1.1.4 Вольт-амперная характеристика диода

Полупроводниковый диод кроме p-n-перехода содержит два контакта металл-полупроводник. Различают выпрямительные и омические контакты.

Выпрямительные, как p-n-переход, обладают односторонней проводимостью и используются для изготовления диодов Шоттки, которые обладают повышенным быстродействием при открывании и закрывании.

В диодах на p-n-переходах используют омические контакты с малым электрическим сопротивлением, поэтому электрические свойства таких диодов полностью определяются свойствами p-n-перехода.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода устанавливает зависимость тока от напряжения. Теоретическое выражение для ВАХ имеет вид

, (1.1.8)

где - тепловой ток диода (ток насыщения); m=1…3 - поправочный коэффициент (для современных полупроводниковых приборов m ≈ 1,3); - температурный потенциал. При Т=300 К; мВ.

График ВАХ показан на рис. 1.4.

При прямом смещении диода, если выполняется условие , например, мВ, то единицей в выражении (1.1.8) можно пренебречь. При обратном смещении, если , то ток диода принимает постоянное значение , т.е. насыщается.

Рисунок 1.4 – ВАХ диода

Теоретическая ВАХ хорошо совпадает с экспериментальной при прямом смещении диода. При обратном смещении не совпадает, так как не учитывает два эффекта. Первый эффект называется туннельным. При малой толщине p-n-перехода и высокой степени легирования областей примесями при обратном смещении возникает «просачивание» электронов через переход непосредственно из валентной зоны p-области в зону проводимости n-области, что ведет к увеличению обратного тока. Второй эффект связан с размножением носителей в области перехода при обратном смещении. Электроны, разгоняясь под действием электрического поля, сталкиваются с атомами кремния и выбивают дополнительные электроны, которые действуют также. В результате с увеличением обратного напряжения ток диода возрастает, а не остается постоянным. На рис. 1.5 показан вид экспериментальной ВАХ диода при обратном смещении.

В точке А увеличение обратного тока приобретает лавинообразный характер. Наступает обратимый пробой вследствие проявлений одного из описанных выше эффектов. В точке В за счет разогрева перехода обратимый пробой переходит в необратимый тепловой, и наступает катастрофический отказ диода.

Рисунок 1.5 – Обратная ветвь ВАХ диода

При выполнении расчетов схем с диодами теоретическая ВАХ неудобна, так как является достаточно сложной функцией. Используют более простые аппроксимирующие функции 1 и 2, представленные на рис 1.6.

Рисунок 1.6 – Апроксимация ВАХ диода

Удобно использовать функцию 2, которая определяется только одним параметром – падением напряжения на открытом диоде. Для кремниевых маломощных диодов В. Обычно используют значение 0,7 В.

Правила использования функции 2: если напряжение на диоде , то ток диода , диод закрыт и может быть заменен разрывом цепи; если диод открыт, то есть , то на диоде падает напряжение , и он может быть заменен идеальным источником напряжения (батареей) с напряжением . Таким образом, использование аппроксимирующей функции позволяет заменить диод, имеющий нелинейную ВАХ, более простым элементом с линейной характеристикой. Это позволяет использовать для расчета схем с диодами методы расчета линейных цепей, что существенно упрощает эти расчеты.