Диод с PN-переходом

Кусок полупроводника n-типа или p-типа подобен резистору, что не очень полезно. Но когда производитель легирует один кристалл кремния примесью p-типа с одной стороны и примесью n-типа с другой стороны, появляется нечто новое — PN-переход.

PN-переходы являются элементарными строительными блоками полупроводниковых устройств, таких как диоды, транзисторы, солнечные элементы, светодиоды и интегральные схемы. Понимание этого позволяет вам разобраться во всех этих устройствах.

PN-переход

Как мы знаем, полупроводник p-типа содержит трёхвалентные атомы, и каждый из них создаёт одну дырку. Мы можем визуализировать это, как показано на рисунке. Каждый обведённый знак минус — это трёхвалентный атом, а каждый знак плюс — это дырка в его валентной орбите.

Мы также знаем, что полупроводник n-типа содержит пятивалентные атомы, и каждый из них создаёт один свободный электрон. Мы можем визуализировать это, как показано на рисунке. Каждый обведённый знак плюс — это пятивалентный атом, а каждый знак минус — это свободный электрон, который он создаёт.

Производитель может изготовить один кристалл кремния с материалом p-типа на одной стороне и материалом n-типа на другой стороне, как показано на рисунке. Граница между p-типом и n-типом называется PN-переходом.

PN-кристалл обычно называют диодом с PN-переходом. Слово «диод» — это сокращение от «два электрода», где «ди» означает два.

Существуют три возможных условия смещения для PN-перехода:

1. Равновесие или нулевое смещение — к PN-переходу не приложено внешнее напряжение.

2. Обратное смещение — положительная клемма источника подключена к n-типу, а отрицательная клемма источника подключена к p-типу.

3. Прямое смещение — отрицательная клемма источника подключена к n-типу, а положительная клемма источника подключена к p-типу.

Давайте рассмотрим их по порядку.

Равновесие (нулевое смещение)

В PN-переходе, без приложенного внешнего напряжения, достигается состояние равновесия. Давайте посмотрим, как это происходит.

Область обеднения

Полупроводник N-типа имеет большее количество свободных электронов, чем полупроводник P-типа. Из-за этой высокой концентрации электронов на N-стороне они отталкивают друг друга.

Из-за отталкивания свободные электроны распространяются (диффундируют) во всех направлениях. Некоторые из них пересекают переход. Когда свободный электрон попадает в область p, он притягивается к положительной дырке и рекомбинирует с ней. Когда это происходит, дырка исчезает, а свободный электрон становится валентным электроном.

Когда свободный электрон попадает в дырку на P-стороне, атом P-стороны получает дополнительный электрон. Атом, который получает дополнительный электрон, имеет больше электронов, чем протонов, из-за чего он становится отрицательным ионом.

Аналогично, каждый свободный электрон, покидающий атом N-стороны, создаёт дырку в атоме N-стороны. Атом, который теряет электрон, имеет больше протонов, чем электронов, из-за чего он становится положительным ионом.

Таким образом, каждый раз, когда электрон пересекает переход и рекомбинирует с дыркой, он создаёт пару ионов. На следующем рисунке показаны эти ионы по обе стороны перехода.

Каждая пара положительных и отрицательных ионов на переходе называется диполем. Создание диполя означает, что один свободный электрон с n-стороны и одна дырка с p-стороны выведены из обращения. По мере накопления диполей область вблизи перехода обедняется основными носителями заряда. Поэтому мы называем эту лишённую зарядов область областью обеднения.

Барьерный потенциал

Каждый диполь имеет электрическое поле между положительным и отрицательным ионами. Всякий раз, когда свободный электрон пытается войти в область обеднения, это электрическое поле отталкивает его обратно в область n.

Сила электрического поля возрастает с каждой рекомбинацией электрона и дырки внутри области обеднения. Поэтому электрическое поле в конечном итоге останавливает диффузию электронов через переход, и достигается равновесие.

Электрическое поле между ионами эквивалентно разности потенциалов, называемой барьерным потенциалом. При комнатной температуре барьерный потенциал составляет приблизительно 0,3 В для германиевых диодов и 0,7 В для кремниевых диодов.

Прямое смещение

При прямом смещении p-тип подключается к положительной клемме источника, а n-тип подключается к отрицательной клемме источника. На следующем рисунке показан диод с прямым смещением.

При таком подключении батареи дырки в области p и свободные электроны в области n выталкиваются к переходу. Если напряжение батареи меньше барьерного потенциала (0,7 В), свободные электроны не имеют достаточной энергии, чтобы пройти через область обеднения. Когда они попадают в область обеднения, ионы отталкивают их обратно в область n. Из-за этого ток через диод не протекает.

Когда напряжение батареи превышает барьерный потенциал (0,7 В), свободные электроны имеют достаточно энергии, чтобы пройти через область обеднения и рекомбинировать с дырками. Таким образом, они начинают нейтрализовать область обеднения, уменьшая её ширину.

Когда свободный электрон рекомбинирует с дыркой, он становится валентным электроном. Как валентный электрон, он продолжает перемещаться влево, переходя от одной дырки к другой, пока не достигнет левого конца диода. Когда он покидает левый конец диода, появляется новая дырка и процесс начинается заново. Поскольку миллиарды электронов перемещаются одновременно, мы получаем непрерывный ток через диод.

Обратное смещение

Подключение p-типа к отрицательной клемме батареи, а n-типа к положительной клемме соответствует обратному смещению. На следующем рисунке показан диод с обратным смещением.

Отрицательная клемма батареи притягивает дырки, а положительная клемма батареи притягивает свободные электроны. Из-за этого дырки и свободные электроны перемещаются от перехода, оставляя за собой положительные и отрицательные ионы. Поэтому область обеднения расширяется.

Ширина области обеднения пропорциональна обратному напряжению. По мере увеличения обратного напряжения область обеднения становится шире. Область обеднения прекращает расти, когда её разность потенциалов становится равной приложенному обратному напряжению. Когда это происходит, электроны и дырки прекращают удаляться от перехода.

Обратный ток

Обратный ток в диоде состоит из тока неосновных носителей и тока поверхностной утечки. Этот обратный ток настолько мал, что его невозможно даже заметить, и он считается практически нулевым.

Обратный ток насыщения

Как мы знаем, тепловая энергия непрерывно создаёт пары свободных электронов и дырок. Предположим, что тепловая энергия создала свободный электрон и дырку внутри области обеднения.

Область обеднения выталкивает вновь созданный свободный электрон в область n, заставляя его покинуть правый конец диода. Когда он достигает правого конца диода, он попадает во внешний провод и течёт к положительной клемме батареи.

С другой стороны, вновь созданная дырка выталкивается в область p. Эта дополнительная дырка на стороне p позволяет одному электрону от отрицательной клеммы батареи войти в левый конец диода и заполнить дырку.

Поскольку тепловая энергия непрерывно создаёт пары электрон-дырка внутри области обеднения, во внешней цепи протекает небольшой непрерывный ток. Такой обратный ток, вызванный термически созданными неосновными носителями, называется током насыщения. Название «насыщение» означает, что увеличение обратного напряжения не увеличит количество термически созданных неосновных носителей.

Ток поверхностной утечки

В диоде с обратным смещением существует ещё один ток. Небольшой ток протекает по поверхности кристалла, известный как ток поверхностной утечки.

Атомы на верхней и нижней поверхности кристалла не имеют соседей. Они имеют только шесть электронов на валентной орбите. Это означает, что каждый поверхностный атом имеет две дырки. На следующем рисунке показаны эти дырки вдоль поверхности кристалла.

Из-за этого электроны перемещаются через поверхностные дырки от отрицательной клеммы батареи к положительной клемме батареи. Таким образом, по поверхности протекает небольшой обратный ток.

Пробой

Существует предел того, какое обратное напряжение может выдержать диод, прежде чем он будет разрушен. Если вы продолжите увеличивать обратное напряжение, диод в конечном итоге достигнет напряжения пробоя.

Как только напряжение пробоя будет достигнуто, в области обеднения за счёт лавинного эффекта образуется большое количество неосновных носителей, и диод начинает интенсивно проводить ток в обратном направлении.

Лавинный эффект

Как мы знаем, в диоде с обратным смещением существует небольшой ток неосновных носителей. Когда обратное напряжение увеличивается, оно заставляет неосновные носители двигаться быстрее. Эти неосновные носители, движущиеся с высокой скоростью, сталкиваются с атомами кристалла и выбивают валентные электроны, создавая больше свободных электронов. Эти новые неосновные носители присоединяются к существующим неосновным носителям и сталкиваются с другими атомами, выбивая ещё больше электронов.

Один свободный электрон выбивает один валентный электрон, в результате чего образуются два свободных электрона. Эти два свободных электрона затем выбивают ещё два электрона, в результате чего образуются четыре свободных электрона. Таким образом, количество электронов увеличивается в геометрической прогрессии: 1, 2, 4, 8, …

Это постоянное столкновение с атомами генерирует большое количество неосновных носителей, которые создают значительный обратный ток в диоде. И этот процесс продолжается до тех пор, пока обратный ток не станет достаточно большим, чтобы разрушить диод.

Схематическое обозначение диода

На следующем рисунке показано схематическое обозначение диода. Символ выглядит как стрелка, указывающая от стороны p к стороне n. Сторона p называется анодом, а сторона n — катодом.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода

На следующем рисунке показана базовая схема диода, в которой диод включён с прямым смещением. Последовательный резистор RS обычно используется для ограничения величины прямого тока IF.

После подключения этой схемы, если вы измерите напряжение и ток диода при прямом и обратном смещении и построите график, вы получите кривую, которая выглядит следующим образом:

Этот график называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Это наиболее важная характеристика диода, поскольку она определяет, какой ток протекает через диод при заданном напряжении.

Резистор — это линейный элемент, поскольку его ВАХ представляет собой прямую линию. Диод, однако, отличается. Это нелинейный элемент, так как его ВАХ не является прямой линией. Это обусловлено барьерным потенциалом.

В зависимости от приложенного к нему напряжения, диод будет работать в одной из трёх областей: прямое смещение, обратное смещение и пробой.

Область прямого смещения

Когда напряжение на диоде меньше барьерного потенциала, через диод протекает небольшой ток. Когда напряжение на диоде превышает барьерный потенциал, ток, протекающий через диод, быстро возрастает.

Напряжение, при котором ток начинает быстро возрастать, называется прямым напряжением (VF) диода. Его также называют напряжением отсечки или пороговым напряжением. Как правило, кремниевый диод имеет VF около 0,7 В, а диод на основе германия — около 0,3 В.

Область обратного смещения

Область обратного смещения существует между нулевым током и пробоем.

В этой области через диод протекает небольшой обратный ток. Этот обратный ток вызван термически созданными неосновными носителями. Этот обратный ток настолько мал, что его невозможно даже заметить, и он считается практически нулевым.

Область пробоя

Если вы продолжите увеличивать обратное напряжение, вы в конечном итоге достигнете так называемого напряжения пробоя диода.

В этот момент в обеднённом слое полупроводника происходит процесс, называемый лавинным пробоем, и диод начинает интенсивно проводить ток в обратном направлении, что приводит к его разрушению.

Из графика видно, что пробой имеет очень резкий перегиб, за которым следует почти вертикальный рост тока.