6. Контакт полупроводников разного типа проводимости

Электронно-дырочный переход, или сокращенно p-n- переход, является границей, разделяющей области с дырочной (р) и электронной (n) проводимостями. Через границу раздела этих областей происходит диффузия электронов из n-полупроводника в р-полупроводник и дырок – в обратном направлении. При этом в электронном полупроводнике появляются нескомпенсированные положительные ионы донорной примеси, а в дырочном – нескомпенсированных отрицательных ионов акцепторной примеси. Возникает двойной электрический слой объемных зарядов, причем область между ними оказывается обедненной электрическими зарядами вследствие рекомбинации электронов и дырок и поэтому обладает большим сопротивлением. Эти объемные заряды создают электрическое поле, препятствующее дальнейшим переходам электронов из n-полупроводника и дырок из р-полупроводника.

Если р-n-переход подключить к источнику тока так, что область с электронной проводимостью (n) будет соединена с положительным полюсом, а область с дырочной проводимостью (р) – с отрицательным полюсом, то электроны в n-полупроводнике и дырки в р-полупроводнике будут удаляться внешним полем от р-n-перехода в противоположные стороны, увеличивая его толщину. Сопротивление перехода в этом случае увеличивается, а сила тока через переход мала и почти не зависит от напряжения. Ток в этом случае создается неосновными носителями. Такой способ включения называется включением в обратном или запирающем направлении.

Если р-n-переход подключить к источнику тока так, что область с электронной проводимостью (n) будет соединена с отрицательным полюсом, а область с дырочной проводимостью (р) – с положительным полюсом, то поле источника облегчает переход основных носителей через область контакта. Сопротивление перехода в этом случае невелико и сила тока зависит от напряжения, даваемого источником, и сопротивления внешней цепи. Этот способ включения называется включением в прямом или пропускном направлении.

Рис. 3. Прямое (б) и обратное (в) включение р-n-перехода

Таким образом, р-n-переход пропускает ток в одном направлении и не пропускает его в противоположном направлении. Это свойство используется в приборах, называемых полупроводниковыми диодами, для преобразования переменного тока в постоянный, то есть для выпрямления тока.

7. Полупроводниковый диод

Полупроводниковым диодом называется двухэлектродный прибор, основу которого составляют области р-типа и п-типа, разделенные электронно-дырочным переходом.

Основным элементом диода является кристалл германия или кремния, в который с одной стороны вплавляется кусочек полупроводника , имеющий валентность на единицу больше, или меньше, чем у основного полупроводника, например, индия, сурьмы и др. На границе двух полупроводников возникает р-n-переход. Кристалл заключен в стеклянный или металлический корпус. К областям кристалла с разными типами проводимости присоединены выводы. На рис. 4 показано обозначение полупроводникового диода на схемах (направление стрелки показывает направление прямого тока через диод).

а б в

Рис. 4. Полупроводниковый диод ( а – обозначение на электрических схемах, б – внешний вид, в – устройство).

Зависимость силы тока, проходящего через диод, от напряжения называется вольтамперной характеристикой. Вольтамперная характеристика полупроводникового диода представлена на рис. 5 и имеет прямую и обратную ветви. Обратный ток значительно меньше прямого при том же по величине напряжении и в меньшей степени зависит от напряжения. Кремниевые диоды имеют существенно меньшую величину обратного тока, чем германиевые, вследствие более низкой концентрации неосновных носителей.

Рис.5. Вольтамперная характеристика диода

Отношение прямого тока к обратному при одном и том же значении напряжения называется коэффициентом выпрямления. Сопротивление диода в прямом и обратном направлении можно найти из закона Ома. Поскольку вольтамперная характеристика диода является нелинейной, это говорит о том, что сопротивление р-п-перехода зависит от приложенного напряжения.

Полупроводниковый диод обладает емкостными свойствами, то есть способностью накапливать или отдавать заряд при увеличении или уменьшении приложенного напряжения. Поэтому важной характеристикой диода является электроемкость р-n-перехода, которая зависит от приложенного напряжения. Зависимость емкости от напряжения называется вольт-фарадной характеристикой диода.

Если переменный синусоидальный ток пропустить через диод, то на выходе будет получен пульсирующий ток. Для того, чтобы сгладить пульсации и сделать ток непрерывным, используют ячейку, содержащую конденсатор и резистор, называемую сглаживающим фильтром ( рис. 6 ). Непрерывность тока в этом случае достигается разрядкой конденсатора в те интервалы времени, в которые ток на входе фильтра отсутствует.

а б в

Рис. 6. Выпрямление переменного тока с использованием сглаживающего фильтра

(а – диод пропускает пульсации тока одного направления и «обрезает» пульсации противоположного направления, б – ток идет через резистор и заряжает конденсатор, в – конденсатор разряжается через резистор в течение интервала времени, соответствующего «обрезанным» пульсациям и обеспечивает непрерывность тока).

Выпрямление переменного тока может осуществляться с использованием электронных ламп. Достоинствами полупроводниковых диодов являются малые размеры и масса, длительный срок службы, высокая механическая прочность, высокая экономичность. Существенным же недостатком полупроводниковых приборов является сильная зависимость их параметров от температуры.