Электротехнический интернет-журнал Electrik.info

"Электрик Инфо" - онлайн журнал про электричество. Теория и практика. Обучающие статьи, примеры, технические решения, схемы, обзоры интересных электротехнических новинок. Уроки, книги, видео. Профессиональное обучение и развитие. Сайт для электриков и домашних мастеров, а также для всех, кто интересуется электротехникой, электроникой и автоматикой.
 


Схемы подключения | Принципиальные схемы | Электроснабжение
Розетки и выключатели | Автоматы защиты | Кабель и провод | Монтаж электропроводки Ремонт электротехники | Молодому электрику

Электрик Инфо » Электрическая энергия в быту и на производстве » В помощь начинающим электрикам » Как устроены и работают полупроводниковые диоды
Количество просмотров: 188785
Комментарии к статье: 10


Как устроены и работают полупроводниковые диоды


Как устроены и работают полупроводниковые диодыДиод - самый простейший по устройству в славном семействе полупроводниковых приборов. Если взять пластинку полупроводника, например германия, и в его левую половину ввести акцепторную примесь, а в правую донорную, то с одной стороны получится полупроводник типа P, соответственно с другой типа N. В середине кристалла получится, так называемый P-N переход, как показано на рисунке 1.

На этом же рисунке показано условное графическое обозначение диода на схемах: вывод катода (отрицательный электрод) очень похож на знак «-». Так проще запомнить.

Всего в таком кристалле две зоны с различной проводимостью, от которых выходят два вывода, поэтому полученный прибор получил название диод, поскольку приставка «ди» означает два.

В данном случае диод получился полупроводниковый, но подобные устройства были известны и раньше: например в эпоху электронных ламп был ламповый диод, называвшийся кенотрон. Сейчас такие диоды ушли в историю, хотя приверженцы «лампового» звука считают, что в ламповом усилителе даже выпрямитель анодного напряжения должен быть ламповым! 

Строение диода и обозначение диода на схеме

Рисунок 1. Строение диода и обозначение диода на схеме

На стыке полупроводников с P и N проводимостями получается P-N переход (P-N junction), который является основой всех полупроводниковых приборов. Но в отличии от диода, у которого этот переход лишь один, транзисторы имеют два P-N перехода, а, например, тиристоры состоят сразу из четырех переходов.

P-N переход в состоянии покоя

Даже если P-N переход, в данном случае диод, никуда не подключен, все равно внутри него происходят интересные физические процессы, которые показаны на рисунке 2.

Диод в состоянии покоя

Рисунок 2. Диод в состоянии покоя

В области N имеется избыток электронов, она несет в себе отрицательный заряд, а в области P заряд положительный. Вместе эти заряды образуют электрическое поле. Поскольку разноименные заряды имеют свойство притягиваться, электроны из зоны N проникают в положительно заряженную зону P, заполняя собой некоторые дырки. В результате такого движения внутри полупроводника возникает, хоть и очень маленький (единицы наноампер), но все-таки ток.

В результате такого движения возрастает плотность вещества на стороне P, но до определенного предела. Частицы обычно стремятся распространяться равномерно по всему объему вещества, подобно тому, как запах духов распространяется на всю комнату (диффузия), поэтому, рано или поздно, электроны возвращаются обратно в зону N.

Если для большинства потребителей электроэнергии направление тока роли не играет, - лампочка светится, плитка греется, то для диода направление тока играет огромную роль. Основная функция диода проводить ток в одном направлении. Именно это свойство и обеспечивается P-N переходом.

Далее рассмотрим, как ведет себя диод в двух возможных случаях подключения источника тока.

Включение диода в обратном направлении

Если к полупроводниковому диоду подключить источник питания, как показано на рисунке 3, то ток через P-N переход не пройдет.

Обратное включение диода

Рисунок 3. Обратное включение диода

Как видно на рисунке, к области N подключен положительный полюс источника питания, а к области P – отрицательный. В результате электроны из области N устремляются к положительному полюсу источника. В свою очередь положительные заряды (дырки) в области P притягиваются отрицательным полюсом источника питания. Поэтому в области P-N перехода, как видно на рисунке, образуется пустота, ток проводить просто нечем, нет носителей заряда.

При увеличении напряжения источника питания электроны и дырки все сильней притягиваются электрическим полем батарейки, в области же P-N перехода носителей заряда остается все меньше. Поэтому в обратном включении ток через диод не идет. В таких случаях принято говорить, что полупроводниковый диод заперт обратным напряжением.

Увеличение плотности вещества около полюсов батареи приводит к возникновению диффузии, - стремлению к равномерному распределению вещества по всему объему. Что и происходит при отключении элемента питания.

Полупроводниковый диод

Обратный ток полупроводникового диода

Вот здесь как раз и настало время вспомнить о неосновных носителях, которые были условно забыты. Дело в том, что даже в закрытом состоянии через диод проходит незначительный ток, называемый обратным. Этот обратный ток и создается неосновными носителями, которые могут двигаться точно так же, как основные, только в обратном направлении. Естественно, что такое движение происходит при обратном напряжении. Обратный ток, как правило, невелик, что обусловлено незначительным количеством неосновных носителей.

С повышением температуры кристалла количество неосновных носителей увеличивается, что приводит к возрастанию обратного тока, что может привести к разрушению P-N перехода. Поэтому рабочие температуры для полупроводниковых приборов, - диодов, транзисторов, микросхем ограничены. Чтобы не допускать перегрева мощные диоды и транзисторы устанавливаются на теплоотводы – радиаторы.

Включение диода в прямом направлении

Показано на рисунке 4.

Прямое включение диода

Рисунок 4. Прямое включение диода

Теперь изменим полярность включения источника: минус подключим к области N (катоду), а плюс к области P (аноду). При таком включении в области N электроны будут отталкиваться от минуса батареи, и двигаться в сторону P-N перехода. В области P произойдет отталкивание положительно заряженных дырок от плюсового вывода батареи. Электроны и дырки устремляются навстречу друг другу.

Заряженные частицы с разной полярностью собираются около P-N перехода, между ними возникает электрическое поле. Поэтому электроны преодолевают P-N переход и продолжают движение через зону P. При этом часть из них рекомбинирует с дырками, но большая часть устремляется к плюсу батарейки, через диод пошел ток Id.

Этот ток называется прямым током. Он ограничивается техническими данными диода, некоторым максимальным значением. Если это значение будет превышено, то возникает опасность выхода диода из строя. Следует, однако, заметить, что направление прямого тока на рисунке совпадает с общепринятым, обратным движению электронов.

Можно также сказать, что при прямом направлении включения электрическое сопротивление диода сравнительно небольшое. При обратном включении это сопротивление будет во много раз больше, ток через полупроводниковый диод не идет (незначительный обратный ток здесь в расчет не принимается). Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что диод ведет себя подобно обычному механическому вентилю: повернул в одну сторону - вода течет, повернул в другую - поток прекратился. За это свойство диод получил название полупроводникового вентиля.

Чтобы детально разобраться во всех способностях и свойствах полупроводникового диода, следует познакомиться с его вольт – амперной характеристикой. Также неплохо узнать о различных конструкциях диодов и частотных свойствах, о достоинствах и недостатках. Об этом будет рассказано в следующей статье.

Продолжение статьи: Характеристики диодов, конструкции и особенности применения

Борис Аладышкин

Популярные публикации:

Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » В помощь начинающим электрикам

Подписывайтесь на наш канал в Telegram: Домашняя электрика 



Поделитесь этой статьей с друзьями:


Другие статьи с сайта Электрик Инфо:

  • Устройство и работа биполярного транзистора
  • Характеристики диодов, конструкции и особенности применения
  • Максимальная рассеиваемая мощность и обратное напряжение на диоде
  • Как проверить диод и тиристор. 3 простых способа
  • Как проверить транзистор
  • Транзисторы. Часть 3. Из чего делают транзисторы
  • Самодельные светорегуляторы. Часть первая. Разновидности тиристоров
  • Собственные и примесные полупроводники - ответы на популярные вопросы
  • Как измерить мультиметром напряжение, ток, сопротивление, проверить диоды и ...
  • Самодельные светорегуляторы. Часть вторая. Устройство тиристора
  • Категория: Электрическая энергия в быту и на производстве » В помощь начинающим электрикам

      Комментарии:

    #1 написал: Анатолий |

    Можно было бы описать работу P-N перехода и поточнее, разъяснив "дырки" , "основные носители", "неосновные носители", "плотность вещества"

      Комментарии:

    #2 написал: andy78 |

    Анатолий, об этом уже было на сайте. Просто не хотелось повторяться. Поищите через поиск по сайту статьи: "Проводники, изоляторы и полупроводники" и "Из чего делают транзисторы".

      Комментарии:

    #3 написал: M. |

    Статья хороша, но, как заметил товарищ, не хватает чуть более подробного разбора терминологии.

    Не совсем ясно описаны моменты про диффузию. Представьте, мы держим в руке и соединяем два куска одного и того-же полупроводника - один дотирован донорной примесью (атомы примеси с бОльшим кол-вом электронов на внешней электронной оболочке, нежели атомы исходного полупроводника), другой - акцепторной (атомы примеси с меньшим кол-вом электронов). Возникновение т.н. "ОПЗ" - области пространственного заряда - при соприкосновении двух типов обуславливается конкурирующим действием диффузии электронов из N в P область (и, соотв., дырок в обратную сторону) и дрейфа (собственно, движения в эл.поле) носителей заряда под действием возникающего эл.поля. Однако, это ведь не бесконечно продолжающийся процесс. Через некоторое время (для нас - мгновенно) эти два эффекта уравновесят друг друга. Но это не значит, что диффузия исчезнет. Просто можно будет говорить о динамическом равновесии.

    Там-же где идёт речь о некоей "пустоте" в области PN-перехода - имеется в виду эта самая ОПЗ - область пространственного заряда, ещё называют её, если память не подводит, "обеднённой областью". Под "пространственным зарядом" же подразумеваются не эл-ны и дырки, способные дрейфовать и диффундировать, а атомные остовы - можно принять их недвижимыми. Строго говоря, они тоже диффундируют, но гораздо медленнее. Их диффузия, например обуславливает временнОе старение полупроводниковых элементов. Но это совсем другая история...

      Комментарии:

    #4 написал: Евгений |

    Споры ни о чём, электронов не существует. Смотрите Рыбников С.Ю. в Ютубе, он вам расскажет как на самом деле устроен атом, про таблицу Менделеева и про РуСкий счёт. И не надо истерично закрывать видео и говорить, что всё это чушь, надо спокойно досмотреть до конца и подумать, а может на самом деле в школе и вузах нам промывают мозги.

      Комментарии:

    #5 написал: Димон |

    Евгений,
    Если электронов не существует, то как тогда работает диод? Получается теория шита белыми нитками.

      Комментарии:

    #6 написал: Дим шу |

    Евгений, я не буду его истерично закрывать. Я совершенно спокойно не стану его даже открывать. Ни единожды убеждался, что инфа рекомендованная подобным образом оказывается псевдонаучной хренью. Не вижу смысла убеждаться в этом ещё раз.

      Комментарии:

    #7 написал: Макар |

    Около пятидесяти лет назад силовые полупроводниковые приборы начали массово использоваться в промышленности по всему миру. В первой половине пятидесятых годов в соответствии с новыми потребностями развивающихся отраслей промышленности в мире было запущено производство полупроводниковых приборов. После первоначальных экспериментов с германием в качестве исходного материала для производства, с конца 50-х на основе кремния начали конструировать и изготавливать диоды, транзисторы, а затем тиристоры. 

      Комментарии:

    #8 написал: Леонид Дробышев |

    Обычный диод — это электронное устройство, которое позволяет электронному току течь в одном направлении, но не в другом. Первыми диодами были электронные лампы. Они были относительно большими и не очень эффективными. Позже был разработан меньший тип диода, он состоял из металла и оксида металла. В конце концов лампы и диоды металл/оксид металла были заменены в большинстве устройств полупроводниковыми. Наиболее часто используемым полупроводником в диодах является кремний, но также используются германий и галлий. Базовый диод состоит из положительно легированного и отрицательно легированного материала на полупроводниковой подложке. Место, где они встречаются, называется PN-соединением. Кремниевый диод сегодня наиболее широко используется. Он имеет прямое падение напряжения примерно от 0,7 вольта для слабого сигнального диода до 1 вольта или более для мощного выпрямительного диода. Диод с быстрым восстановлением — это диод, который быстрее переключается между проводящим и непроводящим состоянием. Время их переключения может составлять всего 1 нс.

      Комментарии:

    #9 написал: Михаил |

    Полупроводниковые диоды - это электронные приборы, которые позволяют пропускать ток только в одном направлении. Они состоят из двух слоев полупроводниковых материалов, обычно кремния или германия, которые имеют различные уровни примесей.

    Один из слоев, называемый типично "p-типа", содержит примеси, образующие "дырки" в кристаллической решетке полупроводника, что создает недостаток электронов. Другой слой, "n-типа", содержит примеси, которые создают избыток электронов. Между этими слоями образуется зона, называемая "p-n переходом".

    Когда на диод подается напряжение в прямом направлении, то есть с положительного контакта на p-типовом слое и отрицательного контакта на n-типовом слое, зона p-n перехода сужается и электроны могут преодолевать ее барьер и двигаться через диод, создавая ток. В обратном направлении, когда на диод подается обратное напряжение, зона p-n перехода расширяется, и электроны не могут преодолевать барьер, блокируя протекание тока.

    Таким образом, полупроводниковые диоды позволяют создавать простые электронные устройства, например выпрямители, которые преобразуют переменный ток в постоянный, а также используются во многих других электронных схемах для защиты от перенапряжения, стабилизации напряжения и т.д.

      Комментарии:

    #10 написал: Гость |

    Полупроводниковые диоды являются ключевыми компонентами многих электронных устройств, таких как выпрямители, стабилитроны, светодиоды и солнечные элементы. Они работают на основе свойств полупроводников, которые могут проводить ток либо при прямом, либо при обратном смещении. Полупроводниковый диод состоит из двух основных элементов: p-области и n-области. P-область содержит атомы с дополнительным электроном (доноры), а n-область - атомы без электрона (акцепторы). Между этими двумя областями находится переходный слой, называемый p-n-переходом. Когда диод находится в прямом смещении, p-область становится положительно заряженной, а n-область - отрицательно заряженной. Это приводит к тому, что электроны из n-области начинают двигаться к p-области, а дырки из p-области - к n-области. В результате, ток начинает протекать через диод. Однако, когда диод находится в обратном смещении, n-область становится положительно заряженной, а p-область - отрицательно заряженной. В этом случае электроны и дырки начинают рекомбинировать, и ток через диод практически не протекает.

    Присоединяйтесь к нам в социальных сетях:

    ВКонтакте | Facebook | Одноклассники | Электрик Инфо на Яндекс Дзен

     

    Популярные разделы сайта:

    Электрика дома  Электрообзоры  Энергосбережение
    Секреты электрика Источники света Делимся опытом
    Домашняя автоматика Электрика для начинающих
    Практическая электроника Электротехнические новинки
    Андрей Повный - все статьи автора



    Copyright © 2009-2024 Электрик Инфо - Electrik.info, Андрей Повный
    Вся информация на сайте предоставлена в ознакомительных и познавательных целях.
    За применение этой информации администрация сайта ответственности не несет.
    Перепечатка материалов сайта запрещена.