3.2. Вольт-амперна характеристика

Для НД як і будь-якого електричного приладу важливою є залежність між струмом, що проходить через прилад, та прикладеною напругою. Знаючи цю залежність, можна визначити струм при заданій напрузі або, навпаки, напругу при заданому струму.

Якщо опір приладу не залежить від струму чи напруги, то зв’язок між ними визначається законом Ома: I = U / R або I = G U. У цьому разі струм прямо пропорційний напрузі. Коефіцієнтом пропорційнocтi є провідність G = 1/R (рис.1.4.).

Прилади, принцип дії яких підкоряється закону Ома, а ВАХ є прямою лінією, що проходить через початок координат, називають лінійними.

Напівпровідникові діоди є нелінійними приладами; в них oпip залежить від напруги або струму, внаслідок чого їх ВАХ є нелінійною і несиметричною (рис .3.1)

З теоретичного аналізу р-п‑переходу випливає просте рівняння, яке точ­но описує ВАХ ідеалізованого НД як у разі прямого, так i зворотного змiщення (2.5.).

Якщо задати постійну пряму напругу U_F, то у діоді проходитиме постійний прямий струм I_F, а якщо задати постійну зворотну напругу U_R – то зворотний струм I_R. У виведенні експоненціальної залежності допущено деякі фізичні ідеалізації. Для реальних НД необхідно враховувати вплив опору базової зони r_б. Відомо, що несиметричний перехід зосереджується у високоомному шарі, тобто в базі діода. З урахуванням r_б точний вираз, що описує пряму гілку ВАХ діода, набирає вигляду:

І = І₀{exp[(U – Ir_б)/_т– 1]}. (3.1)

Отже, ВАХ реального НД зміщується вправо відносно координатної сiтки.

Диференціальний oпip у будь якій точці прямої гілки ВАХ

r_д = dU/dI = _т /(I + I₀)+ r_б. (3.2)

Оскільки тепловий потенціал _т малий, то вже за невеликого прямого струму виконується нерівність _т/(I + I₀) << r_б, і опір діода визначається лінійним опором бази r_б. За цих умов експоненціальна залежнicть прямого струму переходить у лінійну. Такою є основна робоча ділянка ВАХ НД.

Прямий струм дорівнюватиме нулю доти, доки напруга не досягне відповідного значення, за якого струм почне швидко збільшуватися зі збільшенням U_F. Напругу, при якій з’являється помітний струм, часто називають пороговою напругою діода. Типові значення цієї напруги для гер­манієвих приладів дорівнюють 0,2...0,3 В, для кремнієвих – 0,6...0,7 В.

Початкова ділянка ВАХ вирізняється значною нелінійністю, оскільки зі збільшенням U_F опір запірного шару зменшується, крутість ВАХ збіль­шується. Але, якщо напруги досягають десятих часток вольта, запірний шар практично зникає.

У реальних діодах, як і в ЕДП з підвищенням зворотної напруги зворотний струм не залишається постійним і не дорівнює струму екстракції (насичення) І₀, як випливає iз співвідношення (3.1), а повільно зростає. Однією з причин цього зростання є термічна генерація нociїв заряду в переході. З підвищенням зворотної напруги внаслідок розширення переходу збільшується його об’єм, і тому зростає число генерованих в переході носіїв заряду i термострум переходу І_т. Ще однією складовою зростання зворотного струму діода є поверхнева провідність ЕДП, що зумовлює поверхневий струм І_п. Тоді повний зворотний струм реального НД:

І_R = І₀ + І_т + І_п . (3.3)

З порівняння ВАХ кремнієвого i германієвого діодів вид­но, що кремнієві прилади мають істотно менше значення зворотного струму (у 10⁶ разів) через нижчу концентрацію нociїв заряду. Це зумовлено більшою шириною забороненої зони (див. рис. 2.1 i 3.1).