Полупроводниковым диодом называется прибор с двумя выводами, содержащий один электронно-дырочный (p-n) переход.
К полупроводникам относят материалы, проводимость которых больше проводимости диэлектриков, но меньше проводимости проводников (кремний, германий, арсенид галлия, селен и др.). Химически чистые п/п имеют небольшую собственную проводимость, обусловленную свободными электронами и дырками, теплового происхождения.
Полупроводник n-типа – это п/п с преобладающей электронной проводимостью, которая возникает при добавлении донорной примеси (например, пятивалентных сурьмы или мышьяка) к четырёхвалентному кремнию. Атом примеси легко ионизируется, добавляя электрон к электронам собственной проводимости.
Полупроводник p-типа– это п/п с преобладающей дырочной проводимостью, которая возникает при добавлении акцепторной примеси (например, трехвалентного бора) к четырехвалентному кремнию. Атом примеси ионизируется, принимая электрон от соседнего атома основного полупроводника. Примесные полупроводники называют легированными.
Проводимость легированных п/п резко возрастает уже при комнатной температуре. Однако они электрически нейтральны, так как заряды ионов скомпенсированы зарядами основных носителей заряда. Дырки в п/п и электроны в p-полупроводниках называют не основными носителями зарядов.
Переход между двумя областями п/п с разными типами электропроводимости называется электронно-дырочным или p-n переходом.
После создания в полупроводнике p-n n-областей начинается диффузионный ток основных носителей заряда: дырок из p-области в n-область и электронов в обратном направлении.
Диффундируя, электроны и дырки оставляют за собой соответственно положительно и отрицательно заряженные ионы примесей, жестко закрепленные в кристаллической решетке. В n-области диффундирующие дырки рекомбинируют с электронами, резко уменьшая концентрацию электронов и дополнительно образуя нескомпенсированные положительные ионы. Аналогично в p-области диффундирующие электроны рекомбинируют с дырками и дополнительно, образуя нескомпенсированные отрицательные ионы.
Таким образам вблизи границы p- и n- областей концентрация основных носителей заряда резко падает, сопротивление этой области резко возрастает. Появление противоположно заряженных ионов приводит к появлению электрического поля в переходе E. Это поле препятствует току диффузии. Возникшему электрическому полю соответствует контактная разность потенциалов Uk (потенциальный барьер). При температуре T=270C для кремния Uk ≈0,75 В., для германия Uk≈0,4 В.
Если приложить к p-n переходу внешнее напряжение, причём “+” к p-области, а “ - ” к n-области, то есть, противоположно к электрическому полю E. Это приведёт к уменьшению потенциального барьера и к увеличению прямого тока через p-n переход.
Если изменить полярность внешнего источника, то электроны из n-слоя будут двигаться от границы слоёв к отрицательному полюсу. В результате между слоями образуется область, в которой не остаётся ни электронов, ни дырок. Ток через p-n переход не пойдёт. Сопротивление очень велико.
В действительности через p-n переход будет протекать небольшой обратный ток, обусловленный не основными носителями заряда. Этот ток в несколько тысяч раз меньше, чем прямой ток. Поэтому полупроводник с p-n переходом обладает односторонней проводимостью электрического тока.
Напряжение, при котором ток через p-n переход быстро увеличивается, называется прямым (открывающим напряжением). Возникающий при этом большой ток называется прямым током. Сопротивление p-n перехода при подаче прямого напряжения резко уменьшается.
Напряжение противоположной полярности называется обратным (запирающим) напряжением, а возникающий при этом небольшой ток называют обратным током.
Односторонняя проводимость p-n перехода наглядно иллюстрируется его вальт-амперной характеристикой, показывающей зависимость тока через p-n переход от величины и полярности приложенного напряжения.
Из анализа ВАХ следует основное свойство p-n перехода – односторонняя проводимость.
а) При подаче прямого напряжения ток возрастает по экспоненциальному закону.
б) Обратный ток, возникающий при обратном напряжении, значительно меньше прямого и слабо зависит от величины обратного напряжения.
Аналитическим выражением ВАХ p-n перехода при комнатной температуре является формула:
где
Iобр.нас – обратный ток насыщения, определяемый физическими свойствами полупроводникового материала.
k=1,38*10-23 Дж/К – постоянная Больцмана.
T – абсолютная температура, К0.
q= 1,6*10-19 Кл – заряд электрона.
φT = 0,026 В – температурный потенциал.
Реальная характеристика p-n перехода несколько отличается от аналитического выражения.
Характерные особенности.
1. При увеличении прямого напряжения экспоненциальное возрастание тока происходит только на начальном участке. В дальнейшем ток увеличивается практически по линейному закону.
2. При большом обратном напряжении возникает резкий рост обратного тока через диод.
Это явление называют пробоем диода.
Различают:
-тепловой пробой – возникает при нагреве p-n перехода обратным током до температуры, при которой происходит процесс тепловой генерации пар носителей заряда. При этом p-n переход разрушается (участок 2).
-лавинный пробой – возникает в относительно широких p-n переходах (слабо легированных полупроводниках), с которых не основные носители заряда под действием электрического поля приобретаю энергию, достаточную для ударной ионизации атомов полупроводника. При этом переходе происходит лавинное размножение электронов и дырок, что приводит к увеличению обратного тока при почти постоянном обратном напряжении (участок 1).
-туннельный (зеннеровский) пробой - возникает при достижении высокой напряженности электрического поля в p-n переходе, при которой образуются пары носителей заряда (электронов и дырок). Они возникают в тонких запирающих слоях (то есть в сильно легированных полупроводниках) (участок 3).
Лавинный и туннельный пробои являются обратимыми и при уменьшении обратного напряжения прекращаются.
Конструкция и условные обозначения полупроводникового диода имеют вид:
Электрод, подключённый к p-области, называют анодом, а электрод, соединенный с n-областью катодом.
Включены на обратное напряжение p-n переход, обладает ёмкостью, которая зависит от площади и ширины запирающего слоя и его диэлектрической проницаемости.
Различают барьерную и диффузионную ёмкости.
Барьерная ёмкость, обусловлена, наличием в обеднённом слое противоположно заряжены ионов, которые соответствуют двум заряженным “пластинам” конденсатора. Барьерная ёмкость играет основную роль при подаче обратного напряжения. При увеличении Uобр. барьерная ёмкость уменьшается. (Так как увеличивается ширина запирающего слоя).
Диффузионная ёмкость – характеризует накопления неравного заряда, обусловленного диффузией электронов и дырок внутрь полупроводника. Диффузионная ёмкость пропорционально увеличивается при увеличении прошлого тока через диод.
Cд = Кд* iпр.
При прямом токе СД > CБ. При обратном смещении диода СД = 0.
где 
