Miten puolijohdediodit on järjestetty ja toimivat

Djodi - puolijohdelaitteiden loistavan perheen yksinkertaisin laite. Jos otamme levyn puolijohteesta, esimerkiksi Saksasta, ja lisäämme sen vasempaan puoliskoon ja oikeanpuoleiseen luovuttaja-epäpuhtauteen, niin toisaalta saamme vastaavasti tyypin P puolijohteen, toisesta tyypistä N. Kristallin keskellä saadaan ns. P-N-risteyskuten kuvassa 1 esitetään.

Sama kuva osoittaa diodien ehdollisen graafisen merkinnän kaavioissa: katodilähtö (negatiivinen elektrodi) on hyvin samanlainen kuin “-” -merkki. Se on helpompi muistaa.

Yhteensä tällaisessa kidessä on kaksi vyöhykettä, joilla on erilaiset johtavuudet, joista kaksi johtoa tulee ulos, joten tuloksena olevaa laitetta kutsutaan diodikoska etuliite "di" tarkoittaa kahta.

Tässä tapauksessa diodi osoittautui puolijohteeksi, mutta samanlaisia ​​laitteita tiedettiin jo aikaisemmin: esimerkiksi elektroniputkien aikakaudella oli putki-diodi, nimeltään kenotron. Nyt sellaiset diodit ovat menneet historiaan, vaikka "putken" äänen kannattajat uskovat, että putkivahvistimessa jopa anodijännitesuuntaajan tulisi olla putki!

Kuva 1. Diodin rakenne ja sen merkintä kaaviossa

Puolijohteiden, joissa on P- ja N-johtokyky, risteyksessä P-N-risteys (P-N-risteys), joka on kaikkien puolijohdelaitteiden perusta. Mutta toisin kuin diodi, jossa tämä siirtymä on vain yksi, transistorit on kaksi P-N-liitosta, ja esimerkiksi tyristorit koostuvat heti neljästä siirtymästä.

P-N-siirtymä levossa

Vaikka P-N-risteystä, tässä tapauksessa diodi, ei olisi kytketty mihinkään, sen sisällä tapahtuu samoja mielenkiintoisia fyysisiä prosesseja, jotka on esitetty kuvassa 2.

Kuva 2. Diodi levossa

Alueella N on ylimäärä elektronia, se kantaa negatiivisen varauksen, ja alueella P varaus on positiivinen. Yhdessä nämä varaukset muodostavat sähkökentän. Koska vastakkaisesti varautuneilla varauksilla on taipumus houkutella, elektronit alueelta N tunkeutuvat positiivisesti varautuneeseen vyöhykkeeseen P ja täyttävät joitain reikiä itsellään. Tämän liikkeen seurauksena puolijohteen sisälle syntyy virta, vaikkakin hyvin pieni (nanoampeerien yksiköt).

Tämän liikkeen seurauksena aineen tiheys P-puolella kasvaa, mutta tiettyyn rajaan. Hiukkasilla on taipumus leviää tasaisesti koko aineen tilavuuteen, samalla tavalla kuin hajuvesien haju leviää koko huoneessa (diffuusio), joten elektronit palaavat ennemmin tai myöhemmin takaisin vyöhykkeelle N.

Jos useimmille sähkön kuluttajille virran suunnalla ei ole merkitystä - valo palaa, laatta lämpenee, diodilla virran suunnalla on valtava rooli. Diodin päätehtävä on virran johtaminen yhteen suuntaan. Juuri tämän ominaisuuden tarjoaa P-N-risteys.

Seuraavaksi tarkastelemme kuinka diodi käyttäytyy kahdessa mahdollisessa tapauksessa virtalähteen kytkemiseksi.

Kytke diodi päälle vastakkaiseen suuntaan

Jos kytket virtalähteen puolijohdediodiin, kuten kuvassa 3 näytetään, virta ei kulje P-N-liitoksen läpi.

Kuva 3. Käänteinen diodi päällä

Kuten kuvasta voidaan nähdä, virtalähteen positiivinen napa on kytketty alueeseen N ja negatiivinen napa alueeseen P. Seurauksena ovat alueen N elektronit kiirehtiä lähteen positiiviseen napaan. Teholähteen negatiivinen napa vetää puolestaan ​​positiivisia varauksia (reikiä) alueella P. Siksi P-N-risteyksen alueella, kuten kuviosta voidaan nähdä, muodostuu tyhjä, virtaa ei yksinkertaisesti ole mitään, mikä ei sisällä varauskantoaaltoja.

Kun virtalähteen jännite kasvaa, elektronit ja reiät houkuttelevat yhä enemmän akun sähkökenttää, kun taas varausaineiden P - N-liitoksen alueella on vähemmän.Siksi käänteisessä yhteydessä diodin läpi kulkeva virta ei mene. Tällaisissa tapauksissa on tapana sanoa, että puolijohdediodi suljetaan käänteisjännitteellä.

Aineen tiheyden lisääntyminen akun napojen lähellä johtaa diffuusio nousu- halu aineen tasaisen jakautumisen koko tilavuuteen. Mitä tapahtuu, kun sammutat akun.

Puolijohdediodi käänteinen virta

Tässä on aika palauttaa mieliin vähemmistökuljettajat, jotka unohdettiin ehdollisesti. Tosiasia, että jopa suljetussa tilassa diodin läpi kulkee merkityksetön virta, jota kutsutaan käänteisvirraksi. Tämä käänteinen virta ja sen ovat luoneet vähemmistöliikenteen harjoittajat, jotka voivat liikkua samalla tavalla kuin tärkeimmät, vain vastakkaiseen suuntaan. Luonnollisesti tällainen liike tapahtuu käänteisjännitteellä. Käänteinen virta on yleensä pieni, johtuen pienestä vähemmistökuljettajien määrästä.

Kristallin lämpötilan noustessa vähemmistöjen kantajien lukumäärä kasvaa, mikä johtaa käänteisvirran kasvuun, mikä voi johtaa P - N-liitoksen tuhoutumiseen. Siksi puolijohdelaitteiden - diodien, transistorien, piirien - käyttölämpötilat ovat rajoitetut. Ylikuumenemisen estämiseksi jäähdytyselementteihin asennetaan voimakkaita diodeja ja transistoreita - patterit.

Kytke diodi päälle eteenpäin

Kuvassa 4.

Kuva 4. Suora virta diodi

Nyt muutamme lähteen sisällyttämisen napaisuutta: negatiivinen yhdistä alueeseen N (katodi) ja plus alueeseen P (anodi). Tämän sisällyttämisen N-alueelle elektrodit toistuvat akun miinuspisteestä ja siirtyvät kohti P-N-risteystä. Alueella P positiivisesti varautuneet reiät hylätään akun positiivisesta navasta. Elektronit ja reikät ryntävät toisiaan kohti.

P-N-risteyksen lähellä kerätään erilaisella polaarisella varauksella hiukkasia, niiden väliin syntyy sähkökenttä. Siksi elektronit ylittävät P-N-risteyksen ja jatkavat liikkumista vyöhykkeen P läpi. Samanaikaisesti jotkut niistä yhdistyvät reikien kanssa, mutta suurin osa kiirehti akun plus-arvoon, virta Id kulkee diodin läpi.

Tätä virtaa kutsutaan tasavirta. Sitä rajoittavat diodin tekniset tiedot, suurin sallittu arvo. Jos tämä arvo ylitetään, diodi voi rikkoutua. On kuitenkin huomattava, että kuvan eteenpäin suuntautuvan virran suunta osuu elektronien yleisesti hyväksyttyyn käänteisliikkeeseen.

Voimme myös sanoa, että kytkennän eteenpäin suunnassa diodin sähköinen vastus on suhteellisen pieni. Kun kytket sen takaisin päälle, tämä vastus on monta kertaa suurempi, puolijohdediodin läpi kulkeva virta ei mene (pientä käänteistä virtaa ei oteta tässä huomioon). Edellä esitetystä voidaan päätellä, että diodi käyttäytyy kuin tavallinen mekaaninen venttiili: kääntyi yhteen suuntaan - vesi virtaa, kääntyi toiseen - virtaus pysähtyi. Tätä ominaisuutta varten diodi kutsutaan puolijohdeventtiili.

Jos haluat ymmärtää yksityiskohtaisesti kaikki puolijohdediodien kyvyt ja ominaisuudet, sinun tulee tutustua siihen voltti - ampeerin ominaisuus. On myös hyvä oppia diodien eri malleista ja taajuusominaisuuksista, eduista ja haitoista. Tätä käsitellään seuraavassa artikkelissa.

Artikkelin jatko: Diodien ominaisuudet, mallit ja sovellusominaisuudet

Boris Aladyshkin