Теоретическое введение. Принцип действия полупроводникового диода основан на односторонней проводимости поверхностного слоя в местах контакта двух проводников с различным типом

Рис. 1. р-n-переход

Принцип действия полупроводникового диода основан на односторонней проводимости поверхностного слоя в местах контакта двух проводников с различным типом проводимости. Этот слой называют электронно-дырочным (n-р или р-n) переходом.

В местах контакта р (дырочного) и n (электронного) полупроводников через поверхность соприкосновения происходит диффузия свободных электронов в направлении от n к p области и “дырок”- в противоположном направлении (“дырка” - это незанятое электроном место на связи между атомами кристаллической решетки полупроводника). В результате рекомбинации электронов и “дырок” пограничный слой обедняется носителями зарядов и приобретает со стороны р-проводника отрицательный, а со стороны n-полупроводника - положительный заряд. Образуется двойной электрический слой, внутри которого создается электрическое поле напряженностью Е, препятствующее дальнейшему переходу электронов и “дырок”(см.рис.1). Ширина двойного электрического слоя в реальных изделиях лежит в пределах от 10^-5 до 10^{-4 см. Между приведенными в соприкосновение полупроводниками устанавливается разность потенциалов, называемая контактной. Порядок величины контактной разности потенциалов в полупроводниках - от десятых долей вольта до нескольких вольт.}

Двойной электрический слой в области соприкосновения полупроводников из-за рекомбинации “дырок” и электронов обладает большим сопротивлением и поэтому называется запирающим. Сопротивление запирающего слоя можно изменить с помощью внешнего поля. Если создать внешнее поле с напряженностью Е, направленное противоположно полю Е’, то запирающий слой станет узким и сопротивление его уменьшится и через р-n переход пойдет электрический ток.

Рис. 2. Запирающее направление р-n-перехода

Направление р-n перехода называется пропускным, а ток прямым (I_ПР) (см рис.3). Противоположное направление внешнего поля Е, совпадающее с направлением поля Е’, оттягивает свободные электроны и “дырки” от места контакты. При этом запирающий слой расширяется, его сопротивление резко возрастает. Ток, идущий через контакт,

становится очень слабым (порядка нескольких m A). Направление n-р называется запирающим, а ток обратным (I_ОБ) (см. рис.2).

Таким образом, р-n переход обладает выпрямляющим свойством. Зависимость тока, текущего через р-n переход, от приложенного напряжения U называется вольтамперной характеристикой (см.рис.4) и выражается уравнением:

,

где I_S - ток насыщения, е - заряд электрона, Т - абсолютная температура области перехода, e - основание натуральных логарифмов.

Вольтамперная характеристика р-n-перехода

При U < 0 сила тока I не зависит от напряжения U до некоторого критического значения U_ПР (пробивное напряжение), после чего I_ОБ резко растет с ростом U (рис.4). Этот рост обусловлен ударной ионизацией в полупроводнике.

По вольтамперной характеристике диода можно рассчитать коэффициент выпрямления,равный отношению величин прямого и обратного токов при одинаковых по абсолютному значению напряжениях.

½U½ =const

В случае переменного напряжения эффективность р-n перехода, как нелинейного сопротивления, уменьшается с ростом частоты. Поэтому полупроводниковые диоды применяются для выпрямления переменного тока низкой частоты (до 50 кГц). Наиболее эффективны вентили (выпрямители) из германия Ge и кремния Si, отличающиеся стабильностью в работе и большим сроком службы.

Используемые в настоящее время полупроводниковые диоды можно разделить на две группы: 1) точечные (кристалл Ge или Si с n-проводимостью контактирует с острием металлической иглы); 2) плоскостные (в центре полупроводниковой пластинки впаивается кусочек металла, например Ge и In).

Благодаря небольшим габаритам, малому потреблению энергии, высокой стойкости к перегрузкам и вибрациям полупроводниковые приборы нашли широкое применение в современной радио- и вычислительной технике.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: