"Физика (углублённый уровень)", Касьянов В.А.
Полупроводниковый диод — прибор с p–n-переходом, который пропускает ток намного легче в одном направлении, чем в другом. Это свойство позволяет выпрямлять переменный ток, защищать электронные цепи и управлять током в устройствах. Работа диода зависит от того, как подключены к источнику области p- и n-типа: при прямом включении переход открывается, а при обратном — почти запирается. Однако обратный ток не равен нулю, а при слишком большом напряжении возможен пробой.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Полупроводниковый диод — прибор с одним p–n-переходом, который проводит ток преимущественно в одном направлении. В его обозначении p и n указывают области с разными типами проводимости. Такое устройство используют, когда нужно пропустить ток в заданном направлении или выпрямить переменное напряжение.
p–n-переход — граница между областями полупроводника с дырочной и электронной проводимостью. Дырки — условные положительные носители заряда, соответствующие отсутствующим электронам в связях атомов. Переход важен тем, что именно его свойства определяют, насколько легко ток проходит через диод.
Прямое включение диода — подключение, при котором положительный полюс источника соединён с p-областью, а отрицательный — с n-областью. Такое подключение облегчает прохождение основных носителей через переход. По полярности источника можно определить, открыт диод или нет.
Обратное включение диода — подключение, при котором положительный полюс источника соединён с n-областью, а отрицательный — с p-областью. При этом переход препятствует движению основных носителей, и ток обычно мал. Это свойство применяют, например, чтобы ограничить ток в нежелательном направлении.
Области p- и n-типа получают, вводя в полупроводник разные примеси. Одни примесные атомы создают недостаток электронов в связях, который проявляется как избыток дырок, а другие отдают свободные электроны. Поэтому в p-области основными носителями служат дырки, а в n-области — электроны. Различие концентраций заставляет носители диффундировать из области, где их много, туда, где их меньше.
У границы электроны из n-области встречаются с дырками из p-области и рекомбинируют — исчезают как свободные носители, образуя связанные состояния. Вблизи перехода свободных носителей становится мало, поэтому возникает запирающий слой. Оставшиеся неподвижные заряды создают внутреннее электрическое поле, которое мешает дальнейшей диффузии. Равновесие устанавливается, когда это поле компенсирует стремление носителей распространяться по всему кристаллу.
При прямом включении внешнее поле направлено против внутреннего поля перехода. Оно уменьшает препятствие для основных носителей: электроны из n-области и дырки из p-области легче проходят через границу и рекомбинируют по другую сторону. Запирающий слой становится тоньше, а с ростом прямого напряжения ток увеличивается особенно быстро. Поэтому даже небольшое изменение напряжения может вызвать заметное изменение тока.
При обратном включении внешнее поле направлено так, что складывается с внутренним. Оно оттягивает основные носители от перехода и расширяет запирающий слой, поэтому их поток через границу почти прекращается. Небольшой ток всё же возникает: поле переносит через переход неосновные носители, которых немного, но они присутствуют из-за теплового движения. Если обратное напряжение превысит допустимое для прибора значение, может начаться пробой и ток резко возрастёт.
Различие между прямым и обратным током видно на вольт-амперной характеристике — графике зависимости силы тока от напряжения. При прямом напряжении кривая резко поднимается, а при обратном ток остаётся малым, пока не наступит пробой. Поскольку диод пропускает ток главным образом в один полупериод переменного напряжения, через нагрузку течёт пульсирующий ток одного направления. Так переменный ток преобразуется в пульсирующий.
| Свойство | Прямое включение | Обратное включение |
|---|---|---|
| Подключение областей p и n к полюсам источника | Плюс к p, минус к n | Плюс к n, минус к p |
| Изменение ширины запирающего слоя | Сужается | Расширяется |
| Изменение внутреннего электрического поля | Ослабляется внешним полем | Усиливается внешним полем |
| Основные носители заряда | Проходят через переход | Оттягиваются от перехода |
| Характер и величина тока | Заметный прямой ток | Малый обратный ток до пробоя |
| Назначение или возможный режим работы | Проведение тока, выпрямление | Запирание тока; при превышении предела возможен пробой |
Сначала сравните полярность источника с обозначениями p и n: это сразу показывает тип включения. Затем проследите, как меняются запирающий слой и поле, чтобы понять, почему ток велик или мал. В обратном режиме учитывайте допустимое напряжение конкретного диода, поскольку пробой может повредить обычный прибор.
Задача 1. Нарисуйте схему включения диода, при котором через него проходит прямой ток, и укажите полярность источника. В схеме нужно обозначить p- и n-области, а также источник постоянного напряжения. Требуется определить полюса не по условному направлению тока, а по типу проводимости областей.
Ответ: положительный полюс соединён с p-областью, отрицательный — с n-областью.
Задача 2. На диод подано прямое напряжение 0,7 В, а ток через него равен 20 мА. Найдите сопротивление последовательно включённого резистора, если напряжение источника равно 5 В. Диод и резистор соединены последовательно, поэтому ток через них одинаков. Считаем падение напряжения на диоде заданным.
Ответ: сопротивление резистора равно 215 Ом.
Задача 3. Синусоидальный источник имеет амплитуду 12 В; диод включён последовательно с нагрузкой 1 кОм и пропускает ток только прямо. Опишите напряжение на нагрузке и найдите максимальный ток при падении на диоде 0,7 В. Считайте диод идеальным в обратном направлении, а сопротивление нагрузки постоянным. Амплитуда — наибольшее по модулю значение напряжения.
Ответ: проходят полуволны одного знака, максимальное напряжение на нагрузке — 11,3 В, максимальный ток — 11,3 мА.
Ошибка: считать, что при обратном включении диод совсем не проводит. Обычно так думают, потому что на простой схеме диод изображают как закрытый для обратного направления. На деле существует малый ток неосновных носителей, а при достаточно большом напряжении возможен пробой. Проверка: вместо «ток строго равен нулю» говорите «ток мал до пробоя».
Ошибка: путать прямое включение с условным направлением тока. Название включения определяют полярностью: плюс к p и минус к n, а не стрелкой тока на рисунке. Это различие легко упустить, если ориентироваться только на привычное направление тока в цепи. Проверка: каждый раз сначала подпишите области p и n, затем полюса источника.
Ошибка: изображать вольт-амперную характеристику прямой линией. Это может показаться естественным из-за закона Ома для резистора, но диод — нелинейный элемент, и его ток растёт с напряжением не пропорционально. Проверка: вспомните, что при малом изменении прямого напряжения ток может резко измениться. Поэтому график имеет изгиб, а не постоянный наклон.
Ошибка: полагать, что диод всегда проводит ток только в одном направлении, при любых условиях. Такое упрощение забывает о пробое: при чрезмерном обратном напряжении ток становится большим и обычный диод может повредиться. Проверка: учитывайте допустимое обратное напряжение прибора и не считайте режим пробоя безопасным, если диод не предназначен для него.
Для понимания диода нужны знания о строении атома, заряде и движении электронов, а также об электрическом токе в металлах. При расчёте цепей пригодится закон Ома для участка цепи: он позволяет находить ток или сопротивление нагрузки с учётом падения напряжения на диоде. На практике диоды применяются в выпрямителях и источниках питания, электронных схемах и защите от неправильной полярности. Тема продолжится при изучении полупроводниковых приборов: светодиодов, фотодиодов и транзисторов.
Почему полупроводниковый диод проводит ток преимущественно в одну сторону?
В диоде есть p–n-переход с запирающим слоем и внутренним электрическим полем. При прямом включении внешнее напряжение ослабляет это поле, и основные носители заряда проходят через переход. При обратном включении поле усиливается, поэтому ток становится очень малым.
Как определить, включён ли диод прямо или обратно?
Нужно посмотреть, к каким областям диода подключены полюса источника. Если плюс соединён с p-областью, а минус с n-областью, включение прямое. При обратной полярности включение обратное.
Что происходит с p–n-переходом при прямом включении?
Внешнее электрическое поле направлено против внутреннего поля перехода и ослабляет его. Запирающий слой становится уже, поэтому основным носителям заряда легче проходить через границу областей. В результате ток быстро возрастает.
Почему при обратном включении всё же может идти небольшой ток?
В полупроводнике есть неосновные носители заряда: электроны в p-области и дырки в n-области. Обратное поле перемещает их через переход, поэтому возникает небольшой обратный ток. При достаточно большом напряжении может наступить пробой.
Как диод выпрямляет переменный ток?
В одном полупериоде переменного напряжения диод включён прямо и пропускает ток, а в другом — обратно и почти не пропускает его. Поэтому ток через нагрузку течёт только в течение части периода. На нагрузке получается пульсирующее напряжение одного знака.
§44. Полупроводниковый диод
