Πώς οι ημιαγωγών δίοδοι είναι διαρρυθμισμένες και λειτουργούν

Διώδιο - η απλούστερη συσκευή στην ένδοξη οικογένεια συσκευών ημιαγωγών. Εάν πάρουμε μια πλάκα από ημιαγωγό, για παράδειγμα τη Γερμανία, εισάγουμε μια ακαθαρσία δέκτη στο αριστερό μισό και στο σωστό δότη, στη συνέχεια παίρνουμε ένα ημιαγωγό τύπου Ρ, αντίστοιχα, στον άλλο τύπο Ν. Στη μέση του κρυστάλλου παίρνουμε το λεγόμενο P-N διασταύρωσηόπως φαίνεται στο σχήμα 1.

Το ίδιο σχήμα δείχνει τον υποθετικό γραφικό χαρακτηρισμό της διόδου στα διαγράμματα: η έξοδος της καθόδου (αρνητικό ηλεκτρόδιο) είναι πολύ παρόμοια με το σύμβολο "-". Είναι πιο εύκολο να θυμηθούμε.

Συνολικά, σε ένα τέτοιο κρύσταλλο υπάρχουν δύο ζώνες με διαφορετικές αγωγιμότητες, από τις οποίες εξέρχονται δύο καλώδια, οπότε η προκύπτουσα συσκευή ονομάζεται διόδουεπειδή το πρόθεμα "di" σημαίνει δύο.

Σε αυτή την περίπτωση, η δίοδος αποδείχθηκε ημιαγωγός, αλλά παρόμοιες συσκευές ήταν γνωστές πριν: για παράδειγμα, στην εποχή των ηλεκτρονίων σωλήνες υπήρχε μια δίοδος σωλήνα που ονομάζεται kenotron. Τώρα, αυτές οι δίοδοι έχουν πέσει στην ιστορία, αν και οι υποστηρικτές του ήχου "σωλήνα" πιστεύουν ότι σε έναν ενισχυτή σωλήνα, ακόμη και ο ανορθωτής τάσης ανόδου θα πρέπει να είναι ένας σωλήνας!

Σχήμα 1. Η δομή της διόδου και ο χαρακτηρισμός της διόδου στο διάγραμμα

Στον κόμβο των ημιαγωγών με αγωγιμότητα Ρ και Ν, αποδεικνύεται Σύνδεση Ρ-Ν (σύνδεση Ρ-Ν), η οποία αποτελεί τη βάση όλων των συσκευών ημιαγωγών. Αλλά σε αντίθεση με μια δίοδο, στην οποία αυτή η μετάβαση είναι μόνο μία, τρανζίστορ έχουν δύο διακλαδώσεις Ρ-Ν και, για παράδειγμα, θυρίστορ αποτελούνται αμέσως από τέσσερις μεταβάσεις.

P-N μετάβαση σε ηρεμία

Ακόμη και αν η σύνδεση Ρ-Ν, στην περίπτωση αυτή η δίοδος, δεν συνδέεται οπουδήποτε, εντούτοις, στο εσωτερικό της εμφανίζονται ενδιαφέρουσες φυσικές διεργασίες, οι οποίες φαίνονται στο σχήμα 2.

Εικόνα 2. Δίοδος σε ηρεμία

Στην περιοχή Ν υπάρχει μια περίσσεια ηλεκτρονίων, φέρει αρνητικό φορτίο, και στην περιοχή Ρ το φορτίο είναι θετικό. Μαζί, αυτά τα φορτία σχηματίζουν ένα ηλεκτρικό πεδίο. Δεδομένου ότι τα αντίθετα φορτισμένα φορτία τείνουν να προσελκύουν, τα ηλεκτρόνια από τη ζώνη Ν ​​διεισδύουν στη θετικά φορτισμένη ζώνη Ρ, γεμίζοντας μερικές μόνο τρύπες. Ως αποτέλεσμα αυτής της κίνησης, ένα ρεύμα, αν και πολύ μικρό (μονάδες nanoamperes), αναδύεται μέσα στο ημιαγωγό.

Ως αποτέλεσμα αυτής της κίνησης, η πυκνότητα της ουσίας στην πλευρά Ρ αυξάνει, αλλά σε ένα ορισμένο όριο. Τα σωματίδια συνήθως τείνουν να κατανέμονται ομοιόμορφα σε όλο τον όγκο της ουσίας, παρόμοια με το πώς η μυρωδιά των αρωμάτων εξαπλώνεται σε ολόκληρο τον χώρο (διάχυση), επομένως, αργά ή γρήγορα, τα ηλεκτρόνια επιστρέφουν στη ζώνη Ν.

Αν για τους περισσότερους καταναλωτές ηλεκτρικής ενέργειας η κατεύθυνση του ρεύματος δεν παίζει κάποιο ρόλο - το φως ανάβει, το πλακίδιο θερμαίνεται, τότε για τη δίοδο η κατεύθυνση του ρεύματος παίζει τεράστιο ρόλο. Η κύρια λειτουργία της διόδου είναι η διεξαγωγή ρεύματος προς μία κατεύθυνση. Είναι αυτή η ιδιότητα που παρέχεται από τη διασταύρωση P-N.

Στη συνέχεια, εξετάζουμε πώς συμπεριφέρεται η δίοδος σε δύο πιθανές περιπτώσεις σύνδεσης μιας πηγής ρεύματος.

Ενεργοποιώντας τη δίοδο προς την αντίθετη κατεύθυνση

Εάν συνδέσετε μια πηγή ισχύος στη δίοδο ημιαγωγού, όπως φαίνεται στο σχήμα 3, τότε το ρεύμα δεν θα περάσει από τη διακλάδωση P-N.

Εικόνα 3. Ενεργοποίηση της αντίστροφης διόδου

Όπως φαίνεται στο σχήμα, ο θετικός πόλος της πηγής ισχύος συνδέεται στην περιοχή Ν, και ο αρνητικός πόλος στην περιοχή Ρ. Ως αποτέλεσμα, τα ηλεκτρόνια από την περιοχή Ν βυθίζονται στο θετικό πόλο της πηγής. Με τη σειρά τους, τα θετικά φορτία (οπές) στην περιοχή Ρ έλκονται από τον αρνητικό πόλο της πηγής ισχύος. Επομένως, στην περιοχή της διακλάδωσης Ρ-Ν, όπως φαίνεται στο σχήμα, σχηματίζεται ένα κενό, δεν υπάρχει τίποτα για τη διεξαγωγή του ρεύματος, δεν υπάρχουν φορείς φόρτωσης.

Καθώς αυξάνεται η τάση της πηγής ισχύος, τα ηλεκτρόνια και οι οπές όλο και περισσότερο προσελκύονται από το ηλεκτρικό πεδίο της μπαταρίας, ενώ στην περιοχή της διακλάδωσης Ρ - Ν των φορέων φορτίου υπάρχει όλο και λιγότερο.Ως εκ τούτου, στην αντίστροφη σύνδεση, το ρεύμα μέσω της διόδου δεν πηγαίνει. Σε τέτοιες περιπτώσεις, είναι συνηθισμένο να το πούμε η δίοδος ημιαγωγού κλείνει με αντίστροφη τάση.

Μια αύξηση στην πυκνότητα της ύλης κοντά στους πόλους της μπαταρίας οδηγεί σε διάχυση, - την επιθυμία για ομοιόμορφη κατανομή της ουσίας σε όλο τον όγκο. Τι συμβαίνει όταν απενεργοποιείτε την μπαταρία.

Επαναληπτικό ρεύμα διόδου ημιαγωγού

Εδώ έφτασε η στιγμή να υπενθυμίσουμε τους μεταφορείς μειονοτήτων, οι οποίοι υπόκεινται υπό όρους σε ξεχασμό. Το γεγονός είναι ότι ακόμη και στην κλειστή κατάσταση, ένα ασήμαντο ρεύμα διέρχεται από τη δίοδο, που ονομάζεται αντίστροφο ρεύμα. Αυτό το αντίστροφο ρεύμα και δημιουργείται από μικρούς μεταφορείς που μπορούν να κινούνται με τον ίδιο τρόπο όπως οι κύριοι, μόνο στην αντίθετη κατεύθυνση. Φυσικά, μια τέτοια κίνηση συμβαίνει υπό αντίστροφη τάση. Το αντίστροφο ρεύμα, κατά κανόνα, είναι μικρό, λόγω του μικρού αριθμού μεταφορέων μειονοτήτων.

Με την αύξηση της θερμοκρασίας των κρυστάλλων, ο αριθμός των φορέων μειοψηφίας αυξάνεται, πράγμα που οδηγεί σε αύξηση του αντίστροφου ρεύματος, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει στην καταστροφή της διακλάδωσης P - N. Συνεπώς, οι θερμοκρασίες λειτουργίας για συσκευές ημιαγωγών - διόδους, τρανζίστορ, κυκλώματα είναι περιορισμένες. Προκειμένου να αποφευχθεί η υπερθέρμανση, εγκαθίστανται ισχυρές δίοδοι και τρανζίστορ στους ψύκτες θερμότητας - θερμαντικά σώματα.

Ενεργοποιώντας τη δίοδο προς τα εμπρός

Εμφανίζεται στο σχήμα 4.

Εικόνα 4. Άμεση ενεργοποίηση της διόδου

Τώρα αλλάζουμε την πολικότητα της συμπερίληψης της πηγής: μείον τη σύνδεση στην περιοχή Ν (κάθοδος) και συν στην περιοχή Ρ (ανόδου). Με αυτή τη συμπερίληψη στην περιοχή Ν, τα ηλεκτρόνια θα απομακρυνθούν από το μείον της μπαταρίας και θα κινηθούν προς τη διασταύρωση Ρ-Ν. Στην περιοχή Ρ, θετικά φορτισμένες οπές απωθούνται από το θετικό πόλο της μπαταρίας. Ηλεκτρόνια και τρύπες βυθίζονται ο ένας προς τον άλλο.

Τα φορτισμένα σωματίδια με διαφορετική πολικότητα συλλέγονται κοντά στη διακλάδωση P-N, δημιουργείται ένα ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ τους. Επομένως, τα ηλεκτρόνια ξεπερνούν τη σύνδεση P-N και συνεχίζουν να κινούνται μέσω της ζώνης P. Ταυτόχρονα, μερικά από αυτά ανασυνδυάζονται με οπές, αλλά τα περισσότερα από αυτά βυθίζονται στο συν της μπαταρίας, το τρέχον Id περνάει από τη δίοδο.

Αυτό το ρεύμα ονομάζεται συνεχές ρεύμα. Περιορίζεται από τα τεχνικά δεδομένα της διόδου, κάποια μέγιστη τιμή. Σε περίπτωση υπέρβασης αυτής της τιμής, υπάρχει κίνδυνος διάλυσης της διόδου. Ωστόσο, πρέπει να σημειωθεί ότι η κατεύθυνση του εμπρόσθιου ρεύματος στο σχήμα συμπίπτει με την γενικά αποδεκτή, αντίστροφη κίνηση των ηλεκτρονίων.

Μπορούμε επίσης να πούμε ότι στην προς τα εμπρός κατεύθυνση της ενεργοποίησης, η ηλεκτρική αντίσταση της διόδου είναι σχετικά μικρή. Όταν την ενεργοποιείτε ξανά, αυτή η αντίσταση θα είναι πολλές φορές μεγαλύτερη, το ρεύμα μέσω της διόδου ημιαγωγών δεν πηγαίνει (ένα μικρό αντίστροφο ρεύμα δεν λαμβάνεται υπόψη εδώ). Από τα προηγούμενα, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι η δίοδος συμπεριφέρεται σαν μια συνηθισμένη μηχανική βαλβίδα: γυρνάει προς μία κατεύθυνση - το νερό ρέει, γυρνώντας στο άλλο - η ροή σταματά. Για αυτήν την ιδιότητα, καλείται η δίοδος βαλβίδα ημιαγωγού.

Για να κατανοήσετε λεπτομερώς όλες τις δυνατότητες και τις ιδιότητες μιας διόδου ημιαγωγών, θα πρέπει να εξοικειωθείτε με την χαρακτηριστικό βολτ - αμπέρ. Είναι επίσης καλό να μάθετε για τα διάφορα σχέδια των διόδων και των ιδιοτήτων συχνότητας, σχετικά με τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα. Αυτό θα συζητηθεί στο επόμενο άρθρο.

Συνέχεια του άρθρου: Χαρακτηριστικά των διόδων, τα σχέδια και τα χαρακτηριστικά εφαρμογής

Μπόρις Αλαντίσκιν