Warum kann Strom durch eine Diode nur in eine Richtung fließen?

Eine Diode besteht aus zwei Materialien, die als p-Typ- und n-Typ-Halbleiter bekannt sind und in Reihe geschaltet sind, wodurch der Strom unterschiedlich durch sie fließen kann. Im Halbleiter vom n-Typ bewegen sich Elektronen mit genügend Energie, so dass sie nicht an ein Atom gebunden sind und sich im Leitungsenergieband befinden sollen. Bei Halbleitern vom p-Typ „hüpfen“ Elektronen von Atom zu Atom, denen aber die Energie fehlt, sie zu befreien, befinden sich angeblich im Valenzenergieband.

An der Grenzfläche zwischen den n-Typ- und p-Typ-Materialien muss sich ein wanderndes Elektron entweder vom n-Typ zum p-Typ in einer Richtung und vom p-Typ zum n-Typ in der anderen Richtung bewegen, um fortzufahren ziehen um. Gibt es einen Unterschied zwischen den beiden Richtungen?

Nun, ein Elektron, das sich vom n-Typ- zum p-Typ-Material bewegt, kann spontan auftreten, weil die Energie des freien Elektrons als Strahlung freigesetzt wird und es sich in einen niedrigeren Energiezustand bewegen kann, der an ein Atom im p-Typ-Halbleiter gebunden ist. Aber um vom p-Typ zum n-Typ zu wechseln, muss es irgendwo Energie gewinnen, und das ist nicht spontan, weil es keine Garantie dafür gibt, dass ein anderer Prozess diese Energie liefert.

Stellen Sie sich einen Ball auf der Spitze eines Hügels vor: Er kann sich von oben nach unten bewegen und dabei spontan Energie freisetzen, aber ein anderer Prozess muss die Energie liefern, um ihn von unten nach oben zu bringen. Und diese Analogie liefert eine grundlegende Erklärung dafür, warum eine Diode in eine Richtung leitet, aber nicht in die andere.

Lassen Sie mich noch eine weitere Art von Erklärung versuchen, die ich auf die PN-Übergangsdiode beschränken werde (deckt praktisch alle Dioden ab, die in modernen Schaltungen verwendet werden).

Die Diode besteht aus einem p-dotierten Bereich (p-Typ), der gegen einen n-dotierten Bereich (n-Typ) geschlagen wird. Beim p-Typ wird der Elektronenfluss (e-) weitgehend durch Elektronen erreicht, die sich von Loch zu Loch bewegen. Dies ist elektrisch genau analog (und wird oft visualisiert) als Löcher, die sich in eine dem e-Fluss entgegengesetzte Richtung bewegen (obwohl es keine physikalische Bewegung der positiven Ladung gibt). Im n-Typ gibt es lose gebundene e-, die sein können gespendet (umgezogen).

Am PN-Übergang der Diode fallen lose gebundene e- im n-Typ in die Löcher des benachbarten p-Typs. Was Sie dann haben, ist eine Fülle von e- in einer dünnen Schicht der p-Typ-Schicht am Übergang und eine Verarmung davon (wodurch eine positive Nettoladung erzeugt wird) in einer dünnen Schicht des n-Typs. Dies baut ein positives Spannungsfeld beim n-Typ relativ zu einem negativen Spannungsfeld beim p-Typ auf. Dies schiebt jedes freie e- im n-Typ weiter von der Verbindungsstelle weg. Das Ergebnis ist eine dünne PN-Schicht, die keine freien Löcher und kein freies e- hat. Die Schicht wird zu einem Isolator.

Wenn Sie nun eine positive Spannung an den p-Typ und eine negative an den n-Typ anlegen, werden e- im p-Typ entfernt, wodurch freie Löcher entstehen. Gleichzeitig wirkt die positive Spannung der Sperrspannung entgegen, die im PN-Übergang aufgebaut wurde, und e- im n-Typ werden näher an den p-Typ gedrückt, wo sie sich kreuzen und die neuen Löcher füllen können. Strom fließt.

Wenn Sie jedoch eine positive Spannung an den n-Typ und eine negative an den p-Typ anlegen ("die Diode in Sperrrichtung vorspannen"), verstärken Sie einfach den Spannungsgradienten, der bereits natürlich im PN-Übergang aufgebaut wurde. Die e- werden noch weiter vom PN-Übergang weg gezwungen, und die isolierende Grenze (Verarmungsbereich) wird dicker. Es fließt kein Strom.

Um mehr in die Tiefe zu gehen, könnte man einen guten Teil eines Aufbaustudiengangs in Materialwissenschaften belegen. Ich hoffe das was ich geschrieben habe reicht.

Dies hängt wirklich von der Art der Diode ab, von der Sie sprechen, aber für die gängigsten Typen gibt es einen sogenannten PN-Übergang, der den Stromfluss nur in eine Richtung zulässt. Diese Seite:

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

auf Wikipedia erklärt, wie eine PN-Kreuzung funktioniert. Die Kurzversion ist, dass die Spannung über einem bestimmten Schwellenwert liegen muss, der durch die Materialien in der Verbindungsstelle definiert ist, bevor der Saft fließen kann. Dies zeigt sich in der IV-Kennlinie als Punkt im Diagramm, an dem die Ableitung unstetig ist. Die Details zu anderen Merkmalen der IV-Kurve sind abhängig von den verwendeten Materialien zu gewinnen, aber es ist der Übergang und das Anlegen einer Spannung jenseits dieser Schwelle, was bedeutet, dass Sie eine Diode an Ihren Händen haben.