Диод

Ярымүткәргеч диодның схемада тотышы ток–көчәнеш характеристикасы, яки I–V графикы белән тасвирлана (астагы графикны карагыз). Графикта бөгелгән сызыкның формасын корылма йөртүче кисәкчәләрнең ярымүткәргечләр арасындагы p–n узуында урнашкан мохтаҗлык өлкәсе (рус. зона истощения) (ирекле корылма йөртүче кисәкчәләргә мохтаҗлык мәгънәсендә) аша хәрәкәте билгели. p–n узуы беренче мәртәбә хасил булгач, ирекле электроннар N-кушылмалы өлкәдән күпсанлы тишекләр (электрон өчен буш урыннар) булган P-кушылмалы өлкәгә үтәләр, һәм электроннар тишекләр белән “рекомбинацияли”. Ирекле электрон тишек белән рекомбинацияләнгәндә, электрон да, тишек тә юк булалар; N ягында “утрак” уңай корылган донор кала, ә P ягында тискәре корылган акцептор кала. p–n узуы тирәсендә өлкә корылма йөртүче кисәкчәләрсез кала һәм шулай итеп үзен изолятор сыман тота.

Шулай да, мохтаҗлык өлкәсенең киңлеге (мохтаҗлык киңлеге дип аталган) чиксез зурая алмый. Һәрбер рекомбинацияләгән электрон–тишек пары өчен N-кушылмалы өлкә артында уңай корылган кушылма ион кала, ә P-кушылмалы өлкә артында тискәре корылган кушылма ион кала. Рекомбинация процессы дәвам итү белән күбрәк ионнар хасил була. Мохтаҗлык өлкәсе аша артучы электрик кыр барлыкка килә; ул рекомбинацияне әкренәйтә һәм ниһаять туктата. Бу мизгелдә, мохтаҗлык зонасы аркылы “эчтәге” потенциал бар.
Әгәр дә диод аркылы полярлыгы “эчтәге” потенциал кебек үк тышкы көчәнеш куела икән, мохтаҗлык өлкәсе үзен изолятор сыман тотышын дәвам итә һәм теләсә нинди әһәмияте булган токны туктата. (Электрон/тишек парлары узуда актив барлыкка китерелгән очрактан тыш, мәсәлән яктылык тарафыннан. фотодиодны карагыз). Бу күренеш “p-n узуының ябылуы”. Әмма тышкы көчәнешнең полярлыгы “эчтәге” потенциалга каршы булса, рекомбинация дәвам итәргә мөкин, моның нәтиҗәсендә p-n узуы аркылы чагыштырмача зур ток ага башлый (ягъни узуда чагыштырмача күп санда электроннар һәм тишекләр рекомбинацияли). Кремний диодлар өчен “эчтәге” потенциал якынча 0,7 Вольтка тигез (германийдан ясалганнары өчен 0,3 В, Шоттки диодлары өчен 0,2 В). Шулай итеп, диод аша тышкы ток уза икән, диод аша якынча 0,7 В көчәнеш барлыкка килә, ә P-кушылмалы өлкә N-кушылмалы өлкәгә караганда уңай корылган һәм диод “кабызылган” чөнки анда p-n узуының ачылуы күренеше урын ала.

Диодның ток–көчәнеш характеристикасы дүрт эшләү өлкәсе ярдәмендә аппроксимацияләнергә мөмкин.

Бик зур кире көчәнеш, пик кире көчәнешеннән дә зуррак, куелганда, кире тау кар ишелүе дип аталган процесс урын ала, ул токның күпкә үсүенең сәбәбе була (ягъни күпсанлы электроннар һәм тишекләр барлыкка килә һәм p-n узуыннан чыгып китә), бу компонентны даими рәвештә эштән чыгара. Тау кар ишелүе диоды исә, махсус тау кар ишелүе зонасында эшләү өчен конструкцияләнгән. Зенер диодлары өчен пик кире көчәнеш концепциясе кулланылмый. Зенер диодында күп кушылмалы p–n узуы бар, ул электроннарга p-тип материалның валент зонасыннан туннель аша n-тип материалның үткәрү зонасына үтәргә рөхсәт итә; шулай итеп кире көчәнеш билгеле дәрәҗәдә (“Зенер көчәнеше” дип аталган) кысылган була һәм “тау кар ишелүе” булмый. Шулай да, ике җиһазның да кысылган кире көчәнеш өлкәсендә максималь ток һәм егәрлеге чикләнгән. Шулай ук, теләсә нинди диодның да туры юнәлештә үткәрүнең ахырында, кыска вакытлы кире ток була. Җиһаз үзенең тулы блоклау сәләтенә, кире ток беткәнче җитми.
Икенче өлкәдә, пик кире көчәнештән уңайрак кире көчәнешләр куелганда, бик кечкенә туендыру тогы бар. Нормаль P–N турылайткыч диоды өчен кире көчәнеш өлкәсендә, җиһаз аша ток бик кечкенә (микроамперлар дәрәҗәсендә). Шулай да, температурага бәйлелек бар һәм зур температураларда, чагыштырмача зур кире ток күзәтелергә мөмкин (миллиамперлар һәм күбрәк дәрәҗәдә).

Өченче өлкәдә туры юнәлештә, ләкин кечкенә дәрәҗәдә көчәнеш куелганда, бик кечкенә туры ток кына күзәтелә.

Потенциаллар аермасы ирекле рәвештә билгеләнгән “ялгау көчәнешенә” яки “кабызылу көчәнешенә” яки “диодның туры юнәлештә көчәнеш төшүе”нә (V_d) җиткәч, диодның тогы җитәрлек санала (“җитәрлек” дип саналган токның һәм кабызылу көчәнешнең дәрәҗәсе куллану өлкәсенә карап төрле булырга мөмкин), һәм диодның каршылыгы бик кечкенә була. Ток-көчәнеш графигы - ул экспонента бөгелгән сызыгы. Гадәти кремний диодында эш токлары диапазонында ирекле рәвештә кабызылу көчәнеше 0,6 - дан 0,7 Вольтка кадәр була. Башка төр диодлар өчен көчәнеш дәрәҗәсе башка булырга мөмкин - Шоттки диоды өчен 0,2 В чамасында билгеләнергә мөмкин, германий диодларда 0,25 - тән 0,3 Вольтка кадәр, ә кызыл яки зәңгәр яктылык таратучы диодында (рус. светодиод, eng.light-emitting diodes (LEDs)) дәрәҗәләр 1,4 В – тан алып 4 В – ка кадәр булырга мөмкин.

Югарырак токларда диодның туры юнәлештә көчәнеш төшүе үсә. Егәрле диодлар өчен, тулы эш тогы булганда, гадәттә көчәнеш төшүе 1 В – тан 1,5 В – ка кадәр була.

“Идеаль Шоккли диод тигезләмәсе” (транзистор уйлап чыгаручысы Уильям Брәдфорд Шоккли хөрмәтенә аталган, тетрод уйлап чыгаручысы Уолтер Шоттки белән бутамаска) идеаль диодның I–V (ток – көчәнеш) характеристикасын туры яки кире көчәнеш куелганда (яки көчәнеш булмаганда) тасвирлый. Тигезләмә түбәндәгечә:

${\displaystyle I=I_{\mathrm {S} }\left(e^{V_{\mathrm {D} }/(nV_{\mathrm {T} })}-1\right),\,}$

монда

I - диод тогы,

I_S - кире көчәнеш куелганда туендыру тогы (яки шкала тогы),

V_D - диод аркылы көчәнеш,

V_T - термаль көчәнеш һәм

n - ул идеальлек факторы,ул шулай ук сыйфат факторы яки кайвакыт эмиссия коэффициенты дип атала. Идеальлек факторы n эшләп чыгару процессына яки ярымүткәргеч материалына карап, 1 дән 2 гә кадәр диапазонда булырга мөмкин һәм күп очракларда аны шартлы рәвештә 1 гә тигез итеп алалар (шулай итеп n-ны исәп-хисапларда төшеп калдыралар).

Термаль көчәнеш V_T 300 К температурада 25.85 мВ – ка тигез, бу температура “бүлмә температурасына” якын һәм гадәттә прибор модельләрен тикшерүче компьютер программаларында кулланыла. Теләсә нинди билгеле температурада ул мәгълүм булган константа һәм түбәндәге формула буенча исәпләнә:

${\displaystyle V_{\mathrm {T} }={\frac {kT}{q}}\,,}$

монда k - Больцман константасы, T - p–n узуның абсолют температурасы, ә q - электрон корылмасының зурлыгы (элементар корылма).

“Шоккли идеаль диод тигезләмәсе” яки “диод законы” диодтагы токка үсешне бары тик дрейф (электр кыр сәбәпле), диффузия һәм термаль корылма йөртүче кисәкчәләр генерациясе һәм рекомбинациясе процесслары тәэмин итә дигән фараз белән чыгарыла. Шулай ук мохтаҗлык өлкәсендә генерация-рекомбинация тогы әһәмияткә алырлык зур булмавы фараз ителә. Ягъни Шоккли тигезләмәсендә кире бәреп үтү булгандагы процесслар һәм фотон ярдәмендәге генерация-рекомбинация исәпкә алынмый. Шуңа өстәп, ул I–V (ток-көчәнеш) кәкре сызыгының югары көчәнеш куелганда эчке каршылыгы сәбәпле кискен өскә китүен тасвирламый.

“Кире” көчәнешләр куелганда (6-нчы рәсемне карагыз) диодның тигезләмәсендә экспоненциаль өлешне исәпкә алмаска мөмкин һәм даими (тискәре) кире ток I_S зурлыгына тигез. Кире “бәреп үтү өлкәсе” моделе Шоккли тигезләмәсендә тикшерелми. Шактый кечкенә “туры юнәлеш” көчәнешләр өчен (6-нчы рәсемне карагыз) экспоненциаль өлеш (термаль көчәнеш бик кечкенә булу сәбәпле) бик зур, шулай итеп, диод тигезләмәсендә чыгарылган “1” – не әһәмияткә алмаска мөмкин һәм диодның туры юнәлештәге токны түбәндәгечә аппроксимацияләргә мөмкин.

${\displaystyle I=I_{\mathrm {S} }e^{V_{\mathrm {D} }/(nV_{\mathrm {T} })}}$

Диод тигезләмәсен чылбыр мәсьәләләрендә куллану Диод модельләре/Шоккли диод моделе мәкаләсендә күрсәтелгән.

Схемотехника өчен, еш кына, диод тотышының кечкенә сигнал моделе файдалы була. Диод моделенең үзенчәлекле үрнәге кечкенә сигнал моделе мәкаләсендә тасвирлана.

Туры юнәлештә үткәрүчәнлекнең ахырына якынрак PN төрендәге диодта, кыска вакытлы кире ток үтә. Җиһаз үзенең блоклау сәләтенә узуда хәрәкәтчән корылмаларга кытлык башланганчы җитми.

Эффект зур токларны (di/dt ~ 100 A/мкс ) бик тиз кабызганда әһәмияткә ия була ала.

Диодтан кире торгызылу корылмасын Q_r (уннарча нанокулоннар тирәсендәге зурлыкта) алып китү өчен билгеле микъдарда “кире торгызылу вакыты” (уннарча наносекундлар тирәсе) кирәк булырга мөмкин. Шул торгызылу вакыты дәверендә, диод чынлыкта кире юнәлештә үткәрә ала. Бу (шартлы) ток эффектив рәвештә (диодның) катодыннан анодына таба агачагын аңлата. Билгеле чын очракларда шул идеаль булмаган диод эффекты сәбәпле килеп чыккан югалтуларны исәпкә алу мөһим булырга мөмкин.

Шулай да, ток зурлыгы бик зур булмаганда (di/dt ~ 10 A/мкс яки әзрәк) бу эффектны куркынычсыз рәвештә әһәмияткә алмаска мөмкин. Күпчелек кулланышлар өчен Шоттки диодлары өчен бу эффектны шулай ук әһәмияткә алмаска мөмкин.

Сакланган корылмаларга кытлык башлангач, кире ток кискен рәвештә туктала; шушы кискен тукталыш баскыч торгызылу диодларында бик кыска импульслар генерациясе өчен кулланыла.