Материал: Описание диода Шоттки, стабилитрона, варикапа и тиристора

Как устроены и работают полупроводниковые диоды

Диод - 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.

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.

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 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 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 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.

Характеристики диодов, конструкции и особенности применения

В предыдущей статье мы начали знакомство с полупроводниковым диодом. В этой статье мы рассмотрим свойства диодов, их достоинства и недостатки, различные конструкции и особенности применения в электронных схемах.

Вольтамперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода показана на рисунке 1.

Здесь в одном рисунке показаны ВАХ германиевого (синим цветом) и кремниевого (черным цветом) диодов. Нетрудно заметить, что характеристики очень похожи. На координатных осях нет никаких цифр, поскольку для разных типов диодов они могут существенно различаться: мощный диод может пропустить прямой ток в несколько десятков ампер, в то время как маломощный всего несколько десятков или сотен миллиампер.

Диодов разных моделей великое множество, и все они могут иметь разное назначение, хотя основной их задачей, основным свойством является обеспечение односторонней проводимости тока. Именно это свойство позволяет использовать диоды в выпрямителях и детекторных устройствах. Следует, однако, заметить, что в настоящее время германиевые диоды, равно как и транзисторы вышли из употребления.

Рисунок 1. Вольтамперная характеристика диода

Прямая ветвь ВАХ

В первом квадранте системы координат расположена прямая ветвь характеристики, когда диод находится в прямом включении, - к аноду подключен положительный вывод источника тока, соответственно отрицательный вывод к катоду.

По мере увеличения прямого напряжения Uпр, начинает возрастать и прямой ток Iпр. Но пока это возрастание незначительно, линия графика имеет незначительный подъем, напряжение растет значительно быстрее, чем ток. Другими словами, несмотря на то, что диод включен в прямом направлении, ток через него не идет, диод практически заперт.

При достижении определенного уровня напряжения на характеристике появляется излом: напряжение практически не меняется, а ток стремительно растет. Это напряжение называется прямым падением напряжения на диоде, на характеристике обозначено как Uд. Для большинства современных диодов это напряжение находится в пределах 0,5…1В.

На рисунке видно, что для германиевого диода прямое напряжение несколько меньше (0,3…0,4В), чем для кремниевого (0,7…1,1В). Если прямой ток через диод умножить на прямое напряжение, то полученный результат будет не что иное, как мощность, рассеиваемая на диоде

Pд = Uд * I.

Если эта мощность будет превышена относительно допустимой, то может произойти перегрев и разрушение p-n перехода. Именно поэтому в справочниках ограничиваетсямаксимальный прямой ток, а не мощность (считается, что прямое напряжение известно). Для отведения излишнего тепла мощные диоды устанавливаются на теплоотводы - радиаторы.

Мощность, рассеиваемая на диоде

Сказанное поясняет рисунок 2, на котором показано включение нагрузки, в данном случае лампочки, через диод.

Рисунок 2. Включение нагрузки через диод

Представьте себе, что номинальное напряжение батарейки и лампочки 4,5В. При таком включении на диоде упадет 1В, тогда до лампочки дойдет лишь 3,5В. Конечно, такую схему никто практически собирать не будет, это просто для иллюстрации, как и на что влияет прямое напряжение на диоде.

Предположим, что лампочка ограничила ток в цепи на уровне ровно в 1А. Это для простоты расчета. Также не будем принимать во внимание то, что лампочка является элементом нелинейным, и закону Ома не подчиняется (сопротивление спирали зависит от температуры).

Нетрудно подсчитать, что при таких напряжениях и токах на диоде рассеивается мощность

P = Uд * I

Или 1В * 1А = 1Вт. В то же время мощность на нагрузке всего 3,5В * 1А = 3,5Вт. Получается, что бесполезно расходуется 28 с лишним процентов энергии, больше, чем четвертая часть.

Если прямой ток через диод будет 10…20А, то бесполезно будет расходоваться до 20Вт мощности! Такую мощность имеет маленький паяльник. В описанном случае таким паяльником будет диод.

Совершенно очевидно, что избавиться от таких потерь можно, если снизить прямое падение напряжения на диоде Uд. Такие диоды получили название диодов Шоттки по имени изобретателя немецкого физика Вальтера Шоттки. Вместо p-n перехода в них используется переход металл - полупроводник. Эти диоды имеют прямое падение напряжения 0,2…0,4В, что значительно снижает мощность, выделяющуюся на диоде.

Единственным, пожалуй, недостатком диодов Шоттки является низкое обратное напряжение, - всего несколько десятков вольт. Максимальное значение обратного напряжения 250В имеет промышленный образец MBR40250 и его аналоги. Практически все блоки питания современной электронной аппаратуры имеют выпрямители на диодах Шоттки.

Обратная ветвь ВАХ

Одним из недостатков следует считать то, что даже при включении диода в обратном направлении через него все равно протекает обратный ток, ведь идеальных изоляторов в природе не бывает. В зависимости от модели диода он может варьироваться от наноампер до единиц микроампер.