§ 4.2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Из курса физики известно, что при плотном соприкосновении полупроводников разных типов проводимости на границе раздела со значительным перепадом концентрации носителей зарядов движение зарядов приобретает характер диффузионного движения, в результате которого -область заряжается положительно, -область — отрицательно. В пограничном слое возникает контактное электрическое поле противодействующее дальнейшему переходу электронов и дырок из одной области в другую (рис. 4-3, а). Образовался -переход с пониженной концентрацией основных носителей: электронов — со стороны полупроводника типа , дырок — со стороны полупроводника типа . Этот переход имеет повышенное сопротивление току и называется запорным слоем или потенциальным барьером.

Контактное поле поддерживает состояние равновесия на определенном уровне. Но и в этом случае под действием тепла небольшая часть электронов и дырок будет продолжать проходить через

Рис. 4-3

запорный слой, создавая ток диффузии. Однако одновременно с этим под действием контактного поля неосновные носители заряда и -областей (электроны и дырки) создадут некоторый незначительный ток проводимости.

В состоянии равновесия эти токи взаимно компенсируются.

Электронно-дырочный -переход возникает также на границе контакта полупроводника с металлом. Если к -переходу подключить внешний источник тока, то напряжение указанной на рисунке 4-3, б полярности, называемое обратным, вызовет появление внешнего поля Е, совпадающего по направлению с контактным полем ,

В результате «ширина» запорного слоя возрастает и тока за счет основных носителей зарядов практически не будет. В цепи возможен лишь незначительный ток за счет неосновных носителей (обратный ток ).

При включении напряжения прямой полярности внешнее поле Е не совпадает по направлению с контактным полем (рис. 4-3, в). Запорный слой сужается, его сопротивление резко уменьшается, в цепи возникает большой прямой ток . Таким образом, -переход обладает ярко выраженной односторонней проводимостью. Этому соответствует и его вольт-амперная характеристика приведенная на рисунке 4-4.

При прямом токе характеристика имеет вид круто восходящей ветви. В обратном направлении ток быстро достигает насыщения и не изменяется до некоторого предельного обратного напряжения , после чего резко возрастает. При напряжении, большем предельного, наступает пробой -перехода и его вентильное действие прекращается. При повышении температуры также возможно прекращение вентильного свойства, так как все атомы

Рис. 4-4

Рис. 4-5.

примеси полностью отдают свои носители зарядов, растет лишь собственная электропроводность.

Одностороннюю проводимость -перехода используют в устройстве полупроводниковых диодов, применяемых для выпрямления переменного тока, а также для других нелинейных преобразований электрических сигналов.

В зависимости от площади области электронно-дырочного перехода полупроводниковые диоды делят на плоскостные и точечные. Для выпрямления переменного тока используют плоскостные диоды, позволяющие получать значительные выпрямленные токи.

Схематическое обозначение и устройство типового плоскостного диода приведено на рисунке 4-5. Здесь на кристаллодержателе 1 с контактным выводом 2 крепят кристалл германия с вплавленным кусочком (каплей) индия. От пружинящего электрода 3 отходит внутренний вывод 4, заканчивающийся наружным выводом 5. Это устройство помещено в герметичный корпус 6 с изолятором 7.

Кремниевые полупроводниковые диоды по своему устройству и принципу действия аналогичны германиевым. В них в кристалл кремния вплавляется алюминий. Обратный ток в кремниевых вентилях на несколько порядков меньше, чем у германиевых. Преимущество кремниевых диодов по сравнению с германиевыми — более высокие допустимые температуры окружающей среды (135-150 °С против 50—60 °С) и более высокие допустимые обратные напряжения (800—1200 В против 500—600 В), поэтому в последние годы в выпрямителях используют в основном кремниевые диоды.

Помимо монокристаллических германиевых и кремниевых диодов практическое применение находят диоды поликристаллических структур — селеновые и меднозакисные (купроксиые).

В селеновом вентиле -слоем служит кристаллический селен, получаемый из аморфного путем термической обработки. В селене при диффузии в него атомов кадмия образуется -слой.

Для создания медпозакисных вентилей медные пластины круглой или квадратной формы подвергают термической обработке. При этом на поверхности одной пластины создают оксид меди (I) с некоторым избытком кислорода (слой -проводимости), а на другой — с некоторым недостатком кислорода (слой -проводимости). При их соприкосновении получается -переход меднозакисного вентиля.

Селеновые вентили по сравнению с германиевым и кремниевым допускают значительно меньше плотности тока и обратные напряжения. Однако у селеновых и меднозакисных вентилей малый разброо прямых ветвей характеристик и большой наклон обратных ветвей.

Рис. 4-6

Это позволяет соединять вентили в последовательные и параллельные группы без уравнительных резисторов соответственно в области больших напряжений при малых токах и в области малых напряжений при больших токах (зарядные устройства, гальванические и электролитические установки). Простота изготовления, большая перегрузочная способность и невысокая стоимость также являются достоинствами селеновых и меднозакисных вентилей.

Маломощные меднозакисные вентили благодаря высокой стабильности параметров используют в измерительных приборах детекторного типа, а мощные — для питания одиночных электролитических ванн.

Полупроводниковые вентили характеризуются следующими основными параметрами: наибольшим выпрямленным током, обратным током, максимальным обратным напряжением и максимальной температурой корпуса.

На рисунке 4-6 изображен внешний вид некоторых полупроводниковых диодов: а — маломощный германиевый диод Д226Б, б - маломощный кремниевый диод Д-302, в — мощный кремниевый диод с воздушным охлаждением ВКД-200 и г - мощный кремниевый диод с водяным охлаждением ВКДВ-350.