Краткая теория p-n - перехода

В полупроводниках концентрация свободных зарядов существенно меньше, чем в металлах. При контакте двух полупроводников с разными типами проводимости - электронной и дырочной - свободные заряды диффундируют через разделяющую их границу и затем рекомбинируют. При этом свободные электроны превращаются в связанные, а дырки исчезают. Электронейтральность областей полупроводника вблизи границы раздела нарушается. В области с электронной проводимостью (n - зоне) образуется положительный объемный заряд в результате оттока электронов. В p - зоне, напротив, появляется объемный заряд отрицательного знака.

Тонкий слой на границе раздела между двумя областями полупроводника с разными типами проводимости, называется p - n - переходом.

Пространственно разделенные заряды создают электростатическое поле, направленное из n - зоны в p - зону - рис. 1. Это поле препятствует дальнейшей диффузии зарядов через границу раздела p - и n - областей. Максимальная величина поля, называемого внутренним или “встроенным” полем p - n - перехода, определяется условиями равновесия, при которых дальнейшая диффузия носителей прекращается. В результате рекомбинации электронов с дырками концентрация подвижных зарядов в области перехода уменьшается. Область p - n - перехода и, следовательно, кристалл в целом приобретает более высокое сопротивление.

Если приложить к кристаллу полупроводника, содержащему p - n - переход, внешнее электрическое поле E_в, противоположное по направлению к “встроенному” полю перехода, т.е. от p - зоны к n - зоне (как показано на рис.2), то результирующее поле в области перехода уменьшится, следовательно, проводимость кристалла возрастет. Ток, протекающий через кристалл, будет сравнительно большим. Такое включение полупроводника называется прямым.

Рис. 7.1. Электрическое поле р-n перехода

Рис. 7.2. Прямое включение полупроводникового диода. Сопротивление р-n перехода мало.

Если изменить направление внешнего поля, то оно, складываясь со “встроенным” полем перехода, приведет к его увеличению. Такое включение диода называется обратным. Сопротивление кристалла при обратном включении намного больше, а ток, протекающий через полупроводник, соответственно, меньше, чем при прямом включении - рис.7.3.

Одним из первых материалов, в котором был реализован p - n - переход, является германий (Ge). В тонкую пластинку германия, обладающего примесной проводимостью n - типа, вплавляется с одной стороны слой индия. Атомы индия диффундируют в германий на некоторую глубину. В той области, в которую проникают атомы индия, проводимость германия становится дырочной. На границе областей кристалла германия с разными типами проводимости возникает p - n - переход. Затем к поверхностям кристалла припаиваются проволочные выводы, и весь кристалл заключается в керамический, пластмассовый или металлический корпус. Полученный таким образом прибор называется полупроводниковым диодом.

Рис. 7.3. Внешнее электрическое поле приложено в обратном направлении. Сопротивление p - n перехода велико.

Зависимость тока, протекающего через диод, от величины и направления приложенного напряжения, называется вольт-амперной характеристикой диода .

Рис. 7.4. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода.

Типичная форма вольт-амперной характеристики (В.А.Х.) диода приведена на рис.7.4. Область характеристики, соответствующая прямому включению диода, носит нзвание прямой ветви В.А.Х. Соответственно, обратное включение диода позволяет получить обратную ветвь В.А.Х. Тангенс угла между касательной к В.А.Х. в любой точке и положительным направлением оси напряжений определяет проводимость диода при данной величине и направлении приложенного напряжения. Из рис.4. видно, что проводимость диода в прямом включении существенно больше, чем в обратном. Это позволяет использовать диод для выпрямления переменного тока. Выпрямительные диоды часто называют полупроводниковыми вентилями.

Выпрямительные диоды характеризуются максимальным током, который диод проводит в прямом направлении, и максимальным обратным напряжением, которое диод выдерживает, не разрушаясь. При увеличении обратного напряжения выше предельного значения происходит электрический пробой и необратимое разрушение диода.

На электронных схемах выпрямительные диоды обозначаются, как показано на рис. 7.5. Стрелка указывает направление прямого тока диода, следовательно, полярность прямого напряжения должна быть такая, как на рисунке.

Рис.7.5. Условное обозначение выпрямительного диода на электронных схемах

Приложим к выводам диода напряжение переменной полярности, например, синусоидальное напряжение промышленной частоты 50 Гц. В течение одного полупериода полярность напряжения соответствует прямому включению диода. Через диод протекает сравнительно большой прямой ток, изменяющийся также по синусоидальному закону. В течение другого полупериода напряжение соответствует обратному включению диода, через диод протекает значительно меньший обратный ток - рис.6.

Рис. 7.6. Однополупериодное выпрямление переменного тока.

а). Напряжение, приложенное к диоду U=U(t);

б). Ток диода I=I(t).

Таким образом, средний за период ток через диод имеет преимущественное направление, соответствующее прямому включению диода.

Диод “отсекает” отрицательную половину синусоиды I=I_maxSin(t) (здесь = 2 - частота переменного тока), преобразует ток в пульсирующий однонаправленный. Такое выпрямление переменного тока носит название однополупериодного.

Более рациональным является двухполупериодное выпрямление, при котором используется и вторая половина синусоиды переменного тока - рис. 7.7. Двухполупериодное выпрямление достигается специальным включенем нескольких диодов. Приведенная на рис.7.7. схема иллюстрирует метод выпрямления двумя диодами, включенными во вторичную обмотку трансформатора, состоящую из двух равных секций с заземленной средней точкой.

Рис.7.7. Двухполупериодное выпрямление переменного тока.

а). Напряжение, приложенное к диоду U=U(t);

б). Ток диода I=I(t).

Рис.7.8. Схема двухполупериодного мостового выпрямителя

Двухполупериодное выпрямление можно осуществить по так называемой мостовой схеме, приведенной на рис. 7.8.

Во время одного полупериода ток протекает через диод D2, нагрузку и диод D4., во время другого полупериода - через диод D3, нагрузку и диод D1. Направление тока в нагрузке одно и то же в оба полупериода.

Выпрямленный ток, как видно из рис. 6 и 7, является, строго говоря, не постоянным, а пульсирующим. Для многих применений, особенно в радиоэлектронных устройствах, требуется значительно меньший уровень пульсаций выпрямленного тока. Сглаживание пульсаций осуществляется на практике с помощью сглаживающих фильтров различной степени сложности. Изучение конструкций фильтров выходит за рамки данного курса. Мы рассмотрим только физические явления, лежащие в основе сглаживания пульсаций.

Подключим параллельно нагрузке конденсатор емкостью С. В течение первой четверти периода входного напряжения выпрямленное напряжение нарастает, при этом конденсатор заряжается выпрямленным током по закону:

где C - емкость конденсатора, R_з - сопротивление цепи его зарядки.

В течение всего остального времени периода конденсатор разряжается через сопротивление нагрузки, поддерживая ток в выходной цепи.

Рис.7.9. Форма пульсаций выпрямленного тока:

а). Без конденсатора;

б). С подключенным параллельно нагрузке конденсатором.

Площади S₁ и S₂, пропорциональные заряду, протекающему через диод за один период, равны по величине.