Электронная техника: как устроен полупроводниковый диод?

Полупроводниковый диод — это электронный прибор с двумя выводами, который в простейшем случае пропускает ток в одном направлении и почти не пропускает в другом. Его работа основана на свойствах p-n-перехода, то есть границы между двумя областями полупроводника с разным типом проводимости.

Основой диода обычно служит кристалл кремния, реже германия, арсенида галлия или другого полупроводникового материала. Сам по себе чистый кремний проводит ток плохо, поэтому в него специально вводят примеси. Этот процесс называется легированием.

В одной части кристалла создают область n-типа. В ней основными носителями заряда являются электроны. Такую область получают, добавляя примеси, атомы которых имеют лишние валентные электроны по сравнению с кремнием. Эти электроны сравнительно легко становятся свободными и могут участвовать в проводимости.

В другой части создают область p-типа. В ней основными носителями заряда являются так называемые дырки. Дырка — это не настоящая частица, а отсутствие электрона в ковалентной связи, которое ведет себя как положительный носитель заряда. Область p-типа получают добавлением примесей, которым не хватает одного электрона для полноценной связи с атомами кремния.

Главная часть диода — это граница между p- и n-областями. Она называется p-n-переходом. Когда две такие области соединены в одном кристалле, электроны из n-области начинают переходить в p-область и рекомбинировать с дырками. Дырки, соответственно, переходят навстречу в n-область. В результате рядом с границей образуется зона, в которой почти нет свободных носителей заряда. Эта зона называется обедненным слоем или запирающим слоем.

В обедненном слое остаются неподвижные заряженные ионы примеси. Со стороны n-области остаются положительно заряженные ионы, а со стороны p-области — отрицательно заряженные. Из-за этого возникает внутреннее электрическое поле. Оно мешает дальнейшему свободному переходу электронов и дырок через границу. Так внутри диода появляется потенциальный барьер.

Снаружи к p- и n-областям подключены металлические выводы. Вывод, соединенный с p-областью, называется анодом, а вывод, соединенный с n-областью, — катодом. На схемах диод обозначают символом в виде стрелки-треугольника с чертой. Черта соответствует катоду.

Когда к диоду прикладывают напряжение в прямом направлении, то есть плюс источника подключают к аноду, а минус — к катоду, внешний источник уменьшает внутренний потенциальный барьер p-n-перехода. Обедненный слой сужается. Электроны из n-области и дырки из p-области получают возможность двигаться через переход. В цепи появляется заметный ток. Такой режим называется прямым включением диода.

Однако диод начинает хорошо проводить не с нулевого напряжения. Для кремниевого диода типичное прямое падение напряжения составляет около 0,6–0,7 В, для германиевого — около 0,2–0,3 В. Это не абсолютно жесткое значение, а приблизительная величина, зависящая от тока, температуры и типа диода.

Если подключить напряжение наоборот, то есть плюс к катоду, а минус к аноду, диод окажется в обратном включении. В этом случае внешний источник увеличивает потенциальный барьер. Обедненный слой расширяется, и основные носители заряда не могут свободно пройти через переход. Поэтому ток практически отсутствует. На самом деле небольшой обратный ток все же есть, но он обычно очень мал и называется током утечки.

Если обратное напряжение слишком велико, наступает пробой p-n-перехода. При пробое обратный ток резко возрастает. В обычных выпрямительных диодах это может привести к повреждению прибора, если ток ничем не ограничен. Но есть специальные диоды, например стабилитроны, которые рассчитаны на работу в режиме обратного пробоя и используются для стабилизации напряжения.

Физически диод — это не просто две случайно соединенные пластинки p- и n-типа. В реальных приборах p-n-переход формируют технологически: диффузией примесей, ионной имплантацией, эпитаксиальным выращиванием или другими методами. Затем к областям полупроводника присоединяют металлические контакты, кристалл помещают в корпус, а наружу выводят два электрода. Корпус защищает кристалл от влаги, загрязнений, механических повреждений и помогает отводить тепло.

У диода есть несколько важных параметров. К ним относятся максимально допустимый прямой ток, максимально допустимое обратное напряжение, прямое падение напряжения, обратный ток утечки, мощность рассеяния, допустимая температура и скорость переключения. Эти параметры зависят от конструкции и назначения диода.

Существуют разные виды полупроводниковых диодов. Выпрямительные диоды применяют для преобразования переменного тока в постоянный. Импульсные и быстродействующие диоды используют в цифровых и высокочастотных схемах. Стабилитроны работают в режиме обратного пробоя и поддерживают почти постоянное напряжение. Светодиоды излучают свет при прямом токе через p-n-переход. Фотодиоды, наоборот, реагируют на свет и создают ток под действием освещения. Диоды Шоттки имеют переход металл–полупроводник, отличаются малым прямым падением напряжения и высокой скоростью работы.

Итак, полупроводниковый диод устроен вокруг p-n-перехода. Внутри него есть две области с разной проводимостью: p-область с дырками и n-область с электронами. На их границе образуется обедненный слой с внутренним электрическим полем. Именно этот слой и делает диод односторонним проводником: при прямом включении барьер уменьшается и ток проходит, а при обратном включении барьер увеличивается и ток почти блокируется.