|
Борис Аладишкін
Діод - найпростіший по влаштуванню в славному сімействі напівпровідникових приладів. Якщо взяти пластинку напівпровідника, наприклад германію, і в його ліву половину ввести акцепторну домішка, а в праву Донорно, то з одного боку вийде напівпровідник типу P, відповідно з іншого типу N. У середині кристала вийде, так званий PN перехід, як показано на малюнку 1.
На цьому ж малюнку показано умовне графічне позначення діода на схемах: висновок катода (негативний електрод) дуже схожий на знак «-». Так простіше запам'ятати.
Всього в такому кристалі дві зони з різною провідністю, від яких виходять два висновки, тому отриманий прилад отримав назву діод, оскільки приставка «ді» означає два.
В даному випадку діод вийшов напівпровідниковий, але подібні пристрої були відомі і раніше: наприклад в епоху електронних ламп був ламповий діод, що називався кенотрон. Зараз такі діоди пішли в історію, хоча прихильники «лампового» звуку вважають, що в ламповому підсилювачі навіть випрямляч анодної напруги повинен бути ламповим!
Малюнок 1. Будова діода і позначення діода на схемі
На стику напівпровідників з P і N проводимостями виходить PN перехід (PN junction), який є основою всіх напівпровідникових приладів. Але на відміну від діода, у якого цей перехід лише один, транзистори мають два PN переходу, а, наприклад, тиристори складаються відразу з чотирьох переходів.
PN перехід в стані спокою
Навіть якщо PN перехід, в даному випадку діод, нікуди не підключений, все одно всередині нього відбуваються цікаві фізичні процеси, які показані на малюнку 2.
Малюнок 2. Діод в стані спокою
В області N є надлишок електронів, вона несе в собі негативний заряд, а в області P заряд позитивний. Разом ці заряди утворюють електричне поле. Оскільки різнойменні заряди мають властивість притягатися, електрони з зони N проникають в позитивно заряджену зону P, заповнюючи собою деякі дірки. В результаті такого руху всередині напівпровідника виникає, хоч і дуже маленький (одиниці наноампер), але все-таки ток.
В результаті такого руху зростає щільність речовини на стороні P, але до певної межі. Частинки зазвичай прагнуть поширюватися рівномірно по всьому об'єму речовини, подібно до того, як запах парфумів поширюється на всю кімнату (дифузія), тому, рано чи пізно, електрони повертаються назад в зону N.
Якщо для більшості споживачів електроенергії напрямок струму ролі не грає, - лампочка світиться, плитка гріється, то для діода напрямок струму грає величезну роль. Основна функція діода проводити струм в одному напрямку. Саме це властивість і забезпечується PN переходом.
Далі розглянемо, як веде себе діод в двох можливих випадках підключення джерела струму.
Включення діода в зворотному напрямку
Якщо до напівпровідникового діода підключити джерело живлення, як показано на малюнку 3, то струм через PN перехід не пройде.
Малюнок 3. Зворотне включення діода
Як видно на малюнку, до області N підключений позитивний полюс джерела живлення, а до області P - негативний. В результаті електрони з області N спрямовуються до позитивного полюса джерела. У свою чергу позитивні заряди (дірки) в області P притягуються негативним полюсом джерела живлення. Тому в області PN переходу, як видно на малюнку, утворюється порожнеча, ток проводити просто нічим, немає носіїв заряду.
При збільшенні напруги джерела живлення електрони і дірки все сильніше притягуються електричним полем батарейки, в області ж PN переходу носіїв заряду залишається все менше. Тому в зворотному включенні струм через діод не йде. У таких випадках прийнято говорити, що діод замкнений зворотною напругою.
Збільшення щільності речовини близько полюсів батареї призводить до виникнення дифузії, - прагненню до рівномірного розподілу речовини по всьому об'єму. Що і відбувається при відключенні елемента живлення.
Зворотний струм напівпровідникового діода
Ось тут якраз і настав час згадати про неосновних носіях, які були умовно забуті. Справа в тому, що навіть в закритому стані через діод проходить незначний струм, називаний зворотним. Цей зворотний струм і створюється неосновними носіями, які можуть рухатися точно так же, як основні, тільки в зворотному напрямку. Природно, що такий рух відбувається при зворотному напрузі. Зворотний струм, як правило, невеликий, що обумовлено незначною кількістю неосновних носіїв.
З підвищенням температури кристала кількість неосновних носіїв збільшується, що призводить до зростання зворотного струму, що може привести до руйнування PN переходу. Тому робочі температури для напівпровідникових приладів, - діодів, транзисторів, мікросхем обмежені. Щоб не допускати перегріву потужні діоди і транзистори встановлюються на тепловідвід - радіатори.
Включення діода в прямому напрямку
Показано на малюнку 4.
Малюнок 4. Пряме включення діода
Тепер змінимо полярність включення джерела: мінус підключимо до області N (катода), а плюс до області P (анода). При такому включенні в області N електрони будуть відштовхуватися від мінуса батареї, і рухатися в бік PN переходу. В області P відбудеться відштовхування позитивно заряджених дірок від плюсового виведення батареї. Електрони і дірки спрямовуються назустріч один одному.
Заряджені частинки з різною полярністю збираються близько PN переходу, між ними виникає електричне поле. Тому електрони долають PN перехід і продовжують рух через зону P. При цьому частина з них рекомбинирует з дірками, але більша частина спрямовується до плюса батарейки, через діод пішов струм Id.
Цей струм називається прямим струмом. Він обмежується технічними даними діода, деяким максимальним значенням. Якщо це значення буде перевищено, то виникає небезпека виходу діода з ладу. Слід, однак, зауважити, що напрямок прямого струму на малюнку збігається з загальноприйнятим, зворотним руху електронів.
Можна також сказати, що при прямому напрямку включення електричний опір діода порівняно невелике. При зворотному включенні це опір буде у багато разів більше, струм через діод не йде (незначний зворотний струм тут в розрахунок не береться). З усього вищесказаного можна зробити висновок, що діод поводиться подібно звичайному механічному вентиля: повернув в одну сторону - вода тече, повернув в іншу - потік припинився. За це властивість діод отримав назву напівпровідникового вентиля.
Щоб детально розібратися у всіх здібностях і властивостях діода, слід познайомитися з його вольт - амперної характеристикою. Також непогано дізнатися про різних конструкціях діодів і частотних властивостях, про переваги і недоліки.
|