Półprzewodniki
Przetłumaczone automatycznie z angielskiego. Przeczytaj oryginał
Podstawa budowy diod i tranzystorów
Spis treści #
Półprzewodnik to materiał, którego przewodność elektryczna mieści się między przewodnikami a izolatorami. Ich rezystancja i przewodność zależą od temperatury i domieszek. [W] Najczęściej stosowane komercyjnie są półprzewodniki na bazie krzemu, a w przeszłości także germanu. Oprócz tych dwóch pierwiastków (w postaci krystalicznej) wykorzystuje się całe spektrum innych substancji z grup 13-15, które mogą tworzyć związki dwu-, trój- lub czteroskładnikowe.
Złącze p-n #
Podstawowy element układu półprzewodnikowego
[003] Aby uzyskać zwiększoną przewodność półprzewodników, stosuje się domieszki atomów innych pierwiastków. Na przykład arsen lub antymon powodują pojawienie się swobodnych elektronów, które są źródłem ładunków ujemnych. Takie półprzewodniki są typu n (negative). Z kolei ind i bar powodują niedobór elektronów, ponieważ ich atomy pobierają z otoczenia elektrony od atomów krzemu, powodując powstawanie ładunków dodatnich. Są to półprzewodniki typu p (positive). Półprzewodniki typu n i typu p, połączone ze sobą w specjalnym procesie technologicznym, tworzą zasadniczą część każdego elementu półprzewodnikowego, zwaną warstwą p-n. Na granicy tych półprzewodników powstaje złącze p-n, przewodzące prąd od p do n.
Dioda półprzewodnikowa #
Element do budowy prostowników i elementów sygnalizacyjnych
[003] Element dwukońcówkowy (di, czyli dwa), przeznaczony na przykład do budowy prostowników, zabezpieczeń lub, w przypadku diod LED, także jako element sygnalizacyjny lub oświetleniowy. Jest to złącze p-n o rezystancji w kierunku przewodzenia ok. 10 000 razy mniejszej niż w kierunku zaporowym.
[101] Diody mogą służyć do odtwarzania amplitudy sygnału, przesuwania sygnału o składową stałą lub powielania napięcia.
[202] Diodę krzemową należy podłączyć zgodnie z kierunkiem strzałki symbolu, jeśli chcemy, aby przewodziła prąd. Ustawienie jej odwrotnie to stan zaporowy, w którym do pewnego napięcia nie powinno być przewodzenia. Jeśli przekroczymy parametry przewidzianej pracy takich diod, ulegną one uszkodzeniu i mogą przewodzić prąd w obu kierunkach.
Jeśli dioda jest podłączona w kierunku zaporowym, mierzony prąd powinien być pomijalnie mały. W poniższym przykładzie prąd wynosi około 36 nA.
Spadek napięcia na diodach (tutaj LED) zależy od zastosowanej substancji, która określa dany kolor świecenia. Spadki te wynoszą zazwyczaj od 1,7 do 3,6 V. Diody mają określone parametry pracy i przy zasilaniu układu należy zadbać o właściwą wartość prądu, którą ogranicza rezystor szeregowy. Kolejność elementów w połączeniu szeregowym nie ma w tym przypadku znaczenia, więc rezystor może znajdować się zarówno przed diodą, jak i za nią.
Aby pokazać, że kolejność połączenia rezystora i diody nie ma znaczenia, poniżej przedstawiam dwa podobne przykłady.
W obu przykładach otrzymujemy ten sam wynik.
Prąd można przedstawić przez analogię do ciśnienia wody w zamkniętym układzie, więc przy szeregowym łączeniu elementów kolejność nie będzie miała szczególnego znaczenia.
Diody można łączyć szeregowo, jak powyżej. Ważnymi parametrami pracy są napięcie przewodzenia, prąd znamionowy i maksymalny oraz parametry zaporowe. Znając te parametry, możemy dobrać odpowiednie rezystory i zestawić całość w obwód, jak powyżej.
„Niemiecki fizyk Ferdinand Braun, 24-letni absolwent Uniwersytetu Berlińskiego, badał właściwości elektrolitów i kryształów przewodzących na Uniwersytecie w Würzburgu. W 1874 roku, badając kryształy galeny (siarczku ołowiu) końcówką cienkiego metalowego drutu, zauważył, że prąd płynie swobodnie tylko w jednym kierunku. Braun odkrył efekt prostowania elektrycznego, występujący w miejscu styku metali z niektórymi materiałami krystalicznymi. Braun zademonstrował to urządzenie półprzewodnikowe w Lipsku w 1876 roku, jednak nie znalazło ono żadnego praktycznego zastosowania aż do pojawienia się radia na początku XX wieku.” [207]
Dioda Zenera #
Źródło napięcia odniesienia
[101] Diody Zenera najczęściej stosuje się jako źródło niemal stałego napięcia odniesienia. Jeśli napięcie wejściowe jest mniejsze niż napięcie Zenera, dioda nie przewodzi i nie będzie stabilizować napięcia.
[209] Dioda Zenera jako stabilizator jest zawsze stosowana w warunkach polaryzacji zaporowej. Układ stabilizatora napięcia stałego z diodą Zenera można zaprojektować tak, aby zapewniał stałe napięcie na obciążeniu niezależnie od zmian napięcia wejściowego czy prądu obciążenia.
Jak widać na powyższym schemacie, wartość napięcia przebicia dla modelu diody Zenera 1N2804 wynosi 6,8 V, zgodnie z notą katalogową.
Przykłady dostępne pod adresem https://github.com/michalasobczak/publications/tree/master/simple-hpc/SeriesPartOne