Діоди на основі р-n переходу (частина 2), Довідник радіоаматора
Напруга, прикладена до діода, називається напругою усунення. На малюнку показано діод на основі р-п переходу, з'єднаний з джерелом струму. Резистор додано для обмеження струму до безпечного значення.
У зображеному ланцюгу негативний висновок джерела струму з'єднаний із матеріалом п-типу. Це змушує електрони рухатися від виведення у напрямку р-n переходу. Вільні електрони, що накопичилися на стороні переходу притягуються до позитивного висновку. Це зменшує кількість негативних зарядів на стороні, потенційний бар'єр зменшується, що дає можливість для протікання струму. Струм може текти лише тоді, коли прикладена напруга перевищує потенційний бар'єр.
Джерело струму створює постійний потік електронів, який дрейфує через матеріал п-типу разом з вільними електронами, що містяться в ньому. Дірки в матеріалі р-типу також дрейфують у напрямку переходу. Електрони та дірки збираються на переході та взаємно знищуються. Однак у той час як електрони та дірки взаємно компенсуються, на висновках джерела струму з'являються нові електрони та дірки. Більшість носіїв продовжує рухатися у напрямку р-п переходу, поки прикладено зовнішню напругу.
Потік електронів через р-частина діода притягується до позитивного виведення джерела струму. Як тільки електрони залишають матеріал р-типу, створюються дірки, які дрейфують до р-n переходу, де вони взаємно компенсуються з іншими електронами. Коли струм тече від матеріалу п-типу до матеріалу р-типу, кажуть, що діод зміщений у напрямі.
Струм, що тече через діод, зміщений у прямому напрямку, обмежений опором матеріалів р- та п-типу і зовнішнім опором ланцюга.Опір діода невеликий. Отже, приєднання джерела струму до діода у напрямі створює великий струм. При цьому може виділитися така кількість тепла, якого достатньо для руйнування діода. Для того щоб обмежити струм, послідовно з діодом необхідно включити резистор.
Діод проводить струм у прямому напрямку тільки тоді, коли величина зовнішньої напруги більша за потенційний бар'єр. Германієвий діод вимагає мінімальне пряме усунення 0,3 вольта; кремнієвий діод - мінімальне пряме усунення 0,7 вольта.
Коли діод починає проводити струм, у ньому з'являється падіння напруги. Це падіння напруги дорівнює потенційному бар'єру і називається прямим падінням напруги (Єр). Падіння напруги дорівнює 0,3 вольта для германієвого діода та 0,7 вольта для кремнієвого діода. Величина прямого струму (IF) є функцією прикладеної напруги (Е), прямого падіння напруги (Ef) та зовнішнього опору (R). Це співвідношення можна отримати за допомогою закону Ома:
У діоді, на який подано напругу зміщення у прямому напрямку, негативний висновок зовнішнього джерела струму з'єднаний з матеріалом п-типу, а позитивний висновок з матеріалом р-типу. Якщо ці висновки поміняти місцями, діод не проводитиме струм і про нього говорять, що він зміщений у зворотному напрямку. У цій конфігурації вільні електрони в матеріалі п-типу притягуються до позитивного виведення зовнішнього джерела струму, що збільшує кількість позитивних іонів в області переходу р-n, а, отже, збільшує ширину збідненого шару з боку матеріалу п-типу р-n переходу. Електрони також залишають негативний висновок джерела струму та надходять у матеріал р-типу. Ці електрони заповнюють дірки поблизу р-n переходу і спричиняють переміщення дірок понапрямку до негативного висновку, що збільшує ширину збідненого шару з боку р-типу матеріалу р-n переходу. В результаті збіднений шар стає ширшим, ніж у незміщеному або зміщеному у прямому напрямку діоді.
Додана у зворотному напрямку напруга усунення збільшує потенційний бар'єр. Якщо напруга зовнішнього джерела дорівнює величині потенційного бар'єру, електрони та дірки не можуть підтримувати протікання струму. При зворотному напрузі зміщення тече дуже невеликий струм, цей струм витоку називається зворотним струмом (Iн) і існує завдяки наявності неосновних носіїв. За кімнатної температури неосновних носіїв дуже мало. При підвищенні температури створюється більше електронно-діркових пар. Це збільшує кількість основних носіїв та струм витоку.
Всі діоди з р-n переходом мають малий струм витоку. У германієвих діодах він вимірюється у мікроамперах; у кремнієвих діодах - у наноамперах. Німеччина має більший струм витоку, оскільки він більш чутливий до температури. Цей недолік германію компенсується його невисоким потенційним бар'єром.
Підсумовуючи сказане вище, можна сказати, щодіод на основі р-n переходу є пристроєм, що пропускає струм тільки в одному напрямку. Коли зміщений у прямому напрямку, струм тече. Коли зміщений у зворотному напрямку, тече лише маленький струм витоку. Ця властивість дозволяє використовувати діод як випрямляч. Випрямляч перетворює змінну напругу на постійне.
Схематичне позначення діода показано малюнку. Р-частина представлена стрілкою, а п-частина рисою. Прямий струм тече від частини n-частини р-(проти стрілки). Частина n - називається катодом, а частина р - анодом.
Катод постачає, а анод збирає електрони.
показано включення діода, зміщеного прямому напрямку. Негативний висновок джерела струму приєднано до катода. Позитивний висновок приєднано до анода. Це дозволяє струму текти у прямому напрямку. Резистор (Rg) увімкнений послідовно з діодом для обмеження прямого струму до безпечного значення.
показано включення діода, зміщеного у зворотному напрямку. Негативний висновок джерела струму приєднано до анода. Позитивний висновок приєднано до катода. Через діод, зміщений у напрямку тече малий зворотний струм (IR).