**§ 81. Полупроводниковый диод

Определения и обозначения

Полупроводниковый диод — прибор с одним p–n-переходом, который проводит ток при одном направлении напряжения значительно лучше, чем при противоположном. Его удобно представлять как элемент, пропускающий ток преимущественно в одну сторону. Это свойство используют, когда нужно направить ток по выбранному пути в электрической цепи.

p–n-переход — граница между областями полупроводника с дырочной и электронной проводимостью; возле неё возникает область с малым числом подвижных носителей заряда. Буква p обозначает область, где главными носителями являются дырки, а n — область, где главными носителями являются электроны. Понятие перехода нужно, чтобы объяснить, почему диод по-разному проводит ток при разных полярностях напряжения.

Прямое включение диода — подключение источника так, что положительный полюс соединён с p-областью, а отрицательный — с n-областью. При таком подключении диод способен проводить заметный ток. Чтобы определить включение, сравнивают полярность источника именно с обозначениями p и n, а не с направлением движения электронов.

Обратное включение диода — подключение источника так, что положительный полюс соединён с n-областью, а отрицательный — с p-областью. В обычном режиме ток при этом мал, поэтому диод почти не пропускает ток. Это определение помогает отличить обратное включение от прямого и оценить, как поведёт себя цепь.

Как это устроено

В p-области основными носителями заряда являются дырки, а в n-области — электроны. Когда эти области соприкасаются, концентрация носителей по разные стороны границы неодинакова, поэтому часть электронов и дырок диффундирует через границу. Там носители противоположных знаков встречаются и рекомбинируют, то есть перестают быть подвижными зарядами.

Из-за ухода носителей около границы остаются заряженные частицы, которые не могут свободно перемещаться по кристаллу. Так появляется область, обеднённая подвижными зарядами, и электрическое поле внутри неё. Это поле направлено так, что препятствует дальнейшему переходу основных носителей; без такого препятствия носители продолжали бы диффундировать через границу.

При прямом включении внешнее электрическое поле направлено против поля перехода, поэтому результирующее поле ослабевает. Препятствие для движения основных носителей уменьшается, и электроны с дырками легче проходят через границу. В результате ток заметно возрастает по мере увеличения прямого напряжения; диод при этом не становится идеальным проводником.

При обратном включении внешнее поле направлено так, что усиливает поле перехода. Оно оттягивает основные носители от границы, и области труднее обмениваться ими, поэтому ток остаётся небольшим. Небольшой ток всё же существует: его создают неосновные носители, которые могут пройти через переход под действием поля.

Если обратное напряжение становится достаточно большим, поле в переходе вызывает электрический пробой. Тогда обратный ток резко возрастает, поскольку через переход начинает проходить гораздо больше зарядов. В обычном диоде такой режим опасен: без ограничения тока прибор может перегреться и повредиться.

Вольт-амперная характеристика показывает, как сила тока зависит от напряжения на диоде. На схематическом графике при положительном прямом напряжении ток быстро растёт, а при обратном напряжении остаётся малым до резкого увеличения при пробое. Значения и масштаб на такой схеме условны: она показывает форму зависимости, а не параметры конкретного диода.

Сравнение прямого и обратного включения полупроводникового диода

Чтобы пользоваться таблицей, сначала установите, какой полюс источника соединён с каждой областью диода. Затем проследите, как поле источника влияет на поле перехода, и сделайте вывод о ширине обеднённой области. Наконец, оцените ток: прямой режим даёт заметную проводимость, а обратный — малый ток до пробоя.

Разбор задач

Задача 1. Диод подключён к источнику: положительный полюс соединён с p-областью. Определите тип включения и сравните ток с током при смене полярности.

1. Сопоставляем подключение с определением: плюс соединён с p-областью, а значит, это прямое включение.
2. При прямом включении поле источника ослабляет поле перехода, поэтому основные носители легче проходят через границу.
3. После смены полярности получится обратное включение; поле перехода усилится, а ток станет намного меньше, хотя и не обязательно нулевым.

Ответ: сначала диод включён прямо и проводит заметно лучше; после смены полярности он включён обратно, ток мал.

Задача 2. На схеме изображены диод и источник постоянного напряжения. Определите направление условного тока через диод и укажите, будет ли он значительным.

1. Сначала находим p- и n-стороны диода по его обозначению на схеме, затем отмечаем, к какой стороне подключён плюс источника.
2. Если плюс соединён с p, а минус с n, включение прямое; условный ток направлен от плюса источника через диод к минусу и будет заметным.
3. Если плюс соединён с n, а минус с p, включение обратное; заметного тока в обычном режиме не будет, останется лишь небольшой обратный ток.

Ответ: направление условного тока и его величину определяют по полярности источника и типу включения; без самой схемы выбрать один из двух вариантов нельзя.

Задача 3. По графику зависимости силы тока от напряжения определите, при каком знаке напряжения диод проводит заметный ток, и найдите напряжение пробоя по графику.

1. Смотрим на участок графика, где сила тока быстро увеличивается в прямом направлении: соответствующий знак напряжения показывает прямое включение.
2. На обратной ветви до пробоя ток почти не меняется и остаётся небольшим. Находим участок, где при обратном напряжении ток резко возрастает.
3. Считываем напряжение в точке начала резкого роста обратного тока. Знак и значение берём с оси U; точность ответа ограничена масштабом и разметкой графика.

Ответ: заметный прямой ток соответствует прямой ветви характеристики, а напряжение пробоя — значению обратного напряжения в начале резкого роста тока. На схематической характеристике численное значение является условным.

Типичные ошибки

Ошибка — считать диод идеальным проводником при прямом включении. Так могут рассуждать, потому что ток в прямом режиме намного больше обратного, но это не означает нулевого сопротивления: сила тока зависит от приложенного напряжения. Проверка простая: если в условии не задана идеализация, не заменяйте диод обычным проводом и учитывайте его вольт-амперную характеристику.

Ошибка — полагать, что при обратном включении ток строго равен нулю. Такое представление возникает из упрощённого описания диода как одностороннего проводника, однако небольшой ток создают неосновные носители. Проверяйте формулировку: обычно говорится о малом или пренебрежимо малом токе, а не о его полном отсутствии.

Ошибка — путать прямое включение с направлением движения электронов. Тип включения определяется тем, как полюса источника соединены с p- и n-областями, а условный ток направлен противоположно движению электронов. Чтобы проверить себя, сначала назовите полярность областей и только после этого указывайте направление условного тока.

Ошибка — считать, что любой диод безопасно проводит ток при обратном пробое. Резкий рост тока при пробое может привести к сильному нагреву и повреждению обычного диода. Проверьте, ограничен ли ток и рассчитан ли прибор на такой режим; если этого не указано, пробой нельзя считать штатным и безопасным состоянием.

Связь с другими темами

Для понимания работы диода нужны знания о носителях заряда в металлах и полупроводниках, электронной и дырочной проводимости. Также пригодятся представления об электрическом поле и направлении условного тока: они помогают объяснить, почему полярность источника меняет проводимость перехода. Дальше эти знания применяются при изучении выпрямления переменного тока, других полупроводниковых приборов и простых электронных схем. Например, выпрямитель использует диоды, чтобы направить ток в цепи преимущественно в одном направлении.

Что запомнить

• Диод содержит p–n-переход.
• В p-области основными носителями являются дырки, в n-области — электроны.
• При прямом включении поле перехода ослабляется, и ток заметно возрастает.
• При обратном включении поле перехода усиливается, а ток обычно мал.
• Зависимость тока диода от напряжения несимметрична.
• При достаточно большом обратном напряжении возможен пробой.