Halbleiterdiode: Funktionsprinzip, Anwendungen und Vorteile

Eine Halbleiterdiode ist ein spezielles Gerät mit einem pn-Übergang sowie einem Anoden- und Kathodenanschluss, das für alle Arten von Änderungen des elektrischen Signals gedacht ist. In den meisten Fällen besteht die Zelle aus Silizium, obwohl manchmal andere Halbleitermaterialien verwendet werden. Zu den Hauptkomponenten des Geräts gehört ein kristalliner Teil mit einem pn-Übergang.

allgemeine Informationen

Es sei darauf hingewiesen, dass moderne Halbleiterdioden wie vor mehr als hundert Jahren auf der Basis von Germanium oder Selen hergestellt werden. Diese Materialien haben eine spezifische Struktur, die es ermöglicht, mit den Elementen Stromkreise und elektrische Geräte zu modernisieren sowie verschiedene Ströme umzuwandeln.

Es gibt weltweit verschiedene Arten solcher Erfindungen, die sich im Herstellungsmaterial, im Funktionsprinzip und im Anwendungsbereich unterscheiden.

Plane und polykristalline Gleichrichter sind sehr gefragt., die Analoga von Brücken sind. Sie interagieren über zwei Kontakte.

Die Vorteile von Geräten sollten Folgendes umfassen:

1. Vollständige Austauschbarkeit. Ein ausgefallenes Element kann durch ein anderes mit den gleichen Eigenschaften und Funktionsprinzip ersetzt werden. Es gibt keine besonderen Anforderungen, um genau das gleiche Modell zu wählen.
2. Hoher Durchsatz.
3. Kostengünstigkeit und Verfügbarkeit. Halbleiterdioden werden in jedem Elektrofachgeschäft verkauft. Die Kosten für solche Produkte betragen 50 Rubel. Darüber hinaus können sie mit eigenen Händen aus den Schemata alter Geräte entfernt werden.

Arbeitsprinzip

Das Funktionsprinzip einer Halbleiterdiode ist nicht schwer zu verstehen. Alles, was Sie tun müssen, ist, die grundlegenden Gesetze der Physik zu verstehen und zu wissen, wie einige elektrische Prozesse ablaufen.

Auf die Kathode wirkt zunächst ein elektrischer Strom, der das Heizelement zum Glühen bringt. Von der Elektrode werden wiederum Elektronen emittiert, und zwischen den beiden Teilen entsteht ein elektrisches Feld.

Anoden mit positiver Ladung wirken auf Elektronen und ziehen sie an, und das erzeugte Feld wirkt als Katalysator für eine solche Reaktion. Auch in diesem Moment wird der Emissionsstrom gebildet.

In den beiden Elektroden beginnt sich eine raumnegative Ladung zu bilden, die den Elektronenfluss behindern kann. Dies geschieht jedoch nur, wenn das Potential der Anode abnimmt, wodurch die Elektronenmasse nicht mehr zurechtkommt negative Elemente, wodurch sie sich in umgekehrter Reihenfolge bewegen, d. h. die Elektronen kehren zu zurück Kathode.

Oft werden die Indikatoren des kathodischen Stroms auf Null gehalten - dies geschieht, wenn Partikel mit einer Minusladung ausgesetzt werden. Als Ergebnis bewirkt das erzeugte Feld nicht, dass sich die Elektronen schneller bewegen, sondern eine Rückreaktion verursacht - es verlangsamt sie und zwingt sie zurück zur Kathode. Letztendlich wird der Stromkreis geöffnet, da die Diode ausgeschaltet bleibt.

Gerät und Design

Nachdem Sie sich mit dem Funktionsprinzip einer Halbleiterdiode befasst haben, können Sie ihr Gerät und ihr Design studieren. Diese Informationen werden für die weitere Verwendung der Diode und ein tieferes Verständnis ihrer Betriebseigenschaften benötigt. Das Element basiert auf folgenden Komponenten:

1. Außenhülle. Als Körper dient ein kleiner Ballon. Es ist vollständig vakuumiert und kann aus Glas, Metall oder Keramik bestehen.
2. Innerhalb der Struktur befinden sich zwei Elektroden. Der erste wird als Kathode mit einem Glühfaden verwendet, der eine stabile Elektronenemission liefert. In seiner einfachsten Form ist es ein Faden mit einer minimalen Dicke, der unter Strom glühen kann. Derzeit werden jedoch Modelle der indirekten Erwärmung aktiv verbreitet. Im Gegensatz zu klassischen Typen werden sie in Form kleiner Zylinder mit einer spezifischen Schicht präsentiert, in der Elektronen emittiert werden.
3. Bei der zweiten Elektrode ist es die Anode, die Elektronen von der Kathode empfängt. Das Element hat eine positive Ladung und eine zylindrische Form. Bei der Herstellung eines Diodenkristalls wird Silizium oder Germanium verwendet.

Anwendungsgebiete und Zweck

Die Anwendungsgebiete von Halbleiterdioden sind sehr umfangreich. Ohne sie ist die Arbeit der meisten elektrischen Geräte heute kaum noch vorstellbar, und dies ist nicht verwunderlich. Die Elemente werden zur Herstellung von Diodenbrücken sowie für folgende Geräte verwendet:

1. Geräte zum Schutz von Geräten gegen Verpolung oder Überlastung.
2. Schalter.
3. Diodenfunkenschutzsysteme.

Diodenbrücken sind ein Gerät aus vier, sechs oder zwölf verbundenen Dioden (die genaue Anzahl der Dioden wird durch die Art der Schaltung bestimmt, die 1-phasig, 3-phasig Halbbrücke oder 3-phasig ist Vollbrücke). Das System wird als Gleichrichter verwendet und wird häufig in Autogeneratoren eingebaut. Tatsache ist, dass die Verwendung einer solchen Brücke es ermöglichte, das Gerät erheblich zu reduzieren und zuverlässiger zu machen.

Diodendetektoren bestehen aus Dioden und Kondensatoren, die eine Niederfrequenzmodulation einer Vielzahl von Signalen, einschließlich eines amplitudenmodulierten Funksignals, ermöglichen. Geräte sind für die Funktion verschiedener Haushaltsgeräte, beispielsweise eines Fernseh- oder Radioempfängers, unverzichtbar. Außerdem ist mit Hilfe von Halbleiterdioden ein vollständiger Verpolungsschutz beim Starten von abnehmbaren Eingängen und Überlastungen möglich.

Die Aufgabe von Diodenschaltern besteht darin, hochfrequente Signale zu schalten. Zur Steuerung der Schaltung werden konstanter elektrischer Strom, Frequenztrennung und Signalisierung an Kondensatoren verwendet. Außerdem wird auf Basis von Dioden ein leistungsstarker Funkenschutz geschaffen, der Überlastungen und Abweichungen von der zulässigen Spannungsgrenze verhindert.

Auf den Einsatz von Dioden in der modernen Elektronik kann man praktisch nicht verzichten. Daher ist es sehr nützlich zu wissen, wie solche gängigen Geräte angeordnet sind, wie sie funktionieren und wofür sie bestimmt sind.

Inklusionsmethoden

Der r-n-Übergang wird von externen Spannungen sowie von Größe und Polarität beeinflusst, die die endgültigen Indikatoren des elektrischen Stroms beeinflussen. Beim Direktanschluss wird der positiv geladene Leiter mit dem p-Bereich und der negative Pol mit dem n-Bereich verbunden. In diesem Fall entwickeln sich die Ereignisse wie folgt:

1. Aufgrund der anliegenden externen Spannung im Übergang des r-n-Typs bildet sich ein elektrisches Feld, das in die entgegengesetzte Richtung zum Diffusionsfeld im Inneren gerichtet ist.
2. Danach fallen die Feldspannungswerte merklich ab, wodurch die Sperrschicht schmaler wird.
3. Außerdem können sich die meisten Elektronen von einer Region in eine andere bewegen und dann zurückkehren.
4. Die Parameter des Driftstroms bleiben unverändert, da sie nur von der Anzahl der geladenen Ladungsträger im r-n-Bereich beeinflusst werden.

Mit einer Erhöhung der Sperrspannung erreicht der Strom die höchsten Raten und geht in die nächste Stufe - Sättigung. Mit steigender Temperatur nehmen die Sättigungsstromparameter zu.

Häufige Störungen

Manchmal hören Halbleiterbauelemente auf zu funktionieren, was auf eine natürliche Wertminderung oder das Ende der festgelegten Lebensdauer zurückzuführen ist. Es gibt andere Arten von Fehlfunktionen, die Folgendes umfassen sollten:

1. Aufschlüsselung des Übergangs. Bei diesem Phänomen wird der Halbleiter zu einem gewöhnlichen Leiter, der keine spezifizierten Eigenschaften hat und den elektrischen Strom nicht in einer spezifizierten Richtung hält. Sie können das Problem mit einem Standard-Multimeter lösen, das piept und den Widerstandswert bestimmt.
2. Unterbrechung des Übergangs. Es ist ein umgekehrter Prozess, wodurch das Gerät zu einem Isolator wird. In diesem Fall wird der elektrische Strom nur in eine Richtung geleitet. Um den Ort des Bruchs zu bestimmen, muss ein Tester mit funktionierenden Sonden verwendet werden. Wenn diese Elemente von unzureichender Qualität sind, kann keine genaue und korrekte Diagnose durchgeführt werden.
3. Verletzung der Dichtigkeit. Jedes Leck ist eine ernsthafte Bedrohung für den normalen Betrieb von Halbleiterbauelementen.

Aufschlüsselungsarten

Es gibt verschiedene Arten von Durchschlägen, die auftreten, wenn der Sperrstrom ansteigt. Diese beinhalten:

1. Thermische Ausfälle.
2. Elektrische Ausfälle.

Die erste Gefahr tritt bei unsymmetrischem Betrieb des Kühlkörpers oder bei Überhitzung des r-n-Übergangs durch Einwirkung zu hoher Stromwerte auf. Das Problem des thermischen Durchgehens kann zu einer Vielzahl von unangenehmen Folgen führen, darunter:

1. Wachstum von Schwingungen von Atomen aus der Zusammensetzung des Kristalls.
2. Wechselwirkung von Elektronen mit einem leitfähigen Bereich.
3. Der schnelle Anstieg der Temperaturindikatoren.
4. Verformungsprozesse in der Struktur von Kristallen.
5. Komplettschaden an der Funkkomponente.

Der elektrische Durchbruch kann nicht als irreversibler Prozess bezeichnet werden, da der Kristall bei einer solchen Störung betriebsbereit bleibt. Rechtzeitige Maßnahmen schützen daher die Diode vor Zerstörung und verlängern ihre Lebensdauer.

Elektrische Pannen sind je nach Art Tunnel und Lawine. Im ersten Fall entsteht die Störung durch den Durchgang einer zu hohen Spannung durch enge Übergänge, wodurch Elektronen frei durch den Durchbruch gleiten. Solche Defekte werden gebildet, wenn eine große Anzahl von Verunreinigungen in den Molekülen auftreten. Das Phänomen verursacht eine Zunahme des Sperrstroms und eine Abnahme der Spannung.

Lawinendurchbrüche entstehen durch den Einfluss starker Felder, die den Träger auf Höchstleistung beschleunigen und dann die Masse der Valenzelektronen aus den Atomen herausschlagen. Aus diesem Grund dringen Elektronen in den leitfähigen Bereich ein und verlieren ihre Eigenschaften. Das spezifische Verhalten, das an die Natur des Lawinenabstiegs erinnert, wurde als Lawinendurchbruch bezeichnet.

Ohne Halbleiterdioden können moderne Elektrogeräte und verschiedene Erfindungen der Funktechnik ohne Zweifel nicht vollständig funktionieren. Und um die Lebensdauer von Haushaltsgeräten mit diesen Elementen zu verlängern, müssen Sie das Funktionsprinzip, die wichtigsten Störungen und den Umgang damit kennen.