Полупроводниковый диод

В основе работы полупроводникового диода лежат процессы, возникающие в области контакта двух полупроводников, один из которых имеет "электронную" проводимость (полупроводник n-типа), а другой − "дырочную" (полупроводник p-типа). На стыке их соединения образуется так называемый "p-n переход". Электрод, который подключается к n-области, называется катодом, а электрод, подключаемый к p-области, − анодом. Не вдаваясь в технологию получения соответствующих структур, рассмотрим в самом общем виде принцип работы полупроводникового диода.

В отсутствие напряжения между электродами имеют место следующие процессы.

Так как концентрация электронов в n-области больше, чем в p-области, электроны, являясь основными носителями заряда n-области, диффундируют через пограничный слой в p-область, образуя в ней отрицательный объемный заряд. Аналогичным образом "дырки", являясь основными носителями заряда в p-области, диффундируют в n-область, создавая в ней положительный объемный заряд. В результате вблизи пограничного слоя электрический потенциал n-области становится выше, чем потенциал p-области, т.е. возникает контактная разность потенциалов − потенциальный барьер, препятствующие дальнейшей диффузии электронов и "дырок" в соседние области.

Наряду с движением основных носителей зарядов в таком переходе существует и движение (дрейф) неосновных носителей зарядов. Это дырки из области n и электроны из области p. Они также перемещаются в противоположную область через переход. Не смотря на то, что этому способствует образовавшееся поле ввиду диффузии основных носителей, ток получается ничтожно малым, так как количество неосновных носителей зарядов очень мало.

При прямом включении диода, когда положительный полюс источника подключен к аноду, а отрицательный − к катоду, т.е. навстречу контактной разности потенциалов, потенциальный барьер уменьшается. Вследствие этого диффузия электронов и "дырок" значительно облегчается, и во внешней цепи возникает электрический ток. Иначе говоря, и дырки из области p и электроны из области n будут двигаться к границе раздела, и увеличится ток основных носителей заряда.

При обратном включении диода, когда положительный полюс источника подключен к катоду, а отрицательный − к аноду, потенциальный барьер возрастает. При этом диффузия электронов и "дырок" через p-n переход практически прекращается, и в зоне p-n перехода не остается основных носителей заряда, обеспечивающих ток. Наряду с этим условия для дрейфа неосновных носителей улучшаются, но ввиду малого их количества, ток оказывается ничтожно малым. Если обратное напряжение будет чрезмерно высоко, то наступит электрический пробой − лавинообразный процесс, приводящий к разрушению ковалентных связей электронами, ускоренными внешним электрическим полем.

Зависимость тока, протекающего через p-n переход, от приложенного напряжения представляет собой вольт-амперную характеристику диода.

Обозначение на схемах и вольт-амперная характеристика полупроводникового диода представлены на рис. 7.2.

а) б)

Рис. 7.2. Изображение на схемах (а) и

вольт-амперная характеристика (б) диода

Как видно из рисунка, ток в прямом направлении значительно больше, чем в обратном. Соответственно и статическое сопротивление (например, угол α в точке А) на прямой ветви характеристики (рис. 7.2,б) значительно меньше статического сопротивления на обратной ветви (например, угол α₁ в точке А₁). При увеличении приложенного напряжения вольт-амперная характеристика в первом квадранте становится практически прямой линией, поэтому диод в проводящем направлении может быть представлен эквивалентной схемой из двух линейных элементов: активного сопротивления, равного дифференциальному сопротивлению R_д, определяемому углом β на рис. 7.2.б, и источником ЭДС, равным по величине напряжению U₀. Такая схема замещения представлена на рис. 7.3,а.

Ей соответствует вольт-амперная характеристика на рис. 7.3,б, которая выражается уравнением

U=U₀+k·tg β·I=U₀+ R_д ·I.

Если параметры схемы, в которой рассматривается работа диода, таковы, что можно пренебречь дифференциальным сопротивлением, то вольт-амперную характеристику диода в проводящем направлении можно представить в виде, как на рис. 7.3,в, а схема замещения диода в этом случае будет представлять источник ЭДС, равный напряжению U₀.

а) б) в) г)

Рис. 7.3.Схема замещения диода (а) и его вольт-амперные характеристики:

б) для схемы замещения а); в) при R_д=0; г) при R_д=0 и U₀=0

В тех случаях, когда точность расчета цепей, содержащих полупроводниковые диоды, позволяет пренебречь падением напряжения на них, то вольт-амперную характеристику реального диода заменяют характеристикой идеального диода, который в прямом направлении имеет нулевое сопротивление, а в обратном − равное бесконечности. Вольт-амперная характеристика идеального диода представлена на рис. 7.3,г.

Если приложить к диоду достаточно высокое обратное напряжение, произойдет пробой перехода. Данный режим является для диода аварийным и приводит к выходу его из строя.

К основным параметрам полупроводниковых диодов относятся:

− номинальный прямой ток;

− падение напряжения на диоде при номинальном токе;

− максимально допустимый ток (среднее значение или постоянная составляющая переменного тока);

− максимальное обратное напряжение;

− максимальный обратный ток при допустимом обратном напряжении.