Электропроводность типичного полупроводникового материала, такого как кремний, обычно увеличивается с ростом температуры, но при комнатной температуре она очень низкая. Это связано с тем, что все четыре внешних электрона отдельных атомов связаны в кристаллической решетке (рисунок).
Тем не менее, они могут быть освобождены путем добавления небольшого количества энергии. Устройства, изготовленные из полупроводниковых материалов, таких как транзисторы и
диоды, обычно называемые полупроводниками. Они сделаны путем преднамеренного добавления посторонних атомов к материалу, такому как кремний (который называется легирование материала), чтобы получить определенную проводимость. Легирование веществом V группы, таким как фосфор, дает свободные электроны и, следовательно, проводимость n-типа (рисунок).
Легирование веществом группы III приводит к образованию электронных дырок, что приводит к проводимости р-типа. Эти электронные дыры мигрируют через кристаллическую решетку, как если бы они были положительными носителями заряда, когда дырки заполнены соседними электронами, которые оставляют позади новые дыры (рисунок).
Диоды - это полупроводниковые устройства, которые проводят ток только в одном направлении. Они обычно изготавливаются из слоев кремния n-типа и p-типа. Тонкий непроводящий обедненный слой образуется на стыке этих двух слоев. В слое обеднения свободные электроны заполняют дыры в процессе, называемом рекомбинацией, в результате чего в слое обеднения практически не остается свободных носителей заряда, как в чистом кремнии. В этом состоянии диод не проводит электричество (рисунок).
Если низкое напряжение подается на внешние выводы диода, обедненный слой становится тоньше или толще. Если n-вывод подключен к отрицательному выводу батареи, а p-вывод подключен к положительному выводу, заряды на соединительных выводах отталкивают свои соответствующие носители заряда в направлении обедненного слоя. Выше напряжения примерно 0,5В слои n и p начинают соприкасаться друг с другом, и начинает течь ток (рисунок).
Хорошая проводимость достигается при напряжении около 0,7 В. В этом состоянии диод работает в прямом направлении.
Если полярность приложенного напряжения меняется, возникает противоположный эффект. Носители заряда притягиваются к внешним соединениям и слой обеднения расширяется. Это делает обедненный слой еще лучшим изолятором (Рисунок).
Типичный диод, такой как 1N4148, может выдерживать обратное напряжение до 75 В. Диод эффективно пропускает ток только в одном направлении, поэтому его можно использовать в качестве выпрямителя.
В большинстве случаев обратное напряжение не должно превышать значения, рекомендованного производителем. Обратный ток протекает, если приложенное напряжение слишком высокое. Это является результатом так называемого разрушения (изоляционного слоя). В некоторых специальных типах диодов, таких как стабилитроны, этот эффект используется намеренно. Стабилитроны имеют четко определенные напряжения пробоя и используются в качестве регуляторов напряжения.
Если вы злоупотребите кремниевым диодом, таким как 1N4148, применив к нему чрезмерное обратное напряжение, вы вызовете так называемый второй пробой, который является фатальным. Это связано с тем, что чрезмерный обратный ток нагревает соединение до точки разрушения. Это приводит к образованию постоянного неисправимого короткого замыкания. Светодиоды, как видно из названия, являются диодами и также имеют p-n переходы. Они сделаны из полупроводниковых материалов, таких как арсенид галлия. Светодиоды имеют выше прямые напряжения, чем кремниевые диоды, и электронно-дырочная рекомбинация в светодиодах производит видимый свет. Этот эффект также имеет место в кремниевых диодах, но они производят только незначительное количество света в инфракрасной области.
Далее в следующей статье будет рассмотрено работа и принцип полупроводниковых транзисторов.
