Номер 10, страница 100, часть 2 - гдз по физике 10 класс учебник Кронгарт, Казахбаева

10. Как устроен и работает полупроводниковый диод? Где он применяется?

10. Как устроен и работает полупроводниковый диод? Где он применяется?

Устройство полупроводникового диода

Полупроводниковый диод — это электронный компонент, основу которого составляет кристалл полупроводника (чаще всего кремния), в котором созданы две смежные области с разным типом примесной проводимости: одна область имеет дырочную проводимость (p-тип), а другая – электронную (n-тип). Граница между этими двумя областями называется электронно-дырочным переходом или p-n-переходом. К p-области подсоединен металлический вывод, называемый анодом, а к n-области – вывод, называемый катодом. Вся эта структура помещается в герметичный корпус для защиты от внешних воздействий и имеет два вывода для подключения к электрической цепи.

Принцип работы

Работа диода основана на свойстве p-n-перехода обладать односторонней проводимостью.

В момент образования p-n-перехода из-за разницы концентраций происходит диффузия: электроны из n-области перемещаются в p-область, а дырки из p-области — в n-область. Вблизи границы они рекомбинируют (взаимно уничтожаются). В результате по обе стороны от границы образуется слой, обедненный свободными носителями заряда, — так называемый запирающий слой (или обедненный слой). В этом слое возникает внутреннее электрическое поле, направленное от n-области к p-области, которое препятствует дальнейшей диффузии.

Основное свойство диода проявляется при подключении к нему внешнего напряжения:

1. Прямое включение (Forward Bias): Если к аноду (p-область) подключить положительный полюс источника, а к катоду (n-область) – отрицательный, то внешнее электрическое поле будет направлено навстречу внутреннему полю p-n-перехода. Это ослабляет внутреннее поле и сужает запирающий слой. Когда внешнее напряжение превысит пороговое значение (для кремниевых диодов около $0.6-0.7$ В), запирающий слой практически исчезает. Основные носители заряда (электроны и дырки) устремляются через переход, и через диод начинает протекать значительный прямой ток. В этом состоянии диод "открыт", его сопротивление очень мало.

2. Обратное включение (Reverse Bias): Если к аноду (p-область) подключить отрицательный полюс источника, а к катоду (n-область) – положительный, то внешнее поле совпадет по направлению с внутренним, усиливая его. Запирающий слой расширяется, и потенциальный барьер для основных носителей заряда возрастает. Движение основных носителей через переход практически прекращается. Через диод течет лишь очень малый обратный ток (ток утечки), обусловленный движением неосновных носителей. В этом состоянии диод "закрыт", его сопротивление очень велико.

Применение

Благодаря своему ключевому свойству — односторонней проводимости — полупроводниковые диоды находят широчайшее применение в электронике:

• Выпрямители: Основное применение — преобразование переменного тока (AC) в пульсирующий постоянный (DC) в блоках питания. Это первый шаг в получении постоянного напряжения для питания практически всех электронных устройств.
• Детекторы сигналов: В радиоприемниках для выделения низкочастотного (например, звукового) сигнала из модулированной высокочастотной несущей.
• Стабилитроны (диоды Зенера): Специальные диоды, используемые в режиме обратного пробоя для создания источников опорного напряжения и стабилизации напряжения.
• Светодиоды (LED): При прохождении прямого тока излучают свет. Используются для индикации, освещения, в экранах и системах передачи данных.
• Фотодиоды: Работают в режиме обратного смещения и генерируют ток под действием света. Применяются как датчики света, в оптоволоконных линиях связи, в солнечных батареях.
• Варикапы: Диоды, емкость p-n-перехода которых управляется обратным напряжением. Используются для электронной настройки частоты в колебательных контурах радиоприемников, передатчиков и синтезаторов частот.
• Защитные элементы: Для защиты схем от подключения источника питания с неверной полярностью или от выбросов напряжения.

Ответ: Полупроводниковый диод состоит из кристалла полупроводника с созданным в нем p-n-переходом и имеет два вывода — анод и катод. Его работа основана на свойстве p-n-перехода пропускать электрический ток преимущественно в одном направлении (когда он открыт прямым напряжением) и практически не пропускать в обратном (когда он закрыт обратным напряжением). Применяется для выпрямления переменного тока, детектирования сигналов, стабилизации напряжения, в качестве источников света (светодиоды), фотоприемников (фотодиоды) и для защиты электронных схем.