Электроника и схемотехника

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

В результате изучения данной главы студент должен:

знать

• • основные свойства р-я-перехода и особенности его вольт-амперной характеристики;
• • особенности вольт-амперных характеристик германиевых и кремниевых диодов;

уметь

• выбрать тип диода, обладающего характеристиками, удовлетворяющими поставленной задаче;

владеть

• навыками применения методов теории нелинейных резистивных цепей для схем с полупроводниковыми диодами.

Основные свойства p-n-перехода и полупроводникового диода

Полупроводниковый диод — это прибор с двумя выводами, содержащий один р-и-переход и два контактных вывода. р-и-Переход представляет собой тонкий слой между двумя полупроводниковыми областями, одна из которых обладает дырочным типом проводимости, а другая — электронным (рис. 11.1). Металлический контакт с p-областью называют анодом (А), с «-областью — катодом (К).

Напомним, что для получения дырочной проводимости к основному полупроводнику (например, четырехвалентному кремнию) добавляется трехвалентная примесь (алюминий, индий, галлий, бор), называемая акцептором [14]. Примесь обладает способностью забирать электрон у соседнего атома кремния и прочно его удерживать, превратившись в отрицательный ион (неподвижный в пространстве). В теле основного полупроводника воз;

Рис. 11.1. Полупроводниковый диод:

а — р-и-структура; б — условное обозначение никают «пустые места», не занятые электронами, — дырки, способные в пространстве перемещаться (выполняют функции подвижных зарядов положительного знака).

Электронная проводимость возникает при добавлении к четырехвалентному кремнию пятивалентной примеси (фосфор, сурьма, мышьяк). Пятый электрон во внешней оболочке атома примеси слабо удерживается, легко ее покидает и может свободно перемещаться в кристаллической решетке полупроводника, являясь подвижным зарядом отрицательного знака. При этом атом примеси становится положительно заряженным ионом (неподвижным).

Плоскость соприкосновения р- и «-областей называется металлургической границей.

Ввиду различной концентрации подвижных носителей заряда (дырок и электронов) в соприкасающихся областях в районе металлургической границы наблюдается перепад концентрации дырок и электронов, а следовательно, и диффузионные силы. Причиной возникновения диффузионных сил является градиент концентрации dp/dx и dn/dx, где х — пространственная координата. Под их действием дырки устремляются в «-область, а электроны — в р-область.

На границе областей с р-стороны обнажаются неподвижные отрицательные ионы акцепторной примеси, а с «-стороны — положительно заряженные неподвижные ионы донорной примеси. Два заряженных слоя обуславливают возникновение сил электрической природы, препятствующих дальнейшему перемещению электронов и дырок, т. е. направленных противоположно диффузионным силам.

При отсутствии внешнего напряжения устанавливается состояние равновесия между диффузионными силами и силами электрического происхождения. Движение носителей заряда прекращается. Прн отсутствии внешнего напряжения через переход ток не течет.

Область, занятая заряженными слоями, почти не содержащая подвижных носителей заряда, называется полупроводниковым переходом, а ее ширина — шириной перехода.

Если внешний источник электрического напряжения подключить «плюсом»" к /^-области, а «минусом» — к «-области, то созданное им внешнее электрическое поле направлено встречно внутреннему и частично его компенсирует. Другими словами, имеет место частичная компенсация сил, препятствующих процессу диффузии. Прежнее равновесие нарушается, диффузионные силы начинают превалировать над силами электрического притяжения и отталкивания. Через переход начинают проникать подвижные носители заряда (дырки — в «-область, а электроны — в р-область). Возникает электрический ток, направленный из /7-области в «-область. Его называют прямым. Прямым называют и внешнее напряжение, приложенное «плюсом» к р-области, а «минусом» — к «-области.

Таким образом, прямой ток имеет диффузионные природу п направление (из p-области в «-область).

Внешнее напряжение, приложенное «минусом» к аноду, создает поле, согласное с внутренним электрическим полем, и они вместе противодействуют диффузионным силам. Область, запятая заряженными слоями (обедненная подвижными носителями заряда) становится шире, переход расширяется. Под действием суммарного электрического ноля происходит процесс выдирания малочисленных дырок из и-области и электронов из /?-области, называемый экстракцией. Во внешней цени протекает незначительный ток (ток экстракции).

Вывод. Полупроводниковый диод обладает односторонней проводимостью. Это справедливо до той поры, пока обратное напряжение нс достигнет величины напряжения пробоя. Причем сначала возникает режим электрического пробоя, переходящий с незначительным ростом обратного напряжения в режим теплового пробоя, когда прибор сгорает.

Изложенный физический процесс лежит в основе работы всех полупроводниковых диодов.

По функциональному назначению выпускаемые промышленностью диоды подразделяются следующим образом: 1) выпрямительные; 2) стабилитроны; 3) варикапы; 4) диоды Шоттки; 5) фотодиоды; 6) светодиоды; 7) оптроны и др. [9, Ii. ll, 12].