3. Полупроводниковый диод

Определения и обозначения

Полупроводниковый диод — двухэлектродный прибор, основой которого служит p–n-переход. Он хорошо проводит ток при одной полярности подключения и слабо — при противоположной, поэтому его используют, чтобы направлять ток в цепи. На схеме диод обозначают условным символом с линией, отмечающей катод; при чтении схемы сопоставляют его выводы с полюсами источника.

p–n-переход — граница между областями полупроводника с дырочной и электронной проводимостью. В p-области основные носители — дырки, в n-области — электроны. Переход создаёт внутри диода область, свойства которой меняются при подключении источника, поэтому именно он определяет, будет ли прибор проводить ток.

Прямое включение диода — подключение, при котором положительный полюс источника соединён с p-областью, а отрицательный — с n-областью. Внешнее электрическое поле помогает основным носителям двигаться к границе, и запирающий слой становится тоньше. Так диод открывается и пропускает заметный ток.

Обратное включение диода — подключение, при котором плюс источника соединён с n-областью, а минус — с p-областью. Внешнее поле оттягивает основные носители от границы, расширяя запирающий слой. Диод почти закрыт: ток очень мал, хотя в реальном приборе обычно не равен строго нулю.

Как это устроено

Чистый полупроводник проводит ток сравнительно слабо, но его свойства можно изменить добавлением примесей. Примеси, создающие избыток электронов, формируют область n-типа, где электроны являются основными носителями заряда. Другие примеси создают недостаток электронов, который описывают как дырки, и образуют область p-типа. Так в одном кристалле получают две области, способные проводить ток разными носителями.

Когда области p- и n-типа соприкасаются, концентрации носителей по разные стороны границы неодинаковы. Поэтому электроны начинают диффундировать из n-области в p-область, а дырки — из p-области в n-область. Перейдя границу, носители могут рекомбинировать: электрон заполняет дырку. Вблизи перехода остаются заряженные частицы примесей, а свободных основных носителей становится мало; эта область и называется запирающим слоем.

Оставшиеся в запирающем слое заряды создают электрическое поле, направленное так, чтобы препятствовать дальнейшему переходу основных носителей. Для электрона и дырки это поле действует по-разному, но в обоих случаях оно мешает диффузии через границу. Так возникает потенциальный барьер — энергетическое препятствие для носителей заряда. Без достаточного внешнего воздействия основным носителям трудно пересечь переход, поэтому ток через него не становится большим сам по себе.

При прямом включении внешнее поле направлено так, что ослабляет поле перехода. Потенциальный барьер уменьшается, запирающий слой сужается, и электронам и дыркам легче двигаться через границу. После открытия диода небольшой рост напряжения может вызвать резкое увеличение тока. При обратном включении внешнее поле усиливает поле перехода: барьер становится выше, а слой шире, поэтому основные носители оттягиваются от границы и ток почти прекращается.

Эту разницу показывает вольт-амперная характеристика — график зависимости силы тока от напряжения на диоде. При прямом напряжении ток после открытия быстро растёт; например, для кремниевого диода заметный рост часто начинается вблизи 0,7 В, но точное значение зависит от прибора и режима. При обратном напряжении график показывает лишь малый обратный ток, пока напряжение не достигло пробоя. Поэтому диод пропускает переменный ток преимущественно в одну сторону и может служить выпрямителем.

Режимы работы полупроводникового диода

В таблице сначала найдите полярность источника и сопоставьте её с областями p и n, затем оцените ширину запирающего слоя и ток. Пробой — не обычный режим для любого диода: допустимое обратное напряжение зависит от типа прибора. В схеме также нужен элемент, ограничивающий ток, если этого требует выбранный режим.

Разбор задач

1. Полюса источника и p–n-переход

К источнику постоянного напряжения подключены диод и резистор. Нужно определить, будет ли проходить ток, если положительный полюс источника соединён с p-областью диода. Считаем, что отрицательный полюс подключён к n-области, то есть полярность соответствует прямому включению.

1. Сравним полярность с правилом: при прямом включении плюс соединяют с p-областью, а минус — с n-областью. В условии указано, что плюс подключён к p-области.
2. При такой полярности внешнее поле уменьшает потенциальный барьер и сужает запирающий слой. Основным носителям становится легче пройти через переход, поэтому цепь проводит ток.

Ответ: ток будет проходить при условии, что отрицательный полюс соединён с n-областью; включение прямое.

2. Диод в цепи переменного напряжения

Диод и резистор соединены последовательно с источником переменного напряжения. Нужно указать, в какие полупериоды ток проходит по цепи. Полярность источника меняется каждый полупериод, поэтому диод по очереди оказывается включён прямо и обратно.

1. Определим полупериод, в который плюс источника подключён к p-области, а минус — к n-области. Это прямое включение: диод открыт, и ток проходит через последовательно соединённые диод и резистор.
2. В следующем полупериоде полярность меняется на противоположную. Диод включён обратно, запирающий слой расширяется, и ток становится очень малым.
3. На схеме можно показать импульсы тока только в тех полупериодах, когда диод открыт. Если поменять выводы диода, пройдут импульсы противоположных полупериодов.

Ответ: ток проходит в каждом полупериоде прямого включения; это принцип однополупериодного выпрямления.

3. Диод и резистор при постоянном напряжении

Источник напряжением 5 В соединён последовательно с кремниевым диодом и резистором 430 Ом. Диод включён прямо, а падение напряжения на нём равно 0,7 В. Нужно найти силу тока, учитывая, что на резисторе остаётся не всё напряжение источника.

1. По закону сохранения напряжения на резисторе будет Uᵣ = U − Uд = 5 В − 0,7 В = 4,3 В. Именно это напряжение нужно подставить в закон Ома для резистора.
2. Рассчитаем ток: I = Uᵣ/R = 4,3 В/430 Ом = 0,01 А. Переведём результат в миллиамперы: 0,01 А = 10 мА.
3. Проверим порядок величины: ток ограничивает резистор, а не сопротивление диода, которое нельзя считать постоянным. Полученное значение соответствует заданному падению напряжения и параметрам цепи.

Ответ: сила тока в цепи равна 0,01 А, или 10 мА.

Типичные ошибки

Считать диод идеальным проводником при любом подключении. Так ошибаются, если не учитывают полярность и вольт-амперную характеристику: при обратном включении диод почти запирает ток. Проверьте, совпадает ли подключение с прямым включением, и помните, что даже открытый диод имеет падение напряжения.

Путать p- и n-области и неверно определять прямое включение. Ошибка возникает, если ориентироваться только на направление условного символа, не выяснив, где находятся области. Проверьте маркировку или условие задачи: прямое включение — это плюс к p, минус к n.

Утверждать, что при обратном включении ток строго равен нулю. Такое упрощение не учитывает неосновные носители, которые создают небольшой обратный ток. Сверьте утверждение с графиком характеристики: обратная ветвь близка к нулю, но не совпадает с ней абсолютно.

Применять к диоду закон Ома как к обычному резистору. Причина ошибки — привычка считать сопротивление постоянным, хотя ток диода нелинейно зависит от напряжения. Составьте уравнение отдельно для резистора, учтите падение напряжения на открытом диоде и не используйте I = U/R для самого диода без его характеристики.

Связь с другими темами

Для понимания диода нужны знания об электрическом токе, напряжении, сопротивлении, законе Ома и движении носителей заряда в проводниках. Полезно также понимать переменный ток и последовательное соединение элементов: эти знания помогают определить, в какие моменты диод открыт и как распределяется напряжение в цепи. Принцип односторонней проводимости используется в выпрямителях, блоках питания, электронных схемах и других полупроводниковых приборах.

Что запомнить

• Полупроводниковый диод состоит из областей p- и n-типа, образующих p–n-переход.
• Основное свойство диода — хорошая проводимость в одном направлении и слабая проводимость в другом.
• При прямом включении запирающий слой сужается.
• При обратном включении запирающий слой расширяется.
• Вольт-амперная характеристика диода нелинейна.
• При слишком большом обратном напряжении может произойти пробой.
• Диоды применяют для выпрямления переменного тока.