Studium polovodičové diody

Polovodičová dioda: princip činnosti, použití, klasifikace

Polovodičová dioda je elektronické zařízení, které je vyrobeno z polovodičového materiálu (šedý cín, grafit, sloučenina fosforu a india, nitrid galia, telurid kadmia, sulfid zinku, karbid křemíku atd.) a má dva elektrické vývody.

Polovodičová dioda se skládá z vrstev polovodičů typu p a n. Na jejich přechodu vzniká pn přechod. Anoda je připojena k r a katoda k n. Existuje stav, ve kterém není přivedeno žádné napětí ani na anodu, ani na katodu, to znamená, že polovodičová dioda je v klidovém stavu. V n jsou volné elektrony, v p jsou kladně nabité ionty, které se nazývají díry. Vzhledem k tomu, že existují částice s různými znaky, vzniká v místech, kde se nacházejí, elektrické pole a vzájemně se přitahují.

Při zapojení polovodičové diody se zpětným napětím vzniká velmi malý proud (který lze měřit pouze v nano- nebo mikroampérech) Vlivem vysokého napětí lze snadno zničit krystalovou strukturu diody, což přispívá k dobré vodivosti elektrického proudu. Když je polovodičová dioda připojena přímo, musí být mezi katodou a anodou udržována určitá hodnota napětí, aby dioda vedla elektrický proud. Nejběžnějšími materiály pro výrobu polovodičové diody jsou germanium a křemík. Příklad schématu struktury křemíkové polovodičové diody je na obrázku níže.

Obrázek 1. Schéma struktury křemíkové polovodičové diody. Author24 — online výměna studentských prací

“Výzkum polovodičové diody”
Pomoc od odborníka na téma práce
Řešení problému s AI za 2 minuty
Najděte řešení svého problému mezi 1 000 000 odpověďmi

Polovodičové diody se používají v napájecích zařízeních, pro usměrňování nízkofrekvenčního střídavého proudu, pro deaktivaci nízkovýkonových vysokofrekvenčních signálů a pro další účely v průmyslové elektronice. Diody jsou klasifikovány podle:

1. Určeno pro generátory, usměrňovače, impulsy, násobiče, parametrické aplikace, ladění, směšování, spínání a detektory.
2. Provedení pro tunelové, lavinové, lavinové-tranzitové, Schottkyho diody, zenerovy diody, fotodiody a další.
3. Frekvenční rozsah na vysokofrekvenční, nízkofrekvenční a ultravysokofrekvenční.
4. Velikost přechodu do hrotu, mikroslitina, plochá.

Výzkum polovodičové diody a jejích hlavních parametrů

Studium polovodičové diody spočívá v získání charakteristiky proud-napětí.

Proudově-napěťová charakteristika diody je graf závislosti zpětného a propustného proudu, který diodou prochází, na napětí.

Rovnice pro charakteristiku proud-napětí vypadá takto:

Obrázek 2. Rovnice. Author24 — online výměna studentských prací

kde U je napětí na p-n přechodu; Io — zpětný proud; Фt je teplotní potenciál elektronu.

Příklad grafu charakteristiky proud-napětí je znázorněn na obrázku níže.

Obrázek 3. Graf. Author24 — online výměna studentských prací

Proudově napěťová charakteristika skutečné diody (plná čára) je pod oblastí stejnosměrných napětí, což je spojeno s poklesem části přiváděného napětí na objemovém odporu diody. V oblasti zpětných napětí lze tento pokles zanedbat. Když zpětné napětí dosáhne kritické hodnoty, elektrický proud diody začne prudce narůstat, tento jev se nazývá průraz diody. Existují pouze dva typy poruch: tepelné a elektrické. V obou případech je prudký nárůst elektrického proudu spojen se zvýšením počtu nosičů náboje v přechodu. Elektrická porucha může být dvou typů: lavinová a tunelová.

Mezi hlavní parametry polovodičové diody, které je také třeba určit při jejím studiu, patří:

1. Průrazné napětí.
2. Kmitočtový rozsah polovodičové diody.
3. Konstantní zpětný proud diody je konstantní proud, který protéká zpětným směrem pro dané zpětné napětí.
4. DC Reverse Voltage, což je hodnota stejnosměrného napětí, které je přivedeno na diodu v opačném směru.
5. Propustný proud diody je množství stejnosměrného proudu, který protéká diodou v propustném směru.
6. Konstantní propustné napětí, což je propustné napětí na diodě, když je propustný proud konstantní.

Stanovená spolehlivost polovodičové diody je charakterizována maximálními přípustnými parametry, které zahrnují rozdílový odpor, maximální přípustný ztrátový výkon, maximální přípustný stejnosměrný proud, maximální přípustné stejnosměrné zpětné napětí, minimální a maximální okolní provozní teplotu diody. Tyto parametry se také zjišťují při vyšetření diody.

Maximální rozptýlený výkon se vypočítá podle vzorce:

Obrázek 4. Vzorec. Author24 – online výměna studentských prací

kde Tпmax je maximální teplota přechodu; To je teplota okolí; Rt je odpor diody.

Maximální přípustný proud se vypočítá podle vzorce:

$Iпрmax = Рmax / Upр$

kde Uпр je stejnosměrné napětí diody.

Vzorec pro maximální povolené napětí je následující:

kde Uprob je průrazné napětí.

Diferenciální odpor se vypočítá podle vzorce:

Obrázek 5. Vzorec. Author24 – online výměna studentských prací

kde jU je přírůstek napětí na diodě; jI je přírůstek proudu diodou, který způsobuje přírůstek napětí.

Pokud se pokusíme vytvořit hodnocení vynálezů 20. století, které měly největší dopad na naše životy, polovodiče a polovodičová zařízení budou, když ne na prvním místě, tak určitě v první desítce.

Jak název napovídá, technologie polovodičové elektroniky jsou založeny na polovodičích. V nedávném rozhovoru s mým přítelem jsem byl poněkud překvapen, když jsem se dozvěděl, že ačkoli si byl v zásadě vědom toho, k čemu zařízení jako dioda a tranzistor jsou a jsou potřeba, neměl ponětí, jak jsou konstruovány nebo proč fungují tak, jak fungují. V duchu jsem mu poděkoval, že našel téma pro můj další příspěvek.
Pojďme se tedy podívat na první pilíř moderní elektroniky – dioda.

Na úvod zmíním skutečnost, kterou mnozí, ne-li všichni, ví: hlavní vlastností diody je propouštět elektrický proud pouze jedním směrem. Ale abychom pochopili, proč se to děje, podívejme se nejprve blíže na chemický prvek číslo 14 – křemík. Křemík je v přírodě velmi rozšířený, nachází se zejména v obyčejném písku nebo křemeni. Pokud se podíváte na to, kde je křemík „zapsán“ v periodické tabulce, pak při vzpomínce na váš školní chemický kurz můžete určit, že prvky jako uhlík, křemík nebo germanium mají poměrně vzácnou vlastnost – všechny mají 4 elektrony ve svém vnějším orbitálu (více o orbitalech a vnitřní struktuře atomu si můžete přečíst v příspěvku „Pravidla pro elektrony uvnitř soužití atomu“).

Tato vlastnost jim umožňuje vytvářet ideální kovalentní vazby se sousedními atomy, čímž vytvářejí pravidelnou krystalovou mřížku. V případě uhlíku můžeme v závislosti na konfiguraci atomů získat buď grafit, nebo diamant. V případě křemíku vypadá jeho krystalická forma jako stříbřitá látka s kovovým leskem:

Lyrická odbočka: mnozí pravděpodobně slyšeli nebo se setkali s názvem Silicon Valley, který bezmozkoví překladatelé někdy překládají jako „Silicon Valley“. Takže etymologicky správný překlad je: „Silicon Valley“. Silikony jsou obecný název pro chemické sloučeniny křemíku, nazývané také polyorganosiloxany. Vyrábějí se z nich zejména lubrikanty, tmely a co je nejúžasnější, implantáty pro zvětšení prsou. Nebuďte prosím jako negramotní a nepleťte si silikony a silikony!

Přestože krystaly křemíku vypadají jako kovové, křemík není kov. Jak jsem řekl, všechny čtyři její elektrony jsou „obsazeny“ v kovalentních vazbách se svými sousedy a hlavním požadavkem na to, aby látka vedla elektrický proud, je přítomnost volných elektronů ve vnějším obalu (jako kovy). Čistý křemík se chová skoro jako izolant.

Co tedy lze udělat, aby křemík vedl elektřinu? To se provádí pomocí procesu zvaného „legování“ (doping). Doping je ve skutečnosti zavádění „kontaminantů“ (cizí atomy) do krystalové mřížky.
Ostatně, co je v podstatě potřeba udělat? Nebo přidejte volné elektrony, aby mohly nést záporný náboj, a pak dostaneme polovodič N-typ (od Negativní – negativní), nebo některé elektrony odebereme, abychom dostali polovodič P-typ (od Pozitivní – pozitivní).
K dopování křemíku k výrobě polovodiče typu N se používá malý přídavek fosforu nebo arsenu. Tyto atomy mají ve vnějším obalu 5 elektronů, a když jsou takové atomy zasazeny do křemíkového krystalu, jeden elektron nevytvoří vazbu a zůstává volný.
Pro polovodiče typu P se naopak používají atomy boru nebo galia. Mají tři vnější elektrony a když se vloží do krystalové mřížky, zůstanou jim „díry“, kde má sousední atom křemíku elektron, který nemůže vytvořit kovalentní vazbu. Absence elektronu vytváří efekt kladného náboje. Tento elektron může přeskakovat z díry do díry a tím také vést elektrický proud.
Ačkoli doping umožňuje našemu krystalu vést elektrický proud, nedělá z něj dobrý vodič, odtud název – polovodič.

Pekelný perfekcionista – Lidé s OCD jsou nyní povinni dbát opatrnosti při manipulaci s polovodičovými zařízeními!

Samotné polovodiče typu N ani P nebyly pozorovány, aby dělaly něco pozoruhodného. „Kouzlo“ začíná, když je dáme dohromady. Na přechodu začnou volné elektrony polovodiče typu N obsazovat místa „dírek“ v polovodiči typu P a hraniční oblast v polovodiči typu P se mírně záporně nabije, zatímco v polovodiči N se tato oblast nabije mírně kladně. Na hranici se vytvoří tzv. „Inverzní vrstva“. vyčerpávající region), ve kterých nejsou žádné volné elektrony nebo „díry“:

Vytvoří se elektrické pole vytvořené v této vrstvě potenciální bariéra, což zabrání jakékoli další přirozené migraci elektronů jedním nebo druhým směrem. Hodnota potenciálu se pohybuje od 0,3 V při 25 °C pro germaniové PN přechody a asi 0,7 V (při 25 °C) pro křemíkové.
Podívejme se, co se stane, když projdeme elektrickým proudem přes náš PN přechod.
Pokud připojíte kladný pól baterie k oblasti N a záporný pól k oblasti P, budou elektrony a „díry“ přitahovány k místům, kde jsou elektrody připojeny, a tloušťka inverzní vrstvy se zvětší, takže průchod proudu touto dvojicí polovodičů bude nemožný. Tento typ připojení se nazývá připojení s obráceným předpětím. Reverzní zkreslení).

Pokud nyní otočíme baterii a připojíme kladný pól k oblasti P a záporný pól k oblasti N, elektrony v oblasti N začnou odpuzovat záporný náboj baterie a spěchat směrem ke kladnému pólu, skákat z díry do díry, a pokud použité napětí překročí potenciálovou bariéru (u křemíkového polovodiče je to ≈ 0,7 voltů, které protékají obvodem elektrického proudu). předpětí).

Podle popsaného principu funguje nejjednodušší polovodičové zařízení zvané dioda. Etymologie slova pochází ze dvou řeckých kořenů di- (z δί), což znamená „dva“ nebo „dvojitý“ a -od (z ὁδός), což znamená „cesta“, „stezka“.
V elektrických obvodech jsou diody označeny následujícím symbolem a samotné diody jsou označeny pruhem na straně katody:

V elektronice funguje dioda jako druh ventilu, který umožňuje proudění proudu pouze jedním směrem. Ale nenechte se zmást. Dioda, stejně jako každé jiné zařízení, může být poškozena. Pokud připojíte příliš velké napětí do obvodu reverzního předpětí, dioda selže a stále jí prochází proud. Naštěstí by takové napětí při běžném provozu elektronického obvodu nemělo vznikat. U polovodičů s malým podílem nečistot je průrazné napětí větší než u polovodičů s vysokou koncentrací dopingových prvků:

Nejširší uplatnění nalezly vlastnosti diod vést proud pouze jedním směrem. Asi nejoblíbenější a nejznámější role diod je v tzv. „usměrňovačích“ – zařízeních přeměňujících střídavý proud na stejnosměrný. Kromě toho se diody používají v rádiových přijímacích zařízeních (viz diodové detektory), diody chrání elektronická zařízení před nesprávnou polaritou a chrání před přetížením. Diodové spínače se používají pro spínání vysokofrekvenčních signálů. Diody se používají v jiskrových zábranách a obrovském množství dalších zařízení, jejichž názvy vám možná nic neříkají, ale bez nich by téměř žádná z vašich elektronických vychytávek nemohla fungovat.
Existuje však jeden typ diod, na který stojí za to se podívat podrobněji, protože jsou tak úzce integrovány do našeho každodenního života, že moderní civilizace je bez nich prostě nemyslitelná.
Je to asi LED diody (Česky Světelná dioda – LED).

Tato zařízení jsou v podstatě stejné diody, to znamená, že mají PN přechod a záře je způsobena zajímavým „bočním“ efektem, který je pozorován, když se setkají volný elektron a „díra“.
V jednom ze svých předchozích příspěvků (Jak vypadá atom) jsem podrobně popsal mechanismus emise fotonů elektrony, nebudu se tedy rozepisovat, pouze řeknu, že elektrony mohou při přechodu z vyšší úrovně na nižší emitovat fotony světla o určité frekvenci. Zde se děje to samé – elektron, který má normálně více energie, než dovoluje prostor v „díře“, se přebytek vzdá ve formě fotonu o určité frekvenci. Tento proces se vyskytuje v jakékoli diodě a nazývá se “rekombinace“. Tyto fotony však můžeme vidět pouze v případě, že je dioda vyrobena z určitých materiálů. Například rozdíl v energetických hladinách elektronů a „děr“ ve standardní křemíkové diodě je tak malý, že frekvence emitovaného fotonu nespadá do spektra záření viditelného lidským okem – většinou taková dioda „svítí“ v infračervené oblasti.
Ve skutečnosti to není vždy špatná věc. Například infračervené LED diody jsou široce používány v dálkových ovladačích pro různé domácí spotřebiče.
Pokud chceme získat viditelné světlo z diody, potřebujeme velký rozdíl mezi energií elektronu a energií „díry“. Tento rozdíl určuje frekvenci emise fotonů a podle toho i barvu, kterou bude LED svítit. Ne všechny polovodičové materiály jsou pro tyto účely účinné. Nejběžnějšími kombinacemi polovodičů pro tento účel jsou arsenid galia (GaAs), fosforitan india (InP), selenid zinku ZnSe nebo telurid kadmia (CdTe).

Jak žili lidé před polovodiči?

Možná by stálo za to říci si ještě pár slov o tom, jak jsme žili před érou polovodičů a jaké bývaly diody. A diody bývaly teplé a elektronkové.

Provoz elektronek je založen na využití termionické emise, kterou tvoří vodič zahřátý na vysokou teplotu uvolňující volné elektrony do okolního prostoru. To je vysvětleno skutečností, že vodič obsahuje náhodně se pohybující „polovolné“ elektrony, jejichž rychlost se při zahřívání zvyšuje. Při vysokých teplotách se pohybují tak rychle, že některé z nich vyletí mimo vodič.
Katoda slouží k emitování elektronů. Počet elektronů emitovaných katodou za sekundu se nazývá emisní proud nebo jednoduše emise.
Při nízkých teplotách nedochází prakticky k žádným emisím, ale s rostoucí teplotou roste rychleji a rychleji a dosahuje významné hodnoty při teplotách stovek stupňů a vyšších. Teplota by se neměla příliš zvyšovat, protože vlákno se nakonec přehřeje a roztaví, což se obvykle nesprávně nazývá vyhoření.
Čím vyšší je teplota katody, tím vyšší je emise. Se zvětšováním povrchu katody se zvyšuje i emise. Emisní hodnota je značně ovlivněna materiálem katody.
Anoda slouží k přitahování elektronů uvolněných katodou a vytváření toku volných elektronů v lampě.
Aby anoda přitahovala elektrony, musí být kladně nabitá. Přitahování elektronů k anodě se vysvětluje tím, že mezi anodou a katodou vzniká elektrické pole. Elektrony emitované z katody se vlivem tohoto pole pohybují směrem k anodě.
Balónek slouží k vytvoření podtlaku uvnitř lampy, tzn. prostor, ze kterého byl odstraněn téměř všechen vzduch. Pro volný pohyb elektronů k anodě musí být vakuum velmi vysoké. Přítomnost vzduchu v lampě je nepřípustná i proto, že zahřátá katoda vyhoří, tzn. vstoupí do chemické sloučeniny s kyslíkem.
Z toho, co již víme, můžeme předpovědět, že proud nebude protékat lampou, pokud se změní její směr, protože anoda v tomto případě nebude kladně nabitá a nebude schopna přitahovat elektrony.
Tím končí první část příspěvku a další část bude věnována neméně skvělému polovodičovému zařízení – Jeho Veličenstvo tranzistor.