Полупроводниковая электроника. Часть I. Диоды

Первая часть цикла статей по полупроводниковой электронике от педагога по направлению «IT-квантум» Борова Даниила. Здесь мы узнаем, что такое диод и для чего он нужен.

Прежде чем разбираться с тем, что такой диоды и как они работают, надо узнать, что такое полупроводники, из которых как раз и состоят
эти самые диоды. Для начала вспомним какие бывают материалы по проводимости электрического тока. Бывают диэлектрики – те, которые не препятствуют
протеканию электричества. Бывают проводники, которые проводят электрический ток благодаря наличию в них большого количества зарядов. Но что же тогда делают полупроводники?
Действительно, по названию можно понять, что полупроводники занимают среднюю позицию между проводниками и диэлектриками. Дело в том, что в обычном состоянии такие материалы не способны проводить электричество. Но при внешнем воздействии они становятся вполне обычными проводниками. Также проводимость полупроводников сильно зависит от температуры.
Большинство полупроводников представляют собой кристаллические вещества. Типичный представитель полупроводников – кремний. Как известно, кремний – четырехвалентный элемент с ковалентными связями. Это означает, что с каждым соседним атомом атом кремния связан двумя валентными
электронами.

Если приложить к кристаллу кремния электрическое поле, то валентный электрон перейдет в зону проводимости. А на его месте образуется положительный носитель заряда – дырка. Если любой электрон займет «вакантное» место дырки произойдет рекомбинация – взаимное уничтожение носителей заряда.
Чистый кремний сам по себе не может проводить ток, так как он не имеет свободных электронов. Однако если мы возьмем кремний, легированный донорной примесью (например, фосфором), то получим проводимость n-типа (от англ. negative). А чтобы получить проводимость p-типа (от англ. positive) нужно
легировать кремний акцепторной примесью (например, бором). Таким образом можно получить кристалл кремния со свободными электронами (в проводимости n-типа) или со свободными дырками (в проводимости p-типа).
Теперь мы можем соединить эти кристаллы и получить p-n переход. На границе такого p-n перехода происходит очень интересное явление. Свободные электроны n-стороны стремятся занять дырки p-стороны. Таким образом на крае p-стороны образуется слабый отрицательный заряд, а на границе n-стороны – слабый положительный. Это приводит к появлению обедненной области – место в p-n переходе, в котором нет свободных электронов и дырок.

Эта обедненная область препятствует дальнейшему естественному перемещению носителей заряда.
Если же к диоду подключить внешний источник ЭДС как показано на рисунке ниже – положительным контактом к n-области, а отрицательным к p-области, то электроны и дырки будут притягиваться к источнику ЭДС. Следовательно ток протекать не будет. Такое состояние называется обратным смещением. Также можно заметить, как увеличивается ширина обедненной области.

Если же подключить положительный полюс источника ЭДС к p-стороне диода, а отрицательный к n, ситуация изменится. Как только потенциал на источнике будет достаточным, чтобы преодолеть потенциальный барьер (примерно 0,7 вольт) электроны будут отталкиваться от отрицательного полюса. Далее они будут проходить в акцепторную область и занимать вакантные места. Но из-за притяжения к положительному полюсу они будут и далее перемещаться к соседним дыркам в p-области. Это явление называется прямым смещением. Наблюдается протекание электрических зарядов через диод, образованный p-n переходом.

Также не стоит забывать, что электроны движутся от отрицательного к положительному полюсу источника энергии. Ток же течет в обратном направлении – от плюса к минусу. Сторона диода с проводимостью p-типа- «положительная»- называется анодом. Противоположная сторона – катодом.