18.Полупроводниковые диоды

В разделе «Электроника» основное внимание следует уделить полупроводниковым приборам, так как на них основана работа большинства электронных схем. Разобравшись в принципе действия этих приборов, легче понять работу схем различных радиотехнических устройств.

Работа полупроводниковых диодов основана на изменении свойств p-n перехода под действием приложенного напряжения. Из курса физики известно, что примесный полупроводник, например, четырехвалентный кремний с примесью трехвалентного индия обладает так называемой дырочной проводимостью и называется полупроводником p-типа, а тот же кремний с примесью пятивалентного мышьяка обладает электронной проводимостью и называется полупроводником n-типа. При контакте полупроводников p и n типов образуется электронно-дырочный переход.

Чаще всего используются два свойства электронно-дырочных переходов: выпрямляющее действие (см. вольт-амперную характеристику на рисунке 21) и расширение запирающего слоя перехода при подаче на него обратного напряжения.

Выпрямительные свойства р-n перехода можно объяснить как с энергетической точки зрения (снижение или увеличение потенциального барьера для основных носителей заряда при подаче прямого или обратного напряжения на р-n переход), так и с точки зрения поведения носителей после приложения напряжения. При прямом напряжении происходит инжекция, т. е. введение носителей в противоположную область, а при обратном напряжении этот процесс прекращается практически полностью, и ток через переход становится насыщенным и равным току неосновных носителей.

Расширение обедненного носителями запирающего слоя при возрастании обратного напряжения на электронно-дырочном переходе используется, например, в полевых транзисторах и варикапах. Расширение запирающего слоя происходит сильнее в область, где концентрация основных носителей меньше (меньше концентрация примесей). В полевом транзисторе с р-n переходом специально делают канал с меньшей концентрацией примесей, чем в затворе, поэтому расширение р-n перехода происходит в основном в сторону канала, что используется для изменения сопротивления канала, например, при усилении сигнала. Аналогичным образом поступают при изготовлении биполярных транзисторов.

При анализе работы приборов с р-n переходом следует помнить, какая полярность приложенного напряжения будет прямой, а какая – обратной. Предлагается правило: когда к полупроводнику р-типа присоединяют положительный полюс, а к n – отрицательный, р-n переход проводит ток.

Вольт-амперная характеристика идеального р-n перехода описывается уравнением . Характеристика диода проходит через начало координат. На рисунке 21 приведены вольт-амперные характеристики одного из кремниевых выпрямительных диодов в разных масштабах. Прямой ток диода возрастает резко уже при напряжении в десятые доли вольта. Попытка приложить большее прямое напряжение к диоду может закончиться протеканием очень большого тока через диод, его перегревом и, в конечном счете, выходом диода из строя.

При обратном напряжении через диод протекает малый обратный ток. Однако при достаточно большом напряжении наступает электрический пробой, ток начинает резко возрастать, а это может привести к перегреву диода, который заканчивается также тепловым пробоем и выходом диода из строя.

Рисунок 21

Характеристика диода ассиметрична; ее прямую и обратную ветви невозможно выразить в одном масштабе.

При анализе схем обычно считают, что диоды являются идеальными выпрямителями, т. е. не обладают сопротивлением в прямом направлении и имеют бесконечно большое сопротивление при обратном напряжении. Часто такая идеализация является приемлемой.

Помимо выпрямительных существуют еще туннельные и обращенные диоды и целый ряд диодов, использующих обратное включение р-n перехода: стабилитроны, варикапы, фотодиоды. Большое распространение получили светоизлучающие диоды, работающие на явлении рекомбинации электронов и дырок.