Эрл Гейтс - Введение в электронику

20-1. Вопросы

1. Дайте определения следующих терминов:

а. Донорный атом;

б. Акцепторный атом;

в. Диод.

2. Что происходит, когда создается контакт материала n -типа и материала р -типа?

3. Как образуется обедненный слой?

4. Что такое потенциальный барьер?

5. Каковы типичные значения потенциального барьера для германия и кремния?

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-nперехода 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).

Рис. 20-4. Диод на основе р-nперехода при обратном смещении.

В этой конфигурации свободные электроны в материале n-типа притягиваются к положительному выводу внешнего источника тока, что увеличивает количество положительных ионов в области р-n перехода, а, следовательно, увеличивает ширину обедненного слоя со стороны материала n -типа р-n перехода. Электроны также покидают отрицательный вывод источника тока и поступают в материал р -типа. Эти электроны заполняют дырки вблизи р-n перехода и служат причиной перемещения дырок по направлению к отрицательному выводу, что увеличивает ширину обедненного слоя со стороны материала р -типа р-n перехода. В результате обедненный слой становится шире, чем в несмещенном или смещенном в прямом направлении диоде.

Приложенное в обратном направлении напряжение смещения увеличивает потенциальный барьер. Если напряжение внешнего источника равно величине потенциального барьера, электроны и дырки не могут поддерживать протекание тока. При обратном напряжении смещения течет очень маленький ток, этот ток утечки называется обратным током ( I R) и существует благодаря наличию неосновных носителей. При комнатной температуре неосновных носителей очень мало. При повышении температуры создается больше электронно-дырочных пар. Это увеличивает количество основных носителей и ток утечки.

Все диоды с р-n переходом обладают малым током утечки. В германиевых диодах он измеряется в микроамперах; в кремниевых диодах — в наноамперах. Германий имеет больший ток утечки, так как он более чувствителен к температуре. Этот недостаток германия компенсируется его невысоким потенциальным барьером.

Суммируя вышесказанное, можно сказать, что диод на основе р-n перехода является устройством, пропускающим ток только в одном направлении. Когда смещен в прямом направлении — ток течет. Когда смещен в обратном направлении — течет только маленький ток утечки. Это свойство позволяет использовать диод в качестве выпрямителя. Выпрямитель преобразует переменное напряжение в постоянное.

20-2. Вопросы

1. Что такое напряжение смещения?

2. Чему равно минимальное напряжение, необходимое для того, чтобы вызвать ток через диод на основе р-n перехода?

3. В чем разница между прямым и обратным смещением?

4. Что такое ток утечки диода на основе р-n перехода?

Как германиевый, так и кремниевый диоды могут быть повреждены чрезмерным нагреванием или высоким обратным напряжением. Производители указывают максимальный прямой ток ( I Fmax), который может безопасно течь через диод. Они также указывают максимальное обратное напряжение ( пиковое обратное напряжение). Если превысить пиковое обратное напряжение, то через диод потечет большой обратный ток, создающий избыточный нагрев и повреждающий диод.