Электронно-дырочный переход активно используют в полупроводниковых устройствах, например диодах. Главная особенность этих устройств – это возможность пропускать ток только в одном направлении. Это свойство диодов активно применяют при преобразовании переменного тока в постоянный.
В идеальном полупроводнике характеристика будет иметь следующий вид:
Но с реальной характеристикой диода будет совпадать только первый квадрант, а обратный ток I0 будет иметь следующий вид:
При относительно малых значениях обратного напряжения участок 0-1 совпадает с идеальной характеристикой элемента. При увеличении обратного напряжения обратный ток будет возрастать за счет поверхностной проводимости (участок 1-2). При дальнейшем увеличении напряжения электроны будут набирать в электрическом поле значительную энергию и сжиматься с атомами в узлах кристаллической решетки, передавая ее другим электронам. Начинается лавинная генерация электронов и ток значительно возрастет на участке 3-4. Этот процесс называется пробоем диода. Этот пробой не разрушит p-n переход полупроводника, если снизить напряжение обратное на элементе, то диод снова вернется на промежуток 1-2 характеристики. Пробои могут быть:
- Лавинный – возникает при большой площади p-n перехода и объясняется лавинным ростом количества носителей при ударной ионизации атомов;
- Тоннельный – возникает при малой площади p-n перехода. При этом возрастет напряженность электрического поля, и электроны будут двигаться вдоль этого поля как будто бы в тоннеле, не встречая на своем пути практически никакого сопротивления.
Если ток и дальше продолжит свой рост (участок 4-5), то температура перехода резко возрастет, что приведет к его разрушению. Его сопротивление резко упадет и, как следствие, падает напряжение на нем. Произойдет тепловой пробой, что полностью выводит диод из строя.
Во избежание теплового пробоя необходимо выбирать диод так, чтоб обратное напряжение было меньше, чем напряжение пробоя Uпроб., при котором возникнет электрический пробой. На практике Uмакс. обратное, как правило, составляет около 70% от Uпроб.
Реальная характеристика зависит также и от температуры, при ее увеличении она смещается вправо (см. рисунок выше).
Обратную характеристику применяют очень активно в полупроводниковых приборах
имеющих название стабилитронов. Они выполняют функции защиты электрических цепей от перенапряжений. Более подробно мы рассмотрим стабилитроны в следующих статьях.
Прямую ветвь полупроводников тоже можно использовать для стабилизации напряжений, но довольно малых значений 0,5 – 1 В. Такие устройства носят название опорных диодов.
На электрических схемах диод имеет следующее обозначение:
Та часть полупроводника, которая имеет дырочную проводимость называется анодом, а та, которая имеет электронную – катодом. Чтоб через полупроводник протекал ток, необходимо к аноду приложить положительное напряжение, а к катоду – отрицательное.
Упрощенная вольт-амперная характеристика диода
Как мы увидели ранее – характеристика диода нелинейная. Для проведения расчетов электрических цепей, в которых присутствуют полупроводники, нелинейную часть характеристики заменяют эквивалентными линейными элементами и ведут расчет. Такая схема показана ниже:
Где: D – диод идеальный, Rпр – прямое, Rзв – обратное сопротивления полупроводника, Е – источник напряжения.
Если заменить вольт-амперную характеристику полупроводника ломаной линией, как это показано ниже:
Наклон отрезка АЕ будет соответствовать прямому сопротивлению элемента Rпр, точка встречи этого отрезка с горизонтальной осью будет определять значение источника напряжения Е. при отрицательном напряжении анода и положительном катода работать будет правая часть схемы, при обратной ситуации (анод +, катод -), будет работать левая часть схемы.
Конструкция диода
Одна из возможных конструкций диода показана ниже:
Рассмотрим одну из возможных конструкций прибора. Кристалл полупроводника 1 (например, с электронной проводимостью) размещен на металлической основе 3. На верхней части кристалла размещена примесь 2 (например индий), который обеспечивает наличие дырочной проводимости. Кристалл закрыт корпусом 4 во избежание различных механических повреждений p-n перехода.
С индиевой наплавки сделан изолированный вывод через стеклянный изолятор 5 – это анод прибора. Выводом же катода будет металлический корпус 3, которая также обеспечивает отвод тепла при работе устройства, чем защищает его от теплового пробоя и перегрева.
В свою очередь полупроводниковые элементы делят на:
- Малая мощность – ток до 0,3 А;
- Средняя – от 0,3 до 10 А;
- Мощные – от 10 А;
Схемы включения диодов
Если возникнет необходимость пропускать через полупроводники токи, которые больше их номинальных, соединяют их параллельно, что позволит пропустить больший ток, но возникает необходимость использовать индуктивные делители, для выравнивания токов элементов, схема ниже:
При больших напряжениях – соединяют последовательно. Но для таких соединений необходимо применять специальных схемы коммутации, чтоб не допустить выход элементов из строя, они показаны ниже:
