Ден Томел - Поиск неисправностей в электронике

Понимание основ теории полупроводников может быть серьезным подспорьем для специалиста при тестировании этих элементов. Одним из первых известных полупроводниковых устройств являлся кристаллический детектор. Он состоял из кусочка кристаллического галенита с проволочным контактом и прижимающей пружиной. Это сочетание выпрямляло ток, позволяя ему течь только в одном направлении.

Хотя кристалл галенита был ненадежен, он был первым шагом в применении полупроводников. Развитие современных диодов и транзисторов началось с базовой теории и разработки материалов р - и n -типа.

Для создания материалов р- и n -типа используется кристаллический германий или кремний. Атомный номер кремния 14, с 4 валентными электронами на внешней орбите. Атомный номер германия 32, и он также имеет 4 валентных электрона на внешней орбите (рис. 1.12).

Рис. 1.12. Строение атомов кремния и германия

Для образования материала р -типа, добавляются примеси, галлий или индий, которые называются трехвалентными, поскольку имеют 3 электрона на внешней оболочке. Когда галлий или индий добавляются к кремнию или германию (которые имеют валентность 4), место одного валентного электрона остается незанятым и называется дыркой. Оно имеет положительный заряд и в результате образуется материал p-типа. Примесь, которая приводит к образованию дырок, называется акцепторной (рис. 1.13).

Рис. 1.13. Добавление акцепторной примеси в кристалл вызывает образование дырки, в результате образуется материал р-типа

Для формирования материала n-типа добавляется примесь из мышьяка или сурьмы. Она является пятивалентной, то есть имеющей 5 валентных электронов на внешней орбите. При добавлении в германий или кремний соединяется с 4 валентными электронами и образует 1 свободный электрон, который дает атому отрицательный заряд, поэтому эта примесь называется донорной (рис. 1.14).

Рис. 1.14. Добавление донорной примеси в кристалл вызывает образование «лишнего» электрона, в результате образуется материал n-типа

Когда материалы р - и n -типа вступают в контакт, образуется р-n -переход. Такая структура называется диодом, поскольку она позволяет току проходить только в одном направлении. Когда к диоду подключена батарея таким образом, что положительный полюс батареи соединен с положительным полюсом диода, а отрицательный полюс батареи соединен с отрицательным полюсом диода, через диод течет ток. Это называется прямым смещением перехода (диода) и показано на рис. 1.15.

Рис. 1.15. Прямое смещение диода

Если положительный полюс напряжения приложен к зоне р с основными носителями заряда — дырками, а отрицательный полюс — к зоне n , где основные носители — электроны — под действием внешнего поля дырки будут отталкиваться положительным потенциалом, а электроны — отрицательным. Под действием этих сил дырки и электроны двигаются навстречу друг другу, к р-n переходу, где происходит их рекомбинация, и в цепи протекает ток.

Изменив полярность включения внешнего источника, можно добиться того, что дырки будут притягиваться к отрицательному полюсу, а электроны — к положительному. Под действием этих сил электроны и дырки будут двигаться в направлении от перехода, вследствие чего переход будет обеднен носителями заряда, число рекомбинаций значительно сократится и ток через переход будет близок к нулю. В этом случае говорят, что к переходу приложено обратное запирающее напряжение.

Обратно смещенный диод показан на рис. 1.6.

Рис. 1.16. Обратно смещенный диод

Положительная р -сторона диода называется анодом, а отрицательная n -сторона — катодом. Для специалиста важно хорошо разбираться в этом. Стрелка показывает р -сторону. Линия показывает сторону n . Линия или точка, поставленная изготовителем на диоде, показывает катод. Имейте в виду, что изготовители обычно отмечают катод полоской. Когда конец диода с полосой подключен к положительному полюсу источника питания, диод будет смещен в обратную сторону.