1.2. Силовые диоды

Принципы действия большинства полупроводниковых приборов основаны на явлениях и процессах, возникающих на границе р и n-областей. В области n-типа преобладают электроны, которые являются основными носителями электрических зарядов, в p-области таковыми являются положительные заряды (дырки). Граница между двумя областями с различными типами проводимости называется p-n-переходом.

При отсутствии внешнего электрического поля, в результате процессов диффузии и рекомбинации основных носителей, концентрация подвижных носителей на границе p-n-перехода уменьшается. В результате в пограничной области образуются некомпенсированные заряды положительные со стороны n-области и отрицательные со стороны p-области (рис. 1.5, а). Пограничный слой, обедненный подвижными носителями, является электрически нейтральным при отсутствии внешнего электрического поля. В то же время на границе слоев возникает область пространственного заряда (ОПЗ), приводящая к образованию внутреннего электрического поля напряженностью Е (рис. 1.5, б), направление которого препятствует дальнейшей диффузии подвижных носителей из одной области в другую.

Рис. 1.5. Электронно-дырочный переход: а, б– диаграммы напряжения и потенциал в области пространственного заряда; в – диаграмма фазового смещения

Наличие внутреннего поля напряженностью E приводит к воз­никновению потенциального барьера φ₀ (рис. 1.5, в) или контактной разности потенциалов в ОПЗ, препятствующей прохождению электронов из n-области в p-область и дырок в обратном направлении. Такое состояние полупроводника при отсутствии внешнего электрического поля называется равновесным.

1.2.1. Статические характеристики диода

При подключении диода к внешнему источнику прямого напряжения и_F (поло­жительным выводом источника к аноду, а отрицательным — к катоду) напряжен­ность потенциального барьера в ОПЗ снижается (рис. 1.5, в). В результате под воздействием напряжения внешнего источника через диод начнет протекать пря­мой ток . Зависимость этого тока от прямого напряжения имеет вид

= ( - 1), (1.4)

где φт — тепловой потенциал, зависящий от температуры (φт 0,26 В).

При малых значениях φ_т и условии и_F >> φт в (1.4) можно пренебречь единицей. В результате зависимость тока i_F от напряжения и_F изменяется экспоненциально [3].Функционально диод является электронным ключом с односторонней проводи­мостью. Диод находится в проводящем состоянии (замкнутый ключ), если он под­ключен к источнику прямого напряжения. Ток диода i_F определяется параметрами внешних цепей, и напряжение на его выводах мало. Если диод подключен к источ­нику обратного напряжения, то он находится в непроводящем состоянии (разомк­нутый ключ) и его ток имеет небольшое значение. Напряжение на выводах диода определяется параметрами внешних цепей. Реальная статическая ВАХ диода при подключе­нии к источнику прямого напряжения может быть представлена экспонентой, а при подключении к источнику обратного напряжения — участком с постепенно воз­растающим обратным током до значения постоянного тока вплоть до наступ­ления пробоя при увеличении обратного напряжения до предельного значения (рис.1.6 , а).

а б

Рис. 1.6. Статические ВАХ диода: а — реальная; б — аппроксимированная

Для расчетов режимов работы диодов статические ВАХ аппрок­симируются различными функциями (рис. 1.6, б).