2. Прямое включение диода

При прямом напряжении на диоде внешнее напряжение частично компенсирует контактную разность потенциалов на p-n-переходе, так как внешнее электрическое поле при прямом включении диода направлено противоположно диффузионному полю. Поэтому высота потенциального барьера перехода уменьшается пропорционально приложенному к диоду напряжению. Пренебрегая падением напряжения на базе диода, рассмотрим диод при малых прямых токах.

С уменьшением высоты потенциального барьера увеличивается количество носителей заряда, которые могут преодолеть потенциальный барьер и перейти в соседнюю область диода, где они окажутся неосновными носителями (рис. 2). Этот процесс называют инжекцией неосновных носителей заряда через p-n-переход.

Рис. 2. Пространственное распределение зарядов (а, б, в) и

энергетические диаграммы p-n-перехода (г, д, е):

а, г – внешнее напряжение отсутствует (),

б, д – внешнее напряжение прямое (),

в, е – внешнее напряжение обратное ().

Так как высота потенциального барьера уменьшается пропорционально приложенному напряжению, а носители заряда распределены по энергиям по экспоненциальному закону в соответствии со статистикой Ферми-Дирака или Максвелла-Больцмана, то прямая ветвь ВАХ диода должна быть похожа на экспоненту (рис. 3).

Рис. 3. Вольт-амперная характеристика диода

при инжекции и экстракции носителей заряда

При увеличении температуры диода уменьшается высота потенциального барьера и изменяется распределение носителей заряда по энергиям (электроны, например, занимают более высокие энергетические уровни в зоне проводимости). Из-за этих двух причин прямой ток через диод увеличивается с ростом температуры при неизменном прямом напряжении (рис. 4, а).

Рис. 4. Прямые ветви ВАХ диода:

а) при разных температурах,

б) при разной ширине запрещенной зоны исходного материала,

в) при разной концентрации примесей в прилегающих к p-n-переходу областях.

Если сравнить прямые ветви двух диодов, изготовленных из разных материалов, с разной шириной запрещенной зоны, то у диода из материала с большей шириной запрещенной зоны будет больше высота потенциального барьера. Следовательно, прямой ток через диод из материала с большей шириной запрещенной зоны будет меньше при том же прямом напряжении (рис. 4, б).

С увеличением концентрации примесей в прилегающих к p-n-переходу областях будет увеличиваться высота потенциального барьера перехода, а значит, будет меньше прямой ток при том же прямом напряжении (рис. 4, в).

3. Обратное включение диода

При обратном включении диода внешнее электрическое поле и диффузионное поле в p-n-переходе совпадают по направлению, происходит экстракция неосновных носителей заряда из прилегающих к переходу областей (рис. 2, е). Это приводит к уменьшению граничной концентрации неосновных носителей заряда около p-n-перехода и к появлению диффузии неосновных носителей к переходу – идет диффузионный ток неосновных носителей, возникающих в результате тепловой генерации в объеме n- и p-областей диода, а также на омических переходах.

За время жизни до p-n-перехода могут продиффундировать неосновные носители, возникшие в n- и p-областях на расстоянии, не превышающем соответствующей диффузионной длины (рис. 5, а, б).

Рис. 5. Экстракция неосновных носителей из прилегающих к p-n-переходу областей при разных обратных напряжениях на диоде

Остальные неосновные носители, не успев дойти до перехода, рекомбинируют в объеме. Это справедливо для разных обратных напряжений на диоде, если толщины прилегающих к переходу областей превышают диффузионные длины неосновных носителей заряда. Поэтому обратный ток, начиная с очень малых значений обратного напряжения, не будет изменяться с изменением напряжения (рис. 3). Этот неизменный с изменением напряжения обратный ток через диод называют током насыщения.

Рассмотрев физические процессы в диоде при обратном напряжении, можно выразить плотность тока насыщения через параметры полупроводникового материала:

,

где – электрический заряд;

– собственная концентрация носителей заряда при данной температуре;

– диффузионная длина дырок;

- диффузионная длина электронов;

– концентрация доноров;

– концентрация акцепторов;

– время жизни дырок;

- время жизни электронов.

Этот ток не совсем и не всегда насыщенный, так как толщина базы диода зависит от напряжения в связи с изменением толщины p-n-перехода при изменении приложенного напряжения.

При увеличении температуры диода плотность тока насыщения увеличивается, так как с температурой экспоненциально растет собственная концентрация носителей заряда.

В диодах на основе материала с большей шириной запрещенной зоны плотность тока насыщения должна быть значительно меньше, так как собственная концентрация экспоненциально уменьшается с увеличением ширины запрещенной зоны. Сравнивая германиевые и кремниевые диоды и учитывая разницу в собственных концентрациях носителей в германии и кремнии, которая составляет три порядка, следует заключить, что плотность тока насыщения в кремниевых диодах должна быть меньше на шесть порядков.

С увеличением концентрации примесей в прилегающих к переходу областях плотность тока насыщения в соответствии с (1) должна уменьшатся.

Таким образом, ВАХ диода обычно записывают в виде:

,

где – приложенное напряжение;

– коэффициент пропорциональности;

- температура.

Графическое изображение ВАХ показано на рис. 3. Для удобства масштабы прямых и обратных напряжений, а также прямых и обратных токов выбирают разными.