Kaip išdėstyti ir veikia puslaidininkiniai diodai

Djodo - paprasčiausias įrenginys šlovingoje puslaidininkinių prietaisų šeimoje. Jei mes paimsime puslaidininkio, pavyzdžiui, Vokietijos, plokštelę ir įvesime akceptoriaus priemaišas į jo kairę pusę ir į dešinįjį donorą, tada, viena vertus, mes gauname atitinkamai P tipo puslaidininkį, iš kitos - N. Kristalo viduryje gauname vadinamąjį P-N sankryžakaip parodyta 1 paveiksle.

Tame pačiame paveikslėlyje parodytas sąlyginis diodo grafinis žymėjimas schemose: katodo išėjimas (neigiamas elektrodas) yra labai panašus į „-“ ženklą. Tai lengviau atsiminti.

Iš viso tokiame kristale yra dvi skirtingo laidumo zonos, iš kurių išeina du laidai, todėl gautas įtaisas vadinamas diodasnes priešdėlis „di“ reiškia du.

Šiuo atveju diodas pasirodė esąs puslaidininkis, tačiau panašūs įtaisai buvo žinomi jau anksčiau: pavyzdžiui, elektroninių vamzdžių epochoje buvo vamzdžių diodas, vadinamas kenotronu. Dabar tokie diodai perėjo į istoriją, nors „vamzdžio“ garso šalininkai mano, kad vamzdžio stiprintuve net anodo įtampos lygintuvas turėtų būti vamzdis!

1 pav. Diodo struktūra ir diodo žymėjimas schemoje

Puslaidininkių su P ir N laidumu sankryžoje paaiškėja P-N sankryža (P-N sankryža), kuris yra visų puslaidininkinių įtaisų pagrindas. Tačiau skirtingai nuo diodo, kuriame šis perėjimas yra tik vienas, tranzistoriai turi dvi P-N sankryžas ir, pvz. tiristoriai iš karto susideda iš keturių perėjimų.

P-N perėjimas ramybėje

Net jei P-N sankryža, šiuo atveju diodas, niekur neprijungta, jo viduje vyksta visi tie patys įdomūs fiziniai procesai, kurie parodyti 2 paveiksle.

2 pav. Diodas ramybėje

N srityje yra elektronų perteklius, jis turi neigiamą krūvį, o P regione krūvis yra teigiamas. Kartu šie krūviai sudaro elektrinį lauką. Kadangi priešingai įkrauti krūviai linkę traukti, elektronai iš N zonos prasiskverbia į teigiamai įkrautą zoną P, užpildydami kai kurias skylutes. Dėl šio judėjimo puslaidininkio viduje atsiranda srovė, nors ir labai maža (nanoamperų vienetai).

Dėl šio judėjimo padidėja medžiagos tankis P pusėje, tačiau iki tam tikros ribos. Dalelės paprastai linkusios tolygiai pasiskirstyti po visą medžiagos tūrį, panašiai kaip kvepalų kvapas plinta visame kambaryje (difuzija), todėl anksčiau ar vėliau elektronai grįžta į N zoną.

Jei daugumai elektros energijos vartotojų srovės kryptis neatlieka reikšmės - dega lemputė, plytelės įkaista, tada diodui dabartinė kryptis vaidina didžiulį vaidmenį. Pagrindinė diodo funkcija yra išlaikyti srovę viena kryptimi. Būtent šią savybę suteikia P-N sankryža.

Toliau mes apsvarstysime, kaip diodas elgiasi dviem galimais srovės šaltinio prijungimo atvejais.

Įjungdami diodą priešinga kryptimi

Jei prijungsite maitinimo šaltinį prie puslaidininkio diodo, kaip parodyta 3 paveiksle, tada srovė nepraeis pro P-N sankryžą.

3 pav. Įjungtas atbulinės eigos diodas

Kaip matyti paveiksle, teigiamas energijos šaltinio polius yra prijungtas prie N srities, o neigiamas polius - prie P srities. Dėl to elektronai iš N regiono kyla į teigiamą šaltinio polių. Savo ruožtu teigiamus krūvius (skyles) P srityje traukia neigiamas energijos šaltinio polius. Todėl P-N sankryžos srityje, kaip matyti paveiksle, susidaro tuštuma, srovei laidoti tiesiog nėra ko, nėra įkrovos nešėjų.

Didėjant energijos šaltinio įtampai, elektronai ir skylės vis labiau traukia akumuliatoriaus elektrinį lauką, tuo tarpu įkroviklių P - N jungties srityje jų yra vis mažiau.Todėl atvirkštiniame ryšyje srovė per diodą neina. Tokiais atvejais įprasta tai sakyti puslaidininkinis diodas uždaromas atvirkštine įtampa.

Medžiagos tankio padidėjimas šalia akumuliatoriaus polių lemia difuzija, - noras vienodai paskirstyti medžiagą visame tūryje. Kas nutinka, kai išjungiate bateriją.

Puslaidininkio diodo atvirkštinė srovė

Štai atėjo laikas prisiminti mažumos vežėjus, kurie buvo sąlygiškai pamiršti. Faktas yra tas, kad net uždaroje būsenoje per diodą praeina nereikšminga srovė, vadinama atvirkštine srove. Tai vienas atvirkštinė srovė ir yra sukurtas mažumų vežėjų, kurie gali judėti taip pat, kaip ir pagrindiniai, tik priešinga kryptimi. Natūralu, kad toks judesys vyksta esant atvirkščiai įtampai. Paprastai atvirkštinė srovė yra maža dėl mažo vežėjų skaičiaus.

Didėjant kristalų temperatūrai, mažumų nešėjų skaičius didėja, o tai lemia atvirkštinės srovės padidėjimą, dėl kurio gali būti sunaikinta P - N sankryža. Todėl puslaidininkinių įtaisų - diodų, tranzistorių, grandinių - darbinė temperatūra yra ribota. Kad būtų išvengta perkaitimo, ant šilumos kriauklių sumontuoti galingi diodai ir tranzistoriai - radiatoriai.

Įjungdami diodą į priekį

Parodyta 4 paveiksle.

4 pav. Tiesioginis diodo įjungimas

Dabar mes keičiame šaltinio įtraukimo poliškumą: atėmus jungtis su N regionu (katodu) ir pliusu prie P srities (anodo). Įtraukus į N sritį, elektronai atstums nuo akumuliatoriaus minuso ir judės link P-N sankryžos. P srityje teigiamai įkrautos skylės yra atstumiamos nuo teigiamo akumuliatoriaus gnybto. Elektronai ir skylės driekiasi vienas kito link.

Įkrautos dalelės, turinčios skirtingą poliškumą, surenkamos šalia P-N sankryžos, tarp jų atsiranda elektrinis laukas. Todėl elektronai įveikia P-N sankryžą ir toliau juda per P zoną. Tuo pačiu metu kai kurie iš jų rekombinuojasi su skylutėmis, tačiau dauguma skuba į akumuliatoriaus pliusą, o srovės Id eina per diodą.

Ši srovė vadinama nuolatinė srovė. Jį riboja techniniai diodo duomenys, tam tikra maksimali vertė. Viršijus šią vertę, yra pavojus, kad diodas gali sugesti. Tačiau reikia pažymėti, kad paveiksle priekinės srovės kryptis sutampa su visuotinai priimtu atvirkštiniu elektronų judesiu.

Taip pat galime pasakyti, kad įjungiant į priekį, diodo elektrinė varža yra palyginti maža. Kai jį vėl įjungsite, šis pasipriešinimas bus daug kartų didesnis, srovė per puslaidininkio diodą neišeis (čia neatsižvelgiama į nedidelę atvirkštinę srovę). Iš to, kas išdėstyta, galime padaryti išvadą diodas elgiasi kaip paprastas mechaninis vožtuvas: pasukus viena kryptimi - vanduo teka, kita pasukamas - srautas sustojo. Už šią savybę vadinamas diodas puslaidininkinis vožtuvas.

Norėdami išsamiai suprasti visus puslaidininkinio diodo sugebėjimus ir savybes, turėtumėte susipažinti su juo voltai - amperų charakteristika. Taip pat pravartu sužinoti apie įvairius diodų dizainus ir dažnio savybes, apie privalumus ir trūkumus. Tai bus aptarta kitame straipsnyje.

Straipsnio tęsinys: Diodų charakteristikos, dizainas ir taikymo ypatybės

Borisas Aladyshkinas