2. Полупроводниковый диод

Определения и обозначения

Полупроводник — материал, проводимость которого зависит от температуры, освещения и примесей. Электроны могут перемещаться по материалу и переносить отрицательный заряд, а дырки — свободные места в связях атомов — ведут себя как положительные носители. Это объясняет, почему свойства полупроводника можно менять нагреванием, светом или добавлением примесей. Именно управление числом носителей позволяет создавать электронные приборы.

p-n-переход — граница между областями полупроводника с дырочной и электронной проводимостью. После их соединения часть электронов и дырок уходит от границы, поэтому там образуется обеднённый слой, где подвижных носителей мало. Оставшиеся заряженные частицы создают внутреннее электрическое поле. Переход нужен, чтобы направленно управлять движением носителей и током.

Полупроводниковый диод — прибор с одним p-n-переходом и двумя выводами. Он предназначен прежде всего для пропускания тока преимущественно в одном направлении и применяется, например, в выпрямителях. На схеме диод обозначают символом с треугольной частью, направленной к вертикальной черте: черта соответствует катоду, другой вывод — аноду. По обозначению можно определить выводы и проверить полярность включения.

Вентильный эффект — способность диода хорошо проводить ток в одном направлении и резко ограничивать его в противоположном. Это не означает, что обратный ток всегда строго равен нулю: обычно он мал, а при пробое может резко вырасти. Вентильный эффект позволяет преобразовывать переменный ток в ток одного направления. Поэтому диод называют выпрямительным прибором.

Как это устроено

Примеси меняют количество носителей заряда в кристалле. Если примесь отдаёт свободные электроны, появляется область n-типа, где электроны являются основными носителями; в области p-типа преобладают дырки. Эти носители способны перемещаться по материалу, поэтому обе области проводят ток. Соединяя их в одном кристалле, получают основу p-n-перехода.

На границе областей концентрация электронов и дырок резко меняется, поэтому носители начинают диффундировать — перемещаться из места, где их много, туда, где их меньше. Электроны из n-области и дырки из p-области встречаются и рекомбинируют, то есть исчезают как свободные носители. Вблизи границы остаются неподвижные заряженные частицы, а подвижных носителей становится мало. Так возникает обеднённый слой.

Неподвижные заряды обеднённого слоя создают внутреннее электрическое поле. Оно препятствует дальнейшему переходу основных носителей через границу и формирует потенциальный барьер — область, которую зарядам нужно преодолеть, чтобы попасть в другую часть кристалла. В равновесии диффузия не прекращается полностью, но поле ограничивает её. Барьер объясняет, почему направление внешнего напряжения так сильно влияет на ток через диод.

При прямом подключении p-область соединяют с плюсом источника, а n-область — с минусом. Внешнее поле направлено так, что ослабляет внутреннее поле перехода: обеднённый слой становится уже, а барьер ниже. Основные носители получают возможность проходить через границу, поэтому ток при увеличении напряжения быстро растёт. В диоде из кремния заметный рост часто наблюдается примерно от 0,6–0,7 В, но точное значение зависит от прибора и тока.

При обратном подключении внешнее поле усиливает внутреннее, обеднённый слой расширяется, а потенциальный барьер становится выше. Основным носителям труднее пересечь переход, поэтому остаётся лишь небольшой обратный ток, связанный с неосновными носителями. При достаточно большом обратном напряжении наступает пробой и ток резко возрастает; без ограничения он может повредить прибор. Из-за различия прямого и обратного режимов вольт-амперная характеристика диода нелинейна: при переменном напряжении диод пропускает преимущественно одну полуволну и выпрямляет ток.

Работа p-n-перехода при разных направлениях подключения

В таблице полярность указана для обычного диода: p-область соединена с анодом, n-область — с катодом. Сопоставляя ширину слоя и барьер, можно определить, какой режим установится и насколько хорошо переход пропустит ток. Пробой возможен при чрезмерном обратном напряжении, поэтому его нельзя путать с нормальной работой в обратном режиме.

Разбор задач

Задача 1. По условному обозначению требуется определить выводы p- и n-областей и выяснить, будет ли диод проводить ток при заданной полярности источника. Сначала найдём катод: на обозначении это вывод у вертикальной черты. Другой вывод является анодом; у обычного диода анод соединён с p-областью, катод — с n-областью. Далее сравним полярность источника с условием прямого включения.

1. Отметим вывод, который заканчивается вертикальной чертой: это катод, то есть n-сторона.
2. Противоположный вывод — анод, соответствующий p-стороне.
3. Если плюс источника соединён с анодом, а минус с катодом, включение прямое и диод проводит заметный ток.
4. Если полярность обратная, диод почти закрыт; небольшой обратный ток всё же возможен.

Ответ: при подключении плюса к аноду и минуса к катоду диод проводит; при противоположной полярности ток мал. Проверка по схеме сводится к тому, чтобы найти черту катода и сравнить её соединение с полюсами источника. В реальной цепи учитывают ещё допустимое напряжение и необходимость ограничивать ток.

Задача 2. Диод включён последовательно с резистором 1 кОм и источником 5 В. Нужно выбрать направление диода, чтобы ток проходил, и объяснить роль резистора. Для проводящего режима анод соединяют с положительным полюсом источника, а катод — со стороной резистора и отрицательного полюса. Резистор включён последовательно, поэтому через него проходит тот же ток, что и через диод.

1. Определим прямое направление: p-сторона (анод) должна быть подключена к плюсу, n-сторона (катод) — к минусу.
2. В простой модели примем падение напряжения на кремниевом диоде равным примерно 0,7 В.
3. На резисторе тогда будет Uᵣ = 5 В − 0,7 В = 4,3 В.
4. По закону Ома оценим ток: I = Uᵣ/R = 4,3 В/1000 Ом = 0,0043 А, или 4,3 мА.

Ответ: диод следует включить прямо; резистор ограничивает ток примерно до 4,3 мА в принятой модели. Если перевернуть диод, он окажется включён обратно и ток будет мал, пока напряжение не вызовет пробой. Расчёт показывает, почему нельзя убирать резистор: без него ток может оказаться чрезмерным.

Задача 3. По вольт-амперной характеристике требуется найти ток при прямом напряжении 0,7 В, а затем оценить ток при источнике 5 В и последовательном резисторе. Сначала считываем значение именно для заданного напряжения, не подменяя график законом Ома для диода. Затем учитываем, что часть напряжения источника приходится на диод, а остаток — на резистор. Для численной оценки примем резистор 1 кОм и график, на котором при 0,7 В ток около 8 мА.

1. На графике при Uдиода = 0,7 В находим Iдиода ≈ 8 мА.
2. В цепи с резистором 1 кОм ток должен одновременно соответствовать характеристике диода и закону Ома для резистора.
3. При токе 8 мА падение на резисторе составило бы Uᵣ = IR = 0,008 А · 1000 Ом = 8 В, что больше напряжения источника 5 В.
4. Значит, рабочий ток меньше 8 мА; для оценки примем прямое напряжение около 0,7 В и получим I ≈ (5 − 0,7)/1000 = 4,3 мА.

Ответ: по характеристике при 0,7 В ток равен примерно 8 мА, но с источником 5 В и резистором 1 кОм ток оценивается примерно в 4,3 мА. Это оценка: точное значение находят по пересечению характеристики диода с зависимостью тока от напряжения на резисторе. Нельзя одновременно назначить диоду 0,7 В и ток 8 мА, если эти значения противоречат внешней цепи.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что при обратном подключении ток совсем отсутствует. Так думают, потому что обратный ток обычно намного меньше прямого и на школьных схемах его часто не показывают; однако носители, обеспечивающие небольшой ток, существуют. Проверка: формулируйте вывод как «ток мал до пробоя», а при большом обратном напряжении учитывайте резкий рост тока.

Ошибка — перепутать прямое и обратное подключение. Причина обычно в том, что ученик не определил катод по черте на обозначении или смешал стороны p и n; при прямом режиме плюс должен быть у анода. Проверяйте цепочку: черта — катод — n-область, противоположный вывод — анод — p-область. Затем сопоставляйте выводы с полюсами источника.

Ошибка — считать диод обычным резистором с постоянным сопротивлением и применять к нему закон Ома напрямую. Закон Ома можно использовать для резистора, но ток диода зависит от его напряжения нелинейно и от направления включения. Проверка: для диода берите ток с его вольт-амперной характеристики, а для всей последовательной цепи отдельно учитывайте напряжение на резисторе. Рабочая точка должна удовлетворять обоим условиям.

Ошибка — подключить диод прямо к источнику, не ограничивая ток. При прямом включении ток может быстро вырасти, поэтому переход нагревается и способен повредиться; ошибка возникает, когда напряжение источника принимают за безопасный предел тока. Проверяйте наличие последовательного резистора или другого ограничителя и рассчитывайте ток по внешней цепи. Также сверяйте полученное значение с допустимым током диода.

Связь с другими темами

Для понимания диода нужны знания о строении атома и электрическом токе: они помогают представить электроны, дырки и движение зарядов. Также пригодятся понятия электрического поля и напряжения, поскольку поле перехода создаёт барьер, а внешний источник меняет его. Закон Ома нужен для расчёта тока в цепи с последовательным резистором. Эти темы связывают строение вещества с поведением реального электрического прибора.

Диод — основа многих устройств электроники. Выпрямители используют его для преобразования переменного тока, светодиоды излучают свет при прямом токе, а стабилитроны работают в специальном режиме обратного пробоя. В транзисторах также применяются полупроводниковые переходы. Понимание диода помогает разбираться в работе электронных схем и принципах управления током.

Что запомнить

• Диод содержит один p-n-переход и два вывода.
• В области p-типа основными носителями являются дырки, а в области n-типа — электроны.
• При прямом подключении диод проводит ток значительно лучше.
• При обратном подключении проходит небольшой ток до наступления пробоя.
• Вольт-амперная характеристика диода нелинейна.
• Диод используют для выпрямления переменного тока.
• Ток через диод необходимо ограничивать внешней цепью.

На графике видно, насколько по-разному диод ведёт себя при прямом и обратном напряжении. Сопоставьте ветви характеристики с полярностью источника и отметьте участок резкого роста прямого тока.