3. Полупроводниковый диод

Определения и обозначения

Полупроводниковый диод — прибор с одним p–n-переходом, который проводит ток преимущественно в одном направлении. Его используют, когда нужно пропускать ток при одной полярности напряжения и ослаблять его при противоположной. Слово «преимущественно» важно: реальный диод не полностью перекрывает обратный ток.

p–n-переход — граница между областями полупроводника с дырочной и электронной проводимостью. Буква p связана с положительными дырками, а n — с отрицательно заряженными электронами. Именно свойства этой границы объясняют, почему диод по-разному ведёт себя при разных полярностях источника.

Прямое включение — подключение диода, при котором внешний источник облегчает прохождение тока через p–n-переход. Плюс источника соединяют с p-областью, а минус — с n-областью. Это понятие помогает определить, когда диод открыт и через цепь может проходить заметный ток.

Обратное включение — подключение диода, при котором внешний источник препятствует прохождению тока через p–n-переход. Плюс источника соединяют с n-областью, а минус — с p-областью. При таком подключении диод обычно закрыт, поэтому его сопротивление велико, а ток мал.

Как это устроено

Чтобы получить области p- и n-типа, в чистый полупроводник добавляют небольшое количество примесей. Примесь, создающая недостаток электронов в связях атомов, приводит к появлению дырок — свободных мест, которые ведут себя как положительные носители заряда; так получают p-область. Примесь, отдающая дополнительные электроны, создаёт n-область, где основными носителями становятся электроны.

Когда области p- и n-типа соединяют, электроны начинают переходить из n-области в p-область, а дырки — из p-области в n-область. У границы электроны и дырки встречаются и исчезают при рекомбинации, поэтому в узком слое подвижных носителей становится мало. Оставшиеся неподвижные заряды создают электрическое поле и потенциальный барьер, который мешает дальнейшему переходу носителей.

При прямом включении источник подталкивает электроны и дырки к переходу и ослабляет его внутреннее поле. Поэтому потенциальный барьер уменьшается, а обеднённый слой становится уже. Носителям легче преодолеть границу, вследствие чего через диод проходит заметный ток; у реального диода его величина зависит от напряжения и свойств прибора.

При обратном включении поле источника действует в ту же сторону, что и поле перехода, и увеличивает потенциальный барьер. Обеднённый слой расширяется, а основным носителям труднее пересечь границу, поэтому ток остаётся очень малым. Если обратное напряжение превысит допустимое значение, может произойти пробой — резкое увеличение тока, способное повредить прибор.

Так различие в высоте барьера даёт диоду одностороннюю проводимость: в прямом направлении ток велик по сравнению с обратным, а сопротивление меньше. В выпрямительной цепи это позволяет пропускать через нагрузку ток в одних полупериодах переменного напряжения и почти прекращать его в других. Чтобы выпрямить ток, одного диода достаточно для простейшей схемы, хотя на выходе ток остаётся пульсирующим.

Работа полупроводникового диода при разных включениях

Сначала сопоставьте полярность источника с областями диода, затем оцените барьер и ток. Таблица показывает качественное сравнение: точные значения тока и сопротивления зависят от конкретного прибора. Для реального диода обратный ток мал, но не обязательно равен нулю.

Разбор задач

Определяем направление включения

Условие: на схеме диод подключён к источнику; нужно установить, прямое это включение или обратное. Идея решения — не ориентироваться на то, как диод нарисован на листе, а определить его выводы и сравнить их с полярностью источника. Анод соответствует p-области, катод — n-области.

1. Найдите на обозначении диода катод: его показывает черта; второй вывод — анод.
2. Проверьте полярность: если плюс соединён с анодом, а минус с катодом, включение прямое.
3. Если плюс соединён с катодом, а минус с анодом, включение обратное.

Ответ: без конкретной полярности на схеме нельзя назвать одно из двух включений; определите его по указанному правилу. Такой порядок действий не зависит от того, куда на рисунке направлен диод.

Ток через идеальный диод

Условие: диод включён последовательно с резистором 1 кОм и источником 5 В; диод идеальный и подключён прямо. Идеальный открытый диод в модели не создаёт падения напряжения, поэтому всё напряжение источника приложено к резистору. Сопротивление резистора переведём в омы: 1 кОм = 1000 Ом.

1. Заменим идеальный открытый диод проводником.
2. Применим закон Ома: I = U/R.
3. Подставим значения: I = 5 В / 1000 Ом = 0,005 А = 5 мА.

Ответ: сила тока в цепи равна 5 мА. Для реального диода такой расчёт может быть неточным, поскольку у него есть собственные свойства и падение напряжения.

Диод в цепи переменного напряжения

Условие: диод соединён последовательно с нагрузкой и источником переменного напряжения; требуется определить полупериоды прохождения тока и результат разворота диода. Полярность источника меняется каждый полупериод, поэтому необходимо отдельно рассмотреть оба состояния. Считаем, что диод открывается при прямом включении, а обратный ток можно не учитывать.

1. В первом полупериоде найдите, какой вывод источника положителен; ток проходит, если плюс соединён с анодом.
2. Во втором полупериоде полярность меняется, и диод оказывается включён обратно, поэтому ток через нагрузку почти не проходит.
3. При развороте диода условия меняются местами: ток будет проходить в противоположном полупериоде.

Ответ: ток через нагрузку проходит в том полупериоде, когда диод включён прямо; после разворота он проходит в другом полупериоде. Направление тока через нагрузку при этом также меняется, если изменить подключение элементов соответственно.

Типичные ошибки

Считать, что при обратном включении диод совсем не проводит ток, — неточно: у реального прибора есть малый обратный ток. Такое заблуждение возникает из-за упрощённой модели закрытого диода. Проверяйте, говорится ли в задаче об идеальном приборе; если нет, формулируйте «ток очень мал», а не «тока нет».

Определять прямое и обратное включения только по тому, куда диод «смотрит» на рисунке, — ошибка. Диод можно повернуть на листе, не изменив электрического соединения, поэтому важны его выводы и полярность источника. Для проверки найдите катод и выясните, к какому полюсу подключён каждый вывод.

Предполагать, что диод одинаково хорошо проводит ток в обе стороны, нельзя: его проводимость существенно зависит от направления включения. Ошибка появляется, если воспринимать диод как обычный резистор. Сравните барьер при обеих полярностях: в прямом включении он уменьшается, в обратном увеличивается.

Считать любой диод идеальным и сразу применять упрощённый расчёт — тоже неверно. Идеальная модель удобна, но она не описывает падение напряжения и обратный ток реального прибора. Перед вычислениями прочитайте условие и выясните, задан ли идеальный диод или нужно учитывать характеристики настоящего.

Связь с другими темами

Для понимания диода нужны знания о строении атома и о том, как в веществах возникают носители заряда. Также пригодятся понятия электрического тока, полярности источника и закон Ома для участка цепи: с его помощью рассчитывают ток в цепи с резистором.

Диоды применяют в выпрямителях и электронных схемах, где важно управлять направлением тока. Представление о p–n-переходе помогает понять устройство транзисторов и других полупроводниковых приборов. Общий принцип — изменение движения носителей заряда с помощью электрического поля.

Что запомнить

• Полупроводниковый диод содержит p–n-переход.
• В p-области основными носителями заряда являются дырки, в n-области — электроны.
• При прямом включении барьер p–n-перехода уменьшается.
• При обратном включении барьер увеличивается, а ток обычно очень мал.
• Диод проводит ток преимущественно в одном направлении.
• Односторонняя проводимость диода используется для выпрямления переменного тока.