Вольт-амперная характеристика диода
Свойства диода определяются его вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Вольт-амперная характеристика диода показана на рис. 10.
Рис. 11
Приближенно она может быть описана уравнением:
I=IO(e U/mт –1) (1)
где IO – ток насыщения обратно смещенного перехода (обратный тепловой ток); U – напряжение на p-n переходе; т = kT/q – тепловой потенциал, равный контактной разности потенциалов к на границе p-n перехода при отсутсвии внешнего напряжения; k =1,3810-23 Дж/К– постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура; q =1,610-19кулон – заряд электрона; m - поправочный коэффициент, учитывающий отклонение от теории. При комнатной температуре Т=300К, т = 0,026В.
На ВАХ различают две ветви: прямая ветвь, которая находится в первом квадрате и обратная ветвь в третьем квадрате. Уравнение (1) хорошо описывает характеристику реального диода в прямом направлении и для небольших токов, В соответствии с (1) сопротивление диода является нелинейным. В случае линейного сопротивления ВАХ была бы прямая линия.
На прямой ветви реальной ВАХ имеется резкий загиб, который характеризуется напряжением включения. Для германиевых диодов напряжение включения равно примерно 0,3В, для кремниевых – примерно 0,6В.
Анализ этих характеристик позволяет разграничить преимущественные области применения германиевых и кремниевых диодов. Так, германиевые диоды используют, когда необходима обработка сигналов малой амплитуды. Действительно, с помощью германиевого диода можно выпрямлять переменное напряжение, амплитуда которого составляет доли вольта, тогда как кремниевый диод при подаче на него напряжения, амплитуда которого менее 0,4 В, одинаково плохо проводит ток в прямом и обратных направлениях.
Кремниевые диоды применяют чаще германиевых, особенно когда недопустим обратный ток. Кроме того, они сохраняют работоспособность при температуре до 125 – 150 С, тогда как германиевые могут работать только при температуре до + 70С.
Основными параметрами выпрямительных диодов являются:
постоянное прямое напряжение Uпр , измеренное при определенном постоянном прямом токе Iпр ;
постоянный обратный ток Iобр, измеренный при определенном постоянном обратном напряжении Uобр ;
максимально допустимое постоянное обратное напряжение Uобр мах ;
максимально допустимый средний прямой ток Iпр ср мах , обычно определяемый как средний за период прямой ток в схеме однополупериодного выпрямителя.
Работоспособность диода определяется выделяемой на нем мощностью P=UI. U и I относятся к определенной точке ВАХ. Мощность определяет нагрев. Рабочий участок диода на ВАХ рис. 7 отмечен жирной линией. Если диод начинает работать на не рабочих участках ВАХ, он выходит из строя. На не рабочих участках мощность превышает допустимую, нагрев превышает допустимый. При нагреве, превышающем допустимый, диод разрушается.
Зависимость ВАХ от температуры показана на рис. 12.
Превышение Uобр мах переводит диод в режим пробоя. Различают электрический, тепловой и поверхностный пробой p-n перехода. Электрический пробой может быть лавинным или туннельным и не сопровождается разрушением p-n перехода.
Тепловой пробой, как правило, сопровождается разрушением p-n перехода и выходом прибора из строя, поверхностный связан с поверхностным зарядом.
Лавинный пробой происходит из-за лавинного размножения неосновных носителей заряда в широких p-n переходах. Электрон, ускорившись в поле запирающего слоя, выбивает из атомов полупроводника валентные электроны, которые, в свою очередь, успевают ускориться и выбить новые электроны, и т.д. Процесс развивается лавинообразно и сопровождается быстрым нарастанием обратного тока – участка (б в) на рис. 11.
Туннельный пробой наблюдается в узких p-n переходах и состоит в отрыве под действием сильного электрического поля валентных электронов от атомов полупроводника. Образующиеся при этом носители заряда – электроны и дырки – способствуют увеличению обратного тока.
Тепловой пробой возникает из-за перегрева p-n перехода или отдельного его участка. При этом происходит интенсивная генерация пар электрон-дырка и, следовательно, увеличивается обратный ток, что ведет к увеличению мощности, выделяющейся в p-n переходе, и дальнейшему его разогреву. Этот процесс, также лавинообразный, завершается расплавлением перегретого участка p-n перехода и выходом прибора из строя. При этом пробое ток стремительно нарастает, а напряжение на переходе уменьшается – участки (в-г) на рис. 11.
Поверхностный заряд – распределение напряженности электрического поля в переходе может существенно изменить заряды, имеющиеся на поверхности полупроводника. Поверхностный заряд приводит к увеличению или уменьшению толщины перехода. В результате этого на поверхности перехода может наступить пробой при напряженности поля, значительно меньшей той, которая необходима для возникновения пробоя в объеме. Большую роль при возникновении поверхностного пробоя играют диэлектрические свойства среды, граничащей с поверхностью полупроводника (защитное покрытие, загрязненность и др.). Для снижения вероятности поверхностного пробоя необходимо применять защитные покрытия с высокой диэлектрической постоянной.