11

"Напівпровідниковий діод"

Лекція №4

з дисципліни

«Промислова електроніка та перетворювальна техніка»

1. Будова та принцип роботи напівпровідникового діода

Діодами називають двоелектродні елементи, які володіють односторонньою провідністю електричного струму.

В германієвих та кремнієвих діодах двошарова структура створюється вводом в одну область монокристала акцепторної домішки, а в іншу – донорної домішки. Напівпровідниковий діод представляє собою p/n-перехід.

Рис. 1. Будова напівпровідникового діода та його умовне позначення

Принцип дії базується на основі процесів в p/n-переході.

Рис. 2. Розподіл напруженості електричного поля Е та потенціального бар’єру φ у напівпровідниковій структурі

В p/n-структурі на межі розділу виникає різниця концентрацій одноіменних носіїв заряду: в одному шарі вони є основними, а в іншому – неосновними. Як наслідок, за неодинакової різниці концентрацій виникає дифузійний рух основних носіїв заряду: дірки рухаються в n-шар і рекомбінують з електронами, а електрони в p-шар і рекомбінують з дірками. Це призводить до утворення нескомпесованих об’ємних зарядів у межуючих областях. Електрони, що покинули n-шар, залишають в ньому нескомпенсований додатній заряд, а дірки в p-шарі – нескомпенсований від’ємний заряд. Наявність нескомпенсованих об’ємних зарядів призводить до виникнення електричного поля з певною різницею потенціалів φ. Це електричне поле є гальмівним для основних носіїв заряду (дірок і електронів). В той же час воно є прискорюючим для неосновних носіїв зарядів: електронів у p-шарі та дірок у n-шарі. Отже, внутрішнє електричне поле забезпечує рівність потоків носіїв зарядів через p/n-перехід в обох напрямках, тобто рівність нулю сумарного струму за відсутності зовнішнього електричного поля. Значення потенціального бар’єру для напівпровідникових діодів на базі германію знаходиться в межах φ = 0,3…0,5 В і відповідно для напівпровідникових діодів на базі кремнію φ = 0,6…0,8 В.

Зовнішнє електричне поле може зменшити (чи анулювати) або збільшити величину потенціального бар’єру в залежності від його полярності.

Рис. 2. Пряме увімкнення напівпровідникового діода в електричне коло

За такої полярності зовнішнього джерела внутрішнє електричне поле зменшується, що зумовлює вільне пересування основних носіїв заряду через p/n-перехід. Через напівпровідниковий діод протікає струм І_а, який обумовлений пересуванням основних носіїв заряду.

Рис. 3. Зворотнє увімкнення напівпровідникового діода в електричне коло

Таке під’єднання зовнішнього джерела збільшує внутрішнє електричне поле (збільшує потенціальний бар’єр). Потік основних носіїв через p/n-перехід припиняється. Для неосновних носіїв зарядів підсилене внутрішнє електричне поле є прискоюючим. Виникає струм І_в через p/n-перехід, який зумовлений пересуванням неосновних носіїв заряду: електронів з р-області і дірок з n-області.

Рис. 4. Вольтамперна характеристика напівпровідникового діода

Отже, прямий струм І_а створюється основними, а зворотній І_в – несновними носіями зарядів. Концентрація основних носіїв заряду на декілька порядків перевершує концентрацію неосновних носіїв. Цим і обумовлюються вентильні властивості p/n-переходу, тобто напівпровідникового діода.

Пряма вітка вольтамперної характеристики має деякий спад напруги ΔU_а під час протікання прямого струму І_а. Це обумовлено об’ємним опором областей р і n на p/n-переході (його називають внутрішнім опором). У кремнієвих діодів спад напруги ΔU_а = 0,8…1,2 В, а у германієвих - ΔU_а = 0,3…0,6 В.

На зворотню вітку вольтамперної характеристики у значній мірі впливає струм витоку по поверхні p/n-переходу і генерація носіїв заряду, яка являється причиною можливого електричного пробою p/n-переходу. Обидва фактори приводять до того, що реальна вітка вольтамперної характеристики має вигляд, який показаний на рис. 4. Струм витоку створюється різними забрудненнями зовнішньої поверхні діода (участок 1-2). Явище генерації носіїв заряду проявляється за високих напруг зворотньої напруги U_в (участок 2-3-4-5) і найчастіше призводить до електричного пробою p/n-переходу (участок 4-5).