Тема 4. Загальні відомості про принципи роботи і характеристики напівпровідникових приладів. Елементна база мікропроцесорної техніки

2. . Напівпровідникові діоди

2. Напівпровідникові діоди
Напівпровідниковий діод являє собою контактне з'єднання двох
напівпровідників, один з яких з електронною провідністю ( n-типу), а іншої - з
дірковою (р-типу, мал.5). 
  
Мал. 5. Утворення p n - переходу 

Внаслідок великої концентрації електронів у напівпровіднику n-типу буде
відбуватися дифузія їх з першого напівпровідника в другий. Аналогічно буде
відбуватися дифузія дірок із другого напівпровідника р-типу в перший n-типу.
У тонкому прикордонному шарі напівпровідника n-типу виникає
позитивний заряд, а в прикордонному шарі напівпровідника р-типу -
негативний заряд. Між цими шарами виникає різниця потенціалів (потенційний
бар'єр) і утворюється електричне поле напруженістю Еп, яка перешкоджає
дифузії електронів і дірок з одного напівпровідника в іншій. 
Таким чином, на границі двох напівпровідників виникає тонкий шар,
збіднений носіями зарядів (електронів і дірок), що володіє великим опором.
Цей шар називається замикаючим (рос. – «запирающим») p-n-пepeходом.
Внаслідок теплового руху в електричне поле р-n-переходу попадають
неосновні носії зарядів (електрони з р-області й дірки з n-області).
Рух неосновних носіїв зарядів під дією сил поля р-n-переходу спрямований
зустрічно дифузійному струму основних носіїв і називається дрейфовим або
тепловим струмом, що залежить у сильному ступені від температури. При
відсутності зовнішнього електричного поля дрейфовий струм урівноважується
дифузійним і сумарний струм через p-n-перехід дорівнює нулю.
З'єднавши позитивний затискач джерела живлення з металевим
електродом напівпровідника n-типу, а негативний затискач із електродом
напівпровідника р-типу, одержимо зовнішнє електричне поле Ев, спрямоване
згідно з полем p-n-переходу Еп, що підсилює його (мал. 6).
Таке поле ще більше буде перешкоджати проходженню основних носіїв
зарядів через замикаючий шар і через діод пройде малий зворотний струм Iобр,
обумовлений неосновними носіями заряду. 

Мал. 6. Включення p n - переходу у зворотному напрямку 

При зміні полярності джерела живлення (мал. 7) зовнішнє електричне
поле Ев виявиться спрямованим зустрічно полю p-n-переходу Еп і під дією
цього поля електрони й дірки почнуть рухатися назустріч один одному й число
основних носіїв заряду в перехідному шарі зросте, зменшуючи потенційний
бар'єр і опір перехідного шару.
Таким чином, у ланцюзі встановлюється прямий струм Iпр. Діод
проводить струм у прямому напрямку тільки тоді, коли величина зовнішньої
напруги (у вольтах) більше потенційного бар'єра (в електрон-вольтах). Для германиевого діода мінімальна зовнішня напруга рівна 0,3 В, а для кремнієвого
- 0,7 В. 

  

  Мал. 7. Включення p n - переходу в прямому напрямку 

Коли діод починає проводити струм, на ньому з'являється спадання
напруги, яка дорівнює потенційному бар'єру й називається прямим спаданням
напруги.
На мал. 8 показана вольт-амперна характеристика діода і його умовна
позначка. p-частина представлена стрілкою, а n-частина - рисою. Прямий струм
тече від частини p до n ( по стрілці). Частина n називається катодом, а частина p
- анодом. Для більшої наочності пряма галузі (права частина графіка) і зворотна
галузі (ліва частина графіка) характеристики зображені в різних масштабах. 
  
Мал. 8. Вольт-амперна характеристика (ВАХ) діода (а) і його умовне графічне
позначення (б)
Характеристика показує, що при невеликій прямій напрузі Uпр = 1В на
затискачах діода в його ланцюзі проходить великий струм. Коли ж до p-n
переходу прикладена зворотна напруга, струм дуже малий, швидко досягає
насичення й не змінюється до деякого граничного значення зворотної напруги,
після чого різко зростає. Це так звана напруга пробою, при якім наступає пробій р-n-переходу й він руйнується.
Таким чином, напівпровідниковий діод має однобічну провідність, тобто
є електричним вентилем.
Після формування p-n-переходу діод потрібно помістити в корпус, щоб
захистити його від впливу навколишнього середовища й механічних
ушкоджень. Корпус повинен також забезпечити можливість з'єднання діода з
ланцюгом. Вид корпуса визначається призначенням діода (мал. 9). Якщо через
діод повинен протікати великий струм, корпус повинен бути розрахований так,
щоб уберегти p-n-перехід від перегріву.