Полупроводниковые диоды    

    Полупроводниковый диодПолупроводниковый диод — полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами (электродами). В отличие от других типов диодов, принцип действия полупроводникового диода основывается на явлении p-n-перехода.

     

     

     

     

    р - n - Переход.

     

    р— n-Переход состоит из части кремния p-типа и части кремния n-ти­па, «соединенных» друг с другом и действующих как выпрямитель, т. е. позволяющих току проходить лишь в одном направлении. Такой переход об­разуется путем обработки монокри­сталла кремния, благодаря которой в результате примесей возникает рез­кое изменение типа проводимости по некоторой плоскости внутри этого кристалла от акцепторного к донорному типу. Когда образован такой пере­ход, то электроны из области n-типа движутся через переход и заполняют некоторые «дырки» в области p-типа. Это делает кремний p-типа «отрица­тельно заряженным» и оставляет ре­зультирующий положительный заряд на кремнии n-типа (рис. 1, а). Дви­жение заряда происходит только в не­посредственной близости от перехода, и его механизм аналогичен газовой диффузии, т. е. происходит переход из области высокой концентрации в область низкой. Это также аналогично контактной разности потенциалов, когда соединяются два различных ме­талла. В то же время кажется, что «дырки» из района p-типа дви­жутся через переход в район п-типа, где они заполняются некоторыми элек­тронами, образуя результирующий по­ложительный заряд в районе р-типа и оставляя результирующий отрица­тельный заряд в районе p-типа (см. рис. 1, а).

     

     

    На рисунке 1, б показано созда­ние отрицательного и положительного зарядов по противоположным сторо­нам границы в области, называемой обедненным слоем. Обедненный слой — это очень узкая область, кото­рая утратила все имеющиеся свобод­ные электроны и «дырки» (все «дырки» были заполнены электронами) и по­этому ведет себя почти как чистый кремний, т. е. с большим сопротивле­нием. Заряды в этом слое будут пре­пятствовать любому дальнейшему движению зарядов через границу. «Слой» отрицательного заряда в об­ласти p-типа не допустит пересечения границы большинством носителей за­ряда из области n-типа (электронами). Точно так же «слой» положительного заряда в области n-типа не допустит пересечения границы большинством носителей заряда из области р-типа («дырками»). Таким образом, в обед­ненном слое устанавливается разность потенциалов, называемая потенциаль­ным барьером (около 0,1 В). В своем обычном состоянии р —n-переход не проводит ток, поскольку заряды нахо­дятся в равновесии.

     

    Применение р—n-перехода

    р—n-Переход может действовать в одном из двух направлений—обрат­ном смещении или прямом смещении в зависимости от направления тока. Если внешнее приложенное напряжение подано на р—n-переход таким об­разом, что положительный вывод под­веден к полупроводнику «-типа, а от­рицательный — к полупроводнику р- типа (как на рисунке 2), то при­ложенное напряжение увеличивает по­тенциальный барьер. Следовательно, большинству носителей заряда из кремния p-типа и кремния n-типа («дырок» и электронов соответствен­но) труднее пересекать обедненный слой и поэтому ток отсутствует. Это р—n-переход обратного смещения. Тём не менее очень малый обратный ток (собственный ток) в несколько микроампер все-таки возникает вслед­ствие внутренней проводимости крем­ния, который может быть обнаружен чувствительным микроамперметром. Очень малый собственный ток увели­чивается с возрастанием температуры и обратного напряжения применитель­но к полупроводниковому диоду.

     

    Если внешнее напряжение больше потенциального барьера и подсоеди­нено к р—n-переходу так, что положи­тельный вывод элемента подводится к полупроводнику p-типа, а отрица­тельным — к полупроводнику n-типа (рис. 3), то внутренний потенци­альный барьер преодолевается и мо­жет идти «прямой» ток через р—n-пе­реход прямого смещения. Теперь об­ласть 

    p-типа имеет положительный потенциал по отношению к области n-типа, и поэтому электроны текут че­рез обедненный слой из области n-типа, а «дырки» движутся в область n-типа, образуя относительно «боль­шой» прямой ток. Этот ток перекры­вает любой собственный ток, которым поэтому можно пренебречь.

     

     

    Примечание.

    Ток, идущий в диоде, создаст эффект нагрева, который при­ведет к увеличению собственного тока. Это может привести к разрушению диода при отсутствии ограничения тока.

    На рисунке 4 показано, что про­исходит с лампой, когда диод после­довательно соединен с источником по­стоянного тока. На рисунке 4, а диод имеет прямое смещение, поэтому он проводит ток и лампа горит. На рисунке 4, б он имеет обратное смещение, не проводит электричество, и поэтому лампа не горит. На рисун­ке 5 показано выпрямляющее дей­ствие диода, когда используется ис­точник переменного тока.

     

     

    Полупроводниковые диоды по типу контакта делятся на сплавные и то­чечные. Точечный контакт обычно имеют диоды из германия, а сплав­ной — большинство диодов из крем­ния. Диодом, который все больше ис­пользуется для дисплеев, является све­тоизлучающий диод (l. е. d.).

     

     

     

     

     

     

    Мостовой выпрямитель

     

    Четыре диода могут быть соедине­ны в мостовую цепь через вторичную катушку трансформатора, как пока­зано на рисунке 6. Это дает полно­волновое выпрямление, т. е. пульси­рующий постоянный ток при любом положительном или отрицательном цикле подводимого напряжения. В каждое данное время проводит одна пара диодов, а другая нет. Вы можете убедиться в том, что если X положи­телен, a Y отрицателен, то проводит пара диодов D2 и D4, а диоды D1 и D3 проводят, когда потенциал на X и Y переменится на противоположный. Ток через RL одинаков в обоих случаях.

     

Просмотров: 5615
Опубликовано: 16.03.2015
Copyright © 2011-2014  globalphysics.ru
All Rights Reserved