Dioda półprzewodnikowa - działanie i zastosowanie.

Wstępem do tego tematu jest pytanie 19 "Półprzewodniki samoistne i domieszkowe".

Dioda półprzewodnikowa. Diodę stanowią dwa półprzewodniki, jeden typu n, drugi typu p, zetknięte ze sobą. Układ taki nazywamy złączem p-n lun n-p. Złącze uzyskuje się w jednym krysztale półprzewodnika dzięki odpowiednim procesom technologicznym. Na rysunku poniżej mamy przedstawiony w przekroju kryształ, którego jedna część wykazuje przewodnictwo dziurawe, a druga - elektronowe.




Przez granicę zetknięcia obu obszarów elektrony i dziury mogą przechodzić dzięki zjawisku dyfuzji (bez przyłożonego pola elektrycznego). Z lewej strony granicy zetknięcia elektronów jest mniej niż z prawej, wobec czego elektrony dyfundują w obszar p. Analogicznie odbywa się dyfuzja dziur z lewej strony na prawą.

Elektrony przechodzące z przygranicznego obszaru n pozostawiają tam nieskompensowany ładunek dodatni jonów donorowych. Podobnie dziury przechodzące na prawo pozostawiają nieskompensowany ładunek ujemny jonów akceptorowych. Na granicy obszarów n i p powstaje obszar o bardzo zmniejszonej koncentracji nośników większościowych, tzn. o bardzo zmniejszonym przewodnictwie. Obszar ten nazywa się warstwą zaporową p-n. W tym obszarze powstają dwie warstwy naelektryzowane (+) i (-), które wytwarzają pole elektryczne o zwrocie od dodatnio naelektryzowanych donorów do ujemnie naelektryzowanych akceptorów. Między obszarami n i p wytwarza się różnica potencjałów Uk zwana napięciem kontaktowym. Dla większości złącz germanowych p-n różnica potencjałów Uk " 0,3 V, a dla złącz krzemowych Uk " 0,7 V. Ta różnica potencjałów, powstająca w przygranicznej warstwie kontaktowej, nazywa się barierą potencjału, przeciwstawia się dalszej wędrówce nośników (elektronów i dziur) większościowych przez granicę kontaktu. Całkowity prąd płynący przez złącze p-n jest równy sumie prądu dyfuzyjnego i prądu unoszenia (wziętego ze znakiem przeciwnym).

Przy otwartym złączu p-n albo zamkniętym na krótko napięcie kontaktowe złącza przeciwstawia się dyfuzji nośników na tyle, że prąd unoszenia jest równy prądowi dyfuzji. Po przejściu przez granicę kontaktu nośniki ulegają bardzo intensywnej rekombinacji z nośnikami znaku przeciwnego: w warstwie p elektrony są zobojętniane przez dziury, w warstwie n - dziury są zobojętniane przez elektrony. Na skutek tego w obszarze przygranicznym powstaje warstwa o bardzo zmniejszonej koncentracji nośników, tzn. o bardzo zmniejszonym przewodnictwie. Warstwa ta nazywa się warstwą zaporową typu p-n.

W zależności od zastosowania diody dzieli się na kilka typów:

- Diody prostownicze - stosuje się głównie w układach prostowniczych urządzeń zasilających, przekształcających prąd zmienny w jednokierunkowy prąd pulsujący. W układzie prostowniczym dioda spełnia funkcję zaworu jednokierunkowego. Wykorzystuje się tu właściwość polegającą na różnicy zdolności przewodzenia prądu w kierunku wstecznym i w kierunku przewodzenia.
- Diody uniwersalne - stosuje się głównie w układach detekcyjnych, prostowniczych małej mocy i ogranicznikach. Diody te charakteryzują się niewielkim zakresem dopuszczalnych napięć (do kilkuset woltów) i prądów (do kilkuset miliamperów), a częstotliwość ich pracy nie przekracza kilkudziesięciu megaherców.
- Diody impulsowe - są przeznaczone do napięć i prądów oraz do formowania impulsów elektrycznych. W układach spełniają one najczęściej funkcje tzw. kluczy elektronicznych (przełączników).
- Diody pojemnościowe (warikap, waraktor) - wykorzystują zmiany pojemności złącza p-n.
- Diody stabilizacyjne (stabilitrony) - zwane diodami Zenera, stosuje się w układach stabilizacji napięć, w ogranicznikach amplitudy, w układach źródeł napięć odniesienia itp. Łącząc taką diodę z rezystorem otrzymuje się najprostszy parametryczny stabilizator napięcia.

---