Reklama

Полупроводниковый диод

Выясним теперь, как проходит ток через кристалл с р-n-переходом. На рис. 21.6 схематически показан такой кристалл. При отсутствии внешнего напряжения (рис. 21.6, α) все потоки подвижных носителей зарядов через переход уравновешены и ток равен нулю.

p-n-переход

Включим кристалл в цепь так, чтобы внешнее поле было направлено противоположно полю перехода (рис. 21.6, б). Поле в р-n-переходе будет ослаблено и диффузионные потоки основных носителей (дырок из р-области и электронов из п-области) устремятся через переход. Встречные же потоки неосновных носителей почти не изменятся. В результате через переход потечет большой ток. Приложенное напряжение и ток в этом случае называются прямыми. Сила тока при увеличении напряжения возрастает очень быстро (рис. 21.7), и закон Ома здесь совершенно неприменим.

закон ОмаПодадим теперь на кристалл напряжение обратной полярности (рис. 21.6, б). В этом случае внешнее напряжение совпадает по знаку с контактной разностью потенциалов. Внешнее поле усиливает поле р-n-перехода и диффузионные потоки основных носителем через переход значительно уменьшаются. Потоки неосновных носителей, примерно такие же, как и при отсутствии внешнего поля, создают слабый ток через переход. Приложенное напряжение и ток в этом случае называют обратными.

Получается, что при прямом напряжении ток через р-n-переход в миллионы раз больше, чем при обратном (рис. 21.7). Это означает, что р-n-переход работает подобно вентилю, т. е. пропускает ток в одном направлении (переход открыт) и не пропускает его в обратном направлении (переход закрыт). Следовательно, если включить кристалл c p-n-переходом в цепь переменного тока последовательно с нагрузочным сопротивлением R (рис. 21.8), то ток в этом сопротивлении практически будет постоянным по направлению. Поэтому кристалл с р-n-переходом называют полупроводниковым выпрямителем или полупроводниковым диодом. (На рис. 21.7 показана вольтамперная характеристика кремниевого диода средней мощности; масштабы тока и напряжения для прямого и обратного направления различны.)

нагрузочное сопротивлениеИнтересно проследить, как распределяется напряжение в цепи рис. 21.8 между диодом и сопротивлением нагрузки R. (В условном изображении диода на схемах острие указывает направление прямого тока.)

График переменного напряжения в сети изображен на рис. 21.9, α. Диод пропускает ток практически только в прямом направлении (рис. 21.9, б). Вспомним, что при последовательном соединении напряжение распределяется пропорционально сопротивлениям. В первую половину периода, когда ток идет через диод в прямом направлении, сопротивление диода очень мало и почти все напряжение приходится на нагрузку R. Во вторую половину периода сопротивление диода очень велико и все напряжение приходится уже на диод. Изменение напряжения на диоде показано на рис. 21.9, в, а изменение напряжения на нагрузке R — на рис. 21.9, г.

график переменного напряжения

Полупроводниковые диоды имеют высокий к. п. д. (до 98%), маленькие размеры и большой срок службы. К недостаткам полупроводниковых диодов относится ухудшение их работы при повышении температуры. Выше говорилось, что обратный ток через р-n-переход, создается неосновными носителями, концентрация которых мала при обычных температурах, но быстро возрастает при повышении температуры из-за генерации пар электрон — дырка. Поэтому обратный ток полупроводниковых диодов быстро растет с увеличением температуры: кремниевые диоды перестают выпрямлять ток при температуре около 200°С, а предельная температура для германиевых диодов еще меньше.

Заметим, что полупроводниковый диод нельзя включать в сеть без нагрузочного сопротивления. Если нагрузку на схеме рис. 21.8 убрать, то все напряжение окажется приложенным к диоду. Когда диод будет включен в прямом направлении, внешнее напряжение превысит контактную разность потенциалов, р-n-переход практически исчезнет, через диод потечет очень большой ток и диод выйдет из строя.

Reklama