Лекция. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Вопросы:
Явления в p-n- переходе.
Строение и принцип действия полупроводникового диода.
Вольт-амперная характеристика диодов (ВАХ).
Классификация, параметры диодов, маркировка.
Специальные диоды.
Выпрямители. Схемы выпрямления электрического тока.
Задание для студентов: Ознакомиться с маркировкой диодов по европейской системе pro-electron.
1. Явления в p-n- переходе
p-n-перехо́д (n — negative — отрицательный, электронный, p — positive — положительный, дырочный), или электронно-дырочный переход — область пространства на стыке двух полупроводников p- и n-типа, в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому. p-n-переход является основой для полупроводниковых диодов, триодов и других электронных элементов с нелинейной вольт-амперной характеристикой.
Рисунок 1. Энергетическая диаграмма p-n-перехода.
a) состояние равновесия; b) при приложенном прямом напряжении; c) при приложенном обратном напряжении.
Области пространственного заряда
В полупроводнике p-типа концентрация дырок намного превышает концентрацию электронов. В полупроводнике n-типа концентрация электронов намного превышает концентрацию дырок. Если между двумя такими полупроводниками установить контакт, то возникнет диффузионный ток — носители заряда, хаотично двигаясь, перетекают из той области, где их больше, в ту область, где их меньше. При такой диффузии электроны и дырки переносят с собой заряд. Как следствие, область на границе станет заряженной, и область в полупроводнике p-типа, которая примыкает к границе раздела, получит дополнительный отрицательный заряд, приносимый электронами, а пограничная область в полупроводнике n-типа получит положительный заряд, приносимый дырками. Таким образом, граница раздела будет окружена двумя областями пространственного заряда противоположного знака.
Электрическое поле, возникающее вследствие образования областей пространственного заряда, вызывает дрейфовый ток в направлении, противоположном диффузионному току. В конце концов, между диффузионным и дрейфовым токами устанавливается динамическое равновесие и перетекание зарядов прекращается.
Выпрямление.
Если приложить внешнее напряжение так, чтобы созданное им электрическое поле было направленным противоположно направлению электрического поля между областями пространственного заряда, то динамическое равновесие нарушается, и диффузионный ток преобладает над дрейфовым током, быстро нарастая с повышением напряжения. Такое подключение напряжения к p-n-переходу называется прямым смещением.
Если же внешнее напряжение приложено так, чтобы созданное им поле было одного направления с полем между областями пространственного заряда, то это приведет лишь к увеличению областей пространственного заряда, и ток через p-n-переход не идёт. Такое подключение напряжения к p-n-переходу называется обратным смещением.
2. Строение и принцип действия полупроводникового диода
|
Рисунок 2. Полупроводниковый диод с p-n-переходом: обозначение, конструкция, распределение примеси
|
Электронно-дырочный переход может быть создан различными путями:
в объёме одного и того же полупроводникового материала, легированного в одной части донорной примесью (n-область), а в другой - акцепторной (p-область);
на границе двух различных полупроводников с разными типами проводимости.
Если p-n- переход получают вплавлением примесей в монокристаллический полупроводник, то переход от n- к р- области происходит скачком (резкий переход). Если используется диффузия примесей, то образуется плавный переход.
Существует большое количество способов создания p-n перехода. На рис. 3 представлены схемы сплавной, диффузионной и эпитаксиально-диффузионной технологий.
Рис. 3. Схемы изготовления p-n перехода различными технологическими способами.
При сплавной технологии электронно-дырочный переход образуется на границе раздела исходного кристалла и рекристаллизованной полупроводниковой области, в которую происходило вплавление (рис. 3 а). На рис. 3 б показан способ изготовления p-n перехода диффузией акцепторной примеси в кристалл n-типа. Особенность технологии показанной на рис. 3 в в том, что диффузия осуществляется в кристалл с полупроводниковой пленкой n типа, выращенной на кристалле n+ типа специальной эпитаксиальной технологией, позволяющей сохранить структуру кристалла в пленке.
Особенность электрических характеристик диода в том, что он обладает низким сопротивлением при одной полярности приложенного к нему напряжения (плюс на аноде - прямое включение) и высоким сопротивлением при другой полярности (минус на аноде - обратное включение). Это свойство диода обеспечило ему широкое применение в выпрямителях - схемах преобразования переменного напряжения в постоянное.