Scientia.ro - stiri stiinta si tehnologie

Scientia

Intrebare rezolvata

CONCURS: Cum functioneaza dioda ?

Întrebarea săptămânii 26 aprilie - 2 mai 2010 din cadrul concursului Scientia se referă la modul de funcţionare al diverselor tipuri de diode semiconductoare.

Care sunt materialele semiconductoare şi caracteristicile acestora, din ce este formată o diodă, cum funcţionează aceasta, care sunt tipurile de diode şi ce particularităţi prezintă LED-ul - dioda electroluminiscentă - iată câteva dintre subiectele ce pot fi abordate în cadrul răspunsului la această întrebare. Foarte interesant de lămurit ar fi şi problematica efectelor din mecanica cuantică pe care unele tipuri de diode îşi bazează funcţionarea.

Precizăm că pentru a putea răspunde la întrebările propuse de noi trebuie să vă înregistraţi pe site. Dacă nu aţi făcut-o deja, accesaţi această pagină. Vă recomandăm ca în prealabil să citiţi cu atenţie regulamentul concursului nostru.

Atenţie! Sesiunea de lucru (perioada de inactivitate pe site care duce la delogarea automată) durează 60 de minute. În cazul în care credeţi că redactarea răspunsului dv. va dura mai mult, vă recomandăm scrierea acestuia într-un editor de text şi copierea ulterioară a textului în pagina de răspuns.

Cel mai bun raspuns - Ales de cel care a pus intrebarea

• 
  

  Materialele semiconductoare stau la baza tuturor componentelor şi circuitelor electronice discrete sau integrate.
  Caracteristici ale materialelor semiconductoare :
  - materialele semiconductoare au conductibilitatea electrică mai mare decât cea a izolatorilor dar mai mică decât cea a metalelor.
  - conductibilitatea electrică a semiconductorilor este foarte sensibillă la variaţiile de temperatură: ea creşte odată cu creşterea temperaturii.
  - spre deosebire de metale, a căror conductibilitate este asigurată exclusiv de electroni, conductibilitatea electrică a semiconductorilor este asigurată atât de electroni („-”), cât şi de goluri („+”).
  - dacă densitatăţile de electroni şi de goluri care participă la conducţie sunt egale, se spune despre semiconductor că este intrinsec.
  - dacă densităţile de electroni şi de goluri care participă la conducţie nu sunt egale, se spune despre semiconductor că este extrinsec.
  
  În funcţie de care tip de purtători de sarcină este majoritar, se disting două tipuri de semiconductori extrinseci:
  À1) semiconductori de tip n, în care densitatea electronilor este mai mare decât densitatea golurilor. 1) semiconductori de tip n, în care densitatea electronilor este mai mare decât densitatea golurilor. În acest tip de semiconductori electronii sunt purtători majoritari de sarcină, iar golurile sunt purtătorii minoritari.
  À2)semiconductori de tip p, în care densitatea golurilor este mai mare decât densitatea electronilor. În acest caz, 2) semiconductori de tip p, în care densitatea golurilor este mai mare decât densitatea electronilor. În acest caz, golurile sunt purtători majoritari de sarcină, iar electronii sunt purtătorii minoritari.
  
  Dioda este un dispozitiv electronic care prezinta conducţie electrică unilaterală. Terminalele dispozitivului se numesc anod (A), respectiv catod (C )iar sensul direct de conducţie este de la anod la catod.
  Dacă în aceeaşi pastilă de material semiconductor sunt realizate 2 zone, una de goluri (purtători majoritari de tip p) şi una de electroni (purtători majoritari de tip n), se generează o joncţiune semiconductoare. Datorită diferenţei de concentraţie de purtători majoritari de acelaşi fel din cele două zone, golurile din regiunea p vor difuza în regiunea n şi electronii din regiunea n vor difuza în regiunea p. Ca urmare a acestui proces de difuzie va apare o sarcină spaţială negativă în regiunea iniţial de tip p şi o sarcină spaţială pozitivă în regiunea iniţial de tip n. Astfel, în vecinătatea joncţiunii se va genera o zonă sărăcită de purtători majoritari, zonă care se numeşte regiune de trecere. Datorită acestei separări de sarcină, în regiunea de trecere va apare un câmp electric intern, câmp a cărui intensitate creşte odată cu creşterea cantităţii de sarcină difuzate şi care se opune procesului de difuzie. Când el a devenit suficient de intens se ajunge la o situaţie de echilibru în care cantitatea de sarcină difuzată rămâne constantă.
  
  Dioda are două terminale, fiind deci un dipol. Anodul este conectat la zona de tip p în timp ce catodul este conectat la zona de tip n. Dacă dioda este conectată într-un circuit electronic ea se comportă în mod diferit în funcţie de sensul diferenţei de potenţial la care este supusă. Din structura sa internă se poate observa că dacă anodul este la un potenţial mai mic decât catodul, atunci câmpul extern se va adăuga câmpului intern şi amândouă se vor opune mai drastic “curgerii” purtătorilor majoritari de sarcină prin joncţiune. În această situaţie bariera de potenţial va creşte iar despre joncţiune se spune că este polarizată invers. Dacă potenţialul anodului este mai mare decât cel al catodului, câmpul extern şi cel intern vor fi orientate în sens contrar. Bariera de potenţial se va micşora. Atâta timp cât suma celor două câmpuri are sensul înspre regiunea p, purtătorii de sarcină majoritari nu se vor putea deplasa prin joncţiune. În momentul în care câmpul total îşi schimbă sensul (bariera de potenţial dispare), purtătorii majoritari de sarcină din cele două zone vor putea traversa joncţiunea şi dioda va fi parcursă de un curent electric. În acest caz se spune despre diodă că este polarizată direct.
  
  Dioda nu poate suporta o tensiune de polarizare inversă infinit de mare. Dacă această tensiune devine prea mare, dioda va fi distrusă datorită unei condiţii denumită străpungere. Această tensiune inversă maximă poartă numele de tensiune de străpungere (inversă). Tensiunea de străpungerea creşte odată cu creşterea temperaturii şi scade cu scăderea temperaturii - exact invers faţă de tensiunea de polarizare directă.
  
  Tipuri de diode
  1. Diodele redresoare se folosesc la transformarea curentului alternativ în curent continuu, de obicei sunt utilizare la frecvenţe joase (50/60 Hz). Principalii parametri ale diodelor redresoare sunt curentul în polarizare directă maxim admisibil şi tensiunea în polarizare inversa maxim admisibilă. Realizările actuale permit curenţi direcţi până la ordinul sutelor de amperi şi tensiuni inverse de mii de volţi.
  2. Diodele varicap servesc drept condensatoare cu capacitate variabilă prin tensiunea (curentul) inversă aplicată unei joncţiuni pn. Mărirea capacităţii de barieră (dominantă faţă de capacitatea de difuzie, în cazul polarizării inverse) se controlează prin valoarea tensiunii inverse aplicate.
  3. Diodele stabilizatoare (diode Zener) folosesc regiunea de străpungere (efect Zener) a caracteristicii statice în vederea stabilizării tensiunii continue. În vederea stabilizării este necesar, ca unei variatii mari de curent sa-i corespunda o variaţie foarte mică de tensiune. De asemenea, este foarte important ca tensiunea de stabilizare sa depindă cât mai slab de temperatură.
  Există două mecanisme de creştere a curentului la o valoare dată a tensiunii inverse. Unul dintre ele este multiplicarea în avalanşă a purtătorilor de sarcină, mecanism prin care purtătorii primari, acceleraţi între două ciocniri de către câmpul electric intens, determină apariţia purtătorilor secundari, terţiari şi aşa mai departe. Al doilea este efectul Zener în care purtătorii de sarcină sunt generaţi chiar de către câmpul electric care se creează în joncţiune. Efectul Zener se poate produce dacă există o dopare foarte mare a semiconductorului corelată cu un câmp electric foarte intens.
  Dacă intensitatea curentului invers creşte necontrolat atunci structura semiconductoare se încălzeşte şi are loc distrugerea joncţiunii prin ambalare termică. Pentru evitarea acestui proces, în circuitul de polarizare a diodei se va conecta întotdeauna o rezistenţă de limitare a curentului.
  4. Dioda tunel (Esaki) : Într-o joncţiune de arseniură de germaniu sau galiu foarte puternic dopată, efectul Zener poate fi obţinut şi la tensiuni pozitive mai mici decât tensiunea de deschidere a joncţiunii. Datorită dopării puternice, regiunea sărăcită este foarte îngustă şi purtătorii de sarcină pot străpunge bariera de potenţial prin efect tunel la tensiuni directe foarte mici, rezultând o creştere bruscă a curentului. După atingerea unei valori maxime (de saturaţie), curentul se va micşora deoarece creşterea tensiunii directe de polarizare determină micşorarea înălţimii barierei de potenţial. Rezistenţa diferenţială a diodei tunel va fi negativă. Curentul prin diodă începe să crească datorită injecţiei de purtători de sarcină prin joncţiune (curent de injecţie).Dacă dioda tunel este polarizată pe porţiunea de carcteristică cu rezistenţă diferenţială negativă, ea poate fi folosită pentru compensarea rezistenţei de pierderi din circuitele oscilante şi realizarea oscilatoarelor (circuite care generează semnale variabile în timp, de exemplu oscilaţii sinusoidale). De asemenea, dioda tunel este folosită în circuitele de amplificare a microundelor. Cu ajutorul efectului tunel pot fi explicate o serie de fenomene cum ar fi: emisia la rece a electronilor din metale, dezintegrarea alfa, reacţiile termonucleare.
  5. Dioda Schottky are o joncţiune de tip metal (aur, argint, platină) – semiconductor (Si-n), acesta din urmă fiind slab dopat. Atunci când metalul este la un potenţial pozitiv faţă de semiconductor dioda intră în stare de conducţie la o tensiune de aproximativ 0,35V (mai mică decât în cazul unei diode obişnuite). Electronii din semiconductor, traversând joncţiunea, ajung în metal unde nu se vor deosebi cu nimic de electronii de conducţie ai acestuia. În metal, ei nu mai sunt purtători minoritari aşa cum ar fi într-un semiconductor de tip p. Viteza de comutaţie din starea de conducţie în starea de blocare este cel puţin cu un ordin de mărime mai mare decât cea a unei diode obişnuite. Timpul de comutaţie al unei diode Schottky este de aproximativ 50ps. Deoarece nu există purtători minoritari, curentul invers prin diodă este nul.
  6. Dioda electroluminiscentă (LED, Light Emitting Diode) funcţionează în polarizare directă. În urma injecţiei de curent prin joncţiune, electronii din banda de conducţie ai regiunii n traversează joncţiunea şi se recombină cu golurile din banda de valenţă a regiunii p. Ca urmare a acestui proces de recombinare, energia dobândită de la câmpul exterior este eliberată sub formă de cuante luminoase. Materialele semiconductoare folosite pentru construcţia diodelor electroluminiscente sunt compuşi pe bază de galiu. Siliciul şi germaniul nu se folosesc pentru acest scop deoarece energia electrică este convertită mai degrabă în energie termică decât în energie luminoasă.

  
  

  • 2010-04-27 22:45
  • 9
  • 6
  •