Введение
Диод – это двухэлектродное электронное устройство, имеющее различную проводимость в зависимости от направления электрического тока.Все диоды можно разделить на две большие группы: полупроводниковые и неполупроводниковые.Электрод диода, соединенный с положительным полюсом источника тока, когда диод открыт (т. е.
имеет малое сопротивление), называется анодом, соединенный с отрицательным полюсом - катодом.
(Википедия)
Здесь я рассмотрю только первый из них.
В основе полупроводникового диода лежит такое известное явление, как p-n переход. Думаю, что большинству читателей об этом рассказывали на уроках физики в школе, а некоторым более подробно рассказывали в институте.
Однако на всякий случай приведу общий принцип его работы.
Два слова о зонной теории проводимости твердых тел.
Прежде чем начать говорить о pn переходе, стоит обсудить некоторые теоретические моменты.
Считается, что электроны в атоме расположены на разном расстоянии от ядра.
Соответственно, чем ближе электрон к ядру, тем сильнее связь между ними и тем больше энергии необходимо приложить, чтобы отправить его в «свободное плавание».
Говорят, что электроны расположены на разных энергетические уровни .
Эти уровни заполнены электронами снизу вверх и каждый из них может содержать не более строго определенного числа электронов ( Атом Бора ).
Таким образом, если уровень заполнен, то новый электрон не сможет попасть на него, пока для него не освободится место.
Чтобы электрон перешел на более высокий уровень, ему необходимо сообщить дополнительную энергию.
А если электрон «падает» вниз, то лишняя энергия выделяется в виде излучения.
Электроны могут занимать в атоме только очень определенные орбиты с определенной энергией.
Эти орбиты называются разрешенный .
Соответственно, запрещенный Это орбиты (зоны), на которых не может находиться электрон.
Подробнее об этом можно прочитать по ссылке на атом Бора выше, но здесь мы примем это как аксиому.
Высший энергетический уровень называется валентность .
У большинства веществ он заполнен лишь частично, поэтому на нем всегда могут найти место электроны с внешних подуровней других атомов.
И они действительно хаотично мигрируют от атома к атому, устанавливая таким образом связь между собой.
Нижний слой, в котором могут двигаться свободные электроны, называется зона проводимости .
Если валентная зона частично заполнена и электроны в ней могут перемещаться от атома к атому, то она совпадает с зоной проводимости.
Такая картина наблюдается у проводников.
В полупроводниках валентная зона полностью заполнена, но разность энергий между валентным и проводящим уровнями невелика.
Поэтому электроны могут преодолеть его просто за счет теплового движения.
А вот у изоляторов эта разница велика, и чтобы добиться пробоя, нужно приложить значительную энергию.
Такова общая картина энергетического строения атома.
Можно выйти прямо на p-n переход.
p-n переход
Начнем с того, что полупроводники бывают n-типа и p-типа.Первые получают путем легирования четырехвалентного полупроводника (обычно кремния) пятивалентным полупроводником (например, мышьяком).
Эта пятивалентная примесь называется донор .
Его атомы образуют четыре химические связи с атомами кремния, а пятый валентный электрон остается свободным и может покинуть валентную зону в зону проводимости, если, например, немного повысить температуру вещества.
Таким образом, в проводнике n-типа появляется избыток электронов.
Полупроводники Р-типа получают также путем легирования кремния, но трехвалентной примесью (например, бором).
Эта примесь называется акцептор .
Он может образовывать только три из четырех возможных химических связей.
А оставшуюся незаполненной валентную связь обычно называют дыра .
Те.
дырка — это не реальная частица, а абстракция, принятая для более удобного описания процессов, происходящих в полупроводнике.
Его заряд предполагается положительным и равным заряду электрона.
Итак, в полупроводнике p-типа мы имеем избыток положительных зарядов.
В полупроводниках обоих типов помимо основных носителей заряда (электронов для n-типа, дырок для p-типа) присутствует наибольшее количество носителей заряда: миноритарные носители заряда : дырки для n-области и электроны для p-области.
Если p- и n-полупроводники разместить рядом друг с другом, то на границе между ними диффузный ток .
Это произойдет потому, что с одной стороны у нас слишком много отрицательных зарядов (электронов), а с другой — положительных зарядов (дырок).
Соответственно, электроны будут перетекать в приграничную область p-полупроводника.
А поскольку дырка — это место, где электрон отсутствует, будет ощущение, будто дырки движутся в противоположном направлении — к границе n-полупроводника.
Попадая в p- и n-области, электроны и дырки рекомбинируют, что приводит к уменьшению числа подвижных носителей заряда.
На этом фоне становятся отчетливо видны стационарные положительно и отрицательно заряженные ионы на границах полупроводников (из которых «ушли» рекомбинировавшие дырки и электроны).
В результате мы получаем две узкие заряженные области на границе раздела веществ.
Это pn-переход, который еще называют слоем обеднения из-за малой концентрации в нем подвижных носителей заряда.
Естественно, здесь возникнет электрическое поле, направление которого препятствует дальнейшей диффузии электронов и дырок.
Возникает потенциальный барьер , которую основные носители заряда могут преодолеть только в том случае, если они обладают для этого достаточной энергией.
А вот возникающее электрическое поле, наоборот, помогает миноритарным носителям.
Соответственно, ток будет течь через переход в направлении, противоположном диффузному направлению.
Этот ток называется дрейфовать .
При отсутствии внешнего воздействия диффузный и дрейфовый ток уравновешивают друг друга и течение зарядов прекращается.
Ширина обедненной области и контактная разность потенциалов границ перехода (потенциальный барьер) являются важными характеристиками p-n-перехода.
Если приложить внешнее напряжение так, что его электрическое поле «поддерживает» диффузный ток, то потенциальный барьер уменьшится и область обеднения сузится.
Соответственно, ток будет легче течь через переход. Такое подключение внешнего напряжения называется прямым смещением.
Но можно подключить наоборот, чтобы внешнее электрическое поле поддерживало дрейфовый ток.
Однако в этом случае ширина зоны истощения увеличится, а потенциальный барьер увеличится.
Переход «закроется».
Это соединение называется обратным смещением.
Если приложенное напряжение превысит определенное предельное значение, произойдет пробой перехода, и через него потечет ток (электроны ускорятся до такой степени, что смогут перепрыгнуть через потенциальный барьер).
Это предельное значение называется напряжением пробоя.
Все, конец теории, пора переходить к ее практическому применению.
Диоды, наконец
Диод по сути представляет собой один pn-переход. Если он подключен с прямым смещением, то через него течет ток, а если с обратным смещением, то он не течет (фактически небольшой дрейфовый ток все равно остается, но этим можно пренебречь).
Этот принцип показан в символе диода: если ток направлен по стрелке треугольника, то ему ничего не мешает, а если наоборот, то он «упирается» в вертикальную линию.
Эта вертикальная линия на диодах радиоэлементов обозначается широкой полосой по краю.
Помню, когда я был глупым студентом и впервые пришел работать в цех по печати печатных плат, я, как Бог даст, впервые установил диоды.
Лишь позже я узнал, что правильное размещение этого элемента играет очень и очень важную роль.
Но это так, лирическое отступление.
Диоды имеют нелинейную вольт-амперную характеристику.
Области применения диодов
- Выпрямление переменного тока.
Он основан именно на свойстве диода «запираться» при обратном смещении.
Диод как бы «обрезает» отрицательные полуволны.
- В качестве переменной емкости.
Эти диоды называются варикапы .
Здесь используется зависимость барьерной емкости перехода от обратного смещения.Чем больше его значение, тем шире область обеднения pn-перехода.
Его можно представить как плоский конденсатор, обкладки которого являются границами области, а сам он выполняет роль диэлектрика.
Соответственно, чем толще «диэлектрический слой», тем меньше барьерная емкость.
Следовательно, изменяя приложенное напряжение, емкость варикапа можно изменять электрически.
- Для стабилизации напряжения.
Принцип работы таких диодов заключается в том, что даже при значительном увеличении внешнего падения напряжения падение напряжения на диоде несколько увеличится.
Это справедливо как для прямого, так и для обратного смещения.
Однако напряжение пробоя обратного смещения намного выше, чем прямое напряжение диода.
Таким образом, если вам необходимо поддерживать стабильное высокое напряжение, то лучше снова включить диод. А чтобы он оставался работоспособным, несмотря на пробой, нужно использовать диод особого типа – стабилитрон .
В режиме прямого смещения он будет работать как обычный выпрямительный диод. Но при обратном смещении он не будет проводить ток до тех пор, пока приложенное напряжение не достигнет так называемого напряжения стабилитрона, при котором диод сможет проводить значительный ток, а напряжение будет ограничено уровнем напряжения стабилитрона. - В качестве «ключа» (переключающего устройства).
Такие диоды должны иметь возможность очень быстро открываться и закрываться в зависимости от приложенного напряжения.
- В качестве детекторов радиации ( фотодиоды ).
Кванты света передают атомам в n-области дополнительную энергию, что приводит к появлению большого количества новых электронно-дырочных пар.Достигнув p-n-перехода, дырки уходят в p-область, а электроны скапливаются на краю перехода.
Таким образом, дрейфовый ток увеличивается, и между p- и n-областями возникает разность потенциалов, называемая фотоДС.
Его значение тем больше, чем больше световой поток.
- Для создания оптического излучения ( светодиоды ).
При рекомбинации дырок и электронов (смещение вперед) последние переходят на более низкий энергетический уровень.«Лишняя» энергия выделяется в виде кванта энергии.
И в зависимости от химического состава и свойств конкретного полупроводника он излучает волны того или иного диапазона.
Эффективность излучения также зависит от состава.
Немного экзотики
Не забывайте, что pn-переход — это одно из явлений микромира, где правит квантовая физика и становятся возможными странные вещи.Например, туннельный эффект - когда частица может пройти через потенциальный барьер с меньшей энергией.
Это становится возможным благодаря неопределенности во взаимосвязи между импульсом и координатами частицы (привет, Гейзенберг!).
Этот эффект лежит в основе туннельные диоды .
Чтобы обеспечить утечку заряда, их изготавливают из вырожденных полупроводников (содержащих высокую концентрацию примесей).
В результате получается острый p-n переход с тонким блокирующим слоем.
Такие диоды маломощны и малоинерционны, поэтому их можно использовать в СВЧ-диапазоне.
Есть еще один необычный тип полупроводниковых диодов – Диоды Шоттки .
В качестве барьера Шоттки они используют не традиционный pn-переход, а переход металл-полупроводник.
Этот барьер возникает, когда работа выхода электронов из металла и полупроводника различна.
Если n-полупроводник имеет работу выхода меньшую, чем контактирующий с ним металл, то пограничный слой металла будет заряжен отрицательно, а полупроводник – положительно (электронам легче перейти от полупроводника к полупроводнику).
металл, чем наоборот).
Если мы имеем контакт металл/р-полупроводник и работа выхода у второго выше, чем у первого, то мы получаем положительно заряженный граничный слой металла и отрицательно заряженный слой полупроводника.
В любом случае у нас будет разность потенциалов, благодаря которой работы выхода обоих контактирующих веществ будут равны.
Это приведет к возникновению состояния равновесия и образованию потенциального барьера между металлом и полупроводником.
И так же, как и в случае с pn-переходом, к переходу металл/полупроводник можно приложить прямое и обратное смещение с аналогичным результатом.
Диоды Шоттки отличаются от своих p-n аналогов малым падением напряжения при прямом подключении и меньшей электрической емкостью перехода.
Таким образом, увеличивается их рабочая частота и снижается уровень помех.
Заключение
Конечно, здесь рассмотрены не все существующие типы диодов.Но я надеюсь, что на основе написанного выше вы сможете составить достаточно полное суждение об этих электронных компонентах.
Источники: ru.wikipedia.org mda21.ru elementy.ru femto.com.ua Теги: #Электроника для начинающих #диоды
-
Как Восстановить Учетную Запись Hotmail
19 Oct, 24 -
Тележки Для Электронной Коммерции
19 Oct, 24 -
О Eyeos И Веб-Осях. Пример Использования
19 Oct, 24
