Полупроводниковым диодом называется полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом и двумя внешними выводами. В качестве выпрямляющего перехода используется p-n-переход или переход Шоттки. Выпрямляющее действие проявляется как существенная (в несколько порядков) разница токов диода при изменении полярности напряжения на диоде. Большинство диодов выполняются на основе несимметричных p-n-переходов, когда в p- и n-областях создаются разные концентрации примеси (степени легирования). Область с более высокой степенью легирования называется эмиттером, область с меньшей степенью легирования называется базой диода.
При образовании p-n-перехода происходит диффузия основных носителей заряда через переход, в приграничных зонах p- и n- областей уменьшается концентрация основных носителей заряда и образуются нескомпенсированные заряды ионов примесей. Эти заряды создают в переходе электрическое поле, которое препятствует диффузии основных носителей заряда, т. е. создает для них потенциальный барьер. С другой стороны, это электрическое поле ускоряет дрейф неосновных носителей заряда через переход. Таким образом, при отсутствии внешнего напряжения дрейф неосновных носителей уравновешивается диффузией основных носителей заряда, дрейфовый ток равен диффузионному и общий ток через переход равен нулю. При этом внутреннее электрическое поле перехода характеризуется контактной разностью потенциалов φК. При прямом включении p-n-перехода внешнее напряжение прикладывается плюсом к p-области, а минусом к n-области, и напряженность электрического поля в переходе будет уменьшаться (уменьшается высота потенциального барьера перехода). Это приводит к увеличению диффузионного тока по сравнению с дрейфовым, т. е. Iдифф>Iдр и прямой ток будет в основном создаваться диффузией основных носителей заряда. Прямое включение сопровождается инжекцией – введением носителей заряда в область полупроводника, где они являются неосновными из-за снижения потенциального барьера. Вследствие инжекции растет концентрация неосновных носителей заряда вне p-n-перехода, т. е. в p- и n-областях. В несимметричных p-n-переходах преобладает инжекция носителей заряда из эмиттера в базу.
При обратном включении p-n-перехода внешнее напряжение прикладывается плюсом к n-области, а минусом к p-области, напряженность электрического поля в переходе будет возрастать и потенциальный барьер перехода будет повышаться. В этом случае диффузионный ток уменьшается по сравнению с дрейфовым и при Uобр ≈ 0,1 В становится практически равным 0. Отметим, что дрейфовый ток не зависит от внешнего напряжения и определяется концентрацией неосновных носителей заряда на границах p-n-перехода. Поэтому обратный ток, обусловленный дрейфом неосновных носителей заряда через переход, оказывается на несколько порядков меньше прямого и при Uобр > 0,1 В практически не зависит от внешнего напряжения. При обратном включении происходит экстракция – выведение неосновных носителей заряда в область, где они являются основными, из-за повышения потенциального барьера. Таким образом, p-n-переход обладает свойством выпрямления тока.
Рассмотренные свойства идеализированного p-n-перехода подтверждаются его вольт-амперной характеристикой (ВАХ) – зависимостью тока через переход от напряжения на переходе которая может быть представлена уравнением
I = IT (exp(U/φT) – 1),
где IT – тепловой ток (ток насыщения), φT =kT/e – тепловой потенциал.
ВАХ идеального p-n-перехода и реального диода показаны на рис. 3. При прямом включении ток через переход нелинейно возрастает и при Uпр ≈ φК ВАХ идеального p-n-перехода практически вертикальна. При обратном включении ВАХ идеального перехода горизонтальна: Iобр = Iдр = IT = const (кроме начального участка протяженностью менее 0,1 В).
Как показано на рис. 3, ВАХ реального диода отличается от ВАХ идеального p-n-перехода. При прямом включении эти отличия обусловлены рекомбинацией носителей заряда в p-n-переходе и падением напряжения на сопротивлении базы диода rб. При малых прямых токах рекомбинация носителей заряда в p-n-переходе оказывает более существенное влияние на ВАХ, т. к. падение напряжения на rб незначительно. Рекомбинация в переходе приводит к дополнительному возрастанию прямого тока, поэтому начальный участок прямой ветви ВАХ реального диода проходит несколько выше идеальной ВАХ. Для его описания в уравнении ВАХ проводится замена φT на mφT, где m – коэффициент неидеальности. В зависимости от структуры диода m может принимать значения от 1 до 2, причем часто m оказывается близок к 1. Тогда ВАХ реального диода на начальном участке практически совпадает с идеальной ВАХ. При увеличении прямого тока рекомбинация в переходе проявляется слабо, зато падение напряжения на rб увеличивается и становится соизмеримым с напряжением на переходе. ВАХ реального диода отклоняется от идеальной ВАХ, на ней появляется линейный участок, наклон которого определяется величиной rб. С учетом вышеизложенного уравнение для прямой ветви ВАХ реального диода может быть представлено как
I = IT (exp((U - Irб)/φT) – 1) или U= φTln((I/IT)+1)+I rб.
Рис. 3. ВАХ идеального p-n-перехода и реального диода (а); ВАХ германиевого и кремниевого диодов (б)
При больших прямых токах за счет инжекции носителей заряда в базу величина rб уменьшается и ВАХ отклоняется от прямой линии.
Обратный ток реального диода может значительно превышать обратный ток идеального p-n-перехода, т. к. помимо теплового тока IT он включает в себя ток утечки IУ и ток термической генерации носителей заряда в переходе ITГ. При увеличении обратного напряжения ток ITГ возрастает, поэтому обратный ток реального диода с увеличением обратного напряжения также будет возрастать, но вид обратной ветви ВАХ будет зависеть от соотношения токов IT, ITГ и IУ.
На рис. 3, б показаны ВАХ германиевого и кремниевого диодов. Прямые ветви ВАХ имеют похожий вид, однако ВАХ кремниевого диода расположена правее ВАХ германиевого диода, что объясняется разной величиной контактной разности потенциалов их p-n-переходов. Типовые значения φК для кремниевых p-n-переходов 0,7-0,8 В, для германиевых 0,3-0,4 В, поэтому у кремниевых диодов прямые напряжения оказываются больше, чем у германиевых. Кремниевые диоды имеют обратные токи гораздо меньшие, чем германиевые, а разная форма обратных ветвей их ВАХ объясняется различным соотношением составляющих обратного тока IT, ITГ и IУ. В германиевых диодах IT значительно превышает ITГ и IУ, поэтому при малых обратных напряжениях Iобр резко возрастает, а далее ВАХ может идти почти горизонтально. В кремниевых диодах IT << ITГ, поэтому начальный скачок обратного тока мал, а зависимость обратного тока от обратного напряжения выражена гораздо сильнее, чем в германиевых диодах. Кроме того, для германиевых диодов типичным является тепловой пробой, а для кремниевых диодов – лавинный или (реже) туннельный.
Рис.4. Влияние температуры на ВАХ германиевого (а) и кремниевого (б) диодов
Из-за нелинейности ВАХ диода его сопротивление переменному току, т.е. дифференциальное сопротивление rдиф, существенно отличается от сопротивления постоянному току R0. Дифференциальное сопротивление диода, определяется выражением rдиф = dU/dI и связано с крутизной ВАХ диода в выбранной точке. Для идеального перехода rдиф = φT (I+ IT). Для реального диода в прямом включении rдиф = φT (I+ IT)+ rб.
Влияние температуры на ВАХ диода показано на рис. 4. Изменение температуры оказывает большее влияние на обратную ветвь ВАХ, т. к. все составляющие обратного тока зависят от концентрации неосновных носителей заряда. Часто используется приближенная зависимость обратного тока диода от температуры:
Iобр(T) ≈ Iобр (T0) 2ΔT/T2,
где Iобр (T0) – значение обратного тока, измеренное при заданной T0 (часто T0=298 К), ΔT = T - T0, T2 – «температура удвоения», т. е. изменение температуры, при котором обратный ток удваивается. Для германия T2 обычно находится в пределах 8-10 К, для кремния – 6-7 К. Также при приближенных расчетах полагают, что при увеличении T на каждые 10 К обратный ток германиевых диодов увеличивается в 2 раза, а кремниевых в 2,5 раза. Прямое напряжение диода уменьшается в среднем на 2,2 мВ при увеличении температуры на 1 К.
Стабилитроном называется полупроводниковый диод, работа которого основана на использовании явления электрического пробоя, предназначенный для стабилизации напряжения. Рабочим участком ВАХ стабилитрона является участок пробоя (рис. 5), на котором большим изменениям тока соответствуют малые изменения напряжения. К основным параметрам стабилитрона, определяемым для заданного тока стабилизации, относятся: номинальное напряжение стабилизации Uст и его разброс; дифференциальное сопротивление rдиф, температурный коэффициент напряжения стабилизации ТКUст.
Рис. 5. ВАХ стабилитрона
Стабилитроны с низким (менее 5 В) Uст выполняются на основе p-n-переходов с низкоомной базой, поэтому пробой в них носит туннельный характер и с ростом температуры происходит уменьшение Uст (ТКUст < 0). Для стабилитронов со сравнительно высокоомной базой напряжения стабилизации превышают 5-6 В, для них типичным является лавинный пробой, а с ростом температуры Uст возрастает (ТКUст > 0). Дифференциальное сопротивление стабилитронов различных типов может находиться в пределах от десятых долей Ом до десятков Ом, с ростом тока стабилизации оно уменьшается.
