Полупроводниковый диод

Полупроводниковый диод представляет собой полупроводниковый прибор с двумя электродами и одним p-n переходом. p-n переходом называется граница раздела между зонами p и n в полупроводниковом кристалле.

Явления, сопровождающие образование p-n перехода, иллюстрируются на рис. 2.

Рис. 2. Электронно-дырочный переход

На рис. 2а показаны зоны p и n. При образовании p-n перехода дырки зоны p диффундируют в зону n, образуя положительный объемный заряд (рис. 2б). Диффузия – это процесс, когда частицы вещества из зоны, где их концентрация высока, переходят в зону, где их концентрация меньше. То же происходит с электронами, которые диффундируют из зоны n в зону p. Образуется объемный заряд, препятствующий дальнейшему переходу электронов и дырок (одноименные заряды, как известно, отталкиваются). Т.е. и дырки, и электроны сами создают силы (для дырок положительный заряд, для электронов - отрицательный), которые препятствуют силам диффузии, обеспечивающим их переход в соседнюю зону. Процесс перехода электронов и дырок завершается тогда, когда электрические силы возникающих объемных зарядов уравновешивают силы диффузии, обеспечивающие переход электронов и дырок с соседнюю зону. Теперь для того, чтобы перейти в соседнюю зону дыркам и электронам нужно преодолеть потенциальный барьер φ, обусловленный объемным зарядом и показанный (для дырок) на рис.2в.

Теперь посмотрим, что получится, если к структуре на рис. 2а приложить электрическое напряжение (рис.3).

Рис. 3. Электронно-дырочный переход при приложении прямого (а) и обратного (б) элект­рического поля

Если приложить напряжение с полярностью «+» - к области p и «-» - к области n (так называемое прямое напряжение U_пр – рис. 3а), то потенциальный барьер уменьшится на величину этого напряжения (рис. 3б), равновесие нарушится, потенциальный барьер понизится, и дырки из области p будут поступать в область n, а электроны – наоборот. Этот ток называется прямым. Если прямое напряжение сделать соответствующим потенциальному барьеру, то прямой ток будет сильно увеличиваться с ростом прямого напряжения, т.к. ему будет препятствовать только небольшое сопротивление примесного полупроводника (прямая вольтамперная характеристика приведена на рис.4; U_0пр ≤ 1В соответствует φ на рисунке 2, 3).

Рис. 4. Вольтамперная характеристика p-n перехода при одинаковом масштабе токов и напряжений для прямого и обратного направлений (а) и различном масштабе (б, кривая 1) и ВАХ полупроводникового диода (б, кривая 2)

Если приложить напряжение с полярностью «-» - к области p и «+» - к области n (обратное напряжение U_обр – рис. 3а), то потенциальный барьер увеличится на величину этого напряжения (рис. 3б). Этот большой потенциальный барьер будет препятствовать переходу примесных дырок из области p в область n и электронов из области n в область p.

Однако, как говорилось ранее, в области, прилегающей к p-n переходу, за счет тепла образуется некоторое количество дырок в области n и электронов в области p, которые обуславливают собственную проводимость полупроводника. Для этих дырок и электронов получившийся при обратном напряжении потенциальный барьер – не барьер, а потенциальная яма, куда они и будут «скатываться», давая незначительный обратный ток (i_обр на рис. 3б и i_обр на обратной вольтамперной характеристике на рис. 4). На практике обратным током пренебрегают и считают полупроводниковый диод прибором с односторонней проводимостью.

Графическое обозначение диода дано на рис. 5.

Рисунок 5. Графическое обозначение диода и стабилитрона

По направлению «стрелки» - диод проводит, в обратном направлении принимается, что – нет.

Вернемся к обратной вольтамперной характеристике диода на рис. 4. На рис. 4 видно, что при некотором напряжении, называемом напряжением пробоя U_проб происходит резкое нарастание обратного тока. Если не принять специальных мер, то пробой приводит к разрушению полупроводникового диода. Поэтому максимальное обратное рабочее напряжение выбирают ≤ ¾ U_проб.

Однако есть группа полупроводниковых приборов, в которых приняты меры по предотвращению разрушения диодов при пробое до значения I _{обр. макс.} на рис. 4 (обратная характеристика). В этих диодах используется тот факт, что обратное напряжение практически не меняется с током (U_стаб на рис. 4). Такие приборы называются стабилитронами. Они используются для стабилизации напряжений (поддержание напряжений на определенном уровне).