Полупроводниковые диоды. Классификация, параметры, область применения

Способность n – p -перехода пропускать ток практически только в одном направлении используется в приборах, которые называются полупроводниковыми диодами.

Полупроводниковый диод — самый простой полупроводниковый прибор, состоящий из одного PN перехода.

Основная его функция - это проводить электрический ток в одном направлении, и не пропускать его в обратном.

 Состоит диод из двух слоев полупроводника типов N и P (Рисунок 4)

Рисунок 4 — Строение диода

На стыке соединения P и N образуется PN-переход. Электрод, подключенный к P, называется анод. Электрод, подключенный к N, называется катод. Диод проводит ток в направлении от анода к катоду, и не проводит обратно.

Полупроводниковые диоды изготавливаются из кристаллов кремния или германия. При их изготовлении в кристалл c каким-либо типом проводимости вплавляют примесь, обеспечивающую другой тип проводимости.

Типичная вольт-амперная характеристика кремниевого диода приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 — Вольт-амперная характеристика кремниевого диода.
На графике использованы различные шкалы для положительных и отрицательных напряжений.

Полупроводниковые диоды обладают многими преимуществами по сравнению с вакуумными диодами – малые размеры, длительный срок службы, механическая прочность. Существенным недостатком полупроводниковых диодов является зависимость их параметров от температуры. Кремниевые диоды, например, могут удовлетворительно работать только в диапозоне температур от –70 °C до 80 °C. У германиевых диодов диапазон рабочих температур несколько шире.

Полупроводниковые диоды используются в выпрямителях для преобразования переменного тока в постоянный.

Принцип работы

Полупроводниковые или выпрямительные диоды имеют довольно простой принцип работы. Как мы уже говорили, диод изготовлен из кремния таким образом, что один его конец p-типа, а другой конец типа n. Это означает, что оба контакта имеют различные характеристики. На одном наблюдается избыток электронов, в то время как другой имеет избыток отверстий. Естественно, в устройстве есть участок, в котором все электроны заполняют определенные пробелы. Это означает, что внешние заряды отсутствуют. В связи с тем, что эта область обедняется носителями заряда и известна как объединяющий участок.

Несмотря на то, что объединяющий участок очень мал, (часто его размер составляет несколько тысячных долей миллиметра), ток не может протекать в нем в обычном режиме. Если напряжение подается так, что площадь типа p становится положительной, а тип n, соответственно, отрицательной, отверстия переходят к отрицательному полюсу и помогают электронам перейти через объединяющий участок. Точно так же электроны движутся к положительному контакту и как бы обходят объединительный. Несмотря на то, что все частицы движутся с разным зарядом в разном направлении, в итоге они образуют однонаправленный ток, что помогает выпрямить сигнал и предупредить скачки напряжения на контактах диода.

Если напряжение прикладывается к полупроводниковому диоду в противоположном направлении, ток не будет проходить по нему. Причина заключается в том, что отверстия привлекаются отрицательным потенциалом, который находится в области р-типа. Аналогично электроны притягиваются к положительному потенциалу, который применяется к области n-типа. Это заставляет объединяющий участок увеличиваться в размере, из-за чего поток направленных частиц становится невозможным.

Основные характеристики диодов:

- Диапазон частот диода;

- Пробивное напряжение.

Полупроводниковые диоды имеют следующие основные параметры:

- постоянный обратный ток диода (I_обр) – значение постоянного тока, протекающего через диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении;

- постоянное обратное напряжение диода (U_обр) – значение постоянного напряжения, приложенного к диоду в обратном направлении;

- постоянный прямой ток диода (I_пр) – значение постоянного тока, протекающего через диод в прямом направлении;

- постоянное прямое напряжение диода (U_пр) – значение постоянного напряжения на диоде при заданном постоянном прямом токе;