Diody półprzewodnikowe ...

Dioda jest dwuwyprowadzeniowym elementem nieliniowym, którego działanie opiera się na występowaniu pewnych zjawisk charakterystycznych dla konstruckji składającej się ze złącza P-N, wykonanego z materiałów półprzewodnikowych. 

Półprzewodnik to substancja o najczęściej krystalicznej budowie, której konduktywność (zdolność do przewodzenia prądu elektrycznego) jest znacząco niższa niż konduktywność przewodników (np. metali, elektrolitów, soli), ale znacząco też wyższa, niż konduktywność materiałów będących izolatorami (np. drewno, guma, tworzywa sztuczne).

W dużym uproszczeniu, bez zagłębiania się w dokładniejszą definicję konduktywności, można powiedzieć, że półprzewodnik potrzebuje stosunkowo więcej energii niż metale, żeby zacząć przewodzić prąd elektryczny, ale dalej znacząco mniej, niż izolatory.

Jak widać na znajdujących się powyżej wykresach, w materiałach będących przewodnikami nie występuje energetyczne pasmo zabronione (obszar między pasmem podstawowym (walencyjnym) a pasmem przewodnictwa. Oznacza to, że metale zaczynają przewodzić prąd od razu po przyłożeniu do wyprowadzeń napięcia o dowolnej wartości.

Na wykresie pokazującym pasma energetyczne półprzewodników widać, że występuje pasmo zabronione o pewnej skończonej szerokości. Oznacza to, że trzeba pokonać pewny niezerowy próg energetyczny, aby wprowadzić półprzewodnik w stan przewodnictwa elektrycznego.

Półprzewodnik samoistny, to materiał o idealnie krystalicznej budowie, w którym ilość wolnych nośników ujemnych i dodatnich (kolejno - elektronów i dziur) jest idealnie zbilansowana. Ilość elektronów odpowiada ilości dziur elektronowych.

W temperaturze zera bezwzględnego ilość obu wolnych nośników jest równa zero i wraz ze wzrostem temperatury generowane jest coraz więcej par elektron-dziura. 

Przewodnik domieszkowany z kolei jest wyżej opisanym półprzewodnikiem samoistnym, w którego strukturę włącza się (domieszkuje się) pojedyncze atomy pierwiastków należących do innej grupy energetycznej (okresowej) niż materiał półprzewodnika samoistnego. 

Jak widać na ilustracjach wyżej - półprzewodniki typu N (negative) w swojej strukturze, dzięki domieszcze pierwiastka z wyższej grupy energetycznej, zyskały dodatkowe wolne elektrony (nośniki ujemne), a półprzewodniki typu P (positive) z kolei dzięki domieszcze z pierwiastka o niższej ilości elektronów, uzyskały dodatkowe dziury (nośniki dodatnie).

Półprzewodnikowi do diody jeszcze daleko!

Złącza półprzewodnikowe P-N ...

Sam półprzewodnik jednak, bez względu na to czy samoistny czy domieszkowany, nie odpowiada jeszcze diodzie półprzewodnikowej, która jest tytułowym bohaterem tego artykułu. Sam materiał półprzewodnikowy w tej chwili, mógłby po lekkich modyfikacjach stać się warystorem lub termistorem, jednakże nie o nich teraz mowa ... 

Aby z dwóch półprzewodników domieszkowanych N i P zrobić diodę, należy połączyć je ze sobą w odpowiednim procesie technologicznym, tworząc wówczas złącze P-N. To z kolei po zamontowaniu odpowiednich wyprowadzeń staje się już pełnoprawną diodą półprzewodnikową!

Gotowe złącze P-N zbudowane jest z części będącej półprzewodnikiem typu P, części będącej półprzewodnikiem typu N oraz z powstałej w wyniku ich połączenia warstwy zaporowej. Powstaje ona na wskutek gwałtownej dyfuzji wolnych nośników obu półprzewodników w miejscu ich styku. Pole elektrostatyczne warstwy zaporowej zapobiega dalszemu poruszaniu się nośników w strukturze złącza. Szerokość warstwy zaporowej opisuje się
w jednostce napięcia elektrycznego. W przypadku diod krzemowych (półprzewodnikiem domieszkowanym jest domieszkowany krzem) szerokość tego obszaru to około 0.6 ... 0.7V, a dla złącza bazującego na germanie niespełna 0.3V. Co ważne - elektrody (wyprowadzenia) diod półprzewodnikowych posiadają własne nazwy - katoda od strony półprzewodnika typu N oraz anody od strony półprzewodnika typu P.

Złącze półprzewodnikowe po obudowaniu i skonstruowaniu odpowiednich wyprowadzeń, staje się już pełnoprawną diodą półprzewodnikową. Co jednak wyróżnia ten element i jak włączyc go do obwodu prądu elektrycznego ... ?

Otóż istnieją dwa sposoby włączenia diody półprzewodnikowej do obwodu - w kierunku przewodzenia i w kierunku zaporowym.

W przypadku niespolaryzowanego złącza P-N szerokość warstwy zaporowej wynosi w zależności od zastosowanego półprzewodnika 0.3 / 0.7V. W złączu tym w tej chwili nie przepływają żadne prądy (dochodzi jedynie do ciągłej dyfuzji nośników w obszarze zaporowym). 

Po podłączeniu źródła napięcia odpowiednio do elektrod złącza P-N można zaobserwować dwa różne zachowania złącza. Otóż po spolaryzowaniu złącza przewodząco - anoda do "plusa" zasilania, a katoda do "minusa", można zaobserwować zmniejszanie się szerokości warstwy zaporowej odpowiednio o wartość podłączonego do zacisków złącza napięcia. Po podaniu na elektrody diody napięcia powyżej napięcia warstwy zaporowej, daje się zaobserwować przepływ pewnego niezerowego prądu przez całość złącza P-N. Wartość tego prądu wzrasta gwałtownie wraz z następnymi niewielkimi wzrostami podłączonego napięcia. W tej konfiguracji napięcie warstwy zaporowej złącza spolaryzowanego w kierunku przewodzenia nazywane jest napięciem przewodzenia U_F (F- forward - do przodu), a przepływający przez diodę prąd prądem przewodzenia I_F. 

Zamieniając bieguny zasilania polaryzacja diody zmienia się z polaryzacji w kierunku przewodzenia na polaryzację w kierunku zaporowym. W tej konfiguracji z kolei szerokość warstwy zaporowej wzrasta odpowiednio o wartość przyłożonego napięcia, uniemożliwiając tym samym przepływ bardziej znacznego prądu przez złącze. Przepływa przez nie jednak bardzo znikomy prąd zwany prądem zaporowym I_R (R - reverse - wsteczny). Istnieje jednak pewna granica wartości przyłożonego zaporowego napięcia polaryzacji, po przekroczeniu którego dochodzi do przebicia złącza półprzewodnikowego, na wskutek czego przez złącze zaczyna płynąć gwałtownie prąd o bardzo dużym natężeniu (wręcz zwarciowym). Wspomniana granica napięcia wstecznego nazywana jest wstecznym napięciem przebicia oznaczanym symbolem U_R. We większości diod zjawisko przebicia jest równoznaczne z uszkodzeniem diody, jednakże istnieją pewne rodzaje diod, które wykorzystują to zjawisko w istocie swojego działania. 

Istnieje wiele rodzajów diod półprzewodnikowych w różnych obudowach i o różnych parametrach, właściwościach czy zastosowaniach. 

Bez względu na to jednak, jaka dioda uległa uszkodzeniu, jaka potrzebna jest do budowy urządzenia czy projektu, w sklepie Lispol znajduje się szeroki wybór diod o różnych parametrach i zastosowaniach. Zapraszamy do zapoznania się z ofertą DIOD I MOSTKÓW (kliknij) sklepu Lispol!