Οι ημιαγωγοί αποτελούν ένα από τα βασικότερα υλικά για την ανάπτυξη διατάξεων της σύγχρονης ηλεκτρονικής τεχνολογίας, όπως τα ολοκληρωμένα κυκλώματα. Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα αποτελούν τα πιο σημαντικά ηλεκτρονικά εξαρτήματα για την ανάπτυξη των σύγχρονων ηλεκτρονικών συσκευών, όπως τα κινητά τηλέφωνα, οι προσωπικοί ηλεκτρονικοί υπολογιστές, οι διακομιστές του διαδικτύου και πλήθος άλλων κατασκευών.

Οι ημιαγωγοί που χρησιμοποιούνται στην ηλεκτρονική βιομηχανία, είναι το γερμάνιο (Ge) το πυρίτιο (Si) και το αρσενικούχο γάλλιο (GaAs). Επειδή το γερμάνιο είναι ευαίσθητο στις μεταβολές της θερμοκρασίας χρησιμοποιείται σε ειδικές περιπτώσεις όπως στους αισθητήρες θερμοκρασίας, ενώ το αρσενικούχο γάλλιο είναι πέντε φορές ταχύτερο από τους άλλους ημιαγωγούς και γι’ αυτό χρησιμοποιείται στα ολοκληρωμένα κυκλώματα υπολογιστών, όπου θέλουμε υψηλές ταχύτητες λειτουργίας.

Ενδογενής ημιαγωγός

Το πυρίτιο είναι ένα τετρασθενές στοιχείο, δηλαδή στο άτομο του διαθέτει τέσσερα ηλεκτρόνια σθένους, στην εξωτερική στοιβάδα. Σε καθαρή μορφή (ενδογενές πυρίτιο) το καθένα από αυτά τα τέσσερα ηλεκτρόνια σθένους, σχηματίζει με ένα ηλεκτρόνιο από τα τέσσερα γειτονικά του άτομα και από ένα ομοιοπολικό δεσμό, σχηματίζοντας το κρυσταλλικό πλέγμα.

Σε θερμοκρασία δωματίου, ο ενδογενής ημιαγωγός δεν είναι ιδιαίτερα αγώγιμος. Σε αυτή την θερμοκρασία κάποια ηλεκτρόνια των ομοιοπολικών δεσμών παίρνουν αρκετή κινητική ενέργεια, με αποτέλεσμα να σπάσουν οι ομοιοπολικοί δεσμοί και να αφήσουν ακάλυπτα ηλεκτρόνια που έχουν την ιδιότητα να κινούνται μέσα στο σώμα του ημιαγωγού, καθώς επίσης δημιουργούνται κενές θέσεις στους ομοιοπολικούς δεσμούς, σχηματίζοντας «οπές». Αυτές οι οπές καλύπτονται από ηλεκτρόνια από άλλων σπασμένων ομοιοπολικών δεσμών. Οι οπές αντιπροσωπεύουν θετικό φορτίο που κινείται σε αντίθετη κατεύθυνση από την κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων.

Εξωγενής ημιαγωγός

Για να αποκτήσει το καθαρό πυρίτιο χρήσιμες ηλεκτρικές ιδιότητες, υποβάλλεται σε διαδικασία πρόσμιξης, προσθέτοντας ξένα άτομα στο κρυσταλλικό πλέγμα δημιουργώντας τον εξωγενή ημιαγωγό. Επειδή η αναλογία πρόσμιξης είναι πολύ μικρή και συγκεκριμένα ένα μέρος στα 10⁹, ο αρχικός ημιαγωγός πρέπει να είναι πολύ καθαρός χωρίς προσμίξεις.

Ο ημιαγωγός τύπου n προκύπτει με πρόσμιξη πεντασθενών στοιχείων (π.χ. αρσενικό, φώσφορος) στο κρυσταλλικό πλέγμα. Επειδή στα πεντασθενή στοιχεία πρόσμιξης το πέμπτο ηλεκτρόνιο είναι χαλαρά δεμένο με το γονικό άτομο, με πολύ λίγη κινητική ενέργεια αποσπάται από αυτό και γίνεται ελεύθερο με αποτέλεσμα το άτομο να μετατραπεί σε θετικό ιόν. Αυτό το ελεύθερο ηλεκτρόνιο μπορεί και κινείται μέσα στο σώμα του ημιαγωγού αυξάνοντας εκθετικά την αγωγιμότητα του.

Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια λειτουργούν σαν κινητά αρνητικά φορτία. Σε ένα ημιαγωγό τύπου n, υπάρχει μεγάλος αριθμός ελεύθερων ηλεκτρονίων που λέγονται φορείς πλειονότητας και ένας πολύ μικρός αριθμός οπών που αντιπροσωπεύουν θετικά φορτία και λέγονται φορείς μειονότητας.

Όμοια, ο ημιαγωγός τύπου p προκύπτει με πρόσμιξη τρισθενών στοιχείων (π.χ. βόριο) στο κρυσταλλικό πλέγμα. Καθένα από τα τρία ηλεκτρόνια σθένους του ατόμου πρόσμιξης, σχηματίζει και από ένα ομοιοπολικό δεσμό, με τα ηλεκτρόνια σθένους γειτονικών ατόμων. Το τρισθενή άτομο πρόσμιξης, για να καλυφθεί, προσλαμβάνει και από ένα ηλεκτρόνιο, από κοντινό σπασμένο ομοιοπολικό δεσμό και με αυτό σχηματίζει ομοιοπολικό δεσμό με γειτονικό του άτομο πυριτίου, με αποτέλεσμα το τρισθενές άτομο να μετατραπει σε αρνητικό ιόν, με τον ταυτόχρονο σχηματισμό οπής στον σπασμένο ομοιοπολικό δεσμό.

Οι οπές αυτές λειτουργούν σαν κινητά θετικά φορτία. Στον ημιαγωγό τύπου p υπάρχει μεγάλος αριθμός από οπές που λέγονται εδώ φορείς πλειονότητας και ένας πολύ μικρός αριθμός ελεύθερων ηλεκτρονίων που εδώ λέγονται φορείς μειονότητας.

Δίοδος ημιαγωγού

Αν ενώσουμε ένα υλικό ημιαγωγού τύπου n μαζί με ένα υλικό τύπου p δημιουργούμε μια δίοδο ημιαγωγού επαφής τύπου p-n.

Την στιγμή που τα δυο υλικά «ενώνονται» τα ηλεκτρόνια και οι οπές που βρίσκονται στην περιοχή γύρω από την επαφή θα συγκεντρωθούν και θα επανασυνδεθούν με αποτέλεσμα να δημιουργηθεί έλλειψη ελεύθερων φορτίων κοντά στην επαφή.

Σε αυτή την περιοχή γύρω από την επαφή υπάρχουν εναπομείναντα θετικά και αρνητικά ιόντα μετά την απορρόφηση των ελεύθερων φορέων, που ονομάζεται περιοχή απογύμνωσης. Το δυναμικό της περιοχής απογύμνωσης αποτρέπει την περαιτέρω κίνηση ελεύθερων φορτίων δημιουργώντας μια σταθερή περιοχή απογύμνωσης.

Αν στα άκρα των δυο υλικών συνδεθούν αγωγοί, τότε δημιουργείται μια διάταξη δυο ακροδεκτών. Με την εφαρμογή μιας εξωτερικής τάσης στους δυο ακροδέκτες της διάταξης, λέμε ότι έχουμε πόλωση της διόδου.

Ανάστροφη πόλωση έχουμε όταν εφαρμόσουμε μια πηγή τάσης (εξωτερικό δυναμικό) στα άκρα μιας επαφής p-n έτσι ώστε ο θετικός ακροδέκτης να συνδέεται στο υλικό τύπου n και ο αρνητικός ακροδέκτης να συνδέεται στο υλικό τύπου p.

Στην ανάστροφη πόλωση ο αριθμός των ακάλυπτων θετικών ιόντων στην περιοχή απογύμνωσης του υλικού τύπου n θα αυξηθεί λόγω του μεγάλου αριθμού ελεύθερων ηλεκτρονίων που έλκονται από το θετικό δυναμικό της εφαρμοζόμενης τάσης. Αντίστοιχα, ο αριθμός των ακάλυπτων αρνητικών ιόντων θα αυξηθεί στο υλικό τύπου p. Σε κάθε περίπτωση, το τελικό αποτέλεσμα είναι η διεύρυνση της περιοχής απογύμνωσης, η οποία θα αποτελεί πλέον αξεπέραστο εμπόδιο για τους φορείς πλειονότητας, μειώνοντας την ροή τους στο μηδέν.

Επειδή σε θερμοκρασία δωματίου κάποιοι ομοιοπολικοί δεσμοί στην περιοχή απογύμνωσης «σπάνε» έχει σαν αποτέλεσμα να έχουμε ένα πολύ μικρό ανάστροφο κόρου που είναι της τάξης nA. Ο όρος κόρος ή κορεσμός οφείλεται στο γεγονός ότι φτάνει τη μέγιστη τιμή του γρήγορα και δεν αλλάζει σχεδόν καθόλου με την αύξηση της ανάστροφης πόλωσης.

Ορθή πόλωση έχουμε με την εφαρμογή θετικού δυναμικού στο υλικό τύπου-p και αρνητικό δυναμικό στο υλικό τύπου-n. Η εφαρμογή μιας τάσης V_D ορθής πόλωσης θα «πιέσει» τα ηλεκτρόνια στο υλικό τύπου-n και τις οπές στο υλικό τύπου-p για να ανασυνδυαστούν με τα ιόντα που βρίσκονται κοντά στην ένωση της επαφής και να μειώσει την περιοχή απογύμνωσης, όπως φαίνεται στο σχήμα. Η μείωση του εύρους της περιοχής απογύμνωσης έχει ως αποτέλεσμα μια πολύ μεγάλη ροή φορέων πλειονότητας κατά μήκος της επαφής. Ένα ηλεκτρόνιο του υλικού τύπου-n «βλέπει» τώρα ένα χαμηλότερο φραγμό στην επαφή εξαιτίας της στενότερης (ή μικρότερης) περιοχής απογύμνωσης και μια ισχυρή έλξη από το θετικό δυναμικό που εφαρμόζεται στο υλικό τύπου-p. Καθώς η εφαρμοζόμενη πόλωση αυξάνεται σε μέγεθος, το εύρος της περιοχής απογύμνωσης θα συνεχίσει να μειώνεται μέχρι την απρόσκοπτη διέλευση μεγάλου αριθμού ηλεκτρονίων μέσα από την επαφή, με αποτέλεσμα την εκθετική αύξηση του ρεύματος, όπως φαίνεται στην περιοχή ορθής πόλωσης των χαρακτηριστικών της διόδου.

Κυκλωματικό σύμβολο της διόδου

Το κυκλωματικό σύμβολο της διόδου απεικονίζεται στο σχήμα, όπου το «βέλος» δείχνει τον ημιαγωγό τύπου-n της διόδου. Το βέλος δείχνει τη φορά αναφοράς της κίνησης των θετικών φορτίων, δηλαδή τη συμβατική φορά του ρεύματος. Το άκρο του ημιαγωγού τύπου-p λέγεται άνοδος και το άκρο του ημιαγωγού τύπου-n λέγεται κάθοδος. Η αναφορά στην τάση στα άκρα της διόδου γίνεται με το θετικό πρόσημο στην άνοδο και το αρνητικό πρόσημο στην κάθοδο.

Κατά την ανάστροφη πόλωση μιας διόδου συνδέεται ο θετικός πόλος της πηγής τάσης στην κάθοδο της διόδου και του αρνητικού πόλου στην άνοδο της διόδου. Συνεπώς η τάση V_D στα άκρα της διόδου, ως προς το ζεύγος προσήμων αναφοράς στη δίοδο, είναι αρνητική V_D<0 και το ανάστροφο ρεύμα έχει κατεύθυνση αντίθετη από το βέλος αναφοράς ρεύματος της διόδου. Κατά την ορθή πόλωση, η τάση στα άκρα της διόδου είναι θετική (ως προς το ζεύγος προσήμων αναφοράς της τάσης) και το ρεύμα της διόδου έχει φορά που ταυτίζεται με το βέλος της διόδου.

Χαρακτηριστική της ημιαγωγικής διόδου

Με τη χρήση της φυσικής στερεάς κατάστασης, μπορεί να αποδειχθεί ότι οι γενικές χαρακτηριστικές μιας διόδου ημιαγωγού, για τις περιοχές ορθής και ανάστροφης πόλωσης καθορίζονται από την παρακάτω εξίσωση, η οποία αναφέρεται ως εξίσωση Shockley

Όπου:
I_S είναι το ανάστροφο ρεύμα κόρου
V_D είναι η εφαρμοζόμενη τάση ορθής πόλωσης στα άκρα της διόδου
n είναι ένας συντελεστής ιδανικής κατάστασης, ο οποίος είναι συνάρτηση των συνθηκών λειτουργείας και της φυσικής κατάστασης και έχει μια περιοχή τιμών από 1 έως 2 εξαρτώμενος από μια μεγάλη ποικιλία συνιστωσών. (σε αυτή τη σειρά άρθρων θεωρούμε n=1)

Η τάση V_T στην προηγούμενη εξίσωση λέγεται θερμική τάση και ορίζεται από τη σχέση

η οποία έχει περίπου τιμή V_T=26mV.

Η καμπύλη που αντιστοιχεί στην προηγούμενη εξίσωση που δίνει το ρεύμα της διόδου σαν συνάρτηση της τάσης στα άκρα της, με I_S=10μA φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα.

Αν αναπτύξουμε την εξίσωση στην παρακάτω μορφή, η συνεισφέρουσα συνιστώσα για κάθε περιοχή του σχήματος μπορεί να περιγράφεται με μεγαλύτερη σαφήνεια:

Για θετικές τιμές της V_D ο πρώτος όρος της εξίσωσης θα αυξηθεί πολύ γρήγορα και θα εξουδετερώσει την επίδραση του δεύτερου όρου. Το αποτέλεσμα για θετικές τιμές της V_D είναι η εξίσωση που ακολουθεί η οποία έχει την εκθετική μορφή:

Όπου το ρεύμα ορθής φοράς I_D της διόδου αυξάνει πάρα πολύ γρήγορα με την αύξηση της τάσης V_D

Για αρνητικές τιμές της V_D ο εκθετικός όρος μειώνεται πολύ γρήγορα κάτω από το επίπεδο του ρεύματος I_S και η εξίσωση που προκύπτει για το I_D είναι η εξής:

Οι χαρακτηριστικές των διόδων πυριτίου που κυκλοφορούν στο εμπόριο απέχουν από την ιδανική, για διάφορους λόγους, δυο από τους οποίους είναι η εσωτερική αντίσταση «σώματος» και η εξωτερική αντίσταση «επαφής» μιας διόδου. Η κάθε μια από αυτές συνεισφέρει σε μια επιπλέον τάση στο ίδιο επίπεδο ρεύματος, όπως ορίζεται από το νόμο του Ohm, προκαλώντας μετατόπιση της καμπύλης προς τα δεξιά. Αν και το πραγματικό ανάστροφο ρεύμα κόρου είναι 1000 φορές μεγαλύτερο από το θεωρητικό, αυτό εξακολουθεί να αγνοείται για τις περισσότερες εφαρμογές, διότι είναι πολύ μικρό.

Τάση γονάτου

Αν και η γενική μορφή των χαρακτηριστικών των διόδων είναι σχεδόν η ίδια για όλα τα υλικά, είναι εμφανές με την πρώτη ματιά, ότι το σημείο της κατακόρυφης ανόδου της κάθε χαρακτηριστικής είναι διαφορετικό για κάθε υλικό.

Το κεντρικό σημείο του γονάτου της καμπύλης, είναι γύρω στα 0,3V για το γερμάνιο (Ge), στα 0,7V για το πυρίτιο (Si) και στα 1,2V για το αρσενικούχο γάλλιο (GaAs). Η μορφή της καμπύλης στην περιοχή ανάστροφης πόλωσης είναι σχεδόν ίδια για κάθε υλικό, αλλά υπάρχει διαφορά στα μεγέθη των τυπικών τιμών των ανάστροφων ρευμάτων κόρου: 1pA για το αρσενικούχο γάλλιο, 10pA για το πυρίτιο και 1μA για το γερμάνιο

Η δίοδος Zener

Η δίοδος Zener είναι ένας ειδικός τύπος ημιαγωγικής διόδου που επιτρέπει τη ροή ρεύματος όχι μόνο προς τη μία κατεύθυνση (όπως οι απλές διόδοι), αλλά και αντίστροφα όταν η τάση φτάσει σε μια συγκεκριμένη τιμή, γνωστή ως τάση Zener (Vz) η οποία μπορεί να έχει τιμή από λίγα volts έως εκατοντάδες volts.

Σε αντίθεση με τις κοινές διόδους, οι οποίες καταστρέφονται αν πολωθούν ανάστροφα σε υψηλή τάση, η δίοδος Zener είναι σχεδιασμένη να λειτουργεί με ασφάλεια σε αυτήν την περιοχή.

Η χαρακτηριστική καμπύλη ρεύματος–τάσης (I–V) της Zener έχει δύο περιοχές: την ορθή πόλωση κατα την οποία λειτουργεί σαν κανονική δίοδος (~0.7V για πυρίτιο) και την ανάστροφη πόλωση στην οποία μόλις η τάση φτάσει το Vz, το ρεύμα αυξάνεται απότομα ενώ η τάση στα άκρα της παραμένει σχεδόν σταθερή. Αυτό είναι το βασικό χαρακτηριστικό που την καθιστά ιδανική για σταθεροποίηση τάσης.

Οι δίοδοι Zener είναι βασικά εξαρτήματα της ηλεκτρονικής, ιδιαίτερα χρήσιμα για: σταθεροποίηση τάσης, προστασία κυκλωμάτων και δημιουργία αναφορών τάσης.

Παρά την απλότητά τους, αποτελούν θεμέλιο λίθο σε πολλά κυκλώματα, από απλά τροφοδοτικά μέχρι πιο σύνθετα ηλεκτρονικά συστήματα.

Η δίοδος Varicap

Οι δίοδοι varicap αποτελούν βασικό στοιχείο στα σύγχρονα ηλεκτρονικά, ιδιαίτερα στις τηλεπικοινωνίες. Η ικανότητά τους να λειτουργούν ως ελεγχόμενοι πυκνωτές μέσω τάσης τις καθιστά απαραίτητες σε εφαρμογές όπου απαιτείται δυναμικός έλεγχος συχνότητας.

Η δίοδος varicap είναι μια ειδική δίοδος που λειτουργεί σε ανάστροφη πόλωση και εκμεταλλεύεται το φαινόμενο της μεταβολής της χωρητικότητας (capacitance) της επαφής p-n. Με άλλα λόγια συμπεριφέρεται σαν πυκνωτής του οποίου η χωρητικότητα αλλάζει με την τάση.

Αρχή λειτουργείας: όταν μια δίοδος πολώνεται ανάστροφα, δημιουργείται μια περιοχή απογύμνωσης (depletion region), όπου αυτή η περιοχή λειτουργεί σαν διηλεκτρικό και οι περιοχές p και n λειτουργούν σαν οπλισμοί πυκνωτή

Η δίοδος LED

Ένα LED είναι μια ειδική δίοδος, δηλαδή ένα εξάρτημα που επιτρέπει στο ρεύμα να περνάει μόνο προς μία κατεύθυνση. Όταν πολωθούν ορθά διέρχεται ρεύμα από αυτές με αποτέλεσμα το LED να ανάβει παράγοντας φως με την επανασύνδεση οπών και ηλεκτρονίων στην επαφή της διόδου.

Οι δίοδοι LED μπορούν να έχουν πολλά χρώματα, όπως: Κόκκινο, Πράσινο, Μπλε, Κίτρινο, Λευκό. Το χρώμα εξαρτάται από το υλικό από το οποίο είναι φτιαγμένο το LED.

Οι δίοδοι είναι πολύ δημοφιλή γιατί: καταναλώνουν λίγο ρεύμα, διαρκούν πολύ (χρόνια), δεν ζεσταίνονται πολύ, είναι ανθεκτικά, ανάβουν αμέσως

Οι δίοδοι υπάρχουν σχεδόν παντού: σε λάμπες σπιτιού, σε τηλεοράσεις και κινητά, σε φωτεινές πινακίδες, σε φώτα αυτοκινήτων, σε λαμπάκια συσκευών (π.χ. standby)

Συμβολισμός διόδων