Вы находитесь здесь: Главная > Диоды > Диоды for dummies хабрахабр

Диоды for dummies хабрахабр

Диоды for dummies хабрахабрВведение

Диоды for dummies хабрахабрДиодик — двухэлектродный электрический прибор, обладает различной проводимостью зависимо от направления электронного тока. Электрод диодика, подключённый к положительному полюсу источника тока, когда диодик открыт (другими словами имеет малюсенькое сопротивление), именуют анодом, подключённый к отрицательному полюсу — катодом. (wikipedia)

Все диоды можно поделить на две огромные группы: полупроводниковые и неполупроводниковые. Тут я буду рассматривать только первую из их.

В базе полупроводникового диодика лежит такая популярная штука, как p-n переход. Думаю, что большинству читателей о нем ведали на уроках физики в школе, а кому-то более тщательно к тому же в институте. Но, на всякий случай приведу общий принцип его работы.

Два слова о зонной теории проводимости жестких тел

До этого, чем начать разговор о p-n переходе, стоит обговорить некие теоретические моменты.

Считается, что электроны в атоме размещены на различном расстоянии от ядра. Соответственно, чем поближе электрон к ядру, тем посильнее связь меж ними и тем огромную энергию нужно приложить, чтоб выслать его «в свободное плаванье». Молвят, что электроны размещены на разных энергетических уровнях. Наполнение этих уровней электронами происходит снизу ввысь и на каждом из их может находиться не больше строго определенного числа электронов (атом Бора). Таким макаром, если уровень заполнен, то новый электрон не может на него попасть, пока для него не освободится место. Чтоб электрон мог перейти на уровень выше, ему необходимо сказать дополнительную энергию. А если электрон «падает» вниз, то избыток энергии освобождается в виде излучения. Электроны могут занимать в атоме только сторого определенные орбиты с определенными энергиями. Орбиты эти именуются разрешенными. Соответственно, нелегальными именуют те орбиты (зоны), в каких электрон находиться не может. Подробнее об этом можно почитать по ссылке на атом Бора выше, тут же примем это как теорему.

Диоды for dummies хабрахабрСамый верхний энергетический уровень именуется валентным. Практически у всех веществ он заполнен только отчасти, потому электроны наружных подуровней других атомов всегда могут отыскать на нем для себя место. И они вправду беспорядочно мигрируют от атома к атому, осуществляя таким макаром связь меж ними. Нижний слой, в каком могут передвигаться свободные электроны, именуют зоной проводимости. Если валентная зона отчасти заполнена и электроны в ней могут передвигаться от атома к атому, то она совпадает с зоной проводимости. Такая картина наблюдается у проводников. У полупроводников валентная зона заполнена полностью, но разница энергий меж валентным и проводящим уровнями у их мала. Потому электроны могут преодолевать ее просто за счет термического движения. А у изоляторов эта разница велика, и чтоб получить пробой, необходимо приложить значительную энергию.

Такая общая картина энергетического строения атома. Можно перебегать конкретно к p-n переходу.

Диоды for dummies хабрахабрp-n переход

Начнем с того, что полупроводники бывают n-типа и p-типа. 1-ые получают легированием четырехвалентного полупроводника (в большинстве случаев кремния) пятивалентным полупроводником (к примеру, мышьяком). Эту пятивалентную примесь именуют донором. Ее атомы образуют четыре хим связи с атомами кремния, а 5-ый валентный электрон остается свободным и может выйти из валентной зоны в зону проводимости, если, к примеру, некординально повысить температуру вещества. Таким макаром, в проводнике n-типа появляется излишек электронов.

Полупроводники p-типа тоже получаются методом легирования кремния, но уже трехвалентной примесью (к примеру, бором). Эта примесь носит заглавие акцептора. Он может создавать только три из 4 вероятных хим связей. А оставшуюся незаполненной валентную связь принято именовать дыркой. Т. е. дырка — это не настоящая частичка, а абстракция, принятая для более комфортного описания процессов, происходящих в полупроводнике. Ее заряд считают положительным и равным заряду электрона. Итак, в полупроводнике p-типа у нас выходит излишек положительных зарядов.

В полупроводниках обоих типов не считая главных носителей заряда (электроны для n-типа, дырки для p-типа) в набольшом количестве находятся неосновные носители заряда: дырки для n-области и электроны для p-области.

Если расположить рядом p — и n-полупроводники, то на границе меж ними возникнет диффузный ток. Произойдет это поэтому, что с одной стороны у нас очень много отрицательных зарядов (электронов), а с другой — положительных (дырок). Соответственно, электроны будут перетекать в приграничную область p-полупроводника. А так как дырка — место отсутствия электрона, то возникнет чувство, как будто дырки передвигаются в обратную сторону — к границе n-полупроводника. Попадая в p — и n-области, электроны и дырки рекомбинируют, что приводит к понижению количества подвижных носителей заряда. На этом фоне становятся ясно видны недвижные положительно и негативно заряженные ионы на границах полупроводников (от которых «ушли» рекомбинировавшие дырки и электроны). В конечном итоге получим две узенькие заряженные области на границе веществ. Это и есть p-n переход, который также именуют обедненным слоем из-за малой концентрации в нем подвижных носителей заряда. Естественно, что тут возникнет электронное поле, направление которого препятствует предстоящей диффузии электронов и дырок. Появляется возможный барьер, преодолеть который главные носители заряда сумеют только владея достаточной для этого энергией. А вот неосновным носителям возникшее электронное поле напротив помогает. Соответственно, через переход потечет ток, в обратном диффузному направлении. Этот ток именуют дрейфовым. При отсутствии наружного воздействия диффузный и дрейфовый ток уравновешивают друг дружку и перетекание зарядов прекращается.

Ширина обедненной области и контактная разность потенциалов границ перехода (возможный барьер) являются необходимыми чертами p-n перехода.

Если приложить наружное напряжение так, чтоб его электронное поле «поддерживало» диффузный ток, то произойдет понижение потенциального барьера и сужение обедненной области. Соответственно, ток будет легче течь через переход. Такое подключение наружного напряжения именуют прямым смещением.

Диоды for dummies хабрахабрНо можно подключиться и напротив, чтоб наружное электронное поле поддерживало дрейфовый ток. Но, в данном случае ширина обедненной зоны возрастет, а возможный барьер вырастет. Переход «закроется». Такое подключение именуют оборотным смещением. Если величина приложенного напряжения превзойдет некое предельное значение, то произойдет пробой перехода, и через него потечет ток (электроны разгонятся до таковой степени, что сумеют перескочить через возможный барьер). Эта граничная величина именуется напряжением пробоя.

Все, конец теории, пора перейти к ее практическому применению.

Диоды, наконец

Диоды for dummies хабрахабрДиодик, на самом деле, одиночный p-n переход. Если он подключен с прямым смещением, то ток через него течет, а если с оборотным — не течет (по сути, маленький дрейфовый ток все равно остается, но этим можно пренебречь). Этот принцип показан в условном обозначении диодика: если ток ориентирован по стрелке треугольника, то ему ничего не мешает, а если напротив — то он «натыкается» на вертикальную линию. Эта вертикальная линия на диодах-радиоэлементах обозначается широкой полосой у края.

Помню, когда я была глуповатой студенткой и в первый раз пришла работать в цех набивки печатных плат, то поначалу ставила диоды как бог на душу положит. Только позже я выяснила, что правильное размещение этого элемента играет очень и очень значительную роль. Но это так, лирическое отступление.

Диоды имеют нелинейную вольт-амперную характеристику.

Области внедрения диодов

Выпрямление пременного тока. Основано оно конкретно на свойстве диодика «запираться» при оборотном смещении. Диодик вроде бы «срезает» отрицательные полуволны.

В качестве переменной емкости. Эти диоды именуются варикапами.

Диоды for dummies хабрахабрТут употребляется зависимость барьерной емкости перехода от оборотного смещения. Чем больше его значение, тем обширнее обедненная область p-n перехода. Ее можно представить для себя как тонкий конденсатор, обкладками которого явялются границы области, а сама она выступает в качестве диэлектрика. Соответственно, чем толще «слой диэлеткрика», тем ниже барьерная емкость. Как следует, изменяя приложенное напряжение можно электрически поменять емкость варикапа.

Для стабилизации напряжения. Механизм работы таких диодов состоит в том, что даже при значимом увеличении наружного падения напряжения, падение напряжения на диодике возрастет некординально. Это справедливо и для прямого, и для оборотного смещений. Но напряжение пробоя при оборотном смещении намного выше, чем прямое напряжение диодика. Таким макаром, если необходимо поддерживать размеренным огромное напряжение, то диодик лучше включать назад. А чтоб он сохранял работоспособность, невзирая на пробой, необходимо использовать диодик особенного типа — стабилитрон.

Диоды for dummies хабрахабрВ прямосмещенном режиме он будет работать подобно обыкновенному выпрямляющему диодику. А вот в обратносмещенном не будет проводить ток до того времени, пока приложенное напряжение не достигнет так именуемого напряжения стабилитрона, при котором диодик сумеет проводить значимый ток, а напряжение будет ограничено уровнем напряжения стабилитрона.

В качестве «ключа» (коммутирующего устройства). Такие диоды должны уметь очень стремительно раскрываться и запираться зависимо от приложенного напряжения.

В качестве сенсоров излучения (фотодиоды).

Кванты света передают атомам в n-области дополнительную энергию, что приводит к возникновению огромного числа новых пар электрон-дырка. Когда они доходят до p-n перехода, то дырки уходят в p-область, а электроны накапливаются у края перехода. Таким макаром, происходит возрастание дрейфового тока, а меж p — и n-областями появляется разность потенциалов, именуемая фотоЭДС. Величина ее тем больше, чем больше световой поток.

Для сотворения оптического излучения (светодиоды).

При рекомбинации дырок и электронов (прямое смещение) происходит переход последних на более маленький энергетический уровень. «Излишек» энергии выделяется в виде кванта энергии. И зависимо от хим состава и параметров того либо другого полупроводника, он испускает волны того либо другого спектра. От состава же зависит и эффективность излучения.

Малость экзотики

Не следует забывать о том, что p-n переход — одно из явлений микромира, где правит балом квантовая физика и становятся вероятными странноватые вещи. К примеру, туннельный эффект — когда частичка может пройти через возможный барьер, владея наименьшей энергией. Это становится вероятным благодаря неопределенности соотношения меж импульсом и координатами частички (привет, Гейзенберг!). Этот эффект лежит в базе туннельных диодов.

Чтоб обеспечить возможность «просачивания» зарядов, их делают из вырожденных полупроводников (содержащих высшую концентрацию примесей). В итоге получают резкий p-n переход с узким запирающим слоем. Такие диоды маломощные и низкоинерционные, потому их можно использовать в СВЧ-диапазоне.

Еще есть одна необыкновенная разновидность полупроводниковых диодов — диоды Шоттки.

В их употребляется не обычный p-n переход, а переход металл-полупроводник в качестве барьера Шоттки. Барьер этот появляется в этом случае, когда разнятся величины работы выхода электронов из металла и полупроводника. Если n-полупроводник имеет работу выхода меньше, чем контактирующий с ним металл, то приграничный слой металла будет заряжен негативно, а полупроводника — положительно (электронам проще перейти из полупроводника в металл, чем напротив). Если же у нас контакт металл/p-полупроводник, при этом работа выхода для второго выше, чем для первого, то получим положительно заряженный приграничный слой металла и негативно заряженный слой полупроводника. В любом случае, у нас возникнет разность потенциалов, при помощи которой работы выхода из обоих контактирующих веществ сравняются. Это приведет к появлению сбалансированного состояния и формированию потенциального барьера меж металлом и полупроводником. И так же, как и в случае p-n перехода, к переходу металл/полупроводник можно прикладывать прямое и оборотное смещение с аналогичным результатом.

Диоды for dummies хабрахабрДиоды Шоттки отличаются от p-n братьев низким падением напряжения при прямом включении и наименьшей электронной емкостью перехода. Таким макаром, увеличивается их рабочая частота и снижается уровень помех.

Заключение

Само собой, тут рассмотрены далековато не все имеющиеся виды диодов. Но надеюсь, что по написанному выше можно составить довольно полное суждение об этих электрических компонетах.

Источники:

ru. wikipedia. org

mda21.ru

elementy. ru

femto. com. ua

  • Digg
  • Del.icio.us
  • StumbleUpon
  • Reddit
  • Twitter
  • RSS

Оставить комментарий

Подтвердите, что Вы не бот — выберите самый большой кружок: