Как работает диод

В чистом полупроводнике количество свободных носителей заряда ограничено. Чтобы получить управляемые электрические свойства, в кристалл вводят примеси. Так формируются две области с разной проводимостью.

В области n-типа основными подвижными носителями становятся свободные электроны. В области p-типа основную роль играют дырки – незаполненные состояния, которые в расчётах ведут себя как положительные носители заряда.

Обозначения p и n не означают, что весь кристалл заряжен положительно или отрицательно. Каждая область в целом остаётся электрически нейтральной: заряд подвижных носителей компенсируется неподвижными ионами примеси.

Пока области существуют отдельно, диода ещё нет. Его основные свойства возникают после формирования общей границы, на которой начинается диффузия электронов и дырок.

После образования p-n-перехода концентрации носителей по разные стороны границы резко отличаются. Электроны диффундируют из n-области в p-область, дырки движутся навстречу, а возле границы они рекомбинируют.

Процесс формирует внутреннюю структуру перехода:

1. Подвижные носители покидают приграничную область.
2. Возле границы остаются неподвижные заряженные ионы примеси.
3. Возникает электрическое поле, направленное против дальнейшей диффузии.

Участок, в котором мало подвижных носителей, называется обеднённым слоем. Созданное неподвижными зарядами поле образует потенциальный барьер. Чем сильнее этот барьер, тем труднее основным носителям пересечь границу.

Без внешнего напряжения переход находится в равновесии: диффузионное движение и движение под действием внутреннего поля компенсируют друг друга. Это не полное отсутствие движения носителей, а отсутствие результирующего тока через выводы диода.

При прямом включении положительный потенциал подают на p-область и анод, а отрицательный – на n-область и катод. Внешнее поле действует против внутреннего поля перехода, поэтому потенциальный барьер уменьшается, а обеднённый слой сужается.

Носители получают возможность пересекать границу: электроны инжектируются в p-область, дырки – в n-область. С увеличением напряжения прямой ток возрастает очень быстро и нелинейно. Упрощённо эту зависимость описывает уравнение диода:

В формуле IS обозначает обратный ток насыщения, VD – напряжение на переходе, VT связано с температурой, а n учитывает особенности реального диода. Для практического выбора обычно используют графики и таблицы даташита, а не пытаются определить ток только по этой формуле.

Распространённые 0,7 В для кремниевого диода – лишь ориентир, а не точный порог включения. Прямое падение меняется вместе с током, температурой, площадью перехода и технологией изготовления.

При обратном включении отрицательный потенциал прикладывают к аноду, а положительный – к катоду. Внешнее и внутреннее поля складываются, основные носители удаляются от границы, обеднённый слой расширяется. Переход переходит в запирающее состояние.

Ток не становится строго равным нулю. Через переход продолжают двигаться неосновные носители, а дополнительные утечки могут возникать по поверхности кристалла и корпуса. Обратный ток зависит от материала, площади перехода, приложенного напряжения и особенно от температуры.

В даташите утечку указывают как IR при конкретных обратном напряжении и температуре. Сравнивать два диода по одному значению IR можно только при одинаковых условиях измерения.

Расширившийся обеднённый слой также ведёт себя как диэлектрик между заряженными областями. Поэтому закрытый диод обладает барьерной ёмкостью. Для сетевого выпрямителя она часто второстепенна, а в быстродействующей или высокочастотной цепи может заметно влиять на сигнал.

Запирающий режим сохраняется только до допустимого обратного напряжения. После достижения области пробоя ток начинает резко возрастать.

Вольт-амперная характеристика, или ВАХ, показывает зависимость тока через диод от приложенного напряжения. В отличие от резистора, эта зависимость нелинейна: отношение напряжения к току меняется вместе с рабочей точкой.

Рабочая точка появляется на пересечении ВАХ диода и характеристики остальной цепи. Поэтому источник питания, последовательное сопротивление и нагрузка определяют ток не меньше, чем сам компонент.

Температура сдвигает характеристику. У обычного кремниевого p-n-диода прямое падение при заданном токе обычно уменьшается с нагревом, а обратная утечка возрастает. Точные зависимости берут из даташита конкретной серии.

Обозначения графиков, режимы измерения и связь между предельными и рабочими величинами разобраны на странице параметров диодов.

Пробой начинается, когда обратное электрическое поле становится достаточно сильным для резкого роста тока. Это не обязательно означает мгновенное физическое разрушение кристалла. Разрушение возникает, если ток и выделяемая мощность превышают допустимый режим.

В p-n-переходах действуют два основных механизма. Туннельный, или зенеровский, пробой связан с сильным полем в тонком обеднённом слое. Лавинный пробой возникает, когда ускоренные носители создают новые пары электронов и дырок ударной ионизацией. В реальном компоненте механизмы могут проявляться одновременно, а их вклад зависит от конструкции и напряжения пробоя.

У обычного выпрямительного или сигнального диода работа в неоговорённом пробое может вызвать локальный перегрев и деградацию перехода. Стабилитроны и TVS-диоды, напротив, проектируют для контролируемой работы в обратной области, но только в пределах тока, мощности и длительности импульса.

Даже при стабильном напряжении пробоя мощность продолжает расти вместе с током. Различия рабочих режимов рассмотрены на странице о стабилитронах и TVS-диодах.

Диод не всегда переходит из проводящего состояния в запирающее мгновенно. Пока через p-n-переход течёт прямой ток, в его областях накапливаются неосновные носители. После смены полярности этот заряд сначала должен исчезнуть или быть выведен из перехода.

В течение короткого времени после переключения возникает обратный ток восстановления. Его описывают временем обратного восстановления trr и зарядом восстановления Qrr. Чем больше этот заряд и частота переключения, тем выше коммутационные потери и нагрузка на ключи схемы.

Для выбора важно различать режимы:

• в выпрямителе сетевой частоты обычный диод может успевать закрываться без заметных последствий;
• в импульсном преобразователе медленное восстановление вызывает нагрев, потери и выбросы;
• в сигнальной цепи задержка способна исказить короткий импульс;
• диод Шоттки не имеет обычного накопления неосновных носителей, но сохраняет барьерную ёмкость, ток утечки и динамические потери.

Скорость нельзя оценивать только по слову «быстрый» в названии. Нужно сопоставлять trr, Qrr, ёмкость, ток, напряжение и условия измерения. Отличия технологий подробнее раскрываются на странице о диодах Шоттки и быстрых диодах.