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

Warto przeczytać

Dioda półprzewodnikowa składa się z połączonych ze sobą półprzewodników typu p i typu n. Nazwy materiałów półprzewodnikowych pochodzą od dominujących w danym typie materiału nośników prądu. W typie n dominującymi nośnikami prądu są elektrony, które są nośnikami ładunku ujemnego – negatywnego, stąd nazwa typ n. W typie p dominującymi nośnikami są dziury, które są nośnikami ładunku dodatniego – pozytywnego, stąd nazwa p.

Teoria pasmowa ciał stałych (o której możesz przeczytać w e‑materiale: „Jak zbudowane są metale?”) mówi o tym, że elektrony walencyjne, które zyskały energię odpowiadającą pasmu przewodnictwapasmo przewodnictwapasmu przewodnictwa, pozostawiają w pasmie walencyjnympasmo walencyjnepasmie walencyjnym wolny stan energetyczny. Umożliwia to zajęcie tego stanu przez inne elektrony o energii z zakresu poziomu walencyjnego. Zjawisko to może być opisane jako ruch dodatnich nośników prądu - czyli dziur (Rys.1).

R4cERQzCKJB39
Rys. 1. Schemat powstawania pary elektron swobodny - dziura. Źródło: https://eszkola.pl/fizyka/polprzewodniki‑samoistne‑3840.html

półprzewodniku samoistnympółprzewodnik samoistnypółprzewodniku samoistnym liczba elektronów i dziur jest jednakowa – każdy elektron walencyjny, który uzyskuje energię z zakresu pasma przewodnictwapasmo przewodnictwapasma przewodnictwa, pozostawia dziurę w pasmie walencyjnympasmo walencyjnepasmie walencyjnym. Liczba elektronów lub dziur zwiększa się, gdy dodajemy odpowiednie domieszki „dostarczające” jeden rodzaj nośników prądu – więcej o domieszkowaniu półprzewodników możesz przeczytać w e‑materiałach: „Półprzewodniki typu n” i „Półprzewodniki typu p”.

Jeśli połączy się półprzewodnik pn, to w wyniku zjawiska dyfuzjidyfuzjadyfuzji następuje przejście elektronów z półprzewodnika n do p i dziur w przeciwną stronę. Następnie w obszarze złącza dochodzi do połączenia elektronów z dziurami po obu stronach. Powoduje to w ostateczności powstanie przestrzennego rozkładu ładunku na złączu – ze zwiększoną koncentracją ładunku ujemnego po stronie półprzewodnika p i ładunku dodatniego po stronie półprzewodnika n – przeciwnie niż typowe nośniki w danym półprzewodniku. Ten przestrzenny rozkład ładunku osiąga stan nasycenia i tworzy barierę zapobiegając dalszemu przepływowi ładunków (Rys.2.)

RXtdqNc4tywxj
Rys. 2. Schemat rozkładu ładunków elektrycznych na złączu p-n w diodzie. Źródło: https://eduinf.waw.pl/inf/prg/009_kurs_avr_old/0007.php

Przestrzenny rozkładu ładunku w obszarze złącza powoduje powstanie pola elektrycznego na złączu, które można opisać napięciem elektrycznym miedzy półprzewodnikiem pn. „Plus” napięcia powstaje po stronie półprzewodnika n, a „minus” po stronie półprzewodnika p. Napięcie to w temperaturze pokojowej osiąga wartość 0,6–0,8 V w diodach krzemowych, natomiast w diodach germanowych około 0,2–0,3 V. Napięcie to hamuje dyfuzjędyfuzjadyfuzję nośników przez złącze. Z powodu powstania bariery ładunku, powodującego powstanie napiecia elektrycznego na złączu, natężenie prądu płynącego przez diodę zależy od kierunku przyłożonego napięcia.

Kierunek przewodzenia

Jeżeli od strony półprzewodnika n przyłożymy „minus” napięcia, a po stronie p „plus” to zewnętrzne pole elektryczne spowoduje, że po stronie n elektrony będą poruszać się w kierunku bariery, podobnie jak dziury po stronie p. Po dotarciu do bariery nośniki te zobojętniają nośniki zgromadzone w barierze (Rys.3.). Powoduje to zmniejszenie bariery ładunku i, w związku z tym, zmniejszenie napięcia na złączu, które powstało w wyniku samorzutnej dyfujidyfuzjadyfuji nośników, o wartość napięcia zewnętrznego. Gdy napięcie zewnętrzne przekroczy wartość napięcia powstałego w wyniku zjawiska dyfuzjidyfuzjadyfuzji, ładunek przestrzenny praktycznie znika. Umożliwia to przeplyw pradu przez złącze. Prąd ten, już przy niewielkim napięciu - około 0,5 - 1V, w zależności od materiału diody, może osiągać dość duże wartości: od kilku miliamperów w diodach stosowanych w elektronice - do kiloamperów w diodach stosowanych w elektrotechnice.

R18vX624ttbMk
Rys. 3. Dioda spolaryzowana w kierunku przewozenia. Źródło: https://eduinf.waw.pl/inf/prg/009_kurs_avr_old/0007.php

Kierunek zaporowy

Jeżeli przyłożymy napięcie odwrotnie, to zewnętrzne pole spowoduje ruch nośników w przeciwną stronę - po stronie n do bariery będą dopływać dziury, a po stronie p elektrony. Skutkiem takiego ruchu nosników jest zwiększenie bariery ładunku i wzrost napiecia na złączu, co spowoduje zablokowanie przepływu prądu przez diodę (Rys.4). Przy takiej polaryzacji przez złącze może płynąć tylko niewielki prąd, tak zwanych nośników mniejszościowych. Są to nośniki, które w danym półprzewodniku są w mniejszości – czyli dziury w półprzewodniku n i elektony w półprzewodniku p. Ich źrółem są atomy macierzyste materiału półprzewodnika, a nie atomy domieszek.

RNzNqTEfvWZ1D
Rys. 4. Dioda spolaryzowana w kierunku zaporowym. Źródło: https://eduinf.waw.pl/inf/prg/009_kurs_avr_old/0007.php

Tak się dzieje aż do osiągnięcia dostatecznie dużego napięcia (około 7 V dla typowej diody prostowniczej stosowanej w elektronice, do kilku kilowoltów w diodach stosowanych w elektrotechnice). Napięcie to, tak zwane napięcie przebicia diody, jest na tyle duże, że nadaje nośnikom energię kinetyczną wystarczającą na to, aby wyniku zderzeń z atomami sieci krystalicznej spowodowały przejście elektronów walencyjnych w zakres energii pasma przewodnictwapasmo przewodnictwapasma przewodnictwa i związane z tym przejściem powstanie dziur w pasmie walencyjnympasmo walencyjnepasmie walencyjnym. Pojawiają się w ten sposób nowe nośniki, które również są przyspieszane i generują kolejne nośniki w wyniku zderzeń z atomami. Proces ten powoduje gwałtowny wzrost natężenia prądu. Następuje tak zwane przebicie lawinowe diody.

Działanie diody dobrze opisuje charakterystyka prądowo‑napięciowa, czyli zależność natężenia prądu płynącego przez diodę od przłyłożonego napięcia - Rys.5.

RHuj8QFtyOqol
Rys. 5. Zależność natęrzenia prądu płynącegoprzez diodę od przyłożonego napięcia. Źródło: http://www.ztt.edu.pl/pobierz/materialy/elkap‑w-02.pdf

Jak widzimy na wykresie, w kierunku przewodzenia, już przy niewielkim napięciu, poniżej 1 V, przez diodę zaczyna płynąć duży prąd – dioda ma w tym kierunku mały opór elektryczny. Wartość napięcia, przy którym natężenie prądu płynącego przez diodę zaczyna gwałtownie rosnąć, zależy od materiału diody i jest w przybliżeniu równe wartości napięcia powstającego w wynku samorzutnej dyfuzjidyfuzjadyfuzji nośników prądu przez złącze. To zewnętrzne napięcie powoduje zanik bariery ładunku i związanej z nią bariery napięcia na złączu p‑n umożliwiając przepływ prądu przez diodę. W kierunku zaporowym płynie bardzo mały prąd o natężeniu poniżej 10Indeks górny -6A związany z przepływem nośników mniejszościowych. Po osiągnięciu napięcia przebicia matężenie prądu gwałtownie rośnie.

Słowniczek

półprzewodnik samoistny
półprzewodnik samoistny

(ang.: intrinsic semiconductor) półprzewodnik „czysty” chemicznie, do którego nie wprowadzono domieszek.

pasmo przewodnictwa
pasmo przewodnictwa

(ang.: conductivity band) zakres energii elektronów w ciele stałym, przy której elektrony stają się swobodne w obszarze materiału i mogą przewodzić prąd elektryczny.

pasmo walencyjne
pasmo walencyjne

(ang.: valence band) zakres energii elektronów w ciele stałym związanych z atomami.

dyfuzja
dyfuzja

(ang.: diffusion) proces samorzutnego rozprzestrzeniania i przenikania się cząsteczek lub energii w każdym ośrodku (o temperaturze T > 0 K) (np. w gazie, cieczy lub ciele stałym itd.), będący konsekwencją chaotycznych zderzeń cząsteczek dyfundującej substancji między sobą lub z cząsteczkami otaczającego ją ośrodka. Ze względu na skalę zjawiska, rozpatruje się dwa podstawowe rodzaje dyfuzji:

  • dyfuzja śledzona (ang.: tracer diffusion) to proces mikroskopowy polegający na chaotycznym ruchu pojedynczej („śledzonej”) cząsteczki (przykład: ruchy Browna)

  • dyfuzja chemiczna (ang.: chemical diffusion) to proces makroskopowy obejmujący makroskopowe ilości materii (lub energii), zwykle opisywany równaniem dyfuzji i prowadzący do wyrównywania stężenia (lub temperatury) każdej z dyfundujących substancji w całym układzie.

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