Глава 20. Диоды на основе р-n перехода

ЦЕЛИ

После изучения этой главы студент должен быть в состоянии:

• Описать, что такое диод на основе р-n перехода, и как его изготовляют.

• Дать определение обедненного слоя и потенциального барьера.

• Объяснить разницу между прямым смещением диода и обратным.

• Нарисовать схематическое обозначение диода и указать его электроды.

• Описать три конструкции диода.

• Перечислить чаще всего встречающиеся корпуса диодов.

• Проверить диоды с помощью омметра.

Диод — это простейший полупроводниковый прибор. Он позволяет току течь только в одном направлении. Знания, полученные при изучении диодов применимы также к другим типам полупроводниковых приборов.

20-1. р-n ПЕРЕХОД

Когда чистый полупроводниковый материал легируется пятивалентным или трехвалентным материалом, легированный материал называется полупроводником n- или р-типа, в зависимости от того, какие носители являются основными. В целом образец полупроводника любого типа является нейтральным, так как каждый атом содержит одинаковое число протонов и электронов.

Независимые электрические заряды существуют в полупроводниковых материалах каждого типа, так как электроны могут свободно дрейфовать. Дрейфующие электроны и дырки называются подвижными зарядами. Кроме подвижных зарядов, каждый атом, который теряет электрон, считается положительным зарядом, так как он имеет больше протонов, чем электронов. Аналогично, каждый атом, который присоединяет электрон, имеет больше электронов, чем протонов и считается отрицательным зарядом. Как указывалось в главе 1, эти заряженные атомы называются положительными и отрицательными ионами. В полупроводниковых материалах n- и р-типа всегда содержится равное количество подвижных и ионных зарядов.

Диод создается соединением двух полупроводников n- и р-типа (рис. 20-1). В месте контакта этих материалов образуется переход. Это устройство называется диодом на основе р-n перехода.

Рис. 20-1. Диод создается соединением вместе двух материалов р- и n-типа, образующих р-n переход.

При формировании перехода подвижные заряды в его окрестности притягиваются к зарядам противоположного знака и дрейфуют по направлению к переходу. По мере накопления зарядов этот процесс усиливается. Некоторые электроны перемещаются через переход, заполняя дырки вблизи перехода в материале р-типа. В материале n-типа в области перехода электронов становится меньше. Эта область перехода, где концентрация электронов и дырок уменьшена, называется обедненным слоем. Он занимает небольшую область с каждой стороны перехода.

В обедненном слое нет основных носителей, и материалы n-типа и р-типа не являются больше электрически нейтральными. Материал п-типа становится положительно заряженным вблизи перехода, а материал р-типа — отрицательно заряженным.

Обедненный слой не может стать больше. Взаимодействие зарядов быстро ослабевает при увеличении расстояния, и слой остается малым. Размер слоя ограничен зарядами противоположного знака, расположенными по обе стороны перехода. Как только отрицательные заряды располагаются вдоль перехода, они отталкивают другие электроны и не дают им пересечь переход. Положительные заряды поглощают свободные электроны и также не дают им пересечь переход.

Эти заряды противоположного знака, выстроившиеся с двух сторон перехода, создают напряжение, называемое потенциальным барьером. Это напряжение может быть представлено как внешний источник тока, хотя существует только на р-n переходе (рис. 20-2).

Рис. 20-2. Потенциальный барьер, существующий вблизи р-n перехода.

Потенциальный барьер довольно мал, его величина составляет только несколько десятых долей вольта. Типичные значения потенциального барьера — 0,3 вольта для р-n перехода в германии, и 0,7 вольта для р-n перехода в кремнии. Потенциальный барьер проявляется, когда к р-n переходу прикладывается внешнее напряжение.

20-1. Вопросы

1. Дайте определения следующих терминов:

а. Донорный атом;

б. Акцепторный атом;

в. Диод.

2. Что происходит, когда создается контакт материала n-типа и материала р-типа?

3. Как образуется обедненный слой?

4. Что такое потенциальный барьер?

5. Каковы типичные значения потенциального барьера для германия и кремния?

20-2. СМЕЩЕНИЕ ДИОДА

Напряжение, приложенное к диоду, называется напряжением смещения. На рис. 20-3 показан диод на основе р-n перехода, соединенный с источником тока. Резистор добавлен для ограничения тока до безопасного значения.

Рис. 20-3. Диод на основе р-n перехода при прямом смещении.

В изображенной цепи отрицательный вывод источника тока соединен с материалом n-типа. Это заставляет электроны двигаться от вывода по направлению к р-n переходу. Свободные электроны, накопившиеся на р-стороне перехода притягиваются к положительному выводу. Это уменьшает количество отрицательных зарядов на р-стороне, потенциальный барьер уменьшается, что дает возможность для протекания тока. Ток может течь только тогда, когда приложенное напряжение превышает потенциальный барьер.

Источник тока создает постоянный поток электронов, который дрейфует через материал n-типа вместе с содержащимися в нем свободными электронами. Дырки в материале р-типа также дрейфуют по направлению к переходу. Электроны и дырки собираются на переходе и взаимно уничтожаются. Однако в то время как электроны и дырки взаимно компенсируются, на выводах источника тока появляются новые электроны и дырки. Большинство носителей продолжает двигаться по направлению к р-n переходу, пока приложено внешнее напряжение.

Поток электронов через p-часть диода притягивается к положительному выводу источника тока. Как только электроны покидают материал р-типа, создаются дырки, которые дрейфуют по направлению к р-n переходу, где они взаимно компенсируются с другими электронами. Когда ток течет от материала n-типа к материалу р-типа, то говорят, что диод смещен в прямом направлении.

Ток, текущий через диод, смещенный в прямом направлении, ограничен сопротивлением материалов р- и n-типа и внешним сопротивлением цепи. Сопротивление диода невелико. Следовательно, подсоединение источника тока к диоду в прямом направлении создает большой ток. При этом может выделиться такое количество тепла, которого достаточно для разрушения диода. Для того, чтобы ограничить ток, последовательно с диодом необходимо включить резистор.

Диод проводит ток в прямом направлении только тогда, когда величина внешнего напряжения больше потенциального барьера. Германиевый диод требует минимальное прямое смещение 0,3 вольта; кремниевый диод — минимальное прямое смещение 0,7 вольта.

Когда диод начинает проводить ток, на нем появляется падение напряжения. Это падение напряжения равно потенциальному барьеру и называется прямым падением напряжения (Е_р). Падение напряжения равно 0,3 вольта для германиевого диода и 0,7 вольта для кремниевого диода. Величина прямого тока (I_к) является функцией приложенного напряжения (Е), прямого падения напряжения (Е_р) и внешнего сопротивления (R). Это соотношение можно получить с помощью закона Ома:

I = E/R,

I_F = (E — E_F)/R

_{ПРИМЕР: К кремниевому диоду, последовательно соединенному с резистором 150 ом, приложено напряжение смещения 12 вольт. Чему равен прямой ток через диод?}

 _Дано:

_{Е = 12 В; R = 150 Ом; ЕF = 0,7 В.}

_{IF =?} 

_{Решение:}

_{IF = (E — EF)/R = (12 — 0,7)/150}

_{IF = 0,075 А или 75 мА.}

В диоде, на который подано напряжение смещения в прямом направлении, отрицательный вывод внешнего источника тока соединен с материалом n-типа, а положительный вывод с материалом р-типа. Если эти выводы поменять местами, диод не будет проводить ток и про него говорят, что он смещен в обратном направлении (рис. 20-4).

Рис. 20-4. Диод на основе р-n перехода при обратном смещении.

В этой конфигурации свободные электроны в материале n-типа притягиваются к положительному выводу внешнего источника тока, что увеличивает количество положительных ионов в области р-n перехода, а, следовательно, увеличивает ширину обедненного слоя со стороны материала n-типа р-n перехода. Электроны также покидают отрицательный вывод источника тока и поступают в материал р-типа. Эти электроны заполняют дырки вблизи р-n перехода и служат причиной перемещения дырок по направлению к отрицательному выводу, что увеличивает ширину обедненного слоя со стороны материала р-типа р-n перехода. В результате обедненный слой становится шире, чем в несмещенном или смещенном в прямом направлении диоде.

Приложенное в обратном направлении напряжение смещения увеличивает потенциальный барьер. Если напряжение внешнего источника равно величине потенциального барьера, электроны и дырки не могут поддерживать протекание тока. При обратном напряжении смещения течет очень маленький ток, этот ток утечки называется обратным током (I_R) и существует благодаря наличию неосновных носителей. При комнатной температуре неосновных носителей очень мало. При повышении температуры создается больше электронно-дырочных пар. Это увеличивает количество основных носителей и ток утечки.

Все диоды с р-n переходом обладают малым током утечки. В германиевых диодах он измеряется в микроамперах; в кремниевых диодах — в наноамперах. Германий имеет больший ток утечки, так как он более чувствителен к температуре. Этот недостаток германия компенсируется его невысоким потенциальным барьером.

Суммируя вышесказанное, можно сказать, что диод на основе р-n перехода является устройством, пропускающим ток только в одном направлении. Когда смещен в прямом направлении — ток течет. Когда смещен в обратном направлении — течет только маленький ток утечки. Это свойство позволяет использовать диод в качестве выпрямителя. Выпрямитель преобразует переменное напряжение в постоянное.

20-2. Вопросы

1. Что такое напряжение смещения?

2. Чему равно минимальное напряжение, необходимое для того, чтобы вызвать ток через диод на основе р-n перехода?

3. В чем разница между прямым и обратным смещением?

4. Что такое ток утечки диода на основе р-n перехода?

20-3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИОДА

Как германиевый, так и кремниевый диоды могут быть повреждены чрезмерным нагреванием или высоким обратным напряжением. Производители указывают максимальный прямой ток (I_F max), который может безопасно течь через диод. Они также указывают максимальное обратное напряжение (пиковое обратное напряжение). Если превысить пиковое обратное напряжение, то через диод потечет большой обратный ток, создающий избыточный нагрев и повреждающий диод.

При комнатной температуре обратный ток мал. При повышении температуры обратный ток увеличивается, нарушая работу диода. В германиевых диодах обратный ток выше, чем в кремниевых диодах, удваивается при повышении температуры приблизительно на 10 градусов Цельсия.

Схематическое обозначение диода показано на рис. 20-5.

Рис. 20-5. Схематическое обозначение диода.

P-часть представлена стрелкой, а n-часть — чертой. Прямой ток[2] течет от части n к части р (против стрелки).

Часть n называется катодом, а часть р — анодом. Катод поставляет, а анод собирает электроны.

На рис. 20-6 показано включение диода, смещенного в прямом направлении. Отрицательный вывод источника тока подсоединен к катоду. Положительный вывод подсоединен к аноду. Это позволяет току течь в прямом направлении. Резистор (R_s) включен последовательно с диодом для ограничения прямого тока до безопасного значения.

Рис. 20-6. Цепь с диодом, смещенным в прямом направлении.

На рис. 20-7 показано включение диода, смещенного в обратном направлении. Отрицательный вывод источника тока подсоединен к аноду. Положительный вывод подсоединен к катоду. Через диод, смещенный в обратном направлении течет малый обратный ток (I_R).

Рис. 20-7. Цепь с диодом, смещенным в обратном направлении.

20-3. Вопросы

1. Какие проблемы может создать обратный ток в германиевом или кремниевом диоде?

2. Нарисуйте схематическое обозначение диода и обозначьте выводы.

3. Нарисуйте цепь с диодом, смещенным в прямом направлении.

4. Нарисуйте цепь с диодом, смещенным в обратном направлении.

5. Почему в цепь с диодом, смещенным в прямом направлении, должен быть включен резистор?

20-4. МЕТОДЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДИОДОВ

Р-n переход диода может быть одного из трех типов: выращенный переход, вплавленный переход или диффузионный переход. Методы изготовления каждого из этих переходов различны.

Метод выращивания перехода (наиболее ранний) состоит в следующем: чистый полупроводниковый материал и примеси р-типа помещаются в кварцевый контейнер и нагреваются до тех пор, пока они не расплавятся. Малый полупроводниковый кристалл, называемый затравкой, помещается в расплавленную смесь. Затравочный кристалл медленно вращается и достаточно медленно вытягивается из расплава, чтобы на нем успел нарасти слой расплавленной смеси. Расплавленная смесь, нарастая на затравочный кристалл, охлаждается и затвердевает. Она имеет такую же кристаллическую структуру, как и затравка. После вытягивания затравка оказывается попеременно легированной примесями n- и р- типов. Легирование — это процесс добавления примесей в чистые полупроводниковые кристаллы для увеличения количества свободных электронов или дырок. Это создает в выращенном кристалле слои n- и р-типов. Таким образом, выращенный кристалл состоит из многих р-n слоев.

Метод создания вплавленного р-n перехода предельно прост. Маленькая гранула трехвалентного материала, такого как индий, размещается на кристалле полупроводника n-типа. Гранула и кристалл нагреваются до тех пор, пока гранула не расплавится сама и частично не расплавит полупроводниковый кристалл. На участке соединения двух материалов образуется материал р-типа. После охлаждения материал перекристаллизовывается и образуется твердый р-n переход.

Диффузионный метод получения р-n перехода наиболее широко используется в настоящее время. Маска с прорезями размещается над тонким срезом полупроводника р-и n-типа, который называется подложкой. После этого подложка помещается в печь и подвергается контакту с примесями, находящимися в газообразном состоянии. При высокой температуре атомы примеси проникают или диффундируют через поверхность подложки. Глубина проникновения контролируется длительностью экспозиции и величиной температуры.

После того, как р-n переход создан, диод должен быть помещен в корпус для того, чтобы защитить его от влияния окружающей среды и механических повреждений. Корпус должен также обеспечить возможность соединения диода с цепью. Вид корпуса определяется назначением или способом применения диода (рис. 20-8).

Рис. 20-8. Наиболее часто встречающиеся корпуса диодов.

Если через диод должен протекать большой ток, корпус должен быть рассчитан таким образом, чтобы уберечь р-n переход от перегрева. На рис. 20-9 показаны корпуса диодов, рассчитанных на ток до 3 ампер или менее. Для идентификации катода с его стороны на корпус нанесена белая или серебристая полоска.

Рис. 20 9. Корпус для диода, рассчитанного на ток; менее 3 Ампер.

20-4. Вопросы

1. Опишите три метода производства диодов.

2. Какой метод производства диодов предпочтительней других?

3. Нарисуйте четыре распространенных корпуса диодов.

4. Как идентифицируется катод на корпусе диода, рассчитанного на ток менее 3 ампер?

20-5. ПРОВЕРКА ДИОДОВ

Диод можно проверить путем измерения с помощью омметра отношения прямого и обратного сопротивлений. Это отношение показывает способность диода пропускать ток в одном направлении и не пропускать ток в другом направлении.

Германиевый диод имеет низкое прямое сопротивление, порядка сотни ом. Обратное его сопротивление высокое, больше 100000 ом. Прямое и обратное сопротивления кремниевых диодов выше, чем у германиевых. Проверка диода с помощью омметра должна показать низкое прямое сопротивление и высокое обратное сопротивление.

Предостережение: некоторые омметры используют высоковольтные батареи, которые могут разрушить р-n переход.

Полярность выводов омметра определяется цветом соединительных проводов: белый является положительным, а черный — отрицательным. Если положительный вывод омметра соединен с анодом диода, а отрицательный вывод с катодом, то диод смещен в прямом направлении, в этом случае через диод должен протекать ток, и омметр должен показать низкое сопротивление. Если выводы омметра поменять местами, то диод будет смещен в обратном направлении, через него должен протекать маленький ток, и омметр должен показать высокое сопротивление.

Если сопротивление диода низкое в прямом и в обратном направлениях, то он, вероятно, закорочен. Если диод имеет высокое сопротивление и в прямом, и в обратном направлениях, то в нем, вероятно, разорвана цепь. Точная проверка диода может быть проведена с помощью большинства омметров.

Предостережение: некоторые омметры, используемые для поиска неисправностей, имеют на разомкнутых выводах напряжение меньшее 0,3 вольта. Приборы такого типа не могут быть использованы для измерения прямого сопротивления диода.

Для того, чтобы через диод протекал ток, приложенное к нему напряжение при измерении прямого сопротивления должно быть больше потенциального барьера диода (0,7 вольта для кремния и 0,3 вольта для германия). Омметр может также быть использован для определения катода и анода у диода, не имеющего маркировки.

Когда омметр показывает низкое сопротивление, то его положительный вывод подсоединен к аноду, а отрицательный — к катоду.

20-5. Вопросы

1. Как проверить диод с помощью омметра?

2. Какие меры предосторожности должны быть предприняты при проверке диодов с помощью омметра?

3. Каковы показания омметра, когда диод закорочен?

4. Каковы показания омметра, когда у диода разорвана цепь?

5. Как можно использовать омметр для определения вывода катода у немаркированного диода?

РЕЗЮМЕ

• Диод создается соединением вместе двух полупроводников n- и р-типа.

• Область вблизи перехода называется обедненным слоем. Электроны перемещаются через переход из материала n-типа в материал р-типа, и поэтому концентрация электронов и дырок вблизи перехода уменьшена.

• Размер обедненного слоя ограничен зарядом с каждой стороны перехода.

• Заряды вблизи перехода создают разность потенциалов, которая называется потенциальным барьером.

• Потенциальный барьер составляет 0,3 вольта для германия и 0,7 вольта для кремния.

• Ток может протекать через диод только тогда, когда внешнее напряжение больше потенциального барьера.

• Диод, смещенный в прямом направлении, проводит ток. В этом случае положительный вывод источника тока подсоединяется к материалу р-типа, а отрицательный — к материалу n-типа.

• Через диод, смещенный в обратном направлении, протекает только маленький ток утечки.

• Диод является устройством, проводящим ток только в одном направлении.

• Максимальный прямой ток диода и максимально допустимое обратное напряжение указываются производителем.

• Схематическим обозначением диода является:

• Катодом диода является материал n-типа, а анодом — материал р-типа.

• Диоды могут быть изготовлены методом выращивания перехода, методом вплавления перехода и диффузионным методом.

• В настоящее время чаще всего используется диффузионный метод изготовления р-n перехода.

• На корпусах диодов, рассчитанных на ток менее 3 ампер, для идентификации катода с его стороны на корпус нанесена белая или серебристая полоска.

• Диод проверяется с помощью омметра путем сравнения прямого и обратного сопротивлений.

• Когда диод смещен в прямом направлении, его сопротивление низкое.

• Когда диод смещен в обратном направлении, его сопротивление высокое.

Глава 20. САМОПРОВЕРКА

1. Каково основное свойство диода на основе p-n перехода?

2. При каких условиях открывается кремниевый диод?

3. Нарисуйте схемы включения диода при прямом и обратном смещении. (Используйте схематические обозначения).