4Полупроводниковые диоды

P-n структура, на внешних границах которой сформированы омические (невыпрямляющие) контакты для подвода тока называется полупроводниковым диодом. Обычно она заключается в какой-либо корпус для защиты от внешних воздействий.

Однако имеются разновидности диодов, состоящие из одного слоя полупроводника (диоды Ганна), содержащие выпрямляющий контакт полупроводник–металл (диоды Шоттки), или имеющие несколько слоев полупроводника с разными свойствами (p-i-n диоды). Условная структура полупроводникового диода и его обозначение на принципиальных схемах представлены на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Структура и условное обозначение

полупроводникового диода.

Вывод от p-слоя полупроводника называется анодом и при маркировке часто помечается значком “+”, а вывод от n-слоя катодом и может обозначаться знаком “-”. При подаче внешнего напряжения такой же полярности диод будет открыт и через него потечёт прямой ток, связанный с величиной прямого напряжения практически экспоненциальной зависимостью

.

Однако, имеются определённые отличия прямой ветви вольтамперной характеристики диода от ВАХ p-n перехода. Они связаны с тем, что области полупроводника обладают некоторым объемным сопротивлением, зависящим от их геометрических размеров, степени легирования и величины протекающего тока. В формулу для тока через p-n переход входит ток насыщения I₀, обусловленный движением неосновных носителей. Их количество определяется как степенью легирования полупроводника, (так как - const для заданной температуры, то чем легирующей примеси больше, тем меньше неосновных носителей), так и объёмом полупроводниковой структуры. Таким образом, чем больше площадь p-n перехода, тем больше будет I₀, и меньше U_пр. Сопротивления имеются также у невыпрямляющих контактов к внешним границам полупроводниковых слоёв и у самих токоподводящих проводников. Диод в открытом состоянии можно представить в виде эквивалентной схемы приведенной на рис. 2.2

Рис.2.2. Эквивалентная схема диода

в открытом состоянии.

Таким образом, падение напряжения, измеренное на зажимах диода при протекании прямого тока, всегда будет больше, чем для p-n перехода при том же токе. Однако, дополнительные сопротивления невелики, и объемное сопротивление уменьшается с ростом прямого тока. Поэтому, хотя прямая ветвь ВАХ реального диода и пойдёт правее, чем у p-n перехода (рис. 2.3), но даже при токах в сотни и тысячи ампер прямое падение напряжения не превышает 1÷1,5 В.

Рис.2.3. Отличия прямой ветви ВАХ диода от ВАХ p-n перехода

Собственное сопротивления p и n областей зависит от используемого полупроводникового материала, а сопротивление перехода - от высоты потенциального барьера.

При изменении площади p-n перехода, будет изменяться его сопротивление и объёмные сопротивления (с ростом площади S они будут уменьшаться), поэтому прямые ветви ВАХ диодов разной площади, изготовленных из одинаковых материалов также пойдут несколько по-разному.

Если один из слоев полупроводника заменен металлом и образуется выпрямляющий контакт, то такой диод (рис. 2.4) называется диодом Шоттки. Прямая ветвь его вольтамперной характеристики лежит в промежутке между соответствующими ветвями германиевого и кремниевого диодов. Кроме того, диоды Шоттки обладают очень малой емкостью в запертом состоянии, а напряжение пробоя для них не превышает нескольких десятков вольт.

Рис. 2.4. Структура и условное обозначение диода Шоттки.