2.1.2. Электронно-дырочный переход при прямом напряжении

Пусть источник внешнего напряжения подключен положительным полюсом к полупроводнику р-типа (рис. 2.2а). Такое напряжение, у которого полярность совпадает с полярностью основных носителей, называется прямым. Действие прямого напряжения U_пр вызывающее прямой ток i_пр через переход, поясняется потенциальной диаграммой на рис. 2.26. (На этом и следующих рисунках потенциальная диаграмма изображена упрощенно). Для рассмотрения n—р-перехода процессы в остальных частях цепи не представляют интереса. Поэтому на диаграммах не показано изменение потенциала вдоль п- и р-областей, т. е. их сопротивление принято равным нулю. Не показано также изменение потенциала в контактах областей n и p с электродами, к которым присоединены провода от источника напряжения.

Рис. 2.2. Электронно-дырочный переход при прямом напряжении

Электрическое поле, создаваемое в п—р-переходе прямым напряжением, действует навстречу полю контактной разности потенциалов. Это показано на рисунке векторами E_k и E_пр Результирующее поле становится слабее, и разность потенциалов в переходе уменьшается, т.е. высота потенциального барьера понижается, возрастает диффузионный ток, так как пониженный барьер может преодолеть большее число носителей. Ток дрейфа при этом почти не изменяется, так как он зависит главным образом от числа неосновных носителей, попадающих за счет своих тепловых скоростей на п—р-переход из п- и р-областей.

Ведение носителей заряда через пониженный барьер под действием прямого напряжения потенциальный барьер в область, где эти носители являются неосновными, называется инжекцией носителей заряда. Слово «инжекция» отличает данное явление от электронной эмиссии электронов в вакуум. Область, из которой инжектируются носители называют эмиттером. Эти носители инжектируются в базовую область (базу).

Поскольку высота барьера при отсутствии внешнего напряжения составляет несколько десятых долей вольта, то значительного понижения барьера и существенного уменьшения сопротивления запирающего слоя достаточно подвести к п—р-переходу такое же прямое напряжения (несколько десятых долей вольта). Поэтому большой прямой ток может быть получен при очень небольшом прямом напряжении.

Прямой ток при нагреве диода растет не так сильно, как обратный. Это объясняется тем, что прямой ток возникает главным образом за счет примесной проводимости, а концентрация примесей не зависит от температуры.

2.1.3. Электронно-дырочный переход при обратном напряжении

Если источник внешнего напряжения подключен положительным полюсом к области n, а отрицательным к области p, такое подключение называют обратным. Поле, создаваемое обратным напряжением, складывается с полем контактной разности потенциалов и усиливает результирующее поле. Таким образом, ток через п—р-переход является током проводимости, который практически остается постоянным.

2.1.4. Рабочий режим

В практических схемах в цепь диода включается какая-либо нагрузка, например резистор. В условном графическом обозначении (схематическом изображении) полупроводникового диода треугольник является анодом, черточка - катодом. Прямой ток проходит тогда, когда анод имеет положительный потенциал относительно катода. Следовательно, треугольник нужно рассматривать как острие стрелки, показывающей условное направление прямого тока. Именно в этом направлении при прямом токе движутся дырки, электроны же движутся в противоположном направлении.

Рис.2.3. Схема включения диода.

Режим работы диода с нагрузкой называется рабочим режимом, при этом определяются ток в цепи i и напряжение на диоде U. Эти величины ограничены предельными величинами, являющимися паспортными, превышение которых приводит к выходу прибора из строя.

Рис.2.4. Вольт-амперная характеристика диода.

На электропроводность полупроводников значительное влияние оказывает температура. При повышении температуры усиливается генерация пар носителей заряда, т. е. увеличивается концентрация носителей и проводимость растет. Поэтому свойства полупроводниковых диодов сильно зависят от температуры. Это наглядно показывают вольт-амперные характеристики, снятые при различной температуре. На рис. 2.4 они представлены для германиевого диода. Как видно, при повышении температуры прямой и обратный токи растут. Очень резко увеличивается обратный ток, что объясняется усилением генерации пар носителей. У германиевых диодов обратный ток возражает примерно в 2 раза при повышении температуры на каждые 10^оС. Кроме того, с повышением температуры у германиевых диодов снижается напряжение электрического пробоя. У кремниевых диодов при нагреве на каждые 10^оС обратный ток увеличивается примерно в 2,5 раза, а напряжение электрического пробоя при повышении температуры сначала несколько возрастает, а затем уменьшается. Прямой ток при нагреве диода растет не так сильно, как обратный. Это объясняется тем, что прямой ток возникает главным образом за счет примесной проводимости, а концентрация примесей не зависит от температуры. Если бы диод обладал линейным сопротивлением расчет тока в подобной схеме не представлял бы затруднений, так как общее сопротивление цепи равно сумме сопротивления диода постоянному току и сопротивления нагрузочного резистора .R_н. Но диод обладает нелинейным сопротивлением, и значение R_o у него из­меняется при изменении тока. Поэтому расчет тока делают графически.

Цепь с последовательно соединенными диодом и линейным нагрузочным резистором R_н, является нелинейной.. Характеристику такой цепи. называемую рабочей характеристикой диода, т. е. график зависимости i = f(E) можно получить суммированием напряжений для характеристик диода и нагрузочного резистора R_н.

Выпрямление переменного тока — один из основных процессов в электронике. В выпрямительном устройстве энергия переменного тока преобразуется в энергию постоянного тока. Любой выпрямитель является потребителем энергии переменного тока и генератором постоянного тока. Поскольку полупроводниковые диоды хорошо проводят ток в прямом направлении и плохо в обратном, то большинство полупроводниковых диодов применяется для выпрямления переменного тока. В простейшей схеме для выпрямления переменного тока последовательно соединены генератор переменной ЭДС, диод и нагрузочный резистор, который можно включать также и в другой провод. Эта схема называется однополупериодной. Правильнее бы называть ее однофазной однотактной, гак как генератор переменной ЭДС является однофазным и ток проходит через него только в одном направлении один раз за период (один такт за период). Другие, более сложные схемы для выпрямления (двухфазные, трехфазные, двухтактные и др.), как правило, представляют собой комбинацию нескольких однофазных однотактных схем. В выпрямителях для питания устройств электроники генератором переменной ЭДС обычно служит силовой трансформатор, включенный в электрическую сеть. Вместо трансформатора иногда применяется автотрансформатор. В некоторых случаях выпрямитель питается от сети без трансформатора. Роль нагрузочного резистора R^ т. е. потребителя энергии постоянного тока, в практических схемах играют те цепи или приборы, которые питаются от выпрямителя. При выпрямлении токов высокой частоты, например, в детекторных каскадах радиоприемников генератором переменной ЭДС служит трансформатор высокой частоты или резонансный колебательный контур, а нагрузкой — резистор с большим сопротивлением.

Выпрямление переменного тока — один из основных процессов в радиоэлектронике. В выпрямительном устройстве энергия переменного тока преобразуется в энергию постоянного тока. Любой выпрямитель является потребителем энергии переменного тока и генератором постоянного тока.

Поскольку полупроводниковые диоды хорошо проводят ток в прямом направлении и плохо в обратном, то большинство полупроводниковых диодов применяется для выпрямления переменного тока.

Простейшая схема для выпрямления переменного тока показана на рис. 3.8, а. В ней последовательно соединены генератор переменной ЭДС, диод и нагрузочный резистор R_н который можно включать также и в другой провод. Эта схема называется однополупериодной. Правильнее бы называть ее однофазной однотактной, гак как генератор переменной ЭДС является однофазным и ток проходит через него только в одном направлении один раз за период (один такт за период). Другие, более сложные схемы для выпрямления (двухфазные, трехфазные, двухтактные и др).