Что такое полупроводниковый диод (или просто диод) и зачем он нужен мы и рассмотрим ниже. Для лучшего понимания хорошо бы иметь представление о полупроводниках различных типов проводимости. Если что, читать про это сюда.
Прежде всего, диод - это нелинейный прибор. Например, резик - прибор линейный, все полупроводниковые приборы - нет. Чем же отличается линейность от нелинейности.

Для любого электрического прибора важна зависимость между током через прибор и приложенным напряжением. Зная эту зависимость, можно определить ток при заданном напряжении или, наоборот, напряжение, соответствующее заданному току.

Если сопротивление прибора постоянно и не зависит от тока или напряжения, то связь между током и напряжением выражается законом Ома:





Ток прямо пропорционален напряжению. Коэффициентом пропорциональности является проводимость G=1/R.

График зависимости между током и напряжением называется вольт-амперной характеристикой или просто ВАХ. Соответственно, для приборов, подчиняющихся закону Ома, характеристикой является прямая линия, проходящая через начало координат. Примером может служить резик. Это вообще материальное воплощение закона Ома. Вот вольт-амперная характеристика линейного прибора:





Ну и соответственно, приборы, принцип действия которых подчиняется закону Ома, а вольт-амперная характеристика имеет вид прямой линии, проходящей через начало координат, называются линейными.

Существуют также приборы, у которых сопротивление не постоянно, а зависит от напряжения или тока. Для таких приборов связь между током и напряжением выражается не законом Ома, а более сложными зависимостями, и ВАХ не является прямой линией и не проходит через начало координат. Такие приборы называются нелинейными.

Электронно-дырочный переход, по существу, является диодом. Нелинейные свойства видны при рассмотрении его ВАХ. Вот вольт-амперная характеристика диода небольшой мощности:





Как видно из рисунка, прямой ток в десятки миллиампер получается при прямом напряжении в десятые доли вольта. Прямое сопротивление, соответственно, не выше нескольких десятков Ом. Для более мощных диодов прямой ток составляет сотни миллиампер и много больше при том же малом напряжении, а прямое сопротивление снижается до единиц и долей Ома.

Характеристику для обратного тока (как и напряжения) обычно показывают в другом масштабе, что на рисунке и сделано. Обратный ток при обратном напряжении в сотни вольт составляет всего единицы и десятки микроампер. Ну и соответственно, обратное сопротивление составляет сотни и более килоом. Справедливости ради отметим, что в точке 0 при таком масштабе присутствует излом. На рисунке не показан.

Характеристика для прямого тока вначале имеет значительную нелинейность, так как при увеличении прямого напряжения сопротивление запирающего слоя уменьшается. Поэтому кривая идет со все большей крутизной. Но при напряжении в десятые доли вольта запирающий слой практически исчезает и остается только сопротивление n- и p-областей, которое приближенно можно считать постоянным. Поэтому далее характеристика становится близкой к линейной.


Обратный ток при увеличении обратного напряжения сначала быстро возрастает. Это вызвано тем, что уже при небольшом обратном напряжении за счет повышения потенциального барьера в переходе резко снижается диффузионный ток, который направлен навстречу току проводимости. Однако при дальнейшем повышении обратного напряжения ток растет незначительно. Рост тока происходит за счет нагрева перехода, утечки по поверхности, а также за счет лавинного размножения заряда, т. е. увеличения носителей заряда вследствие ударной ионизации. Сие явление состоит в том, что при более высоком обратном напряжении электроны приобретают большую скорость и, ударяя в атомы кристаллической решетки, выбивают из них новые электроны, которые, в свою очередь, разгоняются полем и также выбивают из атомов электроны. Такой процесс усиливается с повышением напряжения.

При некоем значении обратного напряжения происходит пробой p-n-перехода. При этом обратный ток резко возрастает и сопротивление запирающего слоя резко уменьшается. На рис. 2 сие явление происходит примерно в точке А. Пробой может быть электрическим и тепловым. Электрический пробой, которому соответствует участок АБВ на рис. 2, является обратимым, т. е. при этом пробое в переходе не происходит необратимых изменений, то бишь разрушения структуры вещества. Поэтому работа диода в режиме электрического пробоя допустима. Например, стабилитроны - специальные диоды для стабилизации напряжения (о них ниже) - работают именно в таком режиме, а конкретно на участке БВ характеристики, показанной на рис. 2. Электрический пробой, в свою очередь, разделяется на лавинный и туннельный.

Лавинный пробой объясняется лавинным размножением носителей за счет ударной ионизации и за счет вырывания электронов из атомов сильным электрическим полем. Этот пробой характерен для переходов большой толщины, получающихся при сравнительно малой концентрации примесей в полупроводнике. Пробивное напряжение для лавинного пробоя составляет десятки или сотни вольт.

Туннельный пробой происходит из-за явления туннельного эффекта, состоящего в том, что при поле, напряженностью более 10⁵ В/см, действующим в переходе малой толщины, некоторые электроны проникают через переход без изменения своей энергии. Тонкие переходы, в которых возможен туннельный эффект, возникают при высокой концентрации примесей. Напряжение для туннельного пробоя составляет обычно единицы вольт. На основе этого эффекта работают туннельные диоды (про них тоже потом).

И, наконец, тепловой пробой происходит примерно на участке ВГ характеристики, показанной на рис. 2. Тепловой пробой необратим, так как при этом разрушается структура вещества в месте p-n-перехода. Причина теплового пробоя заключается в нарушении устойчивости теплового режима перехода. Это означает, что количество теплоты, выделяющейся при нагревании перехода, проходящим через него обратным током, превышает количество теплоты, отводимой от перехода. В результате температура перехода возрастает, сопротивление его уменьшается, ток увеличивается, что приводит к его тепловому разрушению. Например, когда у Вас "вылетает" транзистор или сгорает, дымясь вонючим пламенем, диод - это тепловой (а не электрический!!!) пробой, даже если он не успел нагреться, а точнее Вы не успели это ощутить.





При рассмотрении p-n-перехода при обратном напряжении вскользь упоминалось о том, что при обратном напряжении переход аналогичен кондеру со значительным током утечки. Запирающий слой имеет высокое сопротивление и играет роль диэлектрика, а по обе его стороны расположены два разноименных объемных заряда +Q_обр и -Q_обр, созданные ионизированными атомами донорной примеси. Поэтому p-n-переход обладает емкостью, подобной кондеру с двумя обкладками (про кондеры здесь). Эта емкость называется барьерной емкостью. Барьерная емкость, как и у конденсаторов, возрастает при увеличении площади p-n-перехода, диэлектрической проницаемости полупроводника, уменьшения толщины запирающего слоя.

Барьерная емкость паразитно влияет на выпрямление переменного тока, так как шунтирует диод и на более высоких частотах через него протекает ток. Но высокие умы обратили недостаток в достоинство.
Придумали спешиал диоды, так называемые варикапы и варакторы (варактор - это более мощный варикап), которые используются как конденсаторы переменной емкости для настройки колебательных контуров, а также в некоторых схемах, работа которых основана на свойствах нелинейной емкости. В отличие от обычных переменных конденсаторов, в которых емкость изменяется механическим путем, в варикапах изменение емкости достигается регулировкой обратного напряжения. Такая настройка называется электронной.





На электропроводность полупроводников значительное влияние оказывает температура. При повышении температуры усиливается генерация пар носителей заряда, т. е. увеличивается концентрация и проводимость растет. Следовательно, свойства полупроводниковых приборов сильно зависят от температуры. При повышении температуры прямой и обратный токи растут. Очень резко увеличивается обратный ток из-за усиления генерации пар носителей. У германиевых транзисторов обратный ток возрастает примерно в 2 раза при повышении температуры на каждые 10ºC. Выражается это вот этой формулой:





Следовательно, если температура поднялась с 20ºС до 70ºС, то ток ⁱобр увеличился в 2⁵, т. е. в 32 раза. Кроме того, у германиевых диодов с повышением температуры снижается напряжение электрического пробоя.

У кремниевых диодов при нагреве на каждые 10ºС обратный ток увеличивается в 2,5 раза, а напряжение электрического пробоя при повышении температуры сначала несколько возрастает, затем уменьшается.

Прямой ток при нагреве растет не так сильно, как обратный, поскольку прямой ток возникает главным образом за счет примесной проводимости, а концентрация примесей не зависит от температуры.

С повышением температуры несколько возрастает барьерная емкость диода. Температурный коэффициент емкости (ТКЕ), показывающий изменение емкости при изменении температуры на 1ºС, равен 10^-4 - 10^-3 K^-1.