Что такое обратный ток диода. Что такое вах диода, типы диодов

Сильно зависит от концентрации примесей. Полупроводники, электрофизические свойства которых зависят от примесей других химических элементов, называются примесными полупроводниками. Примеси бывают двух видов донорной и акцепторной.

Донорной называется примесь, атомы которой дают полупроводнику свободные электроны, а получаемая в этом случае электропроводность, связанная с движением свободных электронов, - электронной . Полупроводник с электронной проводимостью называется электронным полупроводником и условно обозначается латинской буквой n - первой буквой слова «негативный».

Рассмотрим процесс образования электронной проводимости в полупроводнике. За основной материал полупроводника возьмём кремний (кремниевые полупроводники самые распространённые). У кремния (Si) на внешней орбите атома есть четыре электрона, которые обуславливают его электрофизические свойства (т.е. они перемещаясь под действием напряжения создают электрический ток). При введении в кремний атомов примеси мышьяка (As), у которого на внешней орбите пять электронов, четыре электрона вступают во взаимодействие с четырьмя электронами кремния, образуя ковалентную связь, а пятый электрон мышьяка остаётся свободным. При этих условиях он легко отделяется от атома и получает возможность перемещаться в веществе.

Акцепторной называется примесь, атомы которой принимают электроны от атомов основного полупроводника. Получаемая при этом электропроводность, связанная с перемещением положительных зарядов - дырок, называется дырочной. Полупроводник с дырочной электропроводностью называется дырочным полупроводником и условно обозначается латинской буквой p - первой буквой слова «позитивный».

Рассмотрим процесс образования дырочной проводимости. при введении в кремний атомов примеси индия (In), у которого на внешней орбите три электрона, они вступают в связь с тремя электронами кремния, но эта связь оказывается неполной: не хватает ещё одного электрона для связи с четвёртым электроном кремния. Атом примеси присоединяет к себе недостающий электрон от одного из расположенных поблизости атомов основного полупроводника, после чего он оказывается связанным со всеми четырьмя соседними атомами. Благодаря добавлению электрона он приобретает избыточный отрицательный заряд, то есть превращается в отрицательный ион. В тоже время атом полупроводника, от которого к атому примеси ушёл четвёртый электрон оказывается связанным с соседними атомами только тремя электронами. таким образом, возникает избыток положительного заряда и появляется незаполненная связь, то есть дырка .

Одним из важных свойств полупроводника является то, что при наличии дырок через него может проходить ток, даже если в нём нет свободных электронов. Это объясняется способностью дырок переходить с одного атома полупроводника на другой.

Перемещение «дырок» в полупроводнике

Вводя в часть полупроводника донорную примесь, а в другую часть - акцепторную, можно получить в нём области с электронной и дырочной проводимостью. На границе областей электронной и дырочной проводимости образуется так называемый электронно-дырочный переход.

P-N-переход

Рассмотрим процессы происходящий при прохождении тока через электронно-дырочный переход . Левый слой, обозначенный буквой n, имеет электронную проводимость. Ток в нём связан с перемещением свободных электронов, которые условно обозначены кружками со знаком «минус». Правый слой, обозначенный буквой p, обладает дырочной проводимостью. Ток в этом слое связан с перемещением дырок, которые на рисунке обозначены кружками с «плюсом».

Движение электронов и дырок в режиме прямой проводимости

Движение электронов и дырок в режиме обратной проводимости.

При соприкосновении полупроводников с различными типами проводимости электроны вследствие диффузии начнут переходить в p-область, а дырки - в n-область, в результате чего пограничный слой n-области заряжается положительно, а пограничный слой p-области - отрицательно. Между областями возникает электрическое поле, которое является как бы барьеров для основных носителей тока, благодаря чему в p-n переходе образуется область с пониженной концентрацией зарядов. Электрическое поле в p-n переходе называют потенциальным барьером, а p-n переход - запирающим слоем. Если направление внешнего электрического поля противоположно направлению поля p-n перехода («+» на p-области, «-» на n-области), то потенциальный барьер уменьшается, возрастает концентрация зарядов в p-n переходе, ширина и, следовательно, сопротивление перехода уменьшается. При изменении полярности источника внешнее электрическое поле совпадает с направлением поля p-n перехода, ширина и сопротивление перехода возрастает. Следовательно, p-n переход обладает вентильными свойствами.

Полупроводниковый диод

Диодом называется электро преобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими p-n переходами и двумя выводами. В зависимости от основного назначения и явления используемого в p-n переходе различают несколько основных функциональных типов полупроводниковых диодов: выпрямительные, высокочастотные, импульсные, туннельные, стабилитроны, варикапы.

Основной характеристикой полупроводниковых диодов является вольт-амперная характеристика (ВАХ). Для каждого типа полупроводникового диода ВАХ имеет свой вид, но все они основываются на ВАХ плоскостного выпрямительного диода, которая имеет вид:

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода: 1 — прямая вольт-амперная характеристика; 2 — обратная вольт-амперная характеристика; 3 — область пробоя; 4 — прямолинейная аппроксимация прямой вольт-амперной характеристики; Uпор — пороговое напряжение; rдин — динамическое сопротивление; Uпроб — пробивное напряжение

Масштаб по оси ординат для отрицательных значений токов выбран во много раз более крупным, чем для положительных.

Вольт-амперные характеристики диодов проходят через нуль, но достаточно заметный ток появляется лишь при пороговом напряжении (U пор), которое для германиевых диодов равно 0,1 - 0,2 В, а у кремниевых диодов равно 0,5 - 0,6 В. В области отрицательных значений напряжения на диоде, при уже сравнительно небольших напряжениях (U обр.) возникает обратный ток (І обр). Этот ток создается неосновными носителями: электронами р-области и дырками n-области, переходу которых из одной области в другую способствует потенциальный барьер вблизи границы раздела. С ростом обратного напряжения увеличение тока не происходит, так как количество неосновных носителей, оказывающихся в единицу времени на границе перехода, не зависит от приложенного извне напряжения, если оно не очень велико. Обратный ток для кремниевых диодов на несколько порядков меньше, чем для германиевых. Дальнейшее увеличение обратного напряжения до напряжения пробоя (U проб) приводит к тому что электроны из валентной зоны переходят в зону проводимости, возникает эффект Зенера . Обратный ток при этом резко увеличивается, что вызывает нагрев диода и дальнейшее увеличение тока приводит к тепловому пробою и разрушению p-n-перехода.

Обозначение и определение основных электрических параметров диодов

Обозначение полупроводникового диода

Как указывалось ранее диод в одну сторону ток проводит (т. е. представляет собой в идеале просто проводник с малым сопротивлением), в другую – нет (т. е. превращается в проводник с очень большим сопротивлением), одним словом, обладает односторонней проводимостью . Соответственно выводов у него всего два. Они как повелось ещё со времён ламповой техники, называются анодом (положительным выводом) и катодом (отрицательным).

Все полупроводниковые диоды можно разделить на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные диоды , как следует из самого названия, предназначены для выпрямления переменного тока. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения они делятся на высокочастотные, низкочастотные и импульсные. Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства p-n-переходов; явление пробоя, барьерную емкость, наличие участков с отрицательным сопротивлением и др.

Выпрямительные диоды

Конструктивно выпрямительные диоды делятся на плоскостные и точечные, а по технологии изготовления на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные. Плоскостные диоды благодаря большой площади p-n-перехода используют для выпрямления больших токов . Точечные диоды имеют малую площадь перехода и, соответственно, предназначены для выпрямления малых токов . Для увеличения напряжения лавинного пробоя используют выпрямительные столбы, состоящие из ряда последовательно включенных диодов.

Выпрямительные диоды большой мощности называют силовыми . Материалом для таких диодов обычно служит кремний или арсенид галлия. Кремниевые сплавные диоды используют для выпрямления переменного тока с частотой до 5 кГц. Кремниевые диффузионные диоды могут работать на повышенной частоте, до 100 кГц. Кремниевые эпитаксиальные диоды с металлической подложкой (с барьером Шотки) могут использоваться на частотах до 500 кГц. Арсенидгалиевые диоды способны работать в диапазоне частот до нескольких МГц.

Силовые диоды обычно характеризуются набором статических и динамических параметров. К статическим параметрам диода относятся:

падение напряжения U пр на диоде при некотором значении прямого тока;
обратный ток I обр при некотором значении обратного напряжения;
среднее значение прямого тока I пр.ср. ;
импульсное обратное напряжение U обр.и. ;

К динамическим параметрам диода относятся его временные и частотные характеристики. К таким параметрам относятся:

время восстановления t вос обратного напряжения;
время нарастания прямого тока I нар. ;
предельная частота без снижения режимов диода f max .

Статические параметры можно установить по вольт-амперной характеристике диода.

Время обратного восстановления диода t вос является основным параметром выпрямительных диодов, характеризующим их инерционные свойства. Оно определяется при переключении диода с заданного прямого тока I пр на заданное обратное напряжение U обр. Во время переключения напряжение на диоде приобретает обратное значение. Из-за инерционности диффузионного процесса ток в диоде прекращается не мгновенно, а в течении времени t нар. По существу, происходит рассасывание зарядов на границе p-n-перехода (т. е. разряд эквивалентной емкости). Из этого следует, что мощность потерь в диоде резко повышается при его включении, особенно, при выключении. Следовательно, потери в диоде растут с повышением частоты выпрямляемого напряжения.

При изменении температуры диода изменяются его параметры. Наиболее сильно от температуры зависят прямое напряжение на диоде и его обратный ток. Приблизительно можно считать, что ТКН (температурный коэффициент напряжения) Uпр = -2 мВ/К, а обратный ток диодаимеет положительный коэффициент. Так при увеличении температуры на каждые 10 °С обратный ток германиевых диодов увеличивается в 2 раза, а кремниевых – 2,5 раз.

Диоды с барьером Шотки

Для выпрямления малых напряжений высокой частоты широко используются диоды с барьером Шотки . В этих диодах вместо p-n-перехода используется контакт металлической поверхности с . В месте контакта возникают обеднённые носителями заряда слои полупроводника, которые называются запорными. Диоды с барьером Шотки отличаются от диодов с p-n-переходом по следующим параметрам:

более низкое прямое падение напряжения;
имеют более низкое обратное напряжение;
более высокий ток утечки;
почти полностью отсутствует заряд обратного восстановления.

Две основные характеристики делают эти диоды незаменимыми: малое прямое падение напряжения и малое время восстановления обратного напряжения. Кроме того, отсутствие неосновных носителей, требующих время на обратное восстановление, означает физическое отсутствие потерь на переключение самого диода.

Максимальное напряжение современных диодов Шотки составляет около 1200 В. При этом напряжении прямое напряжение диода Шотки меньше прямого напряжения диодов с p-n-переходом на 0,2…0,3 В.

Преимущества диода Шотки становятся особенно заметны при выпрямлении малых напряжений. Например, 45-вольтный диод Шотки имеет прямое напряжение 0,4…0,6 В, а при том же токе диод с p-n-переходом имеет падение напряжения 0,5…1,0 В. При понижении обратного напряжения до 15 В прямое напряжение уменьшается до 0,3…0,4 В. В среднем применение диодов Шотки в выпрямителе позволяет уменьшить потери примерно на 10…15 %. Максимальная рабочая частота диодов Шотки превышает 200 кГц.

Теория это хорошо, но теория без практики - это просто сотрясание воздуха.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД - полупроводниковый прибор с двумя электродами, обладающий односторонней проводимостью. К полупроводниковым диодам относят обширную группу приборов с p-n-переходом, контактом металл - полупроводник и др. Наиболее распространены электропреобразовательные полупроводниковые диоды. Служат для преобразования и генерирования электрических колебаний. Один из основных современных электронных приборов. Принцип действия полупроводникового диода : В основе принципа действия полупроводникового диода - свойства электронно-дырочного перехода, в частности, сильная асимметрия вольт-амперной характеристики относительно нуля. Таким образом различают прямое и обратное включение. В прямом включении диод обладает малым электросопротивлением и хорошо проводит электрический ток. В обратном - при напряжении меньше напряжения пробоя сопротивление очень велико и ток перекрыт. Характеристики:

2.Полупроводниковые диоды, прямое и обратное включение, вах:

Прямое и обратное включение:

При прямом включении p-n-перехода внешнее напряжение создает в переходе поле, которое противоположно по направлению внутреннему диффузионному полю. Напряженность результирующего поля падает, что сопровождается сужением запирающего слоя. В результате этого большое количество основных носителей зарядов получает возможность диффузионно переходить в соседнюю область (ток дрейфа при этом не изменяется, поскольку он зависит от количества неосновных носителей, появляющихся на границах перехода), т.е. через переход будет протекать результирующий ток, определяемый в основном диффузионной составляющей. Диффузионный ток зависит от высоты потенциального барьера и по мере его снижения увеличивается экспоненциально.

Повышенная диффузия носителей зарядов через переход привод к повышению концентрации дырок в области n-типа и электронов в области p-типа. Такое повышение концентрации неосновных носителей вследствие влияния внешнего напряжения, приложенного к переходу, называется инжекцией неосновных носителей. Неравновесные неосновные носители диффундируют вглубь полупроводника и нарушают его электронейтральность. Восстановление нейтрального состояния полупроводника происходит за счет поступления носителей зарядов от внешнего источника. Это является причиной возникновения тока во внешней цепи, называемого прямым.

При включении p-n-перехода в обратном направлении внешнее обратное напряжение создает электрическое поле, совпадающее по направлению с диффузионным, что приводит к росту потенциального барьера и увеличению ширины запирающего слоя. Все это уменьшает диффузионные токи основных носителей. Для неосновных носителе поле в p-n-переходе остается ускоряющим, и поэтому дрейфовый ток не изменяется.

Таким образом, через переход будет протекать результирующий ток, определяемый в основном током дрейфа неосновных носителей. Поскольку количество дрейфующих неосновных носителей не зависит от приложенного напряжения (оно влияет только на их скорость), то при увеличении обратного напряжения ток через переход стремиться к предельному значению IS , которое называется током насыщения. Чем больше концентрация примесей доноров и акцепторов, тем меньше ток насыщения, а с увеличением температуры ток насыщения растет по экспоненциальному закону.

На графике изображены ВАХ для прямого и обратного включения диода. Ещё говорят, прямая и обратная ветвь вольт-амперной характеристики. Прямая ветвь (Iпр и Uпр) отображает характеристики диода при прямом включении (то есть когда на анод подаётся «плюс»). Обратная ветвь (Iобр и Uобр) отображает характеристики диода при обратном включении (то есть когда на анод подаётся «минус»).

Синяя толстая линия – это характеристика германиевого диода (Ge), а чёрная тонкая линия – характеристика кремниевого (Si) диода. На рисунке не указаны единицы измерения для осей тока и напряжения, так как они зависят от конкретной марки диода.

Для начала определим, как и для любой плоской системы координат, четыре координатных угла (квадранта). Напомню, что первым считается квадрант, который находится справа вверху (то есть там, где у нас буквы Ge и Si). Далее квадранты отсчитываются против часовой стрелки.

Итак, II-й и IV-й квадранты у нас пустые. Это потому, что мы можем включить диод только двумя способами – в прямом или в обратном направлении. Невозможна ситуация, когда, например, через диод протекает обратный ток и одновременно он включен в прямом направлении, или, иными словами, невозможно на один вывод одновременно подать и «плюс» и «минус». Точнее, это возможно, но тогда это будет короткое замыкание. Остаётся рассмотреть только два случая – прямое включение диода иобратное включение диода .

График прямого включения нарисован в первом квадранте. Отсюда видно, что чем больше напряжение, тем больше ток. Причём до какого-то момента напряжение растёт быстрее, чем ток. Но затем наступает перелом, и напряжение почти не меняется, а ток начинает расти. Для большинства диодов этот перелом наступает в диапазоне 0,5…1 В. Именно это напряжение, как говорят, «падает» на диоде. Эти 0,5…1 В и есть падение напряжения на диоде. Медленный рост тока до напряжения 0,5…1В означает, что на этом участке ток через диод практически не идёт даже в прямом направлении.

График обратного включения нарисован в третьем квадранте. Отсюда видно, что на значительном участке ток почти не изменяется, а затем увеличивается лавинообразно. Если увеличить, напряжение, например, до нескольких сотен вольт, то это высокое напряжение «пробьёт» диод, и ток через диод будет течь. Вот только «пробой» - это процесс необратимый (для диодов). То есть такой «пробой» приведет к выгоранию диода и он либо вообще перестанет пропускать ток в любом направлении, либо наоборот – будет пропускать ток во всех направлениях.

В характеристиках конкретных диодов всегда указывается максимальное обратное напряжение – то есть напряжение, которое может выдержать диод без «пробоя» при включении в обратном направлении. Это нужно обязательно учитывать при разработке устройств, где применяются диоды.

Сравнивая характеристики кремниевого и германиевого диодов, можно сделать вывод, что в p-n-переходах кремниевого диода прямой и обратный токи меньше, чем в германиевом диоде (при одинаковых значениях напряжения на выводах). Это связано с тем, что у кремния больше ширина запрещённой зоны и для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости им необходимо сообщить большую дополнительную энергию.

Диоды часто именуются «прямыми» и «обратными». С чем это связано? Чем отличается «прямой» диод от «обратного» диода?

Что представляет собой «прямой» диод?

Диод - это полупроводник, имеющий 2 вывода, а именно - анод и катод. Используется он для обработки различными способами электрических сигналов. Например, в целях их выпрямления, стабилизации, преобразования.

Особенность диода в том, что он пропускает ток только в одну сторону. В обратном направлении - нет. Это возможно благодаря тому, что в структуре диода присутствует 2 типа полупроводниковых областей, различающихся по проводимости. Первая условно соответствует аноду, имеющему положительный заряд, носителями которого являются так называемые дырки. Вторая - это катод, имеющий отрицательный заряд, его носители - электроны.

Диод может функционировать в двух режимах:

открытом;
закрытом.

В первом случае через диод хорошо проходит ток. Во втором режиме - с трудом.

Открыть диод можно посредством прямого включения. Для этого нужно подключить к аноду положительный провод от источника тока, а к катоду - отрицательный.

Прямым также может именоваться напряжение диода. Неофициально - и сам полупроводниковый прибор. Таким образом, «прямым» является не он, а подключение к нему или же напряжение. Но для простоты понимания в электрике «прямым» часто именуется и сам диод.

Что представляет собой «обратный» диод?

Закрывается полупроводник посредством, в свою очередь, обратной подачи напряжения. Для этого нужно поменять полярность проводов от источника тока. Как и в случае с прямым диодом, формируется обратное напряжение. «Обратным» же - по аналогии с предыдущим сценарием - именуется и сам диод.

Сравнение

Главное отличие «прямого» диода от «обратного» диода - в способе подачи тока на полупроводник. Если он подается в целях открытия диода, то полупроводник становится «прямым». Если полярность проводов от источника тока меняется - то полупроводник закрывается и становится «обратным».

Рассмотрев, в чем разница между «прямым» диодом и «обратным» диодом, отразим основные выводы в таблице.

Сегодня диоды можно встретить практически в любом бытовом приборе. Многие даже собирают некоторые устройства в своей домашней лаборатории. Но, чтобы правильно использовать эти элементы электросхемы, нужно знать, что собой представляет ВАХ диода. Именно этой характеристики и будет посвящена данная статья.

Что это такое

ВАХ расшифровывается как вольт-амперная характеристика диодного полупроводника. Она отражает зависимость тока, который проходит через p-n переход диода. ВАХ определяет зависимость тока от величины, а также полярности приложенного напряжения. Вольт-амперная характеристика имеет вид графика (схема). Данный график имеет следующий вид:

ВАХ для диода

Для каждого вида диода график ВАХ будет иметь свой конкретный вид. Как видим, график содержит кривую. По вертикали вверху здесь отмечены значения прямого тока (прямом включении), а внизу – в обратном. Но горизонтали схема и график отображают напряжение, аналогично в прямом и обратном направлении. Таким образом схема вольт-амперной характеристики будет состоять из двух частей:

верхняя и правая часть – элемент функционирует в прямом направлении. Она отражает пропускной ток. Линия в этой части идет резко вверх. Она характеризует значительный рост прямого напряжения;
нижняя левая часть – элемент действует в обратном направлении. Она соответствует закрытому (обратному) току через переход. Здесь линия идет практически параллельно горизонтальной оси. Она отражает медленное нарастание обратного тока.

Обратите внимание! Чем круче будет вертикальная верхняя часть графика, и ближе к горизонтальной оси нижняя линия, тем более лучше будут выпрямительные свойства полупроводника.

Стоит отметить, что ВАХ сильно зависит от температуры окружающей среды. К примеру, повышение температуры воздуха может привести резкому повышению обратного тока.
Построить своими руками ВАХ можно следующим образом:

берем блок питания;
подключаем его к любому диоду (минус на катод, а плюс на анод);
с помощью мультиметром делаем замеры.

Из полученных данных и строится вольт-амперная характеристика для конкретного элемента. Ее схема или график могут иметь следующий вид.

Нелинейная ВАХ

На графике видна ВАХ, которая в таком исполнении называется нелинейной.
Рассмотрим на примерах различных типов полупроводников. Для каждого отдельного случая данная характеристика буде иметь свой график, хотя они все будут носить единый характер лишь с небольшими изменениями.

ВАХ для шотки

Одним из наиболее распространенных диодов на сегодняшний день является шоттки. Этот полупроводник был назван в честь физика из Германии Вальтера Шоттки. Для шоттки вольт-амперная характеристика будет иметь следующий вид.

ВАХ для шоттки

Как видим, для шоттки характерно малое падение напряжения в ситуации прямого подключения. Сам график носит явный ассиметричный характер. В зоне прямых смещений наблюдается экспоненциальное увеличение тока и напряжения. При обратном и прямом смещении для данного элемента ток в барьере обусловлен электронами. В результате этого такие элементы характеризуется быстрым действием, поскольку у нет диффузных и рекомбинационных процессов. При этом несимметричность ВАХ будет типичной для структур барьерного типа. Здесь зависимость тока от напряжения определена изменением количества носителей, которые берут участие в зарядопереносных процессах.

Кремниевый диод и его ВАХ

Кроме шоттки, большой популярностью на данный момент пользуются кремниевые полупроводники. Для кремниевого типа диода вольт-амперная характеристика выгляди следующим образом.

ВАХ кремниевого и германиевого диода

Для таких полупроводников данная характеристика начинается примерно со значения 0,5-0,7 Вольт. Очень часто кремниевые полупроводники сравнивают с германиевыми. Если температуры окружающей среды равны, то оба устройства будут демонстрировать ширину запрещённой зоны. При этом кремниевый элемент будут иметь меньший прямой ток, чем из германия. Это же правило касается и обратного тока. Поэтому у германиевых полупроводников обычно сразу наступает тепловой пробой, если имеются обратное большое напряжение.
В итоге, при наличии одинаковой температуры и прямого напряжения, потенциальный барьер у кремниевых полупроводников будет выше, а ток инжекции ниже.

ВАХ и выпрямительный диод

В завершении хотелось бы рассмотреть данную характеристику для выпрямительного диода. Выпрямительный диод – одна из разновидностей полупроводника, который применятся для преобразования переменного в постоянный ток.

ВАХ для выпрямительного диода

На схеме показана экспериментальная ВАХ и теоретическая (пунктирная линия). Как видим, они не совпадают. Причина этого кроется в том, для теоретических расчетов не учитывались некоторые факторы:

наличие омического сопротивления базовой и эмиттерной областей у кристалла;
его выводов и контактов;
наличие возможности токов утечки по кристальной поверхности;
протекание процессов рекомбинации и генерации в переходе для носителей;
различные типы пробоев и т. д.

Все эти факторы могут оказывать различное влияние, приводя к отливающейся от теоретической реальной вольт-амперной характеристики. Причем значительное влияние на внешний вид графика в данной ситуации оказывает температура окружающей среды.
ВАХ для выпрямительного диода демонстрирует высокую проводимость устройства в момент приложения к нему напряжения в прямом направлении. В обратном же направлении наблюдается низкая проводимость. В такой ситуации ток через элемент практически не течет в обратном направлении. Но это происходит только при определенных параметрах обратного напряжения. Если его превысить, то на графике видно лавинообразное повышение тока в обратном направлении.

Заключение

Вольт-амперная характеристика для диодных элементов считается важным параметром, отражающем специфику проведения тока в обратном и прямом направлениях. Она определяется в зависимости от напряжения и температуры окружающей среды.

Полупроводниковый диод - элемент электрической цепи, имеющий два вывода и обладающий односторонней электропроводностью . Все полупроводниковые диоды можно разделить на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные диоды, как следует из самого названия, предназначены для выпрямления переменного тока. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения они делятся на высокочастотные, низкочастотные и импульсные. Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства p-n переходов: явление пробоя, барьерную емкость, наличие участков с отрицательным сопротивлением и др.

Конструктивно выпрямительные диоды делятся на плоскостные и точечные, а по технологии изготовления на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные. Плоскостные диоды благодаря большой площади p-n -перехода используются для выпрямления больших токов. Точечные диоды имеют малую площадь перехода и, соответственно, предназначены для выпрямления малых токов. Для увеличения напряжения лавинного пробоя используются выпрямительные столбы, состоящие из ряда последовательно включенных диодов.

Выпрямительные диоды большой мощности называют силовыми. Материалом для таких диодов обычно служит кремний или арсенид галлия. Германий практически не применяется из-за сильной температурной зависимости обратного тока. Кремниевые сплавные диоды используются для выпрямления переменного тока с частотой до 5 кГц. Кремниевые диффузионные диоды могут работать на повышенной частоте до 100 кГц. Кремниевые эпитаксиальные диоды с металлической подложкой (с барьером Шотки) могут использоваться на частотах до 500 кГц. Арсенид-галлиевые диоды способны работать в диапазоне частот до нескольких МГц.

Работа диодов основана на использовании электронно-дырочного перехода – тонкого слоя материала между двумя областями разного типа электропроводности - n и p . Основное свойство этого перехода – несимметричная электропроводность, при которой кристалл пропускает ток в одном направлении и не пропускает в другом. Устройство электронно-дырочного перехода показано на рис.1.1,а. Одна часть его легирована донорной примесью и имеет электронную проводимость (n -область); другая, легированная акцепторной примесью, имеет дырочную проводимость (p -область). Концентрации носителей в областях резко отличаются. Кроме того, в обеих частях имеется небольшая концентрация неосновных носителей.

Рис.1.1. p-n переход:

а – устройство, б – объёмные заряды

Электроны в n -области стремятся проникнуть в p -область, где концентрация электронов значительно ниже. Аналогично, дырки из p -области перемещаются в n -область. В результате встречного движения противоположных зарядов возникает так называемый диффузионный ток. Электроны и дырки, перейдя через границу раздела, оставляют после себя противоположные заряды, которые препятствуют дальнейшему прохождению диффузионного тока. В результате на границе устанавливается динамическое равновесие, и при замыкании p - и n -областей ток в цепи не протекает. Распределение плотности объёмного заряда в переходе приведено на рис.1.1,б. При этом внутри кристалла на границе раздела возникает собственное электрическое поле Е соб. , направление которого показано на рис.1.1,а. Напряжённость его максимальна на границе раздела, где происходит скачкообразное изменение знака объёмного заряда. А далее полупроводник – нейтрален.

Высота потенциального барьера на p-n переходе определяется контактной разностью потенциалов n - и p -областей, которая, в свою очередь, зависит от концентрации примесей в них:

, (1.1)

где - тепловой потенциал, N n и P p – концентрации электронов и дырок в n - и p -областях, n i – концентрация носителей зарядов в нелигированном полупроводнике.

Контактная разность потенциалов для германия имеет значение 0,6…0,7В, а для кремния – 0,9…1,2В. Высоту потенциального барьера можно изменять приложением внешнего напряжения к p-n переходу. Если поле внешнего напряжения совпадает с внутренним, то высота потенциального барьера увеличивается; при обратной полярности приложенного напряжения высота барьера уменьшается. Если приложенное напряжение равно контактной разности потенциалов, то потенциальный барьер исчезает полностью.

Отсюда, если внешнее напряжение снижает потенциальный барьер, оно называется прямым, а если повышает его – обратным.

Условное обозначение и вольтамперная характеристика (ВАХ) идеального диода представлены на рис.1.2.

Тот вывод, на который нужно подать положительный потенциал, называется анодом, вывод с отрицательным потенциалом называется катодом (рис.1.2,а). Идеальный диод в проводящем направлении имеет нулевое сопротивление. В непроводящем направлении - бесконечно большое сопротивление (рис.1.2,б).

Рис.1.2.Условное обозначение (а) и ВАХ

характеристика идеального диода (б)

В полупроводниках р -типа основными носителями являются дырки. Дырочная электропроводность создана путем внесения атомов акцепторной примеси. Их валентность на единицу меньше, чем у атомов полупроводника. При этом атомы примеси захватывают электроны полупроводника и создают дырки - подвижные носители заряда.

В полупроводниках n -типа основными носителями являются электроны. Электронная электропроводность создается путем внесения атомов донорной примеси. Их валентность на единицу больше, чем у атомов полупроводника. Образуя ковалентные связи с атомами полупроводника, атомы примеси не используют 1 электрон, который становится свободным. Сами атомы становятся неподвижными положительными ионами.

Если к внешним выводам диода подключить источник напряжения в прямом направлении, то этот источник напряжения создаст в р-n переходе электрическое поле, направленное навстречу внутреннему. Результирующее поле будет уменьшаться. При этом пойдет процесс диффузии. В цепи диода потечет прямой ток. Чем больше величина внешнего напряжения, тем меньше величина внутреннего поля, тем уже запирающий слой, тем больше величина прямого тока. С ростом внешнего напряжения прямой ток возрастает по экспоненциальному закону (рис.1.3). При достижении некоторой величины внешнего напряжения ширина запирающего слоя снизится до нуля. Прямой ток будет ограничен только объемным сопротивлением и будет возрастать линейно при увеличении напряжения.

Рис.1.3. ВАХ реального диода

При этом падение напряжения на диоде - прямое падение напряжения. Его величина невелика и зависит от материала:

германий Ge : U пр = (0,3 - 0,4) В;

кремний Si : U пр =(0,6 - 1) В.

Если поменять полярность внешнего напряжения, то электрическое поле этого источника будет совпадать с внутренним. Результирующее поле увеличится, ширина запирающего слоя увеличится, и ток в идеальном случае в обратном направлении протекать не будет; но так как полупроводники не идеальные и в них кроме основных подвижных носителей есть незначительное количество неосновных, то, как следствие, возникает обратный ток. Его величина зависит от концентрации неосновных носителей и обычно составляет единицы -десятки микроампер.

Концентрация неосновных носителей меньше концентрации основных, поэтому обратный ток мал. Величина этого тока не зависит от величины обратного напряжения. У кремния обратный ток на несколько порядков меньше, чем у германия, но у кремниевых диодов выше прямое падение напряжения. Концентрация неосновных носителей зависит от температуры и при ее увеличении растет обратный ток, поэтому его называют тепловой ток I o:

I o (T)=I o (T o)e a D Т ,

DT=T-T o ; а Ge =0.09к -1 ; а Si =0.13к -1 ; I oGe >>I oSi . .

Есть приблизительная формула

I o (T)=I o (T o)2 T * ,

где Т * - приращение температуры, которому соответствует удвоение теплового тока,

Т * Ge =8...10 o C; T * Si =6 o C.

Аналитическое выражение для ВАХ р-п перехода имеет вид:

, (1.2)

где U - приложенное внешнее напряжение.

Для температуры 20 о С φ т =0.025В.

С увеличением температуры за счет роста теплового тока и снижения потенциального барьера, уменьшения сопротивления полупроводниковых слоев происходит смещение прямой ветви ВАХ в области больших токов. Уменьшается объемное сопротивление полупроводников n и р . В результате прямое падение напряжения будет меньше. С ростом температуры за счет уменьшения разницы между концентрацией основных и неосновных носителей уменьшается потенциальный барьер запирающего слоя, что приведет также к уменьшению U пр , т. к. запирающий слой исчезнет при меньшем напряжении.

Одному и тому же току будут соответствовать разные прямые напряжения (рис.1.4), образуя разность DU,

где e -температурный коэффициент напряжения.

Если ток через диод постоянен, то уменьшится падение напряжения на диоде. При увеличении температуры на один градус прямое падение напряжения уменьшается на 2 мВ.

Рис. 1.4. ВАХ р-п перехода при Рис. 1.5. ВАХ германиевого и

различных температурах кремниевого диодов

С ростом температуры обратная ветвь вольтамперной характеристики смещается вниз (рис.1.4). Рабочий диапазон температуры для германиевых диодов 80 о С, для кремниевых диодов 150 о С.

ВАХ германиевых и кремниевых диодов приведены на рис.1.5.

Дифференциальное сопротивление р-п перехода (рис.1.6):

(1.3)

С ростом величины тока r д - уменьшается.

Рис.1.6.Определение дифференциального

сопротивления диода

Сопротивление постоянному току р-п перехода: .

Сопротивление постоянному току характеризуется коэффициентом угла наклона прямой, проведенной из начала координат в данную точку. Сопротивление это также зависит от величины тока: с ростом I сопротивление падает. R Ge < R Si .

ВАХ полупроводникового диода несколько отличается от ВАХ идеального диода. Так за счет утечки тока по поверхности кристалла реальный обратный ток будет больше теплового тока. Соответственно обратное сопротивление у реального диода меньше, чем у идеального р-п перехода.

Прямое падение напряжения больше, чем у идеального р-п перехода. Это происходит за счет падения напряжения на слоях полупроводника р и п типа. Причем, у реальных диодов один из слоев р или п имеет большую концентрацию основных носителей, чем другой. Слой с большой концентрацией основных носителей называют эмиттером, он имеет незначительное сопротивление. Слой с меньшей концентрацией основных носителей называют базой. Он имеет довольно существенное сопротивление.

Увеличение прямого падения напряжения происходит за счет падения напряжения на сопротивлении базы.

Для расчета электронных схем, содержащих полупроводниковые диоды, возникает необходимость представления их в виде схем замещения. Схема замещения полупроводникового диода при кусочно-линейной аппроксимации его ВАХ изображена на рис.1.7. На рис.1.8 представлены схемы замещения с использованием ВАХ идеального диода и ВАХ идеального p-n перехода (r д – сопротивление диода, r у –сопротивление утечки диода).

Рис.1.7. Аппроксимация ВАХ диода

линейными отрезками

Рис.1.8. Замещение диодов использованием ВАХ

идеального диода (а) и ВАХ идеального p-n перехода (б)

Работа диода в цепи с нагрузкой. Рассмотрим простейшую цепь с диодом и резистором, и действие на входе ее разнополярного напряжения (рис.1.9). Картина распределения напряжений на элементах схемы определяется положением линий нагрузки (рис.1.10) - на графике ВАХ диода по оси напряжения в обе стороны откладываются две точки, определяемые +U m и –U m питающего напряжения, что соответствует напряжению на диоде при закороченной нагрузке R н , а на оси тока в обе стороны откладываются токи U m /R н и - U m /R н , что соответствует закороченному диоду. Эти две точки попарно соединяются прямыми линиями, которые называются нагрузочными. Пересечения линий нагрузки R н в первом и третьем квадрантах с ветвями

ВАХ диода для каждой фазы питающего напряжения соответствуют

Рис. 1.9. Цепь с диодом и Рис. 1.10. ВАХ диода с нагрузочной

нагрузкой прямой

их одинаковым токам (что необходимо при последовательном их соединении) и определяют положение рабочих точек.

Положительная полуволна U>0, U=U m .

Данная полярность является прямой для диода. Ток и напряжение всегда будут удовлетворять ВАХ:

кроме того:

U д =U m - I д R H ;

при I д =0, U д =U m ;

при U д =0, I д =U m /R H ;

при прямом включении U m >>U пр (рис. 1.10).

При практическом применении U пр >0 (U пр - прямое напряжение), когда диод открыт. При работе диода в прямом направлении напряжение на нем минимальное - (Ge -0,4 B; Si -0,7 B), и его можно считать приблизительно равным нулю. Ток при этом будет максимальным.

Рис.1.11. Сигналы напряжений и тока в цепи диода с нагрузкой

Отрицательная полуволна U<0, U= -U m .

Характеристика диода та же, но

U д = -U m -I д R H ,;

I д =0, U д =U m ;

U д =0, I д =U m /R H ; U H <

Емкости р-п перехода. При включении р-п перехода в обратном направлении, а также при небольших прямых напряжениях в области р-п перехода существует двойной электрический слой: в р области - отрицательный, в п области - положительный.

Накопление в этом слое некомпенсированного заряда приводит к возникновению емкости р-п перехода, которая называется барьерной емкостью. Она характеризует изменение накопленного заряда при изменении внешнего напряжения по рис.1.12. С б =dQ/ dU .

Рис. 1.12. Зависимость барьерной емкости

от обратного напряжения.

Барьерная емкость зависит от геометрических размеров р-п перехода. С увеличением U обр ширина р-п перехода возрастает, а емкость уменьшается.

При включении диода в прямом направлении барьерная ёмкость практически исчезает, а в базовом слое диода происходит накопление перешедших из эмиттера неосновных носителей. Это накопление заряда создает также эффект емкости, которую называют диффузионной. С д обычно превышает С б .

Диффузионная емкость определяется С д =dQ д /dU .

Эти емкости сказываются при работе диодов на высоких частотах. Емкости р-п перехода включают в схему замещения (рис.1.13).

Рис. 1.13. Схемы замещения диода с учетом емкостей:

а – барьерная ёмкость; б – диффузионная ёмкость

Переходные процессы в диодах. При работе диодов с сигналами высоких частот (1-10 МГц) процесс перехода из непроводящего состояния в проводящее и наоборот происходит не мгновенно за счет наличия емкости в переходе, за счет накопления зарядов в базе диода.

На рис.1.14 приведены временные диаграммы изменения токов через диод и нагрузку при прямоугольных импульсах питающего напряжения. Ёмкости в цепи диода искажают передний и задний фронты импульсов, вызывают появление времени рассасывания t p .

При выборе диода для конкретной схемы надо учитывать его частотные свойства и быстродействие.

Рис. 1.14. Переходные процессы при

переключении диода:

t ф1 - длительность переднего фронта перехода;

t ф2 - длительность заднего фронта;

t p - время рассасывания.

Пробой р-п перехода. Обратное напряжение диода не может возрастать до сколь угодной величины. При некотором обратном напряжении, характерном для каждого типа диода, происходит резкое возрастание обратного тока. Этот эффект называют пробоем перехода. Различают несколько видов пробоя (рис.1.15):

1- лавинный пробой, когда увеличение обратного тока происходит за счет лавинного размножения не основных носителей;

Рис. 1.15. ВАХ при различных видах пробоя

2- туннельный пробой, когда прео-доление потенциального барьера и запирающего слоя происходит за счет туннельного эффекта.

При лавинном и туннельном пробоях растет обратный ток при неизменном обратном напряжении.

Это электрические пробои. Они являются обратимыми. После снятия U обр диод восстанавливает свои свойства.

3- тепловой пробой, он происходит в том случае, когда количество тепла, выделившегося в р-п переходе, больше количества тепла, отдаваемого поверхностью диода в окружающую среду. При этом с увеличением температуры р-п перехода растет концентрация неосновных носителей, что приводит к еще большему росту обратного тока, который, в свою очередь, ведет к увеличению температуры и т.д. Так как для диодов, изготовленных на основе германия, I обр больше, чем для диодов на основе кремния, то для первых вероятность теплового пробоя выше, чем для вторых. Поэтому максимальная рабочая температура для кремниевых диодов выше (150 о …200 о С), чем для германиевых (75 о …90 о С).

При этом пробое р-п переход разрушается.

Контрольные вопросы.

1. Что такое полупроводниковый диод? Вольтамперная характеристика идеального и реального диода?

2. Какие материалы используются для изготовления полупроводниковых диодов? Как создавать в полупроводниковой подложке области того или иного типа проводимости?

3. Что такое собственное электрическое поле в кристалле на границе p-n- перехода? Как оно видоизменяется при подаче внешнего напряжения?

4. Чем объясняется эффект односторонней проводимости p-n- перехода в полупроводнике?

5. Вольтамперные характеристики p-n -переходов для германиевых и кремниевых диодов при изменении внешней температуры?

6. Как определяется дифференциальное сопротивление диода?

7. Как строятся вольтамперные характеристики диода с нагрузочной прямой?

8. Объясните механизм формирования барьерной и диффузионной ёмкостей диода? Как они сказываются при работе диода в цепях переменного тока?

Лекция 2.Специальные типы