Как са подредени и работят полупроводникови диоди

Dйод - най-простото устройство в славното семейство на полупроводникови устройства. Ако вземем плоча на полупроводник, например Германия, и въведем акцепторен примес в лявата му половина, а в десния донор, тогава от една страна получаваме полупроводник тип P, съответно, от другата тип N. В средата на кристала получаваме т.нар. P-N кръстовищекакто е показано на фигура 1.

Същата фигура показва условното графично обозначение на диода на диаграмите: катодният изход (отрицателен електрод) е много подобен на знака „-”. По-лесно е да запомните

Общо в такъв кристал има две зони с различна проводимост, от които излизат два извода, така че полученото устройство се нарича диодзащото префиксът "di" означава две.

В този случай диодът се оказа полупроводник, но подобни устройства бяха известни и преди: например в ерата на електронните тръби имаше тръбен диод, наречен кенотрон. Сега такива диоди са влезли в историята, въпреки че привържениците на звука на "тръбата" вярват, че в тръбния усилвател дори анодният токоизправител трябва да бъде тръба!

Фигура 1. Структурата на диода и обозначението на диода в диаграмата

На кръстовището на полупроводници с проводимост P и N, P-N кръстовище (P-N кръстовище), което е основата на всички полупроводникови устройства. Но за разлика от диод, в който този преход е само един, транзистори имат две P-N кръстовища и, например, тиристори се състоят веднага от четири прехода.

P-N преход в покой

Дори ако кръстовището P-N, в този случай диодът, не е свързано никъде, все пак вътре в него протичат интересни физически процеси, които са показани на фигура 2.

Фигура 2. Диод в покой

В регион N има излишък от електрони, той носи отрицателен заряд, а в регион P зарядът е положителен. Заедно тези заряди образуват електрическо поле. Тъй като противоположно заредените заряди са склонни да привличат, електрони от зона N проникват в положително заредената зона P, запълвайки някои дупки със себе си. В резултат на това движение вътре в полупроводника възниква ток, макар и много малък (единици наноампери).

В резултат на това движение плътността на веществото от страна на P се увеличава, но до определена граница. Частиците обикновено са склонни да се разпространяват равномерно в обема на веществото, подобно на това как миризмата на парфюми се разпространява в стаята (дифузия), следователно, рано или късно, електроните се връщат обратно в зона N.

Ако за повечето потребители на електроенергия посоката на тока не играе роля - светлината е включена, плочката се нагрява, тогава за диода посоката на тока играе огромна роля. Основната функция на диода е да провежда ток в една посока. Именно това свойство се осигурява от P-N кръстовището.

След това обмисляме как диодът се държи в два възможни случая на свързване на източник на ток.

Включване на диода в обратна посока

Ако свържете източник на енергия към полупроводниковия диод, както е показано на фигура 3, токът няма да премине през P-N кръстовището.

Фигура 3. Включен обратен диод

Както се вижда от фигурата, положителният полюс на източника на захранване е свързан с регион N, а отрицателният полюс - в област P. В резултат на това електрони от регион N се втурват към положителния полюс на източника. От своя страна положителните заряди (дупки) в регион P се привличат от отрицателния полюс на източника на енергия. Следователно, в областта на P-N кръстовището, както се вижда на фигурата, се образува празнота, просто няма какво да провежда ток, няма носители на заряд.

С увеличаването на напрежението на източника на енергия, електроните и дупките все повече и повече се привличат към електрическото поле на акумулатора, докато в областта на P - N кръстовището на носителите на заряд има все по-малко.Следователно при обратната връзка токът през диода не отива. В такива случаи е обичайно да се казва това полупроводникови диод е затворен от обратно напрежение.

Увеличаването на плътността на материята в близост до полюсите на батерията води до дифузия покачване, - желанието за равномерно разпределение на веществото в обема. Какво се случва, когато изключите батерията.

Полупроводников диоден обратен ток

Тук дойде моментът да си припомним миноритарните превозвачи, които бяха условно забравени. Факт е, че дори в затворено състояние през диода преминава незначителен ток, наречен обратен ток. Този обратен ток и се създава от миноритарни превозвачи, които могат да се движат по същия начин като основните, само в обратна посока. Естествено, такова движение се случва при обратно напрежение. Обратният ток като правило е малък, поради малкия брой миноритарни носители.

С повишаване на температурата на кристала броят на миноритарните носители се увеличава, което води до увеличаване на обратния ток, което може да доведе до разрушаване на P - N кръстовището. Следователно работните температури за полупроводникови устройства - диоди, транзистори, вериги са ограничени. За да се предотврати прегряване, на радиаторите се монтират мощни диоди и транзистори - радиатори.

Включване на диода в посока напред

Показано на Фигура 4.

Фигура 4. Директно включване на диод

Сега променяме полярността на включването на източника: минус се свързваме с региона N (катод) и плюс към региона P (анод). С това включване в N област, електроните ще се отблъснат от минуса на батерията и ще се придвижат към P-N кръстовището. В регион P положително заредените отвори се отблъскват от положителния извод на батерията. Електроните и дупките се втурват един към друг.

Заредени частици с различна полярност се събират в близост до P-N кръстовище, между тях възниква електрическо поле. Следователно, електроните преодоляват P-N кръстовището и продължават да се движат през зона П. В същото време някои от тях рекомбинират с дупки, но повечето от тях се втурват към плюса на батерията, токът Id преминава през диода.

Този ток се нарича постоянен ток, Той е ограничен от техническите данни на диода, някаква максимална стойност. Ако тази стойност бъде надвишена, съществува опасност от разпадане на диода. Трябва обаче да се отбележи, че посоката на предния ток на фигурата съвпада с общоприетото обратно движение на електрони.

Можем също да кажем, че в посока на включване напред електрическото съпротивление на диода е сравнително малко. Когато го включите отново, това съпротивление ще бъде многократно по-голямо, токът през полупроводниковия диод не отива (лек обратен ток не се взема предвид тук). От горното можем да заключим това диодът се държи като обикновен механичен клапан: обърнат в едната посока - водата тече, обърната в другата - потокът спря, За това свойство се нарича диодът полупроводников клапан.

За да разберете подробно всички способности и свойства на полупроводников диод, трябва да се запознаете с него волт - амперна характеристика, Също така е добре да научите за различните дизайни на диоди и честотни свойства, за предимствата и недостатъците. Това ще бъде разгледано в следващата статия.

Продължение на статията: Характеристики на диоди, дизайн и характеристики на приложението

Борис Аладишкин