Τα στερεά σώματα, ανάλογα με την ικανότητά τους να διαρρέονται ή όχι από ηλεκτρικό ρεύμα, μπορούν να χωριστούν σε δύο γενικές κατηγορίες: στους καλούς αγωγούς και στους κακούς αγωγούς ή μονωτές. Οι καλοί αγωγοί χωρίζονται και αυτοί με τη σειρά τους στα μέταλλα (τα οποία χαρακτηρίζονται από τη μεγάλη ευκολία τους να άγουν το ρεύμα) και στους ημιαγωγούς.
Τα άτομα των ημιαγωγών διατάσσονται από μόνα τους σε κρυσταλλικές δομές, σε πλέγματα δηλαδή, που παρουσιάζουν μια σταθερή γεωμετρία η οποία επαναλαμβάνεται στο χώρο. Κάθε άτομο είναι τετρασθενές, έχει δηλαδή, στην εξωτερική του στοιβάδα τέσσερα ηλεκτρόνια. Αυτά, τα μοιράζεται με τα τέσσερα γειτονικά του άτομα, δημιουργώντας έτσι ομοιοπολικούς δεσμούς. Το αποτέλεσμα είναι κάθε άτομο να φαίνεται σαν να έχει οχτώ ηλεκτρόνια (Σχήμα 1). Η δομή αυτή είναι αρκετά σφιχτή και έτσι τα ηλεκτρόνια των ημιαγωγών δεν έχουν την ευκολία που έχουν τα ηλεκτρόνια των μετάλλων να αποδεσμεύονται εύκολα από το υπόλοιπο άτομο και να κινούνται ελεύθερα, άρα παρουσιάζουν πολύ μικρότερη αγωγιμότητα. Αυτή είναι η πρώτη διαφορά μεταξύ μετάλλων και ημιαγωγών.
| Παρ΄ όλα αυτά, η θερμοκρασία δωματίου είναι ικανή να δώσει την κατάλληλη ενέργεια ώστε να "σπάσουν" ορισμένοι ομοιοπολικοί δεσμοί. Όταν σπάει ένας ομοιοπολικός δεσμός ελευθερώνεται ένα ηλεκτρόνιο το οποίο μπορεί πια να κινηθεί ελεύθερα, αλλά όχι μόνον αυτό! Επειδή το άτομο δεν είναι πια ηλεκτρικά ουδέτερο, μπορούμε να "δούμε" στη θέση του ατόμου που ξέφυγε έναν κενό χώρο, μια οπή. Αυτή η οπή είναι έτοιμη να δεχθεί στη θέση της ένα ηλεκτρόνιο που θα ξεφύγει από ένα γειτονικό άτομο και ούτω καθεξής. Έτσι, όταν εφαρμοστεί μια τάση σε έναν ημιαγωγό βλέπουμε, από τη μια μεριά, ελεύθερα ηλεκτρόνια να κινούνται προς το θετικό πόλο ενώ από την άλλη, οπές να κινούνται σαν να είναι "θετικά ηλεκτρόνια" προς την αντίθετη κατεύθυνση. Αυτή η διπλή προέλευση του ρεύματος στους ημιαγωγούς (δηλαδή από ηλεκτρόνια και οπές) σε αντίθεση με την απλή προέλευση του ρεύματος στα μέταλλα (δηλαδή μόνο από ηλεκτρόνια) είναι και η δεύτερη διαφορά μεταξύ μετάλλων και ημιαγωγών. Οι πιο συνηθισμένοι ημιαγωγοί είναι το πυρίτιο (Si) και το γερμάνιο (Ge), με πιο συχνή τη χρήση του πυριτίου, το οποίο είναι και φτηνό και βρίσκεται σε αφθονία στην άμμο. Η αγωγή του ρεύματος στους ημιαγωγούς διευκολύνεται όταν αυτοί δεν χρησιμοποιούνται σε καθαρή μορφή αλλά νοθευμένοι. Ανάλογα με το είδος της πρόσμειξης που χρησιμοποιούμε για να τους ενισχύσουμε, τους διακρίνουμε σε ημιαγωγούς τύπου -N και σε ημιαγωγούς τύπου -P. Προσμείξεις με πεντασθενή στοιχεία (όπως π.χ. με αρσενικό (Αs)) δημιουργούν ημιαγωγούς τύπου -Ν, οι οποίοι χαρακτηρίζονται από πληθώρα ηλεκτρονίων. Προσμείξεις με τρισθενή στοιχεία (όπως π.χ. με γάλλιο (Ga)) δημιουργούν ημιαγωγούς τύπου -P, οι οποίοι χαρακτηρίζονται από πληθώρα οπών. |
 |
Η δίοδος: δομή και λειτουργία
| Όταν ένας ημιαγωγός υποστεί επεξεργασία ώστε να έχει από τη μία του πλευρά προσμείξεις τύπου -Ν και από την άλλη προσμείξεις τύπου -P, τότε έχουμε μια επαφή PN ή αλλιώς μια κρυσταλλοδίοδο (δίοδο). Η δίοδος παρουσιάζει μερικές πολύ ενδιαφέρουσες ιδιότητες κατά τη λειτουργία της και αυτό είναι αποτέλεσμα της προσέγγισης σε πολύ μικρή απόσταση του υλικού τύπου -Ν και του υλικού τύπου -P. Η πιο σπουδαία ιδιότητα της διόδου είναι πως όταν συνδεθεί με μια πηγή ρεύματος, ανάλογα με την πολικότητα της πηγής, παρουσιάζει ή πολύ μικρή ή πολύ μεγάλη αντίσταση. Συγκεκριμένα, το άκρο P της διόδου ονομάζεται άνοδος και το άκρο Ν κάθοδος (Σχήμα 2). Αν συνδεθεί η άνοδος με τον θετικό πόλο μιας πηγής και η κάθοδος με τον αρνητικό τότε έχουμε την περίπτωση της ορθής πόλωσης της διόδου, στην οποία η δίοδος παρουσιάζει πολύ μικρή αντίσταση. Αν κάνουμε την παραπάνω σύνδεση ανάστροφα, τότε έχουμε ανάστροφη πόλωση, όπου η δίοδος παρουσιάζει πολύ μεγάλη αντίσταση. Συμπερασματικά, η δίοδος μπορεί να θεωρηθεί ως ένας διακόπτης: όταν πολώσουμε μία δίοδο ορθά τότε αυτή επιτρέπει το ρεύμα να περάσει από μέσα της. όταν την πολώσουμε ανάστροφα, τότε διακόπτει το κύκλωμα! (Σχήμα 3) |
 |
Η αλήθεια είναι πως κατά την ορθή πόλωση της διόδου υπάρχει μία μικρή τιμή του δυναμικού που πρέπει να ξεπεραστεί ώστε να αρχίσει να περνάει ρεύμα από τη δίοδο. Αυτή η ελάχιστη τάση που χρειάζεται είναι περίπου 0.7 Volt για το πυρίτιο και 0.3 Volt για το γερμάνιο. Επίσης, κατά την ανάστροφη πόλωση, το ρεύμα δεν μηδενίζεται τελείως αλλά υπάρχει ένα πάρα πολύ μικρό ρεύμα, το ρεύμα διαρροής. Μία δίοδος είναι ικανή να δεχτεί μία μέγιστη ανάστροφη τάση. Μετά από την τιμή αυτής της τάσης "καταρρέει", δηλαδή παύει να λειτουργεί σαν ανοιχτός διακόπτης, περνάει από μέσα της υψηλό ρεύμα και την καταστρέφει. Αρα είναι σημαντικό να γνωρίζουμε την μέγιστη ανάστροφη τάση μιας διόδου (τάση κατάρρευσης) καθώς και τη μέγιστη ισχύ (γινόμενο τάσης επί ρεύμα) στην οποία μπορεί να λειτουργήσει χωρίς να καταστραφεί. Η υπερθέρμανση αποτελεί αιτία καταστροφής μιας ηλεκτρονικής συσκευής. Για το λόγο αυτό φροντίζουμε με απαγωγούς θερμότητας (π.χ. ψύκτρες) να κρατάμε τη θερμοκρασία σταθερή (έως 150οC για πυρίτιο και έως 75οC για το γερμάνιο).
| Θα πρέπει εδώ να σημειώσουμε, πως για μια ειδική κατηγορία διόδων, τις ονομαζόμενες διόδους Zener, ισχύουν όλα τα παραπάνω συν το γεγονός ότι η τάση κατάρρευσης είναι πολύ μικρότερη από ότι στις κανονικές διόδους. Αυτό είναι ιδιαίτερα χρήσιμο στις εφαρμογές, όπου και χρησιμοποιείται η Zener με ανάστροφη πόλωση. Το κυκλωματικό σύμβολο της Zener δίνεται στο Σχήμα 4 |  |
Συντάκτρια: Παπαδοπούλου Φωτεινή (Ηλεκτρολόγος Μηχανικός)
Διαφήμιση