Wie Halbleiterdioden angeordnet sind und funktionieren

D.Jod - das einfachste Gerät in der glorreichen Familie der Halbleiterbauelemente. Wenn wir eine Platte eines Halbleiters, zum Beispiel Deutschland, nehmen und eine Akzeptorverunreinigung in die linke Hälfte und in die rechte Donorhälfte einführen, erhalten wir einerseits einen Halbleiter vom Typ P bzw. andererseits vom Typ N. In der Mitte des Kristalls erhalten wir den sogenannten PN-Übergangwie in Abbildung 1 gezeigt.

Die gleiche Abbildung zeigt die bedingte grafische Bezeichnung der Diode in den Diagrammen: Der Kathodenausgang (negative Elektrode) ist dem Vorzeichen „-“ sehr ähnlich. Es ist einfacher, sich zu erinnern.

Insgesamt gibt es in einem solchen Kristall zwei Zonen mit unterschiedlichen Leitfähigkeiten, aus denen zwei Leitungen herauskommen, so dass die resultierende Vorrichtung aufgerufen wird Diodeweil das Präfix "di" zwei bedeutet.

In diesem Fall stellte sich heraus, dass die Diode ein Halbleiter war, aber ähnliche Vorrichtungen waren bereits bekannt: Zum Beispiel gab es im Zeitalter der Elektronenröhren eine Röhrendiode, die als Kenotron bezeichnet wurde. Jetzt sind solche Dioden in die Geschichte eingegangen, obwohl Anhänger des "Röhren" -Sounds glauben, dass in einem Röhrenverstärker sogar der Anodenspannungsgleichrichter eine Röhre sein sollte!

Abbildung 1. Der Aufbau der Diode und die Bezeichnung der Diode im Diagramm

An der Verbindungsstelle von Halbleitern mit P- und N-Leitfähigkeiten stellt sich heraus PN-Übergang (PN-Übergang)Dies ist die Basis aller Halbleiterbauelemente. Aber im Gegensatz zu einer Diode, in der dieser Übergang nur eine ist, Transistoren haben zwei PN-Übergänge und zum Beispiel Thyristoren bestehen sofort aus vier Übergängen.

P-N-Übergang in Ruhe

Selbst wenn der PN-Übergang, in diesem Fall die Diode, nirgendwo angeschlossen ist, treten in ihm dennoch interessante physikalische Prozesse auf, die in Abbildung 2 dargestellt sind.

Abbildung 2. Diode in Ruhe

In Region N gibt es einen Elektronenüberschuss, es trägt eine negative Ladung und in Region P ist die Ladung positiv. Zusammen bilden diese Ladungen ein elektrisches Feld. Da sich entgegengesetzt geladene Ladungen anziehen, dringen Elektronen aus der Zone N in die positiv geladene Zone P ein und füllen einige Löcher mit sich selbst. Infolge einer solchen Bewegung entsteht ein Strom innerhalb des Halbleiters, obwohl dieser sehr klein ist (Einheiten von Nanoampere).

Infolge dieser Bewegung nimmt die Dichte der Substanz auf der P-Seite zu, jedoch bis zu einer gewissen Grenze. Partikel neigen normalerweise dazu, sich gleichmäßig über das Volumen der Substanz zu verteilen, ähnlich wie sich der Duft von Parfums im Raum ausbreitet (Diffusion), daher kehren die Elektronen früher oder später in die Zone N zurück.

Wenn für die meisten Stromverbraucher die Richtung des Stroms keine Rolle spielt - das Licht ist an, die Fliese erwärmt sich, dann spielt für die Diode die Richtung des Stroms eine große Rolle. Die Hauptfunktion der Diode besteht darin, Strom in eine Richtung zu leiten. Es ist diese Eigenschaft, die durch den PN-Übergang bereitgestellt wird.

Als nächstes betrachten wir, wie sich die Diode in zwei möglichen Fällen beim Anschließen einer Stromquelle verhält.

Einschalten der Diode in die entgegengesetzte Richtung

Wenn Sie eine Stromquelle an die Halbleiterdiode anschließen, wie in Abbildung 3 dargestellt, fließt der Strom nicht durch den PN-Übergang.

Abbildung 3. Sperrdiode ein

Wie in der Figur zu sehen ist, ist der positive Pol der Stromquelle mit dem Bereich N und der negative Pol mit dem Bereich P verbunden. Infolgedessen strömen Elektronen aus dem Bereich N zum positiven Pol der Quelle. Positive Ladungen (Löcher) im Bereich P werden wiederum vom negativen Pol der Stromquelle angezogen. Daher bildet sich im Bereich des PN-Übergangs, wie in der Figur zu sehen ist, ein Hohlraum, es gibt einfach nichts, um Strom zu leiten, es gibt keine Ladungsträger.

Mit zunehmender Spannung der Stromquelle werden die Elektronen und Löcher immer mehr vom elektrischen Feld der Batterie angezogen, während es im Bereich des PN-Übergangs von Ladungsträgern immer weniger gibt.Daher fließt bei der umgekehrten Verbindung der Strom durch die Diode nicht. In solchen Fällen ist es üblich, das zu sagen Die Halbleiterdiode ist durch Sperrspannung geschlossen.

Eine Erhöhung der Materiedichte in der Nähe der Pole der Batterie führt zu Diffusion, - der Wunsch nach einer gleichmäßigen Verteilung des Stoffes über das Volumen. Was passiert, wenn Sie den Akku ausschalten?

Rückstrom der Halbleiterdiode

Hier ist es an der Zeit, an die bedingt vergessenen Minderheitenträger zu erinnern. Tatsache ist, dass selbst im geschlossenen Zustand ein unbedeutender Strom durch die Diode fließt, der als Rückstrom bezeichnet wird. Dieser hier Rückstrom und wird von Minderheitenträgern geschaffen, die sich auf die gleiche Weise wie die Hauptträger bewegen können, nur in die entgegengesetzte Richtung. Natürlich tritt eine solche Bewegung unter Sperrspannung auf. Der Rückstrom ist aufgrund der geringen Anzahl von Minoritätsträgern in der Regel gering.

Mit zunehmender Kristalltemperatur nimmt die Anzahl der Minoritätsträger zu, was zu einer Erhöhung des Rückstroms führt, was zur Zerstörung des PN-Übergangs führen kann. Daher sind die Betriebstemperaturen für Halbleiterbauelemente - Dioden, Transistoren, Schaltungen - begrenzt. Um eine Überhitzung zu vermeiden, sind leistungsstarke Dioden und Transistoren auf Kühlkörpern installiert - Heizkörper.

Einschalten der Diode in Vorwärtsrichtung

In Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung 4. Direkte Einschaltdiode

Jetzt ändern wir die Polarität des Einschlusses der Quelle: minus Verbindung zum Bereich N (Kathode) und plus zum Bereich P (Anode). Mit diesem Einschluss in den N-Bereich stoßen sich die Elektronen vom Minus der Batterie ab und bewegen sich in Richtung des P-N-Übergangs. Im Bereich P werden positiv geladene Löcher vom Pluspol der Batterie abgestoßen. Elektronen und Löcher rasen aufeinander zu.

Geladene Teilchen mit unterschiedlicher Polarität werden in der Nähe des PN-Übergangs gesammelt, zwischen ihnen entsteht ein elektrisches Feld. Daher überwinden die Elektronen den PN-Übergang und bewegen sich weiter durch Zone P. Gleichzeitig rekombinieren einige von ihnen mit Löchern, aber die meisten von ihnen rasen zum Plus der Batterie, Id geht durch die Diode.

Dieser Strom wird aufgerufen Gleichstrom. Es wird durch die technischen Daten der Diode ein gewisser Maximalwert begrenzt. Wenn dieser Wert überschritten wird, besteht die Gefahr, dass die Diode ausfällt. Es ist jedoch zu beachten, dass die Richtung des Vorwärtsstroms in der Figur mit der allgemein akzeptierten Rückwärtsbewegung von Elektronen übereinstimmt.

Wir können auch sagen, dass in Vorwärtsrichtung des Einschaltens der elektrische Widerstand der Diode relativ klein ist. Wenn Sie es wieder einschalten, ist dieser Widerstand um ein Vielfaches größer, der Strom durch die Halbleiterdiode fließt nicht (ein leichter Rückstrom wird hier nicht berücksichtigt). Aus dem Vorstehenden können wir daraus schließen Die Diode verhält sich wie ein gewöhnliches mechanisches Ventil: in eine Richtung gedreht - Wasser fließt, in die andere gedreht - der Fluss gestoppt. Für diese Eigenschaft wird die Diode aufgerufen Halbleiterventil.

Um alle Fähigkeiten und Eigenschaften einer Halbleiterdiode im Detail zu verstehen, sollten Sie sich mit deren vertraut machen Volt - Ampere - Charakteristik. Es ist auch gut, sich über die verschiedenen Designs von Dioden und Frequenzeigenschaften sowie über die Vor- und Nachteile zu informieren. Dies wird im nächsten Artikel besprochen.

Fortsetzung des Artikels: Eigenschaften von Dioden, Designs und Anwendungsmerkmale

Boris Aladyshkin