Принцип работы полупроводниковых диодов

Самым простым по конструкции в семействе полупроводников являются диоды, имеющие в конструкции всего два электрода, между которыми существует проводимость электрического тока в одну сторону. Такой вид проводимости в полупроводниках создается благодаря их внутреннему устройству.

Особенности устройства

Не зная конструктивных особенностей диода, нельзя понять его принципа действия. Структура диода состоит из двух слоев с проводимостью различного вида.

Диод состоит из следующих основных элементов:

• Корпус . Выполняется в виде вакуумного баллона, материалом которого может быть керамика, металл, стекло и другие прочные материалы.
• Катод . Он расположен внутри баллона, служит для образования эмиссии электронов. Наиболее простым устройством катода является тонкая нить, раскаляющаяся в процессе действия. Современные диоды оснащены косвенно накаляющимися электродами, которые выполнены в виде металлических цилиндров со свойством активного слоя, имеющего возможность испускать электроны.
• Подогреватель . Это особый элемент в виде нити, раскаляющейся от электрического тока. Подогреватель расположен внутри косвенно накаляющегося катода.
• Анод . Это второй электрод диода, служащий для приема электронов, вылетевших от катода. Анод имеет положительный потенциал, по сравнению с катодом. Форма анода чаще всего так же, как и катода, цилиндрическая. Оба электрода аналогичны эмиттеру и базе полупроводников.
• Кристалл . Его материалом изготовления является германий или кремний. Одна часть кристалла имеет р-тип с недостатком электронов. Другая часть кристалла имеет n-тип проводимости с избытком электронов. Граница, расположенная между этими двумя частями кристалла, называется р-n переходом.

Эти особенности конструкции диода позволяют ему проводить ток в одном направлении.

Принцип действия

Работа диода характеризуется его различными состояниями, и свойствами полупроводника при нахождении в этих состояниях. Рассмотрим подробнее основные виды подключений диодов, и какие процессы происходят внутри полупроводника.

Диоды в состоянии покоя

Если диод не подключен к цепи, то внутри него все равно происходят своеобразные процессы. В районе «n» есть излишек электронов, что создает отрицательный потенциал. В области «р» сконцентрирован положительный заряд. Совместно такие заряды создают электрическое поле.

Так как заряды с разными знаками притягиваются, то электроны из «n» проходят в «р», при этом заполняют дырки. В итоге таких процессов в полупроводнике появляется очень слабый ток, увеличивается плотность вещества в области «р» до определенного значения. При этом частицы расходятся по объему пространства равномерно, то есть, происходит медленная диффузия. Вследствие этого электроны возвращаются в область «n».

Для многих электрических устройств направление тока не имеет особого значения, все работает нормально. Для диода же, большое значение имеет направление протекания тока. Основной задачей диода является пропускание тока в одном направлении, чему благоприятствует переход р-n.

Обратное включение

Если диоды подсоединять к питанию по изображенной схеме, то ток не будет проходить через р-n переход. К области «n» подсоединен положительный полюс питания, а к «р» — минусовой. В итоге электроны от области «n» переходят к плюсовому полюсу питания. Дырки притягиваются минусовым полюсом. На переходе возникает пустота, носители заряда отсутствуют.

При повышении напряжения дырки и электроны осуществляют притягивание сильнее, и на переходе нет носителей заряда. При обратной схеме включения диода ток не проходит.

Повышение плотности вещества возле полюсов создает диффузию, то есть, стремление к распределению вещества по объему. Это возникает при выключении питания.

Обратный ток

Вспомним о работе неосновных переносчиков заряда. При запертом диоде, через него проходит малая величина обратного тока. Он и образуется от неосновных носителей, двигающихся в обратном направлении. Такое движение возникает при обратной полярности питания. Обратный ток обычно незначительный, так как число неосновных носителей очень мало.

При возрастании температуры кристалла их число повышается и обуславливает повышение обратного тока, что обычно приводит к повреждению перехода. Для того, чтобы ограничить температуру работы полупроводников, их корпус монтируют на теплоотводящие радиаторы охлаждения.

Прямое включение

Поменяем местами полюса питания между катодом и анодом. На стороне «n» электроны будут отходить от отрицательного полюса, и проходить к переходу. На стороне «р» дырки, имеющие положительный заряд, оттолкнутся от положительного вывода питания. Поэтому электроны и дырки начнут стремительное движение друг к другу.

Частицы с разными зарядами скапливаются возле перехода, и между ними образуется электрическое поле. Электроны проходят через р-n переход и двигаются в область «р». Часть электронов рекомбинирует с дырками, а остальные проходят к положительному полюсу питания. Возникает прямой ток диода, который имеет ограничения его свойствами. При превышении этой величины диод может выйти из строя.

При прямой схеме диода, его сопротивление незначительное, в отличие от обратной схемы. Считается, что обратно ток по диоду не проходит. В результате мы выяснили, что диоды работают по принципу вентиля: повернул ручку влево – вода течет, вправо – нет воды. Поэтому их еще называют полупроводниковыми вентилями.

Прямое и обратное напряжение

Во время открытия диода, на нем имеется прямое напряжение. Обратным напряжением считается величина во время закрытия диода и прохождения через него обратного тока. Сопротивление диода при прямом напряжении очень мало, в отличие от обратного напряжения, возрастающего до тысяч кОм. В этом можно убедиться путем измерения мультиметром.

Сопротивление полупроводникового кристалла может изменяться в зависимости от напряжения. При увеличении этого значения сопротивление снижается, и наоборот.

Если диоды использовать в работе с переменным током, то при плюсовой полуволне синуса напряжения он будет открыт, а при минусовой – закрыт. Такое свойство диодов применяют для выпрямления напряжения. Поэтому такие устройства называются выпрямителями.

Характеристика диодов

Характеристика диода выражается графиком, на котором видна зависимость тока, напряжения и его полярности. Вертикальная ось координат в верхней части определяет прямой ток, в нижней части – обратный.

Горизонтальная ось справа обозначает прямое напряжение, слева – обратное. Прямая ветка графика выражает ток пропускания диода, проходит рядом с вертикальной осью, так как выражает повышение прямого тока.

Вторая ветка графика показывает ток при закрытом диоде, и проходит параллельно горизонтальной оси. Чем круче график, тем лучше диод выпрямляет ток. После возрастания прямого напряжения, медленно повышается ток. Достигнув области скачка, его величина резко нарастает.

На обратной ветви графика видно, что при повышении обратного напряжения, величина тока практически не возрастает. Но, при достижении границ допустимых норм происходит резкий скачок обратного тока. Вследствие этого диод перегреется и выйдет из строя.

Наверное любой начинающий радиолюбитель знает, что диод в одну сторону пропускает ток, а в другую нет. Но как, и почему он так делает, знают, а тем более понимают не многие, даже некоторые инженеры не знают этого.

Работа диода — общие принципы внутреннего устройства

Структурно диод можно представить кристаллом полупроводника, состоящим из двух областей. Одна с проводимостью p-типа, а другая – проводимостью n-типа.

Работа диода поясняющая структурная схема

Анод это плюсовой электрод, в нем основными носителями заряда являются дырки.

Катод это минусовой электрод, в нем основными носителями заряда являются электроны.

На внешних поверхностях двух областей имеются контактные металлические слои, к которым припаяны внешние выводы. Такой полупроводниковый прибор может быть только в одном из двух состояний: открыт и закрыт

Работа диода при прямом включении

Если к выводам полупроводникового прибора подсоединить постоянное напряжение: на анод подать плюс» а на вывод катода соответственно «минус», то диод откроется и через него начнет идти ток, величина которого зависит от приложенного напряжения и внутренних свойств диода.

При прямом включении электроны из n области устремятся навстречу дыркам в p-область, а дырки из p в область n. На границе электронно-дырочного перехода, они встретятся, и осуществится их взаимное поглощение или рекомбинация.

Вывод диода, подключенный к минусу, будет посылать в область n огромное количество электронов, пополняя их убывание. А вывод, соединенный с плюсом, помогает восстанавливать концентрация дырок в области p. То есть, проводимость электронно-дырочного перехода увеличится, а сопротивление току резко уменьшится, а значит, через диод потечет ток, называемый прямым током диода Iпр.

Изменим полярность нашего подключения и посмотрим на изменения в работе подключенного полупроводникового прибора.

В этом случае электроны и дырки будут, оттеснятся от p-n перехода, а на границе электронно-дырочного перехода резко возрастает потенциальный барьер или другими словами зона обедненная носителями заряда дырками и электронами, которая будет препятствовать прохождению тока.

Но, так как в каждой из области имеется небольшое количество неосновных носителей заряда, то небольшой обмен носителями заряда между областями все же происходит, но он очень мал. Такой ток получил название обратный ток Iобр.

Напряжение, открытия диода, когда через него течет прямой ток называют прямым U_пр, а напряжение обратной полярности, при котором он запирается и через него течет I_обр называют обратным U_обр. При U_пр внутреннее сопротивление не выше нескольких десятков Ом, зато при U_обр сопротивление резко увеличивается до сотен и даже тысяч килоом. Это легко увидеть, если измерить обратное сопротивление с помощью мультиметра.

Сопротивление электронно-дырочного перехода величина не постоянная и зависит от Uпр. Чем оно выше, тем меньше сопротивление p-n переход, тем выше Iпр идущий через полупроводник. В закрытом состоянии на нем падает почти все напряжение, поэтому, Iобр ничтожно мал, а сопротивление p-n перехода огромно.

Если мы подсоединим диод в цепь переменного тока, то он будет открыт при положительных полуволне синусоидального напряжения, пропуская прямой ток , и заперт при отрицательной полуволне, почти не пропуская Iобр. Это главное свойства диодов используют для преобразования переменного напряжения в постоянный, и такие приборы называют выпрямительными.

Зависимость тока, проходящего через электронно-дырочный переход, от величины и полярности напряжения изображают в виде кривой, называемой ВАХ

Она состоит из двух ветвей: прямая ветвь — соответствует прямому току через диод, и обратная ветвь, соответствующая обратному току.

Прямая ветвь графика круто поднимается вверх и характеризует быстрый рост прямого тока с ростом значения прямого напряжения. Обратная ветвь, наоборот следует почти параллельно горизонтальной оси и характеризует медленный рост I_обр. Чем ближе к вертикальной оси прямая ветвь и чем ближе к горизонтальной оси обратная ветвь, тем лучше выпрямительные свойства полупроводника. Наличие Iобр является недостатком. Из кривой ВАХ видно, что I_пр во много больше I_обр.

Как мы видим из графика с увеличением прямого напряжения через электронно-дырочный переход ток сначало возрастает медленно, а затем гораздо быстрее.

Но такое резкое увеличение тока нагревает молекулы полупроводника. И если количество тепла будет выше отводимого от кристалл, то могут случится необратимые изменения и разрушение кристаллической решетки.

Поэтому необходимо использовать ограничительное сопротивление включенное последовательно.

При сильном увеличении обратного напряжения, может произойти пробой электронно-дырочного прибора. Даже существуют специальные полупроводниковые приборы называемые стабилитронами в которых применяется это свойство.

Пробой p-n перехода это явление резкого возрастания обратного тока при достижении обратным напряжением определенного критического уровня. Тепловые пробои в свою очередь делятся на электрический и тепловой, а электрический пробой бывает туннельный и лавинный.

Электрический пробой происходит в результате воздействия сильного электрического поля в переходе. Такой пробой считается обратимым, так как он не приводит к повреждению кристалла, и при снижении уровня обратного напряжения характеристики диода сохраняются.

Туннельный пробой возникает в результате туннельного эффекта, который заключается в том, что при высокой напряженности электрического поля в узком p-n переходе, отдельные электроны просачиваются через переход. Такие p-n переходы возможны только при условии высокой концентрации примесей в молекуле полупроводника.

При туннельном пробое происходит резкий рост Iобр при малом обратном напряжении. На основе этого свойства были разработаны туннельные диоды. Они применяются в усилителях, генераторах синусоидальных колебаний и в различных переключающих устройствах на высоких частотах.

Лавинный пробой происходит также под действием сильного электрического поля, когда неосновные носители зарядов под действием тепла в переходе ускоряются на столько, что выбивают из атома один из валентных электронов и выкидывают его в зону проводимости, создав при этом пару электрон – дырка. Образовавшиеся свободные носители начинают разгоняться и сталкиваться с другими атомами, выбивая другие электроны. Процесс носит лавинообразный характер, что приводит к резкому увеличению Iобр при практически неизменном уровне напряжения.

Эффект лавинного пробоя применяется в мощных выпрямительных агрегатах, используемых в металлургической и химической промышленности, а также в железнодорожном транспорте.

Тепловой пробой происходит из-за перегрева p-n перехода при протекании большого уровня тока, и при плохом теплоотводе. Это приводит к резкому возрастанию температуры перехода и соседних с ним областе, увеличивается колебания атомов структуры кристалла, исчезает связь валентных электронов. Электроны начинают уходить в в зону проводимости, идет лавинообразное повышение температуры, что приводит к разрушению кристалла и выходу из строя радиокомпонента.

Описание работы выпрямительного устройства на полупроводниковых диодах

Светодиод это полупроводниковый источник света. Генерация света в нем осуществляется за счет энергии, выделяемой при рекомбинации носителей тока дырок или электронов, в зависимости от проводимости p-n перехода, на границе полупроводниковых материалов.

Тиристор это полупроводниковый прибор, изготовленный на основе монокристаллического полупроводника, обладающего тремя и более p-n-переходами.

Стабилитрон — разновидность полупроводникового диода, работающего при напряжении обратного смещении в режиме пробоя. До момента наступления пробоя через стабилитрон текут совсем незначительные токи утечки, а его сопротивление достаточно высокое. В момент пробоя ток через него резко увеличивается, а его дифференциальное сопротивление снижается до малых величин. За счет этого в режиме пробоя напряжение на стабилитроне поддерживается с неплохой точностью в большом диапазоне обратных токов.

Варикап — это очередная разновидность полупроводникового диод, который способен изменять свою внутреннюю емкость прямо пропорционально уровню приложенного обратного напряжения смещения p-n перехода от единиц до сотен пикофарад.

Это еще одна разновидность типичного полупроводникового диода, его отличительная особенность это малое падение напряжения при прямом включении. Название свое он получил в честь немецкого физика изобретателя Вальтера Шоттки. В этих диодах в роли потенциального барьера применяется переход металл-полупроводник, а не p-n переход. Допустимое обратное напряжение диодов Шоттки обычно около 1200 вольт, например CSD05120 и его аналоги, на практике они используются в низковольтных цепях при обратном напряжении до нескольких десятков вольт.

Все эти компоненты различаются по назначению, применяемым материалам, типам р-n переходов, конструктивному исполнению, мощности и прочим признакам и характеристикам. Широкое распространение получили выпрямительные, импульсные диоды, варикапы, диоды Шотки, тринисторы, светодиоды, и тиристоры. Рассмотрим их основные технические характеристики и общие свойства, хотя у каждого типа из этих полупроводниковых компонентов много и своих сугубо индивидуальных параметров

Д иод — самый простейший по устройству в славном семействе полупроводниковых приборов. Если взять пластинку полупроводника, например германия, и в его левую половину ввести акцепторную примесь, а в правую донорную, то с одной стороны получится полупроводник типа P, соответственно с другой типа N. В середине кристалла получится, так называемый P-N переход, как показано на рисунке 1.

На этом же рисунке показано условное графическое обозначение диода на схемах: вывод катода (отрицательный электрод) очень похож на знак «-». Так проще запомнить.

Всего в таком кристалле две зоны с различной проводимостью, от которых выходят два вывода, поэтому полученный прибор получил название диод, поскольку приставка «ди» означает два.

В данном случае диод получился полупроводниковый, но подобные устройства были известны и раньше: например в эпоху электронных ламп был ламповый диод, называвшийся кенотрон. Сейчас такие диоды ушли в историю, хотя приверженцы «лампового» звука считают, что в ламповом усилителе даже выпрямитель анодного напряжения должен быть ламповым!

Рисунок 1. Строение диода и обозначение диода на схеме

На стыке полупроводников с P и N проводимостями получается P-N переход (P-N junction), который является основой всех полупроводниковых приборов. Но в отличии от диода, у которого этот переход лишь один, транзисторы имеют два P-N перехода, а, например, тиристоры состоят сразу из четырех переходов.

P-N переход в состоянии покоя

Даже если P-N переход, в данном случае диод, никуда не подключен, все равно внутри него происходят интересные физические процессы, которые показаны на рисунке 2.

Рисунок 2. Диод в состоянии покоя

В области N имеется избыток электронов, она несет в себе отрицательный заряд, а в области P заряд положительный. Вместе эти заряды образуют электрическое поле. Поскольку разноименные заряды имеют свойство притягиваться, электроны из зоны N проникают в положительно заряженную зону P, заполняя собой некоторые дырки. В результате такого движения внутри полупроводника возникает, хоть и очень маленький (единицы наноампер), но все-таки ток.

В результате такого движения возрастает плотность вещества на стороне P, но до определенного предела. Частицы обычно стремятся распространяться равномерно по всему объему вещества, подобно тому, как запах духов распространяется на всю комнату (диффузия), поэтому, рано или поздно, электроны возвращаются обратно в зону N.

Если для большинства потребителей электроэнергии направление тока роли не играет, — лампочка светится, плитка греется, то для диода направление тока играет огромную роль. Основная функция диода проводить ток в одном направлении. Именно это свойство и обеспечивается P-N переходом.

Далее рассмотрим, как ведет себя диод в двух возможных случаях подключения источника тока.

Включение диода в обратном направлении

Если к полупроводниковому диоду подключить источник питания, как показано на рисунке 3, то ток через P-N переход не пройдет.

Рисунок 3. Обратное включение диода

Как видно на рисунке, к области N подключен положительный полюс источника питания, а к области P – отрицательный. В результате электроны из области N устремляются к положительному полюсу источника. В свою очередь положительные заряды (дырки) в области P притягиваются отрицательным полюсом источника питания. Поэтому в области P-N перехода, как видно на рисунке, образуется пустота, ток проводить просто нечем, нет носителей заряда.

При увеличении напряжения источника питания электроны и дырки все сильней притягиваются электрическим полем батарейки, в области же P-N перехода носителей заряда остается все меньше. Поэтому в обратном включении ток через диод не идет. В таких случаях принято говорить, что полупроводниковый диод заперт обратным напряжением.

Увеличение плотности вещества около полюсов батареи приводит к возникновению диффузии, — стремлению к равномерному распределению вещества по всему объему. Что и происходит при отключении элемента питания.

Обратный ток полупроводникового диода

Вот здесь как раз и настало время вспомнить о неосновных носителях, которые были условно забыты. Дело в том, что даже в закрытом состоянии через диод проходит незначительный ток, называемый обратным. Этот обратный ток и создается неосновными носителями, которые могут двигаться точно так же, как основные, только в обратном направлении. Естественно, что такое движение происходит при обратном напряжении. Обратный ток, как правило, невелик, что обусловлено незначительным количеством неосновных носителей.

С повышением температуры кристалла количество неосновных носителей увеличивается, что приводит к возрастанию обратного тока, что может привести к разрушению P-N перехода. Поэтому рабочие температуры для полупроводниковых приборов, — диодов, транзисторов, микросхем ограничены. Чтобы не допускать перегрева мощные диоды и транзисторы устанавливаются на теплоотводы – радиаторы.

Включение диода в прямом направлении

Показано на рисунке 4.

Рисунок 4. Прямое включение диода

Теперь изменим полярность включения источника: минус подключим к области N (катоду), а плюс к области P (аноду). При таком включении в области N электроны будут отталкиваться от минуса батареи, и двигаться в сторону P-N перехода. В области P произойдет отталкивание положительно заряженных дырок от плюсового вывода батареи. Электроны и дырки устремляются навстречу друг другу.

Заряженные частицы с разной полярностью собираются около P-N перехода, между ними возникает электрическое поле. Поэтому электроны преодолевают P-N переход и продолжают движение через зону P. При этом часть из них рекомбинирует с дырками, но большая часть устремляется к плюсу батарейки, через диод пошел ток Id.

Этот ток называется прямым током. Он ограничивается техническими данными диода, некоторым максимальным значением. Если это значение будет превышено, то возникает опасность выхода диода из строя. Следует, однако, заметить, что направление прямого тока на рисунке совпадает с общепринятым, обратным движению электронов.

Можно также сказать, что при прямом направлении включения электрическое сопротивление диода сравнительно небольшое. При обратном включении это сопротивление будет во много раз больше, ток через полупроводниковый диод не идет (незначительный обратный ток здесь в расчет не принимается). Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что диод ведет себя подобно обычному механическому вентилю: повернул в одну сторону — вода течет, повернул в другую — поток прекратился. За это свойство диод получил название полупроводникового вентиля.

Чтобы детально разобраться во всех способностях и свойствах полупроводникового диода, следует познакомиться с его вольт – амперной характеристикой. Также неплохо узнать о различных конструкциях диодов и частотных свойствах, о достоинствах и недостатках. Об этом будет рассказано в следующей статье.