Como os diodos semicondutores são organizados e funcionam

Diodo - o dispositivo mais simples da gloriosa família de dispositivos semicondutores. Se pegarmos uma placa de um semicondutor, por exemplo a Alemanha, e introduzirmos uma impureza aceitadora na metade esquerda e na doadora direita, por um lado, obteremos um semicondutor do tipo P, respectivamente, no outro tipo N. No meio do cristal, obtemos o chamado Junção P-Ncomo mostrado na figura 1.

A mesma figura mostra a designação gráfica condicional do diodo nos diagramas: a saída do cátodo (eletrodo negativo) é muito semelhante ao sinal "-". É mais fácil lembrar.

No total, em tal cristal, existem duas zonas com condutividades diferentes, das quais duas derivações saem, de modo que o dispositivo resultante é chamado diodoporque o prefixo "di" significa dois.

Nesse caso, o diodo acabou sendo um semicondutor, mas dispositivos semelhantes eram conhecidos antes: por exemplo, na era dos tubos de elétrons, havia um diodo de tubo chamado kenotron. Agora, esses diodos entraram na história, embora os adeptos do som do "tubo" acreditem que em um amplificador de tubo, até o retificador de tensão do ânodo deve ser um tubo!

Figura 1. A estrutura do diodo e a designação do diodo no diagrama

Na junção de semicondutores com condutividades P e N, verifica-se Junção P-N (junção P-N), que é a base de todos os dispositivos semicondutores. Mas, diferentemente de um diodo, no qual essa transição é apenas uma, transistores tem duas junções P-N e, por exemplo, tiristores consistem imediatamente em quatro transições.

Transição P-N em repouso

Mesmo que a junção P-N, neste caso o diodo, não esteja conectada em nenhum lugar, todos os mesmos processos físicos interessantes ocorrem dentro dele, como é mostrado na Figura 2.

Figura 2. Diodo em repouso

Na região N, há um excesso de elétrons, ele carrega uma carga negativa e, na região P, a carga é positiva. Juntas, essas cargas formam um campo elétrico. Como cargas carregadas de maneira oposta tendem a atrair, os elétrons da zona N penetram na zona carregada positivamente P, preenchendo alguns buracos. Como resultado de tal movimento, surge uma corrente no interior do semicondutor, embora muito pequena (unidades de nanoamperes).

Como resultado desse movimento, a densidade da substância no lado P aumenta, mas até um certo limite. As partículas geralmente tendem a se espalhar uniformemente por todo o volume da substância, semelhante à maneira como o cheiro dos perfumes se espalha pela sala (difusão); portanto, mais cedo ou mais tarde, os elétrons retornam à zona N.

Se para a maioria dos consumidores de eletricidade a direção da corrente não desempenha um papel - a luz está acesa, o ladrilho aquece e, para o diodo, a direção da corrente desempenha um grande papel. A principal função do diodo é conduzir corrente em uma direção. É essa propriedade que é fornecida pela junção P-N.

A seguir, consideramos como o diodo se comporta em dois casos possíveis de conexão de uma fonte atual.

Ligar o diodo na direção oposta

Se você conectar uma fonte de alimentação ao diodo semicondutor, conforme mostrado na Figura 3, a corrente não passará pela junção P-N.

Figura 3. Diodo reverso ligado

Como pode ser visto na figura, o pólo positivo da fonte de energia está conectado à região N e o pólo negativo à região P. Como resultado, os elétrons da região N correm para o polo positivo da fonte. Por sua vez, cargas positivas (orifícios) na região P são atraídas pelo pólo negativo da fonte de energia. Portanto, na região da junção P-N, como pode ser visto na figura, um vácuo se forma, simplesmente não há nada para conduzir corrente, não há portadores de carga.

À medida que a voltagem da fonte de energia aumenta, os elétrons e os orifícios são cada vez mais atraídos para o campo elétrico da bateria, enquanto na região da junção P - N dos portadores de carga, há cada vez menos.Portanto, na conexão reversa, a corrente através do diodo não passa. Nesses casos, é costume dizer que o diodo semicondutor é fechado por tensão reversa.

Aumentar a densidade da matéria perto dos pólos da bateria leva a difusão, - o desejo de uma distribuição uniforme da substância ao longo do volume. O que acontece quando você desliga a bateria.

Corrente reversa do diodo semicondutor

É aqui que chegou a hora de recordar as transportadoras minoritárias, que foram esquecidas condicionalmente. O fato é que, mesmo no estado fechado, uma corrente insignificante passa pelo diodo, chamada corrente reversa. Esse corrente reversa e é criado por operadoras minoritárias que podem se mover da mesma maneira que as principais, apenas na direção oposta. Naturalmente, esse movimento ocorre sob tensão reversa. A corrente reversa, como regra, é pequena, devido ao pequeno número de operadoras minoritárias.

Com o aumento da temperatura do cristal, o número de portadores minoritários aumenta, o que leva a um aumento na corrente reversa, o que pode levar à destruição da junção P - N. Portanto, as temperaturas de operação para dispositivos semicondutores - diodos, transistores, circuitos são limitadas. Para evitar superaquecimento, diodos e transistores poderosos são instalados em dissipadores de calor - radiadores.

Ligar o diodo na direção direta

Mostrado na Figura 4.

Figura 4. Diodo de ativação direta

Agora, alteramos a polaridade da inclusão da fonte: menos a conexão à região N (cátodo) e mais a região P (ânodo). Com essa inclusão na região N, os elétrons se repelem do menos da bateria e se movem em direção à junção P-N. Na região P, os furos com carga positiva são repelidos a partir do terminal positivo da bateria. Elétrons e buracos correm um para o outro.

Partículas carregadas com polaridade diferente são coletadas perto da junção P-N, um campo elétrico surge entre elas. Portanto, os elétrons superam a junção P-N e continuam a se mover através da zona P. Ao mesmo tempo, alguns se recombinam com orifícios, mas a maioria deles corre para o lado positivo da bateria, o ID atual passa pelo diodo.

Essa corrente é chamada corrente contínua. É limitado pelos dados técnicos do diodo, algum valor máximo. Se esse valor for excedido, existe o risco de o diodo quebrar. No entanto, deve-se notar que a direção da corrente direta na figura coincide com o movimento reverso geralmente aceito dos elétrons.

Também podemos dizer que, no sentido direto de ligar, a resistência elétrica do diodo é relativamente pequena. Quando você liga novamente, essa resistência será muitas vezes maior, a corrente através do diodo semicondutor não diminui (uma leve corrente reversa não é levada em consideração aqui). Pelo exposto, podemos concluir que o diodo se comporta como uma válvula mecânica comum: girada em uma direção - água flui, girada na outra - o fluxo parou. Para esta propriedade, o diodo é chamado válvula semicondutora.

Para entender em detalhes todas as habilidades e propriedades de um diodo semicondutor, você deve se familiarizar com volt - característica de ampères. Também é bom aprender sobre os vários projetos de diodos e propriedades de frequência, sobre as vantagens e desvantagens. Isso será discutido no próximo artigo.

Continuação do artigo: Características dos diodos, projetos e recursos de aplicação

Boris Aladyshkin