Рис. 17. Обратное включение диода; электроны и дырки оттягиваются от границы pn-перехода, в цепи протекает очень небольшой обратный ток - ток неосновных зарядов.
При таком включении электроны отходят от границы, уходят в глубь зоны n под влиянием "плюса" батареи (ничего не поделаешь - разноименные заряды притягиваются, и "плюс" тянет к себе отрицательно заряженные электроны), и одновременно под влиянием "минуса" от границы отходят дырки в глубь зоны р. В итоге из области pn-перехода почти полностью исчезают свободные заряды, сопротивление этой области резко возрастает, и она практически становится изолятором. А появление изолятора в электрической цепи приводит к прекращению тока. Правда, ток полностью не прекращается (идеальных изоляторов нет!), но он становится очень малым, и мы говорим, что при втором варианте включения полупроводниковый диод тока не проводит.
Теперь нам остается лишь ввести общепринятые наименования- первое направление включения диода назвать прямым, а второе - обратным - и сделать окончательный вывод: полупроводниковый диод обладает односторонней проводимостью, он пропускает ток только в одном направлении. Или иначе: сопротивление полупроводникового диода в прямом направлении мало, в обратном - велико.
За свое главное качество - одностороннюю проводимость - диод получил звание электрического вентиля. По своему поведению в электрической цепи диод действительно похож на вентиль, на устройство, которое пропускает воздух из насоса, например в велосипедную камеру, и не выпускает его обратно.
На этом, пожалуй, можно закончить общее знакомство с полупроводниковым диодом и поговорить конкретно о его устройстве, характеристиках, параметрах и схемах, в которых диод работает.
ВСЕ О ДИОДЕ
По своему устройству полупроводниковые диоды можно разделить на две большие группы - на плоскостные диоды и точечные (рис. 14). Главные особенности этих групп отражены в самих их названиях. В плоскостном диоде граница между зонами р и n представляет собой довольно большую плоскость. Площадь этой пограничной плоскости в зависимости от типа диода может составлять от 0,1 до 100 квадратных миллиметров.
Один из способов изготовления кристалла с pn-переходом для плоскостного диода упрощенно выглядит так. Вытягивая полупроводниковый кристалл, например германий, из расплава, в него периодически добавляют то акцепторную, то донорную примесь (рис. 18).
Рис. 18.Один из способов изготовления pn-перехода основан на введении примесей в кристалл по мере его вытягивания из расплава.
При этом вытянутый кристаллический стержень получается как бы полосатым - в нем равномерно чередуются зоны р и зоны n. В дальнейшем такой кристалл точнейшим образом разрезают алмазными пилами и получают из него огромное количество кристалликов, в каждом из которых имеется лишь один pn-переход. Такой кристаллик как раз и служит основой для изготовления одного полупроводникового диода.
Выводы диода подпаяны непосредственно к кристаллу, а сам этот кристалл помещен в герметический корпус. Корпус диода металлический, и, как правило, он же и является выводом зоны n (рис. 14). Вывод зоны р выходит из металлического корпуса сквозь стеклянный изолятор.
В точечном диоде один из выводов также припаивают непосредственно к кристаллу. Другой вывод представляет собой тончайшую стальную проволочку, которая упирается в кристалл. При изготовлении диода конец проволочки покрывают металлом-донором, или акцептором, например алюминием или индием. В результате в том месте кристалла, куда упирается проволочка, образуется миниатюрный точечный рn-переход.
Плоскостные и точечные диоды - это не просто разные конструкции, возникшие по прихоти двух изобретателей. Это разные приборы с разными характеристиками и параметрами, по-разному ведущие себя во многих электрических цепях.
О поведении диода в электрической цепи многое может рассказать его вольтамперная характеристика (рис. 19).
Рис. 19.Вольтамперная характеристика диода как бы состоит из двух характеристик - для прямого и обратного включения диода, для прямого и обратного тока.
На этом графике видно, как меняется ток I через диод при изменении приложенного к нему напряжения (отсюда и название характеристики, оно как бы говорит: "изменение вольтов приводит к изменению амперов").
После всего, что было рассказано, вольтамперная характеристика диода, по-видимому, ясна вам с первого взгляда. Прежде всего мы можем разделить всю эту характеристику на две части, на две области - положительных и отрицательных напряжений.
Область положительных напряжений (сперва от нулевого напряжения, то есть от U = 0) соответствует прямому включению диода. Здесь ток - его называют прямым током - сравнительно велик и резко возрастает при увеличении U. Это значит, что само понятие "положительное напряжение" в данном случае нужно понимать только так: диод включен в прямом направлении, "плюс" батареи подключен к зоне р.
Слева от U = 0, то есть в области отрицательных напряжений, диод включен в обратном направлении: к зоне р подключен "минус" батареи. Ток в отрицательной области, конечно, очень мал и при увеличении напряжения (разумеется, отрицательного!) растет незначительно. Вообще же само появление обратного тока и его рост связаны с существованием неосновных носителей, которые умеют двигаться так же, как и основные, но только в противоположную сторону и при обратном напряжении (рис. 16 и 17).
Внимательно присмотревшись к вольтамперной характеристике, можно обнаружить на ней несколько непонятных участков. Почему, например, при очень маленьких положительных напряжениях ток почти не растет и лишь постепенно набирает силу? Почему при малых отрицательных напряжениях ток возрастает довольно быстро и лишь потом рост его прекращается? Почему, наконец, ток бурно возрастает после того, как напряжение превысит величину Uобр-доп?
Резкое увеличение тока при высоких обратных напряжениях объясняется просто: разрушением pn-перехода. Разрушение происходит из-за слишком большой мощности, которая выделяется на pn-переходе и превращается в тепло. Полупроводниковые материалы перегреваются, резко возрастает их собственная проводимость, и pn-переход вообще исчезает. Происходит так называемый тепловой пробой, и диод становится обычным резистором.
При обратном включении диода чрезмерная, разрушающая pn-переход мощность получается при весьма больших напряжениях. И вот почему: обратный ток очень мал, а мощность, если вы не забыли, - это произведение напряжения на ток.
Обратите внимание, что при обратном включении диода тепловой пробой наступает не сразу. Увеличивая напряжение, мы сначала попадаем в область электрического пробоя. В этой области обратный ток резко возрастает, а значит, обратное сопротивление диода падает. Однако, если опять уменьшить напряжение, уменьшится и ток. Иными словами, электрический пробой, возникновение которого связано с тонкими молекулярными механизмами, процесс обратимый. Он резко, лавинообразно увеличивает обратный ток, но стоит уменьшить напряжение, диод возвращается в исходный режим и вновь становится электрическим вентилем.
В то же время тепловой пробой выводит полупроводниковый прибор из строя навсегда. И если когда-нибудь к вам в руки попадет диод, который потерял способность быть вентилем, потому что у него обратное сопротивление такое же, как и прямое, то знайте: диод побывал в области теплового пробоя.
Для того чтобы не погубить полупроводниковый диод (а часто вместе с ним могут погибнуть и другие элементы схемы, например, силовой трансформатор), чтобы не довести диод до теплового пробоя, не нужно превышать некоторую предельно допустимую для данного типа диодов мощность. Об этом как раз и говорят основные параметры диодов, приведенные в таблицах 1–5. Правда, в этих таблицах самой мощности вы не найдете, вместо нее указан средний прямой ток Iвып, который можно пропустить через диод (подчеркиваем - это именно средний прямой ток; на короткий срок эту величину иногда можно превысить), и предельное обратное напряжение Uобр-доп.
Обратный ток - 300 мка (при Uобр-доп); прямое напряжение 0,3–0,5 в (при Iвып).
В наших таблицах ток Iпр-ср. обозначенIвып, как и в большинстве официальных справочников.
