Вопросы для самопроверки:

1. Что такое электронно-дырочный p-n переход?

2. Что называется и чем вызывается диффузный ток?

3. Что называется и чем вызывается дрейфовый ток?

4. Какое соотношение между диффузным и дрейфовым токами в p-n переходе, находящемся в равновесном состоянии?

5. Нарисуйте энергетическую диаграмму p-n перехода в равновесном состоянии.

6. Что такое потенциальный барьер и чем он определяется?

7. Почему при одной полярности приложенного напряжения к p-n переходу через него пойдёт ток, а при другой полярности ток будет очень мал?

8. В каком случае считается, что p-n переход смещён в прямом направлении, в каком - в обратном?

9. Как изменяется потенциальный барьер в зависимости от знака напряжения, приложенного к p-n переходу?

10. За счёт каких носителей заряда возникает ток через p-n переход, смещённый в прямом направлении?

11. За счёт каких носителей заряда возникает ток через p-n переход, смещённый в обратном направлении?

12. Нарисуйте вольтамперную характеристику p-n перехода.

13. Напишите и поясните формулу, описывающую зависимость тока через p-n переход от приложенного к нему напряжения.

14. Как и почему изменяется обратный ток p-n перехода с изменением температуры?

15. Как и почему изменяется прямой ток p-n перехода с изменением температуры?

16. Чем определяется температурный потенциал?

17. От каких причин зависит обратный ток p-n переход

2.4. Типы диодов.

Полупроводниковый диод – прибор, имеющий два вывода, присоединённых к p-n переходу. В отличии от резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности диод - нелинейный компонент, поскольку его вольтамперная характеристика определяется, как было показано выше, нелинейной зависимостью тока от напряжения, приложенного к p-n переходу. Промышленностью выпускается большое количество диодов различных типов. Все их можно разбить на группы по следующим признакам:

• по используемому полупроводниковому материалу: кремниевые, германиевые, арсенидгаллиевые и др.;

• по технологии изготовления;

• по принципу действия: диоды Шоттки, Ганна, туннельные и др.;

• по назначению: выпрямительные, импульсные и высокочастотные, стабилитроны, варикапы и др.

Рассмотрим основные типы диодов по их назначению.

Наиболее часто используются выпрямительные диоды. Они предназначены для выпрямления переменного тока, т.е. превращения переменного тока в постоянный. При этом через выпрямительные диоды протекают достаточно большие токи, поэтому p-n переходы в таких диодах имеют сравнительно большую площадь.

Вольтамперные характеристики выпрямительных диодов отличаются от аналогичных характеристик идеальных p-n переходов (рис.2.12). В области прямого смещения p-n перехода это отличие состоит в том, что при больших токах начинает сказываться собственное сопротивление слоёв p и n полупроводников. Обычно сопротивления слоев p и n существенно различаются, поэтому при больших токах наклон характеристики I_Д=f(U_Д) определяется сопротивлением того слоя проводника, который обладает большим сопротивлением. Этот слой полупроводника обычно называется базой диода.

Рис.2.12. Вольтамперные характеристики идеального p-n перехода и реального диода, выполненных на основе кремния

При смещении p-n перехода в обратном направлении возникают токи утечки p-n перехода, обусловленные явлениями на поверхности p-n перехода, а также токи термогенерации, связанные с рождением пар электрон-дырка внутри p-n перехода.

Выпрямительные диоды характеризуются следующими основными параметрами:

U_ПР – напряжение, которое создаётся на диоде при смещении его в прямом направлении и протекании через него рабочих токов. Обычно это напряжение для большинства кремниевых диодов равно примерно 0,6÷0,8 В, а для германиевых примерно 0,3÷0,4 В;

I_{ПР МАКС} – максимально допустимый ток, при котором диод ещё не теряет свои выпрямительные свойства из-за теплового пробоя p-n перехода (в зависимости от конструкции и технологии изготовления диода этот ток может составлять от десятков мА в случае использования диодов в маломощных цепях до десятков А в случае использования в силовых электрических цепях);

I_ОБР – максимальный ток диода, смещённого в обратном направлении, при обратных напряжениях не превышающих U_{ОБР МАКС};

U_{ОБР МАКС} – максимально допустимое обратное напряжение на диоде, при котором p-n переход ещё не пробивается из-за чрезмерно высокой напряжённости поля, возникающей в p-n переходе (в зависимости от конструкции и технологии изготовления диодов это напряжение составляет от 10 В до 10 кВ);

r_пр= - дифференциальное сопротивление диода, смещённого в прямом направлении. Это сопротивление будет тем меньше, чем больше ток диода. При достаточно больших токах это сопротивление будет определяться сопротивлением базы диода.

На основе выпрямительных диодов реализуются выпрямительные устройства. Простейшее выпрямительное устройство, выполненное на одном диоде, приведено на рис.2.13. Изображение диода на схемах напоминает стрелку, которая показывает направление тока, протекающего через открытый p-n переход.

Р ис.2.13. Простейшее выпрямительное устройство на одном диоде.

Такое устройство может эффективно работать при выполнении условия U_{Г МАКС}>>U_ПР, где U_{Г МАКС} – максимальное значение синусоидального напряжения. В этом случае при положительной полуволне напряжения ток будет протекать через диод и максимальное напряжение на резисторе R_Н U_Н МАКС будет равно U_{Г МАКС}-U_ПР (рис.2.14). При отрицательной полуволне диод будет смещён в обратном направлении и ток через него будет практически отсутствовать, а следовательно практически н улю будет равно напряжение на нагрузочном сопротивлении.

Рис.2.14. Напряжение на входе и выходе простейшего выпрямительного устройства.

Полученное напряжение на сопротивлении нельзя считать постоянным, т.к. положительное напряжение будет изменяться по величине. Чтобы избежать изменений (пульсаций) положительного напряжения параллельно резистору R_Н целесообразно включить конденсатор (рис.2.15).

Р ис.2.15. Выпрямительное устройство с конденсатором.

В приведённой на рис.2.15 схеме будут происходить следующие процессы. При включении генератора и нескольких периодов синусоидального напряжения переходной процесс в цепи закончится, и установится стационарный режим. Поскольку при этом ток через диод будет протекать лишь при положительных полуволнах напряжения генератора, конденсатор зарядится до какого-то положительного напряжения U_С. При условии, если в какие-то моменты времени U_Г>U_ПР+U_С конденсатор будет подзаряжаться до ещё большего значения напряжения. При условии U_Г<U_ПР+U_С конденсатор начнёт разряжаться. Процесс зарядки и разрядки конденсатора будет происходить через разные сопротивления. Зарядка конденсатора будет происходить в основном через малое сопротивление диода, смещённого в прямом направлении r_пр. Разрядка конденсатора будет происходить через сопротивление нагрузки. В практических случаях R_Н>>r_ПР, поэтому зарядка конденсатора будет происходить быстрее, чем его разрядка. Поскольку напряжение входного генератора синусоидальное, процесс зарядки и разрядки будут сменять друг друга. В стационарном режиме увеличение напряжения на конденсаторе в процессе зарядки должно равняться уменьшению напряжения в процессе разрядки. В итоге процессов зарядки и разрядки конденсатора напряжение на выходе будет иметь вид, представленный на рис.2.16. Следует заметить, что чем с большей ёмкостью выбрать конденсатор, тем меньше будет пульсаций положительного напряжения.

В ыпрямительные диоды, рассчитываемые на работу со сравнительно большими токами, имеют, как правило, достаточно большой корпус, обеспечивающий необходимый теплоотвод, выделяемой при выпрямлении тепловой энергии.

Рис.2.16. Зависимость выходного напряжения при зарядке и разрядке конденсатора в схеме, представленной на рис.2.15.

Импульсные и высокочастотные диоды отличаются от выпрямительных конструкцией и технологией изготовления. Поскольку они работают при малых мощностях (не более 40 мВт), площади используемых p-n переходов во много раз меньше, чем у выпрямительных диодов, что позволяет существенно уменьшить паразитные емкости и повысить быстродействие.

Диоды Шоттки выполняются на основе контакта металла с полупроводником. В этом случае потенциальный барьер снижается и уменьшается U_пр (для диодов Шоттки на основе кремния U_пр≈0,3 В)

На основе p-n перехода изготовляются стабилитроны. В стабилитронах используется управляемый пробой p-n перехода при достаточно больших приложенных к нему обратных напряжениях. Вольтамперная характеристика стабилитрона при обратных напряжениях приведена на рис.2.17.

Р ис.2.17. Вольтамперная характеристика стабилитрона при обратном напряжении.

До определённого обратного напряжения ток стабилитрона мал, как и токи в обычных выпрямительных диодах. При достижении обратного напряжения определённого уровня U_СТ в p-n переходе происходит управляемый пробой. Обычно он имеет лавинный характер, что приводит к резкому увеличению тока. Возникновение лавинообразного увеличения тока связано с тем, что обратное напряжение, большее определённой величины, создаёт в p-n переходе высокую напряжённость электрического поля, что вызывает ускорение движения в p-n переходе неосновных носителей. Неосновные носители, ускоряясь и сталкиваясь с ионами основного полупроводника, вызывают возникновение пары электрон-дырка, т.е. количество неосновных носителей увеличивается. В свою очередь новые неосновные носители вызывают появление и третьей генерации носителей. Так развивается лавина, которая приводит к резкому возрастанию тока. Однако, если напряжение на p-n переходе уменьшить, лавина прекращается и ток резко убывает. Именно поэтому лавинный пробой в стабилитроне называется управляемым в отличие от неуправляемого пробоя, который приводит к выходу диода из строя. Типовые значения U_ст для стабилитронов с лавинным пробоем от 8 до 25В. При меньших напряжения на p-n переходе возможнен управляемый пробой, связанный с туннельным эффектом, который возникает в p-n переходе, если его ширина мала.

С табилитрон можно использовать для стабилизации напряжения. Для этого стабилитрон необходимо включить последовательно с токоограничивающим резистором R_огр (рис.2.18). Обратите внимание на графическое изображении стабилитрона на схеме

Рис.2.18. Схема стабилизатора напряжения на

стабилитроне.

Второй закон Кирхгофа для приведённой цепи можно записать в следующем виде:

E=U_СТ+I_СТR_ОГР .

Поскольку ток и напряжение в стабилитроне связаны между собой нелинейной зависимостью, аналитическое решение уравнения получить крайне сложно. Однако уравнение можно решить графически. На рис.2.19 приведено графическое решение уравнения. Здесь кривая 1 является вольтамперной характеристикой диода. Прямая 2 соответствует уравнению U_R=IR_ОГР. Пересечение кривой 1 и прямой 2 определяют рабочую точку стабилитрона. Очевидно, что увеличение входного напряжения на ∆Е приведёт лишь к незначительному изменению напряжения на стабилитроне: ∆U_СТ=∆U_ВЫХ (см. рис2.19). Таким образом, стабилитрон выполняет роль стабилизатора напряжения.

Рис.2.19. Токи и напряжения в схеме стабилизатора напряжения (рис.2.18).

Е ще одним типом диодов, основанных на использовании p-n переходов, являются варикапы. Они обладают свойствами емкости, величина которой определяется приложенным к ней напряжением и на рисунках и схемах обозначается следующим образом . Принцип действия варикапов становится понятен при рассмотрении рис. 2.8. Действительно, в области p-n перехода сосредоточены заряды ионов: в левой части отрицательные ионы, в правой – положительные. Это напоминает пластины заряженного конденсатора. При приложении к p-n переходу напряжения заряд может либо увеличиваться, либо уменьшаться. Если p-n переход закрывается, зона p-n перехода расширяется, а объемный заряд ионов увеличивается. Однако расширение p-n перехода эквивалентно разведению пластин конденсатора, что должно приводить к уменьшению его емкости. Если p-n переход смещен в прямом направлении, зона p-n перехода сужается, а объемный заряд ионов уменьшается. Сужение p-n перехода эквивалентно сведению пластин конденсатора, что должно приводить к увеличению его емкости. Анализ показывает, что по названным причинам зависимость емкости варикапа от приложенного к нему напряжения имеет нелинейный характер (рис. 2.20).

Рис.2.20. Зависимость емкости варикапа от приложенного к нему напряжения.

Обычно варикапы используются лишь при отрицательном приложенном к нему напряжении, т.е. когда p-n переход закрыт. Это связано с тем, что при положительном напряжении на p-n переходе, его сопротивление становится малым. Это означает, что емкость варикапа шунтируется малым сопротивлением утечки. Такой конденсатор не может долго хранить заряд. При отрицательном напряжении на варикапе ток утечки становится равным току неосновных носителей и может быть сделан очень маленьким.

Варикапы широко используются в радиоэлектронике. Например, с помощью варикапа можно настраивать колебательный LC-контур на нужную частоту резонанса.

К ак было показано выше, частота резонанса в RLC-цепи равно . Если параллельно основному конденсатору включить варикап, как показано на рис.2.21, частота колебательного контура будет определяться формулой .

Рис.2.21. Схема LC-контура с варикапом.

Изменяя управляющее напряжение E, можно изменять частоту настройки контура. Если такой контур включен во входную цепь радиоприемника или телевизора, то изменяя E можно настраиваться на волну нужной радиостанции или требуемую телевизионную программу.