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. Rysunek przedstawia układ półprzewodników p i n tworzących diodę. Są to dwa symboliczne obrazy diody umieszczone jeden nad drugim. Górny przedstawia dwa złączone ze sobą prostokąty niebieski i czerwony. Nad niebieskim jest literka p – półprzewodnik typu p, nad czerwonym, który przedstawia półprzewodnik typu n – mała litera n. Poniżej narysowany jest symbol diody używany w obwodach elektrycznych. Jest to strzałka, której grot dotyka pionowej kreski. Od pionowej kreski odchodzi pozioma linia. Na początki strzałki i na końcu poziomej linii są dwie kropki, które zaznaczają granice symbolu diody. Grot strzałki (skierowany w prawą stronę) wskazuje kierunek przewodzenia prądu przez diodę.

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 koniec⁸ Pa.

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. Rysunek służy przedstawieniu rozkładu ładunków elektrycznych w złączu p‑n. Narysowane są schematycznie dwa półprzewodniki w kształcie prostokątów. W tych prostokątach w postaci kółek niebieskich z minusem w środku narysowano elektrony, a w postaci czerwonego kółka z plusem w środku zaznaczono ładunki dodatnie. W półprzewodniku typu n, który znajduje się po lewej strony jest nieco więcej ładunków ujemnych a w półprzewodniku typu p więcej dodatnich. Najciekawszy efekt jest narysowany w miejscu złączenia. Na rysunku jest to również obraz symboliczny. Po lewej stronie złączenia, w więc w półprzewodniku n narysowano w postaci dwóch rzędów ciasno ułożonych czerwonych kółek zgęszczenie ładunku dodatniego, a po stronie półprzewodnika p dwa rzędy niebieskich kółek obrazujących zgęszczenie elektronów. Tak powstało złącze p‑n.

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