Напівпровідниковий діод найпростіший напівпровідниковий прилад, що складається з одного PN переходу. Основна його функція – це проводити електричний струм в одному напрямку, і не пропускати його у зворотному. Складається діод з двох шарів напівпровідника типів N і P. Хочу порекомендувати подивитися каталог полупроводниковых диодов
Малюнок 1.2.1 Будова діода
На стику з’єднання P і N утворюється PN-перехід. Електрод, підключений до P, називається анод. Електрод, підключений до N, називається катод. Діод проводить струм у напрямку від анода до катода, і не проводить назад.
Діод в стані спокою.
Діод знаходиться в стані спокою, коли ні до анода до катода не підключено напруги (Рисунок 1.2.2).
Малюнок 1.2.2 Діод в стані спокою
У частині N є в наявності вільні електрони – негативно заряджені частки. У частині P знаходяться позитивно заряджені іони – дірки. В результаті, в тому місці, де є частинки з зарядами різних знаків, виникає електричне поле, яке притягує їх один до одного.
Під дією цього поля вільні електрони з частини N дрейфують через PN перехід в частину P і заповнюють деякі дірки. У підсумку виходить дуже слабкий електричний струм, вимірюваний в наноамперах. В результаті, щільність речовини в P частини підвищується і виникає дифузія (прагнення речовини до рівномірної концентрації), що штовхає частинки назад на сторону N.
Зворотне включення діода.
Тепер розглянемо, як у напівпровідникового діода виходить виконувати свою основну функцію – проводити струм лише в одному напрямку. Підключимо джерело живлення – плюс до катода, мінус до анода (рис. 1.2.3)
Малюнок 1.2.3 Зворотне включення діода
У відповідності з силою тяжіння, яка виникла між зарядами різної полярності, електрони з N почнуть рух до плюса і віддаляться від PN переходу. Аналогічно, дірки з P будуть притягатися до мінуса, і також віддаляться від PN переходу. В результаті, щільність речовини у електродів підвищується. В дію приходить дифузія і починає штовхати частинки назад, прагнучи до рівномірної щільності речовини.
Як ми бачимо, в цьому стані діод не проводить струм. При підвищенні напруги, в PN переході буде все менше і менше заряджених частинок.
Пряме включення діода.
Міняємо полярність джерела живлення – плюс до анода, мінус до катода.
(Малюнок 1.2.4)
Малюнок 1.2.4 Пряме включення діода
В такому положенні, між зарядами однакової полярності виникає сила відштовхування. Негативно заряджені електрони віддаляються від мінуса і рухаються бік pn переходу. У свою чергу, позитивно заряджені дірки відштовхуються від плюса і прямують назустріч електронам. PN перехід збагачується зарядженими частинками з різною полярністю, між якими виникає електричне поле – внутрішнє електричне поле PN переходу. Під його дією електрони починають дрейфувати на бік P. Частина з них рекомбінують з дірками (заповнюють місце в атомах, де не вистачає електрона). Інші електрони прямують до плюса батарейки. Через діод пішов струм ID.
1.2.1 Випрямні діоди
Випрямний діод — це напівпровідниковий діод, призначений для перетворення змінного струму в постійний.
В основі роботи випрямних діодів лежить властивість односторонньої провідності рп-переходу, яка полягає в тому, що останній добре проводить струм (має малий опір) при прямому включенні і практично не проводить струм (має дуже високий опір) при зворотному включенні.
Основними параметрами випрямних напівпровідникових діодів є:
прямий струм діода Іпр, який нормується при певному прямому напрузі (зазвичай Uпр=1…2В);
максимально допустимий прямий струм Іпр.мах діода;
максимально допустима зворотна напруга діода Uобр.мах, при якому діод ще може нормально працювати тривалий час;
постійний зворотній струм Іобр, що протікає через діод при зворотному напрузі, рівному Uобр.мах;
середній випрямлений струм Івп.ср, який може довго проходити через діод при допустимій температурі його нагрівання;
максимально допустима потужність Рмах, що розсіюється діодом, при якій забезпечується задана надійність діода.
Для збереження працездатності германієвого діода його температура не повинна перевищувати +85°С, кремнієві діоди можуть працювати при температурі до +150°С.
Вольт-амперна характеристика германієвого і кремнієвого діода представлена на малюнку 1.2.1.1
Малюнок 1.2.1.1 Вольт-амперна характеристика германієвого і кремнієвого діода: а−германієвий діод; б−кремнієвий діод
Падіння напруги при пропущенні прямого струму у германієвих діодів становить Uпр=0,3…0,6 В, у кремнієвих діодів Uпр=0,8…1,2 Ст.
Великі падіння напруги при проходженні прямого струму через кремнієві діоди порівняно з прямим падіння напруги на германієвих діодах пов’язані з більшою висотою потенціального бар’єру рп – переходів, сформованих в кремнії. Зі збільшенням температури пряме падіння напруги зменшується, що пов’язано зі зменшенням висоти потенційного бар’єру. При подачі на напівпровідниковий діод зворотного напруги в ньому виникає незначний зворотний струм, обумовлений рухом не основних носіїв заряду через рп-перехід. При підвищенні температури рп-переходу кількості не основних носіїв заряду збільшується за рахунок переходу частини електронів з валентної зони в зону провідності і утворення пар носіїв заряду електрон-дірка. Тому зворотний струм діода зростає. У разі додатки до диоду зворотної напруги в декілька сотень вольт зовнішнє електричне поле в замикаючому шарі стає настільки сильним, що здатне вирвати електрони з валентної зони в зону провідності (ефект Зенера). Зворотний струм при цьому різко збільшується, що викликає нагрівання діода, подальшого зростання струму і, нарешті, тепловий пробій (руйнування) рп-переходу.
Більшість діодів може надійно працювати при зворотних напругах, що не перевищують (0,7…0,8) Uпроб. Допустима зворотна напруга германієвих діодів досягає 100…400В, а кремнієвих діодів − 1000…1500В.
Випрямні діоди застосовуються для випрямлення змінного струму (перетворення змінного струму в постійний); використовуються в схемах керування і комутації для обмеження паразитних викидів напруг, в якості елементів електричної розв’язки ланцюгів і т. д.
