Вольт-амперная характеристика

Вольт-амперная характеристика p-n-перехода – это зависимость силы тока в p-n-переходе от приложенного к нему напряжения.

(На рис. I_s — ток насыщения, U_пр — напряжение пробоя.)

При U = 0 , ток обращаются в нуль. Это означает, конечно, не отсутствие движения отдельных носителей через переход, а только то, что в обоих направлениях движутся равные количества электронов (или дырок). При U ≠ 0 баланс нарушается. Рассмотрим, например, дырочный ток. Он включает следующие две компоненты:

1. Ток генерации, то есть дырочный ток, текущий из n-области в p-область перехода. Как видно из названия, этот ток обусловлен дырками, генерируемыми непосредственно в n-области при тепловом возбуждении электронов. Хотя концентрация таких дырок (неосновных носителей) в n-области чрезвычайно мала по сравнению с концентрацией электронов (основных носителей), они играют важную роль в переносе тока через переход.

2. Ток рекомбинации, то есть дырочный ток, текущий из p-области в n-область. Только те дырки, которые имеют достаточную кинетическую энергию для преодоления потенциального барьера, вносят вклад в ток рекомбинации. В отличие от тока генерации, ток рекомбинации чрезвычайно чувствителен к величине приложенного напряжения U.

Полный дырочный ток, текущий из p-области в n-область, представляет собой разность между токами рекомбинации и генерации:

Аналогичное рассмотрение применимо к компонентам электронного тока с тем только изменением, что токи генерации и рекомбинации электронов направлены противоположно соответствующим дырочным токам.

Таким образом, вольт-амперная характеристика p-n-перехода обладает резко выраженной нелинейностью. При изменении знака U значение тока через переход может изменяться в 10⁵ — 10⁶ раз.

Благодаря этому p-n-переход может использоваться для выпрямления переменных токов (диод).

Ёмкость p-n-перехода и частотные характеристики

p-n-переход можно рассматривать как плоский конденсатор, обкладками которого служат области n- и p-типа вне перехода, а изолятором является область объемного заряда, обеднённая носителями заряда и имеющая большое сопротивление. Такая ёмкость называется барьерной. Внешнее обратное напряжение отталкивает электроны в глубь n-области, в результате чего происходит расширение область объемного заряда p-n перехода, которую можно представить как простейший плоский конденсатор, в котором обкладками служат границы области. В таком случае, в соответствии с формулой для ёмкости плоского конденсатора, с ростом расстояния между обкладками (вызванной ростом значения обратного напряжения) ёмкость p-n-перехода будет уменьшаться. По достижении возможного минимума с ростом обратного напряжения ёмкость не изменяется. В зависимости от площади перехода, концентрации легирующей примеси и обратного напряжения барьерная емкость может принимать значения от единиц до сотен пикофарад.

За счёт существования барьерной ёмкости работают варикапы. (диоды со свойствами конденсаторов)-конденс)

Кроме барьерной ёмкости p-n-переход обладает так называемой диффузионной ёмкостью. Диффузионная ёмкость обусловлена тем, что увеличение напряжения на p-n-переходе приводит к увеличению концентрации основных и неосновных носителей, то есть к изменению заряда. Величина диффузионной ёмкости пропорциональна току через p-n-переход. При подаче прямого напряжения значение диффузионной ёмкости может достигать десятков тысяч пикофарад.

Суммарная ёмкость p-n-перехода определяется суммой барьерной и диффузионной ёмкостей.

Эквивалентная схема p-n-перехода на переменном токе представлена на рисунке. На эквивалентной схеме параллельно дифференциальному сопротивлению p-n-перехода R_а включены диффузионная ёмкость C_д и барьерная ёмкость С_б; последовательно с ними включено объёмное сопротивление r. С ростом частоты переменного напряжения, поданного на p-n-переход, емкостные свойства проявляются все сильнее, R_а шунтируется ёмкостным сопротивлением, и общее сопротивление p-n-перехода определяется объёмным сопротивлением базы. Таким образом, на высоких частотах p-n-переход теряет свои линейные свойства.

Эквивалентная схема p-n-перехода.

C_б — барьерная ёмкость,

C_д — диффузионная ёмкость,

R_a — дифференциальное сопротивление p-n-перехода,

r — объёмное сопротивление.