Независимые электрические заряды существуют в полупроводниковых материалах каждого типа, так как электроны могут свободно дрейфовать. Дрейфующие электроны и дырки называются подвижными зарядами. Кроме подвижных зарядов, каждый атом, который теряет электрон, считается положительным зарядом, так как он имеет больше протонов, чем электронов. Аналогично, каждый атом, который присоединяет электрон, имеет больше электронов, чем протонов и считается отрицательным зарядом. Как указывалось в главе 1, эти заряженные атомы называются положительными и отрицательными ионами. В полупроводниковых материалах n- и р-типа всегда содержится равное количество подвижных и ионных зарядов.

Диод создается соединением двух полупроводников n- и р-типа (рис. 20-1). В месте контакта этих материалов образуется переход. Это устройство называется диодом на основе р-n перехода.

Рис. 20-1. Диод создается соединением вместе двух материалов р- и n-типа, образующих р-n переход.

При формировании перехода подвижные заряды в его окрестности притягиваются к зарядам противоположного знака и дрейфуют по направлению к переходу. По мере накопления зарядов этот процесс усиливается. Некоторые электроны перемещаются через переход, заполняя дырки вблизи перехода в материале р-типа. В материале n-типа в области перехода электронов становится меньше. Эта область перехода, где концентрация электронов и дырок уменьшена, называется обедненным слоем. Он занимает небольшую область с каждой стороны перехода.

В обедненном слое нет основных носителей, и материалы n-типа и р-типа не являются больше электрически нейтральными. Материал п-типа становится положительно заряженным вблизи перехода, а материал р-типа — отрицательно заряженным.

Обедненный слой не может стать больше. Взаимодействие зарядов быстро ослабевает при увеличении расстояния, и слой остается малым. Размер слоя ограничен зарядами противоположного знака, расположенными по обе стороны перехода. Как только отрицательные заряды располагаются вдоль перехода, они отталкивают другие электроны и не дают им пересечь переход. Положительные заряды поглощают свободные электроны и также не дают им пересечь переход.

Эти заряды противоположного знака, выстроившиеся с двух сторон перехода, создают напряжение, называемое потенциальным барьером. Это напряжение может быть представлено как внешний источник тока, хотя существует только на р-n переходе (рис. 20-2).

Рис. 20-2. Потенциальный барьер, существующий вблизи р-n перехода.

Потенциальный барьер довольно мал, его величина составляет только несколько десятых долей вольта. Типичные значения потенциального барьера — 0,3 вольта для р-n перехода в германии, и 0,7 вольта для р-n перехода в кремнии. Потенциальный барьер проявляется, когда к р-n переходу прикладывается внешнее напряжение.

20-1. Вопросы

Напряжение, приложенное к диоду, называется напряжением смещения. На рис. 20-3 показан диод на основе р-n перехода, соединенный с источником тока. Резистор добавлен для ограничения тока до безопасного значения.

Рис. 20-3. Диод на основе р-n перехода при прямом смещении.

В изображенной цепи отрицательный вывод источника тока соединен с материалом n-типа. Это заставляет электроны двигаться от вывода по направлению к р-n переходу. Свободные электроны, накопившиеся на р-стороне перехода притягиваются к положительному выводу. Это уменьшает количество отрицательных зарядов на р-стороне, потенциальный барьер уменьшается, что дает возможность для протекания тока. Ток может течь только тогда, когда приложенное напряжение превышает потенциальный барьер.

Источник тока создает постоянный поток электронов, который дрейфует через материал n-типа вместе с содержащимися в нем свободными электронами. Дырки в материале р-типа также дрейфуют по направлению к переходу. Электроны и дырки собираются на переходе и взаимно уничтожаются. Однако в то время как электроны и дырки взаимно компенсируются, на выводах источника тока появляются новые электроны и дырки. Большинство носителей продолжает двигаться по направлению к р-n переходу, пока приложено внешнее напряжение.

Поток электронов через p-часть диода притягивается к положительному выводу источника тока. Как только электроны покидают материал р-типа, создаются дырки, которые дрейфуют по направлению к р-n переходу, где они взаимно компенсируются с другими электронами. Когда ток течет от материала n-типа к материалу р-типа, то говорят, что диод смещен в прямом направлении.

Ток, текущий через диод, смещенный в прямом направлении, ограничен сопротивлением материалов р- и n-типа и внешним сопротивлением цепи. Сопротивление диода невелико. Следовательно, подсоединение источника тока к диоду в прямом направлении создает большой ток. При этом может выделиться такое количество тепла, которого достаточно для разрушения диода. Для того, чтобы ограничить ток, последовательно с диодом необходимо включить резистор.

Диод проводит ток в прямом направлении только тогда, когда величина внешнего напряжения больше потенциального барьера. Германиевый диод требует минимальное прямое смещение 0,3 вольта; кремниевый диод — минимальное прямое смещение 0,7 вольта.

Когда диод начинает проводить ток, на нем появляется падение напряжения. Это падение напряжения равно потенциальному барьеру и называется прямым падением напряжения (Е_р). Падение напряжения равно 0,3 вольта для германиевого диода и 0,7 вольта для кремниевого диода. Величина прямого тока (I_к) является функцией приложенного напряжения (Е), прямого падения напряжения (Е_р) и внешнего сопротивления (R). Это соотношение можно получить с помощью закона Ома:

I = E/R,

I_F = (E — E_F)/R

_{ПРИМЕР: К кремниевому диоду, последовательно соединенному с резистором 150 ом, приложено напряжение смещения 12 вольт. Чему равен прямой ток через диод?}

 _Дано:

_{Е = 12 В; R = 150 Ом; ЕF = 0,7 В.}

_{IF =?} 

_{Решение:}

_{IF = (E — EF)/R = (12 — 0,7)/150}

_{IF = 0,075 А или 75 мА.}

В диоде, на который подано напряжение смещения в прямом направлении, отрицательный вывод внешнего источника тока соединен с материалом n-типа, а положительный вывод с материалом р-типа. Если эти выводы поменять местами, диод не будет проводить ток и про него говорят, что он смещен в обратном направлении (рис. 20-4).