Рубрики
Начинающим электрикам

Как устроены и работают полупроводниковые диоды

Диодик — самый простой по устройству в славном семействе полупроводниковых устройств. Если взять пластинку полупроводника, к примеру германия, и в его левую половину ввести акцепторную

Как устроены и работают полупроводниковые диодыДиодик — самый простой по устройству в славном семействе полупроводниковых устройств. Если взять пластинку полупроводника, к примеру германия, и в его левую половину ввести акцепторную примесь, а в правую донорную, то с одной стороны получится полупроводник типа P, соответственно с другой типа N. Посреди кристалла получится, так именуемый P-N переход, как показано на рисунке 1.

На этом же рисунке показано условное графическое обозначение диодика на схемах: вывод катода (отрицательный электрод) очень похож на символ «-». Так проще уяснить.

Всего в таком кристалле две зоны с различной проводимостью, от которых выходят два вывода, потому приобретенный прибор получил заглавие диодик, так как приставка «ди» значит два.

В этом случае диодик вышел полупроводниковый, но подобные устройства были известны и ранее: к примеру в эру электрических ламп был ламповый диодик, называвшийся кенотрон. На данный момент такие диоды ушли в историю, хотя приверженцы «лампового» звука считают, что в ламповом усилителе даже выпрямитель анодного напряжения должен быть ламповым!

Как устроены и работают полупроводниковые диоды

Набросок 1. Строение диодика и обозначение диодика на схеме

На стыке полупроводников с P и N проводимостями выходит P-N переход (P-N junction), который является основой всех полупроводниковых устройств. Но в отличии от диодика, у которого этот переход только один, транзисторы имеют два P-N перехода, а, к примеру, тиристоры состоят сходу из 4 переходов.

P-N переход в состоянии покоя

Даже если P-N переход, в этом случае диодик, никуда не подключен, все равно снутри него происходят достойные внимания физические процессы, которые показаны на рисунке 2.

Как устроены и работают полупроводниковые диоды

Набросок 2. Диодик в состоянии покоя

В области N имеется излишек электронов, она несет внутри себя отрицательный заряд, а в области P заряд положительный. Совместно эти заряды образуют электронное поле. Так как разноименные заряды имеют свойство притягиваться, электроны из зоны N попадают в положительно заряженную зону P, заполняя собой некие дырки. В итоге такового движения снутри полупроводника появляется, хоть и очень небольшой (единицы наноампер), но все-же ток.

В итоге такового движения растет плотность вещества на стороне P, но до определенного предела. Частички обычно стремятся распространяться умеренно по всему объему вещества, подобно тому, как запах духов распространяется на всю комнату (диффузия), потому, в какой-то момент, электроны ворачиваются назад в зону N.

Если для большинства потребителей электроэнергии направление тока роли не играет, — лампочка сияет, плитка нагревается, то для диодика направление тока играет гигантскую роль. Основная функция диодика проводить ток в одном направлении. Конкретно это свойство и обеспечивается P-N переходом.

Дальше разглядим, как ведет себя диодик в 2-ух вероятных случаях подключения источника тока.

Включение диодика в оборотном направлении

Если к полупроводниковому диодику подключить источник питания, как показано на рисунке 3, то ток через P-N переход не пройдет.

Как устроены и работают полупроводниковые диоды

Набросок 3. Оборотное включение диодика

Как видно на рисунке, к области N подключен положительный полюс источника питания, а к области P — отрицательный. В итоге электроны из области N устремляются к положительному полюсу источника. В свою очередь положительные заряды (дырки) в области P притягиваются отрицательным полюсом источника питания. Потому в области P-N перехода, как видно на рисунке, появляется пустота, ток проводить просто нечем, нет носителей заряда.

При увеличении напряжения источника питания электроны и дырки все сильней притягиваются электронным полем батарейки, в области же P-N перехода носителей заряда остается меньше. Потому в оборотном включении ток через диодик не идет. В таких случаях принято гласить, что диодик заперт оборотным напряжением.

Повышение плотности вещества около полюсов батареи приводит к появлению диффузии, — рвению к равномерному рассредотачиванию вещества по всему объему. Что и происходит при выключении элемента питания.

Оборотный ток полупроводникового диодика

Вот тут как раз и пришло время вспомнить о неосновных носителях, которые были условно позабыты. Дело в том, что даже в закрытом состоянии через диодик проходит малозначительный ток, именуемый оборотным. Этот оборотный ток и создается неосновными носителями, которые могут двигаться точно так же, как главные, исключительно в оборотном направлении. Естественно, что такое движение происходит при оборотном напряжении. Оборотный ток, обычно, невелик, что обосновано малозначительным количеством неосновных носителей.

С увеличением температуры кристалла количество неосновных носителей возрастает, что приводит к возрастанию оборотного тока, что может привести к разрушению P-N перехода. Потому рабочие температуры для полупроводниковых устройств, — диодов, транзисторов, микросхем ограничены. Чтоб не допускать перегрева массивные диоды и транзисторы инсталлируются на теплоотводы — радиаторы.

Включение диодика в прямом направлении

Показано на рисунке 4.

Как устроены и работают полупроводниковые диоды

Набросок 4. Прямое включение диодика

Сейчас изменим полярность включения источника: минус подключим к области N (катоду), а плюс к области P (аноду). При таком включении в области N электроны будут отталкиваться от минуса батареи, и двигаться в сторону P-N перехода. В области P произойдет отталкивание положительно заряженных дырок от плюсового вывода батареи. Электроны и дырки устремляются навстречу друг дружке.

Заряженные частички с разной полярностью собираются около P-N перехода, меж ними появляется электронное поле. Потому электроны преодолевают P-N переход и продолжают движение через зону P. При всем этом часть из их рекомбинирует с дырками, но большая часть устремляется к плюсу батарейки, через диодик пошел ток Id.

Этот ток именуется прямым током. Он ограничивается техническими данными диодика, неким наибольшим значением. Если это значение будет превышено, то появляется опасность выхода диодика из строя. Следует, но, увидеть, что направление прямого тока на рисунке совпадает с принятым, оборотным движению электронов.

Можно также сказать, что при прямом направлении включения электронное сопротивление диодика сравнимо маленькое. При оборотном включении это сопротивление будет во много раз больше, ток через диодик не идет (малозначительный оборотный ток тут в расчет не принимается). Из всего вышесказанного можно прийти к выводу, что диодик ведет себя подобно обыкновенному механическому вентилю: повернул в одну сторону — вода течет, повернул в другую — поток закончился. За это свойство диодик получил заглавие полупроводникового вентиля.

Чтоб детально разобраться во всех возможностях и свойствах диодика, следует познакомиться с его вольт — амперной чертой. Также хорошо выяснить о разных конструкциях диодов и частотных свойствах, о плюсах и недочетах. Об этом будет поведано в последующей статье.

Продолжение статьи: Свойства диодов, конструкции и особенности внедрения

Борис Аладышкин