Полупроводниковые диоды – едва ли не самые распространенные элементы любого электронного прибора. Из этой статьи вы узнаете, как устроен этот прибор, как и за счет чего он работает и что умеет.
Общий принцип односторонней проводимости
В прошлой части цикла мы выяснили, что полупроводники за счет тех или иных присадок могут быть n-типа и p-типа. Оба этих материала в отдельности просто проводники, но стоит их заставить работать вместе, как картина электропроводности в корне меняется. Возьмем две пластинки полупроводника – одну n-типа, другую p-типа.
Сложим их вместе, а с обратных сторон закрепим металлические электроды. Тот, который прилегает к p-полупроводнику, обозначим знаком «+», поскольку атомы с дырками имеют положительный заряд. Второй электрод обозначим знаком «-» - вещества с избытком электронов имеют отрицательный заряд. Место соприкосновения пластинок назовем p-n-переходом, а наш бутерброд диодом.
На рисунке кружками обозначены дырки, черными шариками – свободные электроны. Пока нет внешних воздействий, каждая из пластин находится в своем естественном состоянии – в n-слое больше электронов, чем дырок, в p-слое больше дырок. И те, и другие движутся хаотично, постоянно умирая и рождаясь в произвольных местах. Теперь создадим на электродах разность потенциалов при помощи, к примеру, обычной батарейки. При прямом ее включении – плюс к плюсу, минус к минусу – свободные электроны n-слоя начинают двигаться в сторону положительного электрода, а дырки в сторону отрицательного. В конце концов, они встречаются на границе n-p-перехода и электроны «впрыгивают» в дырки.
При этом и те, и другие перестают существовать. Но пока есть разность потенциалов, из отрицательного проводника в n-пластину добавляются новые электроны, а в p-пластине образуются новые дырки, поскольку из этой области электроны «убегают» по проводнику, подключенному к положительному электроду. Таким образом, в паре пластин течет ток, который зависит от величины приложенного к электродам напряжения.
Это состояние диода – а пара пластин и есть диод – называют открытым, а ток, протекающий через него – прямым.
Теперь сменим полярность подключения батареи. Процесс перемещения электронов и дырок повторится, но двигаться они будут в противоположных направлениях – от n-p перехода к электродам.
В результате в месте соприкосновения пластин образуется обедненная область, в которой почти нет ни дырок, ни свободных электронов. Эта область на рисунке выше выделена штриховкой. В результате ток через диод уменьшается почти до нуля, но не до полного, поскольку в обедненной области перехода все же есть небольшое количество дырок и электронов, которые в них перескакивают.
Это состояние диода называют закрытым, а ток, протекающий через него – обратным. Поскольку этот ток на порядки меньше прямого, в большинстве случаев можно считать, что полупроводниковый диод обладает односторонней проводимостью.
Типы диодов
На сегодня существует два типа диодов:
- плоскостные;
- точечные.
Принцип работы этих полупроводниковых приборов схож, но по технологии изготовления и, главное, по некоторым важным характеристикам типы отличаются.
Плоскостные
Диод, который мы собрали из двух пластин полупроводников разной проводимости, – типичный представитель плоскостных диодов. Конечно, просто сложив две кремниевые или германиевые пластинки, мы не получим описанного выше эффекта – слишком велико расстояние между даже идеально отполированными пластинками. Никакой электрон не «прыгнет» так далеко. Расстояние это, которое мы условились называть n-p-переходом, должно быть соизмеримо с размерами атомов.
Для выполнения этого условия конструкторы поступили следующим образом. Взяли пластину, вырезанную из кристалла полупроводника с n-проводимостью, и вплавили в одну из ее сторон капельку индия. В результате атомы индия диффундировали в n-полупроводник и образовали p-область. Вот и получился полупроводниковый прибор с двумя областями и тонким n-p-переходом между ними.
Точечный
Конструктивно точечный диод представляет собой очень маленькую (около 1 мм²) пластинку полупроводника n-проводимости, в которую упирается игла, выполненная из вольфрама. На другую сторону пластинки напылен электрод, являющийся отрицательным. Его называют катод. Положительным же электродом (анодом) служит вольфрамовая игла.
На рисунке мы видим n-p переход, но его еще не существует, как и не существует p-области. Для их создания полученную конструкцию формуют – пропускают через нее ток определенной величины. В результате под вольфрамовой иглой образуется p-слой, а между ним и n-слоем n-p переход.
Площадь образовавшегося под вольфрамовой иглой p-слоя составляет всего 50 мкм².
Чем отличаются?
Итак, мы выяснили, что полупроводниковые диоды изготавливаются по двум разным технологиям и могут быть плоскостными или точечными. В чем их отличия и какой из приборов лучше? Начнем с отличий. Прежде всего, размеры кристалла и n-p перехода у плоскостных диодов во много раз больше, чем у точечных. Вполне логично предположить, что первый способен выдерживать больший ток. Это первое серьезное отличие.
Второе – быстродействие. Предположим, диод открыт и через него течет прямой ток. Быстро меняем полярность подключения источника напряжения. Диод тут же закрывается, ток прекращается (точнее, снижается до величины обратного). Но на то, чтобы закрыться, диоду нужно какое-то время. Пока электроны «затормозят», пока сориентируются, сменят направление и разбегутся с дырками в разные стороны…. Время это напрямую зависит от размеров кристалла и n-p перехода. Чем они больше, тем больше времени нужно для создания обедненной области n-p перехода.
У точечного диода размеры перехода и p-слоя чуть ли не микроскопические и времени на «смену ориентации» этим приборам нужно намного меньше, чем плоскостным. Именно поэтому в высокочастотных цепях, к примеру, детекторах радиоприемников, используются только точечные диоды. Токи там небольшие, но быстродействие нужно высокое. Плоскостные же диоды успешно используются в качестве выпрямителей и ключей, коммутирующих большие токи, но с относительно низкими (обычно до нескольких сотен кГц) частотами.
Вот мы и разобрались, как работает полупроводниковый диод и что во время работы происходит у него внутри. Но наша беседа не окончена – мы же не выяснили, как работает биполярный транзистор! Об этом мы поговорим в следующей части цикла.
