Полупроводниковый диод
Полупроводниковый диод — самый простой полупроводниковый прибор, состоящий из одного PN перехода. Основная его функция — это проводить электрический ток в одном направлении, и не пропускать его в обратном. Состоит диод из двух слоев полупроводника типов N и P.
На стыке соединения P и N образуется PN-переход (PN-junction). Электрод, подключенный к P, называется анод. Электрод, подключенный к N , называется катод. Диод проводит ток в направлении от анода к катоду, и не проводит обратно.
Диод в состоянии покоя
Посмотрим, что происходит внутри PN-перехода, когда полупроводниковый диод находится в состоянии покоя. То есть тогда, когда ни к аноду, ни к катоду не подключено напряжения.
Итак, в части N имеются в наличии свободные электроны – отрицательно заряженные частицы. В части P находятся положительно заряженные ионы – дырки . В результате, в том месте, где есть частицы с зарядами разных знаков, возникает электрическое поле, притягивающее их друг к другу.
Под действием этого поля свободные электроны из части N дрейфуют через PN переход в часть P и заполняют некоторые дырки. В итоге получается очень слабый электрический ток, измеряемый в наноамперах. В результате, плотность вещества в P части повышается и возникает диффузия (стремление вещества к равномерной концентрации), толкающая частицы обратно на сторону N.
Обратное включение диода
Теперь посмотрим, как у полупроводникового диода получается выполнять свою основную функцию – проводить ток только в одном направлении. Подключим источник питания — плюс к катоду, минус к аноду.
В соответствии с силой притяжения, возникшей между зарядами разной полярности, электроны из N начнут движение к плюсу и отдалятся от PN перехода. Аналогично, дырки из P будут притягиваться к минусу, и также отдалятся от PN перехода. В результате, плотность вещества у электродов повышается. В действие приходит диффузия и начинает толкать частицы обратно, стремясь к равномерной плотности вещества.
Как мы видим, в этом состоянии диод не проводит ток. При повышении напряжения, в PN переходе будет все меньше и меньше заряженных частиц.
Прямое включение диода
Меняем полярность источника питания — плюс к аноду, минус к катоду. В таком положении, между зарядами одинаковой полярности возникает сила отталкивания. Отрицательно заряженные электроны отдаляются от минуса и двигаются сторону pn перехода. В свою очередь, положительно заряженные дырки отталкиваются от плюса и направляются навстречу электорнам. PN переход обогащается заряженными частицами с разной полярностью, между которыми возникает электрическое поле – внутреннее электрическое поле PN перехода. Под его действием электроны начинают дрейфовать на сторону P. Часть из них рекомбинируют с дырками (заполняют место в атомах, где не хватает электрона). Остальные электроны устремляются к плюсу батарейки. Через диод пошел ток ID .
Чтобы не возникло путаницы, напомню, что направление тока на электрических схемах обратно направлению потока электронов.
Недостатки реального полупроводникового диода
На практике, в реальном диоде, при обратном подключении напряжения, возникает очень маленький ток, измеряемый в микро, или наноамперах ( в зависимости от модели прибора ). В следствии слишком высокого напряжения, может разрушиться кристаллическая структура полупроводника в диоде. В этом случае, прибор начнет хорошо проводить ток также и при обратном смещении. Такое напряжение называется напряжение пробоя . Процесс разрушения структуры полупроводника невосстановим, и прибор приходит в негодность.
При прямом подключении, напряжение между анодом и катодом должно достигнуть определенного значения Vϒ, для того чтобы диод начал хорошо проводить ток. Для кремниевых приборов Vϒ — это примерно 0.7V, а для германиевых — около 0.3V. Более подробно об этом, и других характеристиках полупроводникового выпрямительного диода пойдет речь в статье ВАХ полупроводникового диода.
ССЫЛКИ ПО ТЕМЕ:
Применение диодов
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода
КОММЕНТАРИИ:
ещё один недоучка в среднем образовании.
все предположения и трактования движения электронов и объёмных зарядов, давно уже высрали. и не нужно быть компилятором, переводить и ызрыгать буквы как испорченный телефон
Сойдёт для меня.
Всё чётко и ясно написано.
проф, ниочем вообще
Всё отлично и доступно написано. Проф придурковатый ботан.
Дырки умеют двигаться? Незнал
Nk, когда свободное место атома с дыркой заполняется электроном из соседнего атома, соседний атом лишается одного электрона. Получается что дырка передвинулась.
Написано, конечно, доступно. Вот только перепутаны причины в состоянии покоя. До контакта p и n областей они были электрически нейтральны — в p области примесь III группы отбирает электрон у полупроводника IV, полупроводник становится «дыркой», но лишний электрон у примеси никуда не исчезает, аналогично для примеси V группы — электрон улетает, но положительный ион остается. Электрическому полю взяться неоткуда — заряды друг друга компенсируют.
Также непонятно с чего бы это электроны полетят назад в n область, где и без них полно электронов, из p области, где электронов практически нет. Диффузия — это же случайный процесс. Просто электроны берут и летят куда им «вздумается». Из n области в p вылетает куча, а назад лететь практически некому.
Происходит накопление случайно прилетевших электронов в p области, часть из них рекомбинирует с «дырками», часть остается свободными. И вот тут уже происходит нарушение электронейтральности — p область оказывается заряжена отрицательно, n — положительно. Образуется область пространственного заряда. Появляется электрическое поле и дрейф несет электроны обратно в n область. Дрейф компенсирует диффузию, а не наоборот.
1)Дырки попадают в n,а электроны в p засчет теплового движения, и там же они рекомбинируют, при этом образуется избыточный заряд — в p области и + в n области вблизи раздела. какая еще диффузия? в это вся и суть, что эти заряды имеют ядра атомов, а значит не могут рекомбинировать, а создают потенциальный барьер.
2)проводимость происходит совсем по другому. при прямом включении. барьер «рассасывается» засчет эл поля и дырки с электронами устремляются (под действием этого же поля) к границе p-n в результате чего они там рекомбинируют. электрон же никак не проходит через оба перехода.
С катода электроны «перебегают» в n область, а на анод «забирает электроны» из p области. все это под действием эл поля источника.
В обратном направлении тоже ничего подобного. Просто анод «забирает» электроны из n области, а катод отдает электроны дыркам, из за чего в p области область отрицательно заряженных ионов еще расширяется, а в n области расширяется область положительно заряженных ионов(см выше — потенциальный барьер расширяется).
Самый лучший сайт с разъеснялками и наглядными примерами, большое спасибо.
Миклашевский — Промышленная электроника, советую. Когда откроете книгу, то сами все поймете. Там более чем доступно все написано.
Автору сайта спасибо за материал и проделанную работу.
Хороший материал для «чайников», просто, доступно, с понятной графикой. Оптимально для преподавателей школ, НПО, СПО. Спасибо за работу.
Привет! такой вопрос… а может такое быть что при прямом подключении электроны с N части заполнят все дырки в P части? если нет то почему? а если да то как это повлияет на свойство диода? ….
А теория P i n диодов будет?
Статья очень понравилась, спасибо автору, правда уровень средний
Источник
Почему диод проводит ток в одном направлении?
Кровь по венам течет только в одном направлении, потому что в них есть клапаны, которын пропускают кровь в одном направлении, а как только она начинает течь в обратную сторону клапаны захлопываются, точнее сама кровь их захлопывает.
Вот допустим дверь. Открывать на себя. А когда пытаемся открыть от себя она не пускает)) . Но зато можно выломать дверь, если сильно тянуть на себя. Так же в диоде сильное напряжение пробивает энергетический барьер.
Ток состоит из электронов. В диоде две половинки: в одна забита напрочь электронами, в другой их нет. Соответственно, элетроны могут протекать только из половинки где их много в половинку где их мало. Т. е. в одном направлении.
У вас два ведра: одно налито водой до краев, второе только наполовину. Подумайте сами из какого ведра в какое вы начнете переливать воду))))
Я разбирал советский германиевый транзистор и убедился, что отдельно P область проводит эл ток и отдельно N область проводит ток, значит P область не нуждается в электронах, а N в дырках для проведения тока. И значит важно именно взаимодействие P области с N областью.
Не буду долго расписывать:
+ частицы тока попав в P область заставляют её вырабатывать положительное поле.
— частицы тока попав в N область заст выр её отриц поле
Поэтому поле P области тянет на себя «-» частицы, а поле N области тянет «+» частицы. Ток проходит через диод.
Наоборот:
— частицы попав в P область создают в ней положит поле
+ частицы попав в N область создают в ней отрицательное поле
Поле P области отталкивает + частицы, а поле N отталкивает минус частицы. Ток не проходит через диод.
Когда диод проводит ток он превращается в единую С область — то есть в простой проводник с определённым сопротивлением и свободно проводит ток. Этим обьясняется работа биполярного транзистора — при открытии эмитерного перехода, обязательно открывается коллекторный переход — просто коллектор и база превращаются в единую С область, подключённую к P или N колекторной области, способной проводить ток. На взаимодействии поля с частицами тока основан и полевой транзистор, который тоже отмагничивает частицы.
Источник
В каком направлении диод проводит ток только в одном
Направление электрического потока. Диод
«Приятной особенностью большого количества стандартов является то, что есть из чего выбрать»
Эндрю Таненбаум, профессор информатики
Когда Бенджамин Франклин сделал своё предположение относительно направления потока зарядов (из воска в шерсть), он создал прецедент для электрических обозначений, который существует и по сей день, несмотря на то, что все знают, что электроны являются составными частями заряда, и что при натирании они переходят из шерсти в воск, а не наоборот. Благодаря именно Франклину говорят что электроны имеют отрицательный заряд, и движется этот заряд, на самом деле, в направлении противоположном тому, которое указал Франклин. Поэтому объекты, которые он назвал «отрицательными» (имеющими недостаток заряда), фактически имеют избыток электронов.
К тому времени, когда было открыто истинное направление движения потока электронов, обозначения «положительный» и «отрицательный» уже настолько прочно укоренились в научном сообществе, что попытки изменить их даже не предпринимались, хотя, применительно к «избыточному» заряду, правильно было бы назвать электрон «положительно» заряженным . По большому счету, термины «положительный» и «отрицательный» являются человеческими изобретениями и, как таковые, не имеют абсолютного значения за пределами условного языка научных описаний. С такой же легкостью Франклин мог бы назвать избыток заряда «черным», а его недостаток — «белым», в этом случае ученые говорили бы, что электрон имеет «белый» заряд (при условии использования гипотезы Франклина).
Поскольку мы склонны связывать слово «положительный» с «избытком» а слово «отрицательный» с «недостатком», то стандартное обозначение электрического заряда нам кажется противоположным. Благодаря этому, многие инженеры решили сохранить старое понятие электричества, где «положительный» означает избыток заряда, и соответственно обозначается направление движения зарядов (тока). Такое обозначение известно как общепринятое обозначение потока:
Другие инженеры для обозначения потока зарядов выбрали фактическое направление движения электронов в цепи. Такое обозначение известно как обозначение потока электронов:
Общепринятое обозначение потока показывает нам движение заряда в соответствии со знаками + и — (технически неправильно). Применять это обозначение имеет смысл, но направление движения потока зарядов здесь не соответствует действительности. Обозначение потока электронов показывает нам фактическое направление движения электронов в цепи, но знаки + и — выглядят здесь задом наперед. А вообще, имеет ли значение, как мы определяем направление движения потока зарядов в цепи? Не имеет, если мы последовательно используем одно из обозначений. Производя анализ цепи, вы можете с равным успехом использовать любое из этих обозначений. Понятия напряжения, тока, сопротивления, непрерывности, и даже математические методы анализа, такие как законы Ома и Кирхгофа будут действовать как в одном, так и в другом случае.
Как вы можете убедиться, общепринятому обозначению потока следует большинство инженеров-электриков, и оно встречается в большинстве технических учебников. Обозначение потока электронов встречается в учебниках для начинающих и в трудах профессиональных ученых, особенно физиков твердых тел, которым важно фактическое движение электронов в веществах. Большинство исследований электрических цепей не зависит от технически точного отображения направления потока зарядов, поэтому выбор между общепринятым обозначением потока и обозначением потока электронов произволен . почти.
Многие электрические устройства допускают прохождение через них реальных токов любого направления без каких либо различий в работе. Например, лампы накаливания излучают свет одинаково эффективно, независимо от направления тока. Они хорошо работают даже при переменном токе (AC), который с течением времени быстро меняет свое направление. Проводники и выключатели также отлично работают независимо от направления тока. Все вышеперечисленные компоненты (электрическая лампочка, выключатель и провода) называются неполярными. И наоборот, любые устройства, которые по разному реагируют на токи разных направлений, называются полярными.
Существует множество полярных устройств, применяемых в электрических схемах. Основная масса этих устройств изготавливается из так называемых полупроводниковых материалов, и подробно будет рассмотрена нами позже. Каждое из этих устройств (как и выключатели, ламы и батареи) изображается на схеме с помощью уникального символа. Как можно догадаться, символы полярных устройств в своем составе обычно сдержат стрелку для обозначения допустимого направления тока. Вот здесь-то конкуренция обозначений общепринятого потока и потока электронов имеет большое значение. Но, поскольку инженеры уже давно в качестве стандартного используют общепринятое обозначение, и они же изобретают электрические устройства и придумывают для них условные обозначения (символы), то стрелки, используемые в символах этих устройств, показывают направление общепринятого потока. Иными словами, у всех символов таких устройств есть значок стрелки, который указывает против фактического потока электронов.
Лучшим примером полярного устройства может послужить диод, который является односторонним «клапаном» для электрического тока. Принцип его действия аналогичен обратному клапану, используемому в водопроводе и гидравлических системах. В идеале, диод обеспечивает беспрепятственный поток для тока в одном направлении (практически не оказывая ему сопротивления), и препятствует этому потоку в обратном направлении (оказывая ему бесконечное сопротивление). Условное обозначение (символ) диода выглядит следующим образом:
Если мы поместим диод в схему с батареей и лампочкой, то выполняемая им работа будет следующей:
Когда диод стоит в правильном направлении, разрешающем поток, лампочка горит. В противном случае диод блокирует поток электронов аналогично обрыву цепи, и лампочка гореть не будет.
Если мы используем общепринятое обозначение потока в цепи, то стрелка символа диода указывает на направление потока зарядов от положительного контакта к отрицательному:
И наоборот, при использовании обозначения потока электронов, стрелка символа диода направлена против этого потока:
Исходя из вышеизложенного и во избежание путаницы с условными обозначениями электронных компонентов, большинство людей выбирает общепринятое обозначение потока при анализе электрических схем.
Источник
Назначение диода
Назначение диода — проводить электрический ток только в одном направлении. Когда-то давно применялись ламповые диоды. Но сейчас используются в основном полупроводниковые диоды. В отличие от ламповых они значительно меньше по размеру, не требуют цепей накала и их очень просто соединять различным образом.
Условное обозначение
диода на схеме
На рисунке показано условное обозначение диода на схеме. Буквами А и К соответственно обозначены анод диода и катод диода. Анод диода — это вывод, который подключается к положительному выводу источника питания, непосредственно или через элементы схемы. Катод диода — это вывод из которого выходит ток положительного потенциала и далее через элементы схемы попадает на отрицательный электрод источника тока. Т.е. ток через диод идёт от анода к катоду. А в обратном направлении диод ток не пропускает. Если каким-то из своих выводов диод подключается к источнику переменного напряжения, то на другом его выводе получается постоянное напряжение с полярностью, зависящей от того, как диод подключен. Если он подключен анодом к переменному напряжению, то с катода мы получим положительное напряжение. Если он подключен катодом, то с анода будет получено соответственно отрицательное напряжение.
Как проверить диод мультиметром
Выводы диода
Как проверить диод мультиметром или тестером — такой вопрос встаёт тогда, когда есть подозрение, что диод неисправен. Но, ответ на этот вопрос даёт ещё один ответ, где у диода анод, а где катод. Т.е. если мы изначально не знаем цоколёвку диода, то просто ставим мультиметр или тестер на прозвонку диодов (или на измерение сопротивления) и по очереди прозваниваем диод в обоих направлениях. Если диод исправен, наш прибор будет показывать прохождение тока только в одном из вариантов. Если диод пропускает ток в обоих вариантах — диод пробит. Если он не пропускает ни в каком варианте, диод перегорел и также неисправен. В случае исправного диода, когда он проводит ток, смотрим на клеммы прибора, тот вывод диода, что подключен к положительному выводу тестера, является анодом диода, а тот, что к отрицательному — катодом диода. Проверка диодов очень похожа на проверку транзисторов.
Источник