Полупроводниковый p-n- переход
Полупроводниковым p-n- переходом называют тонкий слой, образующийся в месте контакта двух областей полупроводников акцепторного и донорного типов (см. рис. 19). Обе области полупроводника, изображенные на рисунке, электрически нейтральны, поскольку как сам материал полупроводника, так и примеси электрически нейтральны. Отличия этих областей - в том, что левая из них содержит свободно перемещающиеся дырки, а правая свободно перемещающиеся электроны.
Рисунок 19 Распределение зарядов в области p-n- перехода
В результате теплового хаотического
движения одна из дырок из левой области
-типа
может попасть в правую область
-типа,
где быстро рекомбинирует с одним из
электронов. В результате этого в правой
области появится избыточный положительный
заряд, а в левой области - избыточный
отрицательный заряд (см. рис. 19). Аналогично,
в результате теплового движения один
из электронов из левой области может
попасть в правую, где быстро рекомбинирует
с одной из дырок. В результате этого в
правой области также появится избыточный
положительный заряд, а в левой области
- избыточный отрицательный заряд.
Появление этих зарядов
приведет к появлению электрического
поля
на
границе областей полупроводника. Это
поле будет отталкивать дырки
-
области от границы раздела полупроводников,
а электроны
-области
- вправо от этой границы. С электрическим
полем
можно
связать потенциальную энергию дырки и
электрона в областях (см. рис. 19).
Получается, что дырка для перехода из
-области
в
-область
должна "забраться" на потенциальный
порог высоты
.
На аналогичный порог должен "забраться"
электрон для перехода из
-области
в
-область.
Если к
переходу
приложить внешнюю разность потенциалов
,
как это показано на рис. 20 (а) (это - так
называемое прямое включение
перехода),
то внешнее поле
уменьшит
существующее в кристалле поле
,
(так как не совпадает по направлению с
внутренним), высота порогов на рис. 20
уменьшится, тогда ток основных носителей
возрастет.
Рисунок 20 Потенциальные пороги вблизи p-n- перехода при прямом включении внешнего напряжения на нем
Рисунок 21 Потенциальные пороги вблизи p-n- перехода при обратном включении внешнего напряжения на нем
Лекция 6 полупроводниковые диоды
Полупроводниковый диод – это полупроводниковый прибор (устройство) с двумя выводами, в котором используются свойства р-n- перехода.
По
назначению полупроводниковые диоды
можно кратко классифицировать:
выпрямительные;
стабилитроны;
туннельные;
варикапы.
Выпрямительные диоды
Выпрямительный полупроводниковый диод – это полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока, полярность которого меняется в течении периода колебаний (синусоида) в ток одной полярности.
В основе работы выпрямительных диодов лежит свойство односторонней проводимости р-n- перехода, которое заключается в том, что последний хорошо проводит ток (имеет малое сопротивление) при прямом включении и практически не проводит ток (имеет очень высокое сопротивление) при обратном включении. Напомним, что работа всех полупроводниковых приборов зависит от их температуры.
На рисунке приведена типичная характеристика диода. Она называется «Вольт-Амперной» и показывает как меняется ток (Ампер) через диод при изменении напряжения на нем (Вольт). Следует обратить внимание, что масштабы на полуосях как аргумента так и функции разные.
Рисунок 22 Вольт-амперные характеристики диода
Первая четверть соответствует прямому включению p-n перехода, а третья – обратному. Сильное увеличение силы прямого тока при малых изменениях напряжения (малое сопротивление диода) приводит к тому, что диод сильно нагревается проходящим током и может разрушиться от высокой температуры. Это не восстановимое разрушение и называется «Тепловой пробой»
При обратном включении обратный ток даже при очень больших напряжениях изменяется очень мало до определённого предела значения обратного напряжения, после которого происходит резкое увеличения обратного тока. Это наступает «Электрический пробой», не разрушающий p-n перехода. После снятия напряжения диод восстанавливается и может работать дальше. Это явление используется для стабилизации напряжения при изменении силы тока.
На рисунке приведена схема элементарного выпрямителя и временные диаграммы процессов, протекающих в нем. Условное обозначение диода похоже на стрелочку. Направление стрелки показывает направление прямого тока (или плюсовой вывод диода)
Рисунок 23 Схема параметрического выпрямителя
Когда ЭДС источника имеет положительную полуволну, диод включается в прямом направлении и имеет малое сопротивление, следовательно, суммарное сопротивление цепи составляет в основном сопротивление нагрузки, оно же и определяет по закону Ома значение проходящего тока. При отрицательной полуволне источника диод включается в обратном направлении, общее сопротивление цепи резко возрастает и ток практически отсутствует. Таким образом, в нагрузке появляется пульсирующий ток, но одной полярности. Его нельзя назвать постоянным, но так как он одной полярности, его можно назвать «выпрямленным». Пульсацию можно сгладить разными фильтрами.