Будова та принцип роботи напівпровідникового діода
Перелік використаних джерел
1. Араманович И.Г. Уравнения математической физики / И.Г. Араманович, В.И. Левин. – М.: Наука, 1964. – 286 с.
2. Владимиров В.С. Уравнения математической физики / В.С. Владимиров. – М. : Наука, 1967. – 436 с.
3. Кальницкий Л.А. Специальный курс высшей математики / Л.А. Кальницкий, Д.А. Добротин, В.Ф. Жевержеев. – М.: Высшая школа, 1976. – 389 с.
4. Кошляков Н.С. Уравнения в частных производных математической физики / Н.С. Кошляков, Э.Б. Глинер, М.М. Смирнов. – М.: Высшая школа, 1970. – 710 с.
5. Краснов М.Л. Функции комплексного переменного. Операционное исчисление. Теория устойчивости / М.Л. Краснов, А.И. Киселев, Г.И. Макаренко. – М.: Наука, 1971. – 256 с.
6. Полянин А.Д. Справочник по линейным уравнениям математической физики / А.Д. Полянин. – М.: физматлит, 2001. – 576 с.
7. Смирнов М.М. Задачи по уравнениям математической физики / М.М. Смирнов. – М.: Наука, 1975. – 126 с.
8. Чинаев П.И. Высшая математика. Специальные главы / П.И. Чинаев, А.А. Черенков, Н.А. Минин, А.Ю. Перевозников. – К.: Вища школа, 1977. – 368 с.
Діодами називають двоелектродні елементи, які володіють односторонньою провідністю електричного струму.
В германієвих та кремнієвих діодах двошарова структура створюється вводом в одну область монокристала акцепторної домішки, а в іншу – донорної домішки. Напівпровідниковий діод представляє собою p/n-перехід.
Рис. 1. Будова напівпровідникового діода та його умовне позначення
Принцип дії базується на основі процесів в p/n-переході.
Рис. 2. Розподіл напруженості електричного поля Е та потенціального бар’єру φ у напівпровідниковій структурі
В p/n-структурі на межі розділу виникає різниця концентрацій одноіменних носіїв заряду: в одному шарі вони є основними, а в іншому – неосновними. Як наслідок, за неодинакової різниці концентрацій виникає дифузійний рух основних носіїв заряду: дірки рухаються в n-шар і рекомбінують з електронами, а електрони в p-шар і рекомбінують з дірками. Це призводить до утворення нескомпесованих об’ємних зарядів у межуючих областях. Електрони, що покинули n-шар, залишають в ньому нескомпенсований додатній заряд, а дірки в p-шарі – нескомпенсований від’ємний заряд. Наявність нескомпенсованих об’ємних зарядів призводить до виникнення електричного поля з певною різницею потенціалів φ. Це електричне поле є гальмівним для основних носіїв заряду (дірок і електронів). В той же час воно є прискорюючим для неосновних носіїв зарядів: електронів у p-шарі та дірок у n-шарі. Отже, внутрішнє електричне поле забезпечує рівність потоків носіїв зарядів через p/n-перехід в обох напрямках, тобто рівність нулю сумарного струму за відсутності зовнішнього електричного поля. Значення потенціального бар’єру для напівпровідникових діодів на базі германію знаходиться в межах φ = 0,3…0,5 В і відповідно для напівпровідникових діодів на базі кремнію φ = 0,6…0,8 В.
Зовнішнє електричне поле може зменшити (чи анулювати) або збільшити величину потенціального бар’єру в залежності від його полярності.
Рис. 2. Пряме увімкнення напівпровідникового діода в електричне коло
За такої полярності зовнішнього джерела внутрішнє електричне поле зменшується, що зумовлює вільне пересування основних носіїв заряду через p/n-перехід. Через напівпровідниковий діод протікає струм Іа, який обумовлений пересуванням основних носіїв заряду.
Рис. 3. Зворотнє увімкнення напівпровідникового діода в електричне коло
Таке під’єднання зовнішнього джерела збільшує внутрішнє електричне поле (збільшує потенціальний бар’єр). Потік основних носіїв через p/n-перехід припиняється. Для неосновних носіїв зарядів підсилене внутрішнє електричне поле є прискоюючим. Виникає струм Ів через p/n-перехід, який зумовлений пересуванням неосновних носіїв заряду: електронів з р-області і дірок з n-області.
Рис. 4. Вольтамперна характеристика напівпровідникового діода
Отже, прямий струм Іа створюється основними, а зворотній Ів – несновними носіями зарядів. Концентрація основних носіїв заряду на декілька порядків перевершує концентрацію неосновних носіїв. Цим і обумовлюються вентильні властивості p/n-переходу, тобто напівпровідникового діода.
Пряма вітка вольтамперної характеристики має деякий спад напруги ΔUа під час протікання прямого струму Іа. Це обумовлено об’ємним опором областей р і n на p/n-переході (його називають внутрішнім опором). У кремнієвих діодів спад напруги ΔUа = 0,8…1,2 В, а у германієвих - ΔUа = 0,3…0,6 В.
На зворотню вітку вольтамперної характеристики у значній мірі впливає струм витоку по поверхні p/n-переходу і генерація носіїв заряду, яка являється причиною можливого електричного пробою p/n-переходу. Обидва фактори приводять до того, що реальна вітка вольтамперної характеристики має вигляд, який показаний на рис. 4. Струм витоку створюється різними забрудненнями зовнішньої поверхні діода (участок 1-2). Явище генерації носіїв заряду проявляється за високих напруг зворотньої напруги Uв (участок 2-3-4-5) і найчастіше призводить до електричного пробою p/n-переходу (участок 4-5).