Полупроводниковые диоды — Пособие по электротехнике

            Полупроводниковым диодом называется электро преобразовательный полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом, имеющим два вывода.

            Структура полупроводникового диода с электронно-дырочным переходом и его условное графическое обозначение приведены на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Схема структуры полупроводникового диода (а)

и его графическое обозначение (б)

            Буквами  p  и  n  обозначены слои полупроводника с проводимостями соответственно  p-типа  и  n-типа. В контактирующих слоях полупроводника (область p—n-перехода на рис. 2.2) имеет место диффузия дырок из слоя p в слой n, причиной которой является то, что их концентрация в слое p значительно больше их концентрации в слое n. В итоге в приграничных областях слоя p и слоя n

возникает так называемый обедненный слой, в котором мала концентрация подвижных носителей заряда (электронов и дырок). Обедненный слой имеет большое удельное сопротивление.

            Ионы примесей обедненного слоя не компенсированы дырками или электронами. В совокупности ионы образуют некомпенсированные объемные заряды, создающие электрическое поле с напряженностью Е. Это поле препятствует переходу дырок из слоя p в слой n и переходу электронов из слоя n в слой p. Оно создает так называемый дрейфовый поток подвижных носителей заряда, перемещающий дырки из слоя n в слой p и электроны из слоя p в слой n. Таким образом, в зависимости от полярности проходящего через диод тока, проводимость диода существенно изменяется, приводя к изменению величину проходящего тока.

            Основные характеристики полупроводникового диода представляются его вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Вольт-амперная характеристика – это зависимость тока i, протекающего через диод, от напряжения u, приложенного к диоду. Вольт-амперной характеристикой называют и график этой зависимости (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Вольт-амперная характеристика и основные параметры полупроводникового диода

Диоды обычно характеризуются следующими параметрами (рис. 2.3):

1.     обратный ток при некоторой величине обратного напряжения  I

_обр, мкА;

2.     падение напряжения на диоде при некотором значении прямого тока через диод U_пр, в;

3.     емкость диода при подаче на него обратного напряжения некоторой величины С, пФ;

4.     диапазон частот, в котором возможна работа без снижения  выпрямленного тока f_гр, кГц;

5.     рабочий диапазон температур.

            Техническими условиями задаются обычно максимальные (или минимальные) значения параметров для диодов каждого типа.

            Так, например, задается максимально возможное значение обратного тока, прямого падения напряжения и емкости диода. Диапазон частот задается минимальным значением граничной частоты 

f_гр. Это значит, что параметры всех диодов не превышает (а в случае частоты – не ниже) заданного техническими условиями значения. Общий вид диодов показан на рис 2.4.

Рис. 2.4. Конструкция диодов малой мощности (а) и средней мощности (б)

Какой электронный прибор называют полупроводниковым диодом?

Какой электронный прибор называют полупроводниковым диодом?

Полупроводниковые диоды Полупроводниковым диодом называется электро преобразовательный полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом, имеющим два вывода. Структура полупроводникового диода с электронно-дырочным переходом и его условное графическое обозначение приведены на рис. 2.

Как называются выводы у полупроводникового диода?

Вывод от р-области называют анодом, а от n-области – катодом. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода, т. с. … Различают два вида пробоя: электрический (обратимый) и тепловой (необратимый, выводящий полупроводниковый диод из строя).

Для чего используется полупроводниковый диод?

Полупроводниковые диоды являются нелинейными элементами. Поэтому они находят широкое применение в самых разнообразных устройствах нелинейной обработки аналоговых сигналов (детекторы/демодуляторы, смесители и преобразователи частоты, логарифматоры, антилогарифматоры, квадраторы, экстрематоры и др.).

Как устроен диод?

Полупроводниковый

диод состоит либо из полупроводников p-типа и n-типа (полупроводников с разным типом примесной проводимости), либо из полупроводника и металла (диод Шоттки). Контакт между полупроводниками называется p-n переходом и проводит ток в одном направлении (обладает односторонней проводимостью).

Как выглядит вольт амперная характеристика полупроводникового диода?

Вольт—амперная характеристика полупроводникового диода. Зависимость тока, проходящего через p-n переход, от величины и полярности приложенного к нему напряжения изображают в виде кривой, называемой вольт—амперной характеристикой диода. На графике ниже изображена такая кривая.

Как создается полупроводниковый диод?

В отличие от других типов диодов, например, вакуумных, принцип действия полупроводниковых диодов

основывается на различных физических явлениях переноса зарядов в твердотельном полупроводнике и взаимодействии их с электромагнитным полем в полупроводнике.

Как устроен полупроводниковый диод?

Диод – простейший полупроводниковый прибор. Диод представляет собой пластинку полупроводника (германий), в левой половине которого имеется акцепторная примесь, а в правой – донорная. При этом левая часть называется полупроводником типа Р, правая – типа N. … Выводы диода обозначаются как анод и катод.

Как называются выводы диода?

Полупроводниковый диод или просто диод представляет из себя радиоэлемент, который пропускает электрический ток только в одном направлении и блокирует его прохождение в другом направлении. …

Выводы диода называются – анод и катод. Некоторые по ошибке называют их “плюс” и “минус”.

Что происходит при включении полупроводникового диода в прямом направлении?

При прямом включении диода происходит обратный процесс. В результате отталкивания однополярных зарядов все носители группируются в зоне перехода между двумя полупроводниковыми структурами. Между частицами возникает электрическое поле перехода и рекомбинация электронов и дырок. … При этом диод открыт.

Что такое максимальное постоянное обратное напряжение?

Максимальное постоянное обратное напряжение (Uобр.макс, VR, VDC) Максимальное напряжение, которое диод может выдержать в режиме обратного смещения на постоянной основе. … Обычно указывается при номинальном прямом токе диода. В идеале эта величина была бы равна нулю: диод не оказывает никакого сопротивления прямому току.

Что такое прямой ток диода?

Прямой ток — ток, протекающий через диод, когда к нему приложено постоянное прямое напряжение в один вольт. Обратный ток — ток, протекающий через диод, когда к нему приложено наибольшее постоянное допустимое обратное напряжение. Обратное пробивное напряжение — напряжение, при котором диод выходит из строя.

Что такое прямое включение диода?

Если положительный полюс источника питания подключается к \(p\)-области, а отрицательный — к \(n\)-области, то включение \(p\)-\(n\)-перехода называют прямым включением

. При изменении указанной полярности включение \(p\)‑\(n\)‑перехода называют обратным включением.

Что такое прямое и обратное включение pn перехода?

Прямое включение p-n перехода образуется когда положительный полюс источника питания подключается к р-области полупроводника, а отрицательный полюс — к n-области. При обратной полярности источника питания включение p-n перехода называют обратным.

Как работает pn переход?

p-n–переход, включенный в прямом направлении пропускает электрический ток, а включенный в обратном направлении – не пропускает. P-N—переход при обратном напряжении Uобр аналогичен конденсатору со значительным током утечки в диэлектрике.

Когда ток течет через диод?

Диод

— электронный прибор, пропускающий ток только в одну сторону. Диод имеет два контакта, которые называют анодом и катодом. При включении диода в электрическую цепь ток протекает от анода к катоду. Умение проводить ток только в одну сторону — основное свойство диода.

Как работает диод в цепи постоянного тока?

Принцип работы таких диодов основан на пробое p-n перехода при подаче на диод обратного (когда диод не проводит электрического тока) напряжения. При определенном напряжении (Uпр) p-n переход пробивается, обратный ток резко возрастает а напряжение на диоде остается неизменным (смотрите график).

Как понять какой стороной ставить диод?

Если положительная сторона источника напряжения соединена с положительной

стороной диода (анодом), а отрицательная сторона соединена с отрицательной стороной (катодом), то диод будет проводить ток. Если перевернуть диод обратной стороной, то он не будет пропускать электрический ток (до определенной величины).

Как понять что диод пробит?

При пробое диод превращается в обычный проводник и свободно пропускает ток хоть в прямом направлении, хоть в обратном. При этом, как правило, пищит буззер мультиметра, а на дисплее показывается величина сопротивления перехода. Это сопротивление очень мало и составляет несколько ом, а то и вообще равно нулю.

Как определить анод и катод диода?

Анод диода — это вывод, который подключается к положительному выводу источника питания, непосредственно или через элементы схемы.

Катод диода — это вывод из которого выходит ток положительного потенциала и далее через элементы схемы попадает на отрицательный электрод источника тока.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ

Полупроводниковым диодом называется прибор с одним p-n переходом и двумя выводами, позволяющими включать его во внешнюю электрическую цепь. О принципе действия и физике проходящего в этом приборе процессе будет рассказано в данном материале.

Теоретическая часть

Работа полупроводниковых диодов основана на свойствах p-n перехода, который образуется на границе раздела областей полупроводника с дырочной (p) и электронной проводимостью (n). Концентрация электронов в n – области значительно больше, чем в p-области, а дырок в p – области больше, чем в n – области. Неодинаковая плотность частиц вызывает диффузию основных носителей из областей с большей концентрацией: электронов из n – области и дырок из p – области. В результате рекомбинации на границе p — и n — областей возникает обедненный носителями слой, который называется запирающим (рис. 1, а). Ионы донорной и акцепторной примеси в области запирающего слоя создают электрическое поле с напряженностью Евн, которое препятствует дальнейшей диффузии основных носителей и создает дрейфовый ток, обусловленный неосновными носителями.

Рисунок 1. Полупроводниковый диод

При подключении источника э.д.с. к n-p переходу в зависимости от направления вектора напряженности источника ширина запирающего слоя может:

• Уменьшаться — векторы напряженности источника и запирающего слоя противоположны, что приводит к увеличению диффузного тока;
• Увеличиваться — векторы напряженности источника и запирающего слоя направлены в одну сторону, что приводит к уменьшению диффузионных токов практически до нуля и увеличению дрейфового тока.

Перечисленные свойства p-n перехода используются в полупроводниковых диодах. Полупроводниковые диоды имеют несимметричные электронно-дырочные переходы. Одна область полупроводника с более высокой концентрацией примесей (высоколегированная область) служит эмиттером, а другая с меньшей концентрацией примесей (низколегированная область) – базой.

Вывод, который подключает эмиттер к внешней электрической цепи, называется катодным, а вывод, который подключается к базе – анодным (рис. 1, б).

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в ток одного направления. Вольт — амперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода показана на рис. 2.

Рисунок 2. ВАХ полупроводникового диода

Вольт — амперная характеристика имеет прямую («1» на рис. 2) и обратную («2» на рис. 2) ветви. При включении диода в прямом направлении (прямая ветвь ВАХ) вектор напряженности внешнего источника Еист направлен противоположно вектору напряженности p-n перехода диода, положительный полюс источника подключен к аноду диода, а отрицательный полюс к катоду диода. При этом суммарный вектор напряженности уменьшается. Это приводит к уменьшению потенциального барьера в p-n переходе.

В этом режиме часть основных носителей заряда с наибольшими значениями энергии будет преодолевать понизившийся потенциальный барьер, и проходить через p-n-переход. В переходе нарушится равновесное состояние, и через него потечет диффузионный ток обусловленный инжекцией электронов из n-области в полупроводник и дырок — из p-области в n-полупроводник.

Напряжение Uпор, начиная с которого малые приращения прямого напряжения вызывают резкое увеличение тока, называют пороговым.

При включении диода в обратном направлении (обратная ветвь ВАХ) направление вектора напряженности внешнего источника Еист совпадает с вектором напряженности поля перехода: отрицательный полюс источника соединен катодом диода, а положительный полюс источника соединен с анодом диода. Такое включение диода приводит к увеличению потенциального барьера p-n перехода диода и ток через переход будет определяться неосновными носителями заряда: электронами из p-области в n-область и дырками из n-области в p-область. Этот процесс называется экстракцией неосновных носителей, а ток, протекающий через диод, называют обратным током Iобр.

При дальнейшем увеличении обратного напряжения, приложенного к диоду, при некотором значении Uобр1 в нем будет происходить резкий рост обратного тока – участок «3» на рисунке 2. Это явление называется пробоем. Различают электрический и тепловой пробой p-n перехода. Лавинный пробой – это электрический пробой перехода, вызванный лавинным размножением носителей заряда под действием сильного электрического поля. Электроны, ускорившись в поле запирающего слоя, выбивают из атомов полупроводника валентные электроны, которые, в свою очередь, успевают ускориться и выбить новые электроны, и т.д. Процесс развивается лавинообразно и сопровождается быстрым нарастанием обратного тока.

Тепловой пробой возникает из-за перегрева p-n перехода или отдельного его участка (участок «4» на рис. 2). При этом происходит интенсивная генерация пар электрон – дырка и увеличивается обратный ток, что приводит к увеличению мощности, выделяющейся в p-n переходе и дальнейшему его разогреву. Этот процесс также лавинообразный, завершается расплавлением перегретого участка перехода и выходом диода из строя.

В зависимости от соотношения линейных размеров выпрямляющего p-n перехода полупроводниковые диоды делятся на два класса: точечные и плоскостные. Точечные диоды имеют малую емкость p-n перехода и применяются для выпрямления переменного тока любых частот вплоть до СВЧ. В плоскостных диодах емкость p-n перехода составляет несколько десятков пФ.

Практическая часть

Лабораторная работа посвящена исследованию полупроводникового выпрямительного диода. Исследуемый диод FR302 закреплен на стеклотекстолитовой плате вместе с токоограничительным резистором МЛТ-2 43 Ом. Резистор предназначен для ограничения тока при снятии прямой ветви характеристики, т. к. при открытом p-n-переходе сопротивление диода мало.

Проводимость диода исследуется с помощью миллиамперметра (микроамперметра) и вольтметра, по показаниям, которых строится вольтамперная характеристика (ВАХ) диода. 

Рисунок 3. Электрическая принципиальная схема снятия прямой ветви ВАХ диода

Питание установки осуществляется от регулируемого блока питания, который дает постоянный ток напряжением от 0 до 12 В (стабилизированный выход) и постоянный ток напряжением от 0 до 36 В (нестабилизированный выход). 

Для снятия прямой ветви характеристики используется миллиамперметр и милливольтметр, т. к. в открытом состоянии падение напряжения на диоде составляет около 1 В, а ток через него достигает 200 мА.

Рисунок 4. Электрическая принципиальная схема снятия обратной ветви ВАХ диода

Для снятия обратной ветви ВАХ диода обратное напряжение на диоде доводится до 36 В. При таком напряжении обратный ток диода FR302 остается небольшим (единицы-десятки микроампер), поэтому для его измерения в цепь вместо миллиамперметра включают микроамперметр. Сильно увеличивать обратный ток диода крайне нежелательно, так как это может привести к его выходу из строя. К тому же напряжения выше 42 В опасны, и их использование нежелательно.

Материал предоставил для изучения — Denev.

   Форум

   Форум по обсуждению материала ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД

Полупроводниковый диод — двухэлектродный электронный прибор на базе полупроводникового (ПП) кристалла.

Понятие полупроводниковый диод объединяет приборы с разными принципами действия, которые имеют многофункциональное назначение.-область. Тем самым по диоду начинает течь большой прямой ток. Если приложить напряжение в обратном направлении, то потенциальный барьер повышается и через р-л-переход протекает очень малый ток вторичных носителей заряда (обратный ток).

На резкой несимметричности вольт-амперной характеристики (ВАХ) базируется работа выпрямительных диодов. Для выпрямительных устройств и других сильноточных электрических цепей производятся выпрямительные полупроводниковые диоды, имеющие допустимый выпрямленный ток до 300 А и максимально допустимое обратное напряжение в пределах от 20—30 В до 1—2 кВ. Полупроводниковые диоды аналогичного использования для слабо-точных цепей имеют выпрямленный ток <0,1 А и называются универсальными. При напряжениях, превышающих максимально допустимое обратное напряжение, ток резко возрастает, и появляется необратимый тепловой пробой /7-и-перехода, который приводит к выходу полупроводникового диода из строя. С целью повышения максимально допустимого обратного напряжения до нескольких десятков кВ применяют выпрямительные столбы, в которых несколько идентичных выпрямительных полупроводниковых диодов соединены последовательно и расположены в общем пластмассовом корпусе. Инерционность выпрямительных диодов ограничивает частотный предел их использования (как правило, областью частот 50—2000 Гц).

Применение специальных технологических приемов (легирование кремния и германия золотом) позволило создать быстродействующие импульсные полупроводниковые диоды, применяемые, наряду с диодными матрицами, как правило, в слаботочных сигнальных цепях ЭВМ.

При невысоких пробивных напряжениях, как правило, развивается не тепловой, а обратимый лавинный пробой р-и-перехода, т. е. резкое нарастание тока при почти постоянном напряжении, называется напряжением стабилизации. На использовании подобного пробоя базируется работа полупроводниковых стабилитронов. Стабилитроны общего назначения с напряжением стабилизации от 3—5 до 100—150 В используют в основном в стабилизаторах и ограничителях импульсного и постоянного напряжения; прецизионные стабилитроны, у которых встраиванием компенсирующих элементов достигается высокая температурная стабильность, — в качестве источников опорного и эталонного напряжений.
В предпробойной области обратный ток диода подвержен значительным флуктуациям; это свойство р-«-перехо-да применяют для создания генераторов шума. Инерционность развития лавинного пробоя в р-»-и-переходе обусловливает сдвиг фаз между напряжением и током в диоде, вызывая (при определенной схеме включения) генерирование СВЧ-колебаний. Это свойство успешно применяют в лавинно-пролетных полупроводниковых диодах, которые позволяют осуществлять генераторы с частотами до 150 ГГц. Стабилизаторы можно увидеть здесь.

Для преобразования и детектирования электрических сигналов в области СВЧ применяют смесительные полупроводниковые диоды и видеодетекторы, в большинстве которых р-«-переход расположен под точечным контактом. Это позволяет достигнуть малого значения емкости, а специфическое конструктивное оформление задает малые значения паразитных индуктивности и емкости, а также возможность монтажа диода в волноводных системах.

При подаче на р-«-переход обратного смещения, которое не превышает максимально допустимого обратного напряжения, он ведет себя как высокодобротный конденсатор, у которого емкость зависит от величины действующего на нее напряжения. Это свойство применяют в варикапах, используемых преимущественно для электронной перестройки резонансной частоты колебательных контуров, в умножительных диодах и варакторах, служащих для умножения частоты колебаний в диапазоне СВЧ, в параметрических полупроводниковых диодах, используемых для усиления СВЧ-колебаний. В этих полупроводниковых диодах стремятся уменьшить величину сопротивления, являющегося основным источником активных потерь энергии, и усилить зависимость емкости от максимально-допу-стимого обратного напряжения.

У перехода на базе вырожденного полупроводника область, которая обеднена носителями заряда, является очень тонкой (~ 10—2 мкм), и для нее становится значительным туннельный механизм перехода дырок и электронов через потенциальный барьер. На этом свойстве базируется работа туннельного диода, используемого в сверхбыстродействующих импульсных устройствах, в генераторах и усилителях колебаний СВЧ, а также обращенного диода, используемого в качестве детектора слабых сигналов и смесителя СВЧ-колебаний.

К полупроводниковым диодам относят также ПП приборы с двумя выводами, содержащие неуправляемую четырехслойную /7-«-р-«-структуру и называют динисторами, а также Ганна диоды. В полупроводниковых диодах применяют и другие разновидности ПП структур: контакт металл — полупроводник и структуру, свойства которых во многом схожи с характеристиками перехода.

Свойство /7-г-и-структуры менять свои электрические характеристики под воздействием излучения применяют в детекторах ядерных излучений и фотодиодах, устроенных таким образом, что ядерные частицы или фотоны могут поглощаться в активной области кристалла, которая непосредственно примыкает к р-«-переходу, и менять величину обратного тока последнего. Эффект излучательной рекомбинации дырок и электронов применяется в светоизлучающих диодах. К полупроводниковым диодам можно отнести также и полупроводниковые лазеры.

Большинство полупроводниковых диодов изготавливают, применяя планарноэпитаксиальную технологию, которая позволяет сразу получать до нескольких тысяч полупроводниковых диодов. В качестве полупроводниковых материалов для них используют главным образом кремний, а также германий и т. д., в качестве контактных материалов — золото, алюминий, медь. Для защиты кристалла полупроводникового диода его, как правило, помещают в металлокерамический, металлостеклянный, пластмассовый или стеклянный корпус.

Для обозначения полупроводниковых диодов используют шестизначный шифр, первая буква которого характеризует применяемый полупроводник, вторая определяет класс диода, цифры означают порядковый номер типа, а последняя буква — его группу.

От своих электровакуумных аналогов полупроводниковые диоды отличаются значительно большими долговечностью и надежностью, лучшими техническими характеристиками, меньшими габаритами, меньшей стоимостью и поэтому вытесняют их в большинстве областей использования. С развитием ПП электроники совершился переход к производству наряду с дискретными полупроводниковыми диодами диодных структур в функциональных устройствах и ПП монолитных интегральных схемах, где полупроводниковый диод неотделим от всей конструкции устройства. olil.ru

• Предыдущее: ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДЕТЕКТОР
• Следующее: ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР

Полупроводниковые диоды — презентация на Slide-Share.ru 🎓

1

Первый слайд презентации: Полупроводниковые диоды

на основе p-n переходов и барьеров Шоттки Полупроводниковые диоды

Изображение слайда

2

Слайд 2: Полупроводниковый диод

Полупроводниковым диодом называют нелинейный электронный прибор с двумя выводами.

Изображение слайда

3

Слайд 3: Виды полупроводниковых диодов

В зависимости от внутренней структуры, типа, количества и уровня легирования внутренних элементов диода и ВАХ различают : 1) Диод Шоттки 2) Стабилитроны 3) Выпрямительные диоды 4) Варикапы 5) Обращенные диоды 6) Туннельные диоды

Изображение слайда

4

Слайд 4: Барьер Шоттки

Рассмотрим контакт металл–полупроводник (на примере контакта Au-Si n- типа) при условии Зонная диаграмма при различных значениях напряжения V G на затворе : а) V G = 0; б) V G > 0, прямое смещение; в) V G < 0, обратное смещение

Изображение слайда

5

Слайд 5: Барьер Шоттки

Вольт-амперная характеристика барьера Шоттки В условиях равновесия V G = 0 ток из полупроводника в металл уравновешивается током из металла в полупроводник. При приложении напряжения этот баланс нарушается и общий ток будет равен сумме этих токов. ;

Изображение слайда

6

Слайд 6: Диод Шоттки

Диод Шоттки — полупроводниковый диод с малым падением напряжения при прямом включении. Диоды на основе барьера Шоттки являются быстродействующими приборами, так как в них отсутствуют рекомбинационные и диффузионные процессы. Это свойство используется в интегральных микросхемах, где диодами Шоттки шунтируются переходы транзисторов логических элементов. В силовой электронике малое время восстановления позволяет строить выпрямители на частоты в сотни кГц и выше.

Изображение слайда

7

Слайд 7: p-n переход

Электронно-дырочным, или p — n переходом, называют контакт двух полупроводников одного вида с различными типами проводимости (электронным и дырочным). ВАХ p — n перехода имеет вид: Плотность тока насыщения J s равна:

Изображение слайда

8

Слайд 8: p-n переходы прямое смещение

J nD – диффузионная компонента электронного тока J nD – диффузионная компонента дырочного тока J рек – рекомбинационный ток

Изображение слайда

9

Слайд 9: p-n переходы обратное смещение

J nE – дрейфовая компонента электронного тока J pE – дрейфовая компонента дырочного тока J ген – генерационный ток p-n переходы обратное смещение

Изображение слайда

10

Слайд 10: Выпрямительные диоды

Основа – электронно-дырочный переход ВАХ имеет ярко выраженную нелинейность

Изображение слайда

11

Слайд 11: Выпрямительные диоды

Выпрямление в диоде происходит при больших амплитудных значениях U вх >0,1 В |Vg|>> kT/q V G, B  0,01 0,025  0,1 0,25  1 K, отн. ед. 1,0 1,1 55 2,3·10 4 2,8·10 20 Учтем, что величина  -1 при комнатной температуре составляет  -1 = 0,025 В.

Изображение слайда

12

Слайд 12: Характеристическое сопротивление

Дифференциальное сопротивление: Сопротивление по постоянному току: На прямом участке ВАХ сопротивление по постоянному току больше, чем дифференциальное сопротивление R D   >   r D, а на обратном участке – меньше R D   <   r D. Вблизи нулевого значения V G << kT / q

Изображение слайда

13

Слайд 13: Эквивалентная малосигнальная схема диода для низких частот

r об – омическое сопротивление базы диода r д – дифференциальное сопротивление С д – диффузионная ёмкость С б – барьерная ёмкость

Изображение слайда

14

Слайд 14: Варикап

Варикап – это полупроводниковый диод реализующий зависимость барьерной емкости от напряжения обратного смещения. Максимальное значение емкости варикап имеет при V G =0 Емкость варикапа определяется шириной обедненной зоны. В случае однородного легирования

Изображение слайда

15

Слайд 15: Стабилитрон

Стабилитроном называется полупроводниковый диод, вольт-амперная характеристика которого имеет область резкой зависимости тока от напряжения на обратном участке вольт-амперной характеристики. Основное назначение – стабилизация напряжения на нагрузке при изменяющимся напряжении во внешней цепи При U<U стаб R диф → 0 Стабилитрон также называют опорным диодом Два механизма: лавинный пробой ; туннельный пробой

Изображение слайда

16

Слайд 16: Туннельный диод

Туннельным диодом называют полупроводниковый диод на основе p + ‑ n + перехода с сильнолегированными областями, на прямом участке вольт-амперной характеристики которого наблюдается N ‑образная зависимость тока от напряжения.

Изображение слайда

17

Слайд 17: Туннельный диод

Один из методов применения туннельного диода: в качестве активного нелинейного элемента в схемах генераторов колебаний.

Изображение слайда

18

Последний слайд презентации: Полупроводниковые диоды: Обращённый диод

Обращенный диод – это туннельный диод без участка с ОДС. Высокая нелинейность ВАХ при малых напряжениях вблизи нуля позволяет использовать этот диод для детектирования слабых сигналов в СВЧ‑диапазоне. ВАХ такого диода при обратном смещении такая же, как и у туннельного.

Изображение слайда

Полупроводниковые диоды

Введение

Полупроводниковым диодом называют нелинейный электронный прибор с двумя выводами. В зависимости от внутренней структуры, типа, количества и уровня легирования внутренних элементов диода и вольт амперной характеристики свойства полупроводниковых диодов бывают различными. В данном разделе будут рассмотрены следующие типы полупроводниковых диодов: выпрямительные диоды на основе p n перехода, стабилитроны, варикапы, туннельные и обращенные диоды.

4.1. Характеристики идеального диода на основе

p n перехода
Основу выпрямительного диода составляет обычный электронно-дырочный переход. Как было показано в главе 2, вольт-амперная характеристика такого диода имеет ярко выраженную нелинейность, приведенную на рисунке 4.1а, б, и описывается уравнением (4.1). В прямом смещении ток диода инжекционный, большой по величине и представляет собой диффузионную компоненту тока основных носителей. При обратном смещении ток диода маленький по величине и представляет собой дрейфовую компоненту тока неосновных носителей. В состоянии равновесия суммарный ток, обусловленный диффузионными и дрейфовыми токами электронов и дырок, равен нулю.

Рис. 4.1. Параметры полупроводникового диода:

а) вольт амперная характеристика; б) конструкция корпуса

, (4.1)
.

Для анализа приборных характеристик выпрямительного диода важными являются такие дифференциальные параметры, как коэффициент выпрямления, характеристичные сопротивления и емкости диода в зависимости от выбора рабочей точки.

4.1.1. Выпрямление в диоде

Одним из главных свойств полупроводникового диода на основе p n перехода является резкая асимметрия вольт амперной характеристики: высокая проводимость при прямом смещении и низкая при обратном. Это свойство диода используется в выпрямительных диодах. На рисунке 4.2 приведена схема, иллюстрирующая выпрямление переменного тока в диоде.

Рис. 4.2. Схема, иллюстрирующая выпрямление переменного тока с помощью диода [10, 20]

Рассмотрим, каков будет коэффициент выпрямления идеального диода на основе p n перехода. Для этого рассчитаем по уравнению (4.1) коэффициент выпрямления К как отношение прямого тока к обратному току диода при значениях напряжения U =  0,01 В; 0,025 В; 0,1 В; 0,25 В; 1 B. Получаем:

. (4.2)

Учтем, что величина  ^-1 при комнатной температуре составляет  В. Результаты расчета приведены в таблице.

VG, B	 0,01	0,025	0,1	0,25	1
K, отн. ед.	1,0	1,1	55	2,3·104	2,8·1020

Как следует из таблицы и соотношения (4.2), при значениях переменного напряжения, модуль которого V_G меньше, чем тепловой потенциал kT/q, полупроводниковый диод не выпрямляет переменный ток. Коэффициент выпрямления достигает приемлемых величин при значениях V_G по крайней мере в 4 раза больших, чем тепловой потенциал kT/q, что при комнатной температуре Т = 300 К соответствует значению напряжения V_G =  0,1 В.

4.1.2. Характеристическое сопротивление

Различают два вида характеристического сопротивления диодов: дифференциальное сопротивление r_D и сопротивление по постоянному току R_D.

Дифференциальное сопротивление определяется как

. (4.3)

На прямом участке вольт-амперной характеристики диода дифференциальное сопротивление r_{Dневелико и составляет значение несколько Ом. Действительно, при значении прямого тока диода I = 25 мА и значении теплового потенциала kT/q = 25 мВ величина дифференциального сопротивления rD будет равна rD = 1 Ом. На обратном участке вольт амперной характеристики диода дифференциальное сопротивление rD стремится к бесконечности, поскольку в идеальных диодах при обратном смещении ток не зависит от напряжения.}

Сопротивление по постоянному току R_D определяется как отношение приложенного напряжения V_G к протекающему току I через диод:

. (4.4)

На прямом участке вольт-амперной характеристики сопротивление по постоянному току больше, чем дифференциальное сопротивление R_D > r_D, а на обратном участке – меньше R_D  r_D.

В точке вблизи нулевого значения напряжения V_G kT/q значения сопротивления по постоянному току и дифференциального сопротивления совпадают. Действительно, разложив экспоненту в ряд в соотношении (4.4), получаем:

. (4.5)

Используя характерное значение для обратного тока диода I₀ = 25 мкА, получаем величину сопротивления диода в нулевой точке R_D0 = r_D0 = 1 кОм. На рисунке 4.3а приведена зависимость дифференциального сопротивления диода ГД402 от величины тока при прямом смещении.

4.1.4. Эквивалентная схема диода

С учетом полученных дифференциальных параметров можно построить эквивалентную малосигнальную схему диода для низких частот (рис. 4.3а, б, в). В этом случае наряду с уже описанными элементами – дифференциальным сопротивлением (рис. 4.3а) и емкостями диода (рис. 4.3б) необходимо учесть омическое сопротивление квазинейтрального объема базы (r_об) диода. Сопротивление квазинейтрального объема эмиттера можно не учитывать, поскольку в диодах эмиттер обычно легирован существенно более сильно, чем база.

Рис. 4.3. Приборные характеристики и эквивалентная малосигнальная схема для выпрямительных диодов [23, 24]:

а) зависимость дифференциального сопротивления диода ГД402 от величины тока при прямом смещении; б) зависимость емкости диода ГД402 от обратного напряжения; в) эквивалентная малосигнальная схема диода для низких частот

4.2. Варикапы

Зависимость барьерной емкости С_Б от приложенного обратного напряжения V_G используется для приборной реализации. Полупроводниковый диод, реализующий эту зависимость, называется варикапом. Максимальное значение емкости варикап имеет при нулевом напряжении V_G. При увеличении обратного смещения емкость варикапа уменьшается. Функциональная зависимость емкости варикапа от напряжения определяется профилем легирования базы варикапа. В случае однородного легирования емкость обратно пропорциональна корню из приложенного напряжения V_G. Задавая профиль легирования в базе варикапа N_D(x), можно получить различные зависимости емкости варикапа от напряжения C(V_G) – линейно убывающие, экспоненциально убывающие. На рисунке 4.4 показана зависимость емкости варикапов различных марок от приложенного напряжения.

Рис. 4.4. Конструкция варикапа (а) и зависимость емкости варикапа от напряжения для различных варикапов (б – КВ116А, в – КВ126А, г – КВ130А) [23, 25]

4.3. Влияние генерации, рекомбинации и объемного сопротивления базы на характеристики реальных диодов

В реальных выпрямительных диодах на основе p n перехода при анализе вольт амперных характеристик необходимо учитывать влияние генерационно-рекомбинационных процессов в обедненной области p n перехода и падение напряжения на омическом сопротивлении базы p n перехода при протекании тока через диод.

При рассмотрении влияния генерационно рекомбинационных процессов в ОПЗ p n перехода будем считать, что доминирующим механизмом генерационно-рекомбинационного процесса является механизм Шокли – Рида. В этом случае для моноэнергетического рекомбинационного уровня, расположенного вблизи середины запрещенной зоны полупроводника, выражение для темпа генерации (рекомбинации) имеет вид:

. (4.6)

Параметры, входящие в соотношение 4.10, имеют следующие значения:

γ_n, γ_p – вероятности захвата электронов и дырок на рекомбинационный уровень;

N_t – концентрация рекомбинационных уровней;

n, p – концентрации неравновесных носителей;

n₁, p₁ – концентрации равновесных носителей в разрешенных зонах при условии, что рекомбинационный уровень совпадает с уровнем Ферми.

Из уравнений 4.6 и 1.20 следует, что при прямом смещении (V_G > 0) произведение концентрации неравновесных носителей p·n будет больше, чем произведение концентрации равновесных носителей p₁·n₁ (p·n > p₁·n₁). Следовательно, правая часть уравнения 4.6 будет положительная, а скорость изменения концентрации неравновесных носителей dn/dt будет отрицательной. Таким образом, концентрация неравновесных носителей будет убывать и рекомбинация будет преобладать над генерацией.

При обратном смещении (V_G 

4.3.1. Влияние генерации неравновесных носителей в ОПЗ

p—n перехода на обратный ток диода
При обратном смещении (V_G p—n перехода из соотношения 1.20 следует, что

.

Величина произведения концентрации равновесных носителей p₁·n₁ будет равна квадрату собственной концентрации: .

В этом случае из уравнения 4.6 следует, что

.

Учтем, что значения концентрации неравновесных носителей p, n будут меньше концентрации равновесных носителей p₁ и n₁: p  p₁, n  n₁, а величины n₁ и p₁ определяются через объемное положение уровня Ферми _0t следующим образом:

.

Тогда получаем:

, (4.7)

где _e – эффективное время жизни неравновесных носителей, определяемое как

. (4.8)

Из соотношения 4.7 следует, что скорость изменения концентрации неравновесных носителей dn/dt будет положительной, следовательно, генерация будет преобладать над рекомбинацией. Для того чтобы рассчитать генерационный ток J_ген, необходимо проинтегрировать по ширине области пространственного заряда W:

. (4.9)

Рассмотрим зависимость генерационного тока J_ген от обратного напряжения V_G, приложенного к диоду, а также от температуры T (рис. 4.5).

Зависимость генерационного тока J_ген от напряжения V_G будет определяться зависимостью ширины области пространственного заряда W от напряжения V_G. Поскольку ширина области пространственного заряда W определяется как , то генерационный ток J_ген будет пропорционален корню из напряжения: .

Величина дрейфовой компоненты обратного тока J₀ несимметричного p⁺ n перехода равна:

.

Сделаем оценку отношения теплового J₀ и генерационного J_ген токов для диодов, изготовленных из различных полупроводников:

. (4.10)

Рис. 4.5. Вклад генерационного тока J_ген в обратный ток p n перехода

Для германия (Ge) характерны следующие параметры: W = 1 мкм; L_n = 150 мкм, n_i = 10¹³ см^-3, N_D = 10¹⁵ см^-3. Подставляя эти величины в соотношение 4.10, получаем, что генерационный ток и тепловой ток одинаковы, I_ген ~ I_s.

Для кремния (Si) характерны следующие параметры: W = 1 мкм; L_n = 500 мкм, n_i = 10¹⁰ см^-3, N_D = 10¹⁵ см^-3. Подставляя эти величины в соотношение 4.10, получаем, что генерационный ток много больше, чем тепловой ток, I_ген / I_s ~ 210².

Таким образом, для кремниевых диодов на основе p n перехода в обратном направлении преобладает генерационный ток, а для германиевых диодов – тепловой ток.

Как следует из уравнения 4.10, соотношения генерационого и теплового токов зависят от собственной концентрации n_i. Если собственная концентрация n_{iмала (широкозонный полупроводник), – преобладает генерационный ток, если значение ni велико (узкозонный полупроводник), – преобладает тепловой ток.}

4.3.2. Влияние рекомбинации неравновесных носителей в ОПЗ

p n перехода на прямой ток диода
При прямом смещении (V_G > 0) p n перехода из соотношения 1.20 следует, что

.

Из уравнений 4.6 и 1.20 следует, что при прямом смещении (V_G > 0) произведение концентрации неравновесных носителей p·n будет больше, чем произведение концентрации равновесных носителей p₁·n₁ (p·n > p₁·n₁).

Предположим, что рекомбинационный уровень E_t находится посредине запрещенной зоны полупроводника E_t = E_i. Тогда p₁ = n₁ = n_i, а коэффициенты захвата одинаковы: _n = _p. В этом случае уравнение 4.6 примет вид:

. (4.11)

Из уравнения (4.11) следует, что темп рекомбинации будет максимален в том случае, если знаменатель имеет минимальное значение. Это состояние реализуется в той точке ОПЗ, когда квазиуровни Ферми находятся на равном расстоянии от середины запрещенной зоны, то есть расстояние _{0 n,p} от середины зоны E_i до квазиуровней F_n и F_p одинаково и равно .

При этих условиях знаменатель в уравнении 4.11 будет иметь значение .

Следовательно, для скорости генерации имеем:

.

Величина рекомбинационного тока J_рек после интегрирования по ширине области пространственного заряда W имеет вид:

. (4.12)

Полный ток диода при прямом смещении будет складываться из диффузионной и рекомбинационной компонент:

. (4.13)

Из (4.13) следует, что прямой ток диода можно аппроксимировать экспоненциальной зависимостью типа , в случае значения коэффициента n = 1 ток будет диффузионным, при n = 2 – рекомбинационным. На рисунке 4.6 показана зависимость тока диода от напряжения при прямом смещении в логарифмических координатах.

Из приведенных экспериментальных данных для диода следует, что тангенс угла наклона равен 0,028 В, что с высокой степенью точности соответствует значению kT/q, равному 0,026 В при комнатной температуре.

Рис. 4.6. Зависимость тока диода от напряжения при прямом смещении [2, 23]

4.3.3. Влияние объемного сопротивления базы диода на прямые характеристики

База диода на основе p n перехода обычно легирована существенно меньше, чем эмиттер. В этом случае омическое сопротивление квазинейтральных областей диода будет определяться сопротивлением базы r_б, его величина рассчитывается по классической формуле: ,

где  – удельное сопротивление, l – длина базы, S – площадь поперечного сечения диода.

В типичных случаях при  = 1 Омсм, l = 10^-1 см, S = 10^-2 см², r_б = 10 Ом.

При этом падение напряжения U_б на квазинейтральном объеме базы при протекании тока J будет равно:

. (4.14)

Напряжение, приложенное к ОПЗ p n перехода, в этом случае уменьшится на величину V_б. С учетом (4.14) вольт амперная характеристика диода будет иметь вид:

; (4.15)

Из уравнения (4.15) следует, что по мере роста прямого тока вольт-амперная характеристика p n перехода будет вырождаться, то есть ток будет расти не экспоненциально, а более медленно, и в предельном случае на ВАХ появится омический участок.

Определим критерий вырождения, как состояние диода, при котором дифференциальное сопротивление диода станет равно либо меньше омического сопротивления базы диода:

.

Следовательно, величина прямого тока, при котором наступает вырождение вольтамперной характеристики, будет равна: .

Для параметров диода r_б = 10 Ом; _Т = 0,025 В ток вырождения будет равен: I_выр = 2,5 мA.

На рисунке 4.7 показана эквивалентная схема диода, где объемное сопротивление базы диода представлено в виде резистора, последовательно соединенного с идеальным диодом.

Рис. 4.7. Рисунки, иллюстрирующие влияние сопротивления базы на вольт-амперные характеристики диода при прямом смещении [17, 23, 26]:

а) эквивалентная схема диода; б) ВАХ в линейных координатах; в) ВАХ в логарифмических координатах; г) ВАХ диода 2Д925Б при различных температурах

Пунктирная и сплошная линии, описывающие вольт-амперную характеристику, как в линейных, так и полулогарифмических координатах, сдвинуты друг относительно друга по оси напряжений на величину r_б·I. Для диода 2Д925Б приведены его характеристики при различных температурах, при этом отчетливо виден линейный участок на ВАХ. Таким образом, у реальных диодов омический участок на ВАХ составляет основную часть характеристики.

4.3.4. Влияние температуры на характеристики диодов

Как уже отмечалось, при прямом смещении ток диода инжекционный, большой по величине и представляет собой диффузионную компоненту тока основных носителей. При обратном смещении ток диода маленький по величине и представляет собой дрейфовую компоненту тока неосновных носителей (рис. 4.8). Зависимость тока от напряжения определяется соотношением: .

Для несимметричного p n⁺ перехода N_A N_D концентрация неосновных носителей в p области существенно выше, чем в n области n_p0 >> p_n0. Обратный ток в этом случае обусловлен дрейфовой электронной компонентой , поскольку .

Обратный ток диода в этом случае будет .

Вблизи комнатной температуры Т_к при ее небольших отклонениях можно записать: , тогда температурная зависимость тока преобразуется к следующему виду:

. (4.16)

Величина коэффициента  для различных полупроводников будет следующей: для германия _Ge = 0,09 град^-1 до T = 70⁰, для кремния _Si = 0,13 град^-1 до Т = 120⁰.

В практических случаях используют понятие температуры удвоения обратного тока диода. Соотношение (4.16) преобразуется к следующей форме, при этом

, (4.17)

где – температура удвоения тока, величина этой температуры будет равна: T^* = 10; 8; 7; 5, при значениях  = 0,07; 0,03; 0,1; 0,13.

Из соотношения (4.17) и значения температуры удвоения тока T^* = 10 следует простое правило: обратный ток диода удваивается при увеличении температуры на каждые 10 ºС.

Рис. 4.8. Вольт амперные характеристики диода ГД107 [23, 25]:

а) при прямом смещении; б) при обратном смещении; в) температурная зависимость прямого тока диода

4.4. Стабилитроны

Стабилитроном называется полупроводниковый диод, вольт амперная характеристика которого имеет область резкой зависимости тока от напряжения на обратном участке вольт амперной характеристики.

ВАХ стабилитрона имеет вид, представленный на рисунке 4.9.

Рис. 4.9. Вольт амперная характеристика (а) и конструкция корпуса (б) стабилитрона

При достижении напряжения на стабилитроне, называемого напряжением стабилизации U_стаб, ток через стабилитрон резко возрастает. Дифференциальное сопротивление R_диф идеального стабилитрона на этом участке ВАХ стремится к 0, в реальных приборах величина R_диф составляет значение: R_диф  250 Ом.

Основное назначение стабилитрона – стабилизация напряжения на нагрузке, при изменяющемся напряжении во внешней цепи. В связи с этим последовательно со стабилитроном включают нагрузочное сопротивление, демпфирующее изменение внешнего напряжения. Поэтому стабилитрон называют также опорным диодом.

Напряжение стабилизации U_стаб зависит от физического механизма, обуславливающего резкую зависимость тока от напряжения. Различают два физических механизма, ответственных за такую зависимость тока от напряжения, – лавинный и туннельный пробой p n перехода.

Для стабилитронов с туннельным механизмом пробоя напряжение стабилизации U_стаб невелико и составляет величину менее 5 вольт: U_стаб  5 В. Для стабилитронов с лавинным механизмом пробоя напряжение стабилизации обычно имеет большие значения и составляет величину более 8 вольт: U_стаб > 8 В.

Туннельный пробой в полупроводниках
Проанализируем более подробно механизмы туннельного и лавинного пробоя.

Рассмотрим зонную диаграмму диода с p n переходом при обратном смещении при условии, что области эмиттера и базы диода легированы достаточно сильно (рис. 4.10).

Рис. 4.10. Зонная диаграмма диода на базе сильнолегированного p n перехода при обратном смещении

Квантово-механическое рассмотрение туннельных переходов для электронов показывает, что в том случае, когда геометрическая ширина потенциального барьера сравнима с дебройлевской длиной волны электрона, возможны туннельные переходы электронов между заполненными и свободными состояниями, отделенными потенциальным барьером.

Форма потенциального барьера обусловлена полем p n перехода. На рисунке 4.11 схематически изображен волновой пакет при туннелировании через потенциальный барьер треугольной формы.

Рис. 4.11. Схематическое изображение туннелирования волнового пакета через потенциальный барьер

Возьмем уравнение Шредингера , где H – гамильтониан для свободного электрона , Е – энергия электрона.

Введем .

Тогда снаружи от потенциального барьера уравнение Шредингера будет иметь вид:

.

Внутри потенциального барьера .

Решение для волновых функций электрона будем искать в следующем виде:

– падающая волна и отраженная,

– прошедшая волна,

– волна в барьере.

Используем условие непрерывности для волновой функции и ее производные на границах потенциального барьера, а также предположение об узком и глубоком потенциальном барьере (W >> 1).

В этом случае для вероятности туннельного перехода Т получаем:

.

Выражение для туннельного тока электронов из зоны проводимости на свободные места в валентной зоне будет описываться следующим соотношением:

,

где использованы стандартные обозначения для функции распределения и плотности квантовых состояний.

При равновесных условиях на p⁺ n⁺ переходе токи слева и справа друг друга уравновешивают: .

При подаче напряжения туннельные токи слева и справа друг друга уже не уравновешивают:

. (4.18)

Здесь f_C, f_V – неравновесные функции распределения для электронов в зоне проводимости и валентной зоне.

Для барьера треугольной формы получено аналитическое выражение для зависимости туннельного тока J_тун от напряженности электрического поля Е следующего вида:

. (4.19)

За напряженность электрического поля пробоя E_пр условно принимают такое значение поля Е, когда происходит десятикратное возрастание обратного тока стабилитрона: .

При этом для p n переходов из различных полупроводников величина электрического поля пробоя E_пр составляет значения: кремний Si: E_пр = 410⁵ В/см; германий Ge: E_пр = 210⁵ В/см. Туннельный пробой в полупроводниках называют также зинеровским пробоем.

Оценим напряжение U_z, при котором происходит туннельный пробой. Будем считать, что величина поля пробоя E_пр определяется средним значением электрического поля в p n переходе . Поскольку ширина области пространственного заряда W зависит от напряжения по закону , то, приравнивая значения W из выражений , получаем, что напряжение туннельного пробоя будет определяться следующим соотношением [5, 2]:

. (4.20)

Рассмотрим, как зависит напряжение туннельного пробоя от удельного сопротивления базы стабилитрона. Поскольку легирующая концентрация в базе N_D связана с удельным сопротивлением ρ_базы соотношением , получаем:

. (4.21)

Из уравнения (4.21) следует, что напряжение туннельного пробоя U_z возрастает с ростом сопротивления базы ρ_базы.

Эмпирические зависимости напряжения туннельного пробоя U_z для различных полупроводников имеют следующий вид:

германий (Ge): U_z = 100_n + 50_p;

кремний (Si): U_z = 40_n + 8_p,

где _n, _p – удельные сопротивления n  и p слоев, выраженные в (Омсм).

Лавинный пробой в полупроводниках
Рассмотрим случай однородного электрического поля в полупроводнике. Если двигаясь вдоль силовых линий электрического поля электрон на расстоянии, равном длине свободного пробега λ, наберет энергию, равную либо большую, чем ширина запрещенной зоны, то, неупруго рассеиваясь, этот электрон может вызвать генерацию еще одной электронно дырочной пары. Дополнительно нагенерированные свободные носители также будут участвовать в аналогичном процессе. Это явление лавинного размножения свободных носителей в условиях сильного электрического поля получило название лавинного пробоя. На рисунке 4.12 показана схема, иллюстрирующая лавинный пробой.

Размеры геометрической области полупроводника W, в которой происходит лавинное умножение, должны быть существенно больше длины свободного пробега электрона λ. Соотношения, определяющие условие лавинного пробоя, будут следующие:

. (4.22)

Рис. 4.12. Схема, иллюстрирующая лавинный пробой в однородном полупроводнике [27, 10]:

а) распределение электрического поля, доноров и акцепторов и свободных носителей; б) распределение токов; в) зонная диаграмма, иллюстрирующая лавинное умножение в ОПЗ

Одним из параметров лавинного пробоя является коэффициент лавинного умножения M, определяемый как количество актов лавинного умножения в области сильного электрического поля. Если обозначить начальный ток I₀, то после лавинного умножения величина тока будет иметь вид: I = M·I₀,

,

где U_ – напряжение лавинного пробоя, U – напряжение, n – коэффициент, равный 3 или 5 для Ge или Si соответственно.

Для несимметричного p⁺  n перехода расчет дает следующее значение напряжения лавинного пробоя V_B при условии, что максимальное значение поля в ОПЗ p⁺ n перехода можно приближенно оценить как среднее:

. (4.23)

Величина электрического поля Е_m, определяемая соотношением (4.23), зависит от величины и типа легирующей концентрации N_D, N_A, температуры и лежит в диапазоне Е_m = (45) 10⁵ В/см для кремния и Е_m = (23)·10⁵ В/см для германия.

Приборные характеристики стабилитронов
Основными характеристиками стабилитрона являются ток I_ст и напряжение U_ст стабилизации, дифференциальное напряжение стабилитрона r_ст и температурная зависимость этих параметров. На рисунке 4.13 приведены дифференциальные параметры различных стабилитронов.

Рис. 4.13. Дифференциальные параметры различных стабилитронов:

а) зависимость дифференциального сопротивления от прямого тока 2С108; б) зависимость изменения напряжения стабилизации от температуры для различных типономиналов стабилитрона 2С108; в) зависимость дифференциального сопротивления от прямого тока 2С351

Как следует из приведенных данных, значение дифференциального сопротивления для стабилитронов обратно пропорционально току стабилизации и составляет десятки Ом при рабочих параметрах токов. Точность значения напряжения стабилизации составляет десятки милливольт в стандартном температурном диапазоне.

4.5. Туннельный и обращенный диоды

Туннельным диодом называют полупроводниковый диод на основе p⁺ n⁺ перехода с сильнолегированными областями, на прямом участке вольт-амперной характеристики которого наблюдается n образная зависимость тока от напряжения. На рисунке 4.14 приведена вольт амперная характеристика типичного туннельного диода при прямом смещении.

Проанализируем особенности вольт амперной характеристики туннельного диода. Для этого рассмотрим p⁺ n⁺ переход, образованный двумя вырожденными полупроводниками.

Если концентрация доноров и акцепторов в эмиттере и базе диода будет N_A, N_D ~ 10²⁰ см^-3, то концентрация основных носителей будет много больше эффективной плотности состояний в разрешенных зонах p_p0, n_n0 >> N_C, N_V. В этом случае уровень Ферми будет находиться в разрешенных зонах p⁺ и n⁺ полупроводников.

Рис. 4.14. Туннельный диод 1И104 [25, 23]:

а) вольт амперная характеристика при прямом смещении; б) конструкция туннельного диода

В полупроводнике n⁺ типа все состояния в зоне проводимости вплоть до уровня Ферми заняты электронами, а в полупроводнике p⁺ типа – дырками. Зонная диаграмма p⁺ n⁺ перехода, образованного двумя вырожденными полупроводниками, приведена на рисунке 4.15.

Рис. 4.15. Зонная диаграмма p⁺ n⁺ перехода в равновесии

С позиции анализа токов для диффузионного тока (прямого) имеет место большая высота потенциального барьера. Чтобы получить типичные значения прямого тока, нужно приложить большое прямое напряжение (больше или примерно равное половине ширины запрещенной зоны E_g/2). В выражении для дрейфового тока (обратного) концентрация неосновных носителей мала и поэтому обратный ток тоже будет мал.

Рассчитаем, чему равна геометрическая ширина вырожденного p n перехода. Будем считать, что при этом сохраняется несимметричность p n перехода (p⁺ – более сильнолегированная область). Тогда ширина p⁺ n⁺ перехода мала:

.

Дебройлевскую длину волны электрона оценим из простых соотношений:

,

.

Таким образом, геометрическая ширина p⁺ n⁺ перехода оказывается сравнима с дебройлевской длиной волны электрона. В этом случае в вырожденном p⁺ n⁺ переходе можно ожидать проявления квантово-механических эффектов, одним из которых является туннелирование через потенциальный барьер. При узком барьере вероятность туннельного просачивания через барьер отлична от нуля.

Рассмотрим более подробно туннельные переходы в вырожденных p⁺ n⁺ переходах при различных напряжениях. На рисунке 4.16 показана зонная диаграмма туннельного диода при обратном смещении.

Рис. 4.16. Зонная диаграмма туннельного диода при обратном смещении

При обратном напряжении ток в диоде обусловлен туннельным переходом электронов из валентной зоны на свободные места в зоне проводимости. Поскольку концентрация электронов и число мест велики, то туннельный ток резко возрастает с ростом обратного напряжения. Такое поведение вольт-амперных характеристик резко отличает туннельный диод от обычного выпрямительного диода.

При прямом напряжении ток в диоде обусловлен туннельным переходом электронов из зоны проводимости на свободные места в валентной зоне. Поскольку туннельные переходы происходят без рассеяния, то есть с сохранением энергии туннелирующей частицы, то на зонной диаграмме эти процессы будут отражены прямыми горизонтальными линиями. На рисунке 4.17 показаны зонные диаграммы туннельного диода при прямом смещении, соответствующие трем точкам на прямом участке вольт-амперной характеристики.

Рис. 4.17. Зонные диаграммы туннельного диода при прямом смещении:

а) участок 1; б) участок 2; в) участок 3

На участке 1 при небольшом прямом напряжении напротив электронов зоны проводимости начинают появляться свободные места в валентной зоне при той же самой энергии. По мере роста напряжения число свободных мест возрастает и ток растет с ростом напряжения. Туннельный ток достигает максимума, когда все свободные места в валентной зоне оказываются по энергии напротив энергетических уровней, занятых электронами в зоне проводимости (участок 2). Затем, по мере роста прямого напряжения, число этих свободных мест начинает уменьшаться, поскольку по энергии напротив уровней, занятых электронами в зоне проводимости оказываются состояния в запрещенной зоне (энергетические уровни в идеальных полупроводниках в запрещенной зоне отсутствуют). На участке 3 туннельный ток уменьшается с ростом напряжения и превращается в ноль, когда запрещенная зона p⁺ полупроводника будет находиться по энергии напротив уровней, занятых электронами в зоне проводимости.

При дальнейшем росте прямого напряжения появляется компонента обычного диффузионного тока p n перехода.

Участок 3 на рисунке 4.17 – это участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Рассмотрим более подробно вольт амперную характеристику туннельного диода.

Решение уравнения (4.18) для случая прямого смещения имеет следующий вид:

, (4.24)

где ε₁ и ε₂ – расстояние от энергии Ферми до дна зоны проводимости или вершины валентной зоны.

Рис. 4.18. Температурные зависимости прямого тока от напряжения в туннельных диодах [23, 25]:

а) германиевый диод 1И403; б) арсенидгаллиевый диод 3И202

Расчет вольт-амперных характеристик туннельного диода по уравнению (4.24) дает хорошее согласие с экспериментом. На рисунке 4.18 приведены температурные зависимости прямого тока от напряжения в туннельных диодах, изготовленных из германия и арсенида галлия. Видно, что у диода с более широкозонным материалом GaAs, чем Ge, минимум тока наблюдается при больших значениях прямого напряжения.

Отметим, что туннельный диод имеет высокие значения максимальной граничной частоты f_max ~ 10⁹ Гц, поскольку времена процессов при туннелировании составляют наносекунды, то есть _min ~ 10^-9 c. По этой причине туннельные диоды используются в СВЧ технике.

Рассмотрим вольт амперные характеристики p n перехода в особом случае, когда энергия Ферми в электронном и дырочном полупроводниках совпадает или находится на расстоянии ± kT/q от дна зоны проводимости или вершины валентной зоны. В этом случае вольт амперные характеристики такого диода при обратном смещении будут точно такие же, как и у туннельного диода, то есть при росте обратного напряжения будет быстрый рост обратного тока. Что касается тока при прямом смещении, то туннельная компонента ВАХ будет полностью отсутствовать в связи с тем, что нет полностью заполненных состояний в зоне проводимости. Поэтому при прямом смещении в таких диодах до напряжений, больше или равных половине ширины запрещенной зоны, ток будет отсутствовать. С точки зрения выпрямительного диода вольт амперная характеристика такого диода будет инверсной, то есть будет высокая проводимость при обратном смещении и малая при прямом. В связи с этим такого вида туннельные диоды получили название обращенных диодов. На рисунке 4.19 приведена вольт амперная характеристика обращенного диода.

Рис. 4.19. Вольт амперная характеристика германиевого обращенного диода ГИ403 [23, 25]:

а) полная ВАХ; б) обратный участок ВАХ при разных температурах

Таким образом, обращенный диод – это туннельный диод без участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Высокая нелинейность вольт-амперной характеристики при малых напряжениях вблизи нуля (порядка микровольт) позволяет использовать этот диод для детектирования слабых сигналов в СВЧ диапазоне.

4.6. Переходные процессы в полупроводниковых диодах

При быстрых изменениях напряжения на полупроводниковом диоде на основе обычного p n перехода значение тока через диод, соответствующее статической вольт-амперной характеристике, устанавливается не сразу. Процесс установления тока при таких переключениях обычно называют переходным процессом. Переходные процессы в полупроводниковых диодах связаны с накоплением неосновных носителей в базе диода при его прямом включении и их рассасывании в базе при быстром изменении полярности напряжения на диоде. Так как электрическое поле в базе обычного диода отсутствует, то движение неосновных носителей в базе определяется законами диффузии и происходит относительно медленно. В результате кинетика накопления носителей в базе и их рассасывание влияют на динамические свойства диодов в режиме переключения.

Рассмотрим изменения тока I при переключении диода с прямого напряжения U на обратное напряжение. На рисунке 4.20 показаны эпюры изменения напряжения и тока на диоде.

Рис. 4.20. Эпюры изменения напряжения и тока при переключении диода:

а) напряжение; б) ток

В стационарном случае величина тока в диоде описывается уравнением . После завершения переходных процессов величина тока в диоде будет равна J₀.

Рассмотрим кинетику переходного процесса, то есть изменение тока p n перехода при переключении с прямого напряжения на обратное. При прямом смещении диода на основе несимметричного p n перехода происходит инжекция неравновесных дырок в базу диода.

Изменение во времени и пространстве неравновесных инжектированных дырок в базе описывается уравнением непрерывности:

. (4.25)

В момент времени t = 0 распределение инжектированных носителей в базе определяется из диффузионного уравнения и имеет вид:

. (4.26)

Из общих положений ясно, что в момент переключения напряжения в диоде с прямого на обратное величина обратного тока будет существенно больше, чем тепловой ток диода. Это произойдет потому, что обратный ток диода обусловлен дрейфовой компонентой тока, а ее величина в свою очередь определяется концентрацией неосновных носителей. Эта концентрация значительно увеличена в базе диода за счет инжекции дырок из эмиттера и описывается в начальный момент уравнением (4.26).

С течением времени концентрация неравновесных носителей будет убывать, следовательно, будет убывать и обратный ток. За время t₂, называемое временем восстановления обратного сопротивления или временем рассасывания, обратный ток придет к значению, равному тепловому току.

Для описания кинетики этого процесса запишем граничные и начальные условия для уравнения (4.25) в следующем виде.

В момент времени t = 0 справедливо уравнение (4.26). При установлении стационарного состояния в момент времени стационарное распределение неравновесных носителей в базе описывается соотношением: .

Обратный ток обусловлен только диффузией дырок к границе области пространственного заряда p n перехода:

. (4.27)

Процедура нахождения кинетики обратного тока следующая. Учитывая граничные условия, решается уравнение (4.25) и находится зависимость концентрации неравновесных носителей в базе p(x,t) от времени и координаты. На рисунке 4.21 приведены координатные зависимости концентрации p(x,t) в различные моменты времени.

Рис. 4.21. Координатные зависимости концентрации p(x,t) в различные моменты времени [28, 15]

Подставляя динамическую концентрацию p(x,t) в (4.27), находим кинетическую зависимость обратного тока J(t).

Зависимость обратного тока J(t) имеет следующий вид:

. (4.28)

Здесь – дополнительная функция распределения ошибок, равная . Первое разложение дополнительной функции ошибок имеет вид: .

Разложим функцию (4.28) в ряд в случаях малых и больших времен: t _p; t >> _p. Получаем [28, 15]:

; (4.29)

. (4.30)

Из соотношения (4.30) следует, что в момент t = 0 величина обратного тока будет бесконечно большой. Физическим ограничением для этого тока будет служить максимальный ток, который может протекать через омическое сопротивление базы диода r_Б при обратном напряжении U. Величина этого тока, называемого током среза J_ср, равна: J_ср = U/r_Б.

Рис. 4.22. Зависимость обратного тока от времени при переключении диода

Время, в течение которого обратный ток постоянен, называют временем среза.

Для импульсных диодов время среза τ_ср и время восстановления τ_в обратного сопротивления диода являются важными параметрами. Для уменьшения их значения существуют несколько способов. Во-первых, можно уменьшать время жизни неравновесных носителей в базе диода за счет введения глубоких рекомбинационных центров в квазинейтральном объеме базы. Во-вторых, можно делать базу диода тонкой для того, чтобы неравновесные носители рекомбинировали на тыльной стороне базы.

Достарыңызбен бөлісу:

Полупроводниковый диод . Классификация параметры и обозначения…

Привет, Вы узнаете про полупроводниковый диод, Разберем основные ее виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое полупроводниковый диод,вах диодов,классификация диодов,уго диодов,вольтамперная характеристика диодов,параметры диодов,простейший выпрямитель,простейший стабилизатор,диод , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база

Полупроводниковым диод ом называют электропреобразовательный прибор, который, как правило, содержит один или несколько электрических переходов и два вывода для подключения к внешней цепи. Принцип работы большинства диодов основан на использовании различных физических явлений в электрических переходах. Наиболее часто в диодах применяют электроннодырочные переходы, контакты металл-полупроводник, анизотипные гетеропереходы. Однако существуют диоды, структура которых не содержит выпрямляющих электрических переходов (например, диод Ганна) либо содержит несколько переходов (например, p-i-n-диод, динистор), а также диоды с более сложной структурой переходов (например, MДM- и MДП-диоды и др.).

полупроводниковый диод — полупроводниковый прибор, в широком смысле — электронный прибор, изготовленный из полупроводникового материала, имеющий два электрических вывода (электрода). В более узком смысле — полупроводниковый прибор, во внутренней структуре которого сформирован один p-n-переход.

В отличие от других типов диодов, например, вакуумных, принцип действия полупроводниковых диодов основывается на различных физических явлениях переноса зарядов в твердотельном полупроводнике и взаимодействии их с электромагнитным полем в полупроводнике.

Полупроводниковыми диодами называются полупроводниковые приборы с одним p-n-переходом и двумя выводами.

Полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом, работа которого заключается в преобразования одних электрических значений в другие, называют диодом. В конструкции данного изделия предусматривается два вывода для монтажа.
Сущесвуют также диодные сборки с множеством выводов.

классификация диодов .

Классификация диодов

Типы диодов по назначению

• Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный.
• Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов, предназначены для применения в импульсных режимах работы.
• Детекторные диоды предназначены для детектирования сигнала
• Смесительные диоды предназначены для преобразования высокочастотных сигналов в сигнал промежуточной частоты.
• Переключательные диоды предназначены для применения в устройствах управления уровнем сверхвысокочастотной мощности.
• Параметрические
• Ограничительные диоды предназначены для защиты радио и бытовой аппаратуры от повышения сетевого напряжения.
• Умножительные
• Настроечные
• Генераторные

Типы диодов по частотному диапазону

• Низкочастотные
• Высокочастотные
• СВЧ

Типы диодов по размеру перехода

• Плоскостные
• Точечные
• Микросплавные

Типы диодов по принципу работы и конструкции

• Диоды Шоттки
• СВЧ-диоды
• Стабилитроны
• Стабисторы
• Варикапы
• Светодиоды
• Фотодиоды
• Pin диод
• Лавинный диод
• Лавинно-пролетный диод
• Диод Ганна
• Туннельные диоды
• Обращенные диоды

Другие типы

• Селеновый выпрямитель (вентиль)
• Медно-закисный выпрямитель (вентиль, купрокс)
• алмазный диод- применяется в высокотемпературных средах (бурение, иследование других планети т.д.)

По мощности

В зависимости от конструктивных особенностей, разные диоды способны рассеивать в пространство различную

мощность, которая ограничивается тепловым разрушением материала проводимости или p-n перехода. Таким образом, диоды делят на:

• Маломощные;
• Средней мощности;
• Большой мощности (силовые).

По исполнению корпуса

Один и тот же вид диода может изготавливаться в различных корпусах. Для портативных устройств лучшим вариантом является диоды в форм-факторе SMD. Проволочные выводы в них заменены контактными площадками. Это обеспечивает им минимальные габаритные размеры, а также позволяет отказаться от монтажа в отверстия платы печатной платы и перейти на поверхностный. Сейчас поверхностным монтажом собирается более 95% портативных устройств. Его просто автоматизировать, а пайка ведется с помощью инфракрасной печи или ручного паяльного фена.

Рисунок 3.1 – Упрощенная структура и условное графическое обозначение полупроводникового диода.

Рисунок 3.1 – Устройство плоскостного диода.

Рисунок 3.1 – Устройство точечного диода.

Под понятием полупроводникового диода собрано множество приборов с различным назначением. Приборы с одним p—n-переходом;

1. выпрямительный диод — достаточно мощный, позволяющий получать из переменного тока постоянный для питания нагрузки;
2. импульсный диод;
3. лавинно-пролетный диод;
4. туннельный диод — диод с участком, обладающим отрицательным дифференциальным сопротивлением;
5. стабилитрон — диод, работающий на напряжении электрического пробоя в обратном направлении;
6. варикап — диод с управляемой напряжением емкостью ЭДП в обратном включении;
7. диод с накоплением заряда — импульсный диод с малым временем восстановления обратного сопротивления, выполненный методом диффузии примесей.

Приборы с иными разновидностями полупроводниковых структур:

1. диод Ганна — полупроводниковый прибор без p—n-перехода, использующий эффект доменной неустойчивости;
2. диод шоттки — прибор со структурой металл — полупроводник, с уменьшенным падением напряжения в прямом направлении;

Фотоэлектрические приборы со структурой типа p—i—n:

1. фотодиод — диод, преобразующий свет в разность потенциалов;
2. светодиод — диод, излучающий свет.

Также, помимо прочего, к диодам относят:

1. динистор, неуправляемый тиристор , имеющий слоистую p—n—p—n-структуру;

Плоскостные диоды обладают с высокими емкостными характеристиками. С увеличением частоты емкостное сопротивление понижается, что приводит к нарастанию его обратного тока. На больших частотах вследствие того в диоде есть емкость, величина его обратного тока может достичь значения прямого тока, и этот диод, таким образом, утратит свое основное свойство односторонней электропроводности. Для сохранения своих функциональных качеств необходимо снизить емкость диода. Это достигается с помощью всевозможных технологических и конструктивных методов, направленных на сокращения площади p-n-перехода.

В диодах, используемых в схемах, работающих с высокочастотным током, применяют изделия с точечными и микросплавными p-n-переходами. Нужный точечный p-n-переход, получается в месте контакта заостренного окончания специальной металлической иглы с полупроводником. При этом применяют способ электроформования, заключающемся в том, что через соединение проволоки и кристалла полупроводники протекают импульсы электрического тока, формирующие в месте их контакта p-n-переход . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Микросплавными называются такие диоды, у которых p-n-переход создается при электроформовании контакта между пластинкой полупроводника и металлическим предметом с плоским торцом.

Выпрямительные диоды.

SMD форм-фактор не подходит для сильноточных диодов. Поэтому там изготавливают диоды в классическом корпусе с двумя выводами. При токах на диоде свыше 10 ампер необходимо уже обеспечивать принудительное охлаждение диода. Для этого они снабжаются болтом и гайкой для крепления к теплоотводящему радиатору. Сейчас серийно выпускаются выпрямительные диоды с максимально допустимым током до 2500 А и напряжением 2000 вольт. Такие модели изготавливаются в дисковом корпусе диаметром около 70 мм. Оба торца являются токоведущими выводами и теплоотводящими поверхностями. Выпрямительные диоды часто делаются в виде сборок по четыре (диодный мост).

Универсальные диоды .

Универсальные импульсные диоды применяются в большом количестве при изготовлении бытовых электронных устройств. Там с помощью них реализуют логические операции, выпрямляют токи небольшой величины. Объемы их выпуска наиболее велики. Цена на них при оптовой покупке составляет несколько центов и менее.

Стабилитроны и варикапы.

Стабилитроны являются простым сенсором, реагирующим на изменение напряжения. Именно такую функцию они выполняют в стабилизаторах напряжения. При помощи организации специальной схемы, маломощным стабилитроном можно стабилизировать значительные токи.

Варикапы являются неотъемлемым компонентом современных радиочастотных схем. Именно с помощью них осуществляется модуляция и перестройка частоты. Важнейшая характеристика варикапа — перекрываемая емкость и добротность. От этого зависит, на какой рабочей частоте может работать варикап. Для СВЧ схем требуются очень высокие значения добротности.

Основные характеристики и параметры диодов

• Вольт-амперная характеристика
• Максимально допустимое постоянное обратное напряжение
• Максимально допустимое импульсное обратное напряжение
• Максимально допустимый постоянный прямой ток
• Максимально допустимый импульсный прямой ток
• Номинальный постоянный прямой ток
• Прямое постоянное напряжение на диоде при номинальном токе (т. н. «падение напряжения»)
• Постоянный обратный ток, указывается при максимально допустимом обратном напряжении
• Диапазон рабочих частот
• Ёмкость
• Пробивное напряжение (для защитных диодов и стабилитронов)
• Тепловое сопротивление корпуса при различных вариантах монтажа
• Максимально допустимая мощность рассеивания

система параметров приводятся в справочниках.

Эта система позволяет правильно выбрать диод для применения в конкретных условиях.
Iпр – прямой ток, проходящий в прямом направлении,
Uпр – прямое напряжение,
Iпр max – максимально доступный прямой ток,
Uобр max – максимально доступное обратное напряжение,
Iобр – обратный ток диода,
Uобр – обратное напряжение диода – (постоянное напряжение, приложенное к диоду в обратном направлении).

• Вольт-амперная характеристика
• Максимально допустимое постоянное обратное напряжение
• Максимально допустимое импульсное обратное напряжение
• Максимально допустимый постоянный прямой ток
• Максимально допустимый импульсный прямой ток
• Номинальный постоянный прямой ток
• Прямое постоянное напряжение на диоде при номинальном токе (т. н. «падение напряжения»)
• Постоянный обратный ток, указывается при максимально допустимом обратном напряжении
• Диапазон рабочих частот
• Ёмкость
• Пробивное напряжение (для защитных диодов и стабилитронов)
• Тепловое сопротивление корпуса при различных вариантах монтажа
• Максимально допустимая мощность рассеивания

Пример: КД204А Iпр = 2 А, Uобрmax = 400 В,
Uпр = 1.4 В, Iобр = 150 мкА
Диоды, как нелинейные элементы, характеризуются
статическим Rc = U/I
дифференциальным (динамическим) Rдиф = ∆U/∆I

Условное графическое изображение (УГО)диодов на схемах

Общее обозначение диода

Так обозначают на схемах выпрямительные, высокочастотные, импульсные диоды.

---

Обозначение стабилитронов

---

Обозначение двухстроннего стабилитрона

Двухсторонний стабилитрон чаще называют двуханодным. Главная прелесть состоит в том, что его можно включать независимо от полярности. Причем стабилитроны одной и той же марки могут быть как двухсторонними, так и односторонними, например, КС162, КС168, КС133 и др. бывают в железных корпусах (или в стекле) и они односторонние, а бывают в пластмассe обычно красного цвета — двуханодные.

---

Oбозначение варикапа

---

Обозначение варикапной матрицы

---

Обозначение туннельного диода

---

Oбозначение обращенного туннельного диода

---

Oбозначение диода с барьером Шотки (диод Шотки)

---

Oбозначение светодиода

---

Oбозначение фотодиода

Плоскостные

В зависимости от разработки диода его обозначение может включать дополнительные символы . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . В любом случае вершина треугольника, примыкающая к осевой линии диода, указывает на направление протекания тока. В той части обозначения, где располагается треугольник , находится p-область, которую еще называют анодом или эмиттером, а со стороны, где к треугольнику примыкает отрезок , находится n-область, которую соответственно называют катодом, или базой.

Выпрямительные Стабилитрон Туннельные Варикапы Светодиоды Фотодиоды

Условные графические обозначения элементов, компонентов и устройств волоконно-оптических систем передачи с применением диодов

обозначение лазерных диодов

Система маркировки диодов

1 – исходный материал:
германий — буква Г или цифра 1 ;
кремний — буква К или цифра 2 ;
галлий — буква А или цифра 3 ;
индий — буква И или цифра 4
2 – тип прибора:
А — СВЧ диоды
В — варикап ы
Д — выпрямительные и импульсные
И — туннельные диоды
Л — излучающие диоды (светодиоды)
Н — диодные тиристоры ( динисторы )
С — стабилитрон ы
Ц — выпрямительные столбы и блоки
3 – цифры обозначают некоторые основные параметры диода (мощность) (для стабилитронов четвертый элементы характеризуют напряжение стабилизации),
4 – буквы и /или цифры, обозначающие порядковый номер разработки
5 — буква, определяющая классификацию по параметрам.

Вольтамперная характеристика (ВАХ) диодов

Полупроводниковые диоды, назначение которых заключается в преобразовании переменного тока в постоянный ток, называются выпрямительными. Выпрямление переменного тока с использованием полупроводникового диода построено на основе его односторонней электропроводности, которая заключается в том, что диод создает очень малое сопротивление току, текущему в прямом направлении, и достаточно большое сопротивление обратному току.

Для того чтобы выпрямить ток большой силы не опасаясь теплового пробоя, конструкция диодов должна предусматривать значительную площадь p-n-перехода. В связи, с чем в выпрямительных полупроводниковых диодах задействуют специальные p-n-переходы соответствующие последнему слову науки и техники.

Технология создания p-n-перехода получается, за счет ввода в полупроводник p-или n-типа примеси, которая создает в нем область с противоположным значением электропроводности. Примеси можно добавлять методом сплавления или диффузии.

Диоды, получаемые методом сплавления, называют «сплавными», а изготавливаемые методом диффузии «диффузионными».

График стабилитрона

Вольтамперная характеристика (ВАХ) реального диода

Для технических целей используют ВАХ в линейных координатах.
При больших напряжениях обратного смещения в диоде может развиться пробой – резкое увеличение обратного тока при незначительном изменении напряжения. При лавинном пробое электроны в электрическом поле p-n перехода приобретают энергию, достаточную для ионизации собственных атомов полупроводника. Это приводит к лавинному размножению носителей заряда, резкому увеличению их локальной концентрации и соответственно тока. После развития лавинного пробоя диод не теряет свою работоспособность. Этот вид пробоя используется в полупроводниковых стабилитронах, о свойствах которых будет сказано далее.
Тепловой пробой развивается в результате локального разогрева области p-n перехода, и как следствия, увеличения концентрации носителей заряда. Тепловой пробой является необратимым, после которого диод теряет свои свойства и работоспособность.

Вольтамперная характеристика идеального диода

Стабилитронами стабилизируют уровень напряжения примерно от 3,5 Ви выше. Для стабилизации постоянного напряжения до 1 вольта применяют стабисторы. У стабисторов работает не обратная, а прямая часть вольтамперной характеристики. Поэтому их подсоединяют не в обратном, как делают со стабилитронами, а в прямом направлении. Электронные компоненты, такие как стабисторы и стабилитроны, как правило, изготовляются, из кремния.

Вольтамперная характеристика стабистора

Принцип действия универсального диода

Вольт-амперная характеристика диода описывается уравнением Шокли:

где

Темновой ток насыщения — ток утечки диода, определяемый его конструкцией, является масштабным коэффициентом. Коэффициент идеальности — также конструктивная характеристика диода. Для идеального диода равен 1, для реальных диодов колеблется от 1 до 2 в зависимости от различных параметров (резкость перехода, степень легирования и пр.)

простейший выпрямитель

Простейший выпрямитель

В ходе положительного полупериода входного напряжения U1 диод Vработает в прямом направлении, его сопротивление маленькое и на нагрузке RH напряжение U2практически равно входящему напряжению.

График напряжения на входе и выходе простейшего однополупериодного выпрямителя

При отрицательном полупериоде данного входного напряжения диод включен в направлении обратно, где его сопротивление формируется значительно больше, чем сопротивление на нагрузке, и почти все входящее напряжение падает на диоде, а напряжение на нагрузке приближается к нулю В такой схеме для получения выпрямленного напряжения используется всего лишь один полупериод входящего напряжения, поэтому такой тип выпрямителей называется однополупериодным.

Простеший сабилизатор

Полупроводниковые диоды, которые используются для стабилизации постоянного напряжения на нагрузке, называют стабилитронами. В стабилитронах задействован участок обратной участка вольтамперной характеристики в поле электрического пробоя.

Схема простейшего стабилизатора напряжения

В данном случае при изменении тока, проходящего через стабилитрон, от Iст. мин. до Iст. макс. напряжение на нем практически не изменяется. Если нагрузка RH включена параллельно стабилитрону, уровень напряжения на ней также будет оставаться неизменным в указанных пределах изменения тока, проходящего через стабилитрон.

Интересные факты о диодах

• В первые десятилетия развития полупроводниковой технологии точность изготовления диодов была настолько низкой, что приходилось делать «разбраковку» уже изготовленных приборов. Так, диод Д220 мог, в зависимости от фактически получившихся параметров, маркироваться и как переключательный (Д220А, Б), и как стабистор (Д220С) Радиолюбители широко использовали его в качестве варикапа.
• Диоды могут использоваться как датчики температуры.
• Диоды в прозрачном стеклянном корпусе (в том числе и современные SMD-варианты) могут обладать паразитной чувствительностью к свету (то есть радиоэлектронное устройство работает по-разному в корпусе и без корпуса, на свету). Существуют радиолюбительские схемы, в которых обычные диоды используются в качестве фотодиода и даже в качестве солнечной батаре

См. также:

На этом все! Теперь вы знаете все про полупроводниковый диод, Помните, что это теперь будет проще использовать на практике. Надеюсь, что теперь ты понял что такое полупроводниковый диод,вах диодов,классификация диодов,уго диодов,вольтамперная характеристика диодов,параметры диодов,простейший выпрямитель,простейший стабилизатор,диод и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то нестесняся пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база

различных типов полупроводниковых устройств

В этой статье мы немного поговорим о полупроводниковых устройствах в целом, о некоторых наиболее известных типах полупроводниковых устройств и многих других аспектах полупроводников.

Введение

За последние 70 лет полупроводники стали ключевым элементом в производстве электроники. С момента изобретения транзистора мир электроники всегда находился на экспоненциальной кривой с точки зрения исследований, разработок, производства, создания новых устройств и технологий.

Электронные устройства предназначены для обработки информации, то есть для высокоскоростной передачи, сбора и обработки информации в областях промышленности и производства, связи, искусства, медицины и даже военного дела.

Но все это можно связать с сердцем современной электроники и ее производства: полупроводниковыми приборами.

Несмотря на то, что электронная система изготавливается с использованием металлов, диэлектриков и полупроводников (подробнее об этом позже), полупроводники считаются основой электроники.

Что такое полупроводник?

Прежде чем перейти к обсуждению различных типов полупроводниковых устройств, важно иметь представление о том, что такое полупроводник.

Проще говоря, полупроводники — это материалы, которые не являются ни проводниками, ни изоляторами. Если немного подробнее остановиться на этом, материалы классифицируются на проводники, изоляторы и полупроводники в зависимости от их способности проводить электричество.

Проводники — это материалы с очень хорошей электрической проводимостью.Обычно металлы обладают хорошей электропроводностью, и вы можете найти медь или алюминий в электропроводке вашего дома.

Напротив, изоляторы — это материалы с очень плохой электропроводностью. Стекло, дерево и бумага — хорошие примеры изоляторов.

Теперь давайте поговорим о важной категории материалов для нашего обсуждения, то есть о полупроводниках. При комнатной температуре полупроводники представляют собой материалы с более низкой электропроводностью, чем проводники, но с более высокой электропроводностью, чем изоляторы.

ПРИМЕЧАНИЕ: Для более детального понимания полупроводников, вы должны углубиться в красиво сложную квантовую механику, которая «определенно» выходит за рамки этого обсуждения.

Полупроводниковые материалы

Если говорить об электропроводности в единицах Ом ^-1 см ^-1 , полупроводниковыми материалами являются материалы с удельной электропроводностью между 10 ^-9 Ом ^-1 см ^-1 и 10 ² Ом ^-1 см ^-1 .

Традиционно элементы IV группы, такие как кремний (Si) и германий (Ge), считаются элементарными полупроводниковыми материалами, то есть полупроводниками, состоящими только из одного атома.

Существуют и другие типы полупроводниковых материалов, которые могут быть образованы путем комбинирования элементов из группы III с элементами группы V, и они известны как составные полупроводники. Арсенид галлия (GaAs) — самый известный полупроводниковый материал в этой категории и фактически второй после кремния как наиболее часто используемый полупроводниковый материал.

Что такое полупроводниковые приборы?

Проще говоря, полупроводниковые устройства — это тип электронных компонентов, которые спроектированы, разработаны и изготовлены на основе таких полупроводниковых материалов, как кремний (Si), германий (Ge) и арсенид галлия (GaAs).

С момента своего использования в конце 1940-х (или начале 1950-х) полупроводники стали основным материалом при производстве электроники и ее разновидностей, таких как оптоэлектроника и термоэлектроника.

До использования полупроводниковых материалов в электронных устройствах, вакуумные лампы использовались в конструкции электронных компонентов.Основное различие между электронными лампами и полупроводниковыми устройствами состоит в том, что в электронных лампах проводимость электронов происходит в газообразном состоянии, тогда как в случае полупроводниковых устройств это происходит в «твердом состоянии».

Полупроводниковые приборы можно найти как в виде дискретных компонентов, так и в виде интегральных схем.

Почему полупроводники?

Основная причина использования полупроводниковых устройств (и, следовательно, лежащих в основе полупроводниковых материалов) в производстве электронных устройств и компонентов — это возможность легко управлять проводимостью носителей заряда i.е. электроны и дырки.

Как упоминалось ранее, электропроводность полупроводниковых материалов находится между проводниками и изоляторами. Даже эта проводимость может контролироваться внешними или внутренними факторами, такими как электрическое поле, магнитное поле, свет, температура и механические искажения.

Пренебрегая пока внешними факторами, такими как температура и свет, процесс, называемый легированием, обычно применяется к полупроводниковым материалам, когда примеси вводятся в их структуру для изменения структурных, а также электрических свойств.

Чистый полупроводник известен как внутренний полупроводник, а нечистый или легированный полупроводник известен как внешний полупроводник.

Когда количество свободных электронов в полупроводниковой структуре увеличивается после легирования, полупроводник известен как полупроводник n-типа. Точно так же, если количество отверстий увеличено, он известен как полупроводник p-типа.

Различные типы полупроводниковых устройств

Ниже приводится небольшой список некоторых из наиболее часто используемых полупроводниковых устройств.В зависимости от физической структуры устройства следующий список подразделяется на устройства с двумя терминалами и устройства с тремя терминалами.

Двухконтактные полупроводниковые приборы

• Диод
• Диод Шоттки
• Светоизлучающий диод (светодиод)
• DIAC
• Стабилитрон
• Фотодиод (фототранзистор)
• PIN-диод
• Лазерный туннельный диод
• Фотоэлемент
• Солнечный элемент
• Диод Ганна
• Диод IMPATT
• Диод TVS (диод подавления переходных напряжений)
• VCSEL (Лазер с вертикальной полостью, излучающий поверхность)

Трехполюсные полупроводниковые устройства

Биполярные устройства
• Полевой транзистор
• Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT)
• Транзистор Дарлингтона
• Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR)
• TRIAC
• Тиристор
• Однопереходный транзистор

Есть также несколько четырехконтактных полупроводников (например, оптопары) Оптопару) и датчик на эффекте Холла.

Для получения дополнительной информации о некоторых из вышеупомянутых полупроводниковых устройств, прочтите « P-N Junction Diode », « Transistor », « Thyristor ».

Применение полупроводниковых приборов

Как упоминалось ранее, полупроводниковые приборы являются основой почти всех электронных устройств. Вот некоторые из областей применения полупроводниковых устройств:

• Транзисторы являются основными компонентами в различных интегральных схемах, таких как микропроцессоры.
• Фактически, они являются основными компонентами в конструкции логических вентилей и других цифровых схем.
• Транзисторы также используются в аналоговых схемах, таких как усилители и генераторы.

P-N переходный полупроводниковый диод — диод

Что такое полупроводниковый диод с p-n переходом?

А диод с p-n переходом — двухполюсный или двухэлектродный полупроводниковый прибор, который пропускает электрический ток только в одном направлении в то время как блокирует электрический ток в обратном или обратном направлении направление.Если диод смещен в прямом направлении, это позволяет электрический ток. С другой стороны, если диод с обратным смещением, он блокирует прохождение электрического тока. P-N переходный полупроводниковый диод также называется p-n переходом полупроводниковый прибор.

В n-тип полупроводники, бесплатно электроны являются основными носителями заряда, тогда как в р-тип полупроводники, отверстия являются основными носителями заряда.Когда n-тип полупроводник соединен с полупроводником p-типа, p-n стык образуется. P-n переход, который образуется при соединении полупроводников p-типа и n-типа называется p-n переходным диодом.

П-П переходной диод изготовлен из полупроводниковых материалов. такие как кремний, германий и арсенид галлия.Для при разработке диодов кремний более предпочтителен, чем германий. Диоды на p-n-переходе из кремния полупроводники работают при более высоких температурах по сравнению с с диодами p-n-перехода из германия полупроводники.

основной символ p-n-переходного диода при прямом смещении и Обратное смещение показано на рисунке

ниже.

В На рисунке выше стрелка диода указывает на условное направление электрического тока, когда диод смещен в прямом направлении (от положительной клеммы к отрицательная клемма).Отверстия, которые движутся от положительного клемма (анод) к отрицательной клемме (катод) условное направление тока.

Свободные электроны, движущиеся от отрицательной клеммы (катод) к положительной клемме (анод) на самом деле переносят электрический ток. Однако из-за условию мы должны предположить, что текущее направление от положительной клеммы к отрицательной.

Смещение полупроводниковый диод p-n переход

процесс подачи внешнего напряжения на p-n переход полупроводниковый диод называется подмагничивающим. Внешнее напряжение на диод с p-n переходом применяется любым из двух способов: прямое смещение или обратное смещение.

Если диод p-n-перехода смещен в прямом направлении, это позволяет электрический ток.В условиях прямого смещения Полупроводник p-типа подключается к положительной клемме батареи тогда как; полупроводник n-типа подключен к отрицательный полюс аккумуляторной батареи.

Если диод p-n перехода имеет обратное смещение, он блокирует электрический ток. В условиях обратного смещения Полупроводник p-типа подключается к отрицательной клемме батареи тогда как; полупроводник n-типа подключен к положительный полюс аккумуляторной батареи.

Клеммы pn переходного диода

Как правило, Терминал относится к точке или месту, в котором любой объект начинается или заканчивается. Например, автовокзал или конечная остановка — это место, в котором все автобусы начинаются или заканчиваются. Точно так же в диод с p-n переходом, клемма означает точку, в которой носители заряда начинается или заканчивается.

П-н переходной диод состоит из двух выводов: положительного и отрицательный.В положительный полюс, все свободные электроны закончатся, и все отверстия начнутся, тогда как на отрицательной клемме все свободные электроны начнутся, и все дырки закончатся.

• Терминалы диода прямого смещения

  
  

В диод с прямым смещением p-n перехода (p-тип подключен к положительный терминал и n-тип подключен к отрицательному клемма), клемма анода является положительной клеммой, тогда как катодная клемма — отрицательная клемма.

Анод клемма — положительно заряженный электрод или проводник, который поставляет отверстия в p-n переход. Другими словами, анодный или анодный вывод или положительный вывод является источником положительных носителей заряда (дырок) положительный заряд носители (отверстия) начинают свой путь от анодного терминала и проходит через диод и заканчивается на катодном выводе.

Катод отрицательно заряженный электрод или проводник, который поставляет свободные электроны в p-n переход. Другими словами, катодный вывод или отрицательный вывод является источником свободного электроны, отрицательные носители заряда (свободные электроны) начинает свое путешествие от катодного терминала и проходит через диод и заканчивается на анодном выводе.

свободные электроны притягиваются к анодному выводу или положительный вывод, а отверстия притягиваются к катодный вывод или отрицательный вывод.

• Терминалы диода обратного смещения

  
  

Если диод имеет обратное смещение (p-тип подключен к отрицательному клемма и n-тип, подключенный к положительной клемме), клемма анода становится отрицательной клеммой, тогда как катодная клемма становится положительной клеммой.

Анод клемма или отрицательная клемма поставляет свободные электроны на p-n переход. Другими словами, анодный вывод — это источник свободных электронов, свободные электроны начинают свой путь на отрицательном или анодном выводе и заполняет большое количество дырки в полупроводнике p-типа. Отверстия в р-образном полупроводник притягивается к отрицательному выводу.Свободные электроны с отрицательной клеммы не могут двигаться к положительной клемме, потому что широкое истощение область на p-n-переходе сопротивляется или противодействует потоку свободные электроны.

Катод терминал или положительный терминал обеспечивает отверстия для p-n соединение. Другими словами, катодный вывод является источником дыры, дыры начинают свой путь на положительном или катодном терминал и занимает позицию электронов в n-типе полупроводник.Свободные электроны в n-типе полупроводник притягивается к положительному выводу. Отверстия от положительного вывода не могут двигаться в сторону отрицательная клемма, потому что широкая область истощения на p-n переход препятствует потоку дырок.

Кремний и германиевые полупроводниковые диоды

• Для при разработке диодов кремний более предпочтителен, чем германий.
• г. Диоды с p-n переходом из кремниевых полупроводников работают при более высокой температуре, чем германий полупроводник диоды.
  
• Нападающий напряжение смещения для кремниевого полупроводникового диода составляет примерно 0,7 вольт, тогда как для германия полупроводниковый диод примерно 0.3 вольта.
  
• Кремний полупроводниковые диоды не пропускают электрический ток расход, если напряжение на кремниевом диоде меньше чем 0,7 вольт.
• Кремний полупроводник диоды начинают пропускать ток, если напряжение приложенный на диоде достигает 0,7 вольт.
• Германий полупроводниковые диоды не пропускают электрический ток потока, если напряжение, приложенное к германиевому диоду, равно меньше 0.3 вольта.
  
• Германий полупроводниковые диоды начинают пропускать ток, если напряжение на германиевом диоде достигает 0,3 вольт.
  
• г. Стоимость кремниевых полупроводников невысока по сравнению с германиевые полупроводники.

Преимущества диода p-n перехода

П-н переходной диод — самая простая форма из всех полупроводниковых устройств.Однако диоды играют важную роль во многих электронные устройства.

Полупроводниковый диод Определение и значение

Если вы читаете это, поблагодарите полупроводниковый диод .

Полупроводниковые диоды используются во всех видах современной электроники, включая процессоры в телефонах и компьютерах. Эта концепция была впервые открыта немецким физиком Фердинандом Брауном в 1874 году, но не получила широкого распространения до появления радио в начале 1900-х годов.Первыми коммерческими полупроводниковыми диодами были устройства, известные как детекторы кристаллов , запатентованные в 1906 году американским инженером-электриком Гринлифом У. Пикардом, который продавал их для радиоприложений. В наиболее распространенном типе кристаллического детектора использовалась тонкая пружинящая металлическая проволока, от которой и произошло его популярное название: детектор «кошачий усик» .

Среди простейших полупроводниковых устройств есть те, которые известны как p-n переход диоды . В большинстве случаев они сделаны из кремния, хотя также используется германий.Сам по себе кремний не очень хорошо проводит, но его проводимость можно улучшить, добавив другие элементы. В зависимости от того, что вы добавляете в кремний, он может стать либо материалом p-типа, который имеет положительный заряд, либо материалом n-типа, который имеет отрицательный заряд. Чтобы создать диод, смешивают материал p-типа и материал n-типа. P-тип — это анод , а n-тип — это катод .

На стыке, где встречаются два материала, они нейтрализуют друг друга, и область вокруг стыка не имеет заряда.Электрический ток не может пройти через него. Если вы добавите положительный электрический ток к положительному концу и отрицательный к отрицательному концу, соединение станет меньше, и электричество может течь через соединение. Но если вы перевернете это, перекресток станет больше, и ток не сможет пройти. Таким образом, электричество может проводиться только в одном направлении, и создается диод.

Другим основным типом диодов является термоэлектронный диод . Возможно, вы знаете их лучше как вакуумные лампы .В вакуумных трубках используются стеклянные трубки для создания вакуума, окружающего крошечный провод, который нагревает катод и высвобождает электроны. Затем анод притягивает электроны, что означает, что ток идет в этом направлении. Хотя этот тип диодов был распространен в ранних электрических приложениях, сегодня он в значительной степени заменен полупроводниковыми.

Полупроводниковые диоды используются повсюду вокруг нас во многих, многих электронных устройствах, на которые мы полагаемся в современной жизни. Например, диоды используются в устройствах защиты от перенапряжения (которые предохраняют все виды устройств от перегрева).Эти типы диодов открываются только при слишком высоком напряжении и выпускают лишнее, чтобы защитить ваше устройство от получения слишком большого количества электроэнергии.

PN Соединительный диод »Примечания по электронике

Диод с PN переходом — это основная форма полупроводникового прибора, а его технология лежит в основе многих других полупроводниковых приборов.

---

Diode Tutorial:
Типы диодов Характеристики и номиналы диодов PN переходный диод ВЕЛ PIN-диод Диод с барьером Шоттки Солнечный элемент / фотоэлектрический диод Варактор / варикап Стабилитрон

---

После резисторов и конденсаторов одним из наиболее широко используемых электронных компонентов является диод с PN переходом.

Диод с PN переходом — это основной формат полупроводниковых диодов. Он используется для многих форм выпрямления для уровней тока, больших и малых, а также для уровней высокого и низкого напряжения, и это полупроводниковое устройство находит множество применений во всех видах конструкций электронных схем.

PN-переход обладает очень полезным свойством: электроны могут течь только в одном направлении. Поскольку ток состоит из потока электронов, это означает, что ток может течь только в одном направлении через структуру, но не может течь в другом направлении через переход.

диодов с PN переходом можно получить из ряда полупроводниковых материалов — самые ранние диоды, как правило, делались из германия, но сегодня большинство из них представляют собой кремниевые диоды.

Диод прост по своей основной концепции, он сформирован из соединения материалов N-типа и P-типа, хотя на самом деле производство и теория работы более сложны.

Обозначение и полярность диодной цепи

Как и любой диод, диод с PN переходом имеет два контакта или два электрода.Отсюда и название: «ди-» означает два, а «-оде» — сокращение от электрода.

Один электрод полупроводникового прибора называется анодом, а другой — катодом. Чтобы ток протекал через переход PN-диода, он должен быть смещен в прямом направлении. В этих условиях обычный ток течет от анода к катоду, но не наоборот.

Обозначение диодной цепи и физическая ориентация диода

Полярность многих проводных диодов легко определить.«Полоса» на символе схемы соответствует катоду диода и часто отмечается белой линией по окружности самого диода. Ориентация SMD-диодов менее очевидна и обычно определяется в результате того, что диоды содержатся в таком же корпусе, что и транзисторы с тремя выводами — только два используются для SMD-диодов, но они могут быть ориентированы только в одном направлении.

Когда диод с PN-переходом смещен в прямом направлении, анод является положительным по отношению к катоду, и наоборот, при обратном смещении катод является положительным по отношению к аноду.

Полярность напряжения для работы диода с PN переходом

Это означает, что, когда диод используется в такой цепи, как выпрямитель, катод обеспечивает положительный выход — анод все еще остается более положительным, как показано на схеме ниже.

Диодный выпрямитель, показывающий полярности напряжения
Полярность на диоде для условий прямого смещения / проводимости

Эта схема показывает, как анод диода является положительным по отношению к катоду, а катод подключен к выходу, который является положительным по отношению к обратной стороне линия нулевого напряжения.Таким образом сохраняется полярность напряжения в цепи.

Разработка диода PN перехода

PN-переход — одна из самых важных структур в современной электронике. Он составляет основу большинства современных полупроводниковых технологий и был первым полупроводниковым устройством, которое использовалось.

Первым использованным полупроводниковым диодом был беспроводной извещатель Cat’s Whisker, который использовался в ранних беспроводных устройствах. Он состоял из проволоки, помещенной на материал, который фактически был полупроводником.Точка, где провод встречается с полупроводником, затем формирует небольшой PN-переход, который обнаруживает радиосигналы. На самом деле это была форма диода Шоттки, но, тем не менее, самая ранняя форма PN-перехода и полупроводникового устройства.

Типичный детектор кошачьих усов 1920-х годов

Диод или PN-переход был первой формой полупроводникового устройства, которое было исследовано в начале 1940-х годов, когда были предприняты первые настоящие исследования полупроводниковой технологии. Было обнаружено, что небольшие точечные контактные диоды могли исправлять некоторые из микроволновых частот, используемых в ранних радиолокационных системах, и в результате вскоре они нашли множество применений.

Сегодня узел PN претерпел значительное развитие. Многие разновидности диодов используются во множестве приложений. В дополнение к этому, PN-переход составляет основу большей части современной полупроводниковой технологии, где он используется в транзисторах, полевых транзисторах и многих типах интегральных схем.

PN-переход используется сегодня во многих полупроводниковых устройствах, включая полупроводниковые диоды, биполярные транзисторы, полевые транзисторы с переходом, полевые МОП-транзисторы, диакритические схемы, тиристоры и симисторы — они составляют основу огромного количества современных полупроводниковых технологий.

Примечание об изобретении PN-диода:

Диод с PN переходом был изобретен случайно, когда Рассел Ол, работающий в Bell Labs в США, заметил некоторые особенности в образце кремния с трещиной в его структуре.

Подробнее о Изобретение диода с PN переходом.

PN переход

PN-переход обычно изготавливается из цельного куска полупроводника, который имеет две разные области: одна сделана для P-типа, а другая для N-типа.

Соответственно, разные области полупроводника имеют разные свойства. Полупроводник N-типа имеет избыток электронов, в то время как P-тип имеет избыток дырок.

Диод можно представить как состоящий из двух областей, находящихся в тесном контакте друг с другом.

Когда это происходит, отверстия диффундируют в область N-типа, и аналогичный процесс происходит для материала P-типа.

Когда происходит эта диффузия, поток зарядов создает электрическое поле, которое начинает препятствовать потоку дальнейшего заряда, и вскоре достигается состояние равновесия, и дальнейший поток заряда не происходит.

Там, где две области встречаются и в состоянии равновесия нет свободных дырок или электронов. Это означает, что в этом регионе нет доступных зарядных устройств. Ввиду того, что эта область обеднена носителями заряда, она известна как область обеднения.

PN-переход полупроводникового диода без приложенного смещения

Область обеднения очень тонкая — часто всего несколько тысячных долей миллиметра — но этого достаточно, чтобы предотвратить нормальное протекание тока. Однако обнаружено, что в зависимости от способа приложения напряжения к переходу наблюдаются различные эффекты.

PN-переход полупроводникового диода с прямым смещением

• Текущий поток — Если напряжение приложено так, что область типа P становится положительной, а тип N становится отрицательной, дырки притягиваются к отрицательному напряжению и им помогают прыгнуть через слой истощения.

  Подобным образом электроны движутся к положительному напряжению и перепрыгивают через слой обеднения. Несмотря на то, что дырки и электроны движутся в противоположных направлениях, они несут противоположные заряды и в результате представляют собой ток, протекающий в одном направлении.

• Нет тока — Если напряжение подается на PN переход в противоположном направлении, ток не течет. Причина этого в том, что дырки притягиваются к отрицательному потенциалу, приложенному к области P-типа.

  Аналогичным образом электроны притягиваются к положительному потенциалу, приложенному к области N-типа. Другими словами, дырки и электроны притягиваются от самого перехода, и ширина обедненной области увеличивается.Соответственно, через PN-переход ток не течет.

Полупроводниковый диод PN переход с обратным смещением

Характеристики PN перехода

Хотя PN-переход обеспечивает отличное выпрямляющее действие, это не идеальный диод, имеющий бесконечное сопротивление в обратном направлении и нулевое сопротивление в прямом направлении. Для того, чтобы можно было использовать PN переход, необходимо немного знать о его свойствах и характеристиках при прямом и обратном смещении.

Глядя на характеристический график PN-перехода, можно увидеть, что в прямом направлении (с прямым смещением) можно увидеть, что очень небольшой ток течет до тех пор, пока не будет достигнуто определенное напряжение. Это представляет собой работу, которая требуется для того, чтобы носители заряда могли пересечь обедненный слой. Это напряжение варьируется от одного типа полупроводника к другому. Для германия оно составляет около 0,2 или 0,3 вольт, а для кремния — около 0,6 вольт.

Можно измерить напряжение около 0.6 В на большинстве диодов с малым током, когда они смещены в прямом направлении, поскольку большинство этих электронных компонентов являются кремниевыми. Небольшое число покажет более низкое напряжение и, вероятно, будет германием. Диоды выпрямителя мощности обычно имеют большее напряжение на них, но отчасти это связано с тем, что в кремнии есть некоторое сопротивление, а отчасти с тем, что протекают более высокие токи, и они работают дальше по кривой.

PN-диод IV характеристика

В обратном направлении идеальный диод не пропускал бы ток.На самом деле протекает небольшое количество тока, хотя оно, вероятно, будет очень маленьким и находится в области пикоампер или микроампер. На схеме он увеличен, чтобы его можно было увидеть. Хотя обычно он очень низкий, характеристики любого диода будут ухудшаться при более высоких температурах, и также обнаружено, что германий не так хорош, как кремний.

Этот обратный ток является результатом так называемых неосновных носителей. Это очень небольшое количество электронов, обнаруженных в области P-типа, или дырок в области N-типа.Ранние полупроводники имели относительно высокие уровни неосновных носителей, но теперь, когда производство полупроводниковых материалов стало намного лучше, количество неосновных носителей значительно уменьшилось, как и уровни обратных токов.

Базовый диодный переход PN используется сегодня во многих электронных компонентах всей электронной промышленности: во многих новых общих конструкциях электронных схем, ВЧ конструкциях и во многих других областях.

Даже в своей базовой форме в виде диода этот электронный компонент используется в огромных количествах, но, помимо этого, PN-переход составляет основу большинства современных высокотехнологичных транзисторов, интегральных схем и других полупроводниковых устройств.Без PN-перехода жизнь сегодня была бы совсем другой, и электроника была бы совсем другой.

Другие электронные компоненты:
Резисторы Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор Полевой транзистор Типы памяти Тиристор Разъемы Разъемы RF Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты». . .

Полупроводниковые приборы — Университетская физика, Том 3

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Опишите, что происходит, когда материалы n- и p-типа соединяются вместе, используя концепцию диффузионного и дрейфового тока (нулевое приложенное напряжение).
• Объясните реакцию p-n перехода на напряжение прямого и обратного смещения
• Опишите функцию транзистора в электрической цепи
• Используйте концепцию p-n-перехода, чтобы объяснить его применение в усилителях звука и компьютерах

Полупроводники находят множество применений в современной электронике.В этом разделе мы описываем некоторые основные полупроводниковые устройства. Большим преимуществом использования полупроводников в схемных элементах является тот факт, что многие тысячи или миллионы полупроводниковых устройств могут быть объединены на одном крошечном кусочке кремния и соединены токопроводящими дорожками. Полученная структура называется интегральной схемой (ИС), а микросхемы являются основой многих современных устройств, от компьютеров и смартфонов до Интернета и глобальных сетей связи.

Диоды

Пожалуй, самое простое устройство, которое можно создать из полупроводника, — это диод.Диод — это элемент схемы, который позволяет электрическому току течь только в одном направлении, как односторонний клапан (см. Модель проводимости в металлах). Диод создается путем соединения полупроводника типа p с полупроводником типа n ((рисунок)). Соединение между этими материалами называется переходом p-n . Сравнение энергетических диапазонов кремниевого диода показано на (Рисунок) (b). Положение валентной зоны и зоны проводимости одинаково, но уровни примесей совершенно разные.Когда образуется переход p-n , электроны из зоны проводимости материала типа n диффундируют к стороне p , где они соединяются с дырками в валентной зоне. Эта миграция заряда оставляет положительные ионизированные донорные ионы на стороне n и отрицательные ионизированные акцепторные ионы на стороне p , создавая узкий двойной слой заряда на переходе p — n , называемый обедненным слоем. . Электрическое поле, связанное с обедненным слоем, предотвращает дальнейшую диффузию.Потенциальная энергия электронов на переходе p-n представлена ​​как (рисунок).

(a) Изображение перехода p-n . (b) Сравнение энергетических зон кремния типа p и n до достижения равновесия.

В состоянии равновесия (а) избыточный заряд находится около границы раздела и результирующий ток равен нулю, и (б) разность потенциальной энергии электронов (выделена голубым цветом) предотвращает дальнейшую диффузию электронов в сторону p .

Теперь можно понять поведение полупроводникового диода. Если положительная сторона батареи подключена к материалу типа n , слой обеднения расширяется, и разность потенциальной энергии на переходе p-n увеличивается. Немногие электроны (дырки) или ни один из них не обладают достаточной энергией, чтобы преодолеть потенциальный барьер, и ток значительно снижается. Это называется конфигурацией обратного смещения. С другой стороны, если положительная сторона батареи подключена к материалу типа p , слой истощения сужается, разность потенциальной энергии на переходе p-n уменьшается, и электроны (дырки) легко перемещаются.Это называется конфигурацией прямого смещения диода. В общем, диод позволяет току свободно течь в одном направлении, но предотвращает протекание тока в противоположном направлении. В этом смысле полупроводниковый диод представляет собой односторонний клапан.

Мы можем оценить математическую связь между током и напряжением диода, используя концепцию электрического потенциала. Рассмотрим N отрицательно заряженных основных носителей (электроны, отданные примесными атомами) в материале типа n и потенциальный барьер V на переходе p-n .Согласно распределению Максвелла-Больцмана, доля электронов, обладающих достаточной энергией для диффузии через потенциальный барьер, составляет. Однако, если аккумуляторная батарея под напряжением применяется в конфигурации с прямым смещением, эта доля улучшается до. Электрический ток из-за основных носителей со стороны n на сторону p , следовательно, составляет

.

где — ток без приложенного напряжения, а T — температура. Ток из-за неосновных носителей (тепловое возбуждение электронов из валентной зоны в зону проводимости на стороне p- и последующее притяжение к стороне n ) не зависит от напряжения смещения.Таким образом, чистый ток равен

.

Примерный график зависимости тока от напряжения смещения приведен на (Рисунок). В конфигурации прямого смещения небольшие изменения напряжения смещения приводят к большим изменениям тока. В конфигурации с обратным смещением ток равен. При экстремальных значениях обратного смещения атомы в материале ионизируются, что вызывает лавину тока. Этот случай возникает при пробивном напряжении.

Зависимость тока от напряжения на переходе p-n (диод).В конфигурации прямого смещения электрический ток течет легко. Однако в конфигурации с обратным смещением электрический ток протекает очень мало.

Ток диода Присоединение положительного конца батареи к стороне p , а отрицательный конец к стороне n полупроводникового диода создает ток, равный обратному току насыщения (обратный ток насыщения — это ток диод в конфигурации с обратным смещением, такой как эта.) Напряжение батареи равно 0.12 В. Какая температура диода?

Стратегия

Первая конфигурация — это конфигурация прямого смещения, а вторая — конфигурация обратного смещения. В любом случае (рисунок) показывает ток.

Решение Ток в конфигурациях прямого и обратного смещения задается

.

Ток без смещения связан с током обратного насыщения на

Следовательно,

(рисунок) можно записать как

Это отношение намного больше единицы, поэтому второй член в левой части уравнения обращается в нуль.Если взять натуральный логарифм с обеих сторон, получится

.

Таким образом, температура равна

.

Значение Ток, протекающий через диод в конфигурации прямого и обратного смещения, чувствителен к температуре диода. Если потенциальная энергия, поставляемая батареей, велика по сравнению с тепловой энергией окружающей среды диода, то прямой ток смещения очень велик по сравнению с обратным током насыщения.

Проверьте свое понимание Как величина тока прямого смещения соотносится с величиной тока обратного смещения?

Ток прямого смещения намного больше.В хорошем приближении диоды пропускают ток только в одном направлении.

Соединительный транзистор

Если диоды — это односторонние клапаны, транзисторы — это односторонние клапаны, которые можно осторожно открывать и закрывать для регулирования тока. Особый вид транзистора — это переходной транзистор. Переходный транзистор состоит из трех частей, включая полупроводник типа n , также называемый эмиттером; тонкий полупроводник типа p , являющийся базой; и еще один полупроводник типа n , называемый коллектором ((рисунок)).Когда положительный вывод подключен к слою типа p (основание), небольшой ток электронов, называемый током базы, течет к выводу. Это заставляет большой ток коллектора течь через коллектор. Базовый ток можно регулировать для управления большим током коллектора. Таким образом, текущий прирост составляет

.

Соединительный транзистор состоит из трех частей: эмиттера, базы и коллектора. Напряжение, приложенное к базе, действует как клапан для управления электрическим током от эмиттера к коллектору.

Переходный транзистор может использоваться для усиления напряжения от микрофона для управления громкоговорителем. В этом случае звуковые волны заставляют диафрагму внутри микрофона быстро двигаться внутрь и наружу ((рисунок)). Когда диафрагма находится в положении «внутрь», к базе транзистора прикладывается крошечное положительное напряжение. Это открывает «вентиль» транзистора и пропускает большой электрический ток в громкоговоритель. Когда диафрагма находится в выключенном положении, к базе транзистора прикладывается крошечное отрицательное напряжение, которое закрывает клапан транзистора, так что ток не течет в громкоговоритель.Это закрывает «вентиль» транзистора, поэтому ток не течет к громкоговорителю. Таким образом, ток в динамик контролируется звуковыми волнами, и звук усиливается. Любое электрическое устройство, усиливающее сигнал, называется усилителем.

Усилитель звука на переходном транзисторе. Напряжение, подаваемое микрофоном на базу, действует как клапан для управления большим электрическим током, который проходит через громкоговоритель.

В современных электронных устройствах цифровые сигналы используются с диодами и транзисторами для выполнения таких задач, как обработка данных.Электрические цепи передают два типа электрических сигналов: аналоговые и цифровые ((рисунок)). Аналоговый сигнал непрерывно изменяется, тогда как цифровой сигнал переключается между двумя фиксированными значениями напряжения, такими как плюс 1 вольт и ноль вольт. В цифровых схемах, подобных тем, что используются в компьютерах, транзистор ведет себя как двухпозиционный переключатель. Транзистор либо включен, что означает, что клапан полностью открыт, либо он выключен, что означает, что клапан полностью закрыт. Интегральные схемы содержат обширные коллекции транзисторов на одном куске кремния.Они предназначены для обработки цифровых сигналов, представляющих единицы и нули, которые также известны как двоичный код. Изобретение микросхемы помогло запустить современную компьютерную революцию.

Реальные данные часто являются аналоговыми, что означает, что данные могут постоянно изменяться. Значения интенсивности звуковых или визуальных образов обычно аналоговые. Эти данные преобразуются в цифровые сигналы для электронной обработки в записывающих устройствах или компьютерах. Цифровой сигнал генерируется из аналогового сигнала, требуя определенного значения отсечки напряжения.

Сводка

• Диод образуется переходом n-p . Диод позволяет току двигаться только в одном направлении. В конфигурации диода с прямым смещением ток экспоненциально возрастает с увеличением напряжения.
• Транзистор образуется переходом n-p-n . Транзистор — это электрический клапан, который регулирует ток в цепи.
• Транзистор — важный компонент в усилителях звука, компьютерах и многих других устройствах.

Концептуальные вопросы

Когда соединяются материалы типа p и n , почему вблизи соединения создается однородное электрическое поле?

Когда соединяются материалы типа p и n , почему слой истощения не растет бесконечно?

Электрическое поле, создаваемое открытыми ионами, уменьшает дальнейшую диффузию. В равновесии диффузионные и дрейфовые токи нейтрализуются, поэтому чистый ток равен нулю.Следовательно, сопротивление области истощения велико.

Как узнать, установлен ли диод в конфигурации с прямым смещением ?

Почему конфигурация обратного смещения приводит к очень малому току?

Положительный вывод применяется к стороне n , которая открывает больше ионов рядом с переходом (расширяет обедненный слой), увеличивает разность напряжений перехода и, следовательно, уменьшает диффузию дырок через переход.

Что происходит в крайнем случае, когда материалы типа n и p сильно легированы?

Объясните, как работает усилитель звука, используя концепцию транзистора.

Звук перемещает диафрагму внутрь и наружу, что изменяет входной или базовый ток транзисторной схемы. Транзистор усиливает этот сигнал (полупроводник p-n-p ). Выходной или коллекторный ток управляет динамиком.

Проблемы

Покажите, что для V меньше нуля,

Диод p-n имеет обратный ток насыщения.Он смещен вперед, так что через него проходит ток. Какое напряжение смещения прикладывается при температуре 300 К?

Коллекторный ток транзистора составляет 3,4 А при базовом токе 4,2 мА. Какой сейчас прирост?

Если приложить положительный конец батареи к стороне p и отрицательный конец к стороне n перехода p-n , измеренный ток составит. Изменение полярности на обратное дает ток насыщения в обратном направлении.Какова температура, если напряжение смещения 1,2 В?

Базовый ток транзистора составляет 4,4 А, а его коэффициент усиления по току 1126. Что такое ток коллектора?

Глоссарий

усилитель

электрическое устройство, усиливающее электрический сигнал

базовый ток

ток, потребляемый из материала базы n типа в транзисторе

напряжение пробоя

в диоде, напряжение обратного смещения, необходимое для возникновения лавины тока

ток коллектора

ток от коллектора р материал типа

истощенный слой

Область

рядом с переходом p-n , создающим электрическое поле

конфигурация прямого смещения

Конфигурация диода

, которая приводит к сильному току

переходной транзистор

Электроклапан

на базе разветвления p-n-p

p-n переход

Переход

, образованный соединением полупроводников типа p и n

конфигурация обратного смещения

Конфигурация диода

, которая приводит к низкому току

Полупроводниковые материалы

• Изучив этот раздел, вы должны уметь:
• • Опишите структуру атома кремния.
• • Опишите материалы, обычно используемые при производстве диодов и транзисторов.
• • Назовите материалы, обычно используемые для легирования полупроводниковых материалов.
• • Понимать цель легирования полупроводниковых материалов.

Рис.1.1.1 Атом кремния.

Некоторые материалы, такие как медь, алюминий и латунь, очень легко пропускают электрический ток. Поскольку они легко проводят электричество, их способность сопротивляться прохождению тока невысока.Поэтому они имеют очень низкое удельное сопротивление и классифицируются как проводники.

Другие материалы, такие как пластик или стекло, обладают чрезвычайно высоким удельным сопротивлением, поэтому не проводят электричество. Эти материалы называются изоляторами.

Материалы, которые имеют удельное сопротивление посередине между проводниками и изоляторами, действительно проводят ток, но очень плохо при нормальной комнатной температуре, поэтому их называют полупроводниками.

Насколько хорошо или плохо какой-либо материал проводит электричество, зависит от атомной структуры материала.Для объяснения атомной структуры материалов применительно к электронике см. Нашу страницу «Атомная структура вещества».

Кремний и германий, а также ряд других материалов и смесей материалов в группе полупроводников широко используются в производстве транзисторов и диодов, а также интегральных схем, таких как микропроцессоры.

Легирование полупроводников

Чтобы сделать такие полупроводниковые материалы подходящими для использования в транзисторах и диодах, удельное сопротивление материала изменяется контролируемым образом, сначала создавая очень чистые кристаллы из полупроводникового материала.Эти кристаллы содержат только атомы одного типа (например, кремния), расположенные в виде регулярной решетки. Затем этот очень чистый материал «легируют» путем добавления крошечных количеств примесных атомов (примерно 1 атом примеси на каждые 10 миллионов).

Идея состоит в том, что чистые полупроводники имеют плохую проводимость, потому что электроны в их решетчатой ​​структуре в основном очень плотно связаны с их атомами, оставляя только несколько электронов свободно перемещаться от атома к атому через материал, образуя очень слабую электрическую Текущий.Добавляя примеси с различной атомной структурой, больше или в других случаях меньше, добавляются свободные электроны. Это контролирует способность полупроводника пропускать ток, эффективно изменяя удельное сопротивление материала.

Некоторые примеси, такие как мышьяк и фосфор, добавляют к материалу дополнительные свободные электроны (носители отрицательного заряда). Это называется полупроводником N-типа.

Другие примеси, такие как алюминий и бор, могут быть добавлены для удаления свободных электронов, так что полученный материал будет иметь меньше свободных электронов, чем раньше.Каждый недостающий электрон в кристаллической структуре называется «дыркой». Поскольку свободные электроны являются носителями отрицательного заряда, эти дырки в структуре действительно являются носителями положительного заряда. Легированный таким образом материал называется полупроводником P-типа. Размещение материалов типа P и N рядом друг с другом в цепи создает PN-переход и делает полезное устройство, которое называется диодом. Когда на диод подается напряжение, ток будет течь через диод в одном направлении, но не в другом.

Изготовление трехкомпонентного сэндвича (PNP или NPN) и тщательный контроль уровней легирования в трех слоях создает транзистор, способный к усилению, а также выполнять многие другие полезные функции.

Полупроводниковые материалы в электронных устройствах.

Транзисторы, диоды и интегральные схемы можно классифицировать как полупроводниковые устройства, поскольку они сделаны из полупроводниковых материалов. Ранние типы транзисторов и диодов были сделаны из германия (Ge), но кремний (Si) сегодня используется в подавляющем большинстве устройств. Однако германий очень редко используется в современных транзисторах, но он обладает некоторыми свойствами, которые делают его полезным для таких устройств, как фотоэлектрические элементы, для выработки электричества в присутствии света.Галлий (Ga) также используется в электронных устройствах, таких как светоизлучающие диоды (светодиоды), обычно в качестве составного материала, то есть в сочетании с другими материалами, такими как арсенид галлия (GaAs) или фосфид арсенида галлия (GaAsP)

Начало страницы.>

Термоэмиссионные и полупроводниковые диоды

Диоды — это небольшие электрические устройства, которые используются для передачи электрического тока в одном направлении и для предотвращения движения встречного тока в противоположном.У них есть два вывода, каждый с электродом — один электрод заряжен положительно, а другой — отрицательно. Способность диода передавать ток только в одном направлении также называется выпрямляющим свойством. Когда диод пропускает ток в одном направлении, это называется состоянием прямого смещения; состояние обратного смещения возникает, когда диод блокирует движение тока в противоположном направлении. Однако способность диода быть однонаправленной зависит от типа диода и используемой технологии.Различные типы диодов, такие как термоэлектронные и различные типы полупроводниковых диодов, используют разные технологии для передачи тока.

Термоэлектронные диоды, также называемые вакуумными трубками, представляют собой диоды, которые закрывают электроды в стеклянном вакууме — ранние модели выглядели как миниатюрные лампочки. Нить накала нагревателя используется для передачи тепла, которое вызывает тепловую эмиссию электронов в вакууме и нагревает катод. В этом случае анод становится положительным и притягивает электроны, передавая ток в одном направлении.Поскольку анод не будет выпускать электроны даже при понижении температуры, электроны могут двигаться только в одном направлении, и процесс не может изменить направление.

Хотя термоэлектронные диоды были распространенной ранней формой диодов, большинство современных диодов являются полупроводниковыми диодами определенного типа. Такие материалы, как кремний и германий, часто используются, потому что в них нет свободных электронов, а это означает, что они не могут легко передавать электричество и, как правило, служат изоляторами. Однако путем легирования этих материалов их химические свойства могут быть изменены.При легировании кремния есть два типа примесей, которые могут быть добавлены для превращения кремния в полупроводящий материал: N-тип и P-тип.

Примесь N-типа представляет собой фосфор или мышьяк. Каждый из них имеет пять внешних электронов, тогда как кремний имеет четыре, поэтому лишнему электрону фосфора или мышьяка не с чем связываться. Вместо этого дополнительный электрон служит средством передачи энергии. Только небольшое количество фосфора или мышьяка необходимо, чтобы генерировать достаточно свободных электронов для передачи тока через кремний.Поскольку электроны несут отрицательный заряд, этот тип примеси известен как N-тип.

При легировании P-типа используется одна из двух различных примесей: бор или галлий. Каждая из этих примесей имеет только три внешних электрона, поэтому при добавлении к кремнию они образуют дырки, в которых отсутствует электрон, а также положительный заряд. Положительный заряд позволяет бору или галлию принимать соседние электроны, что, по сути, выталкивает дырку внутри решетки электронов. Наличие дырок — это то, что позволяет передавать токи и движение электронов, что делает кремний с примесью P-типа проводящим материалом.Название P-тип происходит от положительного заряда материала. Легирование как N-типа, так и P-типа превращает кремний в проводник, но не в очень прочный — поэтому легированный кремний называется полупроводником.

Кремний P-типа и N-типа используются вместе в полупроводниковых диодах. Чтобы создать диод P-N, кремниевый материал P-типа составляет анод и передает ток на катод N-типа. Из-за зарядов и свойств материалов ток не может передаваться в обратном направлении.В других типах полупроводниковых диодов для создания одного контакта используется металл, а в качестве другого контакта используется полупроводник P-типа или N-типа.