Полупроводниковые приборы — диод / Хабр

Введение

Каждый технически грамотный человек должен знать электронику. Подавляющее большинство устройств современной электроники изготавливаются из полупроводниковых материалов. По этому в рамках этой статьи, я бы хотел рассказать о диодах. Конечно, не зная основных свойств полупроводников, нельзя понять, как работает транзистор. Но одного знакомства только со свойствами полупроводников не достаточно. Необходимо разобраться в очень интересных и не всегда простых явлениях.

Краткая справка

Электро-дырочный переход (p-n переход) — это переходный слой между двумя областями полупроводника с разной электропроводностью, в котором существует диффузионное электрическое поле.
Диоды — это полупроводниковые приборы, основой которых является p-n переход. В основе применения полупроводниковых диодов лежит ряд их свойств, таких как асимметрия вольт-амперной характеристики, пробой электро-дырочного перехода, зависимость барьерной емкости от напряжения и т. д.

Используемое свойство перехода

• Выпрямительный — асимметрия вольт-амперной характеристики
• Стабилитрон — пробой
• Варикап — барьерная ёмкость
• Импульсный — переходные процессы

Познакомимся с ними подробнее.

Выпрямительные диоды

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного сигнала в постоянный.

Рассмотрим принцип действия простейшего однополупериодного выпрямителя на полупроводниковом диоде.

Описание работы

При поступлении от первичного источника переменного напряжения, диод будет открыт на положительной полуволне и закрыт на отрицательной. В результате на полуволне через диод и сопротивление нагрузки будет протекать ток. конденсатор при этом заряжается до значения, близкого к пиковому. При уменьшении напряжения во входной цепи диод запирается. При этом конденсатор начинает разряжаться через сопротивление нагрузки.
Недостатком является то, что выпрямительное напряжение сильно зависит от сопротивления нагрузки и имеет большую амплитуду пульсаций. Поэтому такие выпрямители применяются только при высокомерных нагрузках. Для формирования Импульсов применяются амплитудные ограничители, которые могут быть последовательными и параллельными. В последовательных диодных ограничителях диод включается последовательно с сопротивлением нагрузки.

Варикапы

Варикап — полупроводниковый диод, используемый в качестве электрически управляемой емкости.
Эти параметрические диоды работают в обратном направлении, от которого зависит барьерная емкость. Таким образом, варикапы представляют собой конденсаторы переменной емкости, управляемой не механически, а электрически, при изменении обратного напряжения.

Варикапы применяются главным образом для настройки колебательных контуров. Простейшая схема включения варикапа в колебательный контур на рисунке.

Описание работы

Настройка колебательного контура на резонансную частоту может осуществляться двумя способами. Во-первых, посредством варьирования частоты проводимого к контуру переменного входного напряжения Uвх. Во-вторых, за счет изменения частоты собственных колебаний Wо, которая обусловлена индуктивностью и емкостью колебательного контура. Изменяя величину обратного напряжения Uобр., можно регулировать емкость варикапа, а следовательно и менять резонансную частоту контура. Конденсатор Cp является разделительным. Он необходим для предотвращения шунтирования варикапа индуктивностью.

Стабилитроны

Стабилитрон — это полупроводниковый диод, используемый для стабилизации напряжения.
Участок соответствующий электрическому пробою Uпроб. на котором напряжение слабо зависит от тока, является рабочим. При использовании стабилитрона для стабилизации постоянного напряжения, его включают параллельно нагрузке.

Наиболее часто стабилитрон работает в таком режиме, когда напряжение источника нестабильно, а сопротивление нагрузки Rн постоянно. Для установления и поддержания правильного режима стабилизации в этом случае сопротивление Rогр. должно иметь определенное значение. Для исключения температурного дрейфа напряжение используют последовательно соединенный диод. Подобные диоды называются термокомпенсированными стабилитронами.

Импульсные диоды

Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов и предназначены для работы в качестве коммутирующих элементов. Существуют различные типы импульсных диодов: сплавные, точечные меза-диоды, диоды Шоттки.

Импульсные диоды широко используют в качестве коммутирующих элементов, т.е. устройств, имеющих два устойчивых состояния: «открыто», когда сопротивления прибора мало и «закрыто», когда велико.
При использовании диода в качестве ключа, могут комбинироваться различные диодные и диодно-транзисторные схемы, предназначенные для работы в цифровой аппаратуре.

В заключении

Прошу прощения за рисунки, элементы схем не по госту(их соотношение), но думаю для наглядного примера сойдет.
PS: стоит ли рассказать о транзисторах?

I.Общая информация

Полупроводниковые

диоды

Полупроводниковый диод – прибор, имеющий два вывода для включения в электрическую цепь и обладающий способностью хорошо пропускать через себя электрический ток одного направления и плохо — противоположного направления. Это свойство диода используют, например, в выпрямителях для преобразования переменного тока в постоянный (ток одного направления).

Слово «диод» образовалось от греческой приставки «ди» — «дважды» и сокращения слова «электрод».

Строение и принцип действия

Полупроводниковый диод представляет собой полупроводниковую пластинку с двумя областями разной проводимости: электронной (

n— типа) и дырочной (p— типа). Между ними — разделяющая граница, называемаяp—n – переходом (область на границе двух полупроводников с различными типами электропроводности). Рабочий элемент — кристалл германия, обладающий проводимостью n–типа за счёт небольшой добавки донорной примеси.

Полупроводники стали настоящей золотой жилой техники, когда из них научились делать слоистые структуры.

Выращивая слой n-полупроводника на пластинкеp-полупроводника, мы получим двухслойный полупроводник с

p—n-переходом между ними. Если к каждой половине припаять по соединительному проводу, то получится полупроводниковый диод, который действует на ток как вентиль: в одну сторону хорошо пропускает ток, а в другую сторону почти не пропускает.

П

Рисунок 1

олупроводниковые диоды изготовляют из германия, кремния, селена и других веществ.

Как возникает выпрямляющий запирающий слой? Образование слоя начинается с того, что вp-половине больше дырок, а вn-половине больше электронов. Разность плотности носителей зарядов начинается уравновешиваться через переход: дырки проникают вn-половину, электроны вp-половину. Рассмотрим, как создаетсяp-nпереход при использовании донорной примеси.

Этот переход не удастся получить путем механического соединения двух полупроводников различных типов, т.к. при этом получается слишком большой зазор между полупроводниками. Эта толщина должна быть не больше межатомных расстояний. Поэтому в одну из поверхностей образца вплавляют индий. Вследствие диффузии атомов индия в глубь монокристалла германия у поверхности германия преобразуется область с проводимостью

р-типа. Остальная часть образца германия, в который атомы индия не проникли, по-прежнему имеет проводимость n-типа. Между областями возникаетp-nпереход. В полупроводниковом диоде германий служит катодом (отрицательным электродом), а индий — анодом (положительным электродом). На рисунке 1 показано прямое (б) и обратное (в) подсоединение диода.

Процессы в зоне проводимости

Электронно-дырочный переход обладает свойством несимметричной проводимости, т.е. представляет собой нелинейное сопротивление. Работа почти всех полупроводниковых приборов, применимых в радиоэлектронике, основана на использовании свойств одного или нескольких p-n переходов.

Существенная особенность полупроводников состоит в том, что в них при наличии примесей наряду с собственной проводимостью возникает дополнительная — примеснаяпроводимость. Вp–n– переходе носители заряда образуются при введении в кристалл акцепторной илидонорнойпримеси. Изменяя концентрацию примеси, можно значительно изменять число носителей заряда того или иного знака. Благодаря этому можно создавать полупроводники с преимущественной концентрацией либо отрицательно, либо положительно заряженных носителей.

С помощью внешнего источника тока можно повысить или понизить внешний потенциальный барьер. Если к диоду приложить прямое напряжение, т.е. положительный полюс соединить сp-половиной, то внешняя электрическая сила начнёт действовать против двойного слоя, и диод пропускает ток, который быстро растёт с увеличением напряжения. Если же изменить полярность проводников, то напряжение падает почти до нулевой отметки. Если диод подключить в цепь переменного напряжения, то он будет служить как выпрямитель, т.е. на выходе будет постоянное пульсирующее напряжение, по направлению в одну сторону (от плюса к минусу). Для того чтобы сгладить амплитуду, или как её ёщё называют «пиковое значение» пульсации тока, эффективно добавить параллельно диоду конденсатор.

Диод хорошо пропускает ток, когда его отрицательный электрод соединен с отрицательным полюсом источника напряжения (батареи), а положительный с положительным полюсом, т.е. когда на диод подается напряжение прямой полярности, или, короче, прямое напряжение. В этом случае электроны в n- области полупроводниковой пластинки будут двигаться к положительному полюсу батареи, т.е. к границе сp- областью; в то же время «дырки» вp- области будут двигаться к отрицательному полюсу батареи и, следовательно, к границе сn- областью.

В результате вблизи p-nперехода произойдет накопление положительных и отрицательных зарядов, и поэтому сопротивление перехода уменьшится. При напряжении противоположной (обратной) полярности, когда положительный полюс батареи соединен сn- областью, а отрицательный сp- областью, электроны вn- области и «дырки» вp- области движутся от границыp-n– перехода. Вследствие этого происходит уменьшение положительных и отрицательных зарядов вблизиp-nперехода, и его сопротивление увеличивается. Это и означает, что при переменном напряжении ток через диод в одном направлении будет большей силы, чем в другом, т.е. в цепи появится практически ток одного направления — произойдет выпрямление переменного тока.

Наряду с выпрямительными свойствами p-nпереход обладает емкостью, зависящей от значения и полярности приложенного напряжения. При прямом напряжении емкость диода больше, чем при обратном. С увеличением обратного напряжения емкость диода уменьшается.

Изготовление

Один из способов изготовления диода состоит в следующем. На поверхности квадратной пластинки площадью 2-4 см²и толщиной в несколько долей миллиметра, вырезанной из кристалла полупроводника сn-проводимостью, например, германия, расплавляют кусочек индия и помещают в печь. При высокой температуре (около 500⁰С) индий вплавляется в пластинку германия, образуя в ней область дырочной проводимости. К самой пластине германия и к затвердевшей «капле» индия припаивают два проволочных вывода электродов и прибор заключают в герметический и непрозрачный корпус, чтобы защититьp-nпереход от воздействия влаги и света. Индий крепко сплавляется с пластинкой. При этом атомы индия проникают (диффундируют) в толщу пластинки, образуя в ней область с преобладанием дырочной проводимости. Получается полупроводниковый прибор с двумя областями различного типа проводимости, а между ними p-n-переход. Чем тоньше пластинка полупроводника, чем меньше сопротивление диода в прямом направлении, тем больше выправленный диодом ток. Контактами диода служат капелька индия и металлический диск или стержень с выводными проводниками.

Область с электропроводностью р-типа имеет более высокую концентрацию примеси, нежели основная пластинка сравнительно высокоомного германия, и поэтому является эмиттером. К основной пластинке германия и к индию обычно припаиваются проволочки из никеля. Если за исходный материал взят высокоомный германий р-типа, то в него вплавляют сурьму и тогда получается эмиттерная область n-типа. Следует отметить, что сплавным методом получают так называемые резкие или ступенчатые р-n– переходы, в которых толщина области изменения концентрации примесей значительно меньше толщины области объемных зарядов, существующих в переходе.

После сборки транзистора для предотвращения вредных воздействий воздуха и света кристалл германия помещают в герметический корпус. Устройство и схематическое изображение полупроводникового диода:

VD

Большинство полупроводниковых диодов выполняют на основе несимметричных р-n– переходов. Низкоомную область диодов называютэмиттером, а высокоомную –базой. Для создания переходов с вентильными свойствами используютp-n-,p-i-,n-i– переходы, а также переходы металл-полупроводник. На рисунке 3 представлены структуры планарно-эпитаксиального (а) и сплавного (б) диодов.

а) б)

Структуры планарно-эпитаксиального (а) и сплавного (б) диодов.

Рисунок 3.

Общие сведения (по назначению и характеристикам)

Выпрямительные приборы довольно часто требуются в промышленности. Например выпрямители нужны для правильной работы бытовой техники (т.к. почти все электроприборы потребляют постоянное напряжение. Это телевизоры, радиоприёмники, видеомагнитофоны и т.д.). Также полупроводниковые диоды нужны для расшифровки видео, радио, фото и других сигналов в частотно-электрические сигналы, для детектирования слабых радиосигналов, например, в радиоприемниках, для выделения и обработки электрических сигналов в различных автоматических устройствах и ЭВМ. С помощью этого свойства полупроводников мы смотрим телевизор или слушаем радио.

Служат для преобразования и генерирования электрических колебаний. Диоды обладают большой надежностью, но граница их применения от –70 до 125 С. Их используют в основном для модуляции колебаний высокой частоты и для измерительных приборов. Для любого диода существуют некоторые предельно допустимые пределы прямого и обратного тока, зависящие от прямого и обратного напряжения, и определяющие его выпрямляющие и прочностные свойства.

В радиосхемах наряду с двухэлектродными лампами в настоящее время для выпрямления электрического тока все больше применяют полупроводниках диоды, так как они обладают рядом преимуществ.

_______________________________________________________________________________

В электронной лампе носители заряда электроны возникают за счет нагревания катода. В p-n переходе носители заряда образуется при введении в кристалл акцепторной или донорной примеси. Таким образом, здесь отпадает необходимость источника энергии для получения носителей заряда. В сложных схемах экономия энергии, получается за счет этого, оказывается весьма значительной. Кроме того, полупроводниковые выпрямители при тех же значениях выпрямленного тока более миниатюрны, чем ламповые.

По сравнению с электронными лампами у полупроводниковых диодов имеются существенные достоинства:

1. Малый вес и малые размеры.

2. Отсутствие затраты энергии на накал.

3. Большой срок службы (до десятков тысяч часов).

4. Большая механическая прочность (стойкость к тряске, ударам и другим видам механических перегрузок).

5. Различные устройства (выпрямители, усилители, генераторы) с полупроводниковыми приборами имеют высокий КПД, так как потери энергии в самих приборах незначительны.

Вместе с тем полупроводниковые диоды в настоящее время обладают следующими недостатками:

1. Параметры и характеристики отдельных экземпляров приборов данного типа имеют значительный разброс.

2. Свойства приборов сильно зависят от температуры.

3. Работа полупроводниковых диодов резко ухудшается под действием радиоактивного излучения.

Вольтамперная характеристика и параметры

Нелинейные свойства диода видны при рассмотрении его вольтамперной характеристики (ВАХ). В отличие от характеристики идеального р-n– перехода, описываемой соотношением

(пунктирная кривая на рис.4), характеристика реального диода (сплошная кривая на рис.4) в области прямых напряжений Uрасполагается несколько ниже из-за падения части приложенного напряжения на объемном сопротивлении базы диодаr. Токназываюттепловым током илиоб- ратным током насыщения. Это отличие от идеализированной кривой обусловлено тем, что тепловой токпри обратном включении составляет лишь часть обратного тока диода. При прямом включении существенное влияние на ход ВАХ оказывает падение напряжения на сопротивлении базы диода, которое начинает проявляться уже при токах, превышающих 2-10 мА.

Прямой ток в десятки миллиампер получается при прямом напряжении порядка десятых долей вольта. Поэтому прямое сопротивление имеет величину не выше десятков Ом. Для более мощных диодов прямой ток составляет сотни миллиампер и больше при таком же малом напряжении, а сопротивление соответственно снижается до единиц Ом и меньше. Обратный ток при обратном напряжении до сотен вольт у диодов небольшой мощности составляет лишь единицы и десятки микроампер. Это соответствует обратному сопротивлению до сотен кОм и больше.

При практическом использовании диодов выделять составляющие, которые искажают идеализированную ВАХ, сложно и нецелесообразно.

Поэтому у реальных диодов в качестве одного из основных параметров используют обратный ток , который измеряют при определенном значении обратного напряжения.

У германиевых диодов , у кремниевых. Так как значения обратного тока у диодов изменяются в широких пределах (от экземпляра к экземпляру), в паспортных данных на каждый вид диода указывается его максимально допустимое значение.

Тепловой ток и остальные составляющие обратного тока сильно зависят от температуры. Для теплового тока справедлива зависимость

(*)

где тепловой ток при температурепостоянный коэффициент (для германияпри, для кремнияпри). С помощью выражения (*) можно ориентировочно определить обратный ток при разных температурах у германиевых диодов. В кремниевых диодах в диапазоне рабочих температур доля теплового тока в полном обратном токе невелика. Для инженерных расчетов обратного тока в зависимости от температуры окружающей среды пользуются упрощенным выражением

,

где T* — приращение температуры, при котором обратный токудваивается (T*810^oCдля германия иT*67^oCдля кремния). В практике часто считают, что обратный ток германиевых диодов увеличивается в два раза, а кремниевых – в 2,5 раза при увеличении температуры на каждые 10^оС. При этом фактическое изменение обратного тока обычно занижается. Так как обратный ток в кремниевых диодах на несколько порядков меньше, чем в германиевых, им часто пренебрегают.

С учетом падения напряжения на базе диода запишем уравнение прямой ветви ВАХ диода:

где r_б– омическое сопротивление базы диода. ВАХ кремниевого и германиевого диодов:

В области обратных напряжений можно пренебречь падением напряжения в объеме полупроводника. При достижении обратным напряжением определенного критического значения ток диода начинает резко возрастать. Это явление называют пробоем диода.

Падение напряжения на диоде зависит от токаI, протекающего через него, и имеет большее значение у диодов с малым. Так как у кремниевых диодов тепловой токмал, то и начальный участок прямой ветви ВАХ значительно более пологий, чем у германиевых. При увеличении температуры прямая ветвь ВАХ становится более крутой из-за увеличенияи уменьшения сопротивления базы. Падение напряжения, соответствующее тому же значению прямого тока, при этом уменьшается, что оценивается с помощью температурного коэффициента напряжения:

.

показывает, насколько должно измениться напряжение на р-n– переходе при изменении температуры на 1^оС приI=const,=2,2 мВ/град.

Классификация

В зависимости от технологических процессов, использованных при их изготовлении:

— точечные диоды,

— сплавные,

— микросплавные,

— с диффузной базой,

— с эпитаксиальныеи др.

По функциональному назначениюдиоды делят на:

— выпрямительные

— универсальные

— импульсные

— смесительные

— детекторные

-модуляторные

— переключающие

— умножительные

— стабилитроны (опорные)

— туннельные

— параметрические

— фотодиоды

— светодиоды

— магнитодиоды

— высокочастотные

— диоды Ганна и т. д.

Существует много разновидностей полупроводниковых диодов, обладающих специальными свойствами. Стабилитрон— диод, у которого сопротивление в обратном направлении уменьшается с увеличением силы тока, так что напряжение на диоде практически не меняется.Варикап— диод, емкостьp-nперехода которого зависит от значения приложенного к нему напряжения. Он может быть использован в качестве конденсатора, емкостью которого управляют, изменяя приложенное напряжение.

Есть еще и необычные полупроводниковые диоды – это светодиоды и фотодиоды. Фотодиоды пропускают ток только при попадании на их корпус света. А светодиоды при прохождении через них тока, начинают светиться. Цвет свечения светодиодов зависит от того, к какой разновидности он принадлежит. Фотодиод— полупроводниковый диод, в корпусе которого имеется окно для освещенияp-nперехода. Под действием света изменяется сопротивление диода и, следовательно, сила тока в его цепи. Кроме того, под действием света в диоде возникает электродвижущая сила, так, что освещенный фотодиод является источником электрической энергии.

Обозначения полупроводниковых диодов состоят из шести элементов. Первый элемент – буква, указывающая, на основе какого полупроводникового материала выполнен диод. Германий или его соединения обозначают буквой Г, кремний и его соединения – буквой К, соединения галлия – А. В приборах специального назначения буквы заменяются соответствующими цифрами: германий – 1, кремний – 2, соединения галлия – 3. Второй элемент – буква, обозначающая подклассы диода: выпрямительные, импульсные, универсальные – Д, варикапы – В, туннельные и обращенные диоды – И, стабилитроны – С, сверхвысокочастотные – А. Третий элемент – цифра, определяющая назначение диода: от 101 до 399 – выпрямительные; от 401 до 499 – универсальные; от 501 до 599 — импульсные. У стабилитронов эта цифра определяет мощность рассеяния. Четвертый и пятый элементы – цифры, определяющие порядковый номер разработки (у стабилитронов эти цифры показывают номинальное напряжение стабилизации). Шестой элемент – буква, показывающая деление технологического типа на параметрические группы (приборы одного типа по значениям параметров подразделяются на группы). У стабилитронов буквы от А до Я определяют последовательность разработки, например: КД215А, ГД412А, 2Д504А, КВ101А, КС168А и т. д.

Полупроводниковые диоды подразделяются на группы в зависимости от их мощности, диапазона рабочих частот и напряжения.

По типу мощности различают выпрямительные диоды малой, средней и большой мощности.

Выпрямительные диоды малой мощности. К ним относятся диоды, поставляемые промышленностью на прямой ток до 300мА. Справочным параметром выпрямительных диодов малой мощности является допустимый выпрямительный ток (допустимой среднее значение прямого тока), который определяет в заданном диапазоне температур допустимое среднее за период значение длительно протекающих через диод импульсов прямого тока синусоидальной формы при паузах в 180 (полупериод) и частоте 50 Гц. Максимальное обратное напряжения этих диодов лежит в диапазоне от десятков до 1200В.

Выпрямительные диоды средней мощности. К этому типу относятся диоды, допустимое среднее значение прямого тока которых лежит в пределах 300мА-10мА. Большой прямой ток этих по сравнению с маломощными диодами достигается увеличением размеров кристалла, в частности рабочей площади p-n перехода. Диоды средней мощности выпускаются преимущественно кремниевыми. В связи с этим обратный ток этих диодов при сравнительно большой плоскости p-n перехода достаточно мал(несколько десятков микроампер). Теплота, выделяемая в кристалле от протекания прямого и обратного токов в диодах средней мощности, уже не может быть рассеяна корпусом прибора.

Мощные (силовые) диоды. К данному типу относятся диоды на токи от 10А и выше. Промышленность выпускает силовые диоды на токи 10,16,25,40 и т.д. и обратные напряжения до3500 В. Силовые диоды имеют градацию по частоте охватывают частотный диапазон до десятков килогерц. Мощные диоды изготовляют преимущественно из кремния. Кремниевая пластинка с p-n переходом, создаваемым диффузным методом, для таких диодов представляет собой диск диаметром 10-100мм и толщиной 0,3-0,6 мм.

Термоэмиссионные и полупроводниковые диоды

Диоды представляют собой небольшие электрические устройства, которые используются для передачи электрического тока в одном направлении и для предотвращения движения противоположного тока в противоположном. У них есть две клеммы, каждая с электродом — один электрод заряжен положительно, а другой — отрицательно. Способность диода пропускать ток только в одном направлении также называется выпрямляющим свойством. Когда диод пропускает ток в одном направлении, это называется состоянием прямого смещения; состояние обратного смещения возникает, когда диод блокирует движение тока в противоположном направлении. Однако способность диода быть однонаправленным зависит от типа диода и используемой технологии. Различные типы диодов, такие как термоэлектронные и различные полупроводниковые диоды, используют разные технологии для передачи тока.

Термоэлектронные диоды, также называемые электронными лампами, представляют собой диоды, в которых электроды заключены в стеклянный вакуум. Ранние модели выглядели как миниатюрные лампочки. Нить накала нагревателя используется для передачи тепла, которое вызывает термоиндуцированную эмиссию электронов в вакууме и нагревает катод. В этом случае анод становится положительным и притягивает электроны, пропуская ток в одном направлении. Поскольку анод не высвобождает электроны даже при понижении температуры, электроны могут двигаться только в одном направлении, и процесс не может изменить направление.

Хотя термоэмиссионные диоды были распространенной ранней формой диодов, большинство современных диодов представляют собой полупроводниковые диоды. Такие материалы, как кремний и германий, часто используются, потому что у них нет свободных электронов, а это означает, что они не могут легко передавать электричество и, как правило, служат изоляторами. Однако путем легирования этих материалов их химические свойства могут быть изменены. При легировании кремния можно добавить два типа примесей, чтобы превратить кремний в полупроводниковый материал: N-типа и P-типа.

Примесь N-типа представляет собой либо фосфор, либо мышьяк. У каждого из них пять внешних электронов, тогда как у кремния их четыре, поэтому лишнему электрону фосфора или мышьяка не с чем связываться. Вместо этого лишний электрон служит средством передачи энергии. Требуется лишь небольшое количество фосфора или мышьяка, чтобы генерировать достаточное количество свободных электронов для передачи тока через кремний. Поскольку электроны несут отрицательный заряд, этот тип примеси известен как N-тип.

При легировании P-типа используется одна из двух различных примесей: бор или галлий. Каждая из этих примесей имеет только три внешних электрона, поэтому при добавлении к кремнию они образуют дырки, в которых отсутствуют электрон и положительный заряд. Положительный заряд позволяет бору или галлию принимать соседние электроны, что, по сути, толкает дырку в электронной решетке. Наличие дырок позволяет передавать токи и движение электронов, что делает кремний, легированный P-типом, проводящим материалом. Название P-типа происходит от положительного заряда материала. Легирование как N-типа, так и P-типа превращает кремний в проводник, но не очень прочный, поэтому легированный кремний называют полупроводником.

Кремний P-типа и N-типа используются вместе в полупроводниковых диодах. Для создания PN-диода кремниевый материал P-типа образует анод и передает ток на катод N-типа. Из-за зарядов и свойств материалов ток не может передаваться в противоположном направлении. В полупроводниковых диодах других типов для создания одного контакта используется металл, а для другого контакта используется полупроводник P- или N-типа. При использовании в условиях обратного смещения блокирует большую часть тока. При использовании в условиях прямого смещения передается достаточное напряжение, чтобы запустить диод, и может начаться перенос электронов.

Краткое примечание о полупроводниковых диодах

Полупроводники — это материалы, значения проводимости которых находятся между металлами и неметаллами. Полупроводники можно дополнительно разделить на две категории:

1. а) полупроводники р-типа (заряженные положительно)
2. б) полупроводники n-типа (отрицательно заряженные)

полупроводниковые диоды переходной диод, образованный легированием элементов группы 14 и 15. Это двухполюсное устройство, проводящее ток только в одном направлении. Термин «диод с p-n переходом» относится к диодам, образованным интерфейсом или границей между двумя различными типами полупроводниковых материалов, присутствующих в полупроводнике, а именно p-типа и n-типа.

Когда речь идет о полупроводниках, на p-стороне (положительной) больше дырок, чем электронов, тогда как на n-стороне (отрицательной) больше электронов, чем дырок; p-n переходы создаются в полупроводниках в процессе легирования.

При соединении p-n перехода с внешним источником напряжения, например батареей, получается полупроводниковый диод.

Полупроводниковые диоды могут быть классифицированы как полупроводниковые диоды прямого или обратного смещения, в зависимости от того, как внешнее напряжение подается на устройство.

• Полупроводниковый диод Прямое смещение: напряжение, подаваемое на диод p-n перехода, таково, что p-сторона перехода соединена с положительной клеммой батареи, а n-сторона перехода соединена с отрицательной клеммой батареи; это известно как конфигурация диода с pn-переходом. В результате соединение имеет прямое смещение.

В полупроводниковом диоде со смещением в прямом направлении свободные электроны будут перемещаться перед соединениями отрицательным концом батареи, а дырки будут выталкиваться перед соединениями положительным концом полупроводника, где они объединятся.

Тем не менее, когда свободные электроны вытекают из батареи, они достигают N-области, а валентные электроны покидают P-область, в результате чего в батарее течет ток.

• Полупроводниковый диод Обратное смещение: Когда положительная клемма батареи подключена к стороне n перехода, а отрицательная клемма батареи подключена к стороне p перехода, говорят, что соединение имеет обратное смещение. Все электроны, возникающие на стороне N полупроводника, будут направлены к положительному концу батареи.

Отверстия будут отодвинуты от соединения с присоединенной отрицательной клеммой. Поскольку дырки и электроны никогда не соприкасаются на стыке, эта конструкция вызывает блокировку прохождения тока; в результате увеличивается длина обедненной области или обедненного слоя. Как видно, большая часть тока течет в том же направлении, что и смещение.

Вместо этого в этой ситуации происходит изменение направления тока из-за существования неосновных носителей заряда. Идеальное сопротивление обратного смещения полупроводникового диода бесконечно.

Что следует помнить о полупроводниковом диоде

Слой обеднения: Область диода с P-N переходом, где отсутствуют подвижные носители заряда, называется обедненной областью или обедненным слоем. Обедненный слой действует как барьер, предотвращая взаимодействие электронов с n-стороны и дырок с p-стороны друг с другом.

Пробой Зенера: значительное увеличение обратного смещения значительно увеличивает электрическое поле, что приводит к генерации большого количества электронов и дырок. Пробой называется пробоем Зенера.

Потенциальный барьер: Барьер создается электрическим полем, создаваемым в зоне истощения из-за присутствия противоположных иммобилизованных носителей заряда. Чтобы электроны могли преодолеть барьер электрического поля, необходимо приложить внешнюю энергию.

Эта разность потенциалов, необходимая электронам для прохождения через эту разность потенциалов между обедненной областью, называется потенциальным барьером. Это зависит от типа используемого полупроводника, вида материала, количества легирования и температуры, при которой используется полупроводник. Оно составляет около 0,7 В для кремния и 0,3 В для германия.

Применение полупроводникового диода

• Выпрямительный диод: Используется для выпрямления переменного тока.
• Диод Ганна: Это тип диода, который используется в высокочастотной электронике.
• Светоизлучающий диод (LED): Светодиоды используются для излучения инфракрасного и цветного света.
• Стабилитрон: В электронных системах используется для стабилизации тока и напряжения. С целью обеспечения опорного напряжения в блоке питания часто используют стабилитроны.
• Фотодиод: Это разновидность фотодетектора, используемого в различных детекторах современных оптических приборов и солнечных элементов.
• Переключающий диод: Используется для высокоскоростных переключений.
• Туннельные диоды: Это тип диода, который используется в области отрицательного динамического сопротивления.
• Емкостной диод: Когда напряжение подается в ситуации с обратным смещением, используется диод с переменной емкостью.
• Полупроводниковые диоды также используются для выполнения логических операций в дополнение к другим приложениям. Логические вентили имеют состояния, аналогичные смещенным состояниям полупроводниковых диодов как в прямом, так и в обратном направлении.