Kā pusvadītāju diodes ir sakārtotas un darbojas

Djods - vienkāršākā ierīce krāšņajā pusvadītāju ierīču saimē. Ja mēs ņemam pusvadītāja plāksni, piemēram, Vāciju, un tās kreisajā pusē un labajā donorā ieviešam akceptora piemaisījumu, tad, no vienas puses, mēs iegūstam attiecīgi P tipa pusvadītāju, no otras puses - N. Kristāla vidū mēs iegūstam tā saukto P-N krustojumskā parādīts 1. attēlā.

Tajā pašā attēlā parādīts nosacītais diodes grafiskais apzīmējums diagrammās: katoda izeja (negatīvs elektrods) ir ļoti līdzīga zīmei “-”. Tas ir vieglāk atcerēties.

Kopumā šādā kristālā ir divas zonas ar atšķirīgu vadītspēju, no kurām iznāk divi vadi, tāpēc iegūto ierīci sauc diodejo priedēklis "di" nozīmē divus.

Šajā gadījumā diode izrādījās pusvadītājs, bet līdzīgas ierīces bija zināmas jau iepriekš: piemēram, elektronu lampu laikmetā bija cauruļu diode, ko sauca par kenotronu. Tagad šādas diodes ir izgāzušas vēsturē, kaut arī "caurules" skaņas piekritēji uzskata, ka caurules pastiprinātājā pat anoda sprieguma taisngriezim jābūt caurulei!

1. attēls. Diodes struktūra un diodes apzīmējums diagrammā

Pusvadītāju ar P un N vadītspēju krustojumā izrādās P-N krustojums (P-N krustojums), kas ir visu pusvadītāju ierīču pamatā. Bet atšķirībā no diodes, kurā šī pāreja ir tikai viena, tranzistori ir divi P-N krustojumi, un, piemēram, tiristori nekavējoties sastāv no četrām pārejām.

P-N pāreja miera stāvoklī

Pat ja P-N krustojums, šajā gadījumā diode, nekur nav savienots, tā iekšienē notiek visi tie paši, interesanti fiziskie procesi, kas parādīti 2. attēlā.

2. attēls. Diode miera stāvoklī

N reģionā ir elektronu pārsvars, tas nes negatīvu lādiņu, bet P reģionā lādiņš ir pozitīvs. Kopā šie lādiņi veido elektrisko lauku. Tā kā pretēji lādētiem lādiņiem ir tendence pievilkties, elektroni no N zonas iekļūst pozitīvi lādētajā zonā P, piepildot dažus caurumus ar sevi. Šādas kustības rezultātā rodas strāva pusvadītāja iekšpusē, kaut arī tā ir ļoti maza (nanoamperu vienības).

Šīs kustības rezultātā palielinās vielas blīvums P pusē, bet līdz noteiktai robežai. Daļiņām parasti ir tendence vienmērīgi izplatīties visā vielas tilpumā, līdzīgi kā smaržu smarža izplatās visā telpā (difūzija), tāpēc agrāk vai vēlāk elektroni atgriežas atpakaļ N zonā.

Ja lielākajai daļai elektrības patērētāju strāvas virziens neietekmē - deg gaisma, flīze uzkarst, tad diodei strāvas virziens spēlē milzīgu lomu. Diodes galvenā funkcija ir vadīt strāvu vienā virzienā. Tieši šo īpašību nodrošina P-N krustojums.

Tālāk mēs apsveram, kā diode uzvedas divos iespējamos strāvas avota pievienošanas gadījumos.

Ieslēdziet diodi pretējā virzienā

Ja pusvadītāju diodei pievienojat enerģijas avotu, kā parādīts 3. attēlā, tad strāva neizies cauri P-N krustojumam.

3. attēls. Ieslēgta apgrieztā diode

Kā redzams attēlā, enerģijas avota pozitīvais pols ir savienots ar reģionu N, bet negatīvais - ar reģionu P. Rezultātā elektroni no N reģiona uzbrūk uz avota pozitīvo polu. Savukārt pozitīvos lādiņus (caurumus) P reģionā piesaista enerģijas avota negatīvais pols. Tāpēc P-N krustojuma reģionā, kā redzams attēlā, veidojas tukšums, vienkārši nav ko vadīt strāvu, nav lādiņu nesēju.

Palielinoties enerģijas avota spriegumam, elektronus un caurumus arvien vairāk piesaista akumulatora elektriskais lauks, savukārt lādiņu nesēju P - N savienojuma vietā to ir mazāk.Tāpēc apgrieztā savienojumā strāva caur diodi neiziet. Šādos gadījumos to parasti saka pusvadītāju diode ir slēgta ar reverso spriegumu.

Vielas blīvuma palielināšanās pie akumulatora poliem noved pie difūzija, - vēlme panākt vienmērīgu vielas sadalījumu visā tilpumā. Kas notiek, izslēdzot akumulatoru?

Pusvadītāju diode apgrieztā strāva

Šeit ir pienācis laiks atsaukt atmiņā mazākumtautību pārvadātājus, kuri nosacīti tika aizmirsti. Fakts ir tāds, ka pat slēgtā stāvoklī caur diodi iet nenozīmīga strāva, ko sauc par apgriezto strāvu. Šis apgrieztā strāva un to veido mazākumtautību pārvadātāji, kas var pārvietoties tāpat kā galvenie, tikai pretējā virzienā. Dabiski, ka šāda kustība notiek reversā spriegumā. Apgrieztā strāva, kā likums, ir maza, jo ir mazs mazākumtautību pārvadātāju skaits.

Palielinoties kristāla temperatūrai, palielinās mazākumtautību nesēju skaits, kas izraisa apgrieztā strāvas palielināšanos, kas var izraisīt P - N krustojuma iznīcināšanu. Tāpēc pusvadītāju ierīču - diožu, tranzistoru, ķēžu - darba temperatūra ir ierobežota. Lai novērstu pārkaršanu, siltuma izlietnēs ir uzstādītas jaudīgas diodes un tranzistori - radiatori.

Diodes ieslēgšana virzienā uz priekšu

Parādīts 4. attēlā.

4. attēls. Tiešas diodes ieslēgšana

Tagad mēs mainām avota iekļaušanas polaritāti: mīnus savieno ar reģionu N (katods) un plus ar reģionu P (anods). Ar šo iekļaušanos N reģionā elektroni atsit no akumulatora mīnusiem un virzās uz P-N krustojumu. P reģionā pozitīvi uzlādētus caurumus atgrūž no akumulatora pozitīvā spailes. Elektroni un caurumi steidzas viens pret otru.

Netālu no P-N krustojuma savāc uzlādētas daļiņas ar atšķirīgu polaritāti, starp tām rodas elektriskais lauks. Tāpēc elektroni šķērso P-N krustojumu un turpina pārvietoties pa P zonu. Tajā pašā laikā daži no tiem rekombinējas ar caurumiem, bet lielākā daļa steidzas pie akumulatora plusa, Id iet caur diodi.

Šī strāva tiek saukta līdzstrāva. To ierobežo diodes tehniskie dati, daži maksimālie lielumi. Ja šī vērtība tiek pārsniegta, pastāv diodes sabrukšanas draudi. Tomēr jāņem vērā, ka attēlā redzamās priekšējās strāvas virziens sakrīt ar vispārpieņemto elektronu apgriezto kustību.

Mēs varam arī teikt, ka ieslēgšanas virzienā uz priekšu diodes elektriskā pretestība ir salīdzinoši maza. Ieslēdzot to atkal, šī pretestība būs vairākas reizes lielāka, strāva caur pusvadītāja diodi neiet (neliela apgrieztā strāva šeit netiek ņemta vērā). No visa iepriekš minētā mēs varam secināt diode uzvedas kā parasts mehāniskais vārsts: pagriezts vienā virzienā - plūst ūdens, pagriezās otrā - plūsma apstājās. Šim īpašumam tiek saukta diode pusvadītāju vārsts.

Lai detalizēti izprastu visas pusvadītāju diodes spējas un īpašības, jums vajadzētu iepazīties ar to volt - ampēras raksturlielums. Ir arī labi uzzināt par dažādiem diožu dizainiem un frekvences īpašībām, par priekšrocībām un trūkumiem. Tas tiks apspriests nākamajā rakstā.

Raksta turpinājums: Diožu raksturojums, dizains un pielietojuma pazīmes

Boriss Aladyshkin