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. Na ilustracji widoczna jest czarna, pionowa strzałka skierowana w górę i opisana wielką literą E. Strzałka ta symbolizuję oś energii. Po prawej stronie strzałki, przyległe do niej widoczne są trzy poziome prostokąty, jeden pod drugim, które symbolizują pasma energetyczne w półprzewodniku. Najniżej znajduje się szary prostokąt, opisany jako pasmo walencyjne. Nad nim znajduje się prostokąt biały opisany jako przerwa energetyczna. Najwyżej znajduje się prostokąt czerwony opisany jako pasmo przewodnictwa. Obok po prawej stronie widoczne są dwa kółka. Jedno z nich jest zielone i opisane jako elektron a drugie znajdujące się niżej jest białe i opisane jako dziura, w domyśle chodzi o dziurę elektronową jako pozostałość po elektronie wybitym z atomu. W polu szarego prostokąta widoczne jest białe kółko a w czerwonym zielone. Od białego kółka do zielonego biegnie czarna strzałka. Symbolizuje on przejście elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewodzenia i pozostałą po nim w paśmie walencyjnym dziurę elektronową.

W 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 p i n, 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. Ilustracja przedstawia rysunek, na którym zaprezentowano schematycznie rozkład ładunków elektrycznych na złączu, mała litera p myślnik mała litera n, w diodzie. Złącze narysowano w postaci poziomego, szarego prostokąta, podzielonego na dwie połowy prawą oraz lewa. Na tle złącza widoczne są kolorowe kulki symbolizujące ładunek elektryczny. Niebieskie kulki ze znakiem plus symbolizują protony posiadające dodatni ładunek elektryczny. Czerwone kulki ze znakiem minus symbolizują elektrony o ujemnym ładunku elektrycznym. W lewej części złącza znajduje się dwanaście protonów i trzy elektrony. W prawej części złącza widoczne są cztery protony i trzynaście elektronów. Na środku złącza widoczne są dwa mniejsze pionowe prostokąty ciągnące się od dołu do góry złącza. Prostokąty stykają się pionowymi bokami. Lewy, mały prostokąt jest czerwony i widoczne są w nim gęsto upakowane elektrony. Prawy, mały prostokąt jest niebieski i znajdują się w nim gęsto upakowane protony. W szarych częściach złącza ładunki rozmieszczone są rzadko i chaotycznie. Kulki które symbolizują protony i elektrony symbolizują ładunek przestrzenny rozłożony w całej objętości poszczególnych sektorów złącza.

Przestrzenny rozkładu ładunku w obszarze złącza powoduje powstanie pola elektrycznego na złączu, które można opisać napięciem elektrycznym miedzy półprzewodnikiem p i n. „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. Ilustracja przedstawia rysunek, na którym zaprezentowano schematycznie diodę spolaryzowaną w kierunku przewodzenia. Złącze narysowano w postaci poziomego, szarego prostokąta, podzielonego na dwie połowy prawą oraz lewa. Na tle złącza widoczne są kolorowe kulki symbolizujące ładunek elektryczny. Niebieskie kulki ze znakiem plus symbolizują protony posiadające dodatni ładunek elektryczny. Czerwone kulki ze znakiem minus symbolizują elektrony o ujemnym ładunku elektrycznym. W lewej części złącza znajduje się piętnaście protonów i pięć elektronów. W prawej części złącza widoczne są cztery protony i trzynaście elektronów. Lewą, szarą część złącza podpisano jako obszar, mała litera p, a prawą część złącza opisano jako obszar, mała litera n. Na środku złącza widoczne są dwa mniejsze pionowe prostokąty ciągnące się od dołu do góry złącza. Prostokąty stykają się pionowymi bokami. Lewy, mały prostokąt jest czerwony i widoczne są w nim gęsto upakowane elektrony. Prawy, mały prostokąt jest niebieski i znajdują się w nim gęsto upakowane protony. W szarych częściach złącza ładunki rozmieszczone są rzadko i chaotycznie. Male, pionowe prostokąty podpisano jako bariera potencjału. Do złącza podłączony jest prąd elektryczny. Obwód prądu elektrycznego narysowano w postaci czarnych linii tworzących poziomy prostokąt, na którego dolnej krawędzi znajduje są złącze. Na górnej krawędzi obwodu widoczne jest źródło napięcia w postaci dwóch pionowych, równoległych odcinków. Lewy odcinek jest dłuższy a prawy krótszy i grubszy. Dłuższy odcinek symbolizuje wyższy potencjał elektryczny opisany znakiem plus a krótszy odcinek symbolizuje ujemny potencjał elektryczny opisany znakiem minus. W obwodzie elektrycznym płynie prąd którego kierunek symbolizuje czerwona strzałka równoległa do obwodu elektrycznego i wskazująca kierunek od wyższego potencjału na źródle napięcia do niższego potencjału, w tym przypadku kierunek ten jest przeciwny do ruchu wskazówek zegara. Znajdujące się w szarych obszarach ładunki poruszają się pod wpływem płynącego prądu elektrycznego. Elektrony poruszają się w lewo ku wyższemu potencjałowi na źródle napięcia a protony poruszają się w prawo ku niższemu potencjałowi na źródle napięcia. Ruch ładunków oznacza, że w złączu płynie prąd elektryczny.

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. Ilustracja przedstawia rysunek, na którym zaprezentowano schematycznie diodę spolaryzowaną w kierunku zaporowym. Złącze narysowano w postaci poziomego, szarego prostokąta, podzielonego na dwie połowy prawą oraz lewa. Na tle złącza widoczne są kolorowe kulki symbolizujące ładunek elektryczny. Niebieskie kulki ze znakiem plus symbolizują protony posiadające dodatni ładunek elektryczny. Czerwone kulki ze znakiem minus symbolizują elektrony o ujemnym ładunku elektrycznym. W lewej części złącza znajduje się siedem protonów. W prawej części złącznych jest osiem elektronów. Lewą, szarą część złącza podpisano jako obszar, mała litera p, a prawą część złącza opisano jako obszar, mała litera n. Na środku złącza widoczne są dwa mniejsze pionowe prostokąty ciągnące się od dołu do góry złącza. Prostokąty stykają się pionowymi bokami. Lewy, mały prostokąt jest czerwony i widoczne są w nim gęsto upakowane elektrony. Prawy, mały prostokąt jest niebieski i znajdują się w nim gęsto upakowane protony. W szarych częściach złącza ładunki rozmieszczone są rzadko i chaotycznie. Male, pionowe prostokąty podpisano jako bariera potencjału. Do złącza podłączony jest prąd elektryczny. Obwód prądu elektrycznego narysowano w postaci czarnych linii tworzących poziomy prostokąt, na którego dolnej krawędzi znajduje są złącze. Na górnej krawędzi obwodu widoczne jest źródło napięcia w postaci dwóch pionowych, równoległych odcinków. Prawy odcinek jest dłuższy a lewy krótszy i grubszy. Dłuższy odcinek symbolizuje wyższy potencjał elektryczny opisany znakiem plus a krótszy odcinek symbolizuje ujemny potencjał elektryczny opisany znakiem minus. Przez złącze nie płynie prąd elektryczny.

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

Ilustracja przedstawia wykres zależności natężenia prądu płynącego przez diodę w funkcji przyłożonego napięcia elektrycznej. Wykres narysowany jest w układzie współrzędnych widocznych w postaci czarnych strzałek. Oś pionowa układu skierowana jest w górę i opisuje natężenie prądu elektrycznego, wielka litera I. Oś pozioma układu skierowana jest w prawo i opisuje napięcie przyłożone do diody, wielka litera U. W polu wykresu widoczna jest funkcja narysowana niebieską i ciągłą linią. Dla dużych, ujemnych wartości napięcia funkcja jest prawie pionowa, rosnąca od minus nieskończoności do wartości bliskiej ale mniejszej od zera. Ten zakres napięć opisano, jako zakres przebicia. Wraz ze zbliżaniem się wartości napięcia od wartości ujemnych do zera funkcja staje się prawie pozioma ale wciąż lekko rosnąca do wartości natężenia równej zero, gdy napięcie również wynosi zero. Ten zakres napięć opisano, jako zakres zaporowy. Dla dodatnich wartości napięcia funkcja bardzo szybko rośnie, podobnie do funkcji wykładniczej. Dla niewielkiej wartości napięcia, bliskiej zeru zaznaczono wartość natężenia, wielka litera I z indeksem dolnym mała litera s.

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 -6^-6A związany z przepływem nośników mniejszościowych. Po osiągnięciu napięcia przebicia matężenie prądu gwałtownie rośnie.

Słowniczek