Принцип действия и вольтамперная характеристика (ВАХ) диода

    Диодом называется двухэлектродный элемент электрической цепи, обладающий односторонней проводимостью тока (рисунок 1.11).        

Рисунок 1.11

Полупроводниковый диод состоит из двух слоёв, один из которых обладает дырочной (p) проводимостью – анод, другой электронной (n) проводимостью – катод. В германиевых и кремниевых анодах двухслойная p-n структура создаётся введением в один из слоёв монокристалла акцепторной примеси, а в другой – донорной примеси. При комнатной температуре атомы акцепторов и доноров можно считать полностью ионизированными, то есть практически все акцепторные атомы присоединяют к себе электроны, создавая при этом дырки, а донорные атомы отдают свои электроны, которые становятся свободными. Кроме основных носителей заряда в каждом из слоёв имеются неосновные носители заряда, создаваемые путём перехода электронов основного материала из валентной зоны в зону проводимости.

Рисунок 1.12

В p-n структуре на границе раздела слоёв (рисунок 1.12) возникает разность концентраций одноимённых носителей заряда. В одном слое они являются основными, в другом – неосновными носителями заряда. В приграничной области под действием разности  концентраций возникает диффузионное движение основных носителей заряда. Дырки из p-области диффундируют в n-область, электроны из n-области в p-область. Дырки, вошедшие в n-область рекомбинируют электронами этой области, а электроны, вошедшие в р-область с дырками p-области.

    Следствием диффузионного движения носителей заряда через границу раздела слоёв является появление в приграничной области объёмных зарядов, создаваемых ионами атомов примесей. Так при уходе дырок из p-слоя в нем создаётся некомпенсированный отрицательный заряд, за счет оставшихся отрицательных атомов акцепторной примеси. Электроны, ушедшие из n-слоя, оставляют здесь некомпенсированный положительный объёмный заряд, создаваемый положительными ионами донорных атомов примеси. Ввиду наличия объёмного заряда в p-n переходе создаётся электрическое поле и разность потенциалов. Под действием этой разности потенциалов происходит дрейфовое движение неосновных носителей заряда (дырок из n-области в p-область и электронов из p-области в n-область). Дрейфовый ток имеет направление противоположное диффузионному току.

    Равенство  создаётся установлением соответствующей величины потенциального барьера.  в p-n переходе. Величина потенциального барьера (контактная разность потенциалов) зависит от температуры кристалла и концентрации неосновных носителей заряда. При комнатной температуре для германия , для кремния . Подключение к p-n структуре внешнего напряжения приводит к изменению условий переноса заряда через p-n переход.

    Подключим внешнее напряжение к p-n структуре в прямом направлении. Создаваемое внешним источником электрическое поле направлено противоположно внутреннему полю p-n перехода, что приводит к уменьшению результирующего поля в p-n переходе. Величина объёмного заряда при этом равна , где - внешнее напряжение между анодом и катодом. Уменьшение потенциального барьера облегчает переход основных носителей заряда под действием диффузии через границу раздела в соседние области, что приводит к увеличению диффузионного тока через p-n переход. Такое явление называют инжекцией носителей заряда. Дрейфовый ток через p-n переход, создаваемый неосновными носителями заряда, приходящими из приграничных слоёв, остаётся неизменным. Разность диффузионного и дрейфового токов определяет результирующий прямой ток через p-n переход (прямой ток диода) .

С повышением внешнего напряжения прямой ток увеличивается, так как уменьшающийся потенциальный барьер способен преодолеть основные носители заряда, обладающие меньшей энергией (рисунок 1.13),  – для кремниевый диодов,  – для германиевых диодов.

Рисунок 1.13

При подключении к диоду источника внешнего напряжения в обратном направлении потенциальный барьер возрастает на величину  и равен  . При этом увеличивается объёмный заряд в p-n переходе и его ширина, что затрудняет прохождение через p-n переход основных носителей заряда и диффузионный ток уменьшается. Дрейфовый ток, обусловленный концентрацией неосновных носителей заряда по обе стороны перехода можно считать неизменным. Через диод протекает обратный ток . При обратном напряжении, соответствующем точке 1 и больше, основные носители заряда не способны преодолеть потенциальный барьер  (рисунок 1.14).

Рисунок 1.14

Полная ВАХ диода приведена на рисунок 1.15. Прямой ток диода создаётся основными носителями заряда, а обратный – неосновными носителями. Концентрация основных носителей заряда на несколько порядков превышает концентрацию неосновных носителей заряда. Этим обусловлены вентильные свойства p-n перехода и, соответственно, диода.

Рисунок 1.15

В реальных условиях на обратную ветвь ВАХ диода влияет ток утечки через поверхность p-n перехода и генерация носителей заряда (рисунок 1.16).

Рисунок 1.16

Ток утечки линейно зависит от приложенного напряжения и создаётся различными загрязнениями на поверхности p-n структуры. Этим вызван наклонный участок 1-2 ВАХ. При повышении обратного напряжения происходит генерация носителей заряда, что приводит вначале к нарушению линейной зависимости (участок 2-3), а затем к резкому возрастанию обратного тока (участок 3-5), характеризующему пробой p-n перехода (3-4 – электрический пробой; 4-5 – тепловой пробой).

Виды диодов

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный. К быстродействию и стабильности параметров выпрямительных диодов специальных требований не предъявляют. Схема простейшего выпрямителя, состоящая из трансформатора, диода, сопротивления нагрузки и временные диаграммы, характеризующие ее работу, приведены на рисунок 1.17.

рисунок 1.17

рисунок 1.18

Основные параметры выпрямительных диодов:

1. Среднее прямое напряжение  при указанном токе ;

2. Средний обратный ток  при заданном значении обратного напряжения и температуре;

3. Допустимое амплитудное значение обратного напряжения ;

4. Средний прямой ток ;

5. Частота без снижения режимов;

Частотный диапазон выпрямительных диодов 50Гц-20 кГц. По максимальному допустимому среднему прямому току выпрямительные диоды делится на три группы:

1. Диоды малой мощности ( )

2. Диоды средней мощности ( )

3. Мощные (силовые) диоды ( )

   Импульсные диоды предназначены для выпрямления разнополярных последовательностей импульсов. Имеют малую длительность переходных процессов при отпирании и запирании и могут работать с сигналами длительностью в наносекунды.

 Стабилитроны - это диоды на ВАХ,  которых имеется участок со слабой зависимостью напряжения от протекающего тока. Рабочий участок ВАХ стабилитрона находится в области электрического пробоя p-n перехода (рисунок 1.18). Выпускают кремниевые стабилитроны с  от трех вольт до сотен вольт.

Параметры стабилитрона:

1. Напряжение стабилизации ( )

2. Ток стабилизации

3. Дифференциальное сопротивление в режиме стабилизации

4. Статическое сопротивление

5. Максимальный ток стабилизации , при превышении которого начинается тепловой пробой p-n перехода.

рисунок 1.19

 Высокочастотные и сверхвысокочастотные диоды  предназначены для работы на частоте до десятков гигагерц.

  Туннельные диоды (рисунок 1.19) отличаются более высокой концентрацией примесей и предназначены для работы при малых напряжениях (десятые доли вольта) и небольших токах (единицы миллиампер).

Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя близко расположенным p-n переходами и тремя выводами, усилительные свойства которого обусловлены явлением инжекции неосновных носителей заряда. Переходы образуются на границах трёх слоёв с чередующимся типом проводимости, из которых состоит транзистор. В зависимости от типа проводимости различают p-n-p и n-p-n транзисторы (рисунок 1.20).

                                          Рисунок 1.20

Центральную область полупроводниковой структуры транзистора называют базой, один внешний слой – эмиттер, другой – коллектор. Название «эмиттер» отражает факт инжекции этим слоем в базу носителей заряда, а «коллектор» - собирание носителей заряда, инжектированных эмиттером и прошедших базу. Переход  - эмиттерный переход,  - коллекторный переход. Для эффективного собирания коллектором носителей заряда, инжектированных эмиттером в базу, толщина базы должна быть мала (менее одного мкм).

    В зависимости от состояния полярности напряжения на p-n переходах транзистора различают 4 режима работы:

1. Нормальный активный (или просто активный), в котором на эмиттерном переходе действует прямое смещение, на коллекторном – обратное.

2. Насыщения - оба перехода смещены в прямом направлении.

3. Отсечки – оба перехода смещены в обратном направлении.

4. Инверсный активный – на эмиттерный переход подаётся обратное смещение, на коллекторный – прямое.

В зависимости от того, какой внешний вывод, транзистора является общим для входной и выходной цепей, существует три способа включения биполярного транзистора: с общей базой (ОБ); с общим этиттером (ОЭ): с общим коллектором (ОК) (рисунок 1.21).

                                             Рисунок 1.21

В схеме с общей базой (ОБ): входное напряжение -  выходное - ; входной ток - , выходной - . В схеме с общим эмиттером (ОЭ): входное напряжение  выходное ; входной ток- , выходной . В схеме с общим коллектором (ОК): входное напряжение , выходное ; входной ток- , выходной .

 Трехслойная структура реального планарного транзистора приведена на рисунок 1.22.

                                               Рисунок 1.22

Площадь эмиттерного перехода меньше площади коллекторного, что необходимо для собирания коллектором почти всех носителей заряда, инжектированных из эмиттера.