Wróć do informacji o e-podręczniku Wydrukuj Pobierz materiał do EPUB Pobierz materiał do MOBI Zaloguj się aby dodać do ulubionych Zaloguj się, aby udostępnić materiał Dodaj całą stronę do teczki

Warto przeczytać

Dioda jest elementem elektronicznym, którego istotną właściwością jest niejednakowe przewodzenie prądu w dwóch kierunkach. W kierunku przewodzenia przy napięciunapięcie elektrycznenapięciu o tej samej wartości natężenie prądu może być około 1000 razy większe niż w kierunku przeciwnym – nazywanym zaporowym. Właściwość ta jest wykorzystywana w różnorodnych urządzeniach elektronicznych na wiele różnych sposobów. Między innymi:

  • do „prostowania prądu” (diody prostownicze),

  • zamiany prądu w światło (diody Led),

  • dioda może działać jak kondensator (diody pojemnościowe),

  • może stabilizować napięcie (dioda Zenera),

  • może wzmacniać i generować sygnały mikrofalowe (diody tunelowe),

  • ponadto dioda może działać jak laser,

  • a także zamieniać światło w prąd elektryczny.

Nazwa dioda pochodzi od dwóch elektrod doprowadzających napięcie elektrycznenapięcie elektrycznenapięcie elektryczne do diody.

RXCDDzokUJdnJ
Rys. 1. Układ półprzewodników pn w diodzie i symbol graficzny diody prostowniczej. Grot strzałki wskazuje kierunek przewodzenia prądu przez diodę
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.

Zasadniczym elementem diod półprzewodnikowych jest złącze pomiędzy dwoma półprzewodnikami (typu n i typu p) wykonanymi zazwyczaj z tego samego materiału, ale różniącymi się rodzajem dominujących nośników prądu.

Jako półprzewodniki stosuje się najczęściej krzem i german leżące w XIV grupie układu okresowego i związki między pierwiastkami z XIII i XV grupy układu okresowego, tworzącymi podobne wiązania chemiczne, jak krzem i german. Opór elektryczny półprzewodników można zmienić przez wprowadzenie w sposób kontrolowany domieszek. Stosuje się dwa typy domieszek: typ n (negatywne –ujemne) – zwiększających ilość elektronów swobodnych – ujemnych nośników prądu i typ p (pozytywne – dodatnie) – zwiększających ilość dziur – dodatnich nośników prądu. Więcej o domieszkowaniu możesz przeczytać w e‑materiałach: „ Półprzewodniki typu n” i „Półprzewodniki typu p”.

Samo zwiększenie przewodności półprzewodników w stosunku do czystych – krzemu czy germanu nie jest celem samym w sobie. Istotne właściwości półprzewodników pozwalające na ich różnorodne zastosowania związane są ze zjawiskami dziejącymi się na złączu między półprzewodnikami dwojakiego rodzaju – tak zwanym złączu p‑n.

Złącze p‑n

Jeżeli połączymy półprzewodnik typu p z półprzewodnikiem typu n, uzyskamy złącze, w którym po stronie p mamy wysoką koncentrację dziur – czyli braki elektronów w wiązaniach międzyatomowych, a po stronie n wysoką koncentrację swobodnych elektronów – o energii z zakresu pasma przewodnictwa. Jedną z metod tworzenia złącza p‑n jest metoda ciśnieniowa, polegająca na połączeniu kryształów o przeciwnym typie przewodnictwa w wyniku działania ciśnienia około 10Indeks górny 8  Indeks górny koniecPa.

Skutkiem nierówności w koncentracji nośników po obu stronach złącza jest samorzutny, w wyniku zjawiska dyfuzji, przepływ elektronów z półprzewodnika typu n do p i dziur z półprzewodnika typu p do n. Następnie, po obu stronach, w wyniku spotkania dziur z elektronami, dochodzi do ich połączenia – tak zwanej rekombinacji (można powiedzieć, że elektrony wpadają w dziury, w których ich brakuje). Skutkiem rekombinacji jest unieruchomienie nośników, i w efekcie wyraźne zmniejszenie liczby swobodnych nośników w obszarze złącza. Ostatecznie na złączu powstaje przestrzenny rozkład ładunku (Rys. 2.). Po stronie półprzewodnika p, atomy domieszek typu p przyłączają brakujące im do kompletu wiązań elektrony - są to elektrony, które przeszły z części półprzewodnika. Po stronie półprzewodnika p powstaje nadwyżka ładunku ujemnego. Po stronie półprzewodnika n pozostają zjonizowane atomy domieszek typu n, które pozbyły się nadmiarowych elektronów – niewykorzystywanych przy tworzeniu wiązań. W wyniku tego procesu po stronie n powstaje nadwyżka ładunku dodatniego. Ten przestrzenny rozkład ładunku (Rys. 2.) osiąga stan nasycenia i tworzy barierę blokującą dalszy przepływ ładunków przez złącze. Przepływ nośników większościowych przez złącze praktycznie ustaje.

R1NhnNOgle10Q
Rys.2. Schemat rozkładu ładunków elektrycznych na złączu p‑n w diodzie.
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, dostępny w internecie: https://eduinf.waw.pl/inf/prg/009_kurs_avr/0017.php [dostęp 9.03.2022 r.], licencja: CC BY 4.0.

Przestrzenny rozkładu ładunku powoduje powstanie pola elektrycznego na złączu i napięcia elektrycznegonapięcie elektrycznenapięcia elektrycznego między półprzewodnikiem p i n. Część p, do której przeszły elektrony staje się ujemnie naelektryzowana w stosunku do części n – do której przeszły dodatnie dziury. W złączu niespolaryzowanym (bez zewnętrznego pola elektrycznego) napięcie elektrycznenapięcie elektrycznenapięcie elektryczne między półprzewodnikiem typu n i półprzewodnikiem typu p, nazywane napięciem dyfuzyjnym, zależy głównie od koncentracji domieszek i temperatury. Dla złączy wykonanych z krzemu napięcienapięcie elektrycznenapięcie to w temperaturze pokojowej ma wartość około 0,6–0,8 V, natomiast dla złącz germanowych około 0,2–0,3 V. Napięcienapięcie elektryczneNapięcie to zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury o około 2,3 mV/K. Szczegółowo o zasadzie działania diody dowiesz się z e‑materiału „Zasada działania diody półprzewodnikowej”, a o możliwości jej zastosowania z e‑materiału „Do czego służy dioda półprzewodnikowa?”.

Słowniczek

Opór elektryczny właściwy
Opór elektryczny właściwy

(ang.: specific electrical resistance) – miara zdolności materiału do stawiania oporu przepływającemu prądowi elektrycznemu. Możemy opisać ją wzorem ρ=RSl, gdzie: ρ – opór elektryczny właściwy, R – opór elektryczny przewodnika, S – pole przekroju poprzecznego przewodnika, l – długość przewodnika. (Słownik fizyki, Prószyński i S‑ka 1999)

Dryf elektronów
Dryf elektronów

(ang.: electron drift) – przemieszczanie się elektronów w sposób uporządkowany pod wpływem zewnętrznego czynnika wymuszającego – np. pola elektrycznego (Encyklopedia szkolna fizyka , wyd. Zielona Sowa 2006)

Napięcie elektryczne
Napięcie elektryczne

(ang.: electric voltage) – napięcie elektryczne między dwoma punktami pola elektrycznego jest równe różnicy energii potencjalnej, jaką ma ładunek w tych dwóch punktach, podzielonej przez wartość tego ładunku.

Aplikacje dostępne w
Pobierz aplikację ZPE - Zintegrowana Platforma Edukacyjna na androida