Полупроводниковый диод – устройство и принцип действия
“06” декабря 2021 г.
Принцип действия диода заключается в способности пропускать ток в определенном направлении.
Устройство диода подразумевает наличия в нем двух зон:
- анода “+”;
- катода “-“.
По физическим принципам, положенным в основу работы диодов их можно разделить на:
- полупроводниковые;
- вакуумные.
Для первого типа рабочей средой является полупроводниковый материал с различными добавками, например, кремний или германий.
В вакуумных ток возникает за счет эмиссии электронов с катода, все процессы происходят, извините за тавтологию, в вакууме. В настоящее время практически везде применяются полупроводниковые диоды.
Устройство и принцип работы будет рассмотрен на примере выпрямительного диода (есть и другие типы, но этот встречается чаще).
Обозначение полупроводникового диода (рис.1а).
Анод на схеме условно обозначается треугольником, катод – поперечной чертой, проходящей через вершину и параллельной основанию.
Само обозначение способно подсказать порядок подключения: треугольник вершиной смотрит в направлении прямого тока. Направление тока принято считать от “плюса” к “минусу”.
ВИДЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ДИОДА
Прямое.
Прямым включением считается подключение “+” к аноду (рис. 1б). При этом основными являются такие характеристики как прямые ток Iпр и напряжение Uпр.
Кстати, Uпр – это падение напряжения на диоде, оно достаточно стабильно и для большинства кремниевых исполнений составляет 0,7-1,2 В. Подробнее про это поговорим при рассмотрении вольт амперной характеристики (ВАХ).
Ток же определяется сопротивлением нагрузки и характеризуется номинальным и максимально допустимым значениями.
Первый – это рабочий, при превышении второго диод выходит из строя. Это называется “пробой”. При пробое полупроводниковый прибор утрачивает свойство односторонней проводимости и ток через него может течь в любом направлении.
Различают два вида пробоя:
- электрический;
- тепловой.
Электрический пробой обратим и при снижении тока до нормальных значений работоспособность восстанавливается.
При тепловом устройство идет “на выброс”. Электрический пробой по истечении определенного времени может перейти в тепловой. Кстати, выход диода из строя в результате теплового пробоя происходит за счет перегрева кристалла и изменения его свойств.
Обратное.
При обратном включении на анод подается “минус”, а на катод “плюс” (рис.1в).
Ток и напряжение, характеризующие этот режим работы называют обратными. В этом случае ток Iобр достаточно мал (доли миллиампер), а напряжение может изменяться в широких пределах, поскольку прикладывается оно с внешней стороны и все зависит от нас, сколько мы туда “закачаем”.
Но при достижении максимального значения обратного напряжения, определяемого характеристиками диода опять же происходит пробой.
ВОЛЬТ АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИОДА
Вольт амперная характеристика показывает зависимость ток от напряжения на выводах полупроводникового диода.
Она индивидуальная и зависит не только от назначения (технологии) прибора (выпрямительные, туннельные, Шоттки и т.д.), но и от его типа в пределах функционального назначения. Например, разные типы выпрямительных диодов будут иметь, пусть отличающиеся ВАХ.
Поэтому представленная на рис.2 характеристика предназначена исключительно для иллюстрации принципа действия диода.
Правый верхний квадрант иллюстрирует работу в прямом подключении, левый нижний – в обратном.
Обратите внимание на несколько характерных точек.
Напряжение открытия Uотк.
Это уже упоминавшиеся 07-1,2 Вольта. Пока напряжение не достигнет этой величины ток, даже в прямом включении будет мал.
После открывания значительный рост тока заметного влияния на увеличения напряжения на диоде не оказывает.
Ток пробоя Iпр.
В этой точке происходит электрический пробой и диод перестает работать в штатном режиме.
В принципе про это написано выше, так что я просто конспективно остановлюсь на этих характеристиках применительно к графику.
Напряжение пробоя Uпроб.
Обратное напряжение, вызывающее выход полупроводникового диода из строя. Обратите внимание, до достижения этого значения обратный ток увеличивается незначительно, а потом нарастает лавинообразно.
Итак, здесь рассмотрены только основные характеристики, определяющие принцип работы.
Существует еще множество других: температурные, частотные и пр., но это уже относится к области углубленного изучения вопросов применения полупроводниковых диодов для различных схемотехнических решений.
Для построения и реализации простых задач приведенной информации начинающему будет достаточно. В качестве примера давайте покажу реальную схему.
ПРОСТАЯ СХЕМА НА ПОЛУПРОВОДНИКОВОМ ДИОДЕ
Представьте, что имеется какое то устройство с питанием от батареек, например, радиоприемник. Для их экономии при наличии поблизости электрической сети хотелось бы подключать внешний блок питания.
Задача:
при отсутствии штатной возможности реализовать автоматический переход на внешний блок при его подключении и наоборот – переключение на питание от батарей при отключении адаптера.
Схема проста до смешного (рис.3).
Первоначально имеем приемник (ПР) и элемент питания (GB) – рис. 3а.
В разрыв цепи питания (А-Б) ставим диод (любой выпрямительный на напряжение не меньше 20 В и ток, например, 100 мА).
В точке Б подключаем разъем для подачи “+” с блока питания (БП), минус подключаем на общий провод “0”. Напряжение блока питания и батарей должны быть одинаковы. Получаем схему рис. 3б.
Как это работает.
При отсутствии внешнего напряжения диод находится в открытом состоянии и ток от встроенных элементов поступает на приемник. Обратите внимание, на диоде мы при этом потеряем 0,7-1,2 Вольта – кто внимательно читал статью вопросов иметь не должен.
Как правило, такая потеря на работоспособности приемника не сказывается.
При подключении внешнего блока напряжение в точке Б становится равным 9 В, так же как и в точке А. Диод закрывается, так как не обеспечивается необходимое напряжение открывания (см. ВАХ). Батареи отключаются, питание поступает с адаптера.
Отключите его – диод откроется и подключит батарею, принцип прост.
Кстати, таким образом можно реализовать автоматический переход на резервное питание любого слаботочного устройства. При пропадании сетевого напряжения блок отключится и питание пойдет от резервного источника GB.
Недостаток только один – данная схема не обеспечивает автоматическую подзарядку, если в качестве резерва используется аккумулятор.
* * *
© 2014-2022 г.г. Все права защищены.
Материалы сайта имеют ознакомительный характер, могут выражать мнение автора и не подлежат использованию в качестве руководящих и нормативных документов.
виды, как работает и область применения
Диод представляет собой простой полупроводниковый прибор, который нашел широкое применение в технике. Не каждый человек знает, что такое диод, и еще меньшее количество людей точно представляет себе принцип работы изделия.
- Устройство и принцип работы
- Основные виды
- Область применения
При этом существует большое количество разновидностей этого прибора, о которых стоит знать всем, кто интересуется радиоэлектроникой.
Устройство и принцип работы
Если понять, как работает диод, то разобраться в устройстве этого полупроводникового прибора будет довольно просто. Основу детали составляет токовый переход, соединенный с двумя контактами (положительным — анодом и отрицательным — катодом). При прямом включении напряжения открывается переход, сопротивление которого небольшое. В результате через изделие проходит ток, называемый прямым.
Если же при включении детали в схему изменить полярность, то сопротивление участка перехода резко возрастет, а показатель электротока будет стремиться к нулю. Такое напряжение принято называть обратным.
Так как полупроводниковый кристалл может эффективно работать в любых условиях, то необходимость создания особой среды исчезла.
В ламповых устройствах для этого в колбу закачивался специальный газ либо создавался вакуум. В результате современные изделия имеют небольшие габариты, а стоимость их производства значительно снизилась.
Основные виды
Диоды принято классифицировать по нескольким параметрам. В зависимости от рабочих частот, они могут быть низко-, высокочастотными, а также способными функционировать в условиях сверхвысоких частот. Также существует деление и в соответствии с конструктивными особенностями, где можно выделить следующие виды диодов:
- Диод Шоттки — вместо привычного p-n-перехода используется металл. С одной стороны, это позволяет добиться минимальных потерь напряжения при прямом включении. Однако с другой при высоком обратном токе, изделие быстро выходит из строя.
- Стабилитрон — позволяет стабилизировать напряжение.
- Стабистор — отличается от стабилитрона меньшей зависимостью напряжения от тока.
- Диод Гана — лишен p — n -перехода, вместо которого используется особый кристалл. Используется для работы в диапазоне сверхвысоких частот.
- Варикап — представляет собой сочетание диода с конденсатором. Емкость изделия зависит от обратного напряжения в области p — n -перехода, а применяется он при создании колебательных контуров.
- Фотодиод — попадание светового потока на токовый переход приводит к созданию в нем разности потенциалов. Если замкнуть в этот момент цепь, то в ней появится ток.
- Светодиод — при достижении определенного показателя тока в p — n -переходе, устройство начинает излучать световой поток.
Однако с другой при высоком обратном токе, изделие быстро выходит из строя.Область применения
Сфера использования этих деталей в современной радиотехнике высока.
Сложно найти устройство, которое работает без этих деталей. Чтобы понять, для чего нужен диод, можно привести несколько примеров:
- Диодные мосты — содержат от 4 до 12 полупроводниковых устройств, которые соединяются между собой. Основной задачей диодных мостов является выпрямление тока, и они активно используются, например, при создании генераторов для автомобилей.
- Детекторы — создаются при сочетании диодов и конденсаторов. В результате появляется возможность выделить низкочастотную модуляцию из различных сигналов. Применяются при изготовлении радио- и телеприемников.
- Защитные устройства — позволяют обезопасить электрическую схему от возможных перегрузок. Несколько изделий подключаются в обратном направлении. Когда схема работает нормально, то они остаются в закрытом положении. Как только входное напряжение достигает критических показателей, устройство активируются.
- Переключатели — такие системы на основе этих изделий позволяют осуществлять коммутацию высокочастотных сигналов.
- Системы искрозащиты — создание шунт-диодного барьера позволяет ограничить показатель напряжения в электроцепи. Для увеличения степени защиты вместе с полупроводниковыми деталями используются специальные токоограничивающие резисторы.
Это лишь несколько примеров использования диодов. Они являются достаточно надежными устройствами, с помощью которых можно решать большое количество задач. Чаще всего эти радиодетали выходят из строя по причине естественного старения либо из-за перегрева.
Если произошел электрический пробой изделия, то его последствия редко являются необратимыми, так как кристалл не разрушается.
Как работают диоды и светодиоды?
Узнайте, как работает диод для управления потоком электрического тока в цепи с использованием полупроводников n-типа и p-типа.
Пришло время повысить уровень своих знаний и перейти от простых пассивных компонентов к области полупроводниковых компонентов.
Эти детали оживают, когда их подключают к электрической цепи, и они могут разными способами манипулировать электричеством. Вам предстоит работать с двумя полупроводниковыми компонентами: диодом и транзистором. Сегодня мы поговорим о диоде, печально известном регуляторе, который позволяет электричеству течь только в одном направлении! Если вы видели светодиод в действии, вы уже далеко впереди. Давайте начнем.
Управление потоком
Диод хорошо известен своей способностью управлять потоком электрического тока в цепи. В отличие от пассивных компонентов, которые сидят сложа руки, сопротивляясь или накапливая, диоды активно держат руку на пульсе приливов и отливов тока, когда он течет по нашим устройствам. Есть два способа описать, как ток будет или не будет течь через диод:
- Прямое смещение: Когда вы правильно вставите батарею в цепь, ток будет протекать через диод; это называется смещенным вперед состоянием.
- Обратное смещение: Когда вы вставляете батарею в цепь в обратном направлении, ваш диод блокирует протекание любого тока, что называется состоянием с обратным смещением.
Хотя эти два термина могут показаться слишком сложными, думайте о диоде как о переключателе. Он либо закрыт (включен) и через него проходит ток, либо открыт (выключен), и ток через него не проходит.
Полярность диода и символы
Диодыявляются поляризованными компонентами, что означает, что они имеют очень специфическую ориентацию, которую необходимо подключить в цепь для правильной работы. На физическом диоде вы заметите две клеммы, выходящие из консервной банки посередине. Одна сторона – это положительный полюс, называемый анодом. Другая клемма является отрицательным концом, называемым катодом . Ток в диоде может двигаться только от анода к катоду, а не наоборот.
Вы можете определить катодную сторону физического диода, посмотрев на серебряную полоску рядом с одной из клемм. (Источник изображения) На схеме легко найти диод.
Просто найдите большую стрелку с линией, проходящей через нее, как показано ниже. У некоторых диодов и анод, и катод отмечены как положительные и отрицательные, но простой способ запомнить, как протекает ток в диоде, — это следовать направлению стрелки.
В наши дни большинство диодов изготавливаются из двух самых популярных полупроводниковых материалов в электронике — кремния или германия. Если вы что-нибудь знаете о полупроводниках, то вы знаете, что ни один из этих элементов не проводит электричество в своем естественном состоянии. Так как же заставить электричество течь через кремний или германий? С помощью маленького волшебного трюка под названием допинг.
Легирование полупроводников
Полупроводниковые элементы странные. Возьмем, к примеру, кремний. Это изолятор днем. Однако, если вы добавите к нему примеси с помощью процесса, называемого легированием, вы наделите его магической способностью проводить электричество ночью.
Из-за их двойных свойств изолятора и проводника полупроводники нашли свою идеальную нишу в компонентах, которые должны управлять потоком электрического тока в виде диодов и транзисторов. Вот как происходит процесс легирования типичного куска кремния:
- Во-первых, кремний выращивают в строго контролируемой лабораторной среде. Это называется чистой комнатой, то есть в ней нет пыли и других загрязнений.
- Кремний вырос, теперь пришло время его легировать. Этот процесс может идти одним из двух путей. Первый заключается в легировании кремния сурьмой, что дает ему несколько дополнительных электронов и позволяет кремнию проводить электричество. Это называется кремнием n-типа или отрицательным типом, потому что в нем больше отрицательных электронов, чем обычно.
- Вы также можете легировать кремний в обратном порядке. Добавление бора к кремнию удаляет электроны из атома кремния, оставляя пустые дыры там, где должны быть электроны. Это называется кремнием p-типа или положительного типа.
- Теперь, когда ваши кусочки кремния легированы как положительно, так и отрицательно, вы можете собрать их вместе. Соединяя кремний n-типа и p-типа вместе, вы создаете соединение.
Пример
Допустим, вы соединили кремний n-типа и p-типа вместе, а затем подключили батарею, создав цепь. Что случится?
В этом случае отрицательная клемма соединяется с кремнием n-типа, а положительная клемма соединяется с кремнием p-типа. А ничейная территория между двумя кусками кремния? Ну, он начинает сжиматься, и начинает течь электрический ток! Это состояние диода с прямым смещением, которое мы обсуждали вначале.
Предположим, вы подключаете аккумулятор наоборот: отрицательный вывод подключается к кремнию p-типа, а положительный вывод — к кремнию n-типа. Здесь происходит то, что нейтральная полоса между двумя кусками кремния становится шире, и ток вообще не течет. Это состояние с обратным смещением, которое может принимать диод.
Подсоедините аккумулятор в непреднамеренном направлении, и ваш диод остановит протекание тока между n-типом и p-типом.
(Источник изображения) Прямое напряжение и поломки
Когда вы работаете с диодами, вы узнаете, что для того, чтобы один из них пропускал ток, требуется определенное количество положительного напряжения. Напряжение, необходимое для включения диода, называется прямым напряжением (VF). Вы также можете увидеть, что это называется напряжением включения или напряжением включения.
Чем определяется это прямое напряжение? Полупроводниковый материал и типа . Вот как это разбивается:
- Кремниевые диоды. Использование диода на основе кремния потребует прямого напряжения от 0,6 до 1 В.
- Германиевые диоды. Использование диода на основе германия потребует более низкого прямого напряжения, около 0,3 В.
- Другие диоды. Для специализированных диодов, таких как светодиоды, требуется более высокое прямое напряжение, тогда как для диодов Шоттки (см. ниже) требуется более низкое прямое напряжение. Лучше всего проверить техническое описание вашего конкретного диода, чтобы определить его номинальное прямое напряжение.
Лучше всего проверить техническое описание вашего конкретного диода, чтобы определить его номинальное прямое напряжение.Я знаю, что мы говорили о диодах, пропускающих ток только в одном направлении, но вы можете нарушить это правило. Если вы приложите огромное отрицательное напряжение к диоду, то вы сможете изменить направление его тока!
Конкретная величина напряжения, которая вызывает возникновение этого обратного потока, называется напряжением пробоя . Напряжение пробоя v для обычных диодов составляет от -50В до -100В. Некоторые специализированные диоды могут даже работать при этом отрицательном напряжении пробоя, о котором мы поговорим позже.
Распаковка семейства диодов
Существует множество диодов, каждый со своими особыми способностями. И хотя каждый из них имеет общую основу для ограничения потока тока, вы можете использовать эту общую основу для создания множества различных применений. Давайте проверим каждого члена семейства диодов!
Стандартные диоды
Ваш средний диод.
Стандартные диоды имеют умеренные требования к напряжению и низкий максимальный номинальный ток.
Выпрямительные диоды
Это более мощные братья и сестры стандартных диодов и имеют более высокий максимальный номинальный ток и прямое напряжение. В основном они используются в источниках питания.
Более мощные аналоги стандартного диода, разница заключается в большем номинальном токе и прямом напряжении.Диоды Шоттки
Это причудливый родственник семейства диодов. Диод Шоттки пригодится, когда вам нужно ограничить потери напряжения в вашей цепи. Вы можете идентифицировать диод Шоттки на схеме, найдя типичный символ диода, добавив два новых изгиба (форма «S») на выводе катода.
Найдите изгиб на катодном конце диода, чтобы быстро идентифицировать его как диод Шоттки.
Стабилитроны
Зенеровские диоды являются паршивой овцой в семействе диодов. Они посылают электрический ток в противоположном направлении! Они делают это, используя напряжение пробоя, о котором говорилось выше, также называемое пробоем Зенера. Используя эту пробойную способность, стабилитроны отлично подходят для создания стабильного опорного напряжения в определенном месте цепи.
Зенеровский диод разительно отличается от остальных диодов семейства и может передавать ток от катода к аноду. (Источник изображения)Фотодиоды
Photodiodes — мятежные подростки в семействе диодов. Вместо того, чтобы просто пропускать ток через цепь, фотодиоды улавливают энергию источника света и превращают ее в электрический ток. Вы найдете их для использования в солнечных панелях и оптической связи.
Фотодиоды поглощают энергию света и превращают ее в электрический ток. (Источник изображения)Светоизлучающие диоды (СИД)
Светодиоды — это сияющие звезды семейства диодов.
Как и стандартные диоды, светодиоды позволяют току течь только в одном направлении, но с изгибом! Когда подается правильное прямое напряжение, эти светодиоды загораются яркими цветами. Однако есть загвоздка в том, что определенные цвета светодиода требуют разных прямых напряжений. Например, для синего светодиода требуется прямое напряжение 3,3 В, тогда как для красного светодиода требуется всего 2,2 В, чтобы он начал светиться.
Что делает эти светодиоды такими популярными?
- Эффективность: светодиодов излучают свет электронным способом, не выделяя тонны тепла, как традиционные лампы накаливания. Это позволяет им экономить тонну энергии.
- Управление: светодиодами также очень легко управлять в электронной схеме. Пока перед ними стоит резистор, они должны работать!
- Недорого: светодиоды очень доступны по цене и долговечны. Вот почему вы обнаружите, что они так часто используются в сигналах светофора, дисплеях и инфракрасных сигналах.
Три наиболее распространенных применения диодов
Поскольку диоды бывают разных форм, размеров и конфигураций, их использование в наших электронных схемах столь же богато! Вот лишь несколько вариантов использования диодов:
1. Преобразование переменного тока в постоянный
Процесс преобразования переменного тока (AC) в постоянный ток (DC) может осуществляться только с помощью диодов! Этот процесс выпрямления (преобразования) тока позволяет вам подключать всю вашу повседневную электронику постоянного тока к настенной розетке переменного тока в вашем доме. Существует два типа приложений преобразования, в которых диод играет свою роль:
- Полуволновое выпрямление. Для этого преобразования требуется только один диод. Если вы посылаете сигнал переменного тока в цепь, ваш единственный диод отсекает отрицательную часть сигнала, оставляя только положительный вход в виде волны постоянного тока.
- Полноволновое мостовое выпрямление . В этом процессе преобразования используются четыре диода. И вместо того, чтобы просто отсекать отрицательную часть сигнала переменного тока, как в однополупериодном выпрямителе, этот процесс преобразует все отрицательные волны в сигнале переменного тока в положительные волны для сигнала, готового к постоянному току.
2. Контроль скачков напряжения
Диоды также можно использовать в приложениях, где могут возникать неожиданные скачки напряжения. Диоды в этих приложениях могут ограничить любое повреждение, которое может произойти с устройством, поглощая любое избыточное напряжение, попадающее в диапазон напряжения пробоя диода.
3. Защита вашего текущего
Наконец, вы также обнаружите, что диоды могут защищать чувствительные цепи. Если вы когда-нибудь разбивали батарею неправильным образом, и ничего не взрывалось, вы можете поблагодарить свой дружелюбный диод. Размещение диода последовательно с положительной стороной источника питания гарантирует, что ток течет только в правильном направлении.
Начало работы с диодами
Ну вот, контрольный диод и все его сумасшедшие члены семьи! Диоды имеют множество применений, от питания этих красочных светодиодных ламп до преобразования переменного тока в постоянный. Но почему диод не получил такой широкой огласки, как транзистор или интегральная схема? Мы думаем, что все дело в том, что на кухне слишком много поваров. Первый диод был обнаружен почти 150 лет назад, и с тех пор сотни инженеров и ученых приложили свои усилия, чтобы улучшить это открытие. Несмотря на его долгую историю со многими личностями, многие люди по-прежнему считают диод четвертым по важности изобретением после колеса.
Знаете ли вы, что Autodesk Fusion 360 включает множество бесплатных библиотек диодов, которые вы можете начать использовать уже сегодня? Пропустить занятость по созданию детали; попробуйте Autodesk Fusion 360 бесплатно уже сегодня!
Как работает диод? Со всеми техническими подробностями!
Диод представляет собой двухэлементный полупроводниковый прибор, содержащий анод и катод и обеспечивающий однонаправленную проводимость. Диод позволяет току течь в одном направлении, но не в другом.
Многие типы используются в таких устройствах, как выпрямители, детекторы, ограничители пиков, смесители, модуляторы, усилители, генераторы и измерительные приборы.
На схемах катод показан в виде полосы, а анод – в виде треугольника. На некоторых принципиальных схемах анод диода также может быть обозначен буквой «а», а катод буквой «к».
Чтобы понять принцип работы диода, мы должны знать, что такое полупроводник.
Материалы, пропускающие электроны, называются проводниками.
Материалы, блокирующие поток электронов, называются изоляторами. Материалы, проводимость которых находится между проводниками и изоляторами, называются полупроводниками. Полупроводники — это «частичные» проводники, проводимость которых можно контролировать. Полупроводники оказались весьма полезными в области электроники.
Диоды изготавливаются из полупроводниковых материалов, в основном из кремния, с добавлением различных соединений (комбинаций более чем одного элемента) и металлов в зависимости от функции диода. Ранние типы полупроводниковых диодов изготавливались из селена и германия, но эти типы диодов были почти полностью заменены более современными конструкциями из кремния.
Кремний является наиболее распространенным материалом, используемым для создания полупроводниковых устройств. Si является основным компонентом песка, и считается, что кубическая миля морской воды содержит 15 000 тонн Si. Si прядут и выращивают в кристаллическую структуру, а затем разрезают на пластины для изготовления электронных устройств.
Атомы в пластине из чистого кремния содержат четыре электрона на внешней орбите (называемые валентными электронами). Германий — еще один полупроводниковый материал с четырьмя валентными электронами.
В структуре кристаллической решетки Si валентные электроны каждого атома Si связаны ковалентными связями с валентными электронами четырех соседних атомов Si. Чтобы сделать полезные полупроводниковые устройства, к Si добавляют такие материалы, как фосфор (P) и бор (B), чтобы изменить проводимость Si.
Кремний N-типа
Пятивалентные примеси, такие как фосфор, мышьяк, сурьма и висмут, имеют 5 валентных электронов.
При добавлении к Si примеси фосфора четыре валентных электрона каждого атома фосфора замыкаются в ковалентную связь с валентными электронами четырех соседних атомов Si. Однако 5-й валентный электрон атома фосфора не находит связывающего электрона и, таким образом, остается свободным в плавании. Когда к кремний-фосфорной смеси прикладывается напряжение, свободные электроны мигрируют в сторону положительного напряжения.
Когда фосфор добавляется к Si для получения описанного выше эффекта, мы говорим, что Si легирован фосфором. Полученная смесь называется кремнием N-типа (N: кремний с отрицательным зарядом).
Пятивалентные примеси называются донорными примесями.
Кремний P-типа
Трехвалентные примеси, например, бор, алюминий, индий и галлий имеют 3 валентных электрона.
Когда бор добавляется к Si, три валентных электрона каждого атома бора замыкаются в ковалентной связи с валентными электронами трех соседних атомов Si. Однако внутри ковалентной связи между одним атомом бора и соседним атомом Si создается вакантное пятно «дырка». Дырки считаются носителями положительного заряда.
Когда на смесь кремния и бора подается напряжение, дырка перемещается в сторону отрицательного напряжения, а ее место занимает соседний электрон.
Когда бор добавляется к Si для получения описанного выше эффекта, мы говорим, что Si легирован бором. Полученная смесь называется кремнием P-типа (P: кремний с положительным зарядом).
Трехвалентные примеси называются акцепторными примесями.
Отверстие атома бора указывает на отрицательную клемму. Электрон соседнего атома кремния направлен к положительному полюсу. Электрон от соседнего атома кремния попадает в атом бора, заполняя дырку в атоме бора и создавая «новую» дырку в атоме кремния. Кажется, что отверстие движется к отрицательной клемме!
Диод состоит из так называемого PN-перехода. Два полупроводниковых материала соединяются вместе. Этот компонент обеспечивает чрезвычайно низкое сопротивление протеканию тока в одном направлении и чрезвычайно высокое сопротивление протеканию тока в другом. Эта характеристика позволяет использовать диод в приложениях, требующих, чтобы цепь вел себя по-разному в зависимости от направления протекающего в ней тока.
Идеальный диод пропускал бы бесконечный ток в одном направлении и совсем не пропускал бы его в другом направлении. Кроме того, диод начинал бы проводить ток при наименьшем напряжении.
На практике необходимо приложить небольшое напряжение, прежде чем произойдет проводимость. Кроме того, небольшой ток утечки будет течь в обратном направлении. Этот ток утечки обычно составляет очень небольшую часть тока, который течет в прямом направлении.
Если полупроводниковый материал P-типа становится положительным по отношению к материалу N-типа на величину, превышающую его прямое пороговое напряжение (около 0,6 В, если материал — кремний, и 0,2 В, если материал — германий), диод перестанет работать. свободно пропускают ток. Если, с другой стороны, материал P-типа сделать отрицательным по отношению к материалу N-типа, ток практически не будет течь, если приложенное напряжение не превысит максимальное (пробойное) напряжение, которое может выдержать устройство. Обратите внимание, что нормальный диод будет разрушен, если его обратное напряжение пробоя будет превышено.
Соединение с материалом P-типа называется анодом, а соединение с материалом N-типа называется катодом.
Без приложенного извне потенциала электроны из материала N-типа переходят в область P-типа и заполняют некоторые из вакантных отверстий. Это действие приведет к образованию области по обе стороны от перехода, в которой нет свободных носителей заряда. Эта зона известна как область истощения.
В режиме прямого смещения диод свободно пропускает ток. В этом состоянии с обратным смещением диод пропускает незначительный ток. В свободно проводящем состоянии с прямым смещением диод действует скорее как замкнутый переключатель. В состоянии обратного смещения диод действует как открытый ключ.
Если к материалу P-типа приложить положительное напряжение, свободные носители положительного заряда будут отталкиваться и перемещаться от положительного потенциала к соединению. Точно так же отрицательный потенциал, приложенный к материалу N-типа, заставит свободные носители отрицательного заряда двигаться от отрицательного потенциала к переходу.
Когда положительные и отрицательные носители заряда достигают соединения, они будут притягиваться друг к другу и объединяться (напомним, что разные заряды притягиваются).
По мере того, как каждый отрицательный и положительный носитель заряда объединяется на стыке, новый отрицательный и положительный носитель заряда будет вводиться в полупроводниковый материал от источника напряжения. Когда эти новые носители заряда входят в полупроводниковый материал, они будут двигаться к переходу и соединяться. Таким образом устанавливается протекание тока, и оно будет продолжаться до тех пор, пока приложено напряжение.
Прежде чем диод начнет проводить ток, необходимо превысить прямое пороговое напряжение. Прямое пороговое напряжение должно быть достаточно высоким, чтобы полностью удалить обедненный слой и заставить носители заряда двигаться через переход. Для кремниевых диодов это прямое пороговое напряжение составляет приблизительно от 0,6 В до 0,7 В. Для германиевых диодов прямое пороговое напряжение составляет приблизительно от 0,2 В до 0,3 В.
На рисунке ниже показаны типичные характеристики небольших германиевых и кремниевых диодов. Стоит отметить, что диоды ограничены величиной прямого тока и обратного напряжения, которые они могут выдержать. Этот предел основан на физическом размере и конструкции диода.
В случае диода с обратным смещением материал P-типа смещен отрицательно по отношению к материалу N-типа. В этом случае отрицательный потенциал, приложенный к материалу P-типа, притягивает носители положительного заряда, уводя их от перехода. Точно так же положительный потенциал, приложенный к материалу N-типа, оттягивает носители отрицательного заряда от соединения. Это оставляет область соединения истощенной; практически отсутствуют носители заряда. Таким образом, область перехода становится изолятором, и протекание тока подавляется. Потенциал обратного смещения может быть увеличен до обратного напряжения пробоя, на которое рассчитан конкретный диод. Как и в случае с максимальным номинальным прямым током, обратное напряжение пробоя указывается производителем. Обратное напряжение пробоя обычно намного выше, чем прямое пороговое напряжение.
