Диод. Часть 2. Немного о конструкции и принципах

Часть 1

▌Конструкция
Диод делают из полупроводников. Вообще, изначально, полупроводниковые материалы, такие как кремний или германий ток проводят довольно хреново. У них электроны крепко держатся двумя молекулами сразу и требуется довольно большая энергия чтобы их вырвать.

Если полупроводник нагреть, облучить, подать высокое напряжение, чтобы образовалось мощное поле, которое потащит электроны, то из кристаллической решетки будет вырван электрон и будет он болтаться свободно среди молекул.
А там где он был, образуется дырка. Дырка означает не скомпенсированную электроном связь, положительно заряженную область. Сдернуть электрон из ближайшего атома в соседнюю дырку куда проще, чем просто вырвать его из решетки. При этом дырка будет уже у соседнего атома, ведь электрон то надо откуда то вырвать.


По сути, дырку можно считать положительно заряженной частицей. Потому как под действием поля дырки также мотает по всему кристаллу как и электроны. Хотя они и менее подвижные, т.к. на перемещение дырки надо больше энергии чем на перемещение электрона.

Ну вот, есть у нас такой прикольный материал у которого сопротивление зависит от приложенной к нему энергии. И что дальше?

А самое веселое начинается когда в полупроводник добавляют примеси за счет которых можно либо добавить дырок, либо свободных электронов. Накидав в кристаллическую решетку атомов с тремя или с пятью свободными электронами соответственно.

Получаются проводники p и n типа. В p — есть лишние дырки (positive), а в n — лишние электроны (negative).

Осталось только слепить два таких разнопроводимых кристалла вместе, чтобы получился pn переход. И мы получили диод. Суть в чем:

Когда ток подается вот так:

Т.е. к p-кристаллу мы подаем положительный потенциал, а на n-кристалл отрицательный, то дырки и электроны поведут себя как и подобает приличным электрическим зарядам — отталкиваясь от себе подобных и притягивясь к противоположности.

В p-кристалле электроны неудержимо потянет в плюсовой провод, следовательно дырки ломанутся в центр.
А в n-кристалле электроны из минусового провода, от источника питания, ломанутся к плюсу, тоже в центр. В центре электроны из n-кристалла запрыгнут в дырки p-кристалла и поскачут дальше к минусу (это называется рекомбинация). Т.е. через диод пойдет ток. И чем больше напряжение, тем больше дырок будет сдвигать и больше будет ток. Причем зависимость эта будет не линейная, а скорей параболическая.

Окей. С этим все понятно. Берем и меняем полярность. Что произойдет? А все то же самое, только направление движения зарядов изменится.

В p-кристалле электроны побегут в центр, значит дырки утащит к минусовому проводу, где они и останутся зиять, т.к. в металле проводника пути для них нет.

А в n-кристалле усосет все свободные электроны в источник питания. И тоже останется пустота. А, как я уже говорил, полупроводник в котором нет свободных зарядов, это хреновый проводник. Почти диэлектрик. И вот, собственно, на этом месте диод и перестает проводить ток в обратном направлении.

▌Фотодиод
Но при этом свойства полупроводника в зоне откуда убежали все свободные заряды никуда не деваются. Если полупроводник облучить, то в нем таки возникнут свободные заряды и он будет проводить ток. Так работает, например, фотодиод. Помните его схему включения?

Вот диод стоит себе в обратном направлении, сопротивление у него огромное, намного больше подтягивающего резистора и на ноге при этом возникает положительный потенциал от подтяжки. Но стоит ему засветить, как его тотчас прорывает за счет того, что его кристалл чувствителен к свету и свет из него легко выбивает заряды. Но, на самом деле, у фотодиода характеристика ВАХ еще более интересна:

Если рассмотреть его поквадрантно. То на нулевом освещении (самый верхний график) он ведет себя почти как обычный диод. Чуток травит назад, совсем мало. А прямая проводимость по той же параболе. А вот при увеличении освещения начинается самое интересное. Ну, во первых, у него резко возрастает обратный ток. Чем ярче на него светим, тем сильней. Но самое интересное это квадрант D. Если посмотреть на график, то при прямом напряжении мы имеем… обратный ток.

Т.е. фотодиод является источником энергии. Генерирует обратный ток и до поры до времени сопротивляется внешнему источнику питания. В конце концов, тот конечно его перебарывает и график уходит в квадрант А.

▌Стабилитрон
Или вот, например, стабилитрон. Тоже девайс работает в обратку. Тоже, по сути, вполне себе добропорядочный диод.

Стоит себе не пропускает, ну кроме тех случаев, когда поле (А напряженность поля напрямую зависит от напряжения. Ваш К.О.) оказывается столь сильно, что вырывает из полупроводника заряды сами по себе. И тогда он начинает подтравливать ток. Но только до тех пор, пока напряжение на нем не снизится до некого предельного уровня. Уровень этот и определяет напряжение которое стабилитрон будет стабилизировать. Причем чем больше напряжение, тем больший ток через него будет стравливаться, стараясь это напряжение удержать.

Примерно как клапан ограничения давления на паровом котле. Стоит там пружина с уставкой на давление в 5 очков, и все что выше 5 очков травит наружу.

То есть любой диод может пробивать в обратном направлении, при превышении определенного потенциала. И этот пробой является обратимым. При условии что ток при нем не был настолько большим, чтобы выделить тепло достаточное для уничтожения кристалла. Поэтому на стабилитроне и нужен резистор.

А то слишком большой ток через него потечет и он сдохнет, а так получается своего рода делитель напряжения, в котором нижнее плечо автоматом подстраивается так, чтобы на выходе было напряжение на которое заточен стабилитрон.

▌Емкость диода
Вообще, если рассматривать диод более детально, то у него есть емкость (хотя чего это я, у всего в мире есть емкость, даже у индуктивности ;) ) и более приближенная к реальности схема диода выглядит так:

Но тут есть один нюанс. У этой емкости две природы. Когда диод пропускает в одну сторону, то у него заряжается диффузионная емкость. Т.е. кристаллы диода насыщается неосновыми зарядами. Что значит неосновными?

А то, что в p-кристалле, где должно быть, по идее, полно дырок (основных зарядов), при протекании тока от души набивается хренова куча электронов, забивает все излишние дырки, да еще сверху насыпает с горкой.

В противовес, в n-кристалле, мало того, что все электроны лишние (основной заряд) усасывает полем, так еще и дополнительно вырывает из решетки, образуя дырки (неосновной заряд).

И когда напряжение резко меняют на обратное, диод то может и закроется мгновенно, но вот из насыщенных неосновными зарядами областей пока утащит все лишние электроны и дырки, которых там не должно быть, пройдет какое то время, а эти самые неосновные заряды при исходе образуют импульс обратного тока. Короткий, конечно, как иголочка.

Но если у вас частота высокая, то эти короткие импульсы вам могут помех натворить, потребление увеличить, пробить что-нибудь не то и так далее. Диффузионная емкость зависит от прямого тока. Чем больше прямой ток, тем больше неосновных зарядов насуёт в кристаллы.

Небольшое плато — это время на то, пока растащит заряды в области pn перехода. Собственно, время закрытия самого перехода. А вот потом уже идет обычный такой разряд конденсатора — это растаскивает неосновные заряды из основного тела полупроводника. И чем это тело больше, тем дольше их будет оттуда растаскивать.

А когда диод включен обратно, то возникает барьерная емкость.

Если внимательно посмотреть на обратно смещенный диод, на что это похоже?

Два проводника, между ними диэлектрик… Правильно, на конденсатор. Ну и хрен что диэлектрик у этого конденсатора это полупроводник. При определенных условиях он же диэлектрик? Диэлектрик. Значит работать будет.

А еще расстояние между проводящими областями зависит от электрического поля. Подали посильней обратное смещение — дырки и электроны вжались в края — диэлектрический слой увеличился, ослабил поле — уменьшился. А от толщины диэлектрика напрямую зависит емкость этого импровизированного конденсатора. Т.е. барьерная емкость зависит от приложенного обратного напряжения.

Ну и обе емкости зависят от конструктива. Раньше, в советской литературе, было даже четкое деление на плоскостный и точечный диод. Т.е. у плоскостного pn переход был в виде двух плоских областей, способных пропустить через себя большой ток, но обладающих большой емкостью. А у точечного диода переход представлял собой подпружиненную иголочку с покрытием, упирающуюся в кристалл полупроводника. Площадь контакта мала, емкость мала, ток тоже мизерный.

Сейчас я такого деления как то не встречаю. Видать в западной классификации диоды по конструктиву не делят.

▌Варикап
Способность диода образовывать барьерную емкость при обратном смещении и послужило идеей для варикапа. Осталось только сделать такой диод, для которого барьерная емкость была бы максимально стабильной, не зависящей от разных там погодных условий и вуаля.

Т.е. даем отрицательное постоянное смещение, а поверх него переменный сигнал, то меняя смещение можно менять емкостное сопротивление этого конденсатора для этого переменного сигнала. Такую емкость зовут барьерной. Т.к. ее величина зависит от ширины потенциального барьера.

А как это применить тут можно многое придумать. Первое что приходит в голову разные электрически управляемые фильтры или колебательные контура. Вроде такого:

▌Шоттки
Отдельно хочу сказать о диоде Шоттки. Диод Шоттки использует не pn переход двух полупроводников. А переход полупроводник-металл. Получается примерно то же самое, но с рядом особенностей, как то:

  • Пониженное падение напряжения. Около 0.2 вольт, в отличии от типичных 0.7 вольт для простого диода.
  • Очень низкое время обратного восстановления. Так как в нем в разы меньше скапливаются неосновные заряды, а значит диффузионная емкость очень мала.

Минусы тоже значительные.

  • Самый главый минус в том, что у них намного ниже обратное напряжение чем у обычных pn диодов.
  • Также есть повышенный обратный ток. Если диод запирается в обратку почти наглухо, то тут ниппель чутка сифонит и чем выше температура, тем больше. Может до единиц, а то и десяток миллиампер (!) доходить. Особенно на мощных диодах с прямыми токами в десятки ампер.
  • А еще их обратный пробой не является обратимым. Пробило значит пробило. В помойку, без вариантов.

Вот как то так. Кратенько и по самым основам. Как раз под окончание сессии у студентов ;)

18 thoughts on “Диод. Часть 2. Немного о конструкции и принципах”

      1. Когда-то в детстве читал старую книжку из сороковых «как работает радиолампа» или подобное. Вот с неё надо начинать, с картинками где человечки толкают электроны от катода к аноду, застревая в сетке )
        А потом к пп диодам. Сильно понятней станет процесс, как за прошлый век двигалась научная мысль к текущему состоянию. Это как сразу детям давать современный подход в программировании с ооп и прочем, не объясняя, почему это так получилось и чем стало удобно.

          1. Я учился в конце девяностых в универе, никаких ламп уже не было (
            Но если бы мне вначале устроили курс-семестр вроде «как это было», то диоды зашли бы легче.
            Как сейчас помню — на одной лекции рассказывают про спин и облака, на соседней сходу рисуют вахи и рабочие точки, дальше уравнения максвелла в электродинамике. И всё параллельно.
            Редкий студент способен все взаимосвязи построить, тупо не заучив до первого экзамена все картинки и формулы.
            Я тогда даже почему-то никак не мог запомнить — где анод и катод и всё про них. А как про лампы прочитал, так почему-то всё встало на место до сих пор )

            1. Не знаю, какой гад у нас программу для универа составлял, но тогда нам комплексные числа дали позже, чем нам они были нужны на теории электроцепей. Матмоделирование давали через 2 года после окончания кура высшей математики, инженерную графику (autocad и иже с ними) давали без начертательной геометрии (где ручками и по ГОСТу. Ассемблер был до архитектур ЭВМ, что жэстачайшэ ломало мозг.

  1. Черт. Самое толковое и понятное объяснение диода, встреченное за 20-летнюю практику. DI HALT, может уже пора учебник написать? :)

      1. Спасибо за статью, но кажись небольшая ошибочка закралась:
        «В центре электроны из n-кристалла запрыгнут в дырки p-кристалла и поскачут дальше к минусу (это называется рекомбинация)» — разве электроны дальше не к плюсу поскачут?

        1. Ну они попытаются конечно, те кому энергии хватит — поскачут дальше — ведь когда дырка занимается, валентности то элементу не прибавляется, значит у него где то с другой стороны скоро выскочит электрон (ему это будет легче сделать) и побежит к плюсу.

          1. не валентность, а в данном случае заряд атома. Валентность — понятие из химии, означающее способность элемента отдавать и/или принимать определенное количество электронов(валентных электронов), численно равное этому количеству. По модулю равно степени окисления элемента в соединении. В данном случае речь идет о заряде полупроводника и она, насколько мне не изменяет склероз, равна по модулю 1 для любого полупроводника(или +1 для p-типа и -1 для n-типа). Это теоритески. Для сравнения, валентность кремния 4 и 2, степени окисления +4, -4, +2.

  2. Можно супрессор к стабилитрону черкнуть, мол есть и сильнее стабилитроны, для защиты юзаются.

  3. Немного покритикую: из статьи плохо понятно откуда же у диода берётся падение напряжения :) Нам на лекциях границу посередине диода рисовали не линией, а эдаким прямоугольником — подаёшь прямое напряжение и прямоугольник сужается (электронам проще через него перескакивать), подаёшь обратное — прямоугольник становится шире и электроны через него уже не пролазят. Лично мне такое объяснение помогло больше всего.

    1. Ну а падение напряжения — это то напряжение, что тратится на сужение прямоугольника.

  4. Никак не мог понять принцип работы варикапа. Ну подали на него смещение, получился конденсатор определенной емкости. Но он работает в колебательном контуре, а значит напряжение на варикапе меняется синусоидально. Получается и емкость меняется синусоидально, но тогда выходит ерунда.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.

Перед отправкой формы:
Human test by Not Captcha