§ 21.5. Полупроводниковый диод.

Выясним теперь, как проходит ток через кристалл с -переходом. На рис. 21.6 схематически показан такой кристалл.

При отсутствии внешнего напряжения (рис. 21.6, а) все потоки подвижных носителей зарядов через переход уравновешены и ток равен нулю.

Рис. 21.6.

Включим кристалл в цепь так, чтобы внешнее поле было направлено противоположно полю перехода (рис. 21.6, б). Поле в -переходе будет ослаблено и диффузионные потоки основных носителем (дырок из -области и электронов из -области) устремятся через переход. Встречные же потоки неосновных носителей почти не изменятся. В результате через переход потечет большой ток. Приложенное напряжение и ток в этом случае называются прямыми. Сила тока при увеличении напряжения возрастает очень быстро (рис. 21.7), и закон Ома здесь совершенно неприменим.

Подадим теперь на кристалл напряжение обратной полярности (рис. 21.6, в). В этом случае внешнее напряжение совпадает по знаку с контактной разностью потенциалов. Внешнее поле усиливает

поле -перехода и диффузионные потоки оснорных носителей через переход значительно уменьшаются. Потоки неосновных носителей, примерно такие же, как и при отсутствии внешнего поля, создают слабый ток через переход. Приложенное напряжение и ток в этом случае называют обр атными.

Получается, что при прямом напряжении ток через -переход в миллионы раз больше, чем при обратном (рис. 21.7). Это означает, что -переход работает подобно вентилю, т. е. пропускает ток в одном направлении (переход открыт) и не пропускает его в обратном направлении (переход закрыт). Следовательно, если включить кристалл с -переходом в цепь переменного тока последовательно с нагрузочным сопротивлением (рис. 21.8), то ток в этом сопротивлении практически будет постоянным по направлению. Поэтому кристалл с -переходом называют полупроводниковым выпрямителем или полупроводниковым диодом. (На рис. 21.7 показана вольтамперная характеристика кремниевого диода средней мощности; масштабы тока и напряжения для прямого и обратного направления различны.)

Интересно проследить, как распределяется напряжение в цепи рис. 21.8 между диодом и сопротивлением нагрузки (В условном изображении диода на схемах острие указывает направление прямого тока.)

График переменного напряжения в сети изображен на рис. 21.9, а.

Рис. 21.7

Рис. 21.8.

Диод пропускает ток практически только в прямом направлении (рис. 21.9, б). Вспомним, что при последовательном соединении напряжение распределяется пропорционально сопротивлениям. В первую половину периода, когда ток идет через диод в прямом направлении, сопротивление диода очень мало и почти все напряжение приходится на нагрузку Во вторую половину периода сопротивление диода очень велико и все напряжение приходится уже на диод. Изменение напряжения на диоде показано на рис. 21.9, в, а изменение напряжения на нагрузке — на рис. 21.9, г.

Полупроводниковые диоды имеют высокий к. п. д. (до 98%), маленькие размеры и большой срок службы. К недостаткам полупроводниковых диодов относится ухудшение их работы при повышении температуры. Выше говорилось, что обратный ток через -переход создается неосновными носителями, концентрация которых мала при обычных температурах, но быстро возрастает при повышении температуры из-за генерации пар электрон — дырка. Поэтому

обратный ток полупроводниковых диодов быстро растет с увеличением температуры: кремниевые диоды перестают выпрямлять ток при температуре около 200°С, а предельная температура для германиевых диодов еще меньше.

Заметим, что полупроводниковый диод нельзя включать в сеть без нагрузочного сопротивления. Если нагрузку на схеме рис. 21.8 убрать, то все напряжение окажется приложенным к диоду. Когда диод оудет включен в прямом направлении, внешнее напряжение превысит контактную разность потенциалов, -переход практически исчезнет, через диод потечет очень большой ток и диод выйдет из строя.

Рис. 21.9.