Основное применение полупроводниковых материалов P- и N-типа — это диоды. На рис. 3-1 показано представление PN-переходного диода. Обратите внимание, что он содержит область P-типа со свободными дырками и область N-типа со свободными электронами. Структура диода непрерывна от одного конца до другого. Это один цельный кристалл кремния. Другие типы, называемые барьерными диодами, рассматриваются далее в этой главе.
Переход, показанный на рис. 3-1, — это граница или разделительная линия, которая отмечает конец одной области и начало другой. Он не представляет собой механическое соединение. Другими словами, переход диода — это та часть кристалла, где заканчивается материал P-типа и начинается материал N-типа. Поскольку диод представляет собой непрерывный кристалл, свободные электроны могут перемещаться через переход. Когда диод изготавливается, некоторые свободные электроны пересекают переход, чтобы заполнить часть дырок. На рис. 3-2 показан этот эффект. В результате образуется область обеднения (depletion region). Электроны, заполнившие дырки, фактически захватываются (показаны серым цветом) и больше не доступны для поддержания тока. Поскольку электроны ушли, а дырки заполнены, свободные носители отсутствуют. Область вокруг перехода становится обеднённой (показана жёлтым цветом).
Однако область обеднения не будет продолжать расти бесконечно. Вместе с областью обеднения формируется электрический потенциал (или сила), который предотвращает переход всех электронов и заполнение всех дырок в материале P-типа. На рис. 3-3 показано, почему формируется этот потенциал.
Когда атом теряет электрон, он становится несбалансированным. Теперь в его ядре больше протонов, чем электронов на орбитах. Это придаёт ему общий положительный заряд. Такой атом называется положительным ионом. Аналогично, если атом получает дополнительный электрон, он приобретает общий отрицательный заряд и называется отрицательным ионом. Когда один из свободных электронов в материале N-типа покидает свой родительский атом, этот атом становится положительным ионом. Когда электрон присоединяется к другому атому на стороне P-типа, этот атом становится отрицательным ионом. Ионы формируют заряд, который предотвращает дальнейший переход электронов через переход.
Таким образом, когда диод изготавливается, некоторые электроны пересекают переход, чтобы заполнить часть дырок. Этот процесс вскоре останавливается, потому что на стороне P-типа формируется отрицательный заряд, который отталкивает любые другие электроны, пытающиеся пересечь переход. Этот отрицательный заряд называется ионизационным потенциалом или барьерным потенциалом. Название "барьер" подходит, так как он действительно останавливает дополнительные электроны от пересечения перехода.
Термин "потенциальный барьер" взят из учебника Ю.С. Забродина "Промышленная электроника" (1982г). Термин "барьерный потенциал" - barrier potential используется автором (Чарльзом Шулером) и распространен в иностранной литературе.
Теперь, когда мы знаем, что происходит при формировании PN-перехода, мы можем исследовать, как он будет вести себя электрически. На рис. 3-4 показана сводка ситуации. Есть две области со свободными носителями. Поскольку есть носители, мы можем ожидать, что эти области будут полупроводящими. Но прямо в середине находится область без носителей. Когда нет носителей, мы можем ожидать, что она будет изолировать.
Любое устройство, имеющее изолятор в середине, не будет проводить ток. Поэтому мы можем предположить, что PN-переходные диоды являются изоляторами. Однако область обеднения — это не то же самое, что фиксированный изолятор. Она была сформирована изначально за счёт движения электронов и заполнения дырок. Внешнее напряжение может устранить область обеднения.
На рис. 3-5 PN-переходный диод подключён к внешней батарее таким образом, что область обеднения устраняется. Положительный полюс батареи отталкивает дырки на стороне P-типа и толкает их к переходу. Отрицательный полюс батареи отталкивает электроны и толкает их к переходу. Это устраняет (разрушает) область обеднения.
Примечание. Обратите внимание, что на рисунке 3-5 зеленой стрелкой показано движение электронов (forward current - прямой ток). Как правило, на классических схемах подразумевается, что ток движется от плюса к минусу батареи (conventional current - обычный ток). С точки зрения объяснения физики движения носителей заряда рисунок 3-5 более наглядный, но с точки зрения практики имейте в виду, что подразумевают обычный ток как движение от плюса к минусу.
Когда область обеднения устранена, диод может проводить ток. На рис. 3-5 показано, как ток электронов выходит из отрицательного полюса батареи, проходит через диод, через токоограничивающий резистор и возвращается к положительному полюсу батареи. Токоограничивающий резистор в некоторых случаях необходим для поддержания тока на безопасном уровне. Диоды могут быть разрушены из-за большого тока. Закон Ома можно использовать для расчёта тока в цепях с диодами. Например, если батарея на рис. 3-5 имеет напряжение 6 В, а резистор — 1 килоом (кОм):
Этот расчёт игнорирует сопротивление диода и падение напряжения на нём. Это лишь приблизительная оценка тока в цепи. Если мы знаем падение напряжения на диоде, можно более точно предсказать ток. Падение напряжения на диоде просто вычитается из напряжения источника:
Типичный кремниевый диод имеет падение напряжения около 0,6 В при протекании тока. Это всё ещё приближение, но оно более точное, чем наш первый расчёт.
Пример 3-1. Рассчитайте ток на рисунке 3-5 для напряжения батареи 1 В, и резистора с сопротивлением 1кОм. Определите важность корректировки с учетом падения напряжения на диоде (diode voltage drop). Для начала, посчитаем ток без учета падения напряжения на диоде:
Сделаем следующий расчет, который включает падение напряжения на диоде:
Пример 3-2. Диоды Шоттки дают падение напряжения около 0,3 В при протекании тока. Этот тип диодов рассмотрен в главе 3-4. Рассчитайте ток на рисунке 3-5 для диода Шоттки, батареи с напряжением 1 В и резистора с сопротивлением 1 кОм.
Пример 3-3. Рассчитайте ток на рисунке 3-5 для батареи с напряжением 100 В и резистора сопротивлением 1 кОм. Определите важность учёта падения напряжения на кремниевом диоде.
На рисунке 3-5 показано прямое включение/прямое смещение (forward bias) диода. В электронике включение или смещение (bias) - это напряжение, приложенное к устройству, или ток, протекающий через устройство. Прямое включение (смещение) означает, что приложенное напряжение или протекающий ток включает устройство. Диод на рисунке 3-5 был включен подключением к батарее (именно таким образом, как на рисунке) - и является примером прямого включения.
Обратное включение/обратное смещение (reverse bias) - это другая ситуация. Без подключения к батарее, зона обеднения показана на рисунке 3-6(а). При обратном включении (смещении) диода, зона обеднения не исчезает, более того, она становится шире. Рисунок 3-6(б) это иллюстрирует. Положительная клемма батареи подключается к материалу N-типа. Это притягивает свободные электроны и они покидают PN-переход. Отрицательная клемма батареи подключается к материалу P-типа и притягивает дырки, которые покидают PN-переход. Это делает зону обеднения шире, чем она была до приложения напряжения к ней (до подключения батареи). Переход диода от проводника до изолятора происходит мгновенно.
Время восстановления (reverse recovery time) диода (при прямом и обратном включении) - очень важная характеристика при использовании в схемах с высокочастотными сигналами и быстрыми переключениями.
Поскольку обратное включение расширяет зону обеднения, ожидаемо, что при таком включении не будет никакого тока через диод. Зона обеднения - изолятор, и она блокирует ток. На самом деле, небольшой ток всё же будет протекать из-за неосновных носителей заряда. Рисунок 3-7 объясняет, почему это происходит. Материал P-типа содержит малое количество электронов. Они притягиваются к PN-переходу за счёт подключения отрицательной клеммы батареи и отталкивания отрицательных зарядов (электронов) к переходу.
Материал (полупроводник) N-типа содержит небольшое количество дырок как неосновных носителей заряда. Они также отталкиваются в сторону PN-перехода. Обратное включение заставляет двигаться как дырки, так и электроны, создавая ток утечки. Диоды неидеальны, однако современные кремниевые диоды обычно демонстрируют столь малый ток утечки, что его с трудом можно измерить обычными измерительными устройствами. При комнатной температуре, в кремнии незначительное количество неосновных носителей заряда и поэтому ток утечки можно игнорировать.
Подытоживая, PN-переход диода может работать в качестве проводника в одном направлении (при одном направлении протекания тока), и практически не проводит ток в другом направлении. Направление проводимости тока (потока электронов) - из полупроводника N-типа в сторону полупроводника P-типа. Если на концы диода приложить напряжение, чтобы ток (поток электронов) двигался именно в этом направлении, то такое подключение называется прямым включением. Диоды очень полезны, поскольку могут управлять током (потоком электронов) в нужном направлении. Он может использоваться как ключ и средством преобразования переменного тока в постоянный. Другие типы диодов выполняют разные функции в электроустановках и электронных устройствах.