1.4.2. Смещение p-n перехода. Принцип действия диода

Рис. 25. Принцип работы p-n перехода: а) без подачи внешнего напряжения (без задания внешнего смещения); б) прямое смещение перехода; в) обратное смещение перехода

На рисунке 25 наглядно показано, что при прямом смещении p-n перехода потенциальный барьер уменьшается, предоставляя большую возможность прохождения носителей заряда через переход. Напомним, что величина потенциального барьера «стандартного» p-n перехода из кремния составляет приблизительно 0,5 – 0,6 В. Потенциальные «горки» для электронов и дырок показаны на рисунке 24, г. При обратном смещении p-n перехода потенциальный барьер увеличивается, практически исключая возможность прохождения носителей заряда через переход. На рисунке 26 показаны вольт – амперные характеристики (ВАХ). Они полностью соответствуют всему вышеизложенному. Квадрант I ВАХ соответствует прямому включению диода. При приложении к переходу прямого напряжения, незначительно превышающего потенциальны барьер, переход пропускает через себя ток. Квадрант III ВАХ – обратное включение диода. Обратные напряжения в десятки и сотни вольт не вызывают прохождения существенного тока через переход (имеет место микроамперный обратный ток – ток утечки). При превышении максимально допустимого обратного напряжения, на которое рассчитан прибор, наступает необратимый тепловой пробой перехода (вертикальная ветвь ВАХ квадранта III).

Ветви ВАХ не могут быть абсолютно вертикальными

Логунова -?

Рис. 26. ВАХ полупроводниковых диодов: 1- германиевый переход; 2 – кремниевый переход

1.4.3. Электронные приборы на основе одного p-n перехода

1) Стабилитроны и стабисторы – электронные приборы, предназначенные для стабилизации напряжений. Стабисторы работают на прямой ветви ВАХ, они предназначены для стабилизации малых напряжений (0,2 – 1 В). В качестве стабистора может быть использован обычный диод. Стабисторы можно включать последовательно, при этом стабилизируемое напряжение будет равно сумме падений напряжений на каждом стабисторе последовательной.

Стабилитроны работают на обратной ветви ВАХ (квадрант 3). Т.е. для задания рабочего режима стабилитрона необходима организация обратного смещения прибора (положительный потенциал на катоде, отрицательный - на аноде) при условии ограничения тока через стабилитрон. Принцип работы стабилитронов заключается в следующем: до наступления необратимого теплового пробоя имеет место участок лавинного и «зенеровского» пробоя, являющимися электрическими. Ветвь ВАХ квадранта III на уровне обратного напряжения U_стаб резко отклоняется вниз с небольшим углом отклонения от вертикали. При этом рабочий ток через «среднестатистический» стабилитрон имеет диапазон 5 - 30 мА. При превышении верхней границы этого диапазона электрический лавинный пробой переходит в необратимый тепловой.

Существует большой номенклатурный ряд стабилитронов с различными напряжениями стабилизации. В зарубежной литературе эти приборы называют «зенеровскими диодами». Наиболее характерным является использование стабилитронов в электронных стабилизаторах напряжения.

2) Варикап – прибор с управляемой электрической емкостью. Суть его работы заключается в следующем. Поскольку p-n переход имеет пространственный электрический заряд, он имеет электрическую емкость и характеризуется её величиной. При рассмотрении этого вопроса уместна аналогия с плоским конденсатором. Изменяя толщину ОПЗ варьированием напряжения смещения на приборе, можно изменять эту емкость. Варикапы используются, например, в схемах с электронным управлением перестройкой частоты колебательных контуров гетеродинов (радиоэлектроника, телевидение).

3) Варисторы – приборы с управляемым электрическим сопротивлением. Суть работы: изменяя сопротивление можно управлять током в нужном диапазоне.

4) Фото- и светодиоды. Светодиоды предназначены для преобразования электрической энергии в энергию светового излучения в заданном диапазоне длин волн. Излучение возникает при рекомбинации не основных носителей электрического заряда в базе (базовый слой полупроводника) p-n-перехода смещённого в прямом направлении Фотодиоды предназначен для преобразования энергии светового излучения в электрическую энергию.