitahovány záporným pólem zdroje energie. Proto v oblasti křižovatky P-N, jak je vidět na obrázku, prázdné formy, prostě není nic, co by vedlo proud, neexistují nosiči náboje.

Jak se napětí zdroje energie zvyšuje, elektrony a díry jsou stále více přitahovány do elektrického pole baterie, zatímco v oblasti spojení P - N nosičů náboje je stále méně.Proto při zpětném připojení nejde proud diodou. V takových případech je obvyklé to říkat polovodičová dioda je uzavřena reverzním napětím.

Vede to ke zvýšení hustoty hmoty v blízkosti pólů baterie šíření- touha po rovnoměrném rozdělení látky v celém objemu. Co se stane, když vypnete baterii.

Polovodičový diodový zpětný proud

Tady nastal čas připomenout si menšinové nosiče, na které bylo podmíněně zapomenut. Skutečností je, že i v uzavřeném stavu prochází dioda nevýznamný proud, zvaný zpětný proud. Tenhle zpětný proud a je vytvořen minoritními nosiči, kteří se mohou pohybovat stejným způsobem jako hlavní, pouze opačným směrem. K takovému pohybu přirozeně dochází při zpětném napětí. Zpětný proud je zpravidla malý, vzhledem k malému počtu menšinových dopravců.

Se zvyšující se teplotou krystalu se zvyšuje počet minoritních nosičů, což vede ke zvýšení zpětného proudu, což může vést ke zničení přechodu P - N. Proto jsou provozní teploty pro polovodičová zařízení - diody, tranzistory, obvody omezené. Aby nedošlo k přehřátí, jsou na chladičích instalovány výkonné diody a tranzistory - radiátory.

Zapnutí diody směrem vpřed

Na obrázku 4.

Obrázek 4. Dioda přímého zapnutí

Nyní změníme polaritu začlenění zdroje: mínus připojení k oblasti N (katoda) a plus k oblasti P (anoda). Při tomto začlenění do oblasti N se elektrony odrazí od minus baterie a posunou se směrem ke křižovatce P-N. V oblasti P jsou kladně nabité otvory odpuzovány z kladného pólu baterie. Elektrony a díry se k sobě řítí.

Nabité částice s různou polaritou se shromažďují v blízkosti křižovatky P-N, mezi nimi vzniká elektrické pole. Proto elektrony překonávají křižovatku P-N a nadále se pohybují zónou P. Současně se některé z nich rekombinují s otvory, ale většina z nich spěchá k plusu baterie, aktuální Id prochází diodou.

Tento proud se nazývá stejnosměrný proud. Je omezena technickými údaji diody, nějakou maximální hodnotou. Pokud je tato hodnota překročena, může dojít k poškození diody. Je však třeba poznamenat, že směr dopředného proudu na obrázku se shoduje s obecně přijímaným zpětným pohybem elektronů.

Můžeme také říci, že ve směru vpřed zapnutí je elektrický odpor diody relativně malý. Když jej znovu zapnete, tento odpor bude mnohokrát větší, proud přes polovodičovou diodu nejde (mírný zpětný proud zde není brán v úvahu). Z výše uvedeného můžeme dojít k závěru dioda se chová jako obyčejný mechanický ventil: otočený v jednom směru - voda teče, ve druhém zase - tok byl zastaven. Pro tuto vlastnost se nazývá dioda polovodičový ventil.

Abychom podrobně porozuměli všem schopnostem a vlastnostem polovodičové diody, měli byste se s ní seznámit volt - ampérová charakteristika. Je také dobré se dozvědět o různých konstrukcích diod a frekvenčních vlastností, o výhodách a nevýhodách. To bude probráno v dalším článku.

Pokračování článku: Charakteristika diod, provedení a vlastnosti aplikace

Boris Aladyshkin