15. 1. Вопросы

1. Дайте определения следующих терминов:

а. Донорный атом;

б. Акцепторный атом;

в. Диод.

2. Что происходит, когда создается контакт материала п-типа и материала р-типа?

3. Как образуется обедненный слой?

4. Что такое потенциальный барьер?

5. Каковы типичные значения потенциального барьера для

германия и кремния?

20. 2. Смещение диода

Напряжение, приложенное к диоду, называется напря­жением смещения. На рис. 20-3 показан диод на основе р-п перехода, соединенный с источником тока. Резистор добав­лен для ограничения тока до безопасного значения.

В изображенной цепи отрицательный вывод источника тока соединен с материалом п-типа. Это заставляет элект­роны двигаться от вывода по направлению к р-n перехо­ду. Свободные электроны, накопившиеся на р-стороне пе­рехода притягиваются к положительному выводу. Это уменьшает количество отрицательных зарядов на р-сторо­не, потенциальный барьер уменьшается, что дает возмож­ность для протекания тока. Ток может течь только тогда, когда приложенное напряжение превышает потенциаль­ный барьер.

Рис. 20-3. Диод иа ос­нове р-n перехода при прямом смещении.

	о~ о- ©- 0- о~	-О -G о -о ~о
р + n 1* Iilili vw -

Источник тока создает постоянный поток электронов, который дрейфует через материал п-типа вместе с содер­жащимися в нем свободными электронами. Дырки в ма­териале p-типа также дрейфуют по направлению к перехо­ду. Электроны и дырки собираются на переходе и взаим­но уничтожаются. Однако в то время как электроны и дырки взаимно компенсируются, на выводах источника тока появляются новые электроны и дырки. Большинство носителей продолжает двигаться по направлению к р-п переходу, пока приложено внешнее напряжение.

Поток электронов через p-часть диода притягивается к положительному выводу источника тока. Как только элек­троны покидают материал р-типа, создаются дырки, кото­рые дрейфуют по направлению к р-n переходу, где они взаимно компенсируются с другими электронами. Когда ток течет от материала n-типа к материалу р-типа, то го­ворят, что диод смещен в прямом направлении.

Ток, текущий через диод, смещенный в прямом направ­лении, ограничен сопротивлением материалов р- и п-типа и внешним сопротивлением цепи. Сопротивление диода невелико. Следовательно, подсоединение источника тока к диоду в прямом направлении создает большой ток. При этом может выделиться такое количество тепла, которого достаточно для разрушения диода. Для того, чтобы огра­ничить ток, последовательно с диодом необходимо вклю­чить резистор.

Диод проводит ток в прямом направлении только тог­да, когда величина внешнего напряжения больше потен­циального барьера. Германиевый диод требует минималь­ное прямое смещение 0,3 вольта; кремниевый диод — минимальное прямое смещение 0,7 вольта.

Когда диод начинает проводить ток, на нем появляет­ся падение напряжения. Это падение напряжения равно потенциальному барьеру и называется прямым падением напряжения (Е_р). Падение напряжения равно 0,3 вольта для германиевого диода и 0,7 вольта для кремниевого ди­ода. Величина прямого тока (I_F) является функцией при­ложенного напряжения (Е), прямого падения напряжения (Е₍.) и внешнего сопротивления (R). Это соотношение можно получить с помощью закона Ома:

Т _Г,^Е~^ЕУ

^F R

ПРИМЕР: К кремниевому диоду, последовательно со­единенному с резистором 150 ом, приложено напряжение смещения 12 вольт. Чему равен прямой ток через диод?

Решение:

Е = 12 В R = 150 Ом E_f = 0,7 В.

E-E_f _ 12-0,7

I_F = 0,075 А или 75 мА.

В диоде, на который подано напряжение смещения в прямом направлении, отрицательный вывод внешнего ис­точника тока соединен с материалом n-типа, а положитель­ный вывод с материалом р-типа. Если эти выводы поме­нять местами, диод не будет проводить ток и про него го­ворят, что он смещен в обратном направлении (рис. 20-4). В этой конфигурации свободные электроны в материале n-типа притягиваются к положительному выводу внешнего источника тока, что увеличивает количество положитель­ных ионов в области р-n перехода, а, следовательно, уве­личивает ширину обедненного слоя со стороны материала п-типа р-n перехода. Электроны также покидают отрица­тельный вывод источника тока и поступают в материал р-типа. Эти электроны заполняют дырки вблизи р-n пере­хода и служат причиной перемещения дырок по направ­лению к отрицательному выводу, что увеличивает шири­ну обедненного слоя со стороны материала р-типа р-n пе­рехода. В результате обедненный слой становится шире, чем в несмещенном или смещенном в прямом направлении диоде.

нове р-n перехода при обратном смещении.

	О 0 ОО	00 О о
	О ОО	00 О
	0 ООО	00 О О
		/'Л/Л 0

Приложенное в обратном направлении напряжение смещения увеличивает потенциальный барьер. Если напря­жение внешнего источника равно величине потенциального барьера, электроны и дырки не могут поддерживать про­текание тока. При обратном напряжении смещения течет

очень маленький ток, этот ток утечки называется обрат­ным током (1_н) и существует благодаря наличию неоснов­ных носителей. При комнатной температуре неосновных носителей очень мало. При повышении температуры созда­ется больше электронно-дырочных пар. Это увеличивает количество основных носителей и ток утечки.

Все диоды с р-n переходом обладают малым током утеч­ки. В германиевых диодах он измеряется в микроамперах; в кремниевых диодах — в наноамперах. Германий имеет больший ток утечки, так как он более чувствителен к тем­пературе. Этот недостаток германия компенсируется его невысоким потенциальным барьером.

Суммируя вышесказанное, можно сказать, что диод на основе р-n перехода является устройством, пропускающим ток только в одном направлении. Когда смещен в прямом направлении — ток течет. Когда смещен в обратном на­правлении — течет только маленький ток утечки. Это свойство позволяет использовать диод в качестве выпря­мителя. Выпрямитель преобразует переменное напряжение в постоянное.

сить пиковое обратное напряжение, то через диод потечет большой обратный ток, создающий избыточный нагрев и повреждающий диод.

При комнатной температуре обратный ток мал. При повышении температуры обратный ток увеличивается, нарушая работу диода. В германиевых диодах обратный ток выше, чем в кремниевых диодах, удваивается при по­вышении температуры приблизительно на 10 градусов Цельсия.

Анод Катод

N

Рис. 20-5. Схематическое обозначение диода.

Схематическое обозначение диода показано на рис. 20-5. P-часть представлена стрелкой, а п-часть — чертой. Пря­мой ток^I течет от части п к

части р (против стрелки). Часть п называется като­дом, а часть р — анодом.

Катод поставляет, а анод собирает электроны.

На рис. 20-6 показано включение диода, смещенного в прямом направлении. Отрицательный вывод источника тока подсоединен к катоду. Положительный вывод подсо­единен к аноду. Это позволяет току течь в прямом направ­лении. Резистор (R_g) включен последовательно с диодом для ограничения прямого тока до безопасного значения.

На рис. 20-7 показано включение диода, смещенного в обратном направлении. Отрицательный вывод источника

Г

Рис. 20-6. Цепь с ди­одом, смещенным в прямом направлении.

j

F

J7

Рис. 20-7. Цепь с дио­дом, смещенным в об­ратном направлении.

J

в

тока подсоединен к аноду. Положительный вывод подсое­динен к катоду. Через диод, смещенный в обратном направ­лении течет малый обратный ток (I_R).