Cómo se organizan y funcionan los diodos semiconductores

Dyodo - El dispositivo más simple en la gloriosa familia de dispositivos semiconductores. Si tomamos una placa de un semiconductor, por ejemplo, Alemania, e introducimos una impureza aceptora en su mitad izquierda y en la donante derecha, entonces, por un lado, obtenemos un semiconductor tipo P, respectivamente, en el otro tipo N. En el medio del cristal obtenemos el llamado Unión P-Ncomo se muestra en la figura 1.

La misma figura muestra la designación gráfica condicional del diodo en los diagramas: la salida del cátodo (electrodo negativo) es muy similar al signo "-". Es más fácil de recordar.

En total, en dicho cristal hay dos zonas con diferentes conductividades, de las cuales salen dos cables, por lo que el dispositivo resultante se llama diodoporque el prefijo "di" significa dos.

En este caso, el diodo resultó ser un semiconductor, pero antes se conocían dispositivos similares: por ejemplo, en la era de los tubos electrónicos había un diodo de tubo llamado kenotrón. Ahora, estos diodos han pasado a la historia, aunque los seguidores del sonido del "tubo" creen que en un amplificador de tubo, ¡incluso el rectificador de voltaje anódico debería ser un tubo!

Figura 1. La estructura del diodo y la designación del diodo en el diagrama.

En la unión de semiconductores con conductividades P y N, resulta Unión P-N (unión P-N), que es la base de todos los dispositivos semiconductores. Pero a diferencia de un diodo, en el que esta transición es solo una, transistores tener dos uniones P-N y, por ejemplo, tiristores consisten inmediatamente en cuatro transiciones.

Transición P-N en reposo

Incluso si la unión P-N, en este caso el diodo, no está conectada a ninguna parte, de todos modos, ocurren procesos físicos interesantes dentro de ella, que se muestran en la Figura 2.

Figura 2. Diodo en reposo

En la región N hay un exceso de electrones, lleva una carga negativa, y en la región P la carga es positiva. Juntas, estas cargas forman un campo eléctrico. Dado que las cargas con carga opuesta tienden a atraer, los electrones de la zona N penetran en la zona P cargada positivamente, llenando algunos agujeros con ellos mismos. Como resultado de tal movimiento, surge una corriente dentro del semiconductor, aunque muy pequeña (unidades de nanoamperios).

Como resultado de este movimiento, la densidad de la sustancia en el lado P aumenta, pero hasta cierto límite. Por lo general, las partículas tienden a extenderse de manera uniforme por todo el volumen de la sustancia, de forma similar a cómo el olor de los perfumes se extiende por toda la habitación (difusión), por lo que, tarde o temprano, los electrones regresan a la zona N.

Si para la mayoría de los consumidores de electricidad la dirección de la corriente no juega un papel importante: la luz está encendida, la baldosa se calienta, entonces, para el diodo, la dirección de la corriente juega un papel importante. La función principal del diodo es conducir la corriente en una dirección. Es esta propiedad la que proporciona la unión P-N.

A continuación, consideramos cómo se comporta el diodo en dos casos posibles de conexión de una fuente de corriente.

Encender el diodo en la dirección opuesta

Si conecta una fuente de alimentación al diodo semiconductor, como se muestra en la Figura 3, la corriente no pasará a través de la unión P-N.

Figura 3. Diodo inverso encendido

Como se puede ver en la figura, el polo positivo de la fuente de alimentación está conectado a la región N y el polo negativo a la región P. Como resultado, los electrones de la región N corren hacia el polo positivo de la fuente. A su vez, las cargas positivas (agujeros) en la región P son atraídas por el polo negativo de la fuente de energía. Por lo tanto, en la región de la unión P-N, como se puede ver en la figura, se forma un vacío, simplemente no hay nada para conducir la corriente, no hay portadores de carga.

A medida que aumenta el voltaje de la fuente de energía, los electrones y los agujeros se ven cada vez más atraídos por el campo eléctrico de la batería, mientras que en la región de la unión P - N de los portadores de carga, hay cada vez menos.Por lo tanto, en la conexión inversa, la corriente a través del diodo no va. En tales casos, es costumbre decir que El diodo semiconductor está cerrado por voltaje inverso.

Un aumento en la densidad de la materia cerca de los polos de la batería conduce a difusión, - el deseo de una distribución uniforme de la sustancia en todo el volumen. Qué sucede cuando apagas la batería.

Corriente inversa de diodo semiconductor

Aquí es donde ha llegado el momento de retirar a los transportistas minoritarios, que fueron olvidados condicionalmente. El hecho es que incluso en el estado cerrado, una corriente insignificante pasa a través del diodo, llamada corriente inversa. Este corriente inversa y es creado por operadores minoritarios que pueden moverse de la misma manera que los principales, solo en la dirección opuesta. Naturalmente, tal movimiento ocurre bajo voltaje inverso. La corriente inversa, como regla, es pequeña, debido al pequeño número de operadores minoritarios.

Con el aumento de la temperatura del cristal, aumenta el número de portadores minoritarios, lo que conduce a un aumento en la corriente inversa, lo que puede conducir a la destrucción de la unión P - N. Por lo tanto, las temperaturas de funcionamiento para dispositivos semiconductores: diodos, transistores, circuitos son limitados. Para evitar el sobrecalentamiento, se instalan diodos y transistores potentes en los disipadores de calor: radiadores.

Encendido del diodo en la dirección de avance

Se muestra en la figura 4.

Figura 4. Diodo de encendido directo

Ahora cambiamos la polaridad de la inclusión de la fuente: menos conectar a la región N (cátodo), y más a la región P (ánodo). Con esta inclusión en la región N, los electrones se rechazarán desde el punto negativo de la batería y se moverán hacia la unión P-N. En la región P, los orificios cargados positivamente se repelen desde el terminal positivo de la batería. Los electrones y los agujeros corren uno hacia el otro.

Las partículas cargadas con diferente polaridad se recogen cerca de la unión P-N, surge un campo eléctrico entre ellas. Por lo tanto, los electrones superan la unión P-N y continúan moviéndose a través de la zona P. Al mismo tiempo, algunos de ellos se recombinan con agujeros, pero la mayoría de ellos se apresura al más de la batería, la Id de corriente pasa a través del diodo.

Esta corriente se llama corriente continua. Está limitado por los datos técnicos del diodo, algún valor máximo. Si se excede este valor, existe el peligro de que el diodo se rompa. Sin embargo, debe notarse que la dirección de la corriente directa en la figura coincide con el movimiento inverso generalmente aceptado de los electrones.

También podemos decir que en la dirección hacia adelante de la conmutación, la resistencia eléctrica del diodo es relativamente pequeña. Cuando lo vuelve a encender, esta resistencia será muchas veces mayor, la corriente a través del diodo semiconductor no va (aquí no se tiene en cuenta una ligera corriente inversa). De lo anterior, podemos concluir que el diodo se comporta como una válvula mecánica ordinaria: gira en una dirección - fluye el agua, gira en la otra - el flujo se detuvo. Para esta propiedad, el diodo se llama válvula semiconductora.

Para comprender en detalle todas las habilidades y propiedades de un diodo semiconductor, debe familiarizarse con su voltio - característica de amperios. También es bueno aprender sobre los diversos diseños de diodos y propiedades de frecuencia, sobre las ventajas y desventajas. Esto se discutirá en el próximo artículo.

Continuación del artículo: Características de los diodos, diseños y características de aplicación.

Boris Aladyshkin