Hoe halfgeleiderdioden zijn gerangschikt en werken

Djodium - het eenvoudigste apparaat in de glorieuze familie van halfgeleiderapparaten. Als we een plaat van een halfgeleider, bijvoorbeeld Duitsland, nemen en een acceptor-onzuiverheid in de linkerhelft en in de rechter donor introduceren, krijgen we aan de ene kant respectievelijk een type P-halfgeleider, aan de andere kant N. In het midden van het kristal krijgen we de zogenaamde P-N-kruisingzoals getoond in figuur 1.

Dezelfde afbeelding toont de voorwaardelijke grafische aanduiding van de diode in de diagrammen: de kathode-uitgang (negatieve elektrode) lijkt erg op het “-” -teken. Het is gemakkelijker te onthouden.

In totaal zijn er in een dergelijk kristal twee zones met verschillende geleidbaarheid, waaruit twee draden naar buiten komen, dus het resulterende apparaat wordt genoemd diodeomdat het voorvoegsel "di" twee betekent.

In dit geval bleek de diode een halfgeleider te zijn, maar soortgelijke apparaten waren eerder bekend: in het tijdperk van elektronenbuizen was er een buizerdiode genaamd een kenotron. Nu zijn dergelijke diodes de geschiedenis ingegaan, hoewel aanhangers van het "buisgeluid" geloven dat in een buizenversterker zelfs de anodespanningsgelijkrichter een buis moet zijn!

Figuur 1. De structuur van de diode en de aanduiding van de diode in het diagram

Op het kruispunt van halfgeleiders met P- en N-geleidbaarheid blijkt het P-N-kruising (P-N-kruising), wat de basis is van alle halfgeleiderapparaten. Maar in tegenstelling tot een diode, waarin deze overgang slechts één is, transistors hebben twee P-N-kruispunten en bijvoorbeeld thyristors bestaan ​​onmiddellijk uit vier overgangen.

P-N-overgang in rust

Zelfs als het P-N-knooppunt, in dit geval de diode, nergens is verbonden, vinden er toch dezelfde interessante fysieke processen plaats, die worden weergegeven in figuur 2.

Figuur 2. Diode in rust

In regio N is er een overmaat aan elektronen, deze draagt ​​een negatieve lading en in regio P is de lading positief. Samen vormen deze ladingen een elektrisch veld. Aangezien tegengesteld geladen ladingen de neiging hebben om aan te trekken, dringen elektronen uit zone N de positief geladen zone P binnen en vullen enkele gaten met zichzelf. Als gevolg van deze beweging ontstaat een stroom, hoewel zeer klein (eenheden van nanoampes) in de halfgeleider.

Als gevolg van deze beweging neemt de dichtheid van de stof aan de P-zijde toe, maar tot een bepaalde limiet. Deeltjes verspreiden zich meestal uniform door het volume van de stof, vergelijkbaar met hoe de geur van parfums zich door de kamer verspreidt (diffusie), daarom keren de elektronen vroeg of laat terug naar zone N.

Als voor de meeste elektriciteitsverbruikers de stroomrichting geen rol speelt - het licht brandt, de tegel warmt op, dan speelt voor de diode de stroomrichting een grote rol. De belangrijkste functie van de diode is om stroom in één richting te geleiden. Het is deze eigenschap die wordt geleverd door de P-N-kruising.

Vervolgens beschouwen we hoe de diode zich gedraagt ​​in twee mogelijke gevallen van het aansluiten van een huidige bron.

De diode in de tegenovergestelde richting inschakelen

Als u een stroombron aansluit op de halfgeleiderdiode, zoals weergegeven in afbeelding 3, gaat de stroom niet door de P-N-junctie.

Figuur 3. Omgekeerde diode aan

Zoals te zien is in de figuur, is de positieve pool van de stroombron verbonden met gebied N en de negatieve pool met gebied P. Dientengevolge snellen elektronen uit gebied N naar de positieve pool van de bron. Op hun beurt worden positieve ladingen (gaten) in gebied P aangetrokken door de negatieve pool van de krachtbron. Daarom, in het gebied van de P-N-kruising, zoals te zien in de figuur, vormt zich een lege ruimte, er is eenvoudig niets om stroom te geleiden, er zijn geen ladingsdragers.

Naarmate de spanning van de stroombron toeneemt, worden de elektronen en gaten meer en meer aangetrokken door het elektrische veld van de batterij, terwijl er in het gebied van de P - N-kruising van de ladingsdragers steeds minder is.Daarom gaat in de omgekeerde verbinding de stroom door de diode niet. In dergelijke gevallen is het gebruikelijk om dat te zeggen halfgeleiderdiode wordt gesloten door omgekeerde spanning.

Een toename van de dichtheid van materie nabij de polen van de batterij leidt tot diffusie stijging, - de wens voor een uniforme verdeling van de stof over het volume. Wat gebeurt er als u de batterij uitzet?

Halfgeleiderdiode tegenstroom

Dit is het moment om de minderheidsdragers terug te roepen, die voorwaardelijk waren vergeten. Het feit is dat zelfs in de gesloten toestand een onbeduidende stroom door de diode stroomt, de tegenstroom genoemd. Deze tegenstroom en wordt gecreëerd door minderheidsdragers die op dezelfde manier kunnen bewegen als de belangrijkste, alleen in de tegenovergestelde richting. Uiteraard vindt een dergelijke beweging plaats onder omgekeerde spanning. De tegenstroom is in de regel klein vanwege het kleine aantal minderheidsdragers.

Bij toenemende kristaltemperatuur neemt het aantal minderheidsdragers toe, wat leidt tot een toename van de tegenstroom, wat kan leiden tot de vernietiging van de P - N-kruising. Daarom zijn de bedrijfstemperaturen voor halfgeleiderinrichtingen - diodes, transistors, circuits beperkt. Om oververhitting te voorkomen, zijn krachtige diodes en transistors op koellichamen geïnstalleerd - radiatoren.

De diode in voorwaartse richting inschakelen

Afgebeeld in figuur 4.

Figuur 4. Direct inschakelen diode

Nu veranderen we de polariteit van de opname van de bron: minus verbinden met het gebied N (kathode), en plus met het gebied P (anode). Met deze opname in het N-gebied zullen de elektronen afstoten van de min van de batterij en naar de P-N-kruising bewegen. In regio P worden positief geladen gaten afgestoten van de positieve pool van de batterij. Elektronen en gaten snellen naar elkaar toe.

Geladen deeltjes met verschillende polariteit worden verzameld in de buurt van de P-N-kruising, er ontstaat een elektrisch veld tussen hen. Daarom overwinnen de elektronen de P-N-kruising en blijven ze door zone P bewegen. Tegelijkertijd combineren ze met gaten, maar de meeste rennen naar de plus van de batterij, Id gaat door de diode.

Deze stroom wordt genoemd gelijkstroom. Het wordt beperkt door de technische gegevens van de diode, enige maximale waarde. Als deze waarde wordt overschreden, bestaat het gevaar dat de diode uitvalt. Er moet echter worden opgemerkt dat de richting van de voorwaartse stroom in de figuur samenvalt met de algemeen geaccepteerde, omgekeerde beweging van elektronen.

We kunnen ook zeggen dat in de voorwaartse richting van het inschakelen de elektrische weerstand van de diode relatief klein is. Wanneer u het weer inschakelt, zal deze weerstand vele malen groter zijn, de stroom door de halfgeleiderdiode gaat niet weg (hier wordt geen rekening gehouden met een lichte tegenstroom). Uit het voorgaande kunnen we concluderen dat de diode gedraagt ​​zich als een gewone mechanische klep: in één richting gedraaid - water stroomt, in de andere gedraaid - de stroom stopte. Voor deze eigenschap wordt de diode genoemd halfgeleiderklep.

Om alle mogelijkheden en eigenschappen van een halfgeleiderdiode in detail te begrijpen, moet u deze leren kennen volt - ampère karakteristiek. Het is ook goed om te leren over de verschillende ontwerpen van diodes en frequentie-eigenschappen, over de voor- en nadelen. Dit wordt in het volgende artikel besproken.

Vervolg van het artikel: Kenmerken van diodes, ontwerpen en toepassingsfuncties

Boris Aladyshkin