1.4.2. Смещение p-n перехода. Принцип действия диода

Рис. 25. Принцип работы p-n перехода: а) без подачи внешнего напряжения (без задания внешнего смещения); б) прямое смещение перехода; в) обратное смещение перехода

На рисунке 25 наглядно показано, что при прямом смещении p-n перехода потенциальный барьер уменьшается, предоставляя большую возможность прохождения носителей заряда через переход. Напомним, что величина потенциального барьера «стандартного» p-n перехода из кремния составляет приблизительно 0,5 – 0,6 В. Потенциальные «горки» для электронов и дырок показаны на рисунке 24, г. При обратном смещении p-n перехода потенциальный барьер увеличивается, практически исключая возможность прохождения носителей заряда через переход. На рисунке 26 показаны вольт – амперные характеристики (ВАХ). Они полностью соответствуют всему вышеизложенному. Квадрант I ВАХ соответствует прямому включению диода. При приложении к переходу прямого напряжения, незначительно превышающего потенциальны барьер, переход пропускает через себя ток. Квадрант III ВАХ – обратное включение диода. Обратные напряжения в десятки и сотни вольт не вызывают прохождения существенного тока через переход (имеет место микроамперный обратный ток – ток утечки). При превышении максимально допустимого обратного напряжения, на которое рассчитан прибор, наступает необратимый тепловой пробой перехода (вертикальная ветвь ВАХ квадранта III).

Ветви ВАХ не могут быть абсолютно вертикальными

Логунова -?

Рис. 26. ВАХ полупроводниковых диодов: 1- германиевый переход; 2 – кремниевый переход

1.4.3. Электронные приборы на основе одного p-n перехода

1) Стабилитроны и стабисторы – электронные приборы, предназначенные для стабилизации напряжений. Стабисторы работают на прямой ветви ВАХ, они предназначены для стабилизации малых напряжений (0,2 – 1 В). В качестве стабистора может быть использован обычный диод. Стабисторы можно включать последовательно, при этом стабилизируемое напряжение будет равно сумме падений напряжений на каждом стабисторе последовательной.

С табилитроны работают на обратной ветви ВАХ (квадрант 3). Т.е. для задания рабочего режима стабилитрона необходима организация обратного смещения прибора (положительный потенциал на катоде, отрицательный - на аноде) при условии ограничения тока через стабилитрон. Принцип работы стабилитронов заключается в следующем: до наступления необратимого теплового пробоя имеет место участок лавинного и «зенеровского» пробоя, являющимися электрическими. Ветвь ВАХ квадранта III на уровне обратного напряжения U_стаб резко отклоняется вниз с небольшим углом отклонения от вертикали. При этом рабочий ток через «среднестатистический» стабилитрон имеет диапазон 5 - 30 мА. При превышении верхней границы этого диапазона электрический лавинный пробой переходит в необратимый тепловой.

Существует большой номенклатурный ряд стабилитронов с различными напряжениями стабилизации. В зарубежной литературе эти приборы называют «зенеровскими диодами». Наиболее характерным является использование стабилитронов в электронных стабилизаторах напряжения.

2 ) Варикап – прибор с управляемой электрической емкостью. Суть его работы заключается в следующем. Поскольку p-n переход имеет пространственный электрический заряд, он имеет электрическую емкость и характеризуется её величиной. При рассмотрении этого вопроса уместна аналогия с плоским конденсатором. Изменяя толщину ОПЗ варьированием напряжения смещения на приборе, можно изменять эту емкость. Варикапы используются, например, в схемах с электронным управлением перестройкой частоты колебательных контуров гетеродинов (радиоэлектроника, телевидение).

3) Варисторы – приборы с управляемым электрическим сопротивлением. Суть работы: изменяя сопротивление можно управлять током в нужном диапазоне.

4) Фото- и светодиоды. Светодиоды предназначены для преобразования электрической энергии в энергию светового излучения в заданном диапазоне длин волн. Излучение возникает при рекомбинации не основных носителей электрического заряда в базе (базовый слой полупроводника) p-n-перехода смещённого в прямом направлении Фотодиоды предназначен для преобразования энергии светового излучения в электрическую энергию.