2. Полупроводниковый диод

Определения и обозначения

Полупроводниковый диод — прибор с одним p-n-переходом, пропускающий ток преимущественно в одном направлении. На схеме его выводы называют анодом и катодом; в прямом режиме ток условно направлен от анода к катоду. Односторонняя проводимость нужна, например, для преобразования переменного тока в пульсирующий постоянный.

p-n-переход — граница между областями полупроводника с электронной и дырочной проводимостью. В p-области основными носителями заряда являются дырки, а в n-области — электроны. Переход важен потому, что именно его свойства определяют, насколько легко ток проходит через диод.

Обеднённый слой — область p-n-перехода, почти лишённая свободных носителей заряда и создающая внутреннее электрическое поле. Он возникает рядом с границей p- и n-областей и препятствует дальнейшему перемещению основных носителей. Изменение его ширины при подключении источника объясняет разницу между прямым и обратным режимами.

Вольт-амперная характеристика диода — зависимость силы тока через диод от приложенного напряжения. Её обозначают ВАХ и обычно изображают графиком I(U), где U — напряжение, а I — ток. По графику можно оценить рабочий ток и увидеть, как ведёт себя диод при разных полярностях и напряжениях.

Как это устроено

Чтобы получить области разных типов, в чистый полупроводник вводят примеси. Одни примеси дают дополнительные электроны, поэтому в области n-типа основными носителями становятся электроны. Другие создают нехватку электронов — дырки, и в области p-типа основными носителями становятся они. Такая обработка позволяет сформировать части полупроводника с разными носителями и соединить их в одном приборе.

Когда p- и n-области соприкасаются, электроны из n-области начинают диффундировать в p-область, а дырки — в обратную сторону. У границы электроны и дырки встречаются и исчезают как свободные носители, оставляя неподвижные заряженные частицы примесей. Так возникает обеднённый слой и внутреннее поле, которое направлено против дальнейшей диффузии. Равновесие устанавливается, когда поле достаточно затрудняет переход основных носителей через границу.

При прямом включении плюс источника подключают к p-области, а минус — к n-области. Внешнее поле направлено так, что ослабляет внутреннее поле перехода и снижает потенциальный барьер. Обеднённый слой становится уже, и носителям легче пересекать границу. Поэтому после достижения характерного для материала напряжения ток быстро увеличивается.

При обратном включении полярность источника меняют: плюс подключают к n-области, минус — к p-области. Внешнее поле усиливает внутреннее поле перехода, увеличивая потенциальный барьер и ширину обеднённого слоя. Основным носителям всё труднее пересечь границу, поэтому ток почти прекращается. Небольшой обратный ток всё же возможен из-за неосновных носителей — носителей, которые не являются главными для своей области.

Диод выпрямляет переменный ток, потому что при одной полярности пропускает заметный прямой ток, а при противоположной — почти не пропускает ток. В результате ток через цепь течёт преимущественно в одном направлении. Если обратное напряжение превысит допустимое, наступит пробой: обратный ток резко возрастёт. Без ограничения такого тока диод может перегреться, поэтому рабочее напряжение и защиту цепи выбирают с учётом характеристик прибора.

Работа p-n-перехода при разных способах включения

Сравнивайте режимы по полярности источника: при прямом включении плюс подключён к p-области, а при обратном — к n-области. Таблица показывает, как от этого меняются барьер, обеднённый слой и ток. ВАХ дополняет сравнение: она показывает, что ток в прямом режиме растёт резко, а в обратном остаётся малым до пробоя.

Разбор задач

Определяем направление включения

Условие. К диоду подключён источник постоянного напряжения; известны полярность источника и соединение его выводов с анодом и катодом диода. Нужно определить, будет ли проходить ток. Численные значения напряжения не даны, поэтому рассматриваем только направление включения.

1. Найдём выводы диода: анод и катод. На условном обозначении катод отмечен чертой, а другой вывод — анодом. Это позволяет не путать направление условного тока с направлением рисунка.
2. Проверим полярность: если плюс источника соединён с анодом, а минус с катодом, включение прямое. Если плюс соединён с катодом, а минус с анодом, включение обратное. Сравнивать нужно именно полярность, а не то, куда направлен значок на схеме.
3. В прямом режиме ожидается заметный ток, если напряжение и внешняя цепь обеспечивают допустимый режим. В обратном режиме остаётся лишь малый обратный ток, пока напряжение не достигло пробойного значения. Поэтому одного слова «ток» недостаточно: ответ зависит от полярности и допустимых параметров диода.

Ответ: прямое включение — плюс к аноду, минус к катоду; обратное — плюс к катоду, минус к аноду. В первом случае ток проходит заметно, во втором он очень мал до пробоя.

Считаем ток и мощность диода

Условие. Источник напряжения 9 В соединён последовательно с кремниевым диодом, у которого прямое падение напряжения равно 0,7 В, и резистором 1 кОм. Требуется найти силу тока и мощность, выделяющуюся на диоде. Считаем, что диод включён прямо, а его прямое напряжение в этом режиме постоянно.

1. В последовательной цепи напряжение источника распределяется между диодом и резистором. На резисторе остаётся U_R = 9 − 0,7 = 8,3 В. Это напряжение используем для расчёта тока по закону Ома.
2. Переведём сопротивление: 1 кОм = 1000 Ом. Тогда I = U_R/R = 8,3/1000 = 0,0083 А, то есть 8,3 мА. Одинаковый ток проходит через диод и резистор, поскольку они соединены последовательно.
3. Мощность диода равна произведению напряжения на нём на ток: P = Uдиода · I. Получаем P = 0,7 · 0,0083 = 0,00581 Вт, или примерно 5,8 мВт. При вычислениях важно использовать напряжение именно на диоде, а не полное напряжение источника.

Ответ: ток равен 8,3 мА, мощность диода — примерно 5,8 мВт.

Используем ВАХ и проверяем режим

Условие. Даны ВАХ диода, источник напряжения и последовательно подключённый резистор. Нужно определить ток в цепи и проверить, не превышено ли допустимое обратное напряжение диода. Численные данные ВАХ и элементов в условии не заданы, поэтому запишем общий способ решения.

1. Сначала определим полярность на диоде. Если он включён прямо, ищем на ВАХ участок положительного напряжения и выбираем возможное значение Uдиода. Для обратного включения рассматриваем отрицательное напряжение и сверяем его модуль с допустимым обратным напряжением из характеристик прибора.
2. Для каждого предполагаемого значения напряжения на диоде вычислим ток через резистор: I = (Uист − Uдиода)/R при прямом включении с согласованно выбранными направлениями напряжений. Рабочая точка должна одновременно соответствовать этому соотношению и ВАХ; на графике это точка пересечения характеристики диода с прямой цепи.
3. Если речь об обратном включении, отдельно проверим, что модуль напряжения не больше допустимого. При превышении этого предела возможен пробой, и обычный расчёт малого обратного тока уже неприменим. Точное численное значение тока можно найти только по заданному графику и параметрам цепи.

Ответ: ток определяют по рабочей точке, согласуя ВАХ с законом Ома для резистора. Допустимое обратное напряжение проверяют отдельно по модулю приложенного напряжения.

Типичные ошибки

Считать диод идеальным проводником в прямом направлении — значит забыть о прямом падении напряжения. Так ошибаются, когда переносят на диод упрощённую модель обычного замкнутого выключателя. Перед расчётом проверьте, дана ли модель с постоянным падением напряжения, например 0,7 В для кремниевого диода; тогда это напряжение нужно вычесть из напряжения источника.

Путать прямое и обратное включение часто заставляет направление значка на схеме: его принимают за направление тока. Определять режим нужно по полярности относительно анода и катода, а не по наклону символа на странице. Самопроверка: при прямом включении плюс источника должен быть у анода, а минус — у катода.

Считать обратный ток строго нулевым удобно в простых расчётах, но это не вполне точно. В реальном диоде возможен малый ток из-за неосновных носителей, а при чрезмерном напряжении наступает пробой. Проверьте условие задачи и характеристики прибора: если требуется оценить обратный ток или дано пробойное напряжение, нулём пренебрегать нельзя.

Подключать диод напрямую к источнику без резистора опасно, потому что после открытия перехода ток может резко вырасти. Эту ошибку допускают, рассматривая диод отдельно от внешней цепи. Перед включением оцените ток по закону Ома и убедитесь, что его ограничивают сопротивлением или другим предусмотренным элементом.

Связь с другими темами

Для понимания диода нужны знания о строении атома, свободных носителях заряда, электронной и дырочной проводимости. При расчёте цепей пригодятся закон Ома и правила последовательного соединения элементов. Поэтому сначала определяют полярность и падение напряжения на диоде, а затем находят ток во внешней цепи.

Диоды применяются в выпрямителях, светодиодах, стабилитронах и других полупроводниковых приборах. Понимание p-n-перехода помогает увидеть, как изменение материала и режима работы даёт разные свойства приборов. Знание ВАХ пригодится при анализе электрических цепей и электронных схем: по ней определяют возможный ток и режим работы компонента.

Что запомнить

• Диод имеет один p-n-переход и проводит ток преимущественно в одном направлении.
• В p-области основными носителями являются дырки, а в n-области — электроны.
• В области p-n-перехода формируется обеднённый слой и внутреннее электрическое поле.
• При прямом включении сопротивление перехода уменьшается, а ток быстро возрастает.
• При обратном включении ток мал, потому что обеднённый слой расширяется.
• Прямой ток ограничивают сопротивлением внешней цепи.
• Сильное обратное напряжение может вызвать пробой диода.