Pull to refresh

Диоды. For dummies

Electronics for beginners
Sandbox

Введение


Диод — двухэлектродный электронный прибор, обладает различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока. Электрод диода, подключённый к положительному полюсу источника тока, когда диод открыт (то есть имеет маленькое сопротивление), называют анодом, подключённый к отрицательному полюсу — катодом. (wikipedia)

Все диоды можно разделить на две большие группы: полупроводниковые и неполупроводниковые. Здесь я буду рассматривать только первую из них.

В основе полупроводникового диода лежит такая известная штука, как p-n переход. Думаю, что большинству читателей о нем рассказывали на уроках физики в школе, а кому-то более подробно еще и в институте. Однако, на всякий случай приведу общий принцип его работы.

Два слова о зонной теории проводимости твердых тел


Прежде, чем начать разговор о p-n переходе, стоит обговорить некоторые теоретические моменты.

Считается, что электроны в атоме расположены на различном расстоянии от ядра. Соответственно, чем ближе электрон к ядру, тем сильнее связь между ними и тем большую энергию надо приложить, чтобы отправить его «в свободное плаванье». Говорят, что электроны расположены на различных энергетических уровнях. Заполнение этих уровней электронами происходит снизу вверх и на каждом из них может находиться не больше строго определенного числа электронов (атом Бора). Таким образом, если уровень заполнен, то новый электрон не может на него попасть, пока для него не освободится место. Чтобы электрон мог перейти на уровень выше, ему нужно сообщить дополнительную энергию. А если электрон «падает» вниз, то излишек энергии освобождается в виде излучения. Электроны могут занимать в атоме только сторого определенные орбиты с определенными энергиями. Орбиты эти называются разрешенными. Соответственно, запрещенными называют те орбиты (зоны), в которых электрон находиться не может. Подробнее об этом можно почитать по ссылке на атом Бора выше, здесь же примем это как аксиому.

Самый верхний энергетический уровень называется валентным. У большинства веществ он заполнен только частично, поэтому электроны внешних подуровней других атомов всегда могут найти на нем себе место. И они действительно хаотично мигрируют от атома к атому, осуществляя таким образом связь между ними. Нижний слой, в котором могут перемещаться свободные электроны, называют зоной 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. У полупроводников валентная зона заполнена целиком, но разница энергий между валентным и проводящим уровнями у них мала. Поэтому электроны могут преодолевать ее просто за счет теплового движения. А у изоляторов эта разница велика, и чтобы получить пробой, нужно приложить значительную энергию.

Такова общая картина энергетического строения атома. Можно переходить непосредственно к p-n переходу.

p-n переход


Начнем с того, что полупроводники бывают n-типа и p-типа. Первые получают легированием четырехвалентного полупроводника (чаще всего кремния) пятивалентным полупроводником (например, мышьяком). Эту пятивалентную примесь называют донором. Ее атомы образуют четыре химических связи с атомами кремния, а пятый валентный электрон остается свободным и может выйти из валентной зоны в зону проводимости, если, например, незначительно повысить температуру вещества. Таким образом, в проводнике n-типа возникает избыток электронов.

Полупроводники p-типа тоже получаются путем легирования кремния, но уже трехвалентной примесью (например, бором). Эта примесь носит название акцептора. Он может образовывать только три из четырех возможных химических связей. А оставшуюся незаполненной валентную связь принято называть дыркой. Т.е. дырка — это не реальная частица, а абстракция, принятая для более удобного описания процессов, происходящих в полупроводнике. Ее заряд полагают положительным и равным заряду электрона. Итак, в полупроводнике p-типа у нас получается избыток положительных зарядов.

В полупроводниках обоих типов кроме основных носителей заряда (электроны для n-типа, дырки для p-типа) в наибольшом количестве присутствуют неосновные носители заряда: дырки для n-области и электроны для p-области.

Если расположить рядом p- и n-полупроводники, то на границе между ними возникнет диффузный ток. Произойдет это потому, что с одной стороны у нас чересчур много отрицательных зарядов (электронов), а с другой — положительных (дырок). Соответственно, электроны будут перетекать в приграничную область p-полупроводника. А поскольку дырка — место отсутствия электрона, то возникнет ощущение, будто дырки перемещаются в противоположную сторону — к границе n-полупроводника. Попадая в p- и n-области, электроны и дырки рекомбинируют, что приводит к снижению количества подвижных носителей заряда. На этом фоне становятся ясно видны неподвижные положительно и отрицательно заряженные ионы на границах полупроводников (от которых «ушли» рекомбинировавшие дырки и электроны). В итоге получим две узкие заряженные области на границе веществ. Это и есть p-n переход, который также называют обедненным слоем из-за малой концентрации в нем подвижных носителей заряда. Естественно, что здесь возникнет электрическое поле, направление которого препятствует дальнейшей диффузии электронов и дырок. Возникает потенциальный барьер, преодолеть который основные носители заряда смогут только обладая достаточной для этого энергией. А вот неосновным носителям возникшее электрическое поле наоборот помогает. Соответственно, через переход потечет ток, в противоположном диффузному направлении. Этот ток называют дрейфовым. При отсутствии внешнего воздействия диффузный и дрейфовый ток уравновешивают друг друга и перетекание зарядов прекращается.

Ширина обедненной области и контактная разность потенциалов границ перехода (потенциальный барьер) являются важными характеристиками p-n перехода.

Если приложить внешнее напряжение так, чтобы его электрическое поле «поддерживало» диффузный ток, то произойдет снижение потенциального барьера и сужение обедненной области. Соответственно, ток будет легче течь через переход. Такое подключение внешнего напряжения называют прямым смещением.

Но можно подключиться и наоборот, чтобы внешнее электрическое поле поддерживало дрейфовый ток. Однако, в этом случае ширина обедненной зоны увеличится, а потенциальный барьер возрастет. Переход «закроется». Такое подключение называют обратным смещением. Если величина приложенного напряжения превысит некоторое предельное значение, то произойдет пробой перехода, и через него потечет ток (электроны разгонятся до такой степени, что смогут проскочить через потенциальный барьер). Эта граничная величина называется напряжением пробоя.

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

Диоды, наконец-то


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

Помню, когда я была глупой студенткой и впервые пришла работать в цех набивки печатных плат, то сначала ставила диоды как бог на душу положит. Только потом я узнала, что правильное расположение этого элемента играет весьма и весьма значительную роль. Но это так, лирическое отступление.

Диоды имеют нелинейную вольт-амперную характеристику.
image

Области применения диодов


  1. Выпрямление пременного тока. Основано оно именно на свойстве диода «запираться» при обратном смещении. Диод как бы «срезает» отрицательные полуволны.
  2. В качестве переменной емкости. Эти диоды называются варикапами.
    image
    Здесь используется зависимость барьерной емкости перехода от обратного смещения. Чем больше его значение, тем шире обедненная область p-n перехода. Ее можно представить себе как плоский конденсатор, обкладками которого явялются границы области, а сама она выступает в качестве диэлектрика. Соответственно, чем толще «слой диэлеткрика», тем ниже барьерная емкость. Следовательно, изменяя приложенное напряжение можно электрически менять емкость варикапа.
  3. Для стабилизации напряжения. Принцип работы таких диодов заключается в том, что даже при значительном увеличении внешнего падения напряжения, падение напряжения на диоде увеличится незначительно. Это справедливо и для прямого, и для обратного смещений. Однако напряжение пробоя при обратном смещении намного выше, чем прямое напряжение диода. Таким образом, если нужно поддерживать стабильным большое напряжение, то диод лучше включать обратно. А чтобы он сохранял работоспособность, несмотря на пробой, нужно использовать диод особого типа — стабилитрон.
    image
    В прямосмещенном режиме он будет работать подобно обычному выпрямляющему диоду. А вот в обратносмещенном 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.
  4. В качестве «ключа» (коммутирующего устройства). Такие диоды должны уметь очень быстро открываться и закрываться в зависимости от приложенного напряжения.
  5. В качестве детекторов излучения (фотодиоды).
    image
    Кванты света передают атомам в n-области дополнительную энергию, что приводит к появлению большого числа новых пар электрон-дырка. Когда они доходят до p-n перехода, то дырки уходят в p-область, а электроны скапливаются у края перехода. Таким образом, происходит возрастание дрейфового тока, а между p- и n-областями возникает разность потенциалов, называемая фотоЭДС. Величина ее тем больше, чем больше световой поток.
  6. Для создания оптического излучения (светодиоды).
    image
    При рекомбинации дырок и электронов (прямое смещение) происходит переход последних на более низкий энергетический уровень. «Излишек» энергии выделяется в виде кванта энергии. И в зависимости от химического состава и свойств того или иного полупроводника, он излучает волны того или иного диапазона. От состава же зависит и эффективность излучения.


Немного экзотики


Не стоит забывать о том, что p-n переход — одно из явлений микромира, где правит балом квантовая физика и становятся возможными странные вещи. Например, туннельный эффект — когда частица может пройти через потенциальный барьер, обладая меньшей энергией. Это становится возможным благодаря неопределенности соотношения между импульсом и координатами частицы (привет, Гейзенберг!). Этот эффект лежит в основе туннельных диодов.
image
Чтобы обеспечить возможность «просачивания» зарядов, их делают из вырожденных полупроводников (содержащих высокую концентрацию примесей). В результате получают резкий p-n переход с тонким запирающим слоем. Такие диоды маломощные и низкоинерционные, поэтому их можно применять в СВЧ-диапазоне.

Есть еще одна необычная разновидность полупроводниковых диодов — диоды Шоттки.
image
В них используется не традиционный p-n переход, а переход металл-полупроводник в качестве барьера Шоттки. Барьер этот возникает в том 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 отрицательно, а полупроводника — положительно (электронам проще перейти из полупроводника в металл, чем наоборот). Если же у нас контакт металл/p-полупроводник, причем работа выхода для второго выше, чем для первого, то получим положительно заряженный приграничный слой металла и отрицательно заряженный слой полупроводника. В любом случае, у нас возникнет разность потенциалов, с помощью которой работы выхода из обоих контактирующих веществ сравняются. Это приведет к возникновению равновесного состояния и формированию потенциального барьера между металлом и полупроводником. И так же, как и в случае p-n перехода, к переходу металл/полупроводник можно прикладывать прямое и обратное смещение с аналогичным результатом.

Диоды Шоттки отличаются от p-n собратьев низким падением напряжения при прямом включении и меньшей электрической емкостью перехода. Таким образом, повышается их рабочая частота и понижается уровень помех.

Заключение


Само собой, здесь рассмотрены далеко не все существующие виды диодов. Но надеюсь, что по написанному выше можно составить достаточно полное суждение об этих электронных компонетах.

Источники:
ru.wikipedia.org
mda21.ru
elementy.ru
femto.com.ua
Tags:
Hubs:
Total votes 124: ↑122 and ↓2 +120
Views 74K
Comments Comments 42