Полупроводниковый диод

В основе большинства полупроводниковых диодов и транзисторов лежит контакт двух полупроводников с различным типом электропроводности. Такой контакт называют электронно-дырочным переходом или p-n-переходом. Он может быть получен, например, путём диффузии донорной примеси в полупроводник p-типа.

В зоне контакта электроны из n полупроводника диффундируют в область p полупроводника. Встречая на своём пути дырки, электроны рекомбинируют с ними и выходят из игры. Этот процесс поддерживается постоянно, и таким образом реализуется состояние динамического равновесия: в приграничном слое в р полупроводнике постоянно присутствует слой отрицательного заряда. Аналогично положительно заряженные дырки из р полупроводника диффундируют в приграничный слой n полупроводника, в котором возникает слой положительного заряда (см. рис. 4.2a). Эти поверхностные заряды образуют систему, подобную плоскому конденсатору так, что распределение потенциала имеет вид ступеньки (рис. 4.2а).

Рис. 4.2. Схема действия полупроводникового диода.

Прямое напряжение

(U_Д > 0) – малое сопротивление.

Обратное напряжение

(U_Д < 0) – большое сопротивление.

Говорят, что возникает контактная разность потенциалов. Ток неосновных носителей при этом практически ничтожен, так как он лимитируется малым числом неосновных носителей.

Теперь рассмотрим, что будет, если к р полупроводнику приложить положительное напряжение, а к n полупроводнику – отрицательное, как показано на рис. 4.2б. В этом случае возникает ток, причём положительные дырки движутся слева направо, а отрицательные электроны справа налево. В области контакта эти потоки встречаются и рекомбинируют. За счёт этого притока темп рекомбинации в области контакта становится больше, чем в случае отсутствия тока через контакт. Увеличение рекомбинации в контакте приводит к тому, что объёмные заряды в области контакта уменьшаются, следовательно, уменьшается и контактная разность потенциалов. Это в свою очередь уменьшает сопротивление контакта. Таким образом, при такой полярности напряжения ток нелинейно возрастает при увеличении напряжения. Такой режим диода называют работой в прямом направлении. В прямом направлении сопротивление диода нелинейно уменьшается с увеличением напряжения.

Рассмотрим, что будет, если приложить напряжение обратной полярности, как показано на рис. 4.2в. В этом случае возникает такой ток, что положительные дырки двигаются справа налево, а отрицательные электроны – слева направо. При этом основные носители – и электроны, и дырки – движутся прочь от области контакта. В результате процессы рекомбинации в области контакта замедляются. Это приводит к увеличению объёмных зарядов вблизи контакта, а, следовательно, и к увеличению контактной разности потенциалов. В свою очередь это значительно увеличивает сопротивление контакта. Такой режим диода называют работой в обратном направлении. В обратном направлении сопротивление диода велико, и ток практически отсутствует.

Если продолжать увеличение напряжения обратной полярности, то при некотором напряжении произойдёт пробой перехода. Это связано с тем, что в закрытом состоянии перехода почти всё приложенное напряжение действует в тонком пограничном слое. Поэтому в нём формируется большая напряжённость электрического поля, способная ускорить электрон на малом расстоянии до энергий, достаточных для "выбивания" электрона из ковалентной связи. Далее уже оба электрона будут ускорены, они выбьют ещё электроны и так далее. Получится подобие электронной лавины, приводящей к пробою перехода.

Можно дать и простое, наглядное объяснение таких сильных отличий проводимости перехода в разных направлениях. При включении перехода в прямом направлении (рис. 4.2б) дырки в левой области будут двигаться к границе раздела, и электроны из правой области также будут двигаться к границе раздела. На границе они будут рекомбинировать. Ток на всех участках цепи обеспечивается основными носителями, сам переход обогащён носителями тока. Проводимость перехода будет большой.

При включении перехода в обратном направлении и дырки в левой области будут двигаться от границы раздела, и электроны из правой области также будут двигаться от границы раздела. На границе раздела областей, в итоге, не останется основных носителей тока. Ток на этой границе обеспечивается очень малым числом неосновных носителей, образовавшихся вблизи тонкого перехода. Проводимость перехода будет малой.

Таким образом, р-n переход хорошо проводит ток в прямом направлении и практически не проводит ток в обратном направлении. Такие полупроводниковые диоды широко применяются в электронике. На рис. 4.3 изображена типичная вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода. Типичные величины прямого напряжения порядка U_ПРЯМ ~ 0.5 В.

Из сказанного выше ясно также, что диод в закрытом состоянии обладает ёмкостью. Характерная нелинейная зависимость ёмкости от обратного напряжения на диоде приведена на рис. 4.5. Ёмкость С перехода зависит от площади S контакта, типичная величина – C/S ~ 10³ пФ/см². Комбинация сопротивления контакта и ёмкости определяет его быстродействие в радиотехнических устройствах, которое обычно измеряют величиной предельной частоты, вплоть до которой используется данный диод. Типичная частота для точечного p-n-перехода f = (RC)^–1 ~ 10¹² Гц, для плоскостного p-n-перехода f = (RC)^–1 ~ 10⁹ Гц.

Рис. 4.3. Рис. 4.4.

Вот как выглядит вольт-амперная Та же характеристика, но масштаб

характеристика силового для обратного тока увеличен в 1000 раз.

кремниевого диода Д233. Обратите внимание! Во многих

учебниках ВАХ диода рисуют как на

этом рисунке, а про смену масштаба
пишут очень маленькими буквами!

Рис. 4.5.

Зависимость ёмкости диода (варикапа) BB201 от обратного напряжения.

Рис. 4.6. Здесь изображена прямая часть Рис. 4.7. Это прямая часть вольт-амперной

вольт-амперной характеристики точечного характеристики силового

германиевого диода Д2Е. Она хорошо кремниевого диода Д233.

описывается квадратичной зависимостью.

Заметьте, что при напряжениях в несколько десятых вольта сопротивления диодов очень большое, и ток в прямом направлении через него практически не идёт. А при напряжении

больше 0.5 В дифференциальное сопротивление порядка единиц Ом. Это свойство

используется в ограничителях входного напряжения.

Рис. 4.8.

Аналогично выглядит и характеристика высокочастотного кремниевого диода КД521А. Касательная к характеристике в выбранной точке даёт дифференциальное сопротивление около 7 Ом.

ВАХ кремниевого диода сильно отличается от германиевого и уже нельзя говорить о квадратичной зависимости. Сплошная кривая i ~ U⁴ .

Зависимость обратного тока от напряжения у всех диодов выглядит примерно одинаково. Обратный ток очень мал и он растёт с ростом напряжения.