Почему электричество может течь только в одном направлении через диод?

Диод состоит из двух материалов, известных как полупроводники p-типа и n-типа, соединенных последовательно, что позволяет току течь через них по-разному. В полупроводнике n-типа электроны движутся с достаточной энергией, так что они не связаны с атомом и, как говорят, находятся в энергетической зоне проводимости. В полупроводнике p-типа электроны «прыгают» от атома к атому, но им не хватает энергии для их освобождения, и говорят, что они находятся в валентной энергетической зоне.

На границе между материалами n-типа и p-типа движущийся электрон должен двигаться либо от n-типа к p-типу в одном направлении, либо от p-типа к n-типу в другом, чтобы продолжить движение. движущийся. Есть ли разница между двумя направлениями?

Ну, электрон, перемещающийся из материала n-типа в материал p-типа, может происходить спонтанно, потому что энергия свободного электрона высвобождается в виде излучения, и он может перейти в более низкое энергетическое состояние, присоединившись к атому в полупроводнике p-типа. Но чтобы перейти от p-типа к n-типу, он должен откуда-то получить энергию, и это не происходит самопроизвольно, потому что нет никакой гарантии, что какой-то другой процесс обеспечит эту энергию.

Подумайте о мяче на вершине холма: он может двигаться с вершины вниз, самопроизвольно высвобождая энергию, но какой-то другой процесс должен обеспечить энергию, чтобы поднять его с основания на вершину. И эта аналогия дает основное объяснение того, почему диод проводит в одном направлении, а не в другом.

Позвольте мне попробовать еще одно объяснение, которое я ограничу диодом с PN-переходом (охватывает практически все диоды, используемые в современных схемах).

Диод состоит из p-легированной области (p-типа), примыкающей к n-легированной области (n-типа). В p-типе поток электронов (e-) в основном осуществляется электронами, перемещающимися от дырки к дырке. Электрически это в точности аналогично (и часто визуализируется), когда дырки движутся в направлении, противоположном потоку электронов (хотя физического движения положительного заряда нет). В n-типе существуют слабо связанные электроны, которые могут быть подарен (перенесен).

В PN-переходе диода слабо связанные е- в n-типе попадают в отверстия соседнего p-типа. То, что вы тогда имеете, - это изобилие e- в тонком слое слоя p-типа на стыке и их истощение (создание общего положительного заряда) в тонком слое n-типа. Это устанавливает положительное поле напряжения в n-типе по сравнению с отрицательным в p-типе. Это отодвигает любой свободный e- в n-типе дальше от соединения. В результате получается тонкий слой PN, в котором нет свободных дырок и свободных e-. Слой становится изолятором.

Теперь, если вы приложите положительное напряжение к p-типу и отрицательное к n-типу, e- в p-типе удаляются, освобождая отверстия. Одновременно положительное напряжение противодействует обратному напряжению, которое было установлено в PN-переходе, а e- в n-типе сближаются с p-типом, где они могут пересекаться и заполнять новые отверстия. Текущие потоки.

Если, однако, вы приложите положительное напряжение к n-типу и отрицательное к p-типу («обратное смещение» диода), вы просто усилите градиент напряжения, который уже был естественным образом установлен в PN-переходе. e- вытесняются еще дальше от PN-перехода, и изолирующая граница (область истощения) утолщается. Течения тока нет.

Чтобы получить более глубокие знания, может потребоваться значительная часть курса магистратуры по материаловедению. Надеюсь, того, что я написал, достаточно.

Это действительно зависит от типа диода, о котором вы говорите, но для наиболее распространенных типов есть то, что называется PN-переходом, который позволяет току течь только в одном направлении. Эта страница:

http://en.wikipedia.org/wiki/PN_junction

в Википедии объясняется, как работает PN-соединение. Короткая версия заключается в том, что напряжение должно быть выше определенного порога, определяемого материалами в соединении, прежде чем сок сможет течь. Это проявляется на характеристической кривой IV как точка на графике, где производная прерывиста. Подробная информация о других характеристиках кривой IV доступна для захвата в зависимости от используемых материалов, но это соединение и приложение напряжения за пределами этого порога, что означает, что у вас есть диод в ваших руках.