Полупроводники и p–n-переход
Цель: Понять p–n-переход, прямое и обратное смещение и температурную зависимость полупроводников.
Полупроводник и носители заряда
Полупроводники по проводимости занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками, а их свойства сильно зависят от примесей и температуры. В материале n-типа основными носителями являются электроны, в p-типа — дырки.
p–n-переход
На границе p- и n-областей носители диффундируют и образуют обеднённый слой с внутренним электрическим полем. Он создаёт потенциальный барьер, определяющий односторонние свойства перехода.
Прямое и обратное смещение
При прямом смещении внешний источник уменьшает барьер, и после достижения характерного диапазона ток быстро возрастает. При обратном смещении барьер увеличивается, течёт небольшой обратный ток до области пробоя.
Часто упоминаемое «0,7 В для кремниевого диода» — не жёсткая константа. Прямое падение зависит от тока, температуры, технологии и конкретного типа перехода.
Пробой
В обратном направлении при достаточном напряжении возможен пробой. В обычном выпрямительном диоде превышение допустимого обратного напряжения опасно. В стабилитронах работа в контролируемой области обратного пробоя используется специально при соблюдении допустимого тока и мощности.
Температура и ток диода
При нагреве прямое напряжение кремниевого p–n-перехода при заданном токе обычно уменьшается. Если несколько диодов или переходов включены параллельно без мер выравнивания, более нагретый элемент может принять больший ток и нагреться ещё сильнее. Поэтому силовые полупроводники требуют продуманного теплового режима.
В обратном направлении ток утечки с температурой, как правило, увеличивается. При ремонте силового модуля проверка «холодной платы» может не воспроизвести дефект, который появляется после прогрева. Температурная зависимость — часть характеристики элемента, а не случайный побочный эффект.
Зачем электрику
Полупроводниковые элементы встречаются в блоках питания, частотных преобразователях, электронных реле, устройствах управления двигателями и защитах. Базовое понимание перехода помогает отличать ожидаемое одностороннее проведение от короткого замыкания или обрыва.
Что нужно запомнить
- p–n-переход имеет выраженно несимметричную ВАХ.
- Прямое падение диода зависит от тока и температуры.
- Обратный пробой допустим только для элементов и режимов, где это предусмотрено.
- Полупроводниковую деталь проверяют с учётом схемы и типа элемента.