§ 3.18. Полупроводниковый диод

Определения и обозначения

Полупроводниковый диод — прибор с одним p–n-переходом, который проводит ток преимущественно в одном направлении. Такое свойство используют, чтобы пропускать ток в нужной части цепи и выпрямлять переменное напряжение. Односторонняя проводимость не означает полного отсутствия тока в обратном направлении.

p–n-переход — область соприкосновения полупроводников p-типа и n-типа, где возникает внутреннее электрическое поле. В p-области основными носителями являются дырки, а в n-области — электроны. Переход определяет, насколько легко носители заряда смогут пройти из одной области в другую.

Прямое включение диода — подключение источника так, что его положительный полюс соединён с p-областью, а отрицательный — с n-областью. Такое подключение ослабляет внутреннее поле p–n-перехода. Поэтому основные носители заряда начинают проходить через переход, создавая заметный ток.

Обратное включение диода — подключение источника так, что положительный полюс соединён с n-областью, а отрицательный — с p-областью. Внешнее поле при этом усиливает поле перехода и препятствует движению основных носителей. Диод почти запирает цепь, хотя небольшой обратный ток сохраняется.

Как это устроено

Чистый полупроводник проводит ток слабо, поэтому его свойства изменяют легированием, то есть добавлением небольшого количества примесей. Примесь, создающая избыток дырок, образует область p-типа: дырки становятся основными носителями заряда. Примесь, отдающая свободные электроны, создаёт область n-типа, где основными носителями являются электроны.

Когда области p- и n-типа соединяют, электроны из n-области начинают диффундировать в p-область, а дырки движутся в противоположном направлении. У границы они рекомбинируют, то есть взаимно исчезают как свободные носители. Поэтому рядом с границей остаются неподвижные заряженные частицы примесей, и возникает обеднённый слой, почти лишённый подвижных носителей.

Неподвижные заряды по разные стороны перехода создают внутреннее электрическое поле. Оно направлено так, чтобы препятствовать дальнейшей диффузии электронов и дырок. В результате устанавливается равновесие: диффузионное движение носителей компенсируется действием внутреннего поля, а сам переход становится потенциальным барьером для основных носителей.

При прямом включении положительный полюс соединяют с p-областью, а отрицательный — с n-областью. Внешнее поле направлено навстречу внутреннему и ослабляет его, поэтому обеднённый слой становится уже. Основные носители легче преодолевают барьер, и через диод проходит заметный прямой ток.

При обратном включении внешнее поле совпадает с внутренним полем перехода. Обеднённый слой расширяется, а движение основных носителей через границу затрудняется. Через диод всё же идёт небольшой обратный ток, связанный главным образом с неосновными носителями и несовершенством реального материала.

Различие режимов видно на вольт-амперной характеристике, то есть зависимости тока от напряжения на диоде. В прямой области после сравнительно небольшого напряжения ток резко возрастает, а в обратной области долго остаётся малым. Поэтому характеристика несимметрична относительно начала координат, и диод пропускает переменный ток преимущественно в один полупериод.

Сравнение режимов включения полупроводникового диода

Таблица помогает быстро определить режим работы по полярности источника и ожидаемое поведение тока. Сначала найдите, к какому полюсу подключена каждая область, затем проследите, меняются ли поле и ширина обеднённого слоя. Последние две строки связывают устройство перехода с наблюдаемой вольт-амперной характеристикой.

Разбор задач

Задача 1

Условие. p-область соединена с отрицательным, а n-область — с положительным полюсом источника. Требуется определить режим включения диода. Для решения достаточно сравнить данную полярность с определением прямого включения.

1. При прямом включении p должна быть соединена с положительным полюсом, а n — с отрицательным.
2. В условии полярность противоположная: p подключена к «−», а n — к «+».
3. Следовательно, внешнее поле усиливает внутреннее поле перехода, а основные носители почти не проходят.

Ответ: диод включён обратно, поэтому в обычном режиме через него проходит лишь малый ток.

Задача 2

Условие. В цепи с источником постоянного напряжения и резистором диод включён последовательно. По заданной полярности источника нужно определить, будет ли ток заметным и в каком направлении он пойдёт. Сначала определяют режим диода, а уже затем делают вывод о токе в общей цепи.

1. Проверьте, соединена ли p-область с положительным полюсом источника, а n-область — с отрицательным.
2. Если это так, включение прямое: внутреннее поле ослабляется, и ток conventional направлен во внешней цепи от «+» источника через диод к «−».
3. Если полярность обратная, включение обратное, поэтому ток будет малым; резистор при этом ограничивает ток и в прямом режиме.

Ответ: заметный ток идёт только при прямом включении, а его направление во внешней цепи определяется от положительного полюса источника к отрицательному.

Задача 3

Условие. Диод и резистор последовательно подключены к источнику переменного напряжения. Нужно описать ток в разные полупериоды и объяснить появление пульсирующего напряжения одного направления на резисторе. Полярность источника меняется, поэтому режим диода также меняется.

1. В первом полупериоде p-область получает более высокий потенциал, чем n-область: диод включён прямо, и ток проходит через резистор.
2. Во втором полупериоде полярность меняется: диод включён обратно, внутреннее поле усиливается, и ток становится очень малым.
3. На резисторе заметное падение напряжения возникает почти только в первом полупериоде, поэтому оно сохраняет одно направление, но периодически исчезает.

Ответ: диод пропускает ток преимущественно в один полупериод, превращая переменный ток в пульсирующий ток одного направления.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что при обратном включении ток совершенно отсутствует. Так думают из-за упрощённой модели идеального диода. Проверьте себя: у реального диода обратный ток мал, но не равен точно нулю.

Ошибка: перепутать полярность прямого включения. Причина — запоминание только слова «прямое» без связи с областями. Проверка проста: p должна быть соединена с «+», а n — с «−».

Ошибка: объяснять одностороннюю проводимость движением носителей только в одну сторону. Электроны и дырки могут двигаться в разных направлениях, а решающим является изменение внутреннего поля перехода. Спросите себя, ослабляется поле или усиливается при данном подключении.

Ошибка: считать, что прямое включение безопасно при любом токе. При малом сопротивлении ток может стать чрезмерным, вызвать нагрев и разрушить диод. Проверьте наличие последовательного резистора или другого ограничителя тока.

Связь с другими темами

Для понимания диода нужны знания о свободных носителях заряда, электрическом токе и действии электрического поля на заряженные частицы. Без этих представлений трудно объяснить движение электронов и дырок и возникновение внутреннего поля перехода. Поэтому тема опирается на базовые понятия электродинамики.

Области p- и n-типа связаны с изучением полупроводников и примесей. Нужно различать электроны и дырки, а также понимать, что дырка является удобной моделью положительного носителя заряда. Эти понятия помогают объяснить образование p–n-перехода.

Диод используется в выпрямителях и электронных цепях. Он преобразует переменный ток в пульсирующий ток одного направления, а вместе с другими элементами участвует в работе блоков питания и устройств защиты. Дальше эти свойства применяются при изучении электронных схем.

Что запомнить

• Диод содержит p–n-переход и проводит ток преимущественно в одном направлении.
• При прямом включении p-область соединена с положительным полюсом источника, n-область — с отрицательным.
• При прямом включении внутреннее поле перехода ослабляется, и ток заметно возрастает.
• При обратном включении внутреннее поле усиливается, а ток в обычном режиме остаётся малым.
• Вольт-амперная характеристика диода несимметрична относительно начала координат.
• Диод может выпрямлять переменный ток, пропуская ток преимущественно в течение одного полупериода.