Полупроводниковый диод – один из самых распространенных элементов электроники, обладающий уникальными свойствами, позволяющими эффективно управлять потоком электрического тока. Одной из особенностей данного устройства является его способность не пропускать ток в обратном направлении, за счет явления, называемого обратным током.
Обратный ток основан на физическом принципе, известном под названием «зоны пространственного заряда». При подаче положительного напряжения на анод полупроводникового диода, электроны из проводящей полосы переносятся на основные несимметричные дырочные правая илеоновые границы. Это приводит к образованию обедненного слоя, в котором накопление противоположно заряженных носителей заряда создает электрическое поле, препятствующее движению электронов в обратном направлении.
Величина обратного тока оказывается минимальной не только благодаря созданию обедненного слоя, но и за счет введения обратного смещения. При обратном смещении анода по отношению к катоду диода, энергия электронов в обедненном слое увеличивается, что делает их движение в обратном направлении практически невозможным. Таким образом, обратный ток становится минимальным и величина его определяется только параметрами полупроводниковой структуры диода.
Механизм работы полупроводникового диода
Когда к полупроводниковому диоду подается прямое напряжение (так называемое прямое смещение), электроны из n-полупроводника и дырки из p-полупроводника начинают пересекать p-n переход и перемещаться на противоположные стороны. Это создает электрический поток и позволяет электронам и дыркам проходить через диод. Результатом этого процесса является пропускание электрического тока через диод, в соответствии с законом Ома.
Однако, когда на диод подается обратное напряжение (так называемое обратное смещение), происходит обратная ситуация. Электроны из p-полупроводника и дырки из n-полупроводника начинают двигаться в сторону p-n перехода. Однако, этот процесс оказывается затруднен из-за создания электрического поля в p-n переходе, которое противодействует движению электронов и дырок в обратном направлении.
Это создает барьер для обратного тока, который делает его минимальным. Барьер образуется благодаря разнице в концентрации примесей и электрическому полю, созданному обратным напряжением. В этом состоянии диод практически не пропускает электрический ток и действует как открытый выключатель. Таким образом, обратный ток полупроводникового диода минимален.
Эффект переноса участников тока
Когда напряжение на диоде обратное, роль основных носителей тока в полупроводнике выполняют миноритарные носители. В P-N-переходах полупроводникового диода таковыми являются электроны в P-области и дырки в N-области.
Электроны из P-области, находясь в энергетически низком состоянии, могут переходить на более высокоэнергетические уровни в N-области. Наоборот, дырки в N-области также имеют возможность перейти на нижележащие энергетические уровни в P-области.
При обратном напряжении на диоде электроны переносятся из P-области в N-область, а дырки — из N-области в P-область. Переносу участников тока способствует электрическое поле в P-N-переходах, создаваемое обратным напряжением.
Особенностью переноса участников тока является его чрезвычайно высокая эффективность. Благодаря этому эффекту обратный ток в полупроводниковом диоде оказывается минимальным, что делает его ценным компонентом для различных электронных устройств.
Потенциальный барьер и его влияние
Диод состоит из полупроводникового материала, который имеет специальную структуру, образующую потенциальный барьер. Потенциальный барьер, также известный как p-n-переход, играет важную роль в функционировании диода.
При прямом напряжении, когда анод положительный, и катод отрицательный, электроны из полупроводника с типом проводимости N (kv, негативный) будут перемещаться к аноду. В то же время, дырки из полупроводника с типом проводимости P (kp, позитивный) будут перемещаться к катоду.
Как только электроны и дырки достигнут p-n-перехода, они встретят потенциальный барьер. Этот барьер создается разностью зарядов и потенциалов в слое перехода. Переходит ли электрон или дырка через потенциальный барьер, зависит от его энергии.
Те электроны и дырки, у которых энергия выше потенциального барьера, могут преодолеть его и перейти в дополнительную область, в которой электроны и дырки полностью перекрываются. В этой области обратный ток полупроводникового диода будет преобладать.
Однако большинство электронов и дырок, у которых энергия ниже потенциального барьера, будут отражаться от него. Это означает, что обратный ток диода будет минимален, поскольку большинство несущих зарядов не смогут преодолеть потенциальный барьер и достичь противоположного контакта диода.
Таким образом, потенциальный барьер имеет огромное влияние на минимизацию обратного тока полупроводникового диода. Это связано с тем, что большинство несущих зарядов возникающих из разных энергий, не смогут преодолеть потенциальный барьер и переходить на противоположный контакт.
Электронно-дырочный ток в прямом направлении
В полупроводниковых диодах происходит формирование электронно-дырочного тока в прямом направлении. Когда внешнее напряжение подключено таким образом, что положительный потенциал подключен к p-области, а отрицательный потенциал подключен к n-области диода, создается электрическое поле, направленное от p-контакта к n-контакту.
В результате этого электрического поля электроны из n-области диода будут пересекать p-n границу и двигаться в сторону p-контакта, а дырки — в обратном направлении. Перемещение электронов и дырок создает электронно-дырочный ток в прямом направлении.
Электроны из n-области, пересекая p-n границу, обладают большей энергией и способны преодолеть потенциальный барьер, образованный в pn-переходе. Дырки из p-области, двигаясь в обратном направлении, также способны преодолеть потенциальный барьер. Это приводит к появлению тока, хотя и сравнительно небольшого значения.
Процесс формирования электронно-дырочного тока в прямом направлении связан с диффузией электронов и дырок через pn-переход. Диффузия происходит из области высокой концентрации электронов и дырок в область низкой концентрации.
Основным свойством полупроводникового диода в прямом направлении является его малый сопротивление, что позволяет прохождению тока через него. Однако, при изменении направления подключения внешнего напряжения до некоторого значения, диод переходит в режим прямого запирания, и ток через него прекращается.
Физические процессы в обратном направлении
Когда напряжение на полупроводниковом диоде превышает предельное значение в обратном направлении, начинают происходить физические процессы, которые обуславливают минимальный обратный ток. Рассмотрим основные из них:
- Обратный пробой. При достижении определенного напряжения в обратном направлении происходит обратный пробой, когда электроны в п-области и дырки в н-области приобретают достаточную энергию, чтобы преодолеть потенциальный барьер.
- Термическая ионизация. Под воздействием повышенной температуры электроны приобретают больше энергии, что облегчает физический процесс ионизации. При ионизации образуются свободные электроны и дырки, которые способствуют протеканию обратного тока.
- Эффект Тангстэна. Этот эффект проявляется при высоких напряжениях в обратном направлении и главным образом в диодах с малой длиной базы. Происходит пробой, при котором происходит эмиссия электронов из электродов в диоде, что вызывает протекание обратного тока.
- Рекомбинация. Рекомбинация — это процесс, при котором свободные электроны и дырки соединяются и образуют нейтральные атомы. Возникающие при рекомбинации фотоны в видимой области спектра могут быть замечены наблюдателем в виде слабого свечения на диоде.
Все эти процессы вместе обеспечивают минимальный обратный ток в полупроводниковых диодах. Однако следует отметить, что диод не является идеальным и при достижении критического напряжения все эти процессы могут вызвать значительное увеличение обратного тока, что может привести к повреждению диода.
Влияние основных носителей заряда на ток в обратном направлении
Основные носители заряда в полупроводниковом диоде могут быть электроны или дырки. В обратном направлении, когда приложенное напряжение создает потенциальный барьер, поверхностные электроны могут диффундировать в приближенную к переходу область, а поверхностные дырки могут рекомбинировать с электронами. Этот процесс называется обратной насыщенностью.
Однако, в полупроводниковом диоде есть также затворенные в приборе электроны и дырки. Эти носители имеют тенденцию дрейфовать в области перехода и создавать обратный ток. Этот обратный ток вызван затворенными носителями заряда и является очень малым.
Таким образом, влияние основных носителей заряда на ток в обратном направлении состоит в том, что основные носители могут создавать ток в обратном направлении, но его величина будет минимальной из-за наличия затворенных носителей, которые демпфируют этот ток.