3.7. Полупроводниковые диоды
1. Электронно-дырочный переход
Основным элементом большинства полупроводниковых приборов является электронно-дырочный переход (p-n переход) – область на границе двух полупроводников с электронный и дырочной проводимостью.
При отсутствии внешнего электрического поля за счет теплового движения носители
заряда будут диффундировать из области с большей концентрацией в область с
меньшей концентрацией: электроны из n области
переходят в р область, дырки – в обратном направлении
(см. рисунок 3.26а,
где темными кружками изображены электроны, светлыми – дырки). В результате ухода
электронов в n области остаются положительные ионы
донорной примеси, а в результате ухода дырок в p
области остаются отрицательные ионы акцепторной примеси. Кроме этого, электроны,
пришедшие в р область, рекомбинируют с дырками, образуя отрицательные ионы.
Аналогично, дырки в n области рекомбинируют с
электронами, образуя положительные ионы.
В результате на границе между областями образуется двойной слой разноименно заряженных ионов (на рисунке ионы показаны кружками с плюсом и минусом). Этот слой называется запирающим. Он обеднен основными носителями заряда и обладает большим сопротивлением по сравнению с сопротивлением n и p областей.
Между образовавшимися объемными зарядами существует электрическое поле с разностью потенциалов 0,3-0,7 В (контактная разность потенциалов). Напряженность этого поля Ек направлена из n области в р область (рис. 3.26а).
Она препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда и способствует переходу неосновных носителей в соседнюю область. Для основных носителей в этом случае возникает потенциальный барьер, высота которого равна контактной разности потенциалов.
Электрический ток, созданный диффузией основных носителей через переход, называется диффузионным. Электрический ток, созданный движением неосновных носителей под действием электрического поля, называется дрейфовым. Эти токи направлены в разные стороны и в отсутствие внешнего электрического поля компенсируют друг друга. Поэтому полный ток через переход равен нулю.
2. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода
Полупроводниковый диод представляет собой кристалл с электронно-дырочным переходом, к противоположным областям которого присоединены контакты для включения в цепь. Рассмотрим процессы протекания тока через диод при различной полярности внешнего напряжения.
Сначала подключим положительный полюс источника напряжения к области р-типа, а отрицательный – к области n-типа (прямое подключение) и будем постепенно увеличивать подаваемое напряжение (рис. 3.26 б). Напряженность внешнего электрического поля Епр направлена противоположно напряженности электрического поля запирающего слоя Ек, высота потенциального барьера понижается, что способствует движению основных носителей заряда через переход. Сопротивление перехода резко уменьшается и уже при напряжении десятые доли вольта запирающий слой (и, соответственно, потенциальный барьер) практически исчезает. Поэтому на начальном участке прямая ветвь вольт-амперной характеристики (зависимость силы тока в элементе от приложенного к нему напряжения) полупроводникового диода имеет значительную нелинейность, а затем становится почти линейной (рис. 3.27а). Небольшая нелинейность здесь объясняется тем, что при увеличении силы тока n и p области нагреваются и их сопротивление уменьшается (за счет генерации основных носителей заряда). У германиевых диодов рост тока начинается уже при напряжении около 0,1 В, а у кремниевых – около 0,5 В (рис. 3.27а).
При повышении температуры происходит разрыв ковалентных связей в
полупроводниках, что приводит к увеличению концентрации носителей и,
соответственно, уменьшению сопротивления. Поэтому при повышении температуры
прямая ветвь вольт-амперной характеристики приближается к оси силы тока (рис.
3.28).
Если к диоду приложить напряжение обратной полярности (обратное подключение), то направление напряженности внешнего поля совпадет с направлением напряженности запирающего электрического слоя (рис. 3.26 в). Результирующее поле усиливается (потенциальный барьер повышается). Толщина запирающего слоя, а, следовательно, и сопротивление перехода значительно увеличивается. Это приводит к почти полному прекращению тока основных носителей и почти не увеличивает ток неосновных носителей, поскольку их число ограничено. В результате при увеличении обратного напряжения обратный ток через переход сначала резко увеличивается (за счет уменьшения тока основных носителей, направленного навстречу току неосновных), а затем практически не изменяется (рис. 3.27б). Рост обратного тока происходит за счет нагрева перехода током, а также за счет увеличения числа носителей заряда в результате ударной ионизации (при высоком обратном напряжении электроны приобретают большую скорость и энергию, достаточную для выбивания из атомов кристаллической решетки новых электронов).
Обратный ток сильно зависит от температуры и у германиевых диодов он значительно
больше, чем у кремниевых. Поэтому германиевые диоды можно использовать как
датчики температуры при их обратном включении.
При некотором значении обратного напряжения возникает электрический пробой p-n перехода (при нем еще не происходит разрушения структуры вещества). Сопротивление запирающего слоя значительно уменьшается и обратный ток резко возрастает (участок А-Б-В на рисунке 3.27б). Могут существовать два вида электрического пробоя – лавинный и туннельный. Лавинный пробой происходит за счет лавинного увеличения числа носителей в результате ударной ионизации. Он характерен для p-n переходов большой толщины, получающихся при малой концентрации примесей в полупроводниках. В тонких переходах возможен туннельный пробой за счет туннельного эффекта. Работа диода в режиме электрического пробоя используется в специальных типах диодов – полупроводниковых стабилитронах.
При дальнейшем увеличении напряжения возникает тепловой пробой перехода (участок В-Г). При протекании большого обратного тока в переходе выделяется количество теплоты больше того, которое отводится от перехода. Поэтому температура перехода увеличивается, сопротивление уменьшается и ток еще больше возрастает. Переход перегревается и вещество разрушается.
Анализ прямого и обратного подключения диода к источнику напряжения позволяет сделать вывод, что полупроводниковый диод хорошо проводит ток в прямом направлении и очень плохо в обратном. Это свойство диода позволяет применять его для выпрямления переменного тока.
3. Проверка исправности и определение выводов диодов
Проверка исправности полупроводниковых диодов может осуществляться с помощью омметра. Для этого измеряют сопротивление диода, подключая его к омметру сначала в одном направлении, затем в обратном. Как указывалось выше, при подключении диода в прямом направлении его сопротивление малое, в обратном направлении – очень большое. У неисправного диода сопротивление в обоих случаях равно нулю или бесконечности.
По аналогии с выводами вакуумного диода выводы полупроводникового диода также называют катодом и анодом. Катод – это вывод от области n типа, а анод – вывод от области p типа. На корпусе больших диодов изображают условное обозначение диода, на корпусе малых диодов делают специальную отметку, позволяющую найти вывод анода. Полярность диода можно определить экспериментально с помощью омметра. Для этого нужно знать, какой вывод внутреннего источника питания омметра подключен к гнезду "общ". Это можно определить с помощью диода с маркированной полярностью или вольтметра.
Для определения выводов диода необходимо подключить его к омметру в прямом направлении (чтобы сопротивление было малым) и посмотреть, какой вывод диода подключен к проводу омметра, соединенному с положительным полюсом внутреннего источника питания. Этот вывод диода и будет анодом.
