1. Как называется полупроводник с донорской примесью?
2. Назначение и принцип действия фотодиода?
3. Поясните вольтамперную характеристику диода.
4. Изобразите структуру элемента. Его назначение? Расставьте прямую полярность.

1. Полупроводник с донорской примесью называется полупроводником n-типа.

Донорная примесь отдаёт полупроводнику дополнительные свободные электроны. Например, в четырёхвалентный кремний добавляют пятивалентный фосфор, мышьяк или сурьму. Четыре электрона примесного атома участвуют в ковалентных связях, а пятый становится свободным.

Основными носителями заряда в полупроводнике n-типа являются электроны, а неосновными — дырки.

2. Назначение и принцип действия фотодиода

Фотодиод — это полупроводниковый прибор, который преобразует световое излучение в электрический ток или напряжение.

Фотодиоды применяются:

• в датчиках освещённости;

• в оптических линиях связи;

• в пультах дистанционного управления;

• в системах автоматики и сигнализации;

• в измерительных приборах;

• в считывателях штрихкодов;

• в медицинской аппаратуре.

Основой фотодиода является p–n-переход. Обычно фотодиод включают в цепь в обратном направлении: к p-области подключают отрицательный полюс источника, а к n-области — положительный.

В темноте через фотодиод протекает небольшой обратный ток, называемый темновым током. При попадании света на p–n-переход энергия фотонов создаёт дополнительные пары «электрон — дырка». Под действием электрического поля перехода электроны и дырки движутся в противоположных направлениях, вследствие чего обратный ток увеличивается.

Чем больше освещённость фотодиода, тем больше фототок. Таким образом, фотодиод позволяет определять интенсивность светового излучения по величине электрического тока.

Фотодиод может работать в двух основных режимах:

• фотодиодный режим — с внешним источником обратного напряжения;

• фотовольтаический режим — без внешнего источника питания, как солнечный элемент.

3. Вольт-амперная характеристика диода

Вольт-амперная характеристика, или ВАХ, показывает зависимость тока через диод от напряжения на нём:

ВАХ диода является нелинейной и состоит из прямой и обратной ветвей.

Прямая ветвь

Прямое включение получается, когда:

• к p-области подключён положительный полюс источника;

• к n-области подключён отрицательный полюс.

При небольшом прямом напряжении ток через диод очень мал. Это связано с тем, что носителям заряда необходимо преодолеть потенциальный барьер p–n-перехода.

После достижения определённого напряжения ток начинает резко возрастать. Это напряжение приблизительно равно:

• для кремниевого диода — 0,6–0,7 В;

• для германиевого диода — 0,2–0,3 В;

• для светодиодов — обычно 1,5–3,5 В, в зависимости от материала и цвета свечения.

После открытия диода небольшое увеличение напряжения вызывает значительное увеличение прямого тока. Поэтому ток обязательно ограничивают резистором или другим элементом цепи.

Обратная ветвь

Обратное включение получается, когда:

• к p-области подключён отрицательный полюс;

• к n-области подключён положительный полюс.

При обратном включении основные носители заряда удаляются от границы p–n-перехода. Обеднённый слой расширяется, и сопротивление перехода становится очень большим.

Через диод протекает только небольшой обратный ток, создаваемый неосновными носителями заряда. При увеличении обратного напряжения этот ток почти не изменяется.

Если обратное напряжение превысит допустимое значение, наступает пробой p–n-перехода, и обратный ток резко возрастает. Для обычного диода такой режим может привести к повреждению. У стабилитронов режим обратного пробоя, наоборот, является рабочим.

Упрощённо ВАХ диода можно представить так:

                 I
                 ↑
                 │                         /
                 │                       /
                 │                    __/
                 │                 __/
─────────────────┼────────────────────────→ U
        пробой   │
          │      │  небольшой обратный ток
          ↓______│________________

Главное свойство диода, следующее из его ВАХ: он хорошо проводит ток в прямом направлении и почти не проводит его в обратном направлении.

4. Структура диода, его назначение и прямая полярность

Структура обычного полупроводникового диода состоит из двух областей полупроводника с разными типами проводимости:

Анод                                      Катод
  A                                          K
  │                                          │
  │       p-область       p–n-переход       n-область
  └───────────────│────────────────│──────────┘
                  область запирающего слоя

Условное графическое обозначение диода:

Анод                         Катод
  A                            K
  ──────────|>|────────────────

Вертикальная черта в условном обозначении соответствует катоду.

Назначение диода

Основное назначение диода — пропускать электрический ток преимущественно в одном направлении.

Диоды используются:

• для выпрямления переменного тока;

• для защиты устройств от неправильной полярности;

• для ограничения напряжения;

• для детектирования сигналов;

• для коммутации электрических цепей;

• для стабилизации напряжения;

• для преобразования света в электрический сигнал;

• для излучения света.

Прямая полярность

При прямом включении положительный полюс источника подключают к p-области, то есть к аноду, а отрицательный — к n-области, то есть к катоду:

Плюс источника                              Минус источника
      +                                             −
      │                                             │
      │       p-область       p–n-переход       n-область
      └───────────────│────────────────│────────────┘
            анод A                              катод K
Направление условного тока:  от анода к катоду →

При такой полярности внешнее электрическое поле уменьшает потенциальный барьер p–n-перехода. Обеднённый слой сужается, сопротивление диода уменьшается, и через него начинает протекать прямой ток.