1.3. Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называется прибор, структура которого состоит из двух кристаллических слоев p- и n-типа. Он имеет один электронно-дырочный переход (П). Электроды или выводы называются анод и катод (рис.1.3).

Рис.1.3. Полупроводниковая структура диода (а) и его УГО (б)

1.3.1. Принцип действия

Принцип действия диода основан на свойстве p-n-перехода пропускать ток только в одном направлении.

При подключении диода к внешнему источнику напряжения с положительным полюсом у p-области (анод) и отрицательным у n-области (катод) начинается перемещение основных носителей заряда от электродов к

p-n-переходу П. «Обедненные» пограничные области наполняются основными носителями заряда от внешнего источника, в результате нарушается установившееся динамическое равновесие. Электроны из n-области и дырки из p-области интенсивно перемещаются. Этот процесс будет проходить тем интенсивнее, чем ниже потенциальный барьер, т.е. чем выше приложенное напряжение.

При достаточном напряжении весь объемный заряд компенсируется дырками и свободными электронами, запирающий слой исчезает и сопротивление структуры становится минимальным. Через структуру начинает протекать прямой ток I_ПР. (ток диффузии I_ДИФ.), определяемый величиной приложенного напряжения и внешним сопротивлением нагрузки.

1.3.2. Вольт-амперная характеристика (вах)

Основной характеристикой диодов является ВАХ (рис.1.4). Крутая (экспоненциальная) прямая ветвь характеристики соответствует прямым направлениям, не превышающих десятых долей для Ge или единиц для Si вольт (не более 1,5 В).

Рис.1.4. 1 – ВАХ германиевого диода; 2 – ВАХ кремниевого диода

Прямое падение напряжения на диоде вызвано омическим сопротивлением p-n слое, оно составляет единицы и десятки Ом.

При смене полярности приложенного к электродам напряжения (обратное напряжение) основные носители будут перемещаться от перехода к электродам, запирающий слой увеличивается и прохождение прямого тока становится невозможным.

Обратный ток быстро достигает насыщения, т.к. неосновные носители быстро вытягиваются без остатка полем. И уже обратный ток перестает зависеть от приложенного обратного напряжения.

Обратная ветвь ВАХ имеет три характерных участка (см. рис. 1.4). На участке I увеличение I_ОБР. с ростом U_ОБР. обусловлено наличием утечки по поверхности кристалла и увеличением составляющей обратного тока, вызванной тепловой генерацией носителей в самом запирающем слое.

На участке II при сравнительно мало изменяющемся U_ОБР. наблюдается резкое увеличение тока I_ОБР.. Это участок электрического пробоя перехода, но этот пробой является обратимым.

На участке III сказывается разогрев p-n перехода большим обратным током, что вызывает увеличение неосновных носителей вследствие термогенерации. А это приводит к дальнейшему увеличению обратного тока, к тепловому пробою и разрушению перехода. Диод выходит из строя.

1.3.3. Электрические параметры диодов

Параметры определяют нагрузочную способность диодов. Они подразделяются на предельные (максимально допустимые) и рабочие параметры (т.е. характеризующие).

Для выбора выпрямительных диодов в справочниках приведены следующие параметры:

I_ПР. – постоянный прямой ток (значение постоянного тока, протекающего через диод в прямом направление);

U_ОБР. – постоянное обратное напряжение (напряжение, приложенное к диоду в обратном направлении);

U_ПР. – постоянное прямое напряжение (это падение напряжения от протекания номинального значения тока I_ПР.);

I_ОБР.СР. – средний обратный ток;

P_СР.MAX – максимально допустимая средняя мощность рассеяния.